缺血性脑卒中白质损伤及保护的研究进展

季宇彬 邵钰莹,2 王 群 郭安臣

（1 哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，黑龙江 哈尔滨 150076；2 北京脑重大疾病研究院，北京 100069；3 首都医科大学附属北京天坛医院，北京 100050；4 国家神经系统疾病临床医学研究中心，北京 100076；5 脑血管病转化医学北京市重点实验室，北京 100076）

1 介 绍

脑卒中（cerebral stroke）又称“中风”、“脑血管意外”（cerebr alvascular accident，CVA），以急性起病，局灶性弥漫性脑功能缺失为特征[1-2]，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑实质而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性脑卒中。缺血性脑卒中的发病率高于出血性卒中，缺血性卒中占脑卒中的60%～80%，脑卒中是威胁人类健康的疾病，具有患病率高、复发率高、致残率高、病死率高的特点。近年的研究表明缺血脑卒中的损伤机制主要涉及脑缺血缺氧后能量供应不足、合成障碍，氧化应激，兴奋性毒性氨基酸的作用，免疫炎性反应[3-4]，钙超载[5-6]以及游离锌离子浓度升高和低氧诱导因子-1的激活[7]等。缺血性脑卒中主要导致脑实质损伤。近年来，不同原因所导致的脑卒中均被视为大脑NVU参与的反应损伤过程。反应累及神经元及其支持系统，包括小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞，以及神经元轴突和为神经组织提供能量的微血管的内皮细胞及缝隙连接、紧密连接，水通道，周细胞（pericyte）等。以往对脑卒中的研究主要倾向于灰质神经元及部分白质成分；而据近年国内外文献报道，对白质损伤的机制的深入研究对脑卒中的恢复意义重大：白质在啮齿动物脑体积中占10%，而在人体中占大脑体积的50%左右，用对啮齿动物的研究来评估人体脑卒中需更进一步深入的探讨；越来越多的研究表明，周细胞在缺血性脑卒中的各种损伤和保护机制中扮演了越来越重要的作用。脑卒中的内源性保护与损伤机制复杂，故对其治疗方面的研究亦层出不穷，但尚未发现特效疗法，不过近年也有新的进展。

少突胶质细胞在形态学方面具有高度异质性，也存在不同的细胞亚类[8]。少突胶质细胞在脑白质及灰质中均有分布。在白质中，大部分少突胶质细胞在轴突纤维之间以水平排列的方式形成束状形态。少突胶质细胞是典型的物种进化产物。为了适应选择性压力，例如逃避袭击等，大脑需要作出迅速反应，因此需要加快神经信息的传递速度。无脊椎动物通过增加轴突直径来实验这一目的。但这一方法并不适用于脊椎动物，脊椎动物体型较大，神经系统更为复杂，所含有的神经纤维较无脊椎动物更多，而提供给神经系统的空间却相对较小。因此，很难通过增加轴突直径及长度满足速度传输的要求。在这种情况下，少突胶质细胞应运而生[9]。少突胶质细胞是脑内的髓鞘生成细胞，其产生的髓鞘包绕神经元轴突，形成“郎飞氏结”，使神经元轴突相互绝缘，并使得神经信息呈跳跃式传导，加快神经信息传递。髓鞘形成受到多方面的调控，一方面，少突胶质细胞能够识别具有合适直径的神经元轴突，启动髓鞘生成活动。另一方面，神经系统微环境中的神经活动及某些信号也参与调控髓鞘生成活动的时化和程度。在髓鞘形成过程中，少突胶质细胞延伸形成膜状并包绕轴突。少突胶质细胞包绕轴突的数量不定，1个或几个，最多甚至能包绕50个左右的轴突段。髓鞘的存在使得神经信息的传递速度可以增加50～100倍[10]。在髓鞘生成过程中，少突胶质细胞需要大量的营养及代谢支持。因此，少突胶质细胞需要与神经血管建立密切的联系，以维持髓鞘生成以及维持轴突功能的完整性[10]。而当脑组织受到损伤时，即使只损伤单个少突胶质细胞，也可能造成多个神经元轴突的损伤，从而影响神经功能。

2 缺血性卒中后白质损伤及修复

脑白质是中枢神经系统重要组分，其基础代谢率高。因此，即使是轻微缺血也会造成脑白质损伤。缺血缺氧是造成脑白质损伤的常见原因。缺血缺氧对白质造成的损伤贯穿整个生命过程，包括新生儿时期的脑室周围白质软化症[11-13]，成年时期的缺血性脑卒中及老年时期的血管性痴呆等等都会导致脑白质损伤[14]。

2.1 缺血性卒中后白质损伤：缺血性脑卒中是白质损伤的一个非常主要的原因，大脑深穿支小血管梗死或大的烦巧动脉梗死均可造成白质损伤[15-16]。白质含有主要的上行和下行神经传导纤维，因此白质损伤会引起多种运动感觉神经功能受损，神经功能缺失综合征及认知功能障碍等症状[17-19]。研究发现，几乎所有的烦内大动脉阻塞造成的缺血性脑卒中都会伤及白质，白质梗死体积大约占脑梗死体积的一半[20]。CT及磁共振等影像学检查能够有效辨别白质损伤。例如，白质损伤在磋共振上主要表现为T2加权上高信号。已有研究结果显示，白质高信号的程度是缺血性卒中预后的一个独立危险因素。此外，多种先进影像学检查方法和巧术能够更精确得检测白质损伤。如磁共振弥散加权技术能够清晰辨别早期皮质下梗死及弥漫性脑缺血引发的白质损伤，而利用正电子磁共振波普方法测量脑内N-乙酰天门冬氨酸（N-acetyl aspartate，NAA）水平可以间接检测出轴突受损情况[21]。

缺血性卒中会立即引发白质损伤，病理学方法可观察到少突胶质细胞的形态学在缺血早期即有改变。最早在缺血发生30 min内，有些少突胶质细胞即出现细胞质肿胀表现。在缺血发生3 h后，大部分少突胶质细胞出现水肿及核固缩现象，并伴有髓鞘染色脱失情况。髓鞘在缺血3 h后会出现空洞。随着缺血进展，在缺血6 h后，空洞的髓鞘会从轴突上脱离[16]。在某些脑区，例如大脑皮质及下丘脑处，少突胶质细胞对缺血敏感性比神经元还明显[22]。缺血发生后，少突胶质细胞的亚细胞结构，如高尔基体和内质网也会发生形态学的改变。此外，微管蛋白异常是少突胶质细胞缺血后的一个显著变化。少突胶质细胞富含微管结构，主要负责运输必需的髓鞘相关蛋白至细胞终端的突起[23-24]。研究发现，在缺血发生后40 min之内，微管相关蛋白-Tau蛋白的免疫活性即可增加到可以检测的水平，提示少突胶质细胞对缺血高度敏感[25]。

目前研究发现，介导缺血后白质损伤的机制主要包括以下几个方面[25-27]。①钙离子超载引发的轴突功能障碍。使用大鼠视神经作为研究对象的研究结果显示，供能不足会激活轴突上电压依赖性钠离子及钙离子通道，导致轴突间钙离子聚集，并进而激活钙离子依赖性通路，最终导致轴突功能障碍。②低血糖。血糖是白质主要供能来源，低血糖引发白质损伤。虽然糖原可以保护白质免受缺血损伤，但是在脑内，只有星形胶质细胞可以产生糖原。血糖降低时，星形胶质细胞内的糖原转化成乳酸，弥散至细胞外间隙营养邻近的神经元轴突。在轴突内，乳酸转化为丙酮酸促进氧化产能从而维持轴突的功能。星形胶质细胞内糖原提供的能量仅能保护轴突免受饥饿损伤最长至30 min[28]。提高星形胶质细胞内糖原的含量可以延长其功能时间，是保护缺血性白质损伤的一个潜在治疗措施。③少突胶质细胞损伤。少突胶质细胞损伤是白质损伤的一个重要组成部分。少突胶质细胞对缺血缺氧及氧化应激高度敏感，多种因素参与介导缺血缺氧对少突胶质细胞造成的损伤，例如氧化应激、兴奋性毒性作用及细胞凋亡等。少突胶质细胞富含脂质及铁但其抗氧化能力却较低。研究发现，少突胶质细胞内的抗氧化应激因子一谷肌甘肤含量较低，降低细胞内谷肤甘肚含量会导致少突胶质细胞损伤或加重其他损伤造成的伤害。相反，补充谷肤甘肤可增加少突胶质细胞对上述损伤的抵抗力。氧化应激会导致脂质过氧化、DNA损伤及其他存活必须的关键分子的损伤。其次，谷氨酸介导的兴奋性毒性作用是少突胶质细胞损伤的主要原因之一。少突胶质细胞表达多种离子型谷氨酸受体，包括N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA）受体、海人藻酸（Kainate）受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxa-zolep-propionate，AMPA）受体[29]。过渡激活谷氨酸受体引发的兴奋性毒性作用会造成少突胶质细胞损伤，继而造成髓鞘损伤。体内研究提示，AMPA/kainate受体拮抗剂能够减轻大鼠脊髓缺血损伤及短暂性脑缺血引发的白质损伤。此外，大量研究结果提示新生儿时期的少突胶质细胞对缺血缺氧更为敏感。究其原因包括两个方面，一是相较于经典的神经元NMDA受体，新生儿时期的少突胶质细胞NMDA受体对镁离子介导的电压依赖性阻断仅有轻度影响，说明这些受体在缺血诱导的谷氨酸释放及细胞膜去极化过程中允许钙离子通过的电流更大[29]。二是新生儿时期的少突胶质细胞AMPA/Kainate受体所表达的GluR2亚基较少，导致其对钙离子的通透性增加，而缺糖缺氧会进一步减少该亚基的表达，增加其对缺血缺氧的敏感性[30]。

2.2 缺血性卒中后白质损伤修复：NG2硫酸软骨素蛋白多糖及血小板源性生长因子受体α（plate derived growth factor receptor α，PDGFRα）是少突胶质前体细胞标志物，占成人中枢神经系统总数的3%～9%，也是脑内主要的增殖细胞[31]。在成熟脑内的白质及灰质均存在OPC，OPC能够分化为成熟的具有髓鞘生成功能的少突胶质细胞[32-34]。OPC散在分布于胼胝体、纹状体及皮层，也能够由室下区的神经前体细胞分化而来。室下区含有表达GFAP的神经干细胞，这些神经干细胞能够产生中间型前体细胞[35]。利用逆转录病毒进行追踪发现，尽管大部分神经前体细胞只分化产生神经元集落，有些神经前体细胞也能够分化为OPC[36]。这些分化而来的OPC能够向胼胝体及纹状体迁移。采用诱导型Cre重组转基因小鼠进行的研究发现，Ascl1及nestin阳性的神经干细胞及神经前体细胞都能够分化出OPC[37]。逆转录追踪实验显示，成年室下区神经干细胞分化成OPC的能力受限[36]。然而，另一项研究发现，在生理情况下，有相当一部分OPC是由室下区nestin阳性的神经干细胞及神经前体细胞分化而来的[38]。体外研究发现，成年神经干细胞具有分化为OPC的能力[39]。分化的方式分为两种，一种是对称性分化为NG2阳性的OPC，另一种是非对称性分化为NG2阳性的OPC和GFAP阳性的细胞。但是，少突胶质细胞源性克隆不能够生成OPC及神经元集落。这说明，成年神经前体细胞含有少突胶质细胞源性及神经元源性细胞系，这两种细胞系是不同的，且功能不存在互相重合。

缺血性卒中发生后，能够迅速导致成熟少突胶质细胞发生损伤，并引发继发的轴突损伤。缺血性卒中恢复期，在缺血性梗死周围区，包括白质及灰质，均可以看到OPC细胞数目显著增加，其中有些分化成为成熟的具有髓鞘生成功能的少突胶质细胞。同时，在这些区域还能观察到出芽轴突生成情况[40]。缺血性卒中后，少突胶质细胞数目的增加可能是因为有一部分OPC分化为成熟的少突胶质细胞。采用转基因小鼠研究发现，白质及灰质区域的OPC以及室下区的OPC都能够分化成熟为少突胶质细胞。在缺血后2周内，在缺血梗死周围区，OPC阳性细胞数目显著增加。然而，2个月后，缺血梗死周围区的少突胶质细胞系在形态学上表现为髓鞘膜样的形态，且表达成熟髓鞘标记，包括CNPase及MBP[41]。除了白质区的OPC以外，缺血性脑损伤也会诱导、募集室下区OPC参与缺血梗死周围胼胝体及纹状体处少突胶质细胞再生的过程[41]。尽管在生理情况下，室下区神经干细胞具有神经元系及少突胶质细胞系两种不同类别，但目前不确定在脱髓鞘病变发生后，室下区的神经前体细胞是否同时具有神经元及少突胶质细胞再生能力。采用溶血卵磷脂诱导脱服体脱髓鞘病变，能够引发室下区双层皮蛋白阳性的神经母细胞分化出OPC[42]。然而，在缺血性脑卒中模型中，尽管缺血诱发了室下区双层皮蛋白阳性神经母细胞数目的增加，但并没有引发OPC数目的增加[43]。这些研究结果说明，缺血性卒中能够诱导白质及灰质的OPC分化成为成熟的少突胶质细胞，也能够诱导室下区的神经前体细胞分化为OPC。在人体内，相关研究也发现，脱髓鞘病变能够引发室下区OPC数目表达增加[44]。研究发现，缺血梗死边界激活的大脑内皮细胞分泌的基质细胞衍生因子1α及血管内皮生长因子参与OPC迁移及分化过程[45]。胼胝体内受损轴突的谷氨酸能信号也参与募集室下区OPC迁移至缺血梗死周围区域[46]。尽管缺血性损伤能够诱发内源性少突胶质细胞再生过程，但这一过程并不足以弥补缺血导致的少突胶质细胞死亡及白质损伤。因此，众多研究致力于发现能够促进缺血性脑损伤发生后的内源性少突胶质细胞再生过程的治疗方法。研究发现，多种细胞疗法或药物疗法如果在卒中后最初几天应用的话，能够促进缺血性卒中后的少突胶质细胞再生及轴突再生。

3 脑白质保护

从脑缺血后神经功能恢复的角度来看，所有与缺血有关的脑区、细胞类型和细胞成分都应受到保护，这些治疗可归类为脑白质保护、脑缺血远隔部位损害的保护、全身保护治疗[47]。其中脑白质保护又可从改善脑白质区血液灌注及增加供血供氧、抑制炎性胶质细胞反应增生、保护神经元轴突和少突胶质细胞几方面进行[48]。

3.1 Nogo-A对脑白质保护的研究：Nogo-A是中枢神经系统髓磷脂中发现的一种抑制轴突生长的蛋白，在中枢神经系统损伤后轴突再生中具有抑制作用。Huber等[49]通过用共聚焦免疫电子显微镜观察发现Nogo-A在大鼠发育过程中表达于少突胶质细胞和投射神经元，尤其是在发育中的皮质、脊髓、小脑的有丝分裂后细胞，这也较好地解释了其抑制轴突再生的作用和结构上的可塑性。Nogo-A是CNS神经元轴突生长抑制的最重要的因子，具有以下特点：①Nogo-A主要存在于中枢神经系统神经元和少突胶质细胞中；②Nogo-A抑制背根神经节（DRG）神经元轴突生长及3T3成纤维细胞延伸；③Nogo-A的单克隆抗体IN-1可中和Nogo-A的轴突生长抑制作用，从而促进损伤后神经元轴突再生[50]。进一步研究发现Nogo-A有两个完全独立的抑制结构域：一个是可能位于细胞表面的Nogo-66；另一个是长的氨基端区段（NiG）。这两个结构域在抑制轴突生长方面发挥着协同作用。

3.2 GAP-43对脑白质保护的研究：GAP-43是神经组织特有的生长相关蛋白，广泛分布于大小脑、脊髓、背根节和自主神经系统的神经元内以及再生的施旺细胞和神经胶质细胞。GAP-43及其mRNA在神经系统的表达分布特点说明它对神经发育和可塑性有重要作用，可促进神经元的生长发育、再生及突触的重构。部分研究结果提示GAP-43参与了神经元突触重组和神经环路的构建，并为神经功能的恢复奠定了基础。神经损伤后GAP-43在末端施旺细胞和轴突的表达表明它与轴突-施旺细胞在再生中的相互作用密切相关。

3.3 梓醇对脑白质保护的研究：梓醇是从地黄根部分离得到的一种小分子环烯醚萜类化合物，是地黄的主要有效活性成分之一，具有利尿、缓泻、降血糖及保肝等多种药理学作用[51]。梓醇对正常大鼠脑白质的少突胶质细胞和髓鞘无明显影响，但可明显缓解慢性脑缺血诱导的脑白质的病理学改变，减轻神经纤维和髓鞘的溃变，降低脑白质的囊泡面积，减轻有髓神经纤维的损伤数目。慢性脑缺血可诱导胼胝体少突胶质前体细胞的增殖，梓醇治疗后少突胶质前体细胞数明显下降至缺血前水平。梓醇可抑制慢性脑缺血诱导的脑白质星形胶质细胞和小胶质细胞的增生活化，抑制炎性因子TNF-α的释放。这表明梓醇对脑白质少突胶质细胞和髓鞘的保护作用与其抗炎症效应有关。

4 结 论

脑卒中的损伤是一个复杂的过程，是多种因素、多环节、多靶点共同作用的结果，因此，治疗缺血性脑卒中后功能恢复也是一个复杂的过程，需要多环节、多靶点来调控损伤过程。挽救局部白质结构直接相关的神经功能损失；打破不同白质结构损害的共扼关系；终止交互恶性循环；协助神经灰质的保护过程，着眼于完善神经功能，实现各环节的保护；减少卒中累及灰白质相关的远隔部位损害，利于卒中后脑组织（尤其是梗死性周边的结构）改变和功能重塑及全脑功能的恢复。