综述脑缺血再灌注损伤后神经元损伤机制及治疗研究进展

1、综述脑缺血再灌注损伤后神经元损伤机制及治疗研究进展吴伟,史继新中图分类号:R743.33文献标识码:A文章编号:1007-8568(200306-0391-04作者单位:210002江苏南京,南京军区南京总医院神经外科第一作者简介:吴伟(1974-,男,汉族,主治医师,硕士研究生。研究方向:脑血管病的外科治疗。近年来,对脑缺血再灌注损伤的研究越来越深入,大量的实验研究表明,脑缺血再灌注损伤对脑损害的机制是非常复杂的,本文就脑缺血再灌注损伤的相关病理生理机制及治疗方面的进展进行综述。1脑缺血再灌注损伤的病因机制1.1兴奋性氨基酸(EAA 与缺血再灌注损伤EAA 是一种神经递质,神经系统内EAA

2、主要是谷氨酸(G lutam ate ,EAA 受体有三种亚型:N -甲基-D -天门冬氨酸受体(NM DA 、-氨基羟甲基恶唑丙酸受体(AMPA 、亲代谢受体。其中NM DA 受体是受配基调节的离子通道,对Ca 2+具有通透性,可被M g 2+电压依赖性阻断。EAA 造成的神经元毒性作用主要包括两个方面:一是缺血后EAA 介导的大量Na +、C l -及H 2O 的内流,造成细胞毒性脑水肿;二是通过激活NM DA 受体,介导Ca 2+大量内流,以及IP3使细胞内钙库贮存的Ca 2+释放增加,导致细胞内Ca 2+超载,激发一系列瀑布样病理生理过程,进一步导致神经元的迟发性死亡1,2。N ish

3、izaw a Y 等3实验中发现EAA 在缺血的早期显著升高,而在再灌注后明显下降,G lutam ate 早期升高是由于电压依从性钙通道的激活,神经元或胶质细胞的损伤不能完全用兴奋性氨基酸毒性机制来解释。1.2自由基与缺血再灌注损伤人体内的自由基主要有超氧阴离子(O 2-,羟自由基(OH -、一氧化氮自由基(NO 、烷自由基、烷氧基和烷过氧基、脂质过氧化物自由基等。其中O 2-在生物体内广泛存在,是诱发自由基连锁反应的启动环节,其性质极不稳定,可以不断生成新的活性氧;OH -则是危害最大的自由基4。脑缺血及再灌注状态下自由基对神经元的损伤机制主要包括:(1改变血管的反应性,损伤血管内皮细胞,

4、破坏血脑屏障4;(2细胞膜,细胞器膜的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应,磷脂被降解而变性失能,目前多数学者认为自由基引发的脂质过氧化反应主要是在缺血后再灌注的早期5;(3细胞膜对Na +、Ca 2+以及大分子物质通透性增加,细胞发生细胞毒性水肿;(4促进缺血脑组织的兴奋性氨基酸的释放,加速神经元的坏死6;(5线粒体破坏丧失呼吸功能,能量生成障碍,溶酶体裂解,大量溶酶体送出胞浆,促使神经元细胞自溶6;(6干扰和抑制蛋白质的合成,可成为内皮保护的新途径之一,亦为血管炎治疗提供了新思路。参考文献1Cuchacovich R.Immuno p atho g enesis of vasculitisJ .

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9、ibodies :onl y for scientists or for clinicians tooJ .C lin Ex p Immunol.1996,104:199204(收稿2003-04-27破坏DNA的结构4。1.3缺血再灌注损伤中的炎症免疫机制以往认为,脑是免疫特许器官,缺乏对损伤产生炎症反应能力,但近年来大量研究表明,中枢神经系统可对各种损害产生完整的炎症反应。急性炎症反应在缺血再灌注损伤所引发的继发性脑损伤中起着关键作用。脑缺血再灌注损伤时,氧自由基和其他信使激活炎性细胞因子和致炎症酶原引起趋化因子释放,白细胞黏附分子(选择蛋白、整合素、免疫球蛋白超基因家族等表达上调,从而中

10、性粒细胞向微血管内皮细胞移动和黏附,致使中性粒细胞在缺血脑组织中浸润引起损伤。在脑缺血再灌注损伤中,中性粒细胞的活化和积聚在缺血再灌注损伤区神经元的损伤中扮演重要的角色。而且,缺血后再灌注大大增加中性粒细胞在微血管中的积聚。实验研究表明中性粒细胞的活化和积聚发生在缺血再灌注损伤后1h内,2448h达高峰。中性粒细胞及红细胞、纤维蛋白沉积物、血小板的积聚能导致毛细血管的堵塞、渗漏及减少微血管血流,甚至导致缺血区域的血液停滞现象,即所谓的再灌注后的“无复流”现象。聚集的白细胞释放氧自由基、溶蛋白酶及细胞激动素等造成组织坏死;当中性粒细胞迁移出血管浸润到缺血组织,通过细胞因子(肿瘤坏死因子、白介素-

11、1等的释放,还可直接导致细胞毒性损伤710。1.4血脑屏障破坏与缺血再灌注损伤血脑屏障(blood-brain barrier,BBB主要包括三层结构:脑血管内皮细胞(BCK C、基底膜和星形细胞终足。血管基底细胞依靠紧密连接构成一个连续密封的网状结构,是大分子物质经内皮细胞间转运的屏障。由星形细胞的足突组成的一层坚韧的胶质膜覆盖了脑毛细胞管周围85%左右的表面积。星形细胞对于BBB 的完整性有诱导和维持的作用。基底膜主要是由IV型胶原和纤连蛋白构成。它能起到支持作用,防止由于静水压和渗透压改变引起血管变形。脑缺血和再灌注时伴随炎性细胞因子、黏附分子的表达,白细胞浸润并产生大量的蛋白水解酶,特

12、别是基质金属蛋白酶(M MP、氧自由基和花生四烯酸代谢产物,这是导致BBB破坏的直接原因11。2脑缺血再灌注后神经元损伤机制2.1细胞凋亡与神经元损伤细胞凋亡是多细胞有机体为调控机体发育,维护内环境稳定,由基因控制的细胞主动死亡过程。它参与多种生理和病理过程。近年大量研究表明,细胞凋亡与脑缺血性损伤有着密切关系。凋亡是脑缺血再灌注损伤后神经元死亡的重要方式,尤其是迟发性神经元死亡。脑缺血再灌注损伤后神经元凋亡的发生与缺血的类型、严重程度、再灌注时间的长短有关。目前已发现有3类细胞凋亡相关基因,即抑制细胞凋亡的基因、促进细胞凋亡的基因和在细胞凋亡过程中表达的基因。前者又可分为促进细胞增殖的基因,

13、如:c-m y c、c-abl、ras相关基因、v-src。促进细胞存活基因,如: Bcl-2、EI B、LMW-5、c-kit、Bclx;第二类也可分为细胞增殖抑制基因,如:P52WT-1。促进细胞死亡基因;如:Bax、ICE、T RPM-2SG P-2、C-rel。早期即刻基因(IEG s是一类快速短暂表达并参与神经细胞的信息传递、生长、分化和损伤修复的基因,如c-fos、c-j un、krox-24,j un-B,j un-D等12,13。在缺血5m in再灌注3h,海马CAl区c-fos、c-j un、krox-24等IEG s强表达,提示它们可能与这些部位的细胞凋亡有关1214。凋亡

14、相关基因的调控研究是有关细胞凋亡研究的热点之一,对于探讨细胞凋亡的发生发展机制具有重要意义。2.2热休克蛋白与神经元损伤热休克蛋白(heat shock p rotein,HSP为一种应激蛋白,据分子量大小分为HSP90,HSP70,HSP60,HSP27及泛素等,其中HSP70基因在生物进化中最为保守,故对它的编码研究最为深入。大量研究表明,HSP70基因表达在脑缺血再灌注损伤后随缺血时间延长而在脑组织中表现出显著的区域及时程上的差异,并与缺血再灌注损伤后神经元的转归有关。脑缺血等应激能引发机体的热休克反应,但反应过低或过度均不利于机体生存,所以对热休克蛋白基因表达进行适当调控显得十分重要1

15、4,15。2.3细胞因子与神经元损伤脑缺血再灌注损伤后细胞因子在神经元损伤机制中发挥重要作用。研究表明,急性脑缺血后炎症反应引起继发的神经元损伤,缺血后再灌注可快速导致炎性细胞因子的表达,如T NF、I L-1、I L-6、I L-8、I L-10等,引起复杂的局灶性的内皮细胞、神经元、星形胶质细胞和血管周围细胞反应;继发的反应包括其它的细胞因子的释放,细胞间黏附分子表达的上调以及免疫反应成分的变化等,总的结局使局灶的内皮细胞转变成血栓前或炎症前状态以及白细胞向炎症病灶的转移7,16。2.4补体在神经元损伤中的作用以往的理论认为,由于血脑屏障的存在,脑和全身免疫系统之间存在解剖隔离现象。但近年

16、来的研究发现在脑内某些特殊区域如垂体、松果体、丘脑正中隆起等部位BBB缺如,加之缺血再灌注损伤后伴随BBB的破坏,这两种因素导致血液中的大分子补体成分可进入脑组织内;脑内星形细胞具有潜在的合成补体的功能,Vakava等17发现在细胞因子的刺激下,星形细胞可合成完整的补体系统,认为星形细胞在缺血再灌注损伤条件下可调控脑内补体的合成。进入脑内补体成分激活亦是通过经典途径、旁路途径、甘露糖凝集素(M BL途径。激活的补体可能通过下列反应导致脑损害17,18:(1C3a、C5a通过刺激炎性细胞释放组胺,导致血管通透性进一步增高;(2C5a刺激血管平滑肌导致脑缺血加重;(3作为白细胞趋化因子,吸引白细胞

17、聚集,引起进一步炎症反应;(4C3b、C4b促进巨嗜细胞的吞噬作用;(5补体系统终端激活产物膜攻击复合体(M AC插入细胞表面,形成亲水的离子通道,导致细胞毒性脑水肿。2.5多巴胺与神经元损伤脑内多巴胺主要分布于黑质纹状体系统。多巴胺合成后储存于囊泡中,神经元兴奋时以“胞裂外排”的形式释放。研究表明,脑缺血时多巴胺的释放有钙依赖性和非钙依赖性两种形式。缺血后多种因素所致的细胞内钙超载,可促进多巴胺释放。同时,由于能量耗竭、Na+、K+-AT P酶活性降低、细胞内钠离子浓度升高,DA可以非钙依赖性方式反向转运多巴胺,参与多巴胺的释放。导致细胞外多巴胺蓄积。多巴胺及其代谢产物均具有神经损伤作用。多

18、巴胺的毒性作用主要包括:多巴胺自身的神经毒性;多巴胺代谢产物的神经毒性;增强兴奋性氨基酸的毒性;诱导神经元凋亡等19,20。脑缺血再灌注损伤后神经元损伤机制是多种因素相互交叉、相互关联的级联反应过程,有国外学者形象地称之为:“瀑布样反应”。虽然脑缺血再灌注损伤后神经元损伤机制尚未确切阐明,但目前的研究成果已经突破了过去缺血后单纯依靠溶栓或血管再通的治疗方法。3治疗方法由于脑缺血再灌注损伤病理生理机制的复杂性,给其临床治疗带来了相应的困难。以下就近年来较为热点的治疗方法作一概述。3.1亚低温80年代中后期以来,大量的基础研究证明了亚低温(3135对缺血性脑损害的保护作用,且副作用轻微。其保护机制

19、主要包括:(1减少兴奋性氨基酸释放,减轻缺血后兴奋性毒性;(2抑制谷氨酸受体的应答反应;(3减轻细胞内钙超载;(4抑制自由基的产生;(5抑制多巴胺的代谢,减轻多巴胺的细胞毒性作用;(6促进热休克蛋白,尤其是HSP70的聚集;(7促进即早基因的表达;(8抑制缺血再灌注损伤后神经元的凋亡1,21。亚低温的确切脑保护机制虽未完全阐明,但研究已表明亚低温的保护机制和脑缺血再灌注损伤的损害机制同样是多方面的。因此,该方法在缺血脑损害的治疗方面应是非常有前景的。3.2基因治疗缺血的核心地带神经元主要表现为坏死,而在缺血半影区,存在可挽救的神经元,如不加干预,这些神经元的结局是基因控制的程序化细胞死亡(凋亡

20、,缺血半影区神经元存在不正常的基因表达,以上结论已为大量实验研究所证实23,24。根据缺血后神经元损伤机制,基因治疗必须达到以下目标:抑制凋亡,抑制炎症,抑制神经元兴奋性毒性,减少自由基生成等。以前的研究已发现bcl-2及ced-9基因家族可抑制凋亡,可作为抗氧化剂对抗自由基损害作用23。基因治疗虽然前景广阔,但该领域仍有许多关键问题尚未解决,目前基因治疗存在主要困难是:(1无理想靶基因载体;(2携带靶基因的病毒或细菌载体要在转染的脑组织中达到理想的基因表达需数小时到数天时间,该时间对缺血中心区域的神经元来说,已无挽救意义;(3缺血后伴随明显的蛋白合成受抑,对靶基因的正常表达影响很大22。3.

21、3抑制EAA释放及EAA突触后受体拮抗剂N ishizaw a Y实验中发现通过抑制突触前EAA的释放及抑制突触后NM DA受体对神经元有明显保护作用3。BW1003C87和拉莫三嗪能阻断钠离子通道激动剂所致的突触前的EAA释放,但不能阻断钾离子通道开放所致的EAA释放。NM DA非竞争性拮抗剂如MK-801、右吗喃、CNS1102,竞争性拮抗剂如CG S19755等能减少缺血半影区钙离子内流,但可导致远隔区域的神经元空泡化等副作用23。3.4高压氧治疗高压氧对缺血再灌注损伤的脑保护作用存在争议,Badr AE等通过大脑中动脉缺血再灌注损伤大鼠模型分析,认为高压氧在缺血再灌注损伤后6h内有效,

22、而超过12h则无效甚至会加重损伤24。Y an g Z J等25研究发现高压氧通过抑制多巴胺释放而对缺血再灌注损伤起保护作用,高压氧能挽救脑缺血再灌注损伤后半影区濒临凋亡的神经元,可促进Bcl-2及Mn-SOD的表达,而抑制神经元损害及凋亡。3.5雌激素治疗Alka y ed等26认为,雌激素对缺血再灌注损伤脑保护作用主要是通过抗过氧化、减低神经兴奋毒性损伤、激活某些蛋白酶及上调Bcl-2基因的表达等发挥神经保护作用。3.6镁离子治疗Lin J Y等27在沙土鼠右侧颈总动脉及大脑中动脉缺血60m in再灌注模型中利用微透析技术发现镁离子能明显减少细胞外谷氨酸浓度,镁离子干预组梗塞体积明显小于对

23、照组。K inoshita Y等28在大鼠大脑中动脉缺血2h再灌注模型中发现镁离子干预组缺血半影区异常的基因表达如c-fos、HSP70、BDNF(brain-deriv-ed neurotro p hic factor、COX-2等明显受抑,从而抑制神经元的凋亡及减轻神经元损害。3.7自由基清除剂实验证明,外源性SOD、黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌呤醇(allo p urinol、维生素E、维生素C、过氧化氢酶、二甲基亚砜(dim eth y l sulfox ide,DMSO等自由基清除剂对缺血/再灌注损伤的脑组织有保护作用。迄今为止,对于脑缺血再灌注损伤的研究,绝大部分是动物实验,这些实验资料

24、为缺血再灌注损伤的临床防治提供了重要的启示和借鉴,为临床研究奠定了重要的基础。随着人们对脑缺血再灌注损伤机制的不断认识,其治疗方面的研究亦将取得更大的进展。参考文献1K i y oshi K atooka,H isao Y anase.M ild h yp otherm ia-a revived counterm ea2 sure a g ainst ischem ic neuronal dam a g esJ.Neuroscience research.1998, 32:1031172N aka y am a R,Y ano T,Ushi j im a K,et al.E ffects of

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