脊髓缺血再灌注時血脊髓屏障損傷機制及遠端缺血預處理對其作用的研究進展

余奇勁 黃錦秀 胡霽

[摘要] 血-脊髓屏障（BSCB）是血液循環和脊髓組織之間的生理和代謝物質擴散的屏障。BSCB的破壞是脊髓缺血再灌注損傷（SCIRI）的重要病理改變之一，在SCIRI的發生發展中起關鍵作用。藥物、缺血預處理等可通過保護BSCB完整性減輕SCIRI。遠端缺血預處理（RIPC）可對SCIRI產生保護作用，但其內在機制仍有待闡明。本文就BSCB的形態結構與功能、SCIRI后BSCB損傷的機制及RIPC對SCIRI的保護作用作一綜述。

[關鍵詞] 脊髓缺血；再灌注損傷；缺血預處理；血-脊髓屏障

[中圖分類號] R651.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2016）03（c）-0068-05

[Abstract] The blood-spinal cord barrier （BSCB） is the physiological and metabolic substance diffusion barrier between blood circulation and spinal cord tissues. The disruption of the BSCB is one of the important pathological changes in the course of spinal cord ischemia reperfusion injury （SCIRI）， which plays a pivotal role in the development and progression of SCIRI. Some interventions， such as drugs and ischemic preconditioning， can prevent the SCIRI by keeping BSCB intact. Remote ischemic preconditioning （RIPC） can prevent the SCIRI， but the internal mechanism remains to be elucidated. This paper reviews the morphological structure and function of the BSCB， the injury mechanism of BSCB resulting from SCIRI， and the effect of RIPC on it.

[Key words] Spinal cord ischemia； Reperfusion injury； Ischemic preconditioning； Blood-spinal cord barrier

胸腹主動脈瘤修復術可導致脊髓缺血再灌注損傷（spinal cord ischemic reperfusion injury，SCIRI），據報道其發生率為1%～32%，而脊髓損傷后一個災難性的、不可預知的并發癥是截癱[1-2]。SCIRI的發生機制主要包括氧自由基介導的脂質過氧化作用、細胞內鈣超載、白細胞活化、炎性反應及細胞凋亡等。其中，血-脊髓屏障（blood-spinal cord barrier，BSCB）的破壞是SCIRI的一個重要病理改變，它可加劇脊髓水腫，增加白細胞浸潤，放大炎性反應及氧化應激，因而在SCIRI的演變及神經元的進一步損害中起重要作用[3-5]。BSCB是血液循環和脊髓組織之間的生理和代謝物質擴散的屏障，嚴格地調控著脊髓微環境的穩態，因此早期修復BSCB對于防治脊髓損傷具有十分重要的意義。

遠端缺血預處理（remote ischemic preconditioning，RIPC）是指對非靶組織或器官進行短暫的幾個循環的缺血再灌注后可對隨后遠隔組織或器官長時間持續性的缺血產生保護作用。已有研究表明，RIPC可對SCIRI產生保護作用[6-8]，但其內在機制仍不十分清楚。本文就BSCB的形態結構與功能、SCIRI后BSCB損傷的機制及遠端缺血預處理對SCIRI的保護作用作一綜述。

1 BSCB的形態結構與功能

1.1 BSCB的形態結構

與血-腦屏障（blood-brain barrier，BBB）相似，BSCB的基本結構包括毛細血管內皮細胞及其間的緊密連接（tight junctions，TJ）、基膜、周細胞和星形膠質細胞終足[9]。BSCB的毛細血管內皮細胞與外周血循環的內皮細胞不同，其細胞膜無窗孔，胞漿中有含量十分豐富的線粒體，缺乏胞飲小泡，胞飲活性十分微弱[10]。內皮細胞間的緊密連接結構由一些特定跨膜蛋白組成，包括claudins（比如claudin-1、claudin-3、claudin-5）、occludin以及連接黏附分子（junction adherence molecular，JAM）。這些跨膜蛋白通過錨定于其上的胞質附著蛋白（如ZO-1、ZO-2、ZO-3）而與胞漿中的細胞骨架蛋白相互作用[11]?；きh繞毛細血管內皮細胞及周細胞，其主要組成成分包括膠原蛋白、彈性蛋白、纖粘連蛋白、層粘連蛋白以及蛋白多糖等[12]。星形膠質細胞是中樞神經系統主要的膠質細胞，它發出足突包繞神經元突起及血管。

1.2 BSCB各個組成元素的功能

毛細血管內皮細胞是BSCB結構中最重要的組成部分，它嚴格地控制血源性物質的跨細胞自由轉運，細胞內豐富的線粒體可為選擇性主動轉運提供能量并維持鈣離子穩態[13]。此外，內皮細胞還可表達抗氧化劑血紅素氧合酶-1（heme oxygenase，HO-1）及腦源性神經營養因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF），HO-1、BDNF表達含量的增加有助于神經功能的修復[14-15]。內皮細胞間的緊密連接嚴格限制細胞旁轉運途徑。周細胞是小的血管壁細胞，與內皮細胞有共同的基膜，并對內皮細胞的增殖、遷移、分化起重要的調節作用[9]。星形膠質細胞足突可表達水通道蛋白4（aquaporin 4，AQP-4），AQP-4在中樞神經系統水平衡中發揮重要的調控作用[16]。

2 SCIRI后BSCB損傷的機制

2.1 MMPs介導BSCB的破壞

MMPs是鋅依賴性肽鏈內切酶，可降解和重塑包括基膜蛋白、緊密連接蛋白等的細胞外基質。正常情況下，MMPs以無活性的酶原形式分泌，在缺血再灌注損傷中，炎癥細胞產生的大量活性氧物質以及促炎細胞因子[如腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白細胞介素（IL）-1β]可強烈促進MMPs的表達和活化[17]。其中，MMP-9是研究最為廣泛的酶。Fang等[18]和Li等[19]研究發現，MMP-9表達的上調可增加BSCB通透性，MMP-9還參與小膠質細胞的浸潤、遷移，增加促炎細胞因子和趨化因子的產生，從而放大炎性反應，進一步加重BSCB的破壞和神經元凋亡。通過藥物如右美托咪定、七氟烷預處理或者鞘內進行骨髓基質細胞移植均可減少SCIRI中MMP-9的表達，從而保護BSCB完整性，改善神經功能[18-20]。以上研究表明，通過一定的干預措施抑制MMP-9的表達將有助于穩定BSCB結構，減輕SCIRI。

2.2 炎性反應介導BSCB的破壞

炎癥因子在BSCB損傷中發揮重要作用，它可使ZO-1從細胞骨架復合體中解離，可上調MMPs及TNF-α的表達水平，從而引起BSCB通透性增加，而BSCB的破壞又可進一步加劇炎性反應，從而使脊髓發生嚴重的不可逆的損害[4]。最近，TLRs（Toll-like receptors），尤其是TLR4，因其在SCIRI后炎癥應答中的重要作用而引起廣泛關注。TLR4是一組調控固有免疫應答的跨膜蛋白，在小膠質細胞膜上表達量最多，可特異性識別LPS配體。有研究表明，SCIRI可引起小膠質細胞早期大量持續的活化，活化的小膠質細胞膜表面表達TLR4增加，一旦TLR4與配體結合即可觸發NF-κB從胞質轉位到胞核，進而調控其靶基因IL-1β的表達。TLR4-小膠質細胞-NF-κB/IL-1β信號通路可形成正反饋加重炎性反應及BSCB損害[6]。此外，研究發現TLR4通過作用于其下游受體MyD88及TRIF激活NF-κB，TLR4/MyD88通路主要在早期炎癥階段起作用，而TLR4/TRIF通路主要在晚期炎癥階段起作用，并可被MyD88信號通路放大[5]。

炎性反應和BSCB的破壞均是SCIRI的重要病理生理機制，炎性反應可破壞BSCB結構，而BSCB通透性的增加又反過來增加白細胞浸潤，放大炎癥應答，從而形成惡性循環，進一步加重脊髓組織的損傷。

2.3 氧化應激介導BSCB的破壞

在正常生理條件下，機體的氧化系統和抗氧化系統處于動態平衡狀態，但在缺血再灌注發生時，大量炎癥細胞的浸潤使得氧自由基大量產生，從而使這種動態平衡被打破。有研究提示，過多的超氧化物的產生可損害血腦屏障的內皮細胞[21]。超氧化物可與NO結合形成過氧亞硝基，過氧亞硝基可通過脂質過氧化、消耗內源性抗氧化酶及誘導線粒體衰竭而引起微血管的嚴重損傷[22]。研究提示，氧化應激可導致重要緊密連接蛋白如claudin-5、occludin、ZO-1和JAM-1的表達下調或重排[21-23]，而NO、活性氧物質及過氧亞硝基均可激活MMP-9，加劇緊密連接蛋白和基膜蛋白的降解，從而進一步增加BBB通透性。因此，通過一定的干預措施減少SCIRI中的活性氧物質的產生，或者增強脊髓組織的抗氧化能力，有助于維持BSCB完整性。

最近有研究提示，一些藥物或化合物可通過上調抗氧化劑HO-1的表達使緊密連接蛋白ZO-1、occludin的表達增加，減輕BBB/BSCB通透性，改善中樞屏障功能[24-25]。另外，遠端肢體缺血后處理可通過激活Nrf2-ARE通路上調HO-1的表達發揮抗氧化作用，從而減輕腦缺血再灌注損傷[26]。HO-1通路對于穩定BBB/BSCB在氧化應激狀態下的完整性是十分關鍵的。

2.4 AQP-4的作用

AQPs是一組提供水跨膜轉運的水通道蛋白。其中，AQP-4在中樞神經系統中含量最為豐富，主要表達于包繞毛細血管的星形膠質細胞足突。在缺血再灌注損傷中，大腦海馬CA1和皮層區域的AQP-4表達明顯增加，AQP-4在缺血導致的腦水腫中起重要作用，而在AQP-4敲除的小鼠，腦缺血后細胞毒性腦水腫減輕且神經功能得到改善[27]。在遠端缺血后處理對腦缺血再灌注損傷保護作用研究中，腦水腫的減輕伴隨著AQP-4表達的下降[28]。同樣的，AQP-4在脊髓組織的水平衡調控中也發揮重要作用。AQP-4的表達與脊髓水腫呈正相關[29]。一些藥物預處理方法可下調AQP-4的表達從而減輕SCIRI后的脊髓水腫[30]。

3 RIPC對SCIRI的保護作用

RIPC是一種創新。目前，在臨床上應用比較廣泛的RIPC方法是使用血壓袖帶綁扎上肢，對上肢進行短暫的幾個循環的缺血再灌注處理。大量臨床證據也已表明RIPC可對多種器官手術如心臟冠脈搭橋手術、經皮冠脈介入術、選擇性頸椎減壓術、腎移植術、腹主動脈瘤術等產生器官保護作用[31]。

近幾年，一些動物實驗已表明RIPC可對SCIRI產生保護作用。Dong等[7]通過對兔雙側股動脈進行缺血預處理，發現可明顯改善SCIRI后的神經功能并減輕組織損傷。最近，有學者發現，對豬左后肢進行短暫的缺血預處理可保護脊髓免受缺血損傷[7]。在臨床研究中，RIPC對脊髓缺血的保護作用也得到了驗證。Hu等[32]通過對要進行選擇性頸椎減壓術患者的右上肢進行缺血預處理，發現其有助于術后早期患者神經功能的恢復。

盡管很多研究已提示RIPC對脊髓缺血的保護作用，但其內在的保護機制仍不十分清楚。體液通路可能參與了RIPC的保護作用機制，之前的研究表明熱休克蛋白、內源性大麻素、活性氧物質觸發的抗氧化通路介導了RIPC對脊髓缺血的耐受[8-9，33]。近幾年，BSCB在SCIRI中的作用引起了關注。Fang等[3]發現缺血預處理可減輕缺血段脊髓水腫程度，降低BSCB通透性。Ren等[34]研究發現遠端缺血后處理可減輕鼠BBB通透性及缺血腦組織水腫程度，從而減少缺血再灌注損傷所致腦梗死面積。最近，Li等[35]發現遠端缺血后處理可減輕腦缺血后的水腫程度及BBB通透性，并可下調星形膠質細胞AQP-4的表達，因而推測遠端缺血后處理可通過下調AQP-4的表達改善神經學功能。

4 結語

SCIRI后BSCB的破壞主要是由MMPs、炎性反應、氧化應激及AQP-4共同作用導致的，但究竟哪種因素占主導、各因素發生的先后順序以及它們之間的關聯性仍然不是很清楚。研究已證實RIPC可對SCIRI起到保護作用，但其內在機制仍不清楚，并且RIPC的實施方法并不統一，究竟哪種方法更好還未見文獻報道。此外，關于RIPC對SCIRI保護作用的臨床證據仍不足，大樣本、多中心的隨機對照臨床試驗以及最佳的RIPC方式仍然有待于進一步開展和驗證。

遠端缺血后處理可通過減輕BBB通透性及腦水腫程度而對腦缺血再灌注損傷產生保護作用，BSCB與BBB同屬于中樞神經系統屏障，RIPC是否可通過保護BSCB完整性、減輕脊髓水腫而對脊髓缺血產生耐受，以及內在的保護機制，仍然需要進一步證實和探究。

[參考文獻]

[1] Panthee N，Ono M. Spinal cord injury following thoracic and thoracoabdominal aortic repairs [J]. Asian Cardiovasc Thorac Ann，2015，23（2）：235-246.

[2] Etz DC，Luehr M，Aspern KV，et al. Spinal cord ischemia in open and endovascular thoracoabdominal aortic aneurysm repair：new concepts [J]. J Cardiovasc Surg：Torino，2014，55（2 Suppl 1）：159-168.

[3] Fang B，Li XM，Sun XJ，et al. Ischemic preconditioning protects against spinal cord ischemia-reperfusion injury in rabbits by attenuating blood spinal cord barrier disruption [J]. Int J Mol Sci，2013，14（5）：10343-10354.

[4] Li XQ，Lv HW，Tan WF，et al. Role of the TLR4 pathway in blood -spinal cord barrier dysfunction during the bimodal stage after ischemia/reperfusion injury in rats [J]. J Neuroinflammation，2014，11：62.

[5] Li XQ，Wang J，Fang B，et al. Intrathecal antagonism of microglial TLR4 reduces inflammatory damage to blood-spinal cord barrier following ischemia/reperfusion injury in rats [J]. Mol Brain，2014，7：28.

[6] Haapanen H，Herajrvi J，Arvola O，et al. Remote ischemic preconditioning protects the spinal cord against ischemic insult：an experimental study in a pocrin model [J]. J Thorac Cardiovasc Surg，2015. [Epub ahead of print]

[7] Dong HL，Zhang Y，Su BX，et al. Limb remote ischemic preconditioning protects the spinal cord from ischemia-reperfusion injury：a newly identified nonneuronal but reactive oxygrn species-dependent pathway [J]. Anesthesiology，2010， 112（4）：881-891.

[8] Su B，Dong H，Ma R，et al. Cannabinoid 1 receptor mediation of spinal cord ischemic tolerance induced by limb remote ischemia preconditioning in rats [J]. J Thorac Cardiovasc Surg，2009，138（6）：1409-1416.

[9] Bartanusz V，Jezova D，Alajajian B，et al. The blood-spinal cord barrier：morphology and clinical implications [J]. Ann Neurol，2011，70（2）：194-206.

[10] Bernacki J，Dobrowolska A，Nierwińska K，et al. Physiology and pharmacological role of the blood-brain barrier [J]. Pharmacol Rep，2008，60（5）：600-622.

[11] Bauer HC，Krizbai IA，Bauer H，et al. "You Shall Not Pass"-tight junctions of the blood brain barrier [J]. Front Neurosci，2014，8：392.

[12] Cardoso FL，Brites D，Brito MA. Looking at the blood-brain barrier：molecular anatomy and possible investigation approaches [J]. Brain Res Rev，2010，64（2）：328-363.

[13] Ronaldson PT，Davis TP. Targeting transporters：promoting blood-brain barrier repair in response to oxidative stress injury [J]. Brain Res，2015，1623：39-52.

[14] Lai TH，Shieh JM，Tsou CJ，et al. Gold nanoparticles induce heme oxygenase-1 expression through Nrf2 activation and Bach1 export in human vascular endothelial cells [J]. Int J Nanomedicine，2015，10：5925-5939.

[15] Béjot Y，Prigent-Tessier A，Cachia C，et al. Time-dependent contribution of non neuronal cells to BDNF production after ischemic stroke in rats [J]. Neurochem Int，2011， 58（1）：102-111.

[16] Haj-Yasein NN，Vindedal GF，Eilert-Olsen M，et al. Glial-conditional deletion of aquaporin-4（Aqp4）reduces blood-brain water uptake and confers barrier function on perivascular astrocyte endfeet [J]. Proc Natl Acad Sci USA，2011， 108（43）：17815-17820.

[17] Dejonckheere E，Vandenbroucke RE，Libert C. Matrix metalloproteinases as drug targets in ischemia/reperfusion injury [J]. Drug Discov Today，2011，16（17-18）：762-778.

[18] Fang B，Li XQ，Bi B，et al. Dexmedetomidine attenuates blood-spinal cord barrier disruption induced by spinal cord ischemia reperfusion injury in rats [J]. Cell Physiol Biochem，2015，36（1）：373-383.

[19] Li XQ，Cao XZ，Wang J，et al. Sevoflurane preconditioning ameliorates neuronal deficits by inhibiting microglial MMP-9 expression after spinal cord ischemia/reperfusion in rats [J]. Mol Brain，2014，7：69.

[20] Fang B，Wang H，Sun XJ，et al. Intrathecal transplantation of bone marrow stromal cells attenuates blood-spinal cord barrier disruption induced by spinal cord ischemia-reperfusion injury in rabbits [J]. J Vasc Surg，2013，58（4）：1043-1052.

[21] Lochhead JJ，McCaffrey G，Quigley CE，et al. Oxidative stress increases blood-brain barrier permeability and induces alterations in occludin during hypoxia-reoxygenation [J]. J Cereb Blood Flow Metab，2010，30（9）：1625-1636.

[22] Thompson BJ，Ronaldson PT. Drug delivery to the ischemic brain [J]. Adv Pharmacol，2014，71：165-202.

[23] Schreibelt G，Kooij G，Reijerkerk A，et al. Reactive oxygen species alter brain endothelial tight junction dynamics via RhoA，PI3 kinase，and PKB signaling [J]. FASEB J，2007，21（13）：3666-3676.

[24] Chen Z，Mao X，Liu A，et al. Osthole，a natural coumarin improves cognitive impairments and BBB dysfunction after transient global brain ischemia in C57 BL/6J mice：involvement of Nrf2 pathway [J]. Neurochem Res，2015，40（1）：186-194.

[25] Yu DS，Cao Y，Mei XF，et al. Curcumin improves the integrity of blood-spinal cord barrier after compressive spinal cord injury in rats [J]. J Neurol Sci，2014，346（1-2）：51-59.

[26] Li P，Su L，Li X，et al. Remote limb ischemic postconditioning protects mouse brain against cerebral ischemia/reperfusion injury via upregulating expression of Nrf2，HO-1 and NQO-1 in mice [J]. Int J Neurosci，2015，17：1-8.

[27] Akdemir G，Ratelade J，Asavapanumas N，et al. Neuroprotective effect of aquaporin-4 deficiency in a mouse model of severe global cerebral ischemia produced by transient 4-vessel occlusion [J]. Neurosci Lett，2014，574：70-75.

[28] Li S，Hu X，Zhang M，et al. Remote ischemic post-conditioning improves neurological function by AQP4 down-regulation in astrocytes [J]. Behav Brain Res，2015，289：1-8.

[29] Qiang H，Zhang C，Shi Z，et al. Neuroprotective effects of recombinant adeno-associated virus expressing vascular endothelial growth factor on rat traumatic spinal cord injury and its mechanism [J]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi，2012，26（6）：724-730.

[30] Ning N，Dang X，Bai C，et al. Panax notoginsenoside produces neuroprotective effects in rat model of acute spinal cord ischemia-reperfusion injury [J]. J Ethnopharmacol，2012，139（2）：504-512.

[31] Randhawa PK，Bali A，Jaggi AS. RIPC for multiorgan salvage in clinical settings：evolution of concept，evidences and mechanisms [J]. Eur J Phamacol，2015，746：317-332.

[32] Hu S，Dong HL，Li YZ，et al. Effects of remote ischemic preconditioning on biochemical markers and neurologic outcomes in patients undergoing elective cervical decompression surgery：a prospective randomized controlled trial [J]. J Neurosurg Anesthesiol，2010，22（1）：46-52.

[33] Selimoglu O，Ugurlucan M，Basaran M，et al. Efficacy of remote ischaemic preconditioning for spinal cord protection against ischaemic injury：association with heat shock protein expression [J]. Folia Neuropathol，2008，46（3）：204-212.

[34] Ren C，Gao M，Dornbos D，et al. Remote ischemic post-conditioning reduced brain damage in experimental ischemia/reperfusion injury [J]. Neurol Res，2011，33（5）：514-519.

[35] Li S，Hu X，Zhang M，et al. Remote ischemic post-conditioning improves neurological function by AQP4 down-regulation in astrocytes [J]. Behav Brain Res，2015，289：1-8.

（收稿日期：2015-12-05 本文編輯：張瑜杰）