早產兒腦損傷發病機制研究進展

劉彩霞，景衛莉(綜述),謝集建(審校)

(湖北醫藥學院附屬太和醫院兒科，湖北 十堰 442000)

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早產兒腦損傷發病機制研究進展

劉彩霞△，景衛莉※(綜述),謝集建(審校)

(湖北醫藥學院附屬太和醫院兒科，湖北 十堰 442000)

摘要：隨著新生兒重癥監護病房的監護技術和治療技術的進步，極低出生體重兒及超低出生體重兒的存活率有了明顯提高，但早產兒因出現腦損傷遺留后遺癥的比例并沒有降低，除了較為明確的缺氧缺血和感染兩個上游機制外，最新的研究提示腦損傷尚存在三個下游機制，分別為氧自由基的攻擊、小膠質細胞的激活、興奮性谷氨酸的毒性作用。其中小膠質細胞介導的毒性作用主要通過Toll樣受體4起作用。

關鍵詞：腦損傷；早產兒；發病機制

神經病理學家發現早產兒腦損傷中除了經典的腦白質病變外，常伴隨神經元、軸突的損傷[1]。但腦白質損傷——腦室周圍白質軟化(periventricular leuko-malacia,PVL)仍然是早產兒損傷中最有代表的表現形式，PVL包括兩種形式：①囊性PVL，其中所有細胞成分均發生壞死；②彌漫性PVL，其范圍較廣，但只有發育中的少突膠質細胞的前體細胞(pre-oligodendrocytes,Pre-oLs)這一特定的細胞發生壞死，伴隨星形膠質細胞和小膠質細胞的增生[2]。過去常見的囊性PVL逐漸減少，而彌漫性PVL逐漸成為主要發病類型[3]。現主要綜述PVL的發病機制的研究進展。

1缺氧缺血引起腦損傷

1.1早產兒腦白質本身存在固有的易損性腦白質固有的易損性與早產兒腦血管的生理因素及解剖因素、壓力被動性循環有關。研究發現，腦的氧合指數的波動與血壓變異密切相關[4]，但是，在危重早產兒中，即使較小的血壓變化也可導致腦損傷，這表明危重早產兒的血壓調節功能已嚴重受損，血壓調節功能受損更容易因血壓波動而導致腦損傷。

1.2機械通氣與腦損傷有相關性使用機械通氣發生過度通氣的早產兒易發生腦白質缺血，因為低碳酸血癥具有強大的腦血管收縮作用，持續的低碳酸血癥與PVL發生密切相關[5]。此外，動物實驗發現長期機械通氣導致慢性肺疾病的早產狒狒和羊羔常伴隨腦損傷[6]，提示長期機械通氣和高氧可能導致核小體組蛋白的修飾而影響表觀基因遺傳表達，具體的分子機制目前尚不確切。

1.3腦缺血損傷的主要靶細胞Pre-oLs為尚未發育成熟的少突膠質細胞，自身對缺氧缺血非常敏感，對胎羊的研究已經揭示了Pre-oLs為腦白質缺血后首先損傷的靶細胞[2]。缺血引起腦損傷的形態特點與Pre-oLs自身的分布高度一致，提示兩者之間高度相關。

2感染引起腦損傷

人類神經病理學研究提示，在感染的情況下，臨床上發生缺氧缺血的可能性更大，這兩者可發生相互增強作用，而且胎兒和新生兒期的感染與持續性的低血壓和削弱的血管調節功能有關[7]，這種加強作用與腦小膠質細胞的激活有關且依賴于損傷發生的時相。在最具有加強作用的例子中，內毒素在缺血缺氧4 h前應用，當內毒素用在缺血缺氧發生的72 h前，也存在這種加強作用；內毒素用在缺血缺氧24 h前時，腦損傷反而減輕，Hagberg等[8]在胎鼠15 h時給母鼠子宮內注射單劑的內毒素,隨后在產后5 h或9 h時經歷缺血缺氧導致腦損傷的加強作用并在生后14 d時發生腦白質低髓鞘化。

3引起早產兒腦損傷的三個下游機制

氧自由基的攻擊、興奮性谷氨酸的毒性作用、小突膠質細胞激活后分泌的細胞因子的作用是引起早產兒腦損傷的三個下游機制。氧自由基攻擊是損傷發生的重要的最后共同途徑，興奮性毒性通過Ca2+內流、氧自由基和氮自由基的產生導致Pre-oLs損傷。小膠質細胞的激活可以通過多種機制導致Pre-oLs損傷，但自由基的產生是介導Pre-oLs損傷最主要的物質。

3.1Pre-oLs被氧自由基攻擊潛在易損性的機制這種機制無論是在人腦還是在試驗模型中均得到驗證，在早產兒腦中的發現表明,銅鋅復合體、錳超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等這些經典的抗氧化劑的發育均存在滯后現象[9]。此外，鐵在氧自由基損傷的過程中也起重要作用，盡管過渡態的金屬鐵是生命所必需的,然而鐵催化的活性氧在富含氧的環境下不可避免地會發生潛在的損害，鐵和氧自由基越來越被認為是重要的啟動并介導各種生物體和細胞死亡的因素[10]，鐵和活性氧導致細胞死亡的作用機制為癌癥、器官損傷和退行性疾病提供了新方向。

3.3氧自由基產生的機制線粒體在缺血/再灌注損傷后產生過多的氧自由基的過程中起非常關鍵的作用，在再灌注期間氧自由基的生成機制,線粒體膜電位在腦缺血/再灌注時起到一種病理作用。Thomas等[13]提出一個產生氧自由基的時序模型，在這個模型中，轉譯后修飾的氧化磷酸化 (OxPhos)蛋白質誘導活性氧的產生,高反應性的氧化磷酸化誘導線粒體膜電位增高,從而產生過多的活性氧,這種狀態將導氧自由基爆發似的增加,從而導致線粒體結構和功能損傷, 在損傷的組織中誘導細胞死亡。調節線粒體膜電位超極化的可能是一個新的治療和干預途徑。氧自由基清除劑可能會為腦白質損傷提供一個潛在的治療方法[14]。

4興奮性毒性的易損性

在PVL羊模型中可以記錄到細胞外谷氨酸水平的升高，增加的程度直接與腦白質缺血的程度相關。高水平的谷氨酸來源于腦白質，而缺氧有助于谷氨酸的產生[15]。缺氧時，依賴ATP酶的Na+泵功能衰竭，Na+不能有效泵出細胞外，而依賴Na+的谷氨酸轉運體功能障礙，開始反向轉運，即細胞外谷氨酸的增加，腦白質中谷氨酸的主要細胞來源是Pre-oLs。但很有可能也來源于軸突[16]。

4.1受體調節的興奮性毒性興奮性谷氨酸對Pre-oLs的毒性是受受體調節的，在Pre-oLs中，研究最多的是AMPA/KA(離子型谷氨酸受體α-氨基-3羥基-5甲基-4異唑丙酸鹽/紅藻氨酸)受體類型，其主要積聚在細胞體中，當被過度激活可導致細胞凋亡。表達AMPA/KA受體的主要是Pre-oLs，而不是成熟的少突膠質細胞[17]。受體調節的興奮性毒性是Pre-oLs 凋亡的主要發病機制。當Pre-oLs遭受氧和葡萄糖剝奪，腦白質損傷以及伴隨而來的髓鞘化障礙可以通過使用2,3-dihydroxy-6-nitro-7-sulfamoyl-benzo[f]quinoxaline-2,3-dione(NBQX),一種AMPA/KA拮抗劑來防止其發生。臨床上用于抗癲癇的具有AMPA/KA阻滯作用的托吡酯被證實與NBQX一樣,對腦損傷具有保護作用。AMPA/KA受體調節的興奮性毒性機制還可以引起Ca2+內流，以及氧自由基、氮自由基的產生，事實上，這種Pre-oLs的興奮性毒性機制可以被超氧化物歧化酶和過氧化氫酶阻滯。Pre-oLs也表達N-甲基-D-門冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA受體)，此受體主要存在于少突膠質細胞的發育進程中，當被過度激活時可能導致發育進程停滯，但細胞上仍可能是完整的[18]，當被缺氧的條件激活時發育的進程便停滯。而且，因NMDA受體是Ca2+通透性的，其下游機制與Ca2+內流和氧自由基、氮自由基的產生有關，從而導致有害的影響。軸突可以釋放谷氨酸，一種可能作用于NMDA受體促進Pre-oLs髓鞘發育進程的生理作用。當產生過度是便會變成病理狀態，發育進程停滯，低髓鞘化就發生了。支持這一觀點的是對PVL模型的鼠的研究，NMDA阻滯劑──新美金剛，顯示出對腦損傷強大的保護作用[19]。通過對頭顱磁共振成像和血中谷氨酸及谷氨酸鹽及其他代謝物的檢測證實谷氨酸水平的升高與點狀腦白質損傷高度相關，而廣泛腦白質損傷則與組織酸中毒的標志物──乳酸水平升高有關[20]。

4.2非受體調節的興奮性毒性谷氨酸既可以通過受體調節，也可以通過非受體調節的途徑來誘導Pre-oLs細胞的凋亡。非受體調節的機制被稱為氧化谷氨酸毒性或氧化毒性，人類大腦局部特別是大腦周邊的血管內皮細胞、室管膜細胞、脈絡叢和軟腦膜存在谷氨酸/胱氨酸逆向轉運系統，該系統負責將谷氨酸轉運出細胞外，而將胱氨酸轉運入細胞內，若逆向轉運系統發生功能障礙時可以導致細胞外谷氨酸水平增高，細胞內胱氨酸水平降低，因胱氨酸進入細胞內減少引起谷胱甘肽合成減少而導致細胞死亡的機制稱為氧化谷氨酸毒性[21]。

5細胞因子引起腦損傷

在一項近期的關于人腦的縱向研究中發現，腦白質中小膠質細胞的密度達到一個峰值時即為最易發生PVL的時期。然后在胎齡37周后開始迅速下降[22]，隨著腦白質中小膠質細胞的下降，它們又開始在腦皮質中增長，這些現象表明缺血缺氧或系統感染可以在合適的時間激活小膠質細胞大規模的遷移，小膠質細胞內在免疫調節的重要性，大腦內在的免疫功能受小膠質細胞的調節[23]。引起小膠質細胞激活促發內在免疫功能的是Toll樣受體,大多數Toll樣受體存在于小膠質細胞，其激活靠特定的病原體相關的分子復合物，包括脂多糖、肽聚糖、微生物RNA及DNA。其中最主要的是Toll樣受體2和Toll樣受體4，小膠質細胞通過Toll樣受體最終釋放氧自由基/氮自由基以及細胞因子和谷氨酸，這些產物導致細胞損害。病原體相關的分子復合物激活的小膠質細胞主要誘導Pre-oLs增殖的衰減，而不是誘導Pre-oLs細胞的凋亡[24]。研究表明，Toll樣受體3對腦損傷有保護作用，其可識別一系列相關病原體相關的分子復合物，通過調節Toll樣受體3信號轉導機制而起作用[25]。

6結語

早產兒腦損傷是引起早產兒死亡及傷殘的主要因素，目前主要是預防本病的發生，治療方面主要行對癥治療，尚無特異性治療。隨著學者們對早產兒腦損傷的發病機制的認識逐漸深入，目前已發現托吡酯、新美金剛等藥物可以抑制興奮性谷氨酸的毒性而對腦損傷有保護作用；抗氧化酶家族——過氧化物氧化還原酶和超氧化物歧化酶可以通過清除氧自由基而保護腦細胞，而Toll樣受體3可減輕感染引起的腦損傷，雖然這些結論只在動物研究中得到證實，但也為早產兒腦損傷的針對性治療的研究提供了新的方向。

參考文獻

[1]Pierson CR,Folkerth RD,Billiards SS,etal.Gray matter injury associated with periventricular leukomalacia in the premature infant[J].Acta Neuropathol,2007,114(6):619-631.

[2]Volpe JJ,Kinney HC,Jensen FE,etal.The developing oligodendrocyte:key cellular target in brain injury in the premature infant[J].Int J Dev Neurosci，2011，29(4):423-440.

[3]章樂,曹敏愷,蔣犁,等.中國人群早產兒腦室周圍白質軟化危險因素的meta分析[J].臨床兒科雜志,2011,29(1):81-85.

[4]Wong FY,Silas R,Hew S,etal.Cerebral oxygenation is highly sensitive to blood pressure variability in sick preterm infants[J].PLoS One,2012,7(8):e43165.

[5]Riddle A,Luo NL,Manese M,etal.Spatial heterogeneity in oligodendrocyte lineage maturation and not cerebral blood flow predicts fetal ovine periventricular white matter injury[J].J Neurosci,2006,26(11):3045-3055.

[6]Albertine KH.Brain injury in chronically ventilated preterm neonates:collateral damage related to ventilation strategy[J].Clin Perinatol,2012,39(3):727-740.

[7]Yanowitz TD,Potter DM,Bowen A,etal.Variability in cerebral oxygen delivery is reduced in premature neonates exposed to chorioamnionitis[J].Pediatr Res,2006,59(2):299-304.

[8]Wang X,Hagberg H,Nie C,etal.Dual role of intrauterine immune challenge on neonatal and adult brain vulnerability to hypoxia-ischemia[J].J Neuropathol Exp Neurol,2007,66(6):552-561.

[9]Shim SY,Kim HS.Oxidative stress and the antioxidant enzyme system in the developing brain[J].Korean J Pediatr,2013,56(3):107-111.

[10]Dixon SJ,Stockwell BR.The role of iron and reactive oxygen species in cell death[J].Nat Chem Biol,2014,10(1):9-17.

[11]Bedard K,Krause KH.The NOX family of ROS-generating NADPH oxidases:physiology and pathophysiology[J].Physiol Rev,2007,87(1):245-313.

[12]Chen H,Yoshioka H,Kim GS,etal.Oxidative stress in ischemic brain damage:mechanisms of cell death and potential molecular targets for neuroprotection[J].Antioxid Redox Signal,2011,14(8):1505-1517.

[13]Sanderson TH,Reynolds CA,Kumar R,etal.Molecular mechanisms of ischemia-reperfusion injury in brain:pivotal role of the mitochondrial membrane potential in reactive oxygen species generation[J].Mol Neurobiol,2013,47(1):9-23.

[14]Miyamoto N,Maki T,Pham LD,etal.Oxidative stress interferes with white matter renewal after prolonged cerebral hypoperfusion in mice[J].Stroke,2013,44(12):3516-3521.

[15]Matute C.Oligodendrocyte NMDA receptors:a novel therapeutic target[J].Trends Mol Med,2006,12(7):289-292.

[16]Back SA,Craig A,Kayton RJ,etal.Hypoxia-ischemia preferentially triggers glutamate depletion from oligodendroglia and axons in perinatal cerebral white matter[J].J Cereb Blood Flow Metab,2007,27(2):334-347.

[17]Talos DM,Fishman RE,Park H,etal.Developmental regulation of alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor subunit expression in forebrain and relationship to regional susceptibility to hypoxic/ischemic injury.I.Rodent cerebral white matter and cortex[J].J Comp Neurol,2006,497(1):42-60.

[18]Káradóttir R,Attwell D.Neurotransmitter receptors in the life and death of oligodendrocytes[J].Neuroscience,2007,145(4):1426-1438.

[19]Manning SM,Talos DM,Zhou C,etal.NMDA receptor blockade with memantine attenuates white matter injury in a rat model of periventricular leukomalacia[J].J Neurosci,2008,28(26):6670-6678.

[20]Wisnowski JL,Blüml S,Paquette L,etal.Altered glutamatergic metabolism associated with punctate white matter lesions in preterm infants[J].PLoS One,2013,8(2):e56880.

[21]Albrecht P,Lewerenz J,Dittmer S,etal.Mechanisms of oxidative glutamate toxicity:the glutamate/cystine antiporter system xc- as a neuroprotective drug target[J].CNS Neurol Disord Drug Targets,2010,9(3):373-382.

[22]Billiards SS,Haynes RL,Folkerth RD,etal.Development of microglia in the cerebral white matter of the human fetus and infant[J].J Comp Neurol,2006,497(2):199-208.

[23]Falsig J,van Beek J,Hermann C,etal.Molecular basis for detection of invading pathogens in the brain[J].J Neurosci Res,2008,86(7):1434-1447.

[24]Taylor DL,Pirianov G,Holland S,etal.Attenuation of proliferation in oligodendrocyte precursor cells by activated microglia[J].J Neurosci Res,2010,88(8):1632-1644.

[25]Shi H,Gabarin N,Hickey E,etal.TLR-3 receptor activation protects the very immature brain from ischemic injury[J].J Neuroinflammation,2013,10:104.

Research Progress on the Pathogenesis of Brain Damage in Premature InfantLIUCai-xia,JINGWei-li,XIEJi-jian.(DepartmentofPediatrics,TaiheHospitalAffiliatedtoHubeiUniversityofMedicine,Shiyan442000,China)

Abstract:As the technology of caring and treating in the neonatal intensive care unit develops,the survival rates of very low birth weight infants and extra low birth weight infants have increased significantly,but the proportion of premature infants with brain damage does not reduce. ovide theoretical basis for the development of early intervention and treatment.Besides two definite upstream mechanisms(hypoxia-ischemia and systemic infection),the latest research shows that there are three downstream mechanisms of brain damage,including free radical attack,microglia activation and toxicity of excitatory glutamate.Toll-like receptor 4 plays a major role in the toxic effect mediated by microglia.

Key words:Brain damage; Premature infants; Pathogenesis

收稿日期：2014-06-09修回日期：2014-10-31編輯：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.038

中圖分類號:R722.6

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1638-03