缺血性腦梗死再灌注損傷的作用機制的研究進展

薛芳，王娟，彭立威，趙瑩，吳冰潔

(河北醫科大學第二醫院東院區神經內科，河北 石家莊 050000)

缺血性腦梗死嚴重危害人類健康，死亡率高，約占全球死亡總數的11.3%[1]。盡早實現缺血組織的血液再灌注是該病目前公認的最有效的治療方案，通過挽救瀕死腦細胞，進而改善能量代謝、保證氧供應、保證細胞正常功能。然而，缺血再灌注可使缺血細胞產生級聯反應損傷，時間越長，興奮性遞質含量越低，腦組織超微結構改變越明顯，繼而誘發缺血細胞的死亡，這一過程被稱為I/R損傷。當今I/R損傷的研究難點較多，國內外均對其機制進行了研究。本研究歸納了10種機制，綜述如下。

1 酸中毒

缺血后神經元損傷的主要原因之一是乳酸酸中毒。神經元缺血后，能量中間體腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)被消耗，局部產生的大量氫離子(H+)、CO2不能被及時清除；同時，在缺血缺氧條件下，腦組織無氧代謝增加，乳酸升高，從而發生酸中毒，文獻[2]報導pH值可從7.3迅速降到6.5左右，甚至更低。Zhang等[3]通過觀察線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒與卒中樣發作患者，證明此類患者顱內缺血細胞中堆積的乳酸及超載鈣離子(Ca2+)通過破壞大腦神經遞質γ-氨基丁腺素的功能和損傷鈉離子通道(Na+)，從而導致神經元興奮性毒性的發生。此外，酸中毒也可能與氧化應激機制協同損傷神經元，Karien等[4]通過對54例乳酸酸中毒患者的病情進行回顧性分析，發現在缺血條件下，形成的低pH值狀態可導致體內抗氧化劑的功能損傷，從而打破體內氧化和抗氧化物質的平衡，最終導致缺血組織的壞死。

2 炎癥反應

最近實驗[5]發現，腦缺血發生初期缺血細胞大量壞死，同時伴隨炎性細胞因子過表達，激活炎癥級聯反應，啟動免疫應答系統，進而嚴重損傷腦組織。腦灌注損傷(I/R)前，由于處于缺血缺氧狀態，自由基大量生成，同時壞死組織引起機體免疫應答，外周白細胞通過釋放某些可溶性因子和細胞內成分，激活小膠質細胞轉化成巨噬細胞，而后者通過吞噬作用，清除包括神經元在內的死亡腦組織細胞，同時產生過量的炎癥介質，如轉化生長因子-β、腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6和白細胞介素-10，從而引發后續的級聯反應，加劇缺血組織的損傷[6]；再灌注后，Ca2+超載以及具有興奮作用的氨基酸(excitatory amino acids，EAA)過度釋放，進一步加重缺血區域炎性損傷[7]。有研究[8-9]發現，生理情況下，腦神經細胞、膠質細胞和內皮細胞之間保持穩定的信號傳遞，而I/R后炎癥級聯反應破壞了這一過程，使得腦功能惡化。

3 氮化應激

具有活性的氮簇增加造成機體損傷稱為氮化應激。再灌注后鈣調蛋白(calmodulin，CaM)介導鈣離子超載，并且產生活性氮簇介導氮化應激損傷，加快細胞死亡進程。活性的氮簇如一氧化氮(nitric oxide，NO)、二氧化氮(nitrogen dioxide，NO2)等[10]。其中NO是細胞內外的信息傳遞分子，在一氧化氮合酶(nitric oxide synthetase，NOS)催化下產生，可維持人體生理功能同時參與某些病理過程。據研究，在缺血再灌注過程中，NO的作用似乎是矛盾的，它既具有保護腦組織的正面作用，也兼具細胞毒性的負面作用。研究[11]顯示，NO的正面作用是維持腦血流，抑制血小板聚集，負面作用是NO和超氧化物具有高度反應性，持續產生大量的NO，可與超氧陰離子形成ONOO-和OH-，產生過氧化亞硝酸鹽，后者具有細胞毒性，導致脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic，DNA)氧化。另外，NO還參與線粒體合成和功能的調控，而腦缺血時的氮化應激時，過量的NO可破壞細胞內的細胞器，進一步加重腦缺血損傷。由于NO不穩定，多數研究集中在具有催化作用的NOS上。研究[12]發現，各種NOS在再灌注損傷時發揮的功能不同，如內皮型eNOS通過促進血管舒張起到保護作用；神經元型nNOS在缺血早期起到損傷作用；誘導型iNOS在細胞損傷的晚期階段發揮作用。

4 氧化應激

多數神經變性疾病發病過程中，氧化應激的主要產物(自由基)均會造成嚴重的腦損傷。腦組織內花生四烯酸的含量豐富，相較于其他器官，更容易造成腦組織的氧自由基和脂質過氧化物堆積，加之神經變性疾病多會造成這些有害物質的清除能力顯著降低，這些物質蓄積而造成神經元損傷[13]。有研究[14]發現，正常生理狀態下，線粒體利用氧氣合成ATP；而當腦缺血時，線粒體膜因被過氧化，造成其結構的破壞，致使其功能的喪失。此過程中O2多數轉化為O2-，其余部分生成HO-，造成線粒體裂變/融合失衡，上調了N-甲基-D-天冬氨酸受體數量，生成更多種的脂質過氧化物。其后果是進一步打破抗氧化物與自由基之間的動態平衡，細胞內大分子物質被悉數降解，如蛋白質、核酸、脂質等，即DNA損傷，蛋白質變性，酶失活，最終導致細胞凋亡[15]。

5 Ca2+超載

鈣離子是體內重要的元素之一，參與諸多生命活動，如維持細胞生理功能、增殖和分化等。故鈣離子超載引發的損傷，可體現在I/R損傷全過程，即參與能量代謝障礙、細胞凋亡、線粒體功能障礙、自由基和EAA引發的損傷過程。Ca2+超載造成的機體損害包括[16-18]：(1)超載的Ca2+引起鈣依賴磷脂酶的大量激活，從而分解生物膜結構；(2)缺血部位的Ca2+超載，誘發血管平滑肌痙攣，引發內皮細胞損害和繼發的血栓形成；(3)隨著細胞內滲透壓增大，細胞外液透過細胞膜達到細胞內，造成細胞腫脹壞死；(4)由于細胞內陽離子濃度變化，細胞膜發生去極化，導致EAA過量釋放；(5)線粒體也因Ca2+的進入，而導致膜電位失衡，造成線粒體的功能障礙，從而啟動細胞凋亡。腦缺血早期的病理機制就是ATP耗竭和酸中毒，前者是ATP酶活性降低后，引起細胞膜去極化，Ca2+大量入流；而酸中毒是協同細胞內超載的Ca2+，通過損傷Na通道的動力，從而促使細胞內儲存的Ca2+大量釋放[19]。再灌注后，缺血區域涌現出EAA，酸敏感離子通道被堆積的H+激活，形成同聚體通道，造成細胞內Ca2+再增加。同時離子型N-甲基-D-天門冬氨酸受體(NMDA)受體被EAA激活，電壓門控性Ca2+通道進一步開放，造成更嚴重的鈣離子超載狀態[20]。

6 細胞凋亡

腦缺血損傷的終末環節之一是細胞凋亡，其參與多種疾病的病理過程，扮演著關鍵角色。同樣，細胞凋亡與缺血再灌注損傷密切相關[21]。腦梗死導致細胞凋亡的機制有：(1)細胞生長因子表達減少：絕大多數細胞的生存離不開生長因子的作用，而當細胞缺乏氧氣養分時，神經生長因子(nerve growth factor，NGF)、腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、TGF-β、生長相關蛋白43(growth associated protein43，GAP-43)等生長因子和可塑性蛋白表達受到抑制，致使腦細胞表面瞬時受體電位通道亞族M7(transientreceptorpotentialmelastatin，TRPM7)通道被激活，TRPM7出現過表達，其作用是促進鈣離子內流，導致神經元凋亡。(2)缺血區產生了過量的自由基，自由基能夠正性調節TRPM7通道的過表達，最終誘發細胞凋亡[22]。

7 能量代謝障礙

人體能量最旺盛的器官為大腦，約為20%[23]。而能量障礙在I/R損傷的早期階段即開始出現，即急性缺血期。腦組織因缺乏足量的氧供和能量物質，細胞不能產生足夠的ATP供能，而ATP為細胞膜上的Na-K-ATP酶激動劑，當ATP合成減少時，可造成酶活性下降和功能異常，繼而誘發膜內外鈉鉀交換障礙，引起細胞膜過量去極化，進而EAA過量分泌、線粒體功能缺失，導致神經元細胞死亡，最終出現更加嚴重的腦功能障礙。

8 血腦屏障破壞

血腦屏障(blood brain barrier，BBB)是一種由血管內皮細胞、基底膜和星形膠質細胞足突組成的高度分化的腦內皮結構，存在于血液和腦組織之間，可選擇性阻礙物質通過，調控物質交換[24]。有研究[25]顯示，BBB結構的破壞在I/R發生、發展中起到重要作用，血液供應遭到破壞，可促進一系列病理生理級聯反應，如炎癥、線粒體死亡途徑、蛋白質錯誤折疊、興奮性毒性等，這些炎癥反應會誘發大量炎性因子的生成并釋放，在缺血區域聚集并浸潤損傷內皮細胞，破壞內皮細胞的緊密連接造成BBB結構和功能被破壞，即BBB通透性增加。缺血細胞的鈉鉀泵功能喪失，導致細胞內Na+增多，胞外水分內流，引發血管源性腦水腫；同時因為血管內流量下降，導致微循環障礙；此外，氧化應激誘發的脂質過氧化亦會損傷細胞膜結構，加重BBB破壞。由此可見，在I/R時，BBB損傷與炎癥反應、氧化應激、內皮細胞損傷密切相關[26-27]。

9 線粒體功能障礙

細胞內線粒體是大腦供能的發動機，腦缺血發生后，線粒體功能出現障礙。研究[28]發現，I/R后，線粒體內的功能酶，如細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase，CytC)、琥珀酸氧化酶、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)氧化酶活性顯著降低，從而證實腦線粒體功能在I/R期間受損；在I/R期間，線粒體膜電位降低是凋亡級聯反應中最先發生的重要事件之一，24 h時達到最低，進而導致線粒體功能障礙，細胞會進入不可逆的凋亡過程；而且線粒體膜電位異常會導致ROS生物合成持續增加，ROS引發鏈式反應，同時I/R引起的Ca2+超載和炎癥反應，通過激活Caspase-3以及相關的Caspase級聯導致神經元細胞死亡。

10 興奮性氨基酸(EAA)過度釋放

氨基酸是構成體內結構蛋白、酶類和遞質的基礎物質，而按照體內遞質氨基酸的興奮性，可分為抑制性氨基酸及EAA[29]。正常情況下EAA主要存在于神經末梢的突觸囊泡內，當腦組織血供不足時，神經元末梢發生去極化，大量EAA被釋放，與突觸后膜的特異性受體結合，完成興奮性突觸傳遞。與此同時，腦組織因血液流通受阻不能通過正常途徑產生足夠的ATP供能，造成過量的EAA不能被分解，從而產生興奮性細胞毒性作用。此外，EAA還可造成Ca2+超載損傷，雙重毒性損傷協同作用于細胞，造成突觸后神經元死亡[30]。

11 結語與展望

腦組織發生缺血后，會出現一系列缺血級聯反應，引起腦組織損傷。缺血造成局部腦組織因血供不足，缺乏代謝所需的氧氣，造成ATP生成銳減。首先，ATP作為細胞膜鈉鉀泵的供能體，其生產減少將誘發腦細胞內外鈉鉀失衡，進而改變滲透壓差，致使胞外液體大量流入胞內，最終導致腦組織水腫。缺血狀態如果繼續惡化，神經元內生成大量的EAA、自由基，出現炎癥，最終細胞凋亡壞死。大量自由基生成會引發一系列連鎖反應，包括膜脂質過氧化、血管效應、神經毒性損傷、線粒體功能受損，導致細胞凋亡。當腦組織血供不足時，神經元通過釋放某些可溶性因子和細胞內成分使小膠質細胞轉化成巨噬細胞，不僅可清除包括神經元在內的死亡腦組織細胞，亦能夠產生多種炎癥因子使細胞損傷加重。I/R后腦血流恢復去挽救部分瀕死的腦細胞，但BBB被破壞，致使H+、Ca2+和促炎性因子透過屏障，損傷腦細胞的同時，吸引免疫細胞，引發繼發性損傷級聯，進一步加劇腦損傷，加重神經元死亡。現階段I/R多被認為是一個多因素、多細胞介導的病理損傷過程，其中的損傷機制和相互關系，還需要進一步探索，是腦缺血治療的重要方向。