脑缺血再灌注损伤主要发病机制的研究进展

脑缺血再灌注损伤重要发病机制的研究进展脑血管疾病是一种严重危害人类身体健康的疾病，其含有死亡率、致残率高和难以预见的特点，始终受到国内外医学界的广泛关注[1]。其中，缺血性脑损伤疾病占脑血管疾病的绝大部分，缺血后及时的恢复血流再灌注对于恢复缺血区脑组织血氧供应、维持受损脑组织的正常形态与功效含有重要的意义。但当脑组织缺血时间较长时，再予以恢复血流再灌注的解决睬进一步加重脑组织的损伤程度，此即为脑缺血再灌注损伤。脑缺血再灌注损伤的发病机制是一种快速的级联反映,这个级联反映涉及许多环节[2]。重要环节有细胞内钙稳态失调、脑组织中氨基酸含量失稳态、自由基生成、炎症反映、凋亡基因激活及能量障碍等。这些机制彼此重叠,互相联系,形成恶性循环,最后引发细胞凋亡或坏死，造成缺血区脑组织不可逆的损伤[3]。脑缺血早期，由于阻断血流使有关脑区能量（葡萄糖、O2、ATP等）快速耗尽而造成能量危机，大脑神经元内钙离子超载，氧自由基增多以及兴奋性氨基酸的过分释放，引发了细胞内的毒性反映，引发神经元的过分凋亡和一系列的炎症反映；长时间的脑缺血恢复再灌注后，存活的脑组织中过氧化物堆积，可加剧脑组织损伤，在缺血区可见坏死、凋亡的细胞并随着明显的炎症症状，引发脑组织坏死，且坏死区域会随着时间和空间扩大，进一步加重脑损伤程度[4]：1.Ca2+超载与脑缺血再灌注损伤钙离子参加细胞膜电位和细胞内的生化反映过程,对于维持神经细胞的正常功效起到核心性的调节作用[5],钙离子在脑缺血再灌注损伤的作用重要涉及:（1）脑缺血再灌注后，细胞内Na+/Ca2+交换蛋白快速激活，Na+向细胞外转运，同时将大量Ca2+转入细胞内，造成细胞内Ca2+超载,触发线粒体摄取Ca2+,使Ca2+聚集在线粒体内,过量的Ca2+可克制ATP合成,使能量生成障碍；（2）Ca2+活化能激活线粒体上的磷脂酶,增进膜磷脂分解产生对细胞有毒害作用的游离脂肪酸、前列腺素、白三烯和溶血磷脂等，变化其通透性,引发线粒体膜损伤。另外Ca2+还活化钙依赖蛋白酶,使胞内无害的黄嘌呤脱氢酶转变黄嘌呤氧化酶,生成大量氧自由基，造成细胞不可逆的损伤[6,7]。2.氧自由基生成与脑缺血再灌注损伤氧自由基能引发组织脂质过氧化和细胞内钙超负荷造成，重要体现为：急性缺血时脑细胞忽然处在低氧、缺氧状态,能量供应局限性，造成细胞ATP生成减少,线粒体及内质网质膜上Ca2+-ATP酶活性下降,使细胞内Ca2+平衡紊乱[8]；而脑血流再灌注后,原处在低氧缺氧状态的脑细胞的供氧忽然增加,刺激细胞产生大量自由基消耗了多个抗氧化酶和抗氧化剂,如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽（GSH）和维生素E等，使脑组织抗氧化能力明显减少；同时脑组织中又富含易被自由基攻击的脂质，能进一步加重缺血区脑组织的损伤[9,10]。另外，由于氧自由基的过量释放，使Ca2+的保存、摄取和释放的紊乱程度增加,亦能加速细胞损伤，自由基的这种链锁反映在脑缺血再灌注损伤中起重要作用。3.兴奋性氨基酸与脑缺血再灌注损伤兴奋性氨基酸（EAA）是中枢神经系统中的兴奋性神经递质，其中谷氨酸(Glu)是兴奋性氨基酸中含量最多、分布最广的氨基酸，其发育早期阶段对组织含有神经营养作用，发育后期则体现为毒性作用[11]。同时，中枢神经系统中还存在着以γ-氨基丁酸（GABA）为代表的一系列克制性氨基酸（IAA），它能增进脑的活化性，对抗Glu对脑组织的毒性作用[12]。生理条件下，高效能的谷氨酸摄取系统的存在使Glu维持在较低的水平，仅有少量作为兴奋性神经递质参加信号传递，使EAA和IAA含量保持在一种正常稳定的状态。而在脑缺血时，Glu大量释放造成神经元兴奋、溃变和死亡，产生兴奋性毒性[13]。重要体现在：（1）脑缺血后EAA含量增多，其神经毒性作用通过与N-甲基-D-门冬氨酸（NMDA）受体或非NMDA受体结合，引发Na+和Cl-进入胞内造成神经元损伤以及Ca2+内流使钙超载引发的细胞损伤[14]；（2）Glu能克制细胞膜上的谷氨酸/胱氨酸转运体,胱氨酸在体内能还原成半胱氨酸(cys),cys是合成抗氧化物质谷胱甘肽(GSH)的原料,当胞外Glu过多时可克制谷氨酸/胱氨酸转运体的功效,造成GSH合成减少,从而使细胞内氧自由基堆积对细胞产生毒性作用[15]。（3）EAA含量的异常增多会破坏EAA与IAA的动态平衡，引发内环境状态紊乱，使GABA抗Glu功效减少，加剧细胞毒性。4.热休克蛋白与脑缺血再灌注损伤热休克蛋白（HSP）在脑缺血再灌注后，能够启动机体内源性保护机制，增强脑缺血耐受、毒耐受及氧化损伤耐受，是一种能提高细胞应激能力的保护性蛋白质。HSP通过结合对应的蛋白质分子，发挥多个生理功效：HSP能对抗内源性损伤因子引发的毒性作用，保护脑细胞；去除细胞内异常蛋白，加速脑细胞损伤修复；克制促凋亡蛋白，提高抗凋亡蛋白体现水平[16]。具体体现为HSP能协助氨基酸链折叠成对的的三维构造，去除无法对的折叠的变性蛋白及激活某些酶的作用以保护细胞生存和功效，参加细胞的修复。HSP还能保护线粒体，克制凋亡促凋亡因子细胞色素C释放,克制促凋亡基因P53、Bax的体现及诱导抗凋亡基因Bcl-2的体现,阻断细胞凋亡[17]。近年来对热休克蛋白70（HSP70）的研究越来越受到国内外医学界的重视，生理条件下HSP70的mRNA在脑内体现稳定；应激状态下，其它蛋白合成受到克制，HSP70的体现在梗死灶周边神经元明显增多，而敲除HSP基因后，HSP体现下降，细胞凋亡增多[18,19]，提示HSP70能通过体现的升高来增强机体对抗外界刺激的应激能力。5.线粒体功效障碍与脑缺血再灌注损伤脑缺血再灌注损伤期间，线粒体通透性转换通道（PTP）会发生明显的异常开放现象。脑缺血再灌注后，细胞内钙超载、氧自由基和游离脂肪酸的大量生成以及EAA的过分释放均可引发PTP开放，造成线粒体能量合成障碍，继发引发一系列的神经元凋亡及坏死现象。缺氧缺血状况下，线粒体DNA受损，线粒体正常功效受损，呼吸链复合物活性遭到破坏，使黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖性复合物途径被过分运用，自由基生成增加，超出了细胞本身的去除能力，造成细胞凋亡及坏死[20,21]。6.炎症反映与脑缺血再灌注损伤脑缺血及再灌注后，脑微血管内白细胞大量聚集引发由有关酶催化的多个炎症反映,大量的炎性有关因子的释放造成脑微血管功效紊乱及局部脑组织中液体及蛋白质的积聚,造成脑不可逆的损伤，脑组织的这些病理性变化与脑缺血再灌注后继发的脑损害亲密有关[22]，炎症反映的重要因子涉及炎性细胞、炎性介质和炎症反映有关酶。6.1炎性细胞代表性的炎症细胞重要涉及白细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞：在脑缺血诱导的炎症反映中,白细胞特别是中性粒细胞和单核巨噬细胞的聚集、浸润是炎症反映发生的核心环节。白细胞会粘附于内皮细胞，并能穿过血管内皮、浸润到脑组织中，为后续脑内微血管梗阻、脑水肿及脑梗死发明条件[23]。小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）中一种重要的免疫效应细胞，生理状态下，小胶质细胞能去除脑组织损坏的神经元，对脑有重要的保护作用。但在脑缺血及再灌注后，小胶质细胞被过分激活，能释放大量促炎介质引发神经毒性作用[24]。星形胶质细胞是中枢神经系统中重要的非神经元细胞，起到在构造和营养上支持神经元的作用。脑缺血再灌注时，星形胶质细胞会被过分激活而增值肥大，刺激释放Glu造成兴奋性氨基酸毒性，同时也形成妨碍轴突再生的瘢痕并分泌大量炎性介质,参加脑缺血损伤诱导的炎症反映[25]。6.2炎症介质6.2.1白细胞介素-1（IL-1）：涉及IL-1α和IL-1β，IL-1β是血浆和组织液中重要的分泌形式，也是脑组织中的重要形式。CNS中的内皮细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞均可合成IL-1β[26]。IL-1β可通过刺激内皮细胞体现白细胞黏附分子，使白细胞大量聚集于缺血脑组织，加重脑组织伤害[27]。6.2.2白细胞介素-6（IL-6）：机体内多个细胞经IL-1、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和干扰素-γ（IFN-γ）的诱导都可合成IL-6。生理条件下，IL-6可促星形胶质细胞生长，增进神经因子释放，有明显的神经营养作用。而脑缺血再灌注后高水平体现的IL-6，会对神经元产生明显的毒性作用[26,29]。6.2.3白细胞介素-8（IL-8）：IL-8是中性粒细胞特异性聚集于炎症部位的重要趋化因子[28]，会促使中性粒细胞通过着边、捕获、滚动、活化、黏附和移行等过程从血管达成炎症部位。因中性粒细胞在炎症部位的聚集和活化是炎症反映的重要环节，故IL-8的大量体现也间接表明了炎症反映的发生和组织损伤程度的加剧[29]。6.2.4白细胞介素-10（IL-10）：IL-10能克制巨噬细胞的抗原提呈功效，使其分泌TNF、IL-1和IL-6的能力减少，并能增进B细胞增殖、分化及抗体的产生，从而克制脑缺血后炎症反映，减少脑缺血后神经元的坏死[30]。有文献报道，通过中医头针疗法能够在一定范畴内增进IL-10的体现，从而减轻急性脑缺血再灌注白细胞的浸润，起到保护神经的作用[31]。6.2.5细胞黏附分子-1（ICAM-1）：ICAM-1介导的黏附过程在白细胞与内皮细胞之间的黏附及白细胞穿出血管壁过程中起重要作用[32]。在脑缺血及再灌注期间，缺血区脑组织产生的炎性细胞因子诱导脑微血管内皮细胞体现多个黏附分子,造成白细胞浸润到局部缺血脑组织造成脑损伤。6.2.6肿瘤坏死因子-α（TNF-α）：是由巨噬细胞和单核细胞产生的促炎细胞因子，在病理条件下其体现会明显增多，而TNF-α分泌或合成的增加也脑缺血早期是脑梗塞形成的重要因素[33]。其作用机制重要涉及：（1）调节ICAM-1体现，引发炎症反映。（2）经内皮细胞激活作用促成凝血状态和血管收缩。（3）影响血管舒缩活性物质的体现[34]。6.2.7血小板活化因子（PAF）：是迄今为止发现体内最强的血小板聚集剂，能够激活聚集中性粒细胞，增加血管壁通透性，增进TNF-α产生。实验表明，在沙土鼠短暂性全脑缺血再灌注1h后，皮层、海马和丘脑区能检测到PAF的大量体现[35]。6.3炎症反映有关酶6.3.1环氧合酶（COX-2）：是花生四烯酸代谢的限速酶，正常生理条件下含量低。机体经脑缺血刺激后能快速产生大量的COX-2，花生四烯酸活性增强，催化前列腺素合成参加炎症反映，造成血小板和中性粒细胞黏附于内皮细胞，增进血脑屏障开放[36]，进一步加重脑损伤。6.3.2髓过氧化酶（MPO）：MPO是一种由中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞分泌的白细胞酶，重要位于中性多形核白细胞颗粒中。有研究证明，MPO体现与TNF-α体现呈正有关，其活性是评价中性粒细胞在组织中浸润程度的重要指标[37]。6.3.35-脂氧酶（5-LOX）：是催化花生四烯酸合成白三烯的核心酶，能增进氧自由基产生，增进机体催化合成前列腺素、血栓素和白三烯，这些产物可诱导组织内的炎症反映和病变[38]。研究发现，大鼠局灶性脑缺血后12-24h，缺血区神经细胞出现5-LOX体现的高峰，而5-LOX克制剂可有效地减轻神经细胞损伤，提示脑缺血后大鼠脑组织5-LOX体现的变化可能参加了脑出血后早期神经细胞的损伤过程，其机制可能与炎症反映有关[39]。7.细胞凋亡与脑缺血再灌注损伤细胞凋亡，是指机体为维持内环境稳态，由基因控制的细胞自主的有序的死亡，是机体为更加好地适应生存环境而主动争取的一种正常的生理现象。但脑缺血及再灌注后，大量研究显示脑组织中神经元的过分凋亡现象能很大程度上加剧脑损伤，引发一系列机体正常生理功效障碍[40,41]。脑缺血后介导的细胞凋亡通路有两条重要的典型通路，涉及：内源性细胞凋亡通路(又称线粒体介导的凋亡通路)、外源性细胞凋亡通路(又称死亡受体介导的凋亡通路)[42]。7.1线粒体介导的凋亡通路与脑缺血再灌注损伤：线粒体是多个促细胞凋亡信号转导分子的靶点，同时也是细胞死亡通路的整合元件[43]。脑缺血损伤会造成神经元细胞一连串的病理学变化，涉及线粒体膜去极化和通透性转换孔开放等。线粒体膜的上以Bax蛋白为主的促凋亡蛋白体现明显增加[44]，而抗凋亡蛋白Bcl-2的含量明显减少，使其克制CytC和Caspase活性的功效削弱[45]，这些异常变化均能够启动线粒体依赖的凋亡通路，刺激线粒体释放细胞色素C（CytC），CytC释放之后聚合并活化细胞凋亡活化因子-1（Apaf-1）和procaspase-9，造成凋亡体的形成[43]。下游的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9（Caspase-9）被上述蛋白因子激活，Caspase-9是Caspase酶家族中线粒体介导的半胱天冬酶级联反映的起始者，Caspase-9活化后能激活下游的与其属于同一种蛋白酶家族的半胱氨酸天冬酶-3（Caspase-3）[46]，Caspase-3作为细胞凋亡多条通路共有的核心性介质，能够切割对应的底物蛋白，如多腺苷二磷酸核糖聚合酶-1（PARP-1），裂解PARP-1的过分激活引发DNA片段碎裂和细胞功效障碍，最后造成细胞凋亡[47]。7.2死亡受体介导的凋亡通路与脑缺血再灌注损伤：是由胞外肿瘤坏死因子（TNF）超家族的死亡配体如TNFa、FasL/CD95L、TWEAK和TRAIL引发，在缺血后凋亡区可见FasL的大量体现，Fas和FasL结合可造成致死区域（DD）聚集。以FADD/MORT1（Fas-associateddeathdomain）为代表的衔接蛋白通过死亡区域与procasepase-8结合形成死亡诱导信号复合物(death—inducingsignalingcomplex，DISC)，DISC进一步激活其下游效应蛋白酶caspase-3使细胞走向凋亡[48]。同时，激活的caspase-8能使胞质中的Bid断裂成tBid，tBid能转移到线粒体上，诱导CytC从线粒体释放进入胞质，激活线粒体凋亡通路，从而把死亡受体通路和线粒体通路联系起来，有效地扩大了凋亡信号[42,43]。缺血性脑损伤疾病已经成为严重危害中老年人群生命安全和生活质量的严重疾病[49]。由于大脑对氧的需求量比较大，比其它器官更容易产生再灌注损伤，即脑缺血再灌注损伤。通过上述对脑缺血再灌注损伤发病机制的研究，我们发现这些级联反映极其复杂多变，且彼此关联，互为因果，造成了对缺血性脑损伤疾病药品治疗靶点的多样性和复杂性。现今临床上对于这类疾病的药品治疗还是以防止用药为主，手术是最重要的治疗方式。因此，寻找一种能在脑缺血再灌注损伤的多条通路和多个机制上都有克制作用的药品，将含有重大的临床治疗意义。另外，近年来的大量研究证明传统中药制剂及中草药提取物对于治疗脑缺血再灌注损伤显示了比较好的防止和治疗效果[50-52]，但如何将其从前期实验转移到临床应用中还需要更加进一步的研究与探索。

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