腦預適應保護研究進展

趙一龍，郭安臣，王擁軍，王群

16世紀初，毒理學家Paracelsus觀察到“劑量產(chǎn)生毒性”的現(xiàn)象。低于有害劑量的細胞應激能產(chǎn)生一種保護狀態(tài)，稱為“預保護”[1]。1964年，Janoff提出了“預處理”這一概念，即低于損傷閾值的刺激可在隨后產(chǎn)生保護作用。在1986年Schurr等[2]表明體外腦組織缺氧可產(chǎn)生低氧適應性。Kitagawa及其同事發(fā)現(xiàn)沙鼠短暫的全腦缺血可以保護大腦免受隨后長時間缺血造成的損傷[3]。

預適應是這樣一種現(xiàn)象：短暫的亞致死損害會為隨后發(fā)生的致死損傷提供強力的保護作用，它被認為是自然界中的一種常規(guī)形式[1]。本文將針對幾種常見的大腦預適應保護現(xiàn)象進行綜述。到目前為止出現(xiàn)了兩種內(nèi)生機制，即預處理和后處理。預處理對大腦的保護可在刺激后立刻發(fā)生（稱為早期，快速或經(jīng)典的預處理），也可延遲1～3 d后發(fā)生，以誘導出蛋白合成相關的保護（稱為延遲性預處理）[4]。快速預處理在臨床中可應用于存在高風險并發(fā)癥的疾病，如心臟或腦部手術。由于延遲性預處理對大腦的保護作用似乎比早期預處理更強大，因此延遲性預處理在神經(jīng)內(nèi)科領域受到越來越多的關注。然而，盡管存在有效的方式來進行大腦的早期預處理，但是對于早期和延遲性預處理所產(chǎn)生的神經(jīng)保護作用缺少規(guī)范的比較。后處理則是一種治療性的再灌注方式，通過這種方式器官可以得到間歇性灌注，例如在實驗中（或在臨床中，如血管成形術或器官移植）夾閉動脈的間歇性開啟和關閉。后處理是減少局灶性缺血和再灌注損傷的一種新的神經(jīng)保護方法[5]。

預處理和后處理的效應器是一組相似的下游信號通路，但二者的調(diào)控機制可能完全不同，原因在于：后處理開始時誘導快速的神經(jīng)保護作用，而預處理誘導的神經(jīng)保護作用則有一個明顯的短暫延遲（蛋白質(zhì)合成依賴性）；后處理可能不涉及內(nèi)源性神經(jīng)保護的激活，而是在再灌注時減少自由基的釋放。下面，我們將分別介紹幾種不同的預適應保護形式。

1 缺血預處理

許多體內(nèi)和體外研究表明，短暫暴露于亞致死性缺血環(huán)境中的神經(jīng)元可產(chǎn)生耐受性，對隨后長期且致命的缺血損傷呈現(xiàn)抵抗。這種現(xiàn)象，稱為缺血預處理（ischemic preconditioning，IPC）[6]。參與這種現(xiàn)象的分子機制是學者們的研究熱點，以便為腦缺血開辟新的治療途徑。

幾種不同的預處理刺激包括非損傷性缺血、皮層擴散抑制、短暫癲癇發(fā)作、暴露于吸入性麻醉劑中、低劑量的內(nèi)毒素、高溫或熱休克都可誘導出對缺血性腦損傷的免疫耐受，從而提供保護作用，防止與刺激形式完全不同的損傷，這一著名現(xiàn)象稱為“交叉耐受”現(xiàn)象，即一種刺激可促進對另一種形式的交叉耐受，或者可引起腦耐受性的刺激也可以引起其他器官的耐受性[7]。由于誘導劑和耐受機制可能有類似的特點，因此在一個器官中誘導免疫耐受，可通過神經(jīng)或旁分泌機制，擴散到其他器官，這種現(xiàn)象被稱為“遠程預處理”或“遠距離預處理”[8]。可誘導保護作用的特定刺激，在強度，時間和（或）頻率方面的不同，決定了刺激強度太弱不能引起反應，或刺激強度足夠可引起預處理，或刺激強度過大產(chǎn)生損害[9]。

一般情況下，延遲性缺血耐受的誘導需要新蛋白質(zhì)的合成，并且此耐受的持續(xù)時間從幾天到幾個星期不等。而大腦缺血耐受的時間明顯遵從于延遲的模式，可見活性蛋白的合成可能在腦缺血耐受的發(fā)展中是必要的[10]。一旦被誘導，缺血耐受會持續(xù)幾天，并在幾星期后逐漸消失。

2 藥物預處理

對產(chǎn)生IPC作用的細胞信號通路的識別為我們開創(chuàng)新的治療策略提供了基本的框架，即用藥物模擬預處理的神經(jīng)保護作用——稱為藥物預處理[11]。一些內(nèi)源性藥物包括腺苷[12]、一氧化氮[13-14]、硫化氫[15]等已被證明可模擬IPC的細胞保護作用。此外，大電導鈣激活鉀通道（large-conductance Calcium-activated potassium channels，BKCa）的通道開放劑如NS1619[16]，適度的酒精[17]，紅葡萄酒中的葡萄多酚類化合物白藜蘆醇[18-21]以及某些揮發(fā)性麻醉藥如異氟醚[22-23]等都可以減少梗死面積，且達到類似于IPC后的程度。相對于那些更有危害性并且更加復雜的預處理方式，藥物預處理更加容易建立，因此在臨床上將其應用于對抗大腦缺血損傷將很有前景。

3 缺血后處理

缺血后處理被定義為在缺血后建立回流時進行簡單重復的再灌注，從而可顯著改善缺血發(fā)作的預后[24]。閉塞血管的再血管化并及時再灌注是目前用于治療急性缺血性卒中最有效的方法。然而，在再灌注早期階段會產(chǎn)生活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）及細胞內(nèi)游離Ca2+超載，從而導致額外的損傷。為了減輕再灌注后的早期充血反應損傷，研究人員提出在缺血后立即進行一系列重復性的短暫中斷再灌注的缺血后處理的保護方式[25]。

對損傷性缺血大腦進行不同周期的短暫非損傷性缺血，可實現(xiàn)神經(jīng)保護作用，并建立了兩種研究模型：首先永久性的遠端閉塞大腦中動脈，然后再閉塞雙側(cè)頸總動脈（common carotid artery，CCA）[26]；先進行短暫性大腦中動脈閉塞，然后進行短暫性大腦中動脈閉塞和再灌注[27]。

這種保護機制也在體外（即在海馬器官型切片培養(yǎng)和原代神經(jīng)元的有害的氧糖剝奪模型中）以及非損傷的周期性氧糖剝奪和復氧模型中得到證實[28]。因此，一些治療方法（即短期缺血，缺氧，異氟醚，去甲腎上腺素和3-硝基丙酸）可以作為后處理的刺激，有效誘導缺血耐受。

4 藥物后處理

隨著缺血后處理的機制已被闡明，以及藥理性缺血后處理的潛在優(yōu)勢，它們中的如腺苷和揮發(fā)性麻醉藥（如異氟烷），經(jīng)美國食品藥品管理局批準用于改善動物預后方面的研究。這些藥理性缺血后處理可能會更適合那些身體太虛弱不能承受微創(chuàng)治療的患者，或遠離專業(yè)治療中心不能得到及時救治的患者。

在兔心肌中應用異氟烷進行缺血后處理或機械性缺血后處理可產(chǎn)生相似的心肌梗死面積的減少[29]。當與機械缺血后處理聯(lián)合應用時，可產(chǎn)生累積的效果[30]。麻醉藥誘導的缺血后處理似乎與機械性缺血后處理存在類似的機制，并且通過抑制再灌注損傷補救激酶途徑，可以抵消兩者的保護作用[31]。

5 其他預處理

除了上述幾種經(jīng)典的預適應外，還有幾種預適應保護類型：低壓氧預處理、高壓氧預處理、低溫預處理、高溫預處理、系統(tǒng)性應激預處理。

低壓氧預處理是將細胞培養(yǎng)基或動物放置在一個密閉缺氧室中，而密閉缺氧室中為常壓缺氧條件（8%的氧氣），其余氧氣用氮氣替換[32]。低壓氧預處理模型在體內(nèi)和體外都能建立，并能有效抑制成人的腦缺血損傷[32]。

高壓氧預處理是通過將100%的氧氣注入加壓艙中實現(xiàn)，可以防止后續(xù)的短暫腦缺血損傷。有動物研究表明，相對于短暫快速的高壓氧預處理，長期的高壓氧預處理更能有效地建立耐受狀態(tài)[33]。

低溫已被建議應用于急診醫(yī)學。一次短暫的低溫預處理也能產(chǎn)生類似預保護的作用。在大鼠腦切片中，在氧糖剝奪前0～3 h進行低溫預處理（33℃，20 min）能有效防止氧糖剝奪導致的浦肯野細胞的死亡[34]。

短暫地暴露于高溫中能誘導大腦耐受，減輕缺血性損傷。成年大鼠被放在42℃的水浴裝置中15 min，在18 h或24 h后，對其進行大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于那些沒經(jīng)過高溫預處理的大鼠，經(jīng)過高溫預處理的大鼠的腦梗死面積明顯減少，并且學習和記憶能力明顯提高[35]。

許多預處理研究是通過急性應激來誘導出神經(jīng)保護作用。除此之外給予亞致死量的慢性持續(xù)性應激如身體鍛煉[36]以及節(jié)食[37-38]等，也能提供預保護作用。

對腦預適應保護激活的內(nèi)源性生存機制并不依賴于藥代動力學或應用方式的不同，而后兩者會阻礙嚙齒類動物的神經(jīng)保護方法轉(zhuǎn)用到人類中。因此，內(nèi)在的細胞生存通路的識別將提供更直接的機會來轉(zhuǎn)化神經(jīng)保護試驗。雖然目前的研究主要集中在卒中，但是研究者可能會發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成腦預適應保護的與生俱來的調(diào)節(jié)體系同樣也適用于保護大腦免受其他急性和慢性神經(jīng)退行性疾病的影響。

1 Stetler RA, Leak RK, Gan Y, et al. Preconditioning provides neuroprotection in models of CNS disease：paradigms and clinical significance[J]. Prog Neurobiol, 2014, 114：58-83.

2 Schurr A, Reid KH, Tseng MT, et al. Adaptation of adult brain tissue to anoxia and hypoxia in vitro[J].Brain Res, 1986, 374：244-248.

3 Kitagawa K, Matsumoto M, Kuwabara K, et al.'Ischemic tolerance' phenomenon found in the brain[J].Brain Res, 1990, 528：21-24.4

4 Dirnagl U, Becker K, Meisel A. Preconditioning and tolerance against cerebral ischaemia：from experimental strategies to clinical use[J]. Lancet Neurol, 2009, 8：398-412.

5 Zhao H. The protective effect of ischemic postconditioning against ischemic injury：from the heart to the brain[J]. J Neuroimmune Pharmacol, 2007,2：313-318.

6 Gidday JM. Cerebral preconditioning and ischaemic tolerance[J]. Nat Rev Neurosci, 2006, 7：437-448.

7 Pignataro G, Scorziello A, Di Renzo G, et al.Post-ischemic brain damage：effect of ischemic preconditioning and postconditioning and identification of potential candidates for stroke therapy[J]. FEBS J,2009, 276：46-57.

8 Gill R. Remote ischemic preconditioning for myocardial protection：update on mechanisms and clinical relevance[EB/OL]. (2015-01-01)[2015-01-10].http：//link.springer.com/article/10.1007%2Fs11010-014-2312-z.

9 Dirnagl U, Simon RP, Hallenbeck JM. Ischemic tolerance and endogenous neuroprotection[J]. Trends Neurosci, 2003, 26：248-254.

10 Barone FC, White RF, Spera PA, et al. Ischemic preconditioning and brain tolerance：temporal histological and functional outcomes, protein synthesis requirement, and interleukin-1 receptor antagonist and early gene expression[J]. Stroke, 1998, 29：1937-1931.

11 Obrenovitch TP. Molecular physiology of preconditioning-induced brain tolerance to ischemia[J].Physiol Rev, 2008, 88：211-247.

12 Williams-Karnesky RL, Stenzel-Poore MP.Adenosine and stroke：maximizing the therapeutic potential of adenosine as a prophylactic and acute neuroprotectant[J]. Curr Neuropharmacol, 2009, 7：217-227.

13 Kunz A, Park L, Abe T, et al. Neurovascular protection by ischemic tolerance：role of nitric oxide and reactive oxygen species[J]. J Neurosci, 2007, 27：7083-7093.

14 Yamaguchi T, Kamada K, Dayton C, et al. Role of eNOS-derived NO in the postischemic antiinflammatory effects of antecedent ethanol ingestion in murine small intestine[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2007, 292：H1435-1442.15.

15 Yusof M, Kamada K, Kalogeris T, et al. Hydrogen sulfide triggers late-phase preconditioning in postischemic small intestine by an NO- and p38 MAPK-dependent mechanism[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2009, 296：H868-876.

16 Gáspár T, Katakam P, Snipes JA, et al. Delayed neuronal preconditioning by NS1619 is independent of calcium activated potassium channels[J]. J Neurochem,2008, 105：1115-1128.

17 Collins MA, Neafsey EJ, Mukamal KJ, et al.Alcohol in moderation, cardioprotection, and neuroprotection：epidemiological considerations and mechanistic studies[J]. Alcohol Clin Exp Res, 2009,33：206-219.

18 Raval AP, Lin HW, Dave KR, et al. Resveratrol and ischemic preconditioning in the brain[J]. Curr Med Chem, 2008, 15：1545-1551.

19 Tan L, Yu JT, Guan HS. Resveratrol exerts pharmacological preconditioning by activating PGC-1 alpha[J]. Med Hypotheses, 2008, 71：664-667.

20 Della-Morte D, Dave KR, Defazio RA, et al.Resveratrol pretreatment protects rat brain from cerebral ischemic damage via a sirtuin 1-uncoupling protein 2 pathway[J]. Neuroscience, 2009, 159：993-1002.

21 Saleh MC, Connell BJ, Saleh TM. Resveratrol preconditioning induces cellular stress proteins and is mediated via NMDA and estrogen receptors[J].Neuroscience, 2010, 166：445-454.

22 Xu X, Kim JA, Zuo Z. Isoflurane preconditioning reduces mouse microglial activation and injury induced by lipopolysaccharide and interferon-gamma[J].Neuroscience, 2008, 154：1002-1008.

23 Li L, Zuo Z. Isoflurane preconditioning improves short-term and long-term neurological outcome after focal brain ischemia in adult rats[J]. Neuroscience,2009, 164：497-506.

24 Gulati P, Singh N. Pharmacological evidence for connection of nitric oxide-mediated pathways in neuroprotective mechanism of ischemic postconditioning in mice[J]. J Pharm Bioallied Sci,2014, 6：233-240.

25 Staat P, Rioufol G, Piot C, et al. Postconditioning the human heart[J]. Circulation, 2005, 112：2143-2148.

26 Zhao H, Sapolsky RM, Steinberg GK. Interrupting reperfusion as a stroke therapy：ischemic postconditioning reduces infarct size after focal ischemia in rats[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2006,26：1114-1121.

27 Pignataro G, Meller R, Inoue K, et al. In vivo and in vitro characterization of a novel neuroprotective strategy for stroke：ischemic postconditioning[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2008, 28：232-241.

28 Scartabelli T, Gerace E, Landucci E, et al.Neuroprotection by group I mGlu receptors in a rat hippocampal slice model of cerebral ischemia is associated with the PI3K-Akt signaling pathway：a novel postconditioning strategy?[J]. Neuropharmacology,2008, 55：509-516.

29 Wang C, Neff DA, Krolikowski JG, et al. The influence of B-cell lymphoma 2 protein, an antiapoptotic regulator of mitochondrial permeability transition, on isoflurane-induced and ischemic postconditioning in rabbits[J]. Anesth Analg, 2006, 102：1355-1360.

30 Obal D, Dettwiler S, Favoccia C, et al. The influence of mitochondrial KATP-channels in the cardioprotection of preconditioning and postconditioning by sevoflurane in the rat in vivo[J]. Anesth Analg, 2005, 101：1252-1260.

31 Chiari PC, Bienengraeber MW, Pagel PS, et al.Isoflurane protects against myocardial infarction during early reperfusion by activation of phosphatidylinositol-3-kinase signal transduction：evidence for anestheticinduced postconditioning in rabbits[J]. Anesthesiology,2005, 102：102-109.

32 Fan YY, Hu WW, Dai HB, et al. Activation of the central histaminergic system is involved in hypoxiainduced stroke tolerance in adult mice[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2011, 31：305-314.

33 Soejima Y, Ostrowski RP, Manaenko A, et al. Hyperbaric oxygen preconditioning attenuates hyperglycemia enhanced hemorrhagic transformation after transient MCAO in rats[J]. Med Gas Res, 2012, 2：9.

34 Yuan HB, Huang Y, Zheng S, et al. Hypothermic preconditioning reduces Purkinje cell death possibly by preventing the over-expression of inducible nitric oxide synthase in rat cerebellar slices after an in vitro simulated ischemia[J]. Neuroscience, 2006, 142：381-389.35

35 Su Z, Han D, Sun B, et al. Heat stress preconditioning improves cognitive outcome after diffuse axonal injury in rats[J]. J Neurotrauma, 2009, 26：1695-1706.

36 Zigmond MJ, Cameron JL, Hoffer BJ, et al.Neurorestoration by physical exercise：moving forward[J]. Parkinsonism Relat Disord, 2012, 18：S147-150.

37 Cerqueira FM, Cunha FM, Laurindo FR, et al. Calorie restriction increases cerebral mitochondrial respiratory capacity in a NO*-mediated mechanism：impact on neuronal survival[J]. Free Radic Biol Med, 2012,52：1236-1241.

38 Pepping JK, Freeman LR, Gupta S, et al. NOX2 deficiency attenuates markers of adiposopathy and brain injury induced by high-fat diet[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2013, 304：E392-E404.

【點睛】

大腦預適應保護是一種新興的腦保護策略，本文對幾種常見的大腦預適應保護現(xiàn)象展開詳細介紹。