脊髓缺血再灌注損傷的發生機制及其防治

宋岳，孫永明，周越

（蘇州大學附屬第二醫院骨科，江蘇 蘇州 215004）

脊髓缺血再灌注損傷（SCII）最早由Allen［1］于1911 年進行了描述，后來Mccord［2］在1985年正式提出了缺血再灌注損傷的概念，其發病機制涉及眾多、過程錯綜復雜，目前認為是由多種因素通過不同途徑作用的結果。本文對SCII的主要發病機制及有效的防治方法進行綜述。

1 SCII的發病機制

SCII的發生機制較為復雜，涉及多個環節、多步驟以及各個環節相互穿插的連續性過程。其整體發生發展模式大致如下：細胞直接受損或受到缺血缺氧刺激——第一信使類增加物質（氧自由基、興奮氨基酸、炎癥介質等）——相關受體激活、離子通道開放——第二、第三信使類物質增加——相關mRNA轉錄生成——相關的有害蛋白異常翻譯并導致細胞功能異常——進而引起細胞凋亡——細胞凋亡導致大量神經纖維發生神經功能障礙，發生SCII。下述多種損傷機制最終都會引起細胞凋亡，因此細胞凋亡可以被視為發生SCII的共同通路。

1.1 氧自由基介導的脂質過氧化損傷 人體內少量活性氧自由基可以行使正常的生理功能，如免疫和信號轉導。但過多的活性氧自由基生成就會導致人體正常細胞和組織的損傷。SCII發生過程中過多產生活性氧引起的氧化應激是直接和隨后的細胞損傷的一個關鍵因素，脊髓缺血時ATP分解產生ADP、AMP和次黃嘌呤，伴隨著組織供血供氧的增加，次黃嘌呤代謝產生了大量氧自由基，過多的自由基可導致脂質過氧化，脊髓組織中不飽和脂肪酸含量較高，對氧自由基引起的脂質過氧化反應尤為敏感，更易受到自由基損傷，使膜受體、膜蛋白酶、離子通道等功能受損，最終導致脊髓神經細胞不同程度的凋亡或壞死，并且這種損傷可持續進行［3-4］。此外，活潑的氧自由基可廣泛損傷遺傳物質、刺激炎癥介質產生，進而引起神經細胞凋亡，并最終導致神經細胞功能障礙，發生 SCII［5］。

1.2 炎癥反應 炎癥反應介導的脊髓繼發性損傷在SCII發生中發揮著重要作用。在缺血再灌注發生時，損傷部位的多種炎性細胞會釋放出大量的炎性細胞因子和趨化因子，主要包括TNF-α、IL-6、IL-8、IL-10、NF-κB及細胞間黏附分子-1（intercellular adhesion molecular-1，ICAM-1），這些因子進入外周循環，通過與外周炎癥細胞表面的受體結合來介導炎癥免疫細胞的滲入，導致血管內皮細胞及神經元細胞的損傷［6］。胥正泉等［7］研究發現脊髓損傷后，大鼠外周血中的各炎癥細胞因子不同程度升高，TNF-α在損傷后即顯著升高，1 d后表達下降；IL-6、IL-8在損傷后4 h顯著升高，在1 d時達到一個較高的峰值；IL-10則在傷后緩慢持續升高。李雪煥等［8］指出，NF-κB信號通路可以通過Toll樣受體（Toll like receptor，TLR）介導和TNF-α介導兩條途徑被激活，給予TLR4內源性配體HMGB1，小劑量預耐受處理可以明顯降低NF-κB活性，從而抑制炎性反應；TNF-α是眾多細胞因子的重要啟動因子，能誘導ICAM-1的表達，協同放大炎癥級聯，加重細胞水腫及繼發性損傷，所以TNF-α/NF-κB通路可能是誘導SCII的重要途徑。目前普遍認為包括中性粒細胞及內皮細胞等多種炎癥細胞參與了炎癥反應，機體發生缺血后，在缺血部位發生炎癥細胞的大量聚集。在24 h內表現為以白細胞浸潤、水腫、神經元和神經膠質損傷為特征的組織損傷［9］。

1.3 細胞內Ca2+超載 細胞內穩定的Ca2+濃度是細胞正常行使各項生理功能的基礎。SCII發生時在缺血缺氧的刺激下，生成的氧自由基及各種炎癥介質均可導致細胞膜通透性的改變，加之興奮性氨基酸的作用，引起大量Ca2+內流，使細胞內Ca2+濃度升高，造成局部離子不平衡，加重了組織損傷［10］。束浩明等［11］研究發現，大鼠脊髓神經元細胞的細胞膜、胞漿及突起部是鈣敏感受體（Calcium sensing receptor，CaSR）和鈣蛋白酶的共表達部位，在SCII中CaSR可能通過釋放細胞內鈣庫和促使外鈣內流，使細胞內Ca2+濃度達到一定的閾值后激發鈣蛋白酶活性，降解神經細胞的細胞骨架和結構蛋白，引起神經細胞的凋亡，最終導致脊髓損傷，發生SCII。升高的Ca2+濃度可以激活磷脂酶A2，降解神經細胞膜，進一步使Ca2+內流或細胞內Ca2+釋放，使神經細胞游離Ca2+濃度持續增加，最終導致神經細胞的損傷乃至凋亡［12］。

1.4 以谷氨酸鹽為主的興奮性氨基酸毒性作用 谷氨酸是中樞神經系統內一類重要的興奮性氨基酸，谷氨酸受體分為兩類［13］：一類為離子型受體，包括：N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）、海人藻酸受體（KAR）和α-氨基-3羥基-5甲基-4異惡唑受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPAR），它們與離子通道偶聯，形成受體通道復合物，介導信號傳遞；另一類屬于代謝型受體（mGluRs），它與膜內G-蛋白偶聯，這些受體被激活后通過G-蛋白效應酶、腦內第二信使等組成的信號轉導系統起作用，產生較緩慢的生理反應。研究發現NMDA受體和AMPA受體在SCII的過程中發揮重要作用。劉蔚楠等［14］提出在病理狀態下，因脊髓缺血后ATP的合成急劇下降，Na+-K+-ATPase功能衰竭，從而誘導Na+依賴谷氨酸轉運體反向轉運，變攝取為釋放，提高了突觸間隙谷氨酸的濃度，谷氨酸在細胞間隙堆積，進而抑制胱氨酸攝取甚至釋放胱氨酸，使胞內谷胱甘肽合成減少，氧自由基堆積，細胞器損傷，釋放出內源性Ca2+，致細胞內Ca2+濃度的升高；同時谷氨酸在細胞間隙堆積，可激活NMDA受體和AMPA受體，引起Ca2+內流，進一步促進谷氨酸的釋放形成惡性循環。Matsushita等［15］的研究顯示，大鼠中樞神經系統發生缺血性損傷后，細胞周圍環境中谷氨酸的含量增高，間隙中超常量的興奮性氨基酸遞質持續強烈地作用于神經細胞膜上的NMDA受體，通過NMDA受體介導Ca2+內流增加，導致細胞內Ca2+超載而損傷神經細胞。Li等［16］發現谷氨酸還可以通過細胞AMPA受體介導Ca2+內流，對星形膠質細胞和少突膠質細胞造成損傷。

1.5 細胞凋亡及自噬 細胞凋亡是SCII中細胞受損的一種重要機制。SCII發生時脊髓前角運動神經元發生細胞凋亡，繼而引起前角運動神經元死亡并導致肢體癱瘓，并推測其危害堪比細胞壞死［17］。SCII發生后有多種基因被誘導表達，主要包括Bcl-2、熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）、血色素氧合酶（hemeoxygenase，HO）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、NF-κB、p53等［18］。HSPs對包括腦和脊髓的中樞神經系統的重要作用引起了廣泛關注，被認為與神經元細胞再灌注后發生的缺氧缺血性損害有較高的相關性。其中，HSP27對損傷細胞起到修復及保護作用，缺血再灌注損傷前30 min使用甲基強的松龍（MP），脊髓中HSP27的表達上調［19］。升高的HSP27通過上調脊髓組織抗凋亡蛋白Bcl-2表達，下調促凋亡蛋白Bax表達，抑制脊髓組織細胞凋亡，對脊髓組織起到保護作用［20］。細胞自噬，又名Ⅱ型程序性細胞死亡，能感受細胞所處環境的各種信號，使細胞對應激刺激做出應激反應，在不利條件下存活；同時，也能清除、降解自身受損的細胞器及細胞內生物大分子，維持細胞內穩態［21］。凋亡與自噬過程同時存在于SCII過程中，兩者相互作用，聯系緊密［22］。

1.6 血-脊髓屏障通透性改變 血-脊髓屏障（blood-spinal cord barrier，BSCB）是中樞神經細胞與毛細血管壁所形成的屏障系統，在維持神經系統內環境相對穩定方面具有重要的生理意義［23］。脊髓損傷后BSCB通透性升高，屏障中緊密連接蛋白ZO-1、occludin、claudin-5被破壞，微血管被破壞，周細胞和內皮細胞凋亡數量增加，表明BSCB被破壞，炎性細胞滲入脊髓組織，加重對脊髓的損害［24-25］。基質金屬蛋白酶（matrix metallo proteinase，MMPs）是誘發 BSCB 通透性增加的一個直接因素，其過度的蛋白水解活性，可導致脊髓損傷后的BSCB破壞；抑制MMP活性可阻止BSCB破壞，減弱炎癥反應，減少細胞死亡并改善功能恢復，其中MMP-9在脊髓損傷早期異常血管通透性和炎癥反應中發揮關鍵作用［26］。

1.7 SCII相關microRNAs（miRNAs）的表達 miRNA是一類內源性的非編碼RNA，參與轉錄后基因表達調控。相關研究表明大鼠發生SCII 48 h后，多種miRNAs表達明顯改變，且大多數表現為上調，少數表現為下調［27］。SCII發生后miR-125b、miR-146a、miR-199a、miR-210表達是下調的，miR-125b的表達下調導致脊髓水腫和前角運動神經元凋亡［28］，抑制miRNA-124可能通過誘導線粒體自噬和抗細胞凋亡作用對SCII發揮神經保護作用［29］。這些研究為SCII的機制研究提供了新的切入點和新思路，并為有效防治SCII提供了新途徑。

2 SCII的防治

縱觀SCII的預防及治療措施，主要是面向繼發性脊髓損傷，針對其發病機制，抑制有害環節及有害物質的生成，增強保護因素并提高組織對缺血缺氧的耐受能力。目前藥物治療仍然是臨床主要治療措施之一，以往“手術減壓內固定術+激素沖擊治療”的傳統治療方法雖然在一定程度上受到質疑但仍有其積極作用，近年相關研究中的高壓氧療法（hyperbaric oxygen therapy，HBO）被證明是一種有效的防治方法。此外包括缺血預處理、低溫/亞低溫治療、中醫中藥治療、電刺激等多種非傳統治療方法也取得了一定進展。本文主要總結以下幾種治療方法的機制、療效及潛在治療價值。

2.1 激素沖擊療法聯合神經營養藥物治療 以MP為代表的糖皮質激素可抑制急性脊髓損傷后的繼發性病理改變。在術前和術后給予小劑量地塞米松可減少脊髓損傷后的繼發性水腫，降低TNF-α及IL-1β的釋放，減少細胞炎性壞死［30］。大劑量MP一般指用藥劑量達到30 mg/kg的水平，可激發細胞HSP27的高表達。在SCII發生后盡可能短的時間內給予大劑量MP沖擊治療可以明顯減輕受損脊髓的功能損傷，并促進脊髓功能損傷后的早期恢復［31］。近年來有研究者對傳統大劑量激素沖擊療法的有效性提出質疑，以往的相關研究都未對損傷部位的藥物濃度進行檢測，藥物是否到達了損傷部位并順利發揮了作用有待進一步研究。總的來說MP對SCII有預防和治療作用目前仍被廣泛認可，此外更高效的藥物運輸釋放載體亟待被開發利用。神經營養類藥物單唾液酸四己糖神經節苷脂（GM-1）能通過上調大鼠脊髓損傷后微管相關蛋白質-2（MAP-2）及乙酰膽堿轉移酶（ChAT）的表達，改善脊髓損傷后大鼠神經功能的恢復［32］，也能通過下調Caspase-12和CHOP，抑制脊髓損傷后內質網應激介導的神經元凋亡，發揮保護作用［33］，目前常作為SCII后的輔助用藥。

2.2 HBO HBO可以通過多種機制發揮作用。首先，HBO能迅速增加脊髓組織血含氧量，提高血氧張力，并可降低低氧誘導因子-1的表達，增強機體對低氧的耐受性［34］。HBO還能改善BSCB的功能，增加血流，改善微循環和減輕水腫，抑制凝血，減少脊髓損傷后微血栓的形成，減輕缺血引起的神經營養因子表達下降，減少瘢痕組織的形成，軟化已形成的瘢痕，從而減輕對周圍組織的牽拉，促進神經功能恢復和軸突的再生［36］。其次，HBO可降低丙二醛（MDA）和Ca2+的含量，可刺激脊髓抗氧化酶的適應性，提高脊髓組織中抗氧化酶SOD活性，降低脂質過氧化指標TBARS的水平，抑制創傷后的脂質過氧化和氧化應激反應，提高神經細胞膜磷脂雙分子層結構的抗氧化能力，從而減輕脊髓的繼發性損傷［35］。再次，HBO可以通過多種途徑抑制凋亡相關基因，抑制神經細胞凋亡和壞死［36］。最后，HBO還可以抑制脊髓損傷后大量細胞炎性因子的釋放，從而抑制炎性反應導致的繼發性損害［36］，近年來HBO已經成為一種卓有成效的臨床防治方法。

2.3 缺血預處理與低溫預處理 缺血預處理是指術前通過阻斷供血區血流的手段提高供血區對缺血缺氧耐受能力的一種方法，其能通過促進HSPs等表達上調，最終發揮抗凋亡、抗氧化損傷、抑制炎癥反應、維持能量代謝以及促進損傷修復等作用［37-38］。因其作用機制復雜，在臨床上的具體應用仍需進一步研究。亞低溫指28～35℃的溫度，以31～33℃最為適宜。亞低溫處理可以抑制IL-8的釋放，減少神經細胞凋亡、白質空泡化和星形膠質細胞增生，減輕SCII造成的繼發性病理損傷［39］。由于這兩種方法成本較高，獲益有限，并且對SCII具體有多大程度的治療價值尚不確定，因此臨床僅有小范圍應用。

2.4 他汀類藥物治療 近年來，他汀類藥物用于SCII的治療日益引起人們的重視。辛伐他汀（10 mg/kg）能減輕大鼠SCII損傷的后肢運動功能障礙并減輕受損組織的病理學改變［40］。在缺血再灌注損傷前5 d給予辛伐他汀（10 mg/kg）預處理，可在損傷后提高大鼠神經功能，并能保留更多正常的運動神經元［41］。SCII導致大鼠血清和組織中氧化標志物顯著增加，而抗氧化標志物顯著降低，瑞舒伐他汀治療可以預防氧化損傷和組織病理學改變，通過調節人體內的氧化平衡、提高神經細胞對氧化的耐力，發揮對神經系統的保護作用［42］。馮濤［43］的研究表明，瑞舒伐他汀能明顯降低急性腦缺血再灌注大鼠腦水腫及海馬區小膠質細胞（MG）的表達，抑制神經元過度凋亡，具有腦保護作用。高敏等［44］通過測定腦缺血再灌注大鼠腦梗死灶周圍髓鞘堿性蛋白（myelin basic pmtein，MBP）、神經元特異性烯醇化酶（neurospecific enolase，NSE）的表達水平證實，阿托伐他汀對大鼠灰質神經元、白質少突膠質細胞均有保護作用。他汀類藥物具有一定治療價值，其在臨床的應用有待進一步開發。

2.5 米諾環素治療 具有MMPs抑制作用的四環素類衍生物——米諾環素，可以通過降低MMP-9的表達減小腦缺血再灌注大鼠的腦梗死體積并改善神經功能障礙，發揮腦保護的作用［45］。SCII發生后中樞神經系統中小膠質細胞大量聚集，通過誘導炎癥趨化因子的表達對神經元細胞產生損害，早期米諾環素治療可以減少腦組織損失、增強缺血腦組織中的TJP表達以及促進小膠質細胞和巨噬細胞的神經保護表型的替代活化，顯著促進卒中恢復期間的神經血管重塑，發揮對缺血再灌注損傷的治療作用［46］。因此，米諾環素在SCII的預防及治療中同樣具有潛在治療價值。

2.6 中醫中藥治療 中醫中藥近年來受到重視，不少相關研究證實了其藥物療效。參附注射液主要成分為人參皂苷和烏頭堿，可促進HSP27的表達，并抑制細胞凋亡，從而抑制SCII發展過程［47］。銀杏葉提取物可以減輕脊髓神經細胞的脂質過氧化損傷，并抑制細胞凋亡，對SCII有一定的保護作用［48］。另外葛根素、紅花、當歸、黃芪、川穹嗪、黃連、β-七葉皂苷鈉等在動物和臨床實驗中對SCII都有一定的治療效果。葛根素可以通過抑制細胞周期素依賴性激酶5（cyclindependent kinase 5，CDK5）和 P25的活性起到對SCII后受損脊髓的神經保護作用［49］。紅花注射液可以減輕脊髓神經細胞的脂質過氧化反應，通過減少缺血再灌注期間Caspase-3、IL-8的表達水平抑制神經細胞的凋亡，減少神經元的壞死，進而起到神經保護作用［50］。黃芪注射液可以降低大鼠SCII后缺血脊髓細胞間黏附分子-1（Intercelluar adhesion molecule 1，ICAM-l）的表達并增加HSP70表達［51］，同時還可以降低脊髓組織中Ca2+濃度、抑制水通道蛋白4（Aquaporin 4，AQP4）表達、下調脊髓組織中細胞凋亡指數，從而對大鼠的脊髓功能起到保護作用［52］。如何分離、純化、高效利用中草藥中的有效成分，結合傳統醫學辨證施治的思想發揮中醫藥的價值并形成我國的治療特色將成為進一步研究的重點，治療前景比較廣闊。

3 小結與展望

SCII的發生率呈逐漸增高趨勢，并可繼發截癱、全癱甚至死亡，嚴重威脅著患者的健康及生命，故有效防治SCII的發生，將SCII損傷水平盡可能降低，提高患者的生存質量尤為重要。目前，SCII的發生機制尚不十分明確，在預防和治療上盡管已呈現多樣化，但防治效果欠佳，大劑量激素沖擊聯合神經營養藥物的治療中，藥物是否到達了脊髓病損部位尚無相關文獻報道。目前仍沒有任何一種方法可從根本上防治SCII發生，更高效的藥物輸注方式及運輸載體亟待被研發，所以SCII相關研究仍面臨很大的困難，需要更多的科研學者以及醫務工作者致力于SCII的研究，才能在SCII發病機制及防治措施中取得更大的進展。