小脑顶核电刺激的研究进展

2021-11-30 00:23刘小菊张润峰
西南军医 2021年2期
关键词:小脑脑缺血神经元

刘小菊,张润峰

小脑在机体中主要参与肢体活动及运动的调节,但随着对小脑功能研究的深入,人们发现小脑的功能远比以往的认识复杂,小脑顶核还参与心脑血管、呼吸及消化等内脏活动的调节。有研究[1,2]发现,电刺激通过小脑顶核的过路神经纤维,可引起血压升高、反射性血管扩张和脑血流量增加,称之为顶核加压反应(fastigial pressor response,FPR)。之后,大量研究证实电刺激小脑顶核可通过条件性中枢神经源性神经保护作用对心脑血管产生保护。采用仿生物电模拟实验性小脑顶核电刺激而研制的小脑电刺激仪,经临床试验证明对心脑血管疾病如脑梗死、偏头痛、血管性痴呆、心律失常等有一定的治疗作用。

1 小脑顶核的生理功能

小脑顶核(fastigial nucleus, FN)位于第四脑室顶部,内部包含各类细胞(主要是肾上腺素能固有神经细胞)及神经纤维,细胞主要分布于内侧部,神经纤维束呈网状穿梭于外侧部。目前的研究[3]证据表明,小脑与下丘脑之间存在双向且直接的神经纤维投射结构,即小脑-下丘脑投射和下丘脑-小脑投射,两者构成了小脑-下丘脑神经通路环路。小脑-下丘脑的投射纤维起源于小脑顶核等三个深部核团的神经元,途经小脑上脚上行广泛投射至下丘脑外侧核、背内侧核、腹内侧核、室旁核等重要核团。研究[4,5]发现小脑顶核外侧部神经纤维不仅投射至下丘脑,而且还广泛投射至孤束核、孤束旁核、舌下神经核和迷走神经背核,并影响心血管、胃肠等内脏器官活动。FN发出神经纤维至网状结构,网状结构再发出神经纤维到脊髓胸腰段的交感神经低级中枢以及迷走神经背核等部位,最后通过交感和迷走神经而发挥作用,从而对心脑等重要器官产生缺血保护作用,这种作用的实现是通过上诉神经环路来介导的,故称为条件性中枢神经源性神经保护[6]。在机体发生缺血、缺氧损伤时,小脑顶核肾上腺素固有神经元接受这些刺激,通过中枢神经源性神经保护作用,对心、脑等重要器官产生缺血性保护作用,减轻缺血损伤[7,8]。

2 小脑顶核电刺激的作用机制

2.1 改善血液流变学 细胞间粘附分子(intercellular adhesion molecule,ICAM)可引起急性脑缺血后继发性神经损害,其作用机制如下:细胞间粘附因子作为细胞表面糖蛋白分子,可促进炎症反应中白细胞的粘附以及活化,活化的白细胞除了引起微循环通道的机械性阻塞,还可释放大量的氧自由基和炎性介质、细胞因子等,损伤血管内皮,增加血管通透性[9]。黄文等[10]在小脑顶核电刺激对急性脑缺血大鼠动物模型的研究中发现,脑缺血∕再灌注后各时间点大鼠脑毛细血管内皮细胞和多形核细胞的黏附力和黏附应力均明显高于正常对照组和伪手术组;电刺激小脑顶核后,毛细血管内皮细胞和多形核细胞的黏附力和黏附应力均明显下降。表明在脑缺血∕再灌注损伤后,电刺激小脑顶核可抑制毛细血管内皮细胞和多形核细胞的黏附,减轻脑血管内皮细胞损伤,改善缺血区脑血流情况。研究[11]表明,血管内皮生长因子(vascular en⁃dothelial growth factor, VEGF)是血管生成促进因子,可直接作用于血管内皮细胞,刺激血管内皮细胞的增殖、迁移,促进血管生成,松弛血管平滑肌,缓解毛细血管痉挛,改善微循环,防止脑组织发生继发性损伤;同时VEGF可直接作用于神经细胞膜上的酪氨酸激酶受体,触发神经保护与神经再生信号传导,促进神经功能恢复。电刺激小脑顶核可通过保护脑毛细血管内皮细胞、促进毛细血管再生,从而改善微循环、建立侧枝循环、增加大脑半球血流改善脑缺血状态,其作用机制与电刺激可促进血管VEGF及其受体的表达有关[12,13]。

2.2 抑制细胞凋亡 细胞凋亡是缺血性脑血管病损伤反应病理过程中的重要环节,为缺血神经元死亡的主要形式。缺血再灌注损伤可导致神经细胞增殖、迁移、侵袭能力下降,加速细胞凋亡。脑缺血再灌注后神经元凋亡受一系列基因调控,涉及许多基因的表达及相互影响。Bcl 家族是重要的凋亡调控基因,包括凋亡抑制基因Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-W 等和促凋亡基因如Bak、Bad、Bax、Bcl。Bax作为促凋亡基因,主要通过与线粒体结合,增强细胞外膜的通透性,促进线粒体中的蛋白质如细胞色素释放,引起一系列反应,促进细胞凋亡。而Bcl-2 则会阻止Bax 与线粒体结合,从而抑制细胞凋亡[14]。凋亡的发生可能与NF-κB(nu⁃clear factor kappa-B,NF-κB)信号通路有关,NF-κB的活化在中枢神经系统疾病中通过激活Bcl-x、Bcl-2、的表达调控神经细胞存活。何兰英等[15]研究发现,FNS 在增加核因子NF-κB表达的同时,Bcl-xL 的表达也相应增加,表明FNS可通过增加核因子NF-κB生成,增加抗调亡因子Bcl-xL的表达,减轻脑梗死体积。蒋开夫等[16]研究发现,电刺激小脑顶核增强局灶性缺血再灌注大鼠凋亡抑制蛋白Bcl-xL的表达。下调促凋亡蛋白Bax 的表达,抑制局灶性缺血再灌注后神经细胞凋亡,可能是其中枢神经源保护作用机制之一。

半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(Caspase)家族参与了凋亡的过程,Caspase 活化是早期凋亡的标记,活化增加了细胞内钙、活性氧以及线粒体细胞色素C 的释放,通过一系列级联反应导致细胞死亡。Caspase-3是Caspase 家族中调控凋亡最直接的基因,可以降解细胞核中的多种底物蛋白,如细胞周期调节因子、脱氧核糖核酸(desoxyribonucleic acid,DNA)结合蛋白和Bcl-2 蛋白家族。Zhang Lei 等[17]对活化的Caspase-3进行了免疫染色,发现细胞凋亡在脑卒中大鼠明显升高,小脑FNS 显著降低Caspase-3 的表达水平,提示FNS通过抑制Caspase-3水平起到抗凋亡作用。

2.3 抑制细胞炎性反应 炎症是脑缺血的关键病理生理过程,缺血缺氧刺激能促进微血管内皮细胞产生一系列分子,其中包括细胞间粘附分子和血管细胞粘附分子,这些分子触发了淋巴细胞和单核细胞或巨噬细胞向脑组织的迁移、粘附,释放多种促炎细胞因子,如白介素-1β、肿瘤坏死因子-α、白介素-12,白介素-6,同时这些细胞还释放一氧化氮及氧自由基,导致神经元细胞死亡,进一步促进炎症反应[18,19]。研究[2]表明,缺血发作前电刺激可减少缺血半影区细胞间粘附分子-1、诱生型一氧化氮合酶炎性因子的表达,提示FNS 通过降低脑血管细胞粘附分子及促炎因子对脑血管起保护作用;NF-κB激活被认为是介导脑缺血/再灌注后炎性反应的中心环节,活化的NF-κB转位入核,启动多个基因的转录表达,参与并调控机体炎症和免疫应答。万东等[20,21]研究发现:大鼠局灶脑缺血/再灌注后缺血脑组织中NF-κB 活化明显,活性增强,FNS 可下调NF-κB 活化程度,这可能是FNS 具有“抗炎”作用的重要机理之一。另有研究[22]显示,缺血再灌注后24 h,NF-κB 和TNF-α 表达明显增加,NFκB蛋白大量从胞浆移位至胞核,也证实了脑缺血后,NF-κB被活化并且其表达增加,诱导靶基因TNF-α表达,参与了脑缺血再灌注后的神经损伤过程。

2.4 抑制梗死周围电活动 除了缺血中心区的脑组织坏死,局灶性脑缺血可诱发神经元膜电位缺血半暗带的不稳定性,导致梗死病变周围反复发生不规则去极化和形成梗死周围去极化波(peri-infarction de⁃poiorizing waves,PIDs)。研究[19]表明,当脑血流减少到对照水平的20%时,产能代谢停止,发生缺氧性去极化,K+和大量的神经递质释放到细胞间隙,产生皮层扩散抑制。在缺血条件下,皮层扩散抑制可在局灶缺血损伤的周围反复出现,高K+是维持其扩布的动力,电刺激FN后,神经元膜表面K+通道开放时间延长,细胞外钾离子内流增加,膜静息电位升高,兴奋性下降,抑制缺血引起的梗死周围去极化波的产生及传导,从而对缺血缺氧后神经元细胞起到保护作用[23,24]。

2.5 神经元细胞保护作用 缺血性脑损伤中神经元死亡的主要机制之一是兴奋性毒性,这是由谷氨酸受体的过度激活和随后过量的Ca2+内流和超载引起的,进而激活一氧化氮合酶表达,增加一氧化氮(nitric ox⁃ide,NO)合成。NO通过多种机制介导神经损伤,如过氧亚硝酸盐的产生、DNA 损伤、三磷酸腺苷(adenos⁃ine triphosphate, ATP)生成酶的抑制等[23]。在脑缺血损伤过程中,钙离子过度内流入细胞,产生多种钙依耐性水解酶,包括磷脂酶、蛋白激酶、核酸内切酶、黄嘌呤氧化酶,破坏生物膜及细胞骨架及分解核酸,并通过黄嘌呤氧化酶的增加产生更多氧自由基,造成氧化应激-钙超载恶性循环,损害细胞结构和功能,严重者引起细胞凋亡,加剧氧化应激损害[25]。邓志宽等[26]的研究表明,缺血后l-24h,钙蛋白酶活性不断增高,电刺激FN 可使其活性增高程度显著减低。在缺血后12h 内,电刺激FN 使神经元形态及数量评分显著下降。FNS 可通过抑制钙蛋白酶活性从而对神经元细胞起保护作用。

神经肽Y(Neuropeptide Y,NPY)是交感神经的活性物质,NPY 可提高细胞内Ca2+浓度,激活蛋白激酶,还可经突触前机制抑制迷走神经释放乙酰胆碱递质,扩张动脉,增加局部脑血流,从而减小梗死体积,延长半暗带神经元存活时间[27]。董荣真等[28]的研究表明:FNS 对脑梗死的治疗作用机制可能与其降低血浆NPY 有关,血浆NPY 水平降低,将有利于脑血管的舒张,改善脑血液循环,有助于受损脑组织的修复。

2.6 调节氧化应激损伤 正常生理条件下,低水平的活性氧在信号和代谢途径中起着重要作用,但在缺血缺氧损伤的情况下,大量氧自由基生成,氧化脂质、蛋白质、DNA 等造成细胞损伤,而内源性抗氧化系统的活性对缺血再灌注后神经元的保护起到了至关重要的作用。研究[29]表明,诱生型环氧化酶(Cyclooxygen⁃ase-2,COX-2)是自由基和炎症介质产生的关键酶,小脑顶核电刺激可通过抑制COX-2信使核糖核酸和蛋白在局部脑缺血半暗区的表达改善脑缺血部位氧化应激状态;张润峰等[30]的研究也表明FNS 可升高超氧化物歧化酶活性及总抗氧化能力,降低丙二醛含量,证实FNS能有效降低氧自由基对心脑血管的损害。

3 小脑顶核电刺激与脑科疾病

脑血管病死是具有高致残率及死亡率的一类疾病,严重威胁着人类健康。基础实验研究表明,小脑顶核电刺激可通过中枢神经源性神经保护作用,改善缺血性脑损害。从1997年Reis等[31]发现,电刺激大脑中动脉梗死大鼠的小脑顶核后,可使梗死体积减少50%以上,人们对小脑顶核电刺激在脑血管疾病方面的研究越来越多,大量研究表明,小脑顶核电刺激可通过抑制炎性反应、降低缺血半暗带的电兴奋性、抑制神经元凋亡、促进神经细胞结构重建和功能恢复、促进内源性神经干细胞生长等发挥神经源性神经保护作用。

3.1 慢性脑供血不足 魏玲丽等[32]的研究发现:与治疗前相比,小脑顶核刺激治疗后大脑前动脉、大脑中动脉、大脑后动脉、椎动脉及基底动脉的收缩期峰流速率、舒张末期血流速率、平均血流速率都有明显的改变,说明小脑顶核刺激可以对脑血管生物流体力学参数产生影响,从而改善脑血流量,其机制可能是脑内固有神经传导通路受到刺激以及通过改善血液的粘滞性和细胞的变形能力有所改善,加快脑血流速度、促进脑循环。

3.2 脑出血 近年来,有基础研究[33-35]表明,小脑顶核电刺激可通过促进脑出血大鼠血肿周边缺血半暗带区应激保护蛋白的表达,抑制核转录因子NF-κB的表达以减少神经元炎性损害而促使神经功能恢复;临床研究也表明,小脑顶核电刺激提高脑出血术后2周患者运动功能及日常生活能力,改善脑出血的预后;魏佳军等[36]的研究也表明FNS可改善脑微出血患者的认知功能。

3.3 脑梗死 大量研究表明,小脑顶核电刺激可通过改善脑梗死周围电不稳定性,减弱梗死灶周围去极化,减轻微血管炎症反应,抑制神经凋亡,促进新生血管再生等机制对脑卒中患者产生保护作用。静脉溶栓是目前治疗急性脑梗死的主要手段,但溶栓治疗时间窗狭窄,在溶栓治疗的时间窗之外,再灌注脑损伤引起的脑出血和严重脑水肿的风险显著增加,脑缺血∕再灌注可引起神经血管损伤,导致脑水肿和脑出血。研究[37]表明,在脑缺血再灌注大鼠溶栓时间窗外,预先小脑顶核电刺激通过抑制炎症反应产生神经保护作用,可以提高脑卒中治疗的疗效和安全性,延长脑卒中后的有效时间窗。许石隆等[38]在电刺激小脑顶核对脑梗死急性期患者的临床疗效中观察到,治疗组总有效率为95%,对照组总有效率为80%,两组总有效率比较差异有统计学意义,表明电刺激小脑顶核对脑梗死的预后具有积极作用,值得临床推广应用;张萍等[39]研究发现,小脑顶核电刺激脑卒中后患者神经功能缺损量表和改良版临床结局变化量表评分较治疗前有明显改善,表明小脑顶核电刺激还可使脑卒中患者神经功能得到恢复。

3.4 脑卒中后抑郁 脑卒中最常见的精神并发症之一是脑卒中后抑郁。它的发病率约为脑卒中患者的33%-40%。李媛等[40]的研究发现与假手术组相比,卒中组大鼠下丘脑外侧区谷氨酸、γ-氨基丁酸的含量无统计学差异,而与卒中组相比,卒中后抑郁组、小脑顶核损毁组和小脑上脚交叉损毁组下丘脑外侧区谷氨酸、γ-氨基丁酸含量都有不同程度的降低。提示小脑顶核可能参与了卒中后抑郁的发病,其途径可能通过小脑-下丘脑通路介导。电刺激通过小脑顶核治疗脑卒中后抑郁的作用机制可能与电刺激小脑顶核可引起血压升高,反射性血管扩张和局部脑血流量增加,减轻脑缺血损伤,抑制凋亡、炎症反应等机制有关[41]。

3.5 血管性痴呆 血管性痴呆(vascular dementia,VD)是一种复杂的脑部疾病,它是由脑部供血减少和随之而来的认知功能障碍引起的。目前脑血管疾病已成为认知障碍的主要原因,并可导致痴呆、阿尔茨海默病等其他神经退行性疾病,在认知障碍的发病机制中小脑起着重要的作用。有研究表明,FNS治疗可以通过促进自噬和抑制炎症反应来减轻VD大鼠神经元细胞凋亡,从而减轻VD 的严重程度[42-43];脑白质疏松是指在脑皮层下白质或脑室旁CT检查呈低密度表现、MRI T2 Flair 呈高信号的斑点状或片状改变。脑白质疏松被认为是血管性认知功能障碍的一个早期信号,可进展为痴呆;魏佳军等[44]的发现小脑顶核电刺激治疗可通过调节和扩张脑血管、抑制炎症反应、抗细胞凋亡等提高脑白质疏松患者的执行功能,改善执行功能相关脑区皮层下白质纤维微结构的完整性,保护脑血管防止血管性痴呆;尹琬凌等[45]的研究表明,FNS干预能促进缺血灶周围神经细胞合成生长相关蛋白-43,促进脑梗死大鼠认知功能提高。

3.6 偏头痛 目前认为偏头痛的发生主要与三叉神经激活有关,三叉神经能被扩散性皮质作用产生兴奋,从而出现疼痛,宋桂芳等[46]的研究表明,采用小脑顶核电刺激能够稳定大脑皮层兴性,对扩散性皮质进行抑制,促进细胞外钾离子内流,提高神经元静息电位,降低兴奋性,是一种安全、有效治疗偏头痛的方法。

3.7 卒中后肢体活动障碍 脑卒中患者约70%至80%存在不同程度的残疾,促进脑卒中患者的康复即成为脑卒中治疗的重点。穆艳艳等[47]的研究表明,在综合治疗的基础上应用FNS 治疗,使观察组患者的肢体运动能力和生活能力评分大幅提升,明显高于综合治疗的对照组,提示小脑顶核电刺激可提高患者肢体运动能力,促进患者康复,提高生活能力;另有研究表明,轴突再生有助于缺血性脑卒中后的功能恢复,环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)是调节神经元存活和轴突再生过程中神经元功能的重要第二信使。Wang A R[48]的研究表明,通过FNS治疗,大鼠大脑中cAMP的表达显著增加,诱导轴突生长。

3.8 小儿脑瘫 脑性瘫痪是儿科较为常见的疾病,病变部位在脑,累及四肢,伴有行为异常、智力缺陷、精神障碍等症状。近期研究[49]表明,小脑顶核电刺激已被运用于缓解脑瘫患者痉挛及肌张力障碍;涂博等[50]研究发现,小脑顶核电刺激可通过改善神经元细胞氧化应激状态、减少凋亡前体蛋白分泌等减轻脑细胞损伤,保护神经元,从而对临床中脑瘫患儿实施小脑顶核电刺激联合系统康复锻炼治疗,可以改善运动功能明显,提高发育水平。

4 小脑顶核电刺激与眼科疾病

视网膜对血循环障碍极为敏感,一旦发生阻塞,视网膜就会急性缺血、缺氧,视功能严重受损。罗哲文等[51]的研究表明电刺激小脑顶核可通过抑制细胞凋亡、抑制炎症反应等对视网膜缺血-再灌注损伤产生保护作用;杨晋[52]的研究表明,小脑顶核电刺激可明显改善青少年近视的调节功能。

5 小脑顶核电刺激与心血管疾病

基础及临床研究[53]均表明,电刺激小脑顶核可通过中枢神经源性神经保护作用对脑缺血缺氧损伤产生保护,脑和心脏在面对缺氧缺血的刺激时,其反应机制相似,因此电刺激治疗同样可以通过CCNN 发挥对心脏的保护作用。张润峰等[54-59]在对小脑顶核电刺激对心肌梗死大鼠的基础研究中表明,小脑顶核电刺激可通过改善心率变异性、增加缺血心肌胆碱能神经乙酰胆碱释放、恢复受损动脉压力反射敏感性、减少心肌梗死后过度表达的炎症细胞因子、减少钙超载、改善氧化应激损伤从而对心血管疾病产生保护作用;另有学者[60]观察发现FNS能够减轻心肌细胞超微结构损伤,降低心肌组织乙酰胆碱能神经纤维分布密度和心肌组织血管紧张素Ⅱ含量,改善房颤犬心肌组织植物神经重构,并且可明显降低房颤的发生率和房颤持续时间,并减小左心房的容积;心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)是评价自主神经功能的有力工具,低心率变异性可以预测心肌梗死急性期患者心律失常相关并发症的发生,张巧英等[61]选取药物治疗无效的心律失常患者作为研究对象,给予FNS 治疗,结果提示FNS 能够改善心律失常患者心脏自主神经功能,并显著减少室上性早搏、室性早搏的发生;雷新[62]在对小脑顶核电刺激对冠心病患者自主神经功能影响的临床研究表明,小脑顶核电刺激可调节患者自主神经功能紊乱,改善冠心病患者心率变异性、窦性心率震荡、心率减速力,减少心律失常的发生。

6 小 结

综上所述,小脑顶核电刺激可通过多种方式产生条件性中枢神经源性神经保护作用,对多个器官组织产生缺血性保护作用,应用于临床的小脑顶核电刺激仪的安全性已被大量临床试验证实,临床试验表明小脑顶核电刺激能够对脑梗死、心律失常等多种心脑血管疾病有治疗作用,但都因为样本量小而缺乏足够证据。目前还需要进一步的研究来证明小脑顶核电刺激的临床治疗作用。

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