新生兒缺氧缺血性腦病發病機制的研究進展

陳茂俊，林麗云，李莉，呂勤

新生兒缺氧缺血性腦病（hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）根據癥狀的嚴重程度不同分為輕癥和重癥，病情較輕的患兒一般預后較良好，嚴重者可出現一系列的并發癥，包括智力低下、癲癇、運動和認知能力受限等，如不及時干預，甚至可能危及患兒生命。目前臨床上治療HIE 的標準方法是亞低溫治療，然而其有較大的局限性[1-2]。

理想的生物標志物應該是能實時測量的，并直接反映神經血管的功能[3-5]。在缺氧缺血的發病機制中，損傷發生的時間和治療開始的時機都起著十分重要的作用。初級階段中，即急性損傷后的第一個60 min內，部分愈合的過程就已經產生，其中炎癥的產生、氧化代謝和激活的凋亡級聯反應的持續發生在損傷的潛伏期內（第1 ～6小時）[6]。損傷后16 ～48h為第二能量衰竭階段，其中包括興奮性神經遞質、自由基的釋放和磷酸鹽儲備的消耗[7]。而第三期發生在急性缺血幾個月后，包括細胞晚期死亡、損傷腦重塑和星形膠質細胞形成[8]。目前國外最新有報道顯示，將HIE患兒腦損傷過程分為能量消耗、小膠質細胞損傷、炎癥、興奮毒性、氧化應激及細胞凋亡[9]。本文主要就HIE 發病機制進行綜合闡述。

1 炎癥和免疫反應機制

新生兒血腦屏障發育不完全，缺氧缺血可激活星形膠質細胞、小膠質細胞和內皮細胞，釋放出一系列促炎細胞因子、趨化因子和促炎介質，如自由基氧化物（reactive oxygen species，ROS）、活性氮物質（reactive nitrogen species，RNS），破壞血腦屏障，促進外周血白細胞、內毒素等進入腦實質內[10-11]。白細胞會黏附到微血管內皮，進一步損害內皮細胞，破壞血管的完整性，最終導致顱內出血。同時，細胞因子可與血液中的細胞混合，進一步加重腦損傷。而各類炎性因子的表達，可激活Toll樣受體4，一方面能通過激活小膠質細胞，對腦組織產生毒性作用，進一步引起腦功能損害和腦組織損傷[12]；另一方面可以導致機體免疫應答的機制的激活，對相關炎性因子的表達起到調控作用[13]。另外，炎癥系統可以與氧化應激機制相互作用。小膠質細胞、星形膠質細胞十分敏感，并能被ROS、谷氨酸和NO 激活，產生大量炎癥細胞因子，誘導神經元凋亡，抑制神經發育，并誘導免疫細胞的直接損傷[14-16]。炎癥因子和趨化因子通過神經炎癥通路，作為新生兒腦損傷的介質[17-18]，觸發了額外的神經炎癥，如創傷、興奮毒性和缺氧缺血，可能與導致繼發性缺氧缺血后腦損傷有關。而危險相關分子模式（damage associated moleculal patterns，DAMPs）的出現作為組織和細胞受損后釋放的內源性危險信號，被認為是一種警報素，預示著損傷發生的同時又進一步介導一系列無菌性炎癥反應的發生，從而在適應性免疫和固有免疫反應中發揮重要作用。S100B、高遷移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）是DAMPs 中的重要成員，其均可結合糖基化終末產物受體（recepter for advanced glycation endproducts，RAGE），上調炎性反應相關的細胞因子[19-20]。最新研究顯示，S100B、HMGB1 可作為HIE 的早期生化指標和分子標志物[21-22]，對疾病的預測和早期干預有重要意義。這些細胞因子對HIE 發病有重要作用，了解其作用機制可促進相關特異性拮抗劑的研究和發展。

2 神經系統的興奮毒性機制

國外有文獻首先報道了“興奮毒性”，指出缺氧缺血性損傷導致的一些神經細胞凋亡是由N-甲基-D-門冬氨酸谷氨酸受體、-氨基-3-羥基-5-甲基異惡唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗紅藻氨酸谷氨酸受體和代謝性谷氨酸受體以不同方式過量產生興奮性神經遞質“谷氨酸”和導致細胞內Ca2+濃度升高介導的[23-24]。首先，HIE 誘導毛細血管中的能量消耗（氧氣減少、葡萄糖減少）和內皮細胞、星形膠質細胞中的葡萄糖減少，星形膠質細胞中葡萄糖的減少導致丙酮酸和乳酸的減少，進一步導致三磷酸腺苷合成的減少。谷氨酸在星形膠質細胞中通過谷氨酰胺合成酶的作用轉化為谷氨酰胺，從星形膠質細胞轉運到神經元，再由谷氨酰胺酶轉化為谷氨酸。正常情況下大部分谷氨酸被星形膠質細胞吸收，在三磷酸腺苷減少的情況下，谷氨酸不能被充分攝取[25]，停留在突觸，從而激活N-甲基-D-門冬氨酸谷氨酸受體、-氨基-3-羥基-5-甲基異惡唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗紅藻氨酸谷氨酸受體和代謝性谷氨酸受體。具體機制總結如下：（1）N-甲基-D-門冬氨酸谷氨酸受體導致鈣內流直接增加細胞內Ca2+濃度；（2）-氨基-3-羥基-5-甲基異惡唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗紅藻氨酸谷氨酸受體輸送大量的鈉，使細胞膜去極化，并通過陽離子/Ca2+反轉運蛋白阻斷Ca2+從神經元流出；（3）谷氨酸通過代謝性谷氨酸受體介導，激活磷脂酶C，從而激活肌醇1，4，5-三磷酸，誘導Ca2+從內質網釋放。因此，3 種不同谷氨酸受體的激活以不同的方式導致細胞內Ca2+濃度升高達到平臺水平，惡化線粒體功能，引起功能障礙，導致自由基積聚、壞死和細胞凋亡。細胞內Ca2+濃度達到平臺水平后，神經元損傷變得不可逆[24]。而細胞凋亡產生的碎片又可通過激活大腦中巨噬細胞的途徑導致ROS 的分泌增多，ROS 可以使線粒體通透性轉換孔打開[26]，從而加重線粒體損傷，加重細胞凋亡。

3 自由基與氧化應激機制

HIE 發病機制包括ROS 和RNS（主要包括過氧化氫及一氧化氮）。新生兒大腦發育不完全，更容易被影響。氧化應激導致ROS 和RNS 的產生增加，生理濃度的ROS 和RNS 可以作為轉導信號的信號分子使用[27]。然而，自由基會因缺氧缺血損傷的刺激而大量產生。一氧化氮可以通過超氧化物反應，形成過氧亞硝酸鹽和羥基自由基，導致蛋白質的改變和退化[28]。興奮性毒性介導的鈣通道激活引起腦缺血，通過相關催化酶作用形成O2[29]。O2在體內可被中和，轉化為過氧化氫，可以通過鐵基Fenton 反應生成羥基自由基[30]。隨后羥基自由基會通過一系列途徑導致細胞損傷，途徑包括蛋白質氧化、脫氧核糖核酸損傷、線粒體抑制和脂質過氧化。同時自由基及其衍生物也通過以下途徑對腦組織造成損傷：（1）促進產生過量的Fe2+對腦細胞造成損傷；（2）Fe2+還能直接損傷Na+/K+-三磷酸腺苷酶，導致腦細胞去極化，然后腦細胞釋放大量谷氨酸，產生興奮毒性，導致細胞損傷[31]。同時，增加的谷氨酸可以進入細胞交換胱氨酸，胱氨酸缺乏激活細胞凋亡，導致氧化應激和細胞死亡[31]；（3）氧化應激會引起線粒體功能障礙，從而導致神經元凋亡。其中細胞色素C（Cytochrome C，CytC）的釋放是誘導細胞凋亡的關鍵步驟。首先，松散偶聯或緊密結合的CytC 受損，然后從線粒體膜內釋放出來；第二，線粒體外膜中的促凋亡蛋白被激活，使膜通透性增加，導致特異性孔的形成，游離的CytC 大量釋放；第三，CytC 與凋亡蛋白相關因子1（apoptotic protein-related factors 1，Apaf-1）等結合，形成Apaf-1/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9/CytC 復合物；最后，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 被激活，觸發延遲神經元死亡和細胞凋亡[32-33]。大量研究表明，HIE 期間，ROS 生成的增加可能促進CytC在線粒體內膜中釋放，其可做為心磷脂氧化的催化劑，而氧化的心磷脂是促凋亡因子釋放所必須的[34-35]。

4 鐵死亡機制

鐵死亡也參與HIE 的發生和發展，并在其中發揮重要作用。鐵依賴性脂質過氧化物（lipid peroxide，LPO）在體內過量累積導致的細胞結構破壞而引起的程序性死亡是其主要表現[36]，發生機制包括氨基酸和谷胱甘肽代謝異常、脂質過氧化和鐵代謝異常等。缺血、缺氧所導致的酸性環境可致鐵代謝出現異常，導致游離Fe2+過度積累，通過Fenton 反應導致LPO 蓄積。多元不飽和酸過氧化是重要驅動因素，其會導致LPO 在體內蓄積，引起鐵死亡[37]。氨基酸和谷胱甘肽代謝異常會影響谷胱甘肽過氧化酶4 的活性，導致其清除LPO 功能減低，LPO 過度蓄積[38]。最新研究表明，腦細胞缺氧缺血后的再灌注會通過抗鐵死亡系統的代償性激活，進一步加重腦損傷[39]。

5 其他作用機制

HIE 還和凝血機制障礙有關。一方面，缺氧缺血會對腦血管內皮及組織造成損害，導致血小板活化，其與內皮細胞相互作用，導致腦損傷；另一方面，凝血酶產生過多，導致微血栓的進一步形成，加劇腦損傷[40]。同時有研究顯示，腦血管中也會形成微血栓，導致腦血流量明顯減少，在釋放出炎癥因子的同時，破壞其自我調節機制，加重腦損傷[41]。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突