內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙在高原腦水腫中的研究進(jìn)展※

薛 燕綜述 王雪婷，朱 俐△審校

(1.南通大學(xué)特種醫(yī)學(xué)研究院低氧生物醫(yī)學(xué)綜合實驗室；2.江蘇省南通衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 226019)

近年來，急性高原暴露對腦健康的影響問題得到廣泛關(guān)注。低壓低氧是高原腦水腫(high-altitude cerebral edema，HACE)的主要致病因素，但其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，還未得到完全闡明。血管內(nèi)皮細(xì)胞位于血管壁的最內(nèi)層，是機(jī)體感應(yīng)微環(huán)境變化的第一道防線，本文就內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙對HACE的影響及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述。

1.血腦屏障對高原腦水腫生成的影響

各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷(如創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)和高海拔疾病等)的主因是血管滲漏導(dǎo)致的腦水腫，而缺氧是誘導(dǎo)腦內(nèi)血管滲漏的重要致病因素[1]。急性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷是致死和致殘的主要原因，其主要機(jī)制為腦水腫的發(fā)展和顱內(nèi)壓的增高[2]。

目前對缺血性與出血性腦卒中引起的腦水腫研究甚多，兩者均伴隨細(xì)胞毒性水腫和血管源性水腫，但二者發(fā)生機(jī)制不盡相同。缺血性卒中患者由于動脈閉塞引發(fā)腦內(nèi)突然缺氧(極度)，造成細(xì)胞內(nèi)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)耗竭，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡、細(xì)胞內(nèi)離子平衡紊亂、細(xì)胞外液和鈉離子過多地流入細(xì)胞，引起星型膠質(zhì)細(xì)胞腫脹，率先引起細(xì)胞毒性水腫。炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)破壞內(nèi)皮細(xì)胞的緊密連接，激活的膠質(zhì)細(xì)胞釋放血管通透性因子和炎癥因子，這些因子促使血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)通透性增加，誘導(dǎo)血管源性水腫發(fā)生[3，4]。出血性腦卒中患者由于腦動脈破裂直接引起血管完整性缺失，初始出血和血管未恢復(fù)完整引起的新出血點(diǎn)可導(dǎo)致血腫擴(kuò)張，引發(fā)BBB破壞，進(jìn)而誘發(fā)血管源性水腫；隨著病情的進(jìn)一步發(fā)展，血液中潛在的神經(jīng)毒性和血管活性化合物進(jìn)入腦組織內(nèi)，通過激活膠質(zhì)細(xì)胞引發(fā)細(xì)胞毒性水腫。出血性腦卒中與缺血性腦卒中主要的區(qū)別在于其腦內(nèi)微環(huán)境中鮮有缺氧的發(fā)生[5，6]。

多種腦損傷的共同特征是BBB的破壞，主要表現(xiàn)為炎癥性損傷以及微血管結(jié)構(gòu)的破壞。腦損傷導(dǎo)致腦水含量增加，引起腦水腫的發(fā)生[7]。HACE患者磁共振成像(MRI)數(shù)據(jù)顯示腦部水腫明顯，胼胝體及白質(zhì)區(qū)域可見微血管出血，并伴隨細(xì)胞毒性水腫和血管源性水腫[8，9]。在低壓低氧暴露初期，一方面，機(jī)體通過擴(kuò)張腦血管、增加通氣量、加快心率等以提高腦血流量，但腦血流量增加可能會引起血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生機(jī)械性損傷；此外，機(jī)體可能通過內(nèi)皮細(xì)胞旁通路和跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，使內(nèi)皮細(xì)胞間連接破壞、BBB的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)增加、內(nèi)皮細(xì)胞通透性增強(qiáng)，最終導(dǎo)致血管源性水腫，繼而誘發(fā)顱內(nèi)高壓。另一方面，由于腦細(xì)胞無氧代謝加強(qiáng)，ATP生成減少，腦細(xì)胞膜鈉泵發(fā)生障礙引發(fā)神經(jīng)元損傷；星形膠質(zhì)細(xì)胞水通道蛋白4(AQP4)表達(dá)顯著上調(diào)，星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹并伴隨炎癥因子的大量釋放引發(fā)細(xì)胞毒性水腫[10，11]。而細(xì)胞毒性水腫造成小膠質(zhì)細(xì)胞激活，進(jìn)一步損傷BBB加重血管源性腦水腫[12]。因此可認(rèn)為，是血管源性水腫及細(xì)胞毒性水腫共同誘發(fā)了HACE。

2.內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙與腦水腫之間的關(guān)系

BBB是介于腦組織和血液之間具有高度選擇性的半透過性屏障，限制和調(diào)節(jié)血液和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的分子、離子和細(xì)胞的交換，通過控制血漿各種溶質(zhì)選擇性地進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)來維持腦微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[13]。內(nèi)皮是BBB的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[14]。血管內(nèi)皮細(xì)胞位于血管壁的最內(nèi)層，是機(jī)體感應(yīng)微環(huán)境變化的第一道防線，通過合成和分泌多種活性物質(zhì)，調(diào)節(jié)血管張力，參與免疫、炎癥反應(yīng)等，在維持血液循環(huán)和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用。內(nèi)皮細(xì)胞主要通過細(xì)胞旁通路和跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)兩個途徑維持功能[15]。細(xì)胞旁通路主要由緊密連接蛋白(Occludin，Claudins，JAM)和鈣粘蛋白(VE-cadherin)等形成的細(xì)胞間緊密連接復(fù)合物構(gòu)成，用于維持細(xì)胞間的聯(lián)系，細(xì)胞內(nèi)則通過α、β、γ-catenins或zona occludin-1蛋白與細(xì)胞骨架肌動蛋白的連接來維持細(xì)胞間的穩(wěn)定性。緊密連接復(fù)合體的完整性的喪失與許多神經(jīng)病理性改變有關(guān)[16]。跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程主要是通過胞吞作用(endocytosis)和胞吐作用(exocytosis)完成大分子與顆粒性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸[17]。可溶性大分子通過質(zhì)膜包被小窩內(nèi)化形成內(nèi)吞泡攝入細(xì)胞內(nèi)，隨后內(nèi)吞泡在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行囊泡分選。早期內(nèi)體(early endosomes，EE)是內(nèi)吞通路的主要分選站，內(nèi)化的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和受體配體復(fù)合物等一部分通過再循環(huán)內(nèi)體(recycling endosomes，RE)循環(huán)回到細(xì)胞膜上，另一部分通過逆運(yùn)蛋白陽性結(jié)構(gòu)(retromer positive structures，RPS)逆行轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體反面管網(wǎng)區(qū)(trans-Golgi network，TGN)，當(dāng)細(xì)胞受到信號刺激時，分泌泡或其他膜泡可與質(zhì)膜融合并將膜泡內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)出細(xì)胞。剩下的EE成熟后轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥趦?nèi)體(late endosomes，LE)，最后在溶酶體(lysosomes)中降解[18，19]。

有研究表明，出現(xiàn)局灶性腦缺血后，發(fā)生內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙的時間早于BBB破壞時間[20]。而內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙是引起血管源性腦水腫的重要因素，血管源性腦水腫又與BBB破壞密切相關(guān)[14]。因此，內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙可能在BBB破壞過程中起著重要的作用。血氧含量發(fā)生改變首先影響血管內(nèi)皮細(xì)胞，缺氧引起的內(nèi)皮細(xì)胞損傷和功能障礙是諸多疾病的始動因素。在內(nèi)皮功能障礙早期，由質(zhì)膜通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的水流量和離子流量增加引發(fā)離子性水腫；繼而血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管緊張素2(Angiotensin 2，Ang-2)和趨化因子2(Chemokine 2，CCL2)信號改變引起跨細(xì)胞通路激活和緊密連接破壞，導(dǎo)致血漿蛋白和水的外滲，引發(fā)血管源性水腫；最后，由于緊密連接完全降解或磺脲類受體1-瞬時受體電位通道M4型(sulfonylurea receptor 1- Transient Receptor Potential Cation Channel Subfamily M Member 4，Sur1-Trpm4)介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞腫脹死亡，導(dǎo)致血管結(jié)構(gòu)崩解，紅細(xì)胞滲漏進(jìn)入腦組織，導(dǎo)致出血性轉(zhuǎn)化。研究數(shù)據(jù)表明，缺氧條件下依賴于基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9，MMP9)-VEGF軸介導(dǎo)的緊密連接重排誘導(dǎo)腦水腫形成。因此，抑制MMP9可作為腦水腫治療策略[21]。已知在腦出血疾病中CCL2在腦損傷誘導(dǎo)和過度炎癥激活中起重要作用，通過抑制CCL2-CCR2-p38 MAPK途徑可有效保護(hù)BBB的完整性[22]。

值得注意的是，單獨(dú)的血管內(nèi)皮細(xì)胞并不能夠建立完整的BBB，很大程度上依賴于與鄰近群體的細(xì)胞間(星形膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞)的相互作用[23]。星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦穩(wěn)態(tài)維持和BBB的病理損傷中起重要作用。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可釋放VEGF、MMP、NO和谷氨酸、內(nèi)皮素等因子促使內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和緊密連接蛋白降解，最終引起B(yǎng)BB破壞[24]。周細(xì)胞是維持BBB完整性、滲透性的重要細(xì)胞。體外共培養(yǎng)實驗表明，與單獨(dú)培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞相比，內(nèi)皮細(xì)胞與周細(xì)胞共培養(yǎng)后，可顯著提高內(nèi)皮細(xì)胞跨細(xì)胞電阻和降低內(nèi)皮細(xì)胞滲透性[25]。激活的小膠質(zhì)細(xì)胞可遷移至受損區(qū)域，釋放IL-1β、TNF-α等促炎因子以及其他潛在的細(xì)胞毒性分子[26]，并通過增強(qiáng)的吞噬功能，致BBB損傷[27，28]。

腦血管內(nèi)皮細(xì)胞不僅在結(jié)構(gòu)上是BBB的主要組成部分，而且在功能上也是神經(jīng)血管單元活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在腦缺血、缺氧或顱腦外傷中，緊密連接蛋白功能障礙引起B(yǎng)BB損傷的一些機(jī)制已被證實[29]。一些研究表明，腦卒中早期，跨細(xì)胞囊泡增多似乎發(fā)生在緊密連接功能改變前。跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的增加與內(nèi)皮細(xì)胞中細(xì)胞膜穴樣凹陷的增加密切相關(guān)[30]。細(xì)胞膜穴樣凹陷可介導(dǎo)各種細(xì)胞因子和蛋白質(zhì)進(jìn)入大腦誘發(fā)腦水腫。BBB損傷是HACE發(fā)生的關(guān)鍵因素。目前的研究證據(jù)不足以確定內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙在HACE發(fā)病進(jìn)程中的地位，后續(xù)研究若能明確二者之間的聯(lián)系，將會有較高的臨床應(yīng)用價值。

3.展望

HACE 的發(fā)病機(jī)制是一個復(fù)雜的病理過程，目前仍不完全清楚。高原低壓低氧對內(nèi)皮細(xì)胞功能和結(jié)構(gòu)的影響迄今仍未闡明。通過內(nèi)皮功能檢測，并尋找早期內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙的標(biāo)記物，將有助于發(fā)現(xiàn)HACE的高危人群。內(nèi)皮功能檢測與評價可能為預(yù)防、診斷和及時救治HACE尋找到一些新的途徑。