缺氧缺血性腦損傷的分子生物學(xué)研究進(jìn)展

喬振虎　樊艷萍

【摘要】 缺氧缺血性腦損傷是由心臟驟停引起的較為嚴(yán)重的后果，損傷可由單純?nèi)毖趸蚪M織中毒導(dǎo)致，損傷的程度則取決于缺氧的時間。動物研究表明，腦缺血后腦葡萄糖、糖原、三磷酸腺苷（ATP）和磷酸肌酸的濃度立即下降并在10-12分鐘內(nèi)迅速消耗殆盡，同時細(xì)胞內(nèi)外離子濃度和膜電位變化及自由基和一氧化氮產(chǎn)生會在數(shù)分鐘內(nèi)造成不可逆的神經(jīng)元和腦損傷。本文對缺血缺氧性腦損傷的分子生物學(xué)損傷機(jī)理及治療研究進(jìn)展進(jìn)行梳理。

【關(guān)鍵詞】缺血缺氧性腦損傷；分子生物學(xué)；神經(jīng)細(xì)胞死亡

【中圖分類號】R562.21 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【文章編號】1004-4949（2015）02-0099-02

1.缺氧缺血后組織的生化變化

血液循環(huán)停止后所帶來的組織損傷是多方面的。缺氧去極化是腦缺血的早期變化之一，也是機(jī)體缺氧缺血后的主要表現(xiàn)之一，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外的電解質(zhì)成分改變，同時ATP下降[1]。腦缺血后1-3分鐘內(nèi)，局部缺血組織的兩個神經(jīng)纖維和細(xì)胞體區(qū)域之間會出現(xiàn)一個大的負(fù)直流偏移，由于細(xì)胞功能受損造成細(xì)胞外Na+，氯化物和Ca2+降低，鉀滲透到細(xì)胞外間隙。缺氧去極化和Ca2+向細(xì)胞內(nèi)的流入時造成的細(xì)胞外Ca2+、Na+濃度的急劇降低會造成細(xì)胞中Ca2+的濃度大幅增加。研究結(jié)果顯示，Ca2+向細(xì)胞內(nèi)滲透的過程可能由NMDA受體所控制，使細(xì)胞內(nèi)鈣激活鈣依賴過程增加，如鈣蛋白酶系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接參與了細(xì)胞骨架、膜結(jié)構(gòu)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和細(xì)胞凋亡的重塑[2]。鈣蛋白酶抑制劑可有效減少細(xì)胞死亡指示鈣蛋白酶在腦缺血損傷中發(fā)揮了重要作用[3]。鈉引發(fā)的損傷則與胞漿Ca2+的增加、ATP的減少和谷氨酸釋放綜合引起的。而運用藥物抑制Na+流通和抑制細(xì)胞內(nèi)Na+濃度是防止腦缺血的有效措施。腦缺氧缺血后一到兩分鐘內(nèi)，高能磷酸鹽（如ATP）即下降到其最低值，乳酸和氫離子（H+）釋放造成細(xì)胞內(nèi)PH值下降形成酸中毒，當(dāng)PH值在6.1-6.5之間時，神經(jīng)元僅可存活約10-12 min，長時間的酸中毒，會使細(xì)胞功能受損和水腫情況進(jìn)一步加劇。此外，高血糖增加乳酸量分泌量從而使酸中毒狀況進(jìn)一步惡化，因此慢性高血糖可增加缺血性損傷程度，增加死亡率[4]。此外，腦缺血時，具有毒性和興奮性的神經(jīng)遞質(zhì)—谷氨酸釋放，同時其他一些具破壞性的酶如脂肪酶，蛋白酶和核酸酶被激活，對神經(jīng)元組織造成破壞。自由基含量也會在腦缺血后的初期增加[5]。另外，腦缺血后，一氧化氮產(chǎn)生，過氧亞硝酸鹽和一氧化氮毒性的主要介體也會相應(yīng)產(chǎn)生[6]，Panahian等用去除了神經(jīng)型一氧化氮合酶的小鼠進(jìn)行動物實驗發(fā)現(xiàn)清除一氧化氮后小鼠椎體細(xì)胞的細(xì)胞損失率由85%降為了32%，指示一氧化氮與細(xì)胞凋亡具有密切的關(guān)系。因此腦缺血后一氧化氮的增加可能加快了細(xì)胞死亡從而導(dǎo)致腦損傷。對缺氧缺血后組織的生化變化及導(dǎo)致的腦損傷機(jī)制進(jìn)行梳理如表1所示。

缺血缺氧后，由于細(xì)胞內(nèi)外介質(zhì)條件發(fā)生改變從而造成了細(xì)胞功能的變化，其主要由線粒體受損、細(xì)胞骨架破壞和谷氨酸受體的激活所引起。細(xì)胞內(nèi)Ca2+增大的早期，線粒體會發(fā)生損傷，可以明顯的觀察到線粒體的瞬間腫脹，并伴隨有解聚核糖體和高爾基復(fù)合體異?，F(xiàn)象[7]。線粒體功能受損可引起ATP的降低、自由基的過量產(chǎn)生，降低了細(xì)胞對鈣負(fù)荷的緩沖作用，細(xì)胞骨架遭到破壞而無法保持正常的細(xì)胞結(jié)構(gòu)從而造成細(xì)胞死亡。這也是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的重要因素之一。缺血缺氧會抑制蛋白質(zhì)的合成，該過程可持續(xù)1-24 h的周期，具體時間取決于缺血缺氧類型和再灌注的時間，但是在蛋白質(zhì)的合成完全恢復(fù)后的12-48 h，盡管多數(shù)細(xì)胞可以恢復(fù)蛋白質(zhì)合成從而維持正常功能，但是已經(jīng)死亡的細(xì)胞則無法恢復(fù)正常功能。細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加量以及NMDA受體的激活則是抑制神經(jīng)元蛋白合成的主要因素[8]。在腦部缺血缺氧后的30 min內(nèi)，谷氨酸受體的興奮性活化在熱休克蛋白的表達(dá)和引發(fā)大量立早基因的快速轉(zhuǎn)錄方面發(fā)揮了主要作用[9]。在輕微缺血缺氧情況下，立早基因可在受損的神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，而嚴(yán)重缺血缺氧情況下，甚至?xí)诜鞘軗p神經(jīng)元和細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)立早基因，說明立早基因在神經(jīng)元細(xì)胞的存活和死亡選擇中發(fā)揮了一定的作用。熱休克蛋白在保護(hù)受損神經(jīng)元過程中發(fā)揮了重要作用從而作為指示神經(jīng)元能否存活的一個敏感指標(biāo)，在缺血缺氧后細(xì)胞損害還未達(dá)到一定程度就可通過ATP下降信號的激活而快速有效的表達(dá)，這也反映了細(xì)胞自我保護(hù)機(jī)制的表達(dá)。

3. 缺氧缺血后神經(jīng)細(xì)胞死亡

腦缺血缺氧的時間如果超過腦復(fù)蘇的時間，則會導(dǎo)致不同程度的神經(jīng)元細(xì)胞死亡。研究結(jié)果顯示，腦缺血后神經(jīng)細(xì)胞死亡與興奮性氨基酸的神經(jīng)毒作用、一氧化氮的神經(jīng)毒作用及鈣超載有密切關(guān)系。

前文中已經(jīng)闡述興奮性谷氨酸在腦缺血后的釋放是導(dǎo)致神經(jīng)元組織遭到破壞的重要原因。興奮性氨基酸的受體有多種，而NMDA受體是其最為主要的受體之一，NMDA受體激活后可使Na+和Ca2+進(jìn)入細(xì)胞。在缺血缺氧情況下，發(fā)揮阻斷NMDA受體作用的鎂離子作用因能量缺乏受到抑制從而失去對NMDA受體的阻斷作用，從而導(dǎo)致Ca2+和Na+在細(xì)胞內(nèi)富集造成對細(xì)胞的損害。研究結(jié)果顯示，在缺乏谷氨酸受體或受體阻斷的神經(jīng)元在缺血缺氧條件下仍可以存活數(shù)小時，但缺血缺氧時谷氨酸受體得到激活則很快導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞的死亡[10]。缺血缺氧造成興奮性谷氨酸的釋放或濃度增大是由多種因素造成的。首先，缺血缺氧時，ATP含量顯著降低，去極化作用時細(xì)胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度增大，同時也會引起谷氨酸的釋放；其次，細(xì)胞內(nèi)Na+濃度的增大會使細(xì)胞膜陰離子通道得到激活從而引起谷氨酸的釋放；最后，細(xì)胞內(nèi)ATP的減少導(dǎo)致細(xì)胞攝取谷氨酸的功能受到影響從而造成細(xì)胞間隙中的谷氨酸含量增大。.

一氧化氮可由一氧化氮合酶（Nitric oxide synthase， NOS）和L-精氨酸催化產(chǎn)生，NOS廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞中，在腦缺血缺氧情況下，NOS激活并產(chǎn)生一氧化氮，其濃度可在缺血缺氧后數(shù)分鐘內(nèi)即增加。一氧化氮在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育特別是神經(jīng)元突觸的重塑和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立中發(fā)揮重要作用。但是在腦缺血缺氧時具有保護(hù)和損傷的雙重作用，具體則取決于一氧化氮的濃度、缺血缺氧的持續(xù)時間和遇到的靶分子[11]。在缺血缺氧的初期（一般認(rèn)為數(shù)分鐘或幾小時內(nèi)），一氧化氮的合成具有保護(hù)作用，但長時間的缺血缺氧后則會產(chǎn)生損傷作用[12]，其損傷主要因為與氧化物之間發(fā)生氧化作用產(chǎn)生氧化氮、導(dǎo)致細(xì)胞鐵離子丟失，加速磷脂過氧化從而破壞線粒體呼吸鏈、抑制ATP合成酶的合成作用，從而造成細(xì)胞中毒損傷。

Ca2+對多種細(xì)胞功能的正常發(fā)揮起到了重要作用，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化是維持細(xì)胞生理功能所必不可少的過程。正常情況下，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度僅為細(xì)胞外的萬分之一，缺血缺氧時興奮性谷氨酸的釋放及膜電位的變化使依賴性鈣通道和NMDA受體通道激活，大量細(xì)胞外Ca2+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)造成細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增大數(shù)十倍。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增大會通過產(chǎn)生活性自由基和一氧化氮對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損傷。同時還可以激活多種蛋白酶造成細(xì)胞骨架的破壞最終造成神經(jīng)細(xì)胞功能紊亂進(jìn)而死亡。Ca2+濃度的增大還可以造成線粒體膜通透性發(fā)生改變，產(chǎn)生線粒體通透性轉(zhuǎn)換通道[13]，進(jìn)而引起線粒體呼吸鏈功能受損，ATP合成抑制對神經(jīng)細(xì)胞造成損害。

4. 缺血缺氧性腦損傷分子治療技術(shù)

缺血缺氧后的腦損傷由以上多種分子機(jī)制造成，因而通過分子技術(shù)促進(jìn)神經(jīng)保護(hù)和減少神經(jīng)損害成為治療缺血缺氧性腦損傷的重要治療方法。神經(jīng)營養(yǎng)因子是目前最為主要的促進(jìn)神經(jīng)保護(hù)從而治療缺血缺氧性腦損傷的分子技術(shù)，其主要由神經(jīng)生長因子（Nerve growth factor， NGF）、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子（Ciliary neurotrophic factor， CNTF）和堿性成纖維細(xì)胞生長因子（Basic fibroblast growth factor， bFGF）。

NGF在神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、成熟和存活過程中發(fā)揮重要作用。體外實驗已經(jīng)證實，得到NGF供應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞得到存活而沒有得到NGF的神經(jīng)細(xì)胞則會死亡。在缺血缺氧時NGF表達(dá)激活，會保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞不受損害，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡[14]，同時還具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞功能恢復(fù)的作用。但是在機(jī)體中，NGF在缺氧缺血后的表達(dá)時間很短暫，難以起到有效的保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的作用，因此臨床上采用注射自小鼠體內(nèi)NGF的方法治療缺血缺氧性腦損傷。CNTF主要起對中樞及周圍運動神經(jīng)元的營養(yǎng)作用，對神經(jīng)元的發(fā)育和分化具有重要影響。研究表明，神經(jīng)損傷后CNTF的表達(dá)顯著增加，說明CNTF在神經(jīng)元的修復(fù)和再生過程中發(fā)揮作用。動物實驗證實腦缺血缺氧后側(cè)皮質(zhì)和海馬區(qū)的CNTF表達(dá)明顯增強(qiáng)[15]，而向腦缺血的大鼠側(cè)腦室注射CNTF可明顯的改善由缺血性腦損傷帶來的認(rèn)知障礙，注射一側(cè)丘腦的神經(jīng)元退行性改變也得到一定的改善[16]，說明CNTF在缺血缺氧后神經(jīng)損傷的修復(fù)中起了一定的作用。bFGF是一種有效的神經(jīng)營養(yǎng)因子，能刺激神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的非有絲分裂活性，促進(jìn)多種神經(jīng)保護(hù)酶和蛋白的合成及釋放，在激活神經(jīng)活性、保護(hù)神經(jīng)元、促進(jìn)神經(jīng)突起增生和神經(jīng)干細(xì)胞增殖方面具有強(qiáng)力作用，能抵御前述幾乎全部因子對神經(jīng)元的損傷，如鈣超載、一氧化氮毒性、自由基和興奮性谷氨酸等。腦損傷后，bFGF表達(dá)加強(qiáng)，當(dāng)bFGF用于損傷的大腦時，能促使海馬神經(jīng)元存活，而無bFGF時海馬神經(jīng)死亡。同時與NGF相比，bFGF刺激SC增殖，促進(jìn)毛細(xì)血管形成改善損傷神經(jīng)及周圍組織的血供方面的優(yōu)勢已經(jīng)被證實，盡管bFGF在保護(hù)神經(jīng)元方面的機(jī)制還在進(jìn)一步研究之中，但是bFGF已經(jīng)表現(xiàn)出了在治療神經(jīng)損傷方面的潛力。

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