纤维蛋白原在脑出血中的多重作用机制及研究进展

董小龙,冯 杰

脑出血是指原发的非外伤性的脑实质出血,又称自发性脑出血,是神经系统常见疾病,发病率占全部脑血管病的20%～30%,其特点是病情危重、发展迅速,具有极高的致残率、致死率,严重危害人类健康[1]。脑出血后脑损伤的病理过程分为原发和继发阶段。在原发性脑损伤阶段,血肿体积和部位为决定病情严重程度的关键因素,治疗的重点是减少血肿的扩张。而在继发性脑损伤阶段,复杂的局部和全身炎症反应、血肿周围水肿、脑水肿、细胞毒性反应和血脑屏障破坏等病理改变可加重病情,并导致不良预后[2]。

纤维蛋白原作为一种急性时相蛋白,参与凝血级联反应实现止血目标为其经典作用,是有效血栓形成的基础。血浆纤维蛋白原水平随着全身炎症、组织损伤和其他一些不良事件而升高[3]。在神经系统中纤维蛋白原的病理作用是多方面的,包括诱导小胶质细胞活化、抑制施旺细胞和少突胶质前体细胞分化、抑制髓鞘再形成、破坏血脑屏障、促进轴突损伤和瘢痕形成、抑制神经突起生长[4],从而通过多种机制影响脑出血的病情及预后。

探究纤维蛋白原在脑出血中的多重作用机制,进一步明确其在脑出血不同阶段的水平及意义。未来可能在不影响其止血效果的前提下,使用选择性药物靶向抑制其在神经系统中的损伤作用,可以改善病情及预后,从而有望为中枢神经系统出血性疾病开辟新的治疗策略。

1 脑出血后脑损伤机制

脑出血的病情及预后主要取决于出血的部位、出血量和血肿体积的大小引起的机械性脑损伤以及炎症、神经毒性、氧化应激、脑水肿等所导致的继发性脑损伤[5]。脑出血原发性脑损伤的机制主要是血肿引起的占位效应,导致解剖结构的物理破坏、颅内压升高及邻近组织的机械压迫,并继发脑灌注减少,严重时导致脑疝危及生命[6]。而继发性脑损伤的病理生理过程很复杂,主要包括神经系统炎症反应、血脑屏障破坏、脑水肿、血肿周围水肿、细胞毒性反应和氧化应激等方面,最终导致脑出血的不良结局[7-8]。

2 纤维蛋白原在中枢神经系统疾病中的多重作用机制

脑出血后纤维蛋白原除参与凝血级联反应产生止血效应外,尚能够通过受损的血脑屏障进入脑实质[9],通过以下多重机制参与神经系统炎症反应、血脑屏障破坏、脑水肿等加重继发性脑损伤,并通过促进瘢痕形成、抑制神经细胞再生与修复而影响预后。

2.1 纤维蛋白原与神经系统炎症 研究表明,神经系统炎症是脑出血的主要特征,小胶质细胞/巨噬细胞的激活在脑出血后的炎症反应中起关键作用,而其最主要的环节被认为是小胶质细胞的极化[10]。小胶质细胞/巨噬细胞作为中枢神经系统的常驻免疫细胞,其生理作用主要是监测并维持神经细胞、血脑屏障和细胞外基质的稳定与平衡。脑出血时,小胶质细胞/巨噬细胞迅速被血液中的多种成分激活为两种类型的细胞,分别为经典活化的小胶质细胞/巨噬细胞(M1表型)和选择性活化的小胶质细胞/巨噬细胞(M2表型),以向M1表型转化为主。M1在表达大量的Toll样受体4(TLR4)和血红素加氧酶1(HO-1)以促进血肿清除的同时,还产生白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎细胞因子,并诱导铁代谢物及活性氧的产生,促进神经系统炎症反应,从而加重继发性脑损伤[10-11]。而M2则通过吞噬作用和血管重塑以助于血肿的清除,并可能抑制Th1细胞反应、降低血脑屏障的通透性、促进抗炎细胞因子的产生和受损组织的修复,从而改善神经功能障碍[12]。

脑出血时,纤维蛋白原通过受损的血脑屏障渗漏进入脑实质,在血管破裂处促凝物质作用下转化为不溶性的纤维蛋白,沉积在脑实质内,纤维蛋白通过激活小胶质细胞并促进外周炎性巨噬细胞募集和激活而诱导神经炎症[13]。纤维蛋白可与白细胞、巨噬细胞和单核细胞结合,通过激活核因子-κB(NF-κB)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)以及Rho信号途径介导这些细胞的趋化、迁移、黏附和吞噬[14]。纤维蛋白原转化为纤维蛋白的过程中暴露了其γ链羧基端一个隐藏的氨基酸表位(γ377-395),该表位特异性地与小胶质细胞和巨噬细胞上的CD11b/CD18整合素受体结合,通过多种信号转导途径诱导小胶质细胞和巨噬细胞的活化,并促进抗原呈递、活性氧(ROS)释放及白细胞募集趋化因子单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)和CXC趋化因子配体10(CXCL10)的分泌,从而诱导小胶质细胞和巨噬细胞的M1转化[15]。纤维蛋白原还可以激活小胶质细胞中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT)和Rho家族的鸟苷三磷酸酶,导致细胞体积增大、肌动蛋白细胞骨架重排和吞噬功能增强[4],从而加重神经系统炎症。

此外,小胶质细胞受体(主要是TLR4)可通过NF-κB信号通路增加促炎细胞因子的产生[12]。脑出血后,中枢神经系统中小胶质细胞等多种类型的细胞均可表达TLR4,其可以被血脑屏障破坏后沉积在脑实质内的纤维蛋白原激活,通过诱导小胶质细胞的自噬功能激活NF-κB和MAPK等信号途径,继而介导TNF-α、白细胞介素、细胞间黏附分子-1、单核细胞趋化蛋白-1、基质金属蛋白酶(MMP)-9、环氧化酶和活性氧等促炎因子和介质的产生[16-17],最终导致更严重的炎症反应。

总之,纤维蛋白原通过多种途径特异性诱导或参与神经系统炎症,靶向抑制纤维蛋白(原)的形成可能有助于减轻神经系统炎症,促进小胶质细胞向M2表型转化,从而减轻神经系统炎症并有利于脑功能恢复。

2.2 纤维蛋白原与血脑屏障破坏 血脑屏障的解剖基础是由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞通过紧密的结构与功能联系组成的神经血管单元;除此以外,还有细胞连接和基底膜(BM)等非细胞成分。完整的血脑屏障在维持营养物质流入大脑以及保护大脑免受毒素、病原体和炎性细胞入侵方面发挥着重要作用。维持各种神经细胞、组织间液、脑内压等的代谢与平衡都需要完整的血脑屏障,否则很容易出现各种神经细胞的病理改变及脑损伤。中枢神经系统的各种疾病均会导致血脑屏障的破坏和功能障碍,包括中风、创伤、多发性硬化、帕金森病(PD)和阿尔茨海默病(AD)等[18]。

脑血管完整性的破坏是脑出血病理机制和神经损伤的重要因素。在脑出血的病理改变中,有证据表明,脑实质中血液成分的沉积在激活局部免疫反应和介导免疫反应导致血脑屏障功能障碍中起着重要作用[14]。血脑屏障破坏的关键因素是炎症的激活,包括小胶质细胞的激活、各种炎症介质上调及紧密连接蛋白破坏导致的血脑屏障通透性的增高等[19-20]。因此,脑出血引起的神经血管破坏会导致血脑屏障破坏的加剧,而由血脑屏障破坏而导致的血肿扩大和水肿形成又会进一步加重脑实质的物理损伤[14]。

纤维蛋白原通过多种途径诱导和参与脑出血后神经系统炎症反应,并通过与小胶质细胞/巨噬细胞的受体结合后,刺激促炎细胞因子和趋化因子的分泌以及活性氧的释放,还可诱导小胶质细胞的M1样转化,加剧神经系统炎症反应,进一步加重血脑屏障破坏和脑损伤[4]。纤维蛋白原可与细胞间黏附分子-1结合,通过细胞外信号调节激酶1/2信号增加内皮细胞层和脑血管的通透性,并增加基质金属蛋白酶-9的活化,进一步降解内皮细胞间紧密连接,破坏内皮细胞层的完整性,最后导致血脑屏障的破坏[21]。

总的来说,血脑屏障破坏后的纤维蛋白原渗漏加剧了局部的炎症反应和血脑屏障损伤,从而进一步加剧了继发性脑损伤。

2.3 纤维蛋白原与氧化应激 氧化应激被认为是脑出血后继发性脑损伤的关键环节,并参与脑出血病理过程的各个重要阶段。脑出血后的神经系统炎症反应及铁、血红素、纤维蛋白原等血液成分均可以促进氧化应激反应,从而加重继发性脑损伤[6]。研究表明,纤维蛋白原可通过CD11b/CD18受体激活自然免疫细胞、还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶及γ-谷氨酰转肽酶(GGT),从而增加ROS产生,并促进自然免疫细胞中谷胱甘肽的降解,以加重脑出血后中枢神经系统的氧化应激反应[15,22]。

2.4 纤维蛋白原与脑水肿 脑水肿是脑出血的主要并发症之一,脑出血后血液成分大量涌入脑组织,同时有血管内高渗透压成分渗出到脑组织,导致血管内外渗透压差,水分渗透到脑组织内导致脑水肿。另外,由于脑出血周围脑组织受损破坏,脑组织能量代谢障碍,损伤细胞膜结构,脑细胞内的水分过多地进入到细胞外引起细胞毒性脑水肿。脑水肿的高峰一般在脑出血发生后的48 h,导致颅内压进行性增高,严重者会形成脑疝危及生命[23]。脑出血后脑水肿是一个复杂的病理过程。目前比较公认的脑水肿发生机制中的关键因素包括:白细胞、小胶质细胞、促炎因子[基质金属蛋白酶、细胞间黏附分子-1、TNF-α、白细胞介素-1(IL-1)]、Toll样受体、NF-κB、凝血酶、红细胞及其降解产物、水通道蛋白-4、补体以及自由基等[24]。

如前所述,纤维蛋白原浓度的增加通过多种途径加重了血脑屏障破坏,从而间接加重了脑水肿的程度。脑血管破裂后,包括红细胞及其代谢物、凝血酶和纤维蛋白原在内的血液成分可以通过受损的血脑屏障进入脑实质,引发氧化应激和炎症级联反应。这些因素加剧了血脑屏障的破坏,并导致血液成分的进一步渗透,形成恶性循环,加剧脑出血后的脑水肿和神经损伤。有研究发现,高纤维蛋白原血症可能导致迟发性脑水肿,纤维蛋白原持续升高与迟发性脑水肿高度相关,也是脑出血预后不良的危险因素[25]。已有研究表明,血浆纤维蛋白原水平升高是脑出血后继发脑水肿程度及不良预后的独立危险因素,能为临床早期判断脑水肿进展及预后提供依据[26]。

2.5 纤维蛋白原与神经元死亡 研究表明,不仅纤维蛋白会导致神经元死亡,可溶性纤维蛋白原也会造成神经元死亡。这种效应是纤维蛋白原通过其神经元受体、细胞间黏附分子-1和细胞朊病毒蛋白(PrPC)与神经元相互作用的结果,并且这种作用呈剂量依赖性。同时,纤维蛋白原还可以诱导神经元促炎性细胞因子IL-6的表达及氧化损伤,并最终导致神经元死亡[27]。

2.6 纤维蛋白原与再生修复 已有很多研究表明,纤维蛋白原通过调节中枢神经系统损伤和疾病后的炎症反应以及生长因子受体信号,从而抑制神经系统修复。纤维蛋白原分别激活少突胶质前体细胞(OPC)、星形胶质细胞和神经元中的骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β(TGF-β)和表皮生长因子受体(EGFR)信号,并通过影响小胶质细胞和巨噬细胞的极化,以促进炎症和抑制再生[4]。纤维蛋白原通过激活OPC上的激活素A受体1(ACVR1)诱导下游信号和BMP靶基因表达,还可刺激星形胶质细胞产生硫酸软骨素蛋白聚糖(CSPG)激活OPC中的蛋白酪氨酸磷酸酶Sigma受体,从而抑制再髓鞘化[28-29]。纤维蛋白原还调节神经元和星形胶质细胞中的生长因子受体信号,以抑制神经突起生长并诱导胶质瘢痕形成,这是限制再生的中枢神经系统病理学的两个关键特征[29]。因此,纤维蛋白原在抑制再髓鞘化、阻碍神经元再生和促进胶质瘢痕形成等方面起关键作用,并可以作为激活限制神经系统修复的信号通路一种关键的环境信号。

3 抑制纤维蛋白原与神经系统疾病预后改善

3.1 脑出血不同时期血浆纤维蛋白原水平与预后的关系 在脑出血发病后几分钟内,血浆纤维蛋白原水平可能因消耗迅速从基线下降,在随后的炎症过程中,其水平会在几天或几周内升高,甚至高于正常范围[30]。研究表明,脑出血病人血浆纤维蛋白原水平始终高于健康人群,且呈逐渐升高趋势[31]。循环纤维蛋白原水平升高的程度已被确定为自发性脑出血预后不良的危险因素[13]。

3.2 抑制纤维蛋白形成可能有助于脑出血后的长期康复 考虑到纤维蛋白原向纤维蛋白的转化涉及凝血和炎症之间的相互作用过程,且病程中后期纤维蛋白原水平可能较基线水平升高。因此,早期减少纤维蛋白沉积及中后期抑制纤维蛋白形成可能有利于改善其预后。已有研究证明,脑出血后期脑内纤维蛋白原水平显著升高及其有害作用,使用水蛭素抑制纤维蛋白原转化为纤维蛋白可减少神经系统炎症,促进脑出血神经功能恢复,并进一步证明该作用主要通过诱导小胶质细胞向抗炎表型转变来实现[30];使用巴曲酶降解损伤局部的纤维蛋白原可减少创伤性脑损伤的纤维瘢痕及胶质瘢痕形成,而瘢痕形成被认为是阻碍神经再生的主要因素[32];抑制纤维蛋白原合成降低了炎症标志物激活转录因子3和PrPC的表达,减少了纤维蛋白原沉积和大脑中纤维蛋白原-PrPC复合物的形成,进而改善脑损伤期间的认知障碍[27];使用针对纤维蛋白原γ377-395表位的单克隆抗体5B8,可以在不影响纤维蛋白聚合、体内凝血时间或活化部分凝血活酶时间(APTT)的前提下,有效地抑制神经炎症过程和氧化应激,减少轴突损伤[15]。从而使纤维蛋白靶向抑制成为治疗伴有血管损伤的神经系统疾病的一种可能的新策略。

4 小结与展望

脑出血后血脑屏障破坏,机体凝血和纤溶系统紊乱,导致纤维蛋白原在脑实质内大量沉积,且随着病程延续,纤维蛋白原作为一种重要的炎性因子呈逐渐上升趋势,继而通过炎症、血脑屏障破坏、氧化应激等机制加重继发性脑损伤,并通过抑制神经细胞再生与修复,加重其不良预后。因此,了解纤维蛋白原在脑出血中的多重作用机制,并进一步探讨不同阶段其水平的意义,有利于开发新的治疗策略,以期改善病情及预后。