腦缺血后處理的腦機制及治療進展

杜守云 楊榮紅 李國棟 王緒山 陸榮柱 蔡增林

(1.灌云縣人民醫院 江蘇·連云港 222200； 2.江蘇大學醫學院 江蘇·鎮江 212013；3.南京醫科大學附屬蘇州科技城醫院 江蘇·蘇州 215153）

1 概述

線粒體的凋亡和壞死途徑是腦缺血中腦組織損傷的主要原因，缺血性中風會引起氧化應激和線粒體腫脹，從而導致Na+/K+泵功能障礙以及細胞鈣穩態破壞。中風后，腦組織中的氧化應激會立即刺激線粒體ROS的產生和胞質NADPH的產生，從而破壞脂質、蛋白質和DNA等細胞大分子，這些過高的細胞內ROS水平在幾種神經退行性疾病中也顯示出它們的病理生理效應。缺血性中風的亞硝化應激也觸發蛋白質錯誤折疊和線粒體成分聚集，從而導致多種神經退行性疾病，衰老甚至癌癥。

低氧誘導因子（HIF）是氧調節的轉錄因子，在低氧感測和適應中起重要作用。它們作為對缺氧水平的反應至關重要的效應器，HIF-1的表達以及線粒體ROS的生成可由缺血性氧化應激而上調。在缺氧狀態下，HIF-1可以通過線粒體中復合物III積累從而升高ROS水平，其機制是脯氨酰羥化酶（PHD）酶催化位點中非血紅素鐵的氧化失活，HIF-1在神經元細胞中的蓄積具有保護作用，而內皮HIF-1的誘導與血腦屏障（BBB）的破壞有關。重要的是，缺氧驅動的ROS激活NF-kB和其他轉錄因子，例如NRF2，它們在調節抗氧化劑防御相關蛋白質的轉錄中起著至關重要的作用。 ROS還可以激活MAPK途徑，導致VEGF表達增加，VEGF及其受體VEGF-R1和R2的表達增加也歸因于ROS對HIF-1的激活，并且在提高細胞存活率中具有基本作用。ROS還激活其他細胞內信號傳導途徑，包括MAPK、NF-kB和MMP的上游。

2 腦缺血中涉及的信號通路

2.1 ROS信號通路

低水平的ROS在正常的生理信號和代謝途徑中起重要作用，但是在腦缺血后，會發生多種有害過程，例如氧化產物的過量生產，解毒系統失活和抗氧化劑的消耗，從而導致線粒體功能障礙。此外，由于興奮性毒性引起的鈣和ROS的積累破壞了腦組織的天然抗氧化防御能力，各種基因表達也通過基于各種信號通路的轉錄因子的參與而被調節。所有這些事件均協同作用，破壞細胞蛋白、脂質和DNA，從而破壞細胞結構，并通過壞死、凋亡或兩者兼而有之途徑來誘導細胞死亡，并且還通過改變靶分子的功能、損害器官的功能而導致許多病理。

2.2 HIF-1信號通路

HIF-1，一種二聚體蛋白復合物，與缺氧時的血管生成有關。在缺血狀態下，HIF-1發揮雙重作用，這取決于其靶蛋白在某些特定類型的腦細胞中的各種功能。它具有兩個亞基：HIF-1和HIF-1，后者對氧張力情況不敏感，并且以本構關系表達。HIF-1是連續合成的，在正常的細胞氧張力下會降解。在缺氧情況下，HIF-1降解受到抑制，因此，它迅速積累并與缺氧反應元件（HRE）結合，從而激活其靶基因，在局部缺血的大腦中具有神經保護作用。在缺血性腦缺氧區域，HIF-1是通過誘導多種糖酵解酶和葡萄糖轉運蛋白來協調從有氧代謝到無氧代謝的主要基因。HIF-1調節葡萄糖轉運蛋白3（GLUT3）的表達，葡萄糖轉運蛋白3是神經元中葡萄糖的主要轉運蛋白。

HIF-1在腦缺血中的表達與細胞ROS水平相關，但是，最近的研究表明，ROS水平升高導致HIF-1表達降低，當然也有其他研究表明其沒有作用。在缺氧條件下，線粒體復合物III產生穩定HIF-1的ROS，但是在細胞質中，ROS可能源自NADPH氧化酶，在缺氧條件下，ROS對HIF-1表達的影響比缺氧更為重要。ROS和HIF-1在腦缺血中關系的復雜性主要歸因于線粒體 O2代謝產生的ROS種類繁多，以及它們的生物學特性如化學性質、反應性、特異性和半衰期[1]。

2.3 CK2信號傳導通路

酪蛋白激酶2（CK2）是一種重要的致癌激酶，在腦缺血中ROS的形成中起關鍵作用，它通過Rec1調節抑制NADPH氧化酶（NOX）作為神經保護劑，從大鼠局灶性缺血的觀察表明，抑制缺血區域中的CK2會導致PARP-1積累，從而導致線粒體釋放細胞色素C和AIF，從而激活一系列凋亡事件。最近的報道還顯示 CK2直接磷酸化JAK以及STAT3,促進SOD2轉錄以降低ROS。此外，CK2通過磷酸化激活HIF-1和NF-kB，以生產VEGF和其他血管生成蛋白以及從缺氧狀態改變所需的其他血管生成蛋白。

2.4 EGFR信號通路

許多報道描述了在缺血和再灌注條件下EGFR通路的過度激活，其中通過磷酸化作用的EGFR反式激活導致AKT激活，AKT通過調節forkhead轉錄因子（FKHR）和糖原合酶激酶3（GSK3）從而在神經保護中發揮最重要的作用。BAD或caspase-9或其他凋亡成分有助于避免細胞凋亡。也有報道說，由缺血性ROS激活的AKT為低溫調節ROS的產生提供了低溫條件，AKT抑制Raf使ERK1/2在缺血狀態下被激活，但在再灌注時情況相反。

2.5 TGF-信號通路

TGF-是在腦缺血中高表達的細胞因子介導的因子之一，它主要調節凋亡蛋白（Bad）和抗凋亡蛋白（Bcl-2，Bclx1）的表達，還通過反激活ERK1/2而與MAPK通路發生交叉對話進行神經保護。最近的研究表明，TGF-1通過上調1型纖溶酶原激活物抑制劑（PAI-1）使神經元免于興奮性毒性，從而消除了t-PA增強的NMDA誘導的缺血性神經元死亡。

2.6 NF-kB信號通路

NF-kB通路在腦缺血中起重要作用，ROS激活的NF-kB 調節 Bim 和 Noxa、TNF、IL-1，IL-6、iNOS、ICAM-1 和MMP9、胞質磷脂酶A2、COX-2和微粒體前列腺素E合酶1，它也可以直接調節HIF-1，所有這些下游因素都可能導致細胞凋亡、細胞損傷或者以復雜的方式促進細胞存活。

2.7 鈣信號通路

腦缺血中另一個最重要的途徑是鈣信號傳導，通常Ca2+信號通過扮演次級信使的作用于細胞間的通訊和生存，但Ca2+在缺血區域的超載會導致鈣蛋白酶介導的鈉鈣交換劑（NCX）的抑制以及caspase和Ca2+依賴的核酸內切酶激活導致細胞凋亡，它還通過鈣調蛋白-NOS途徑有助于一氧化氮（NO）的產生，過量的NO可能與其他ROS結合生成過氧亞硝酸鹽（ONOO-），對蛋白質、膜脂質和DNA造成損害。

3 腦缺血的治療進展

3.1 基于抗氧化和降低ROS的治療策略

在正常的腦組織中，在生理過程中會不斷產生ROS，然而這些可以通過抗氧化劑攜帶的內源防御機制進行調節。缺血性損傷后，自由基的生成迅速增多，并在內源性抗氧化劑系統中引起氧化還原不平衡。在這種情況下，降解系統抑制，氧化劑過量生產，缺血后ROS水平的增加會引起明顯的氧化激，并導致神經元損傷，因而自由基成為重要的治療靶標，許多研究集中在評估抗氧化劑的修復作用上。抗氧化劑通過三種主要途徑起作用：（1）抑制自由基產生；（2）清除所產生的自由基；（3）加速自由基的降解，聚焦于內源性抗氧化劑的上調或外源性抗氧化劑的應用。

3.1.1 抑制自由基產生

在這種方法中，疾病狀態下ROS產生的主要來源是某些引起ROS產生特定酶的抑制劑。缺血再灌注損傷中ROS產生的一個基本來源是NADPH氧化酶（NOXs）,在腦卒中的嚙齒類動物模型中，再灌注前使用抑制NADPH氧化酶復合物的抑制劑載脂蛋白Apocynin已顯示缺血面積的減少。

黃嘌呤氧化酶（XO）是與氧化還原信號通路相關的另一種蛋白質，并且是缺血損傷過程中ROS的重要來源。抑制 XO是治療缺血的另一種潛在的方法。別嘌醇是一種通常使用的XO抑制劑，可降低尿酸水平并降低超氧陰離子水平，這種藥物的初步試驗很有希望，與安慰劑相比，在用別嘌呤醇治療的患者中，可以改善血管炎性指數。

3.1.2 清除產生的自由基

盡管臨床前的臨床試驗令人大失所望，但某些化合物能夠清除缺血性中風中產生的自由基。在Tirilazad的臨床試驗中，在局灶性缺血之前對660名患者給藥，顯示出最大的療效，但從缺血發作后的給藥時間中觀察到的效果下降。另一種有前途的藥物是NXY-059，但在4000名患者的臨床試驗中未能顯示出臨床療效。從不同的報道中可以明顯看出，NXY-pre059具有神經保護作用，可在嚙齒動物和非人類靈長類動物的不同中風模型中引起神經功能恢復。依達拉奉（Radicava）是另一種自由基清除劑，被日本臨床醫生廣泛用于治療梗塞。依達拉奉的療效尚不清楚，但是已知它可以清除過氧化物、羥基和超氧化物自由基。

3.1.3 促進自由基降解

抗氧化劑超氧化物歧化酶（SOD）水平的升高與病灶進展中的ROS有關可以通過針對SOD來降低氧化應激。SOD的整體功效是由其將O2-轉化為反應性較低的H2O2的催化活性而引起的。顯然，過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）有助于消除H2O2的副產物。當腺病毒載體過表達CAT并用PEP-1-CAT融合蛋白轉導證明其具有神經保護能力時，可以看出CAT對缺血性損傷的體外療效。

Ebselen是谷胱甘肽過氧化物酶樣活性的抑制劑，可與ONOO-反應并隨后清除它。另一種新的抗氧化劑方法是在缺血后或缺血期間吸入氣體，在短暫腦局部缺血模型中，使用吸入氫氣來選擇性還原羥基自由基會產生有益的效果。除此之外，在多項研究中已證明常壓氧氣（NBO）可減少局灶性缺血的嚙齒動物模型中的梗塞體積和神經功能缺損。此外，在嚙齒類動物缺血性損傷后，采用NBO和乙醇的聯合療法被證明具有神經保護作用。

治療缺血性損傷的另一種方法是誘導天然細胞保護分子NO，它是由內皮NO合酶（eNOS）、誘導型NO合酶（iNOS）或神經元NO合酶（nNOS）產生的血管活性分子。它是一種短暫的，高反應性的中間體，因其在生理和病理狀態下對腦血管循環的貢獻而受到關注。從最近的一項研究中可以明顯看出，在嚙齒動物中風模型中，吸入NO可以顯著減少缺血性腦損傷并改善神經功能。氣態處理有幾個優點，因為它可以快速滲透生物膜并擴散到細胞質、線粒體和細胞核中[1]。

Lubeluzole可通過抑制谷氨酸介導的一氧化氮合酶途徑而導致 NO含量降低，并隨后在缺氧細胞中產生ONOO-，但一項針對超過1700例患者的大型臨床研究在魯貝盧唑組或安慰劑組之間未觀察到明顯的差異。因此，現在仍需要尋找一種更為顯著的治療方式。

3.2 再灌注療法

當缺血期間缺氧后血液供應返回組織時，就會發生再灌注損傷。在局部缺血期間由于血液的阻塞而缺乏氧氣和營養供應減少，在這種狀況下，循環的恢復會導致炎癥和氧化損傷，并誘發氧化應激。盡管再灌注對于保護腦組織至關重要，但也會導致繼發性損傷，通常會導致癲癇發作。腦再灌注綜合征表現為同側頭痛、對側神經功能缺損、腦出血（ICH）的三聯征和癲癇發作。癥狀的出現可能是從恢復血流后立即開始直到恢復后的一個月。與未接受急性治療的患者相比，接受靜脈內纖溶酶原激活劑再灌注治療和動脈內治療的急性中風患者發生癲癇的風險更大。

4 總結

總之，本綜述說明了我們目前對腦缺血性中風的認識，其原因在與線粒體功能障礙有關的多種信號網絡的參與，包括由ROS誘導的HIF1、NF-B、Stat3和其他信號通路，進而可以調節腦缺血下ROS的產生。從分子的角度來看，轉錄因子HIF1、Stat3和NF-kB在這種情況下可被視為主要調控因子。阿司匹林和鏈激酶抑制劑等聯合治療策略可能會產生不良后果，因此應在臨床前使用適應仔細研究，抗血小板藥物具有通過多種機制降低血小板活性的能力，它們的生物學活性遠遠超出血小板，包括對全身其他細胞的影響。急性腦缺血的治療取決于對這些藥物對腦血管和腦實質內，特別是對腦血流、血腦屏障和神經元細胞活性的清楚了解，以尋找最有益的藥物將使腦缺血中的腦損傷降至最低。