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

摘要：脑缺血后许多分子调节途径在脑组织损伤中起着调节作用，以使缺血半影中的细胞存活，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，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。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，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。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，因而自由基成为脑梗塞重要的治疗靶标，许多研究集中在评估抗氧化剂的应用上，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作用。

关键词：脑缺血性中风;氧化应激;低氧诱导因子;酪蛋白激酶2;活性氧

脑是人体最重要的器官，也是缺血性损伤最易感的器官。在脑缺血中，流向大脑的血液受阻，导致脑组织受损或死亡。在不超过临界水平的时间内，可以通过再灌注疗法来恢复由缺血预处理引起的整体损害。几种分子调节途径在决定缺血预处理中血流阻塞后的脑组织命运中起着调节作用，以使缺血半影中的细胞存活。

缺氧在不利的外部和内部影响下造成脑组织最大程度的破坏，众所周知，急性缺氧抑制神经可塑性、引起认知和记忆障碍，并对最易感的大脑结构如海马神经元产生破坏作用。另一方面，中度缺氧表现出相反的位点作用，这种现象已被用于制定预防措施以增强大脑对缺氧的耐受力（间歇性缺氧训练、缺氧和缺血预处理）或康复（（早期、延迟和远距缺血性后处理）（IPostC）、常压和低压缺氧后处理（分别为NBHPostC和HBHPostC））[1]。

一、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[2]。

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-1α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-1α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-1α在神经元细胞中的蓄积具有保护作用，而内皮HIF-1α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-1α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[3]。

二、脑缺血中涉及的信号通路

缺氧的发展是脑缺血性中风的關键事件之一。在脑缺血中，线粒体呼吸链中会产生ROS和有毒代谢产物，这些物质与负责神经元细胞存活或死亡的细胞信号通路的失调有关。另外，ROS与特定的信号通路协同作用使HIF和NF-kB完全活化，缺氧和活性氧都参与氧化还原稳态和各种细胞信号通路的维持。

（一） 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[4]。

（二）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-1α和HIF-1β，后者对氧张力情况不敏感，并且以本构关系表达。 HIF-1α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-1α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-1α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-1α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[5]。

HIF-1α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-1α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-1α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-1α表达的影响比缺氧更为重要。 ROS和HIF-1α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]。

（三）CK2信号传导通路