脊髓缺血再灌注的機制及防治研究進展

馮玉濤，嚴冬雪

（桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院脊柱骨病外科，廣西 桂林 541000 ）

0 引言

脊髓缺血再灌注損傷(spinal cord ischemia-reperfusion injury, SCII)是原發(fā)的脊髓損傷的繼發(fā)傷害，表現(xiàn)為缺血脊髓組織損傷后恢復(fù)血液灌注，脊髓組織的損傷反而加重，可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)并發(fā)癥[1]。而脊髓損傷的首要原因為交通事故，占到46.9%。其次是工傷事故，占到33. 1% ，其他損傷包括運動失誤、生活中的損傷、火器傷及銳器傷等[2]。Mccord[3]于1985 年正式提出了缺血再灌注損傷的概念，其發(fā)病機制涉及眾多、過程錯綜復(fù)雜，長年以來受到許多臨床醫(yī)生及基礎(chǔ)研究工作者的廣泛重視，但脊髓損傷后進行性缺血的確切機制還不清楚,一般認為既有全身性因素也有局部因素，治療方法也是多種多樣，但最終還是以對癥處理為主，本文就如何有效預(yù)防SCII 的治療進行闡述。

1 SCII 發(fā)病機制

SCII 發(fā)生及進展的病理生理過程非常復(fù)雜，其發(fā)病機制也是眾說紛紜。現(xiàn)在普遍認為損傷過程涉及多個不同環(huán)節(jié)、多個途徑相互作用的結(jié)果，但是其發(fā)病機制還是主要集中在以下幾個方面。

1.1 脊髓損傷后局部離子濃度變化

大多數(shù)生物信息傳導(dǎo)依賴于離子或電壓門控通道，研究表明，SCI 后局部離子濃度出現(xiàn)改變，其中主要與 Na+ 和 K+ 密切相關(guān)。研究認為Ca2+超載是神經(jīng)細胞損傷的主要通路, 近年來已被許多研究證實與SCII 的關(guān)系密切。LoPachin 等[4]認為軸突內(nèi)Na+的增加以及K +的喪失和軸突去極化。這些條件有利于Na+和Ca2+的交換，其促進破壞性軸突外Ca2+的進入和隨后的Ca2+介導(dǎo)的軸突變性。脊髓缺血缺氧后大量 Ca2 +通過鈉鈣逆向交換 、電壓依賴型 Ca2+通道內(nèi)流、AMPA 受體通道,隨后細胞內(nèi)的Ca2+濃度上升。線粒體內(nèi)的含磷酸根的化合物與超載的Ca2+相結(jié)合，形成不溶性磷酸鈣，導(dǎo)致線粒體功能障礙，從而影響ATP 的生成，進而導(dǎo)致神經(jīng)細胞凋亡。

1.2 氧自由基介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化作用

人體內(nèi)存在少量活性氧自由基可完成正常生理功能，而過多的氧自由基則會對組織造成損傷，尤其是脂質(zhì)含量豐富的脊髓和大腦。Peasley[5]研究在發(fā)生自由基和脂質(zhì)過氧化情況下，丙烯醛可能在細胞破壞和功能喪失中發(fā)揮關(guān)鍵作用。缺血時ATP 分解產(chǎn)生ADP、AMP 和次黃嘌呤,再灌注發(fā)生時大量氧氣及血液進入組織,氧氣接受電子,使得次黃嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤時產(chǎn)生大量氧自由基。產(chǎn)生的氧自由基則會損傷神經(jīng)細胞，導(dǎo)致細胞膜受體及離子通道等脂質(zhì)微環(huán)境發(fā)生變化,生物膜損傷后,細胞通透性改變,會使Ca2+超載加重，隨后引發(fā)一系列生理反應(yīng)。從而說明氧自由基和脂質(zhì)過氧化在SCII 細胞破壞及功能下降中起重要作用。

1.3 炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)在SCII 過程中起著重要作用。在缺血-再灌注期間，損傷部位釋放大量的炎性細胞和趨化因子，包括炎性介質(zhì)（TNF、IL-6、IL8）、趨化因子(CXCL1、CXCL12)、細胞間粘附分子(intercellular adhesion molecule)、興奮氨基酸、補體、一氧化氮、蛋白酶等。有研究已經(jīng)證實 SCI 中存在早期及遲發(fā)性炎癥反應(yīng)[6]。Chikawa 等[8]研究發(fā)現(xiàn)SCII 運動神經(jīng)元的損傷程度與 IL-1β 與TNFα 的mRNA 表達有關(guān)，并且能夠誘導(dǎo)ICAM-1 的表達放大炎癥級聯(lián)繼而加重細胞損傷。總之，多因素炎癥過程是脊髓損傷后繼發(fā)性損傷的驅(qū)動力。炎癥引起的有害作用是非常復(fù)雜的，其機制已被不完全表征。這種炎性介質(zhì)可放大氧化應(yīng)激、促炎細胞因子和趨化因子、NO 系統(tǒng)紊亂、補體級聯(lián)刺激和內(nèi)皮屏障功能受損，最終導(dǎo)致軸突和神經(jīng)變性。總的來說，炎癥程度與SCI 患者的嚴重程度和功能下降有關(guān)[7]。

1.4 興奮性氨基酸

谷氨酸是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的主要興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，是神經(jīng)發(fā)育、突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶的重要神經(jīng)遞質(zhì) 生理條件下的[9]。興奮性氨基酸通過稱為谷氨酸受體的一系列受體發(fā)揮作用，當神經(jīng)細胞發(fā)生缺血時，細胞提供的能量降低，其作用可以直接抑制谷氨酸轉(zhuǎn)運體的功能，使得谷氨酸堆積，激活谷氨酸受體；另外由于過度激活谷氨酸受體，導(dǎo)致細胞內(nèi)外NA+、CA2+穩(wěn)態(tài)失衡，使得谷氨酸轉(zhuǎn)運功能反轉(zhuǎn)，加重谷氨酸超載[10]。細胞間隙堆積過多谷氨酸使谷氨酸受體超過度激活，引起神經(jīng)細胞內(nèi)Ca2+超載、NO 生 成 增 多等 級 聯(lián) 式 毒性 反 應(yīng)，最終損傷細胞[11]。

1.5 細胞的凋亡

細胞凋亡在發(fā)生脊髓缺血再灌注的過程中起到重要作用。有研究表明細胞發(fā)生缺血時，運動神經(jīng)元細胞延遲性和選擇性死亡是凋亡而非壞死，并推測其危害堪比細胞壞死[12]。SCII 后有一系列基因誘導(dǎo)表達,目前發(fā)現(xiàn)主要的抗凋亡基因包括 Bcl-2,熱休克蛋白 (heatshockproteins, HSPs),血色素氧合(hemeoxygenase, HO)， 腫瘤壞死因子(TNF)等。其中熱休克蛋白(heat shock proteins, HSPs)是機體受到應(yīng)激后保護細胞或組織,使其免受進一步傷害的重要分子之一,在脊髓損傷后表達升高,并通過促進血管生成、抑制炎癥反應(yīng)、抑制神經(jīng)元凋亡、抗氧化應(yīng)激等作用減緩脊髓損傷的進一步加重[13]。自噬是一個高度保守的自我消化過程，這是維持穩(wěn)態(tài)和生存能力的關(guān)鍵，以應(yīng)對營養(yǎng)饑餓，并通過自噬體-溶酶體途徑回收受損的細胞器、蛋白質(zhì)、衰老細胞及有毒物質(zhì)[14]。細胞凋亡和自噬同時存在于SCII 過程中，清除損傷的細胞及降解細胞內(nèi)分子，共同維持內(nèi)壞境穩(wěn)態(tài)。

1.6 血 -脊髓屏障通透性改變

血脊髓屏障(BSCB)是調(diào)節(jié)血管與脊髓實質(zhì)之間分子運動的保護屏障。類似于血腦屏障在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定性方面，BSCB 起著至關(guān)重要的作用[15]。基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是一個細胞外鋅和鈣依賴性內(nèi)肽酶家族，可降解細胞外基質(zhì)(ECM)和其他細胞外蛋白[16]。MMPs是誘導(dǎo)BSCB 通透性增加的一個重要因素，其中MMPs 的過度蛋白水解活性可能是有害的，并引起許多病理條件，使BSCB 破壞并導(dǎo)致通透性增加。MMP-9 是SCI 早期發(fā)病機制的重要介質(zhì)，可導(dǎo)致血管通透性和炎癥異常，而MMP 在早期損傷被阻斷可減輕血管受損，改善運動恢復(fù)[17]。

2 SCII 的防治

SCII 的預(yù)防及治療方法，主要是針對其發(fā)病機制，減少有害環(huán)節(jié)及物質(zhì)的生成，增強保護因素并提高組織對缺血缺氧的耐受能力[18]。本文主要總結(jié)以下幾種近年來常見治療方法的機制和療效。

2.1 激素及神經(jīng)營養(yǎng)藥物

以MP 為代表的糖皮質(zhì)激素在臨床上較為常用， 經(jīng)常用于治療急性脊髓損傷，有證據(jù)表明在全國急性脊髓損傷調(diào)查(NASCIS)II 和NASCIS III 研究中MP 顯示了其益處，然而這些發(fā)現(xiàn)沒有在其他研究中被證實，并且MP 的使用正變得越來越有爭議[19]。NASCIS 研究建議使用高劑量MP 治療(負荷劑量為30mg/kg 重量和維持劑量為5.4mg/kg/h)，可使熱休克蛋白高表達。小劑量治療則是于手術(shù)前及手術(shù)后予小劑量地塞米松可減少炎癥介質(zhì)釋放。雖然近年來有學(xué)者對大劑量激素沖擊療法的有效性及副作用提出質(zhì)疑，但臨床對于MP預(yù)防和治療SCII 作用目前仍被認可并廣泛使用。神經(jīng)營養(yǎng)藥物常用的有神經(jīng)節(jié)苷脂（GM-1）及各種神經(jīng)神經(jīng)生長因子， GM1 對caspase-3 和NGF 的表達有明顯的影響，能夠下調(diào)caspase-3 的表達，上調(diào)NGF 的表達，其中神經(jīng)節(jié)苷脂具有抗炎和抗凋亡作用，從而達到達到其對SCI 的治療效果[20]。大量文獻報道神經(jīng)節(jié)苷脂具有神經(jīng)保護和促進神經(jīng)損傷修復(fù)的作用。Caspase-3 是一種凋亡因子，NGF 是一種神經(jīng)生長因子，caspase-3 和NGF 在各種疾病中起著重要作用。神經(jīng)節(jié)苷脂是糖磷脂含有唾液酸。

2.2 低溫治療

亞低溫治療作為重型顱腦損傷的治療手段之一起自80 年代中后期, 低溫可分為4 種不同水平: 輕度低溫（32℃～35℃），也稱淺低溫；中度低溫（28℃～32℃);深 低 溫（17℃～ 27℃）;超深低溫（2℃～16℃）,前兩者合稱亞低溫[21]。近年來, 大量動物研究以及臨床試驗表明, 亞低溫治療在腦卒中治療中有明顯的神經(jīng)保護作用。研究發(fā)現(xiàn)預(yù)防性亞低溫保留了后肢運動功能，減少了灰質(zhì)和白質(zhì)的神經(jīng)元死亡和星形膠質(zhì)細胞增生輕度低溫（35℃）即可有效減輕兔脊髓缺血性損傷，提高雙下肢神經(jīng)功能評分，以證明亞低溫對預(yù)防缺血再灌注有一定的療效[22]。低溫處理可降低能量的產(chǎn)生以及酶活性,抑制炎性介質(zhì)的釋放,減少Ca2+超載,減輕神經(jīng)細胞損傷, 從而起到對脊髓的保護作用。

2.3 高壓氧治療

HBO 通過幾種機制發(fā)揮作用， 第一種可能的機制可能是HBO 通過改善氧氣輸送到血流減少的區(qū)域來對抗缺氧和減少SCII 的發(fā)生。其二，通過減少缺氧缺血，HBO 減少缺氧引起的所有病理事件，包括組織水腫、細胞通透性增加、組織缺血所致紊亂代謝和炎癥。第三，HBO 可能直接影響對氧或缺氧敏感的細胞凋亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達。HBO 不僅通過血液攜帶，而且還通過間質(zhì)組織的擴散提供細胞水平的氧氣庫，在這些組織中，氧氣濃度可能會持續(xù)幾個小時， 改善內(nèi)皮功能和流變學(xué)，減少局部炎癥和水腫[23]。

2.4 缺血預(yù)處理

缺血預(yù)處理是短暫阻斷缺血耐受能力強的組織或臟器血流,以減輕遠端組織或臟器之后更嚴重的再灌注損傷。細胞外谷氨酸和NMDA 受體激活的過度升高會導(dǎo)致Ca2b 穩(wěn)態(tài)紊亂，從而誘導(dǎo)多個信號通路的激活，并與之相關(guān)神經(jīng)細胞死亡。目前的研究表明，RIPC 可防止SCI 誘導(dǎo)的谷氨酸濃度和NR2B 表達的增加[24]。在目前的研究中，缺血預(yù)處理可能通過防止NMDA 受體過度激活來減輕SCI 后谷氨酸濃度的增加，抑制NR2B 的表達。

2.5 中醫(yī)藥治療

近年來中醫(yī)藥對于SCII 的研究也在快速發(fā)展，并有許多研究證實中醫(yī)藥治療有效。有研究證明素能夠明顯降低脊髓缺血及再灌注時血漿 MDA 值,保護 SOD 活性,增強機體的抗氧化損害能力[25]。并且還有抑制NA+通道、拮抗興奮性氨基酸等作用。人參皂苷通過促進survivin 蛋白的表達降低caspase-9 表達以及降低胞質(zhì)AIF 的水平介導(dǎo)大鼠脊髓缺血再灌注損傷造成的細胞凋亡[26]。電針重復(fù)預(yù)處理通過拮抗Ca2+超載，從而起到保護神經(jīng)細胞的作用[27]。紅花注射液可減輕細胞的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，通過抑制缺血再灌注期間Caspase-3 表達水平從而減少神經(jīng)細胞的損傷，達到保護神經(jīng)細胞的作用。

3 小結(jié)與展望

現(xiàn)如今SCII 發(fā)病率逐年升高，隨之而來的感覺障礙、截癱、全癱瘓甚至死亡，嚴重威脅患者的生活質(zhì)量，所以如何有效防治SCII 的發(fā)生尤為重要。SCII 發(fā)病機制涉及過程錯綜復(fù)雜，但脊髓損傷后進行性缺血的確切機制還不清楚,治療方法也是多種多樣，但目前防治方法無法從根本上防治疾病的發(fā)生，所以還需要做更多的實驗研究，努力在脊髓缺血再灌注的防治方法上取得更大的進展，才能減輕患者疾病的痛苦及提高患者生活質(zhì)量。