纖維蛋白原在腦出血中的多重作用機制及研究進展

董小龍,馮 杰

腦出血是指原發的非外傷性的腦實質出血,又稱自發性腦出血,是神經系統常見疾病,發病率占全部腦血管病的20%～30%,其特點是病情危重、發展迅速,具有極高的致殘率、致死率,嚴重危害人類健康[1]。腦出血后腦損傷的病理過程分為原發和繼發階段。在原發性腦損傷階段,血腫體積和部位為決定病情嚴重程度的關鍵因素,治療的重點是減少血腫的擴張。而在繼發性腦損傷階段,復雜的局部和全身炎癥反應、血腫周圍水腫、腦水腫、細胞毒性反應和血腦屏障破壞等病理改變可加重病情,并導致不良預后[2]。

纖維蛋白原作為一種急性時相蛋白,參與凝血級聯反應實現止血目標為其經典作用,是有效血栓形成的基礎。血漿纖維蛋白原水平隨著全身炎癥、組織損傷和其他一些不良事件而升高[3]。在神經系統中纖維蛋白原的病理作用是多方面的,包括誘導小膠質細胞活化、抑制施旺細胞和少突膠質前體細胞分化、抑制髓鞘再形成、破壞血腦屏障、促進軸突損傷和瘢痕形成、抑制神經突起生長[4],從而通過多種機制影響腦出血的病情及預后。

探究纖維蛋白原在腦出血中的多重作用機制,進一步明確其在腦出血不同階段的水平及意義。未來可能在不影響其止血效果的前提下,使用選擇性藥物靶向抑制其在神經系統中的損傷作用,可以改善病情及預后,從而有望為中樞神經系統出血性疾病開辟新的治療策略。

1 腦出血后腦損傷機制

腦出血的病情及預后主要取決于出血的部位、出血量和血腫體積的大小引起的機械性腦損傷以及炎癥、神經毒性、氧化應激、腦水腫等所導致的繼發性腦損傷[5]。腦出血原發性腦損傷的機制主要是血腫引起的占位效應,導致解剖結構的物理破壞、顱內壓升高及鄰近組織的機械壓迫,并繼發腦灌注減少,嚴重時導致腦疝危及生命[6]。而繼發性腦損傷的病理生理過程很復雜,主要包括神經系統炎癥反應、血腦屏障破壞、腦水腫、血腫周圍水腫、細胞毒性反應和氧化應激等方面,最終導致腦出血的不良結局[7-8]。

2 纖維蛋白原在中樞神經系統疾病中的多重作用機制

腦出血后纖維蛋白原除參與凝血級聯反應產生止血效應外,尚能夠通過受損的血腦屏障進入腦實質[9],通過以下多重機制參與神經系統炎癥反應、血腦屏障破壞、腦水腫等加重繼發性腦損傷,并通過促進瘢痕形成、抑制神經細胞再生與修復而影響預后。

2.1 纖維蛋白原與神經系統炎癥 研究表明,神經系統炎癥是腦出血的主要特征,小膠質細胞/巨噬細胞的激活在腦出血后的炎癥反應中起關鍵作用,而其最主要的環節被認為是小膠質細胞的極化[10]。小膠質細胞/巨噬細胞作為中樞神經系統的常駐免疫細胞,其生理作用主要是監測并維持神經細胞、血腦屏障和細胞外基質的穩定與平衡。腦出血時,小膠質細胞/巨噬細胞迅速被血液中的多種成分激活為兩種類型的細胞,分別為經典活化的小膠質細胞/巨噬細胞(M1表型)和選擇性活化的小膠質細胞/巨噬細胞(M2表型),以向M1表型轉化為主。M1在表達大量的Toll樣受體4(TLR4)和血紅素加氧酶1(HO-1)以促進血腫清除的同時,還產生白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等促炎細胞因子,并誘導鐵代謝物及活性氧的產生,促進神經系統炎癥反應,從而加重繼發性腦損傷[10-11]。而M2則通過吞噬作用和血管重塑以助于血腫的清除,并可能抑制Th1細胞反應、降低血腦屏障的通透性、促進抗炎細胞因子的產生和受損組織的修復,從而改善神經功能障礙[12]。

腦出血時,纖維蛋白原通過受損的血腦屏障滲漏進入腦實質,在血管破裂處促凝物質作用下轉化為不溶性的纖維蛋白,沉積在腦實質內,纖維蛋白通過激活小膠質細胞并促進外周炎性巨噬細胞募集和激活而誘導神經炎癥[13]。纖維蛋白可與白細胞、巨噬細胞和單核細胞結合,通過激活核因子-κB(NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)以及Rho信號途徑介導這些細胞的趨化、遷移、黏附和吞噬[14]。纖維蛋白原轉化為纖維蛋白的過程中暴露了其γ鏈羧基端一個隱藏的氨基酸表位(γ377-395),該表位特異性地與小膠質細胞和巨噬細胞上的CD11b/CD18整合素受體結合,通過多種信號轉導途徑誘導小膠質細胞和巨噬細胞的活化,并促進抗原呈遞、活性氧(ROS)釋放及白細胞募集趨化因子單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)和CXC趨化因子配體10(CXCL10)的分泌,從而誘導小膠質細胞和巨噬細胞的M1轉化[15]。纖維蛋白原還可以激活小膠質細胞中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(AKT)和Rho家族的鳥苷三磷酸酶,導致細胞體積增大、肌動蛋白細胞骨架重排和吞噬功能增強[4],從而加重神經系統炎癥。

此外,小膠質細胞受體(主要是TLR4)可通過NF-κB信號通路增加促炎細胞因子的產生[12]。腦出血后,中樞神經系統中小膠質細胞等多種類型的細胞均可表達TLR4,其可以被血腦屏障破壞后沉積在腦實質內的纖維蛋白原激活,通過誘導小膠質細胞的自噬功能激活NF-κB和MAPK等信號途徑,繼而介導TNF-α、白細胞介素、細胞間黏附分子-1、單核細胞趨化蛋白-1、基質金屬蛋白酶(MMP)-9、環氧化酶和活性氧等促炎因子和介質的產生[16-17],最終導致更嚴重的炎癥反應。

總之,纖維蛋白原通過多種途徑特異性誘導或參與神經系統炎癥,靶向抑制纖維蛋白(原)的形成可能有助于減輕神經系統炎癥,促進小膠質細胞向M2表型轉化,從而減輕神經系統炎癥并有利于腦功能恢復。

2.2 纖維蛋白原與血腦屏障破壞 血腦屏障的解剖基礎是由內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞通過緊密的結構與功能聯系組成的神經血管單元;除此以外,還有細胞連接和基底膜(BM)等非細胞成分。完整的血腦屏障在維持營養物質流入大腦以及保護大腦免受毒素、病原體和炎性細胞入侵方面發揮著重要作用。維持各種神經細胞、組織間液、腦內壓等的代謝與平衡都需要完整的血腦屏障,否則很容易出現各種神經細胞的病理改變及腦損傷。中樞神經系統的各種疾病均會導致血腦屏障的破壞和功能障礙,包括中風、創傷、多發性硬化、帕金森病(PD)和阿爾茨海默病(AD)等[18]。

腦血管完整性的破壞是腦出血病理機制和神經損傷的重要因素。在腦出血的病理改變中,有證據表明,腦實質中血液成分的沉積在激活局部免疫反應和介導免疫反應導致血腦屏障功能障礙中起著重要作用[14]。血腦屏障破壞的關鍵因素是炎癥的激活,包括小膠質細胞的激活、各種炎癥介質上調及緊密連接蛋白破壞導致的血腦屏障通透性的增高等[19-20]。因此,腦出血引起的神經血管破壞會導致血腦屏障破壞的加劇,而由血腦屏障破壞而導致的血腫擴大和水腫形成又會進一步加重腦實質的物理損傷[14]。

纖維蛋白原通過多種途徑誘導和參與腦出血后神經系統炎癥反應,并通過與小膠質細胞/巨噬細胞的受體結合后,刺激促炎細胞因子和趨化因子的分泌以及活性氧的釋放,還可誘導小膠質細胞的M1樣轉化,加劇神經系統炎癥反應,進一步加重血腦屏障破壞和腦損傷[4]。纖維蛋白原可與細胞間黏附分子-1結合,通過細胞外信號調節激酶1/2信號增加內皮細胞層和腦血管的通透性,并增加基質金屬蛋白酶-9的活化,進一步降解內皮細胞間緊密連接,破壞內皮細胞層的完整性,最后導致血腦屏障的破壞[21]。

總的來說,血腦屏障破壞后的纖維蛋白原滲漏加劇了局部的炎癥反應和血腦屏障損傷,從而進一步加劇了繼發性腦損傷。

2.3 纖維蛋白原與氧化應激 氧化應激被認為是腦出血后繼發性腦損傷的關鍵環節,并參與腦出血病理過程的各個重要階段。腦出血后的神經系統炎癥反應及鐵、血紅素、纖維蛋白原等血液成分均可以促進氧化應激反應,從而加重繼發性腦損傷[6]。研究表明,纖維蛋白原可通過CD11b/CD18受體激活自然免疫細胞、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶及γ-谷氨酰轉肽酶(GGT),從而增加ROS產生,并促進自然免疫細胞中谷胱甘肽的降解,以加重腦出血后中樞神經系統的氧化應激反應[15,22]。

2.4 纖維蛋白原與腦水腫 腦水腫是腦出血的主要并發癥之一,腦出血后血液成分大量涌入腦組織,同時有血管內高滲透壓成分滲出到腦組織,導致血管內外滲透壓差,水分滲透到腦組織內導致腦水腫。另外,由于腦出血周圍腦組織受損破壞,腦組織能量代謝障礙,損傷細胞膜結構,腦細胞內的水分過多地進入到細胞外引起細胞毒性腦水腫。腦水腫的高峰一般在腦出血發生后的48 h,導致顱內壓進行性增高,嚴重者會形成腦疝危及生命[23]。腦出血后腦水腫是一個復雜的病理過程。目前比較公認的腦水腫發生機制中的關鍵因素包括:白細胞、小膠質細胞、促炎因子[基質金屬蛋白酶、細胞間黏附分子-1、TNF-α、白細胞介素-1(IL-1)]、Toll樣受體、NF-κB、凝血酶、紅細胞及其降解產物、水通道蛋白-4、補體以及自由基等[24]。

如前所述,纖維蛋白原濃度的增加通過多種途徑加重了血腦屏障破壞,從而間接加重了腦水腫的程度。腦血管破裂后,包括紅細胞及其代謝物、凝血酶和纖維蛋白原在內的血液成分可以通過受損的血腦屏障進入腦實質,引發氧化應激和炎癥級聯反應。這些因素加劇了血腦屏障的破壞,并導致血液成分的進一步滲透,形成惡性循環,加劇腦出血后的腦水腫和神經損傷。有研究發現,高纖維蛋白原血癥可能導致遲發性腦水腫,纖維蛋白原持續升高與遲發性腦水腫高度相關,也是腦出血預后不良的危險因素[25]。已有研究表明,血漿纖維蛋白原水平升高是腦出血后繼發腦水腫程度及不良預后的獨立危險因素,能為臨床早期判斷腦水腫進展及預后提供依據[26]。

2.5 纖維蛋白原與神經元死亡 研究表明,不僅纖維蛋白會導致神經元死亡,可溶性纖維蛋白原也會造成神經元死亡。這種效應是纖維蛋白原通過其神經元受體、細胞間黏附分子-1和細胞朊病毒蛋白(PrPC)與神經元相互作用的結果,并且這種作用呈劑量依賴性。同時,纖維蛋白原還可以誘導神經元促炎性細胞因子IL-6的表達及氧化損傷,并最終導致神經元死亡[27]。

2.6 纖維蛋白原與再生修復 已有很多研究表明,纖維蛋白原通過調節中樞神經系統損傷和疾病后的炎癥反應以及生長因子受體信號,從而抑制神經系統修復。纖維蛋白原分別激活少突膠質前體細胞(OPC)、星形膠質細胞和神經元中的骨形態發生蛋白(BMP)、轉化生長因子-β(TGF-β)和表皮生長因子受體(EGFR)信號,并通過影響小膠質細胞和巨噬細胞的極化,以促進炎癥和抑制再生[4]。纖維蛋白原通過激活OPC上的激活素A受體1(ACVR1)誘導下游信號和BMP靶基因表達,還可刺激星形膠質細胞產生硫酸軟骨素蛋白聚糖(CSPG)激活OPC中的蛋白酪氨酸磷酸酶Sigma受體,從而抑制再髓鞘化[28-29]。纖維蛋白原還調節神經元和星形膠質細胞中的生長因子受體信號,以抑制神經突起生長并誘導膠質瘢痕形成,這是限制再生的中樞神經系統病理學的兩個關鍵特征[29]。因此,纖維蛋白原在抑制再髓鞘化、阻礙神經元再生和促進膠質瘢痕形成等方面起關鍵作用,并可以作為激活限制神經系統修復的信號通路一種關鍵的環境信號。

3 抑制纖維蛋白原與神經系統疾病預后改善

3.1 腦出血不同時期血漿纖維蛋白原水平與預后的關系 在腦出血發病后幾分鐘內,血漿纖維蛋白原水平可能因消耗迅速從基線下降,在隨后的炎癥過程中,其水平會在幾天或幾周內升高,甚至高于正常范圍[30]。研究表明,腦出血病人血漿纖維蛋白原水平始終高于健康人群,且呈逐漸升高趨勢[31]。循環纖維蛋白原水平升高的程度已被確定為自發性腦出血預后不良的危險因素[13]。

3.2 抑制纖維蛋白形成可能有助于腦出血后的長期康復 考慮到纖維蛋白原向纖維蛋白的轉化涉及凝血和炎癥之間的相互作用過程,且病程中后期纖維蛋白原水平可能較基線水平升高。因此,早期減少纖維蛋白沉積及中后期抑制纖維蛋白形成可能有利于改善其預后。已有研究證明,腦出血后期腦內纖維蛋白原水平顯著升高及其有害作用,使用水蛭素抑制纖維蛋白原轉化為纖維蛋白可減少神經系統炎癥,促進腦出血神經功能恢復,并進一步證明該作用主要通過誘導小膠質細胞向抗炎表型轉變來實現[30];使用巴曲酶降解損傷局部的纖維蛋白原可減少創傷性腦損傷的纖維瘢痕及膠質瘢痕形成,而瘢痕形成被認為是阻礙神經再生的主要因素[32];抑制纖維蛋白原合成降低了炎癥標志物激活轉錄因子3和PrPC的表達,減少了纖維蛋白原沉積和大腦中纖維蛋白原-PrPC復合物的形成,進而改善腦損傷期間的認知障礙[27];使用針對纖維蛋白原γ377-395表位的單克隆抗體5B8,可以在不影響纖維蛋白聚合、體內凝血時間或活化部分凝血活酶時間(APTT)的前提下,有效地抑制神經炎癥過程和氧化應激,減少軸突損傷[15]。從而使纖維蛋白靶向抑制成為治療伴有血管損傷的神經系統疾病的一種可能的新策略。

4 小結與展望

腦出血后血腦屏障破壞,機體凝血和纖溶系統紊亂,導致纖維蛋白原在腦實質內大量沉積,且隨著病程延續,纖維蛋白原作為一種重要的炎性因子呈逐漸上升趨勢,繼而通過炎癥、血腦屏障破壞、氧化應激等機制加重繼發性腦損傷,并通過抑制神經細胞再生與修復,加重其不良預后。因此,了解纖維蛋白原在腦出血中的多重作用機制,并進一步探討不同階段其水平的意義,有利于開發新的治療策略,以期改善病情及預后。