腦梗死的病理生理機制研究進展

羅周 曹明樂 蔡猛 吳金鑒 王國霞

摘要：腦梗死指各種原因所致的腦部區域血液供應障礙，導致腦組織缺血缺氧發生壞死或軟化，從而引起相應部位神經功能障礙的臨床綜合征，致殘率、致死率高。發病的主要病理生理機制為氧化應激、興奮性毒性、炎癥反應。現就腦梗死的病理生理機制進行綜述。

關鍵詞：腦梗死;病理生理；氧化應激

腦梗死是內科常見病，又稱為缺血性腦卒中，好發于中老年人，臨床類型有大動脈粥樣硬化性腦梗死、小動脈閉塞性腦梗死、腦栓塞、分水嶺腦梗死、出血性腦梗死、其他原因所致腦梗死和原因未明腦梗死。腦動脈粥樣硬化、血小板聚集率增加、心源性栓塞、短暫性腦缺血發作等多種原因使腦血管狹窄或堵塞，導致局部腦組織突然供血不足或中斷，進而缺血缺氧壞死。腦梗死不但危險因素多，而且病理生理機制非常復雜，經治療后死亡率仍然處于高水平。

1氧化應激

1.1 氧化與抗氧化系統失衡

自由基化學性質活潑，可引起脂質過氧化、蛋白質氧化、破壞核酸結構與功能，進而損傷機體。同時機體存在抗氧化系統，即抗氧化物質和抗氧化酶。其中，抗氧化物質能還原并清除自由基，包括維生素C、維生素E、輔酶Q、谷胱甘肽、褪黑素、α-硫辛酸、類胡蘿卜素、微量元素銅和鋅等。抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等[1]。氧化應激指氧化作用與抗氧化作用失衡的狀態。活性氧（ROS）是氧代謝的副產物，是正常細胞新陳代謝和防御系統的一部分，包括氧離子、自由基和過氧化物，屬于壽命短的小分子，由于存在不成對的電子而具有高反應性。在低水平，它們能調節細胞生長、增殖、分化和凋亡[2]。在生物應激期間，ROS積累到毒性水平，會導致細胞損傷和功能受損[3]。當發生腦梗死時，ROS大量增加，超過抗氧化系統的清除能力就會發生氧化應激。在腦缺血期間，NMDAR介導的興奮性毒性、Ca2+超載、線粒體功能障礙、神經元一氧化氮合酶（nNOS）的激活這幾種機制可產生自由基[4]。ROS產生的第一步是分子氧（O2）的單價還原形成超氧化物，細胞色素P450（CYP）系統、NADPH氧化酶（NOX）、黃嘌呤氧化酶（XO）及線粒體電子傳輸鏈參與這一過程。為了保持氧化和抗氧化系統的平衡，細胞產生SOD，將超氧化物轉化為過氧化氫（H2O2）和氧氣。SOD的三種亞型是胞漿中的銅鋅超氧化物歧化酶、線粒體超氧化物歧化酶和細胞外超氧化物歧化酶。當然，一些超氧化物也以非酶途徑轉化為H2O2和單線態氧。過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶可將過氧化氫轉化為水；而在Fe2+或Cu2+的存在下，過氧化氫逃避酶轉化，進一步產生羥基自由基，其在氧自由基中活性最強[5]。腦梗死期間，過量的ROS參與細胞衰老的誘導和維持。在這個過程中，細胞大分子被破壞，有助于細胞凋亡信號的傳導。

1.2 ROS通過多途徑增加

Ras途徑可產生ROS，環氧化酶（COX）的活性降低可以通過RAS信號轉導，激活并促進ROS積累。蛋白賴氨酸6-氧化酶（LOX）通過Hif-1或Hif-2調節并產生ROS；TGFβ通過激活線粒體中的GSK3β和mTOR途徑，并抑制SOD和谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）等抗氧化酶來增加ROS；NF-κB可以通過TNF調節的正反饋回路增加ROS的產生；c-Myc在AMPK和PRx-Romo1通路調節的幫助下，改變線粒體結構和代謝來調節ROS的產生；ROS水平可以通過β-adaptin/c-Myc途徑上調；Bcr-Abl激活PI3K/mTOR和STAT5通路，促進線粒體 ROS 的產生增加。還有p53、p21和p16信號通路，可能參與細胞衰老調控的過程。在細胞的表觀遺傳機制研究發現，一些miRNA家族通過調節自噬過程，調節參與ATP和ROS產生的基因表達，并且在多個水平上控制細胞衰老，且部分miRNA可能會誘導ROS產生，通過不同的途徑，如線粒體中線粒體DNA的直接損傷、TERT的協同作用、ROS介導的p53激活抑制自噬、miR-210和miR-494通路，最終導致線粒體功能障礙，誘發細胞凋亡。

2興奮性毒性

2.1 谷氨酸釋放過多及Ca2+超載

腦缺血發生后，缺血缺氧缺糖引起ATP迅速耗竭，導致Na+-K+-ATP酶的功能受損，Na+內流和K+外流失控，膜電位和血漿滲透壓崩潰，H2O和Ca2+過量內流至細胞內，細胞膜去極化。Ca2+超載會激活蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶和核酸內切酶，進而破壞細胞結構。過高的Ca2+濃度可引發亞硝化和氧化應激、脂質過氧化和線粒體功能障礙，最終導致細胞死亡。同時，細胞內Na+的積聚和離子穩態被破壞也會導致細胞腫脹和微管損傷。離子穩態破壞，膜去極化，Ca2+依賴性谷氨酸從神經遞質池中釋放。由于周圍膠質細胞對神經遞質的再攝取，谷氨酸濃度迅速下降，但是持續的缺血缺氧使神經膠質細胞能量衰竭，谷氨酸轉運減少或障礙，谷氨酸濃度再次增加[6]。大量谷氨酸經過突觸后與離子異性受體結合，這些受體主要存在于樹突棘中，也存在于突觸周圍區域。即谷氨酸由突觸前側的神經元釋放，經突觸后作用于神經元和神經膠質谷氨酸受體[α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPAR）；N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）；紅藻氨酸受體（KAR）]。谷氨酸和AMPAR、NMDAR、KAR結合，受體操縱式鈣通道打開，鈣離子進入神經細胞內，除了激活離子型通道，谷氨酸也能激活突觸后膜與G蛋白偶聯的代謝性谷氨酸受體（mGluR）。該受體分三組，主要是I組代謝受體，包括mGluR1和mGluR5。該受體的激活可導致Ca2+通過間接離子通道打開和/或通過第二信使信號系統流入神經細胞內。概括而言，大量谷氨酸通過突觸間隙到達突觸后膜，激活離子型受體和代謝性受體；受體激活后，大量鈣離子內流，突觸后神經元細胞膜反極化，神經元產生持續性興奮，最后導致神經細胞死亡。

2.2 谷氨酸攝取不足

釋放的谷氨酸可能彌漫出突觸間隙，激活遠處受體。而細胞外的谷氨酸被星形膠質細胞和神經元中存在的興奮性氨基酸轉運蛋白（EAATs）去除，EAATs的缺失或者功能改變致使谷氨酸攝取減少，ETTAs對于缺血后的腦組織具有保護作用。相關研究證明，如安吉拉團隊通過30 min缺血誘導EAAC1-/-小鼠，創建腦缺血模型，3 d后提取的病理切片表現出略大的梗死體積和更嚴重的神經元死亡。研究明確，EAAC1-/-小鼠表現出硫醇含量降低，神經元鋅穩態受損，缺血再灌注后氧化應激增加。此外研究發現，遺傳可決定興奮性毒性損傷的程度，在EAAT2谷氨酸轉運蛋白基因的啟動子中發現了一種新穎且高度普遍的多態性，與較高維持的血漿谷氨酸濃度以及急性半球卒中患者神經系統惡化的頻率較高有關，可假設興奮性毒性損傷的大小可以通過遺傳決定[7]。

3炎癥反應

3.1 炎癥級聯反應導致血腦屏障的破壞

血腦屏障（BBB）由多細胞系統組成，也被稱為神經血管單位（NVU），包括周細胞、血管周圍成纖維細胞、星形膠質細胞、小膠質細胞、基底膜、血管內皮細胞和神經元，并且血管內皮細胞之間緊密連接（TJ），共同在血液和中樞神經系統之間形成屏障，可以阻止許多大分子，如白蛋白、凝血酶原和纖溶酶原等血漿蛋白，以及谷氨酸等損害神經組織。腦缺血時激活免疫系統，外周免疫細胞向受損腦組織的滲透引發了多種炎性細胞因子和趨化因子的產生，進而在缺血性中風發作后的亞急性期和慢性期引發并促進持續的炎癥。當大量腦細胞因嚴重缺血而死亡時，滲透性免疫細胞如小膠質細胞、中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞和淋巴細胞等激活，神經炎癥級聯反應導致細胞凋亡、血腦屏障破壞、腦水腫和出血性轉化，但是在缺血后期，這些途徑促進組織修復和功能恢復，最后炎癥因炎癥介質被清除而消退。

3.2 免疫細胞的激活及極化

腦缺血和組織損傷時，神經元缺氧-葡萄糖剝奪（OGD），損傷相關分子模式分子（DAMP）啟動免疫。在腦梗死的急性期，缺血性損傷導致HMGB1、S100蛋白、DNA、RNA、ATP和熱休克蛋白等DAMP的釋放，隨后激活Toll樣受體（TLRs）啟動快速的先天免疫反應。小膠質細胞、星形膠質細胞的活化和外周免疫細胞的激活，通過不同信號通路介導炎性細胞因子釋放，促進BBB破壞以及神經元死亡。這里主要介紹小膠質細胞和中性粒細胞。

3.2.1 小膠質細胞

發生腦缺血后，小膠質細胞首先被激活，且極化為M1表型或M2表型。M2型發揮抗炎作用并促進梗死后恢復，而M1型發揮促炎作用并加重繼發性腦損傷。M1型通過TLR4/NF-κB/TNF-α、JAK/STAT、Nrf2、S1PRs、TXa2R、Hv1/NOx/ROS等通路被激活，進而釋放促炎細胞因子，如TNF-α、NO、誘導型一氧化氮合酶（iNOS）和白細胞介素家族中的IL-1β、IL-6、IL-18，最后導致繼發性腦損傷。

3.2.2 中性粒細胞

腦缺血后，死亡的神經元釋放DAMP，激活靜息的小膠質細胞和星形膠質細胞，活化的腦膠質細胞產生趨化因子，隨后激活血小板和血管內皮細胞。內皮細胞的激活和黏附分子在管腔血管壁上的呈現，導致趨化因子驅動的血細胞滲透，即誘導中性粒細胞等白細胞向缺血區域聚集，并滲透進入缺血組織。同時，DAMP的參與使中性粒細胞釋放蛋白酶、促炎性因子和ROS，可通過多途徑致腦組織損傷。參與這個過程的各種炎癥介質包括去甲腎上腺素、髓過氧化物酶（MPO）、基質金屬蛋白酶（MMP）、金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMP）、干擾素（IFN）、IL、TLR、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體（NLR）家族含嘧啶結構域3 （NLRP3）、NET相關肽基精氨酸脫亞胺酶4型（PAD4）、B細胞活化因子（BAFF）、淋巴毒素等。在體外實驗中發現，中性粒細胞可以極化為N1型和N2型，N1型通過脂多糖（LPS）+干擾素（IFNg）誘導，N2型通過IL-4誘導。與N2型相比，N1型中性粒細胞表現出炎性細胞因子/趨化因子的產生增加，ROS和NO水平升高，氧化爆發增強，蛋白質和基質降解酶的活性增加，以及趨化反應增強。N2型顯示CD206、Ym1和Arg1的表達增加。ERK1/2和p65磷酸化是N1極化通路。N1型參與促炎，N2型參與抗炎。

參考文獻

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