脑缺血后处理的脑机制及治疗进展

杜守云 杨荣红 李国栋 王绪山 陆荣柱 蔡增林

(1.灌云县人民医院 江苏·连云港 222200； 2.江苏大学医学院 江苏·镇江 212013；3.南京医科大学附属苏州科技城医院 江苏·苏州 215153）

1 概述

线粒体的凋亡和坏死途径是脑缺血中脑组织损伤的主要原因，缺血性中风会引起氧化应激和线粒体肿胀，从而导致Na+/K+泵功能障碍以及细胞钙稳态破坏。中风后，脑组织中的氧化应激会立即刺激线粒体ROS的产生和胞质NADPH的产生，从而破坏脂质、蛋白质和DNA等细胞大分子，这些过高的细胞内ROS水平在几种神经退行性疾病中也显示出它们的病理生理效应。缺血性中风的亚硝化应激也触发蛋白质错误折叠和线粒体成分聚集，从而导致多种神经退行性疾病，衰老甚至癌症。

低氧诱导因子（HIF）是氧调节的转录因子，在低氧感测和适应中起重要作用。它们作为对缺氧水平的反应至关重要的效应器，HIF-1的表达以及线粒体ROS的生成可由缺血性氧化应激而上调。在缺氧状态下，HIF-1可以通过线粒体中复合物III积累从而升高ROS水平，其机制是脯氨酰羟化酶（PHD）酶催化位点中非血红素铁的氧化失活，HIF-1在神经元细胞中的蓄积具有保护作用，而内皮HIF-1的诱导与血脑屏障（BBB）的破坏有关。重要的是，缺氧驱动的ROS激活NF-kB和其他转录因子，例如NRF2，它们在调节抗氧化剂防御相关蛋白质的转录中起着至关重要的作用。 ROS还可以激活MAPK途径，导致VEGF表达增加，VEGF及其受体VEGF-R1和R2的表达增加也归因于ROS对HIF-1的激活，并且在提高细胞存活率中具有基本作用。ROS还激活其他细胞内信号传导途径，包括MAPK、NF-kB和MMP的上游。

2 脑缺血中涉及的信号通路

2.1 ROS信号通路

低水平的ROS在正常的生理信号和代谢途径中起重要作用，但是在脑缺血后，会发生多种有害过程，例如氧化产物的过量生产，解毒系统失活和抗氧化剂的消耗，从而导致线粒体功能障碍。此外，由于兴奋性毒性引起的钙和ROS的积累破坏了脑组织的天然抗氧化防御能力，各种基因表达也通过基于各种信号通路的转录因子的参与而被调节。所有这些事件均协同作用，破坏细胞蛋白、脂质和DNA，从而破坏细胞结构，并通过坏死、凋亡或两者兼而有之途径来诱导细胞死亡，并且还通过改变靶分子的功能、损害器官的功能而导致许多病理。

2.2 HIF-1信号通路

HIF-1，一种二聚体蛋白复合物，与缺氧时的血管生成有关。在缺血状态下，HIF-1发挥双重作用，这取决于其靶蛋白在某些特定类型的脑细胞中的各种功能。它具有两个亚基：HIF-1和HIF-1，后者对氧张力情况不敏感，并且以本构关系表达。HIF-1是连续合成的，在正常的细胞氧张力下会降解。在缺氧情况下，HIF-1降解受到抑制，因此，它迅速积累并与缺氧反应元件（HRE）结合，从而激活其靶基因，在局部缺血的大脑中具有神经保护作用。在缺血性脑缺氧区域，HIF-1是通过诱导多种糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白来协调从有氧代谢到无氧代谢的主要基因。HIF-1调节葡萄糖转运蛋白3（GLUT3）的表达，葡萄糖转运蛋白3是神经元中葡萄糖的主要转运蛋白。

HIF-1在脑缺血中的表达与细胞ROS水平相关，但是，最近的研究表明，ROS水平升高导致HIF-1表达降低，当然也有其他研究表明其没有作用。在缺氧条件下，线粒体复合物III产生稳定HIF-1的ROS，但是在细胞质中，ROS可能源自NADPH氧化酶，在缺氧条件下，ROS对HIF-1表达的影响比缺氧更为重要。ROS和HIF-1在脑缺血中关系的复杂性主要归因于线粒体 O2代谢产生的ROS种类繁多，以及它们的生物学特性如化学性质、反应性、特异性和半衰期[1]。

2.3 CK2信号传导通路

酪蛋白激酶2（CK2）是一种重要的致癌激酶，在脑缺血中ROS的形成中起关键作用，它通过Rec1调节抑制NADPH氧化酶（NOX）作为神经保护剂，从大鼠局灶性缺血的观察表明，抑制缺血区域中的CK2会导致PARP-1积累，从而导致线粒体释放细胞色素C和AIF，从而激活一系列凋亡事件。最近的报道还显示 CK2直接磷酸化JAK以及STAT3,促进SOD2转录以降低ROS。此外，CK2通过磷酸化激活HIF-1和NF-kB，以生产VEGF和其他血管生成蛋白以及从缺氧状态改变所需的其他血管生成蛋白。

2.4 EGFR信号通路

许多报道描述了在缺血和再灌注条件下EGFR通路的过度激活，其中通过磷酸化作用的EGFR反式激活导致AKT激活，AKT通过调节forkhead转录因子（FKHR）和糖原合酶激酶3（GSK3）从而在神经保护中发挥最重要的作用。BAD或caspase-9或其他凋亡成分有助于避免细胞凋亡。也有报道说，由缺血性ROS激活的AKT为低温调节ROS的产生提供了低温条件，AKT抑制Raf使ERK1/2在缺血状态下被激活，但在再灌注时情况相反。

2.5 TGF-信号通路

TGF-是在脑缺血中高表达的细胞因子介导的因子之一，它主要调节凋亡蛋白（Bad）和抗凋亡蛋白（Bcl-2，Bclx1）的表达，还通过反激活ERK1/2而与MAPK通路发生交叉对话进行神经保护。最近的研究表明，TGF-1通过上调1型纤溶酶原激活物抑制剂（PAI-1）使神经元免于兴奋性毒性，从而消除了t-PA增强的NMDA诱导的缺血性神经元死亡。

2.6 NF-kB信号通路

NF-kB通路在脑缺血中起重要作用，ROS激活的NF-kB 调节 Bim 和 Noxa、TNF、IL-1，IL-6、iNOS、ICAM-1 和MMP9、胞质磷脂酶A2、COX-2和微粒体前列腺素E合酶1，它也可以直接调节HIF-1，所有这些下游因素都可能导致细胞凋亡、细胞损伤或者以复杂的方式促进细胞存活。

2.7 钙信号通路

脑缺血中另一个最重要的途径是钙信号传导，通常Ca2+信号通过扮演次级信使的作用于细胞间的通讯和生存，但Ca2+在缺血区域的超载会导致钙蛋白酶介导的钠钙交换剂（NCX）的抑制以及caspase和Ca2+依赖的核酸内切酶激活导致细胞凋亡，它还通过钙调蛋白-NOS途径有助于一氧化氮（NO）的产生，过量的NO可能与其他ROS结合生成过氧亚硝酸盐（ONOO-），对蛋白质、膜脂质和DNA造成损害。

3 脑缺血的治疗进展

3.1 基于抗氧化和降低ROS的治疗策略

在正常的脑组织中，在生理过程中会不断产生ROS，然而这些可以通过抗氧化剂携带的内源防御机制进行调节。缺血性损伤后，自由基的生成迅速增多，并在内源性抗氧化剂系统中引起氧化还原不平衡。在这种情况下，降解系统抑制，氧化剂过量生产，缺血后ROS水平的增加会引起明显的氧化激，并导致神经元损伤，因而自由基成为重要的治疗靶标，许多研究集中在评估抗氧化剂的修复作用上。抗氧化剂通过三种主要途径起作用：（1）抑制自由基产生；（2）清除所产生的自由基；（3）加速自由基的降解，聚焦于内源性抗氧化剂的上调或外源性抗氧化剂的应用。

3.1.1 抑制自由基产生

在这种方法中，疾病状态下ROS产生的主要来源是某些引起ROS产生特定酶的抑制剂。缺血再灌注损伤中ROS产生的一个基本来源是NADPH氧化酶（NOXs）,在脑卒中的啮齿类动物模型中，再灌注前使用抑制NADPH氧化酶复合物的抑制剂载脂蛋白Apocynin已显示缺血面积的减少。

黄嘌呤氧化酶（XO）是与氧化还原信号通路相关的另一种蛋白质，并且是缺血损伤过程中ROS的重要来源。抑制 XO是治疗缺血的另一种潜在的方法。别嘌醇是一种通常使用的XO抑制剂，可降低尿酸水平并降低超氧阴离子水平，这种药物的初步试验很有希望，与安慰剂相比，在用别嘌呤醇治疗的患者中，可以改善血管炎性指数。

3.1.2 清除产生的自由基

尽管临床前的临床试验令人大失所望，但某些化合物能够清除缺血性中风中产生的自由基。在Tirilazad的临床试验中，在局灶性缺血之前对660名患者给药，显示出最大的疗效，但从缺血发作后的给药时间中观察到的效果下降。另一种有前途的药物是NXY-059，但在4000名患者的临床试验中未能显示出临床疗效。从不同的报道中可以明显看出，NXY-pre059具有神经保护作用，可在啮齿动物和非人类灵长类动物的不同中风模型中引起神经功能恢复。依达拉奉（Radicava）是另一种自由基清除剂，被日本临床医生广泛用于治疗梗塞。依达拉奉的疗效尚不清楚，但是已知它可以清除过氧化物、羟基和超氧化物自由基。

3.1.3 促进自由基降解

抗氧化剂超氧化物歧化酶（SOD）水平的升高与病灶进展中的ROS有关可以通过针对SOD来降低氧化应激。SOD的整体功效是由其将O2-转化为反应性较低的H2O2的催化活性而引起的。显然，过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）有助于消除H2O2的副产物。当腺病毒载体过表达CAT并用PEP-1-CAT融合蛋白转导证明其具有神经保护能力时，可以看出CAT对缺血性损伤的体外疗效。

Ebselen是谷胱甘肽过氧化物酶样活性的抑制剂，可与ONOO-反应并随后清除它。另一种新的抗氧化剂方法是在缺血后或缺血期间吸入气体，在短暂脑局部缺血模型中，使用吸入氢气来选择性还原羟基自由基会产生有益的效果。除此之外，在多项研究中已证明常压氧气（NBO）可减少局灶性缺血的啮齿动物模型中的梗塞体积和神经功能缺损。此外，在啮齿类动物缺血性损伤后，采用NBO和乙醇的联合疗法被证明具有神经保护作用。

治疗缺血性损伤的另一种方法是诱导天然细胞保护分子NO，它是由内皮NO合酶（eNOS）、诱导型NO合酶（iNOS）或神经元NO合酶（nNOS）产生的血管活性分子。它是一种短暂的，高反应性的中间体，因其在生理和病理状态下对脑血管循环的贡献而受到关注。从最近的一项研究中可以明显看出，在啮齿动物中风模型中，吸入NO可以显著减少缺血性脑损伤并改善神经功能。气态处理有几个优点，因为它可以快速渗透生物膜并扩散到细胞质、线粒体和细胞核中[1]。

Lubeluzole可通过抑制谷氨酸介导的一氧化氮合酶途径而导致 NO含量降低，并随后在缺氧细胞中产生ONOO-，但一项针对超过1700例患者的大型临床研究在鲁贝卢唑组或安慰剂组之间未观察到明显的差异。因此，现在仍需要寻找一种更为显著的治疗方式。

3.2 再灌注疗法

当缺血期间缺氧后血液供应返回组织时，就会发生再灌注损伤。在局部缺血期间由于血液的阻塞而缺乏氧气和营养供应减少，在这种状况下，循环的恢复会导致炎症和氧化损伤，并诱发氧化应激。尽管再灌注对于保护脑组织至关重要，但也会导致继发性损伤，通常会导致癫痫发作。脑再灌注综合征表现为同侧头痛、对侧神经功能缺损、脑出血（ICH）的三联征和癫痫发作。症状的出现可能是从恢复血流后立即开始直到恢复后的一个月。与未接受急性治疗的患者相比，接受静脉内纤溶酶原激活剂再灌注治疗和动脉内治疗的急性中风患者发生癫痫的风险更大。

4 总结

总之，本综述说明了我们目前对脑缺血性中风的认识，其原因在与线粒体功能障碍有关的多种信号网络的参与，包括由ROS诱导的HIF1、NF-B、Stat3和其他信号通路，进而可以调节脑缺血下ROS的产生。从分子的角度来看，转录因子HIF1、Stat3和NF-kB在这种情况下可被视为主要调控因子。阿司匹林和链激酶抑制剂等联合治疗策略可能会产生不良后果，因此应在临床前使用适应仔细研究，抗血小板药物具有通过多种机制降低血小板活性的能力，它们的生物学活性远远超出血小板，包括对全身其他细胞的影响。急性脑缺血的治疗取决于对这些药物对脑血管和脑实质内，特别是对脑血流、血脑屏障和神经元细胞活性的清楚了解，以寻找最有益的药物将使脑缺血中的脑损伤降至最低。