神经血管单元在缺血性脑水肿中作用机制和中药对其治疗的研究进展

田方泽，宋文婷，姚明江，徐 立，任钧国，王 敏，刘建勋

(1. 中国中医科学院西苑医院基础医学研究所中药药理北京市重点实验室，北京 100019;2. 北京中医药大学研究生院，北京 100029)

缺血性脑水肿主要发生在病程急性期，发病快，逐步形成大脑不可恢复性损伤，是急性期致残、致死的最重要原因[1]。神经血管单元(neurovascular unit，NVU)是由神经元—胶质细胞—血管构成，其概念的提出，使得不同原因导致的神经细胞的损伤被视为大脑所有细胞和基质共同参与的组织损伤反应过程，其作为神经系统的研究热点，也为缺血性脑水肿的研究带来了新亮点。对于缺血性脑水肿，一直以来是以脑血管内皮细胞为主要的研究靶细胞，NVU是以整体观来评估各种细胞在脑水肿发病过程当中的病理变化和及对血脑屏障的影响作用[2]。研究表明，中药以多途径、多靶点的特点，在缺血性脑病急性期，同时减轻脑水肿和梗死区的损伤程度，为治疗缺血性脑水肿提供了很好的思路和方法。因此了解缺血性脑水肿在NVU水平中的病理生理机制和中药对其的治疗作用是非常重要的。

1 内皮细胞

1.1 内皮细胞与血脑屏障(blood brain barrier，BBB)血管功能障碍几乎涉及每一个神经病理学中的环节，其中包括神经慢性疾病和急性中风等。其中血液供应的丧失不仅影响神经元，而且影响脉管系统本身，从而导致BBB功能的丧失。

1.1.1内皮细胞的紧密连接(tight junction，TJ) 脑微血管内皮细胞之间的TJ限制了BBB中的水溶性物质从血液到大脑的扩散。在分子水平上，TJ由特异性跨膜蛋白组成，通过辅助细胞质蛋白与基于肌动蛋白的细胞骨架相连(Zona occludens，ZO)系列(ZO-1，ZO-2和ZO-3)，使TJ形成紧密密封，同时保持快速调节能力。Occludin和claudins是TJ的主要跨膜蛋白成分。claudins形成TJ的密封作用，而occludin则作为额外的支持结构。

1.1.2内皮细胞肿胀 虽然受缺血严重影响的区域经常表现出内皮细胞的结构性损失，但梗塞区域边缘区域的缺血血管主要表现出内皮水肿的迹象。这种现象最终导致内皮细胞凋亡并持续造成血管损伤。此外，观察到缺血影响的血管的改变可能是缺血影响NVU的关键特征，并且随着缺血时间的增加，其具有出血性转化和脑出血的风险。

有研究表明，缺血诱导早期时间点内，在内皮水肿先于缺血相关的BBB分解，并促进内皮完整性的进一步丧失[3]。在此过程中，血管退化可能最终增加出血性转化和颅内出血风险。因此缺血影响的NVU(包括内皮功能障碍)被称为中风研究的重中之重。

1.2 中药在内皮细胞的导致缺血性脑水肿的治疗进展在临床上，采用西医溶栓类药物结合中医益气治疗方法，比单独使用西医疗法更能缓解脑出血(intracerebral hemorrhage，ICH)患者的愈后致残率和脑水肿的损伤。其中注射用丹参多酚酸，主要功能是减轻脑水肿，改善血脑屏障功能。临床上心脑血管的常用药血塞通，其主要成分为三七总皂苷。Zhang等[4]对其研究发现血塞通可以改善出血后的脑水肿，加速脑血肿的吸收并且抑制炎症的级联反应。

对众多健脾益气的方剂研究后发现，加味四君子汤通过对细胞外基质(extracellular matrix，ECM)保护和升高了血脑屏障的紧密连接ZO-1、Claudin-1、Occludin的表达，从而减轻了脑水肿[5]。七叶皂苷是治疗外伤性水肿的主要药物，其主要的作用机制是保护内皮细胞，改善血液循环[6]。联合七叶皂苷和地塞米松比单独使用地塞米松，更能减少脑水肿体积，减轻一氧化氮和内皮素-1，ICAM-1，在抗炎、改善内皮功能的基础上起到减轻水肿的作用[7]。

清热解毒类药物中，发现益气解毒方可以减轻血脑屏障的损伤，减轻脑水肿，改善脑部微循环。平肝熄风类药物中发现，地龙水提取物能明显改善CIR后大脑的皮层水肿，降低IL-1β、TNF-α 等炎症因子和内皮细胞功能[8]。

2 星形胶质细胞

细胞毒性水肿是一种缺血性脑水肿前病变过程，其中细胞由于渗透物(主要是Na+和Cl-)的流入而膨胀，并且水从间隙流入细胞内隔室。该过程发生在中枢神经系统(central nervous system,CNS)损伤后的细胞类型中，并且在星形胶质细胞中特别突出。所以研究脑水肿中星形胶质细胞的作用尤为关键[9]。

2.1 星形胶质细胞与血脑屏障最新的研究证据表明，在不同发病阶段，星形胶质细胞衍生因子对于BBB破坏和恢复都大为关键。

2.1.1星形胶质细胞对BBB的破坏作用

(1) 血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factors，VEGFs)：尽管VEGF在CNS中的各种类型的细胞中产生，但在反应性星形胶质细胞中观察到VEGF参与了BBB破坏。有研究报道了小鼠脑损伤后星形胶质细胞中VEGF-A表达的增加，并且使用抗体阻断VEGF-A减轻了BBB的破坏[10]。在患有脑损伤，包括脑外伤和缺血性中风的病人中，观察到VEGF水平的增加与其病情的严重程度有很大的关系。(2) 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)：MMP具有降解内皮TJ相关蛋白和ECM分子的功能。许淑红等[11]发现MMP-9的过表达导致Claudin-5和Occludin的降解，导致内皮屏障破坏，在脑缺血/灌注的实验动物中，MMP诱导的TJ相关蛋白的减少导致BBB破坏。其中BBB损害会进一步加剧恶化并出现脑内出血。(3) 谷氨酸(glutamate，GLT)：由于脑损伤后星形胶质细胞释放过量的谷氨酸，星形胶质细胞衍生的谷氨酸必须通过激活内皮谷氨酸受体参与BBB破坏。过量的谷氨酸通过激活N-甲基-D-天冬氨酸受体改变的血管通透性， 在大鼠永久性局灶性脑缺血后，阻断此受体减弱BBB破坏。Andras等[12]研究表明，调整谷氨酸的含量可降低脑内皮细胞中Occludin蛋白的水平。

2.1.2星形胶质细胞衍生因子对BBB的保护

(1) 血管生成素-1(angiopoietin-1，ANG-1)：一系列研究发现ANG-1对BBB功能具有保护作用。ANG-1的过表达减少血脑屏障渗漏，同时在局灶性栓塞脑缺血的动物模型中，外源性ANG-1可以抑制BBB损伤[13]。 (2) Sonic hedgehog重组蛋白(SHH)：SHH对减少BBB破坏的有益作用也已得到证实。重组SHH的使用减少了永久性缺血模型大鼠的BBB渗漏。此外，Alvarez等[14]研究显示星形胶质细胞分泌的SHH通过内皮细胞hedgehog通路促进BBB形成和完整性。(3) 神经胶质衍生的神经营养因子(glial derived neurotrophic factor，GDNF)：先前报道GDNF可以促进血管生成，增加Claudin-5表达和加强脑血管内皮细胞的屏障功能。Xiao等[15]也证实了GDNF对Occludin和ZO-1的上调。这些结果意味着GDNF通过增加内皮细胞中的TJ相关蛋白而对BBB破坏发挥保护作用。

2.2 星形胶质细胞肿胀细胞毒性水肿(细胞肿胀)发生在CNS损伤后的所有细胞类型中，并且在星形胶质细胞中特别突出。同时，细胞毒性水肿的产生了导致血管源性水肿的发生与恶化。

2.2.1星形胶质细胞与水通道蛋白4(aquaporin 4，AQP4) 有研究表明，体外AQP4敲除的星形胶质细胞表现出较慢的水肿胀程度， 而AQP4的过度表达导致更快的肿胀，AQP4可能在介导星形胶质细胞体积的动态变化中起作用[16]。同时，在诱导星形胶质细胞肿胀后，AQP4表达的增加与星形胶质细胞体积随时间的增加呈正相关。

2.2.2瞬时受体电位香草酸4(transient receptor potential vanilloid 4，TRPV4) TRPV4在星形胶质细胞膜上表达最高，特别是在星形胶质细胞末端。TRPV4信号通道对多个物理刺激比较敏感，包括温度和压力/细胞肿胀。激活的TRPV4通道导致Ca2+流入，随后水通过AQP4通道流动，导致细胞体积减少。因此，提出通过TRPV4通道的星形胶质细胞肿胀诱导的Ca2+流入作为细胞体积减少的触发因子[17]。

2.3 中药对于星形胶质细胞导致缺血性脑水肿的治疗进展活血化瘀类药物中，有研究表明，七叶皂苷不仅能改善内皮环境，同时也能抑制MMP-9和AQP4的表达，从而降低血管基底膜的分解，增加血脑屏障的通透性，发挥了中药多途径多靶点的特点[7]。三七总皂苷对缓解脑水肿方面也做出了贡献，三七总皂苷能改善由凝血酶和炎性反应两方面导致的出血性脑水肿，同时，三七总皂苷可以降低星形胶质细胞的活化，减轻脑水肿的损害，发挥保护神经的作用[18]。在新清开灵注射液的研究中发现，在脑出血72 h后，新清开灵组大鼠脑含水量明显低于模型组，有可能是通过减轻MMP9，提高SOD活性，降低炎性反应相关[19]。

利水渗湿类药物中，五苓散作为伤寒名方，广泛用于各类水液代谢障碍的疾病中，其中减轻脑水肿可能是通过减少AQP4，同时提高Na+-K+-ATP酶的活性而发挥作用[20]。番泻苷A作为SHH的抑制剂和斑蝥素以及钙离子的拮抗剂联合使用能降低星形胶质细胞胶质纤维酸性蛋白的张力，从而通过降低星形胶质细胞体积肿胀来治疗脑水肿[21]。

3 小胶质细胞

3.1 小胶质细胞对缺血性水肿的影响在急性卒中期间，小胶质细胞激活炎症级联反应引发细胞凋亡，在局部缺血或出血的几分钟到几小时内破坏血管和内皮组织[2]。

经典的Wnt /β-连环蛋白信号传导是BBB的关键调节因子，对于稳定脑内皮细胞紧密连接至关重要[22]。其作用的发挥可能是通过激活核内缺氧诱导因子-1α(hypoxia induciblefactor-1α，HIF-1α)，调控VEGF的表达，从而改善BBB的稳定性。

TREK-1是新发现的双孔结构域的钾通道成员，其有助于泄漏K+电流并调节神经元兴奋性。有研究表明，TREK-1缺乏与体内ICH后的BBB功能障碍有关，其机制可能是由钙调蛋白上调介导的。

3.2 中药对小胶质细胞导致缺血性水肿的研究进展近年来，中药通过抑制小胶质细胞在缺血性水肿损伤中发挥了积极的作用。白术内酯可以抑制缺血性小鼠脑水肿，恢复脑血流量，在原发性小胶质细胞中抑制炎性因子和JAK2/STAT3通路的表达，其作用和AG490(JAK2抑制剂)相似。其次，丹皮酚对亚急性/慢性脑缺血具有保护作用，在造模后72 h可抑制脑水肿和小胶质细胞的活化和星形胶质细胞的增殖[23]。在青藤碱的研究中发现，其能减轻大脑中动脉阻塞脑梗死和脑水肿，其可能是通过AMPK途径抑制NLRP3炎性小体而发挥作用的[24]。栀子苷和人参皂苷Rg1尾静脉注射可以改善中动脉闭塞大鼠24 h脑水肿体积和CD11b的表达，同时可以抑制氧糖剥夺诱导下BV2小鼠小胶质细胞miR-155-5p的表达。

4 周细胞

周细胞有助于BBB在成年大脑发育中的形成和维持，同时有助于中风后内皮细胞的存活和BBB保护。在暴露于缺氧条件下的内皮细胞/周细胞共培养模型中，周细胞增强了屏障功能并保护内皮单层免于缺氧损伤。已显示周细胞在局灶性脑缺血或全脑缺血后2h内从脑微血管中脱离[25]。这种脱离表明周细胞与内皮细胞相互作用和细胞间接触也被破坏，导致BBB分解。

此外，周细胞衍生的基质金属蛋白酶MMP-2、3和9，可导致紧密连接的结构和功能丢失。因此，周细胞和周细胞衍生因子的分离通过跨细胞促进BBB破坏并加速中风恶化。

国内外暂时都未有周细胞对内皮细胞和BBB影响的研究，且还未有针对周细胞来缓解缺血性水肿的中、西药物，这一空白可能将会在以后的研究中得以填补。

5 总结

在缺血性脑水肿发病的进展中，内皮细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、脑周细胞，主要在炎症反应、BBB的损伤和保护、谷氨酸毒性、离子通道和水通道蛋白中发挥主要的作用。因为脑水肿发病原因的复杂性，病程过程不是单一因素，而是多因素、多细胞参与了缺血性脑水肿的病程发展，所以治疗缺血性脑水肿的药物应从整体观着手，结合NUV特点，多靶点、多细胞共同调节。

现在对于缺血性脑水肿的药物研究也出现了很多亮点，发现了一系列中药复方和单体对其有明显的疗效，主要依据中医理论“益气健脾”和“活血清热”等。 但是也存在一系列问题：(1)在治疗急性中风中药治疗中，很少有目的明确的降低缺血性脑水肿的治疗药物，降低脑水肿不能作为核心的研究目的，只是作为中药评价的标准之一。(2)中药复方在急性期给药的剂型局限性，复方药物给药方式的优化，尤其是注射剂的提纯和优化方面，需要做到突破。