手術致腦損傷的基礎研究進展

鄭凇楊 劉婷婷 孫芳玲 鄭文榮 祝自新 鄭瑞芳 邢建國 王 文,,4

1.首都醫科大學宣武醫院實驗動物室，北京 100053；2.北京市老年病醫療研究中心，北京 100053；3.新疆維吾爾自治區藥物研究所，新疆烏魯木齊 830002；4.北京市腦重大疾病研究院，北京 100069

神經外科手術是腦出血、腦腫瘤等疾病的重要治療方法，其本身是一種創傷性的治療方法，會對腦組織造成不可避免的腦損傷。這種特殊的腦損傷影響到手術病灶周邊功能正常的腦組織，被稱為手術致腦損傷（surgically-induced brain injury，SBI）。SBI 的原因是多方面的，包括手術對皮層的切割[1]，對腦組織的牽拉作用[2]、術中出血[3]和熱損傷等，這將引起不同程度的腦損傷與術后并發癥，如血腦屏障（blood brain barrier，BBB）破壞、腦水腫等[4-5]。這些術后并發癥是影響手術預后的重要原因，目前針對于防治SBI 相關的干預措施及神經保護方法有待進一步完善。因此，與SBI相關的基礎研究應當引起重視。近年來，隨著SBI 動物模型的優化，SBI 的發病機制和潛在治療靶點的基礎研究也有所進展。本文回顧了近年相關文獻，綜述了SBI 的動物模型，與SBI 相關的分子機制和現有的治療方法，如生物材料植入和免疫耐受誘導等，以期為SBI 的臨床治療和基礎研究提供理論依據。

1 SBI 的動物模型

SBI 動物模型是以切除大腦右側額葉區域的部分腦組織，模擬臨床上的神經外科手術。模型動物主要是嚙齒動物，最常用的是成年雄性Sprague-Dawley大鼠（體重280～350 g）。另外，C57BL/6 小鼠（體重20～25 g）也被用于建立SBI 的動物模型，其優勢在于建立轉基因動物模型[6]。

目前，Jadhav 等[7-8]構建的SBI 大鼠模型方法最為常見，即大鼠麻醉、固定后，沿中線切開皮膚和結締組織，暴露出右額骨的骨膜，并確定矢狀縫、冠狀縫和前囟的位置。標記手術操作區域后，鉆開邊長4～6 mm的正方形骨窗，以大鼠的前囟作為正方形骨窗的左下角，于矢狀線右側2 mm、冠狀線前1 mm 處，沿矢狀面和冠狀面做2 個切口，切斷右側額葉組織，切口深度至顱底。切除后需監測切除腔出血情況，確認止血后，閉合傷口。將硬腦膜、額骨及結締組織歸回原位，縫合皮膚。術中需監控動物的生命體征和體溫。另外，Lo 等[9]構建了與上述方法相似的SBI 小鼠模型，該方法以小鼠前囟為界標，于矢狀線右側2 mm、冠狀線前1 mm 處做切口，切口深度至顱底。小鼠模型易于建立SBI 的轉基因動物模型，其有助于對SBI 相關分子機制的研究。此外，Huang 等[10-11]的研究中，為了觀察大鼠SBI 后神經功能缺損的情況，以大鼠前囟為界標，于矢狀線右側1～5 mm 處、冠狀線前1～4 mm 處切開，切口深度3 mm，切除4 mm×3 mm×3 mm 大小的右側額葉組織。其與Jadhav 等[7-8]的建模方法相比，手術切除區域的定位、深度和范圍不同，使該區域的神經功能受損，如運動、平衡等，該方法有助于SBI 后神經功能修復的研究。

2 SBI 相關分子機制

SBI 能夠導致局部腦水腫和BBB 紊亂，損傷后的腦組織發生神經元死亡、凋亡、炎癥和氧化應激等繼發性病變[9,12]。因此，參與上述病變的相關分子機制尤為重要，其將為SBI 防治方法的研發提供理論支持。

基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），是一種鋅蛋白酶，參與組織的重塑和修復[13]。MMP-2（明膠酶A）和MMP-9（明膠酶B），也稱作Ⅳ型膠原酶，其能夠降解BBB 的基底膜和緊密連接蛋白，從而破壞BBB[13]。Yamaguchi 等[14]利用SBI 大鼠模型，發現MMP-2 和MMP-9 的上調能夠加劇BBB 的破壞和腦水腫的發展。反之，抑制MMP-2、MMP-9 的活性能夠減輕腦水腫，保護BBB。因此，MMP 抑制劑（如MMP抑制劑-1）可能對SBI 導致的腦水腫具有潛在的治療價值。

環氧酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）是一種限速酶，能夠催化損傷部位前列腺素的合成。COX-2 是介導炎癥反應的關鍵物質，參與興奮性毒性腦損傷、腦缺血和神經退行性疾病的病理改變[15]。前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）是COX-2 催化花生四烯酸轉化產生的內源性信號分子，具有神經毒性[16]，能夠破壞BBB。Wang 等[17]研究發現PGE2與G 蛋白偶聯受體EP1 結合，能夠增加外周微血管內皮細胞的通透性，引發大面積的腦水腫。他們認為EP1 可能參與了興奮性毒性所致的細胞死亡機制，并且該炎癥級聯反應中的下游信號通路可能是更安全的治療靶點。

磷脂酶2（phospholipase 2，PLA2）是蛇毒液中含有的一種強效神經毒素[18-19]。Kim 等[20]和Wang 等[17,21]的研究，對SBI 大鼠預注射3 d 亞致死量的蛇毒液，發現蛇毒液能夠激活與PLA2 相關的多靶點炎癥通路，如PLA2/COX-2/PGE2 通路、PLA2/5-脂氧合酶/白三烯B4 通路等，其激活機體的內源性抗炎反應，使機體提前對SBI 產生的大規模炎癥損傷做好準備，從而減輕SBI 導致的神經炎癥，改善預后。因此，PLA2 可能成為減輕術后腦水腫和改善術后神經功能的一種潛在治療靶點。

犬尿氨酸（kynurenine，KYN）是一種色氨酸的代謝產物，其存在于星形膠質細胞和小膠質細胞中，經過犬尿氨酸-酮戊二酸氨基轉移酶和犬尿氨酸3-單加氧酶（kynurenine 3-monooxygenase，KMO）的催化，代謝產生犬尿喹啉酸和喹啉酸（quinolinic acid，QUIN）[22]。SBI 后，多種細胞因子和炎癥機制被激活[17,23]，間接刺激KMO 活化，促進下游神經毒性QUIN 的產生。Zakhary 等[22]利用SBI 大鼠，發現KYN 通路參與了SBI 的損傷機制，KMO 活化和QUIN 表達的增加可能導致手術周圍組織損傷。并且，該研究首次在SBI 大鼠模型中發現KMO 的選擇性抑制劑RO 61-8048 能夠減輕術后腦水腫，降低神經元凋亡水平，改善SBI術后的長期神經功能。由于KYN 通路主要在受損或變性的組織中被激活[24]，因此針對該通路的特異性治療方法在治療SBI 后腦水腫和改善神經功能方面可能更具優勢。

3 SBI 的治療方法

目前，臨床上采取常規術中干預措施[25-26]和術后應用神經保護治療藥物[27-28]以減輕SBI 產生的術后并發癥，如麻醉中應用吸入性神經保護劑、亞低溫療法和術后應用脫水劑等。然而，針對SBI 的特異性治療方法仍處于研究階段。

生物材料是近年對SBI 腦組織再生修復和改善神經功能的新興研究領域。由于腦組織受損區域的細胞和分子環境復雜，組織結構缺乏連續性，腦組織細胞間無法粘連，其再生修復較為困難。Zhong 等[29]提出，將生物支架植入病變腔內，能夠為細胞浸潤、軸突生長及再生提供支撐。膠原-糖胺聚糖（collagen-glycosaminoglycan，CG）基質是一種生物材料，由牛深屈肌腱制成的半合成膠原基質，具有優良的力學性能。早期的報道顯示[10,30]，CG 基質能夠調節細胞的黏附、生長和分化等，并提供結構支持。植入CG 基質可能促進SBI 后的神經、血管的發生和功能恢復。Chen 等[31]利用SBI 大鼠模型，將CG 注入手術創傷形成的病灶腔內，觀察SBI 后組織中小膠質細胞的活化程度和髓過氧化物酶、炎癥因子和抗炎因子水平的變化。結果發現，CG 基質能夠明顯降低小膠質細胞活化程度和髓過氧化物酶水平，組織中炎癥因子腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6 和核因子κB 的水平顯著下降。反之，抗炎因子白細胞介素-10 和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子水平顯著升高。這表明，CG 基質能夠通過減輕SBI 后的神經炎癥和抑制小膠質細胞的激活發揮神經保護作用，但其機制尚未完全闡明，仍需進一步的研究。

神經外科手術后，由于BBB 破壞，大量的腦抗原進入血液，刺激機體產生大量腦抗體，激活免疫系統產生繼發性炎癥反應，從而加劇腦水腫和神經元死亡[32]。目前臨床上治療繼發性炎癥反應較為新穎的方式是針對抗原誘導特異性的免疫耐受[33]。髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）是在中樞神經系統中僅次于蛋白脂蛋白之后含量第二豐富的蛋白質[34]。姚斌等[35]在大鼠胸腺內注射MBP 誘導免疫耐受，發現其能夠減輕SBI 引起的神經功能缺陷和腦水腫，并且能夠降低炎癥反應發生的概率。另外，Tian 等[36]提出利用免疫原性納米材料包裹腦抗原MBP，控制納米粒的大小適應肝庫普佛細胞吞噬作用的范圍，并采用與肝細胞親和力高的包衣材料包裹抗原，經外周靜脈輸注來誘導免疫耐受。該方法已在大鼠模型中得到了驗證，并且證實腦抗原的免疫耐受可以通過外周靜脈輸注來實現，這進一步優化了誘導免疫耐受的輸注途徑，為臨床提供了更為方便的操作方法，并且能夠強化MBP 誘導免疫耐受在治療SBI 后的繼發性炎癥和發揮神經保護作用的效果。

5 小結與展望

本文綜述了近年來國內外對SBI 的基礎研究進展，包括SBI 的動物模型、相關分子機制和現有SBI的治療方法。目前常用SBI 動物模型的制備思路主要是切除部分右側額葉腦組織，模擬神經外科手術對腦組織造成的損傷，以體現SBI 多種術后并發癥，如BBB 破壞、腦水腫、神經元死亡等。如何進一步建立完美的SBI 動物模型，提高對臨床神經外科手術及術后并發癥的模擬程度，需要更深入的探索。這將有助于進一步揭示SBI 的發病機制和病理生理學變化，也為臨床診療工作中SBI 防治方法的應用與開發提供了基礎。