脑缺血再灌注损伤相关机制的研究进展

李兆珍 张丹参

1.河北北方学院药学系，张家口，075000，中国

2.河北科技大学，石家庄，050000，中国

缺血性脑血管疾病（ischemic cerebrovascular disease，ICVD）是一类由于脑部供血障碍引起的脑组织相应区域缺血缺氧，造成脑组织损伤，进而出现一系列生化代谢异常、生理功能丧失、病理形态改变等，包括短暂性脑缺血发作、脑栓塞、脑血栓等。ICVD 占脑血管疾病的80%～85%，是一类发病率高、致残率高、致死率高，严重威胁人类健康影响生存质量的疾病［1］。缺血后血流的再通过可导致更为严重的脑缺血再灌注损伤，包括炎症反应、兴奋性氨基酸毒性、细胞内钙超载、能量代谢障碍、自由基损伤和细胞凋亡等多种机制。脑缺血再灌注损伤后，引起三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）减少，钙超载，释放大量氧自由基，导致兴奋性氨基酸大量释放，能量代谢受损，而伴随的炎症反应会增加氧自由基的释放，加重这一过程，最后导致细胞凋亡，脑组织受损。这些机制错综复杂，尚未完全阐明。

1 兴奋性氨基酸毒性与脑缺血再灌注损伤的相关性

氨基酸类神经递质在感觉信息传导和完成运动指令等突触传递过程中发挥着重要作用。中枢神经系统中存在着大量的氨基酸（amino acid，AA），根据其对大脑中枢神经元的兴奋和抑制作用，将其分为兴奋性氨基酸类神经递质（excitatory amino acids，EAA）和抑制性氨基酸类神经递质（inhibitory amino acids，IAA）［2］。EAA：主要包括天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和谷氨酸（glutamate，Glu），有研究表明，EAA 是中枢神经系统中兴奋性突触的主要神经递质，其中缺血神经元大量释放的谷氨酸是神经元损伤的关键［3］。脑内Glu 代谢的主要途径是通过谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase，GS）的合成。在神经胶质细胞中，Glu 在GS 的作用下生成谷氨酰胺，并通过转运蛋白将谷氨酰胺提供给神经元。神经元摄取谷氨酰胺后，经磷酸化激活的谷氨酰胺酶脱氨基生成谷氨酸，然后包裹成突触囊泡释放。这整体循环包括谷氨酸的合成、释放和回收称为谷氨酸-谷氨酰胺循环［4］。适量的Glu 可以维持细胞正常的基本生理活动。

高浓度谷氨酸过度刺激突触后神经元上的谷氨酸能受体，引起兴奋毒性。一方面，谷氨酸与突触后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid，AMPA) 受体及红藻氨酸（kainate,KA）受体结合，Na+通道开放，大量的Na+内流，引起急性细胞肿胀，甚至造成急性神经元死亡。另一方面，大量谷氨酸与N-甲基-D-天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体结合，使Ca2+通道开放，导致大量Ca2+内流，而细胞内降低Ca2+水平的机制，如钙泵（PMCA 泵）和交换体（NCX 交换）受到损害［5］，同时，将Ca2+离子泵出胞浆的能力受损，引起钙超载。在脑缺血再灌注模型中，脑损伤后谷氨酸浓度增高，Na+/Ca2+交换体功能受损，导致Ca2+超载和NO生成增加，NO 同O2-反应，产生OONO-，加重细胞损伤［6］。因此兴奋性氨基酸毒性是导致脑缺血再灌注损伤发病的机制。

2 自由基损伤与脑缺血再灌注损伤的相关性

自由基是任何含有一个或多个未成对电子的原子或基团，其化学性质活跃，脑缺血再灌注后，自由基生成与清除的不平衡使得自由基堆积，破坏膜结构中蛋白成分、引起膜脂质过氧化，导致膜损伤、线粒体功能障碍、溶酶体破裂、细胞溶解和组织水肿等一系列损害作用，形成自由基连锁反应，加重脑组织损伤［7］。自由基累积与钙超载自由基广泛存在于生物体内，主要包括氧自由基和脂质自由基［8］。而氧自由基介导的自由基连锁反应是导致脑缺血缺氧与再灌注复氧损伤的主要原因。自由基可作用于多价不饱和脂肪酸，使线粒体膜发生脂质过氧化；自由基可以诱导DNA、RNA、多糖和氨基酸等大分子物质交联，交联后的大分子则失去原来的活性或功能降低；自由基具有高反应性，可氧化脂质和蛋白质，进而损伤内皮细胞，引起血-脑屏障通透性增加；自由基可通过刺激细胞因子和黏附分子的表达，介导炎症和免疫反应，导致及加重脑组织再灌注损伤［9］；自由基可促使多糖分子聚合和降解；自由基还能导致EAA 释放增加。因此自由基损伤是导致脑缺血再灌注损伤发病的机制。

3 炎症反应与脑缺血再灌注损伤的相关性

炎症反应在脑缺血再灌注损伤中起着关键性的作用。脑缺血局部组织再灌注时，会出现继发性脑损伤，其重要原因是炎症反应所介导的微血管功能障碍。炎症反应有许多炎症介质及炎症细胞参与，其中小胶质细胞、星形胶质细胞、白细胞尤其是中性粒细胞是再灌注损伤过程中的主要效应细胞［10］。白细胞会黏附于内皮细胞，并能穿过血管内皮、浸润到脑组织中，为后续脑内微血管梗阻、脑水肿及脑梗死创造条件。生理状态下，小胶质细胞能清除脑组织损坏的神经元，对脑有重要的保护作用［11］。脑缺血损伤后，相关炎性细胞产生大量的炎性因子，如黏附分子、趋化因子及细胞因子等，这些炎症因子可以促进机体炎症反应，激活内皮细胞，提高组织因子的含量，继而增加EAA、氧自由基及一氧化氮自由基的释放，不但改变了自身结构和功能，而且造成了周围组织的损伤间接促进细胞凋亡［12］。因此炎症反应是导致脑缺血再灌注损伤发病的机制。

4 细胞内钙超载与脑缺血再灌注损伤的相关性

钙离子参与细胞膜电位和细胞内的生化反应过程，对于维持神经细胞的正常功能起到关键性的调节作用［13］，神经细胞胞内Ca2+的升高主要依赖于Ca2+通道开放引起Ca2+内流和胞内储存Ca2+的释放［14］。脑缺血时脑细胞内ATP 代谢障碍，能量供应不足。Glu和Asp 大量释放，引起受体依赖性通道中N 型Ca2+通道开放；Na+/Ca2+交换蛋白活性下降，Na+/Ca2+交换异常、细胞膜通透性增大等因素均可导致细胞内游离Ca2+浓度升高，钙离子内流增加。细胞内Ca2+浓度过高，Ca2+积聚于线粒体，损伤线粒体膜，ATP 的合成急剧下降，继而导致能量合成障碍。Ca2+加重脑缺血再灌注损伤的途径有多种，Ca2+内流，导致细胞内Ca2+浓度急剧增高堆积，Ca2+活化线粒体上的磷脂酶，引起线粒体膜损伤，并在线粒体内形成磷酸钙沉淀，改变了线粒体膜的通透性，抑制ATP 合成，导致能量合成障碍［15］；Ca2+活化一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），促进膜磷脂分解，其产物如前列腺素、白三烯等均对细胞产生毒害；Ca2+增高使活性钙调蛋白增加，钙调蛋白CaM 和Ca2+结合形成的5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、去甲肾上腺素（norepinephrine，NA）可使血管收缩痉挛，进一步造成缺血后低灌注及细胞毒性损害；钙超载可引起EAA 浓度增高，EAA 反过来促进钙超载，正反馈恶性循环，加重了脑组织的损伤；扩大脑血管内皮细胞间隙，增大血脑屏障通透性，产生并加重血管源性脑水肿。因此细胞内钙超载是导致脑缺血再灌注损伤发病的机制。

5 细胞凋亡与脑缺血再灌注损伤的相关性

细胞凋亡是指机体为维持内环境稳态，由基因控制的细胞自主的有序的死亡，是机体为更好地适应生存环境而主动争取的一种正常的生理现象。但脑缺血及再灌注后，脑组织中神经元的过度凋亡现象能很大程度上加剧脑损伤，引起一系列机体正常生理功能障碍。细胞凋亡有两条主要的经典通路，包括：内源性细胞凋亡通路（线粒体介导的凋亡通路）和外源性细胞凋亡通路（死亡受体介导的凋亡通路）。

5.1 线粒体介导的凋亡通路

线粒体内膜含有细胞色素C（cytochrome C，Cyt C），在细胞凋亡过程中具有重要作用，是第一个在线粒体中发现的调亡蛋白［16］。它是氧化磷酸化所必需的，并且与内在II 型细胞凋亡相关［17］。线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）可能促进由Cyt C 释放引起的调亡，然后激活调亡蛋白酶［18］。从线粒体到细胞质释放的Cyt C 是细胞调亡的主要诱导物［19］。在线粒体膜内松散耦合或紧密绑定的Cyt C 是受损的，并且随后释放。另外，线粒体外膜的促凋亡蛋白Bax 也可刺激游离的Cyt C 的释放，并且增加线粒体外膜的通透性［20］，并且可以直接与线粒体相互作用，促进Cyt C 的释放，触发细胞凋亡［21］。脑缺血再灌注损伤时，线粒体参与触发细胞凋亡，活性氧的产生、Cyt C 和调亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）的释放都与触发细胞调亡有关［22］。在脑缺血再灌注损伤过程中，细胞凋亡起始于Cyt C 的绑定，到凋亡相关蛋白因子1（apoptosis-related protein factor 1，Apaf-1）［23］的激活，再到Apaf-1/caspase-9/Cyt C 复合物的形成，和（促凋亡因子）caspase-3 的激活，进而触发神经元死亡。

5.2 死亡受体介导的凋亡通路

死亡受体介导的凋亡通路是由胞外肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）超家族的死亡配体如TNFa、FasL/CD5L 等引发，在缺血后凋亡区可见FasL 的大量表达，Fas 和FasL 结合可导致致死区域聚集。衔接蛋白通过死亡区域与procasepase-8 结合形成死亡诱导信号复 合 物（death-inducing signaling complex，DISC），DISC进一步激活其下游效应蛋白酶caspase-3 使细胞走向凋亡［24］。同时，激活的caspase-8 能使胞质中的Bid 断裂成tBid，tBid 能转移到线粒体上，诱导Cyt C 从线粒体释放进入胞质，激活线粒体凋亡通路，从而把死亡受体通路和线粒体通路联系起来，有效地扩大了凋亡信号。

6 能量代谢障碍机制与脑缺血再灌注损伤的相关性

线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成ATP 的主要场所，在生理条件下，由复台物I～V 产生超过细胞95%的能量。在几乎所有的脑损伤动物模型中，大脑缺血核心区域的氧化代谢由葡萄糖和氧气的缺乏导致受损，这会迅速改变ATP 和其他主要由线粒体参与的能量相关的代谢［25］。在线粒体基质中，丙酮酸氧化、脂防酸氧化、谷氨酰胺代谢和三羧酸循环通路与能量代谢相关。在病理条件下，大部分半影区的细胞缺血2 小时后依然可以存活，而此时的葡萄糖和ATP 含量显著降低，并且磷酸肌酸含量减少到非缺血区的约70%［26］。二磷酸腺苷产生的一部分是通过ATP 水解生成腺苷一磷酸和ATP。缺血抑制氧化代谢，相比之下，无氧糖酵解间接增加并且产生大量乳酸降低细胞内的pH 值，导致多种胞内酶活性的降低或损失［27］。此外，葡萄糖代谢的减少可能会导致丙酮酸氧化的增加［28］，影响乙酰辅酶A的活性，并且导致三羧酸循环的持续激活［29］，大脑中再灌注部分恢复血流量并且葡萄糖利用率降低了缺血核心区域正常范围的大约一半［30］。因此能量代谢障碍是导致脑缺血再灌注损伤发病的机制。

缺血性脑损伤是一种多因素疾病，已经成为严重危害中老年人群生命安全和生活质量的严重疾病。对于脑缺血再灌注损伤目前的治疗方法依然有限，通过上述对脑缺血再灌注损伤发病机制的研究，我们发现这些级联反应复杂多变，且彼此关联，互为因果，导致了对缺血性脑损伤疾病药物治疗靶点的多样性和复杂性。