乳酸在腦缺血再灌注損傷中的保護作用及最新研究進展

孫永鑫，王晴晴，呂程美綜述，張 兵審校

腦卒中作為全球致死率最高的的三大疾病之一，近年來一直受到持續關注。根據世界衛生組織(WHO)調查數據顯示全世界每年新增腦卒中患者1500 萬，其中約500 萬人因此失去生命，另外500 萬人留有終身殘疾［1］。而且隨著人口老齡化進程的加快，導致卒中的危險因素(高血壓、糖尿病、肥胖等)逐漸增多，預計到2020 年卒中的發病率將增長一倍［2］。

目前臨床治療缺血性腦卒中的主要方法依然是溶栓治療，然而溶栓治療的缺點是治療時間窗較短(3 h 內)，出血風險較大，因此不能有效滿足所有臨床腦卒中患者的治療需求。在過去20 年，乳酸一直被認為是無氧酵解的代謝廢物，在組織中積累過量會引起酸中毒和組織損傷［3］，但最近研究發現乳酸對大腦神經細胞也有很多積極的效應，在腦缺血再灌注損傷中呈現出保護作用［4，5］，。本文主要針對乳酸在腦缺血再灌注損傷中的保護作用及最新研究進展做一綜述。

1 乳酸在機體的產生方式和代謝方式

乳酸是機體無氧代謝的產物，葡萄糖在體內經過糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸在有氧條件下進入線粒體，經過氧化脫羧進入三羧酸循環氧化供能，在無氧條件下丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下生成乳酸［6］。生成的乳酸可以參與細胞供能，也可以隨血液運輸至肝臟進行糖異生，少量經過汗液和尿液排出體外。

2 乳酸在中樞神經系統中的作用

2.1 乳酸作為能量底物在中樞神經系統中的作用Pellerin 等［7］在1994 年提出星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭假說，首次提出乳酸可以被神經元作為能量利用，2004 年gladden［8］發現乳酸在低血糖的條件下，能夠代替葡萄糖為大腦供能，再次證實乳酸是神經細胞的一種能量底物。Schurr等［9］在大鼠海馬切片中應用單羧酸鹽轉運體抑制劑(4-CIN)，抑制乳酸向神經細胞內轉運，發現4-CIN 能夠明顯抑制神經突觸功能的恢復，證實了乳酸是一種能夠使受損突觸功能恢復的必要物質。在之后的研究中又發現星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭對于機體長期記憶的形成和維持起到關鍵的作用［10］。

2.2 乳酸對損傷神經細胞的保護作用

2.2.1 乳酸對外傷性腦損傷具有保護作用 研究發現乳酸能夠調節外傷性腦損傷后神經組織葡萄糖代謝和腦血流［11，12］。Rice 等［13］通過實驗發現在外傷性腦損傷30 min后持續靜脈注射乳酸可以明顯改善大鼠后期認知功能，Cureton 等［14］在臨床試驗中觀察到了同樣的治療效果，在對555例外傷性腦損傷的患者進行的治療觀察中發現應用外源性乳酸具有明顯的神經保護作用并提高神經系統功能預后。

2.2.2 乳酸能夠增強大腦缺血后神經功能的恢復 在大鼠全腦缺血模型中，應用乳酸能明顯減少皮質中谷氨酸鹽和γ-氨基丁酸的含量，并促進了大鼠皮質電活動的恢復［15］。研究還發現乳酸作為一種信號分子能夠參與調解大腦血管緊張度［16，17］。

2.3 乳酸在腦缺血再灌注中的保護作用 Berthet 等［4］應用海馬切片進行體外培養，進行糖氧剝奪處理后立即加入不同濃度的乳酸溶液，結果發現在應用4 mmol/L 乳酸時能明顯減少海馬切片CA1區死亡細胞的數量。在隨后的在體試驗中，通過腦室內注射技術向大腦中動脈閉塞(MCAO)模型大鼠腦室內注射2 μl 100 mmol/L 乳酸，證實在30 min MCAO 模型中乳酸能顯著減少大腦梗死體積，在60 min MCAO 模型中乳酸能顯著減少紋狀體梗死體積并提高神經功能預后，而且再灌注后推遲60 min 用藥仍然能顯著改善神經功能轉歸。Horn 等［5］在MCAO 模型中向小鼠腹腔內注射250 mg/kg 乳酸，結果發現乳酸能明顯減少大腦梗死體積，減少腦缺血再灌注后引起的體重減輕。Schurr 等［18］利用大鼠建立心跳驟停全腦缺血模型，實驗組注射4-CIN，阻斷乳酸進入神經細胞，結果發現應用4-CIN 組與對照組比較神經細胞死亡數量明顯增多，從反面證實了乳酸對腦缺血再灌注損傷后的神經組織具有保護作用。進一步的研究證實乳酸靜脈注射對MCAO 模型大鼠同樣具有神經保護作用。在大鼠15 min MCAO 模型建立后通過尾靜脈注射5 μl/g 乳酸鈉，與對照組相比14 d 后乳酸鈉組大鼠腦組織梗死體積明顯減少，神經系統功能顯著恢復［19］。

3 乳酸對腦缺血再灌注損傷保護的作用機制

3.1 乳酸為缺血再灌注后的神經細胞提供能量 缺血性腦卒中的病理生理過程主要是神經組織缺血缺氧的過程，乳酸作為一種能量底物可以在神經組織三磷酸腺苷(ATP)耗盡時為神經細胞提供能量［20，21］。缺血性腦卒中發生后神經細胞缺血導致細胞外液谷氨酸鹽濃度升高，隨后細胞外液中的谷氨酸鹽和Na+被星形膠質細胞攝取，細胞內谷氨酸鹽和Na+濃度升高又分別激活了谷氨酰胺合成酶和Na+/K+-ATP 酶，使得星形膠質細胞對ATP 的需求增大，繼而又提高了血糖的攝取和糖酵解酶激活，血糖在糖酵解酶催化下生成乳酸及ATP，乳酸順濃度梯度從星形膠質細胞釋放進入細胞外液、再進入神經元進行氧化，為神經元活動提供能量［7］，減少因能量缺乏導致的神經細胞死亡。

3.2 乳酸增加細胞外液滲透壓減輕腦水腫 神經組織在缺血再灌注后會經歷水腫期，水腫會引起顱內壓嚴重增高，造成神經組織進一步損傷［22］。研究證實適當濃度的乳酸能提高神經組織細胞外液滲透壓，減輕腦水腫，從而減輕由高顱內壓造成的神經組織二次損害［4］。

3.3 乳酸增加腦血流 根據星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭假說，在神經組織缺血后星形膠質細胞釋放乳酸［7］，Gordon 等［16］研究發現細胞外乳酸的增多引起前列腺素E2(PGE2)釋放，使腦血管擴張腦血流(CBF)增加，CBF 的增加為再灌注后的神經組織提供更多的能量和氧供，進而減少神經細胞死亡。

3.4 其他可能的保護機制 Rinholm 等［23］通過體外培養大鼠神經細胞建立糖氧剝奪模型，發現應用外源性乳酸后能明顯促進神經細胞損壞髓鞘的修復和再生。此機制有可能參與乳酸對缺血再灌注神經細胞的保護作用。Ros 等［24］利用微量透析技術分組在大鼠皮質中進行100 mmol/L 谷氨酸鹽灌注和100 mmol/L 谷氨酸鹽聯合6 mmol/L 乳酸灌注，實驗證明乳酸能有效減少谷氨酸鹽引起的神經組織損傷，減少腦組織梗死體積，其具體機制有待進一步研究。

4 乳酸在腦缺血再灌注損傷治療中面臨的問題

研究表明，乳酸只有在適當濃度下才能發揮神經保護作用，Berthet 等［4］在體外實驗中應用1 mmol/L 和20 mmol/L乳酸鈉時都沒有發現死亡神經元數量的明顯減少，而且在未經過糖氧剝奪的海馬切片應用20 mmol/L 乳酸鈉，發現會導致海馬椎體細胞大量死亡，說明乳酸對神經細胞的保護作用是與其濃度相關的，濃度過低或過高對神經細胞都無保護作用，且當乳酸濃度過高時還會對神經細胞產生損害作用。目前為止乳酸對缺血后神經元保護作用的研究還停留在局部腦缺血方面，在長時間大面積全腦缺血方面乳酸的作用還不明確。外源性乳酸注射引起腦組織中乳酸濃度的不一致升高，在臨床實際應用中如何使腦組織不同部位的乳酸濃度同時達到理想的保護濃度，延長治療時間窗，這些問題都需要進一步研究。既往研究認為乳酸的大量堆積會造成組織酸中毒，但研究發現只有當pH 低于7.2 時酸敏感離子通道才會開放，然而正常組織內乳酸的堆積不會使pH 值低于7.2也無法造成酸敏感離子通道的開放［25］。Berthet 等［4］通過實驗觀察證實了這一觀點，試驗中當細胞外液乳酸濃度達到35 mmol/L 時并沒有引起組織的酸中毒。進一步研究發現質子釋放是引起酸中毒的主要原因，無氧酵解產生的乳酸并不能釋放質子［17］，因此也不會導致酸中毒。缺血性腦卒中發病突然且進展迅速，因此方便有效的給藥方式十分重要。Berthet 等［19］的實驗證實乳酸可以通過血腦屏障到達神經組織，因此應用靜脈注射乳酸治療缺血性腦卒中的用藥方式是可行的。正常情況下神經組織在缺血后會產生大量乳酸，使神經細胞周圍乳酸濃度迅速升高，超過乳酸的保護濃度，但通過觀察發現在神經組織缺血再灌注后15 min 到1 h 內乳酸濃度逐漸下降并恢復到正常水平［19］。原因可能是當ATP 耗盡后乳酸作為能量底物被消耗，乳酸濃度下降，因此在實際使用中可以在這個時間窗注射乳酸并起到保護神經元的作用。

5 總結與展望

乳酸在一系列的動物試驗中能夠明顯減少缺血再灌注后神經元的損傷，減少梗死面積并提高神經系統預后。但乳酸的最佳使用濃度和使用時間窗尚有待進一步確認，作為一種廉價且獲取方便的藥物，乳酸在治療缺血性腦卒中有很大發展前景。

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