新生兒缺氧缺血后腦神經網絡重建機制研究進展

李可心，鄭 陽，王曉明

(中國醫科大學附屬盛京醫院放射科，遼寧 沈陽 110004)

新生兒缺氧缺血(hypoxic ischemia, HI)是導致新生兒神經功能障礙的原因之一，發病率、致殘率均較高[1]；其所致神經系統損傷主要包括興奮性氨基酸毒性損傷、氧化應激及炎癥等，表現為神經元破壞，進而出現行為缺陷、癲癇、智力障礙及腦癱等一系列并發癥[2-3]。相比成人，發育中的大腦對外界刺激適應性更強，稱為神經可塑性，包括分子層面、細胞水平調控及生理過程變化，以促進大腦依據不同狀態改變組織結構與功能[4]。本文分別從HI損傷后神經干/祖細胞(neural stem/progenitor cell, NSPC)增殖與神經元、膠質細胞再生，神經通路及腦內微環境變化等重建機制進行綜述。

1 新生兒HI后NSPC增殖與神經元、膠質細胞再生

1.1 新生兒HI后NSPC增殖 NSPC具有分化潛能，可自我更新，在體內與體外環境均可增殖并分化為神經元細胞系、神經膠質細胞系等多種細胞譜系[5]。哺乳動物大腦內有兩個神經源性區域，即腦室管膜下區(subventricular zone, SVZ)和海馬齒狀回顆粒細胞下層(subgranular zone, SGZ)，其內源性NSPC可增殖、遷移并分化為神經元、星形膠質細胞(astrocyte, AS)及少突膠質細胞[6]。HI損傷激活表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)及Notch信號轉導通路，促進SVZ的NSPC增殖[7]。缺氧等病理因素可促進海馬齒狀回NSPC增殖，且與年齡和損傷程度有關[8]。NSPC增殖這一特點可為研究HI損傷后NSPC修復機制及潛在治療靶點提供依據，但NSPC分化狀態對腦神經網絡重建的影響還需明確。

1.2 新生兒HI損傷促進神經元及膠質細胞再生 HI損傷后NSPC可分化成神經元，但HI誘導神經元遷移至損傷部位進行修復的能力有限[9]。HI、卒中等損傷因素均能誘導海馬齒狀回神經元再生[10]，但新生神經元能否有效整合到神經網絡中并發揮作用尚需進一步觀察。未成熟大腦HI損傷后，神經元再生數量可能與年齡、受損部位及嚴重程度有關，且在早產兒和足月兒腦損傷程度亦不同。早產兒發生HI時腦組織中的少突膠質細胞受損，進而導致腦白質損傷；足月兒HI后發生腦損傷部位包括基底節和丘腦區，可導致嚴重腦病或癲癇發作[11]。ZHU等[12]觀察小鼠HI模型，發現HI后腦損傷可刺激新生神經元形成，出生9天小鼠神經元增殖集中于腦內紋狀體和皮層部位，而當大腦發育成熟后，增殖僅存在于紋狀體。

此外，HI也可促進神經膠質細胞再生，新生小鼠HI 1周后腦組織內少突膠質細胞、AS及小膠質細胞(microglia, MG)顯著增加，HI后第1、2周，少突膠質細胞分別于皮層和紋狀體中增殖，與大腦發育過程中髓鞘形成時間相對應。HI早期恢復過程中，未成熟腦紋狀體與皮層也可產生大量AS保護神經系統；而MG釋放的炎性細胞因子可介導神經元損傷，也可調節神經元再生[12]。發生HI時，神經膠質細胞可通過調節神經遞質傳遞、釋放細胞因子等影響神經元再生及腦神經網絡重建[13]。腦神經網絡是一個整體，研究神經膠質細胞及神經元的相互作用對于探索HI損傷后腦神經網絡修復及重建機制具有重要意義。

2 新生兒HI損傷對腦神經通路的影響

HI后神經通路改變包括神經通路重建與突觸可塑性[14]。研究[15]發現HI引起的新生兒腦部輕度/中度結構異常如神經元、膠質細胞輕度受損等可使認知能力明顯下降，可能是HI損傷導致額葉-海馬神經通路連接異常所致，提示HI后腦神經通路改變為影響神經網絡重建的重要因素。

2.1 新生兒HI后促使腦神經通路重建 HI后腦神經網絡改變是動態且進行性發生的。研究[16]發現新生小鼠HI后邊緣系統、海馬體、海馬傘及背外側隔核神經纖維束呈進行性減少，提示存在遲發性神經通路發生改變。大鼠低氧狀態下顆粒細胞(granulocytel, GC)樹突長度增加及新生GC自發性γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)突觸后電流增強可能是缺氧狀態促使GABA能中間神經元活性增強所致[8]。缺氧后70天，新生神經元的樹突狀結構多位于GC層之外，樹突總長度減少，可能與GC層內新生神經元突觸活動減少或細胞外環境中其他因素影響發育樹突變化有關[8]。雖然腦損傷可導致大量神經元死亡，但仍有部分受損或未受損神經元，軸突可通過尋找新的“靶細胞”建立新連接，重新支配病變周圍環境，進而建立新的腦神經網絡系統[17]。

利用多模態MR技術能夠觀察HI損傷后腦網絡的變化。新生大鼠HI損傷后，受損大腦半球功能可通過重建神經網絡轉移到未受傷大腦半球，神經信號傳遞模式包括半球間轉移(病變部位對側同源區域功能恢復)、半球內轉移(功能可延伸至病灶健康周圍組織)及半球內神經連接重新分布或形成替代腦神經網絡[18]。通常新生兒HI后腦損傷程度在雙側大腦半球間差異不顯著，故替代神經網絡可能是受損腦區主要的神經重建模式。

2.2 新生兒HI損傷與突觸可塑性 突觸可塑性是神經可塑性的重要體現之一，主要包括兩大機制：①穩態可塑性機制促進損傷后突觸恢復，負反饋調節突觸可塑性；②依據赫布理論，可塑性機制通過促進突觸前成分及后成分變化正反饋調節突觸可塑性，增加突觸傳遞效率[19-20]。發育中的大腦受到如HI、感染或某些代謝紊亂等因素影響時，突觸可塑性機制也可能轉變為腦損傷機制。

新生兒HI損傷可導致突觸丟失及突觸蛋白表達異常，突觸囊泡減少，從而促使突觸重建，這可能與神經遞質釋放和結合異常而加劇突觸功能障礙有關[21]。HI后突觸間隙谷氨酸代謝障礙，電壓依賴性N-甲基-D-天冬氨酸受體開放，可增強未成熟大腦的可塑性，但也可損傷發育中神經環路的興奮性[22]。谷氨酸受體過度激活能引起細胞內、外病理變化，導致神經傳遞和突觸功能障礙、少突膠質細胞和神經元損傷，導致感覺運動傳導通路異常[23]。HI可誘發癲癇、海馬損傷及病變側海馬苔蘚纖維萌發，若伴有自發性或運動性癲癇發作，則于健側海馬也可觀察到苔蘚纖維發芽，提示其可能為突觸重建的標志，且這種重建能夠增加自發運動性癲癇發作概率[24]。影像學檢查對評估HI后神經功能障礙患者突觸變化具有重要價值，有研究[4]證實PET/CT可顯示HI后大腦感覺運動皮層和基底節的葡萄糖代謝增加，神經元葡萄糖代謝區域變化與突觸活性有關。

3 新生兒HI后腦內微環境改變對神經網絡重建的影響

NSPC所處微環境由神經元、AS、MG、內皮細胞及其他細胞因子共同組成，對細胞存活、增殖及分化具有重要作用[10]，HI損傷后，上述細胞做出不同反應，使大腦微環境急劇改變，從而調節神經可塑性，參與神經網絡重建。HI后腦內酸堿度水平可影響神經可塑性變化，此時線粒體中氧化磷酸化和三羧酸循環減少，導致乳酸無氧代謝增多，組織內出現酸中毒[25]。缺氧條件下，乳酸不僅是人體活動的重要能量代謝底物，也可作為信號分子參與細胞信號轉導。AS通過星形細胞-神經元乳酸穿梭將乳酸轉運到神經元中，以產生三磷酸腺苷，激活細胞內信號級聯反應，誘導凋亡抑制蛋白，早期生長反應蛋白1和腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達參與調節神經可塑性[26]。HI損傷后，乳酸變化可影響腦內酸堿平衡、能量代謝及信息傳遞。

MG是大中樞神經系統的固有免疫細胞，具有吞噬、釋放細胞因子和呈遞抗原的作用。腦缺血后，作為一把“雙刃劍”，MG激活效應既能分泌基質金屬蛋白酶-9、腫瘤壞死因子-α等因子誘導神經元凋亡及抑制NSPC分化為神經元[27]，也可合成并分泌胰島素樣生長因子與BDNF等，刺激神經元再生[10]。此外，趨化因子配體1介導的小膠質細胞-神經元相互作用可促進神經元和NSPC存活、增強突觸及重建網絡成熟度，從而影響神經網絡重建[28]。脈管系統亦在調節神經元再生中發揮重要作用，促血管內皮生成因子(vascular endochelial growth factor, VEGF)可促進NSPC增殖及神經元再生[29]。腦缺血損傷后，血腦屏障被破壞，血液及腦組織內VEGF水平升高，誘導細胞跨膜Notch配體4蛋白表達，激活Notch信號通路，進而促進SVZ區NSPC增殖[30]。

4 小結

HI是新生兒腦病發生和死亡的重要原因，研究HI后大腦網絡重建過程及神經可塑性重要特點有助于進一步理解疾病發生、發展過程及新生兒神經系統調節機制，為治療HI后損傷提供理論基礎。