腦缺血再灌注損傷病理生理機制研究進展

郎豐山，黃云霞, 薛 云，馬玉奎**

（1. 山東省臨朐縣人民醫院，山東 臨朐262600；2. 北部戰區陸軍參謀部門診部，山東 濟南250022；3. 山東省藥學科學院，山東 濟南 250100）

腦血管疾病（cerebrovascular disease，CVD）是威害人類生命與健康的多發病和常見病，與心臟病和腫瘤并列為引起人類死亡的三大主要原因[1]。腦血管病按性質可分為缺血性腦血管病和出血性腦血管病兩大類，缺血性腦血管病在臨床上較為多見。對于缺血性腦血管病的首要治療原則是盡早重建血液再灌，恢復腦部的血氧供應，使缺血腦組織重新獲得營養物質供應，同時將有害的代謝產物清除掉[2-3]。但腦缺血后再灌注可加重缺血腦組織的病理損害，使病情惡化，這種現象被稱為腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI）[4]。針對CIRI的病理機制，世界各國的科技工作者進行了廣泛而深入的研究，提出了能量代謝障礙、鈣超載、興奮性氨基酸毒性、線粒體損傷、一氧化氮大量合成、炎癥損傷、氧化應激、多巴胺和神經細胞凋亡等一系列學說[5-6]。本文綜合國內外近幾年的研究報道，對CIRI的病理生理機制研究進展進行綜述，為CIRI的臨床針對性治療提供參考。

1 能量代謝障礙

腦部組織對氧氣的需求量大，只能依靠腦血流轉運的葡萄糖供應能量，幾乎沒有糖原及三磷酸腺苷的儲備，需要不間斷的局部腦血流循環供應氧和葡萄糖，才能維持其正常的生理機能[7]。每分子葡萄糖在有氧條件下可代謝生成38分子ATP，而無氧酵解僅生成2分子ATP。腦部神經遞質、細胞膜結構和酶等物質合成及陽離子在腦內的運輸等需要的能量均來自葡萄糖代謝產生的ATP。腦缺血時，局部腦組織血流量中斷或急劇減少，神經元的葡萄糖和氧氣供應在短時間內顯著減少，此時缺血區的腦組織獲得能量的方式主要靠葡萄糖的無氧酵解，而無氧酵解方式代謝產生的ATP較少，ADP產生增多，從而使ADP/ATP比例增加，腦組織代謝需要的能量供應不足，線粒體結構受損，功能出現異常，從而導致整個腦細胞及細胞器的功能損傷，進一步加重缺血性腦損傷[7]。

2 Ca2+超載

腦缺血再灌注鈣超載是各種因素綜合作用的結果，也是引起腦組織損傷的共同通路。腦缺血再灌注與缺氧復氧時細胞內鈣超載可通過以下途徑產生細胞毒性作用，引起CIRI[8-10]：① 胞內Ca2+濃度升高時，鈣調蛋白（CaM）從無Ca2+失活態轉變為Ca2+結合的活化態，Ca2+和活化的CaM復合物使5-羥色胺、去甲腎上腺素及彈性蛋白酶釋放，引起腦血管痙攣，局部血流狀況惡化，加重腦缺血缺氧；② Ca2+超載可激活磷脂酶C和磷脂酶A2，磷脂酶C和磷脂酶A2降解生物膜磷脂生成自由基，造成膜的脂質過氧化，破壞生物膜；磷脂酶A2激活后可使花生四烯酸生成增多，鉀通道開啟，導致細胞膜超極化，谷氨酸（Glu）釋放增多而攝取減少，通過與Glu受體結合加重損傷；膜磷脂分解過程中產生的脂肪酸、前列腺素、血栓烷、白三烯、溶血磷脂和血小板激活因子等，一方面導致脂質膜流動性降低及通透性增高，細胞腫脹；另一方面可增強白細胞聚集和血管收縮，加重腦缺血；③ Ca2+達到一定濃度時便激活一氧化氮合酶（NOS）及鈣依賴蛋白酶，使細胞內無害的黃嘌呤脫氫酶轉變為黃嘌呤氧化酶，氧自由基大量生成；④ 鈣超載導致線粒體功能障礙：細胞內外鈣平衡紊亂，細胞外Ca2+內流入細胞，主要聚集在線粒體，線粒體內Ca2+沉積造成氧化磷酸化電子傳遞脫耦聯，ATP合成減少，細胞呼吸受到抑制，使能量生成障礙；當線粒體內鈣離子濃度超過一定限度后可引起線粒體通透性轉換（mitochondrial permeability transition，MPT）孔的產生，線粒體內的Ca2+及呼吸鏈的成分可通過MPT孔釋放到細胞外，最終導致呼吸鏈功能受損，ATP合成受阻，線粒體結構破壞；Ca2+還可活化線粒體的磷脂酶，引起線粒體膜損傷，引起磷酸鈣在線粒體內沉積，膜的通透性改變，造成細胞不可逆損傷；除ATP合成外，線粒體對細胞氧化還原反應、滲透壓、pH值、細胞內信號的維持都有重要作用，線粒體是細胞受損的重要靶目標；⑤ 腦血管的平滑肌細胞Ca2+內流，產生血管收縮與痙攣；血管中層細胞Ca2+沉積使血管彈性及結構受到嚴重損害，導致腦梗死加重。

3 NO合成過多

NO是體內發現的第一個氣體信號分子，結構簡單，性質極不穩定，半衰期較短，親脂性高，具有多種生物學效應。NO作為一種第二信使，廣泛存在于神經組織中，可維持神經系統的正常生理功能和調控疾病的發生發展。研究表明，NO在CIRI中具有正反兩方面作用：一方面可引起血管擴張、改善腦局部缺血組織的血氧供應、抑制缺血再灌注損傷，發揮神經保護的有利作用；另一方面通過參與腦損傷與遲發型神經元死亡過程，起到誘導神經細胞凋亡的不利作用。在中樞神經系統中，NO是以L-精氨酸為底物，在NOS催化下主要由神經膠質細胞、血管內皮細胞和神經元產生。NOS是NO合成的限速酶，有3種亞型：內皮型（eNOS）、神經元型（nNOS）及誘生型（iNOS）[11]。eNOS主要存在于內皮細胞中，nNOS主要存在于神經細胞中。由eNOS催化合成的NO在缺血早期可通過擴張腦血管、增加腦血流量、改善微循環、增加缺血區的血氧供應而保護受損區腦組織[12-13]；缺血后期，NO主要由nNOS和iNOS催化生成，可干擾細胞正常代謝、促進自由基產生，從而發揮神經細胞毒性作用，加重CIRI[14]。

4 興奮性氨基酸毒性

興奮性氨基酸（excitatory amino acid，EAA）包括Glu、天冬氨酸、甘氨酸、海人藻酸、喹啉酸等，廣泛分布于中樞神經系統中，在正常生理狀態下能傳遞興奮性信息。其中，Glu含量最高，是中樞神經系統中最重要的興奮性神經遞質，Glu主要分布在小腦、大腦皮質和紋狀體中，腦干和小丘腦亦有少量分布。缺血缺氧狀態下，一方面突觸前膜鈣離子通道開放，Glu釋放增多；另一方面Glu的再攝取減少，導致細胞間隙的Glu迅速增多，導致神經細胞損害[15]。

盡管引起CIRI的病理生理機制目前尚未完全明確，但有充足的證據證明在神經元凋亡和死亡過程中Glu等興奮性氨基酸起到了重要作用[16]。Glu受體有3種亞型：代謝型受體、AMPAR和NMDAR。Glu大量釋放后激活Glu受體，進而激活與Gq蛋白耦聯的磷脂酰肌醇信號轉導系統，導致細胞通透性增加，大量的鈉離子和氯離子進入腦細胞內，水被動性進入腦細胞，引起腦水腫，導致神經細胞不可逆損傷甚至死亡[17]。

5 氧化應激損傷

當機體遭受有害刺激時，機體內產生的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）介導的抗氧化防御和氧化損傷之間的平衡被打破，ROS在機體或細胞內蓄積，引起機體組織細胞的氧化損傷過程即為氧化應激。ROS主要包括單線態氧、臭氧、過氧化氫和氧自由基等。正常生理狀態下，機體進行有氧代謝時可產生ROS，且體內ROS的產生和消除之間保持著動態平衡。當機體缺血再灌注時，NOS、環氧合酶（cyclooxygenase，COX）、黃嘌呤脫氫酶/黃嘌呤氧化酶、 還 原 型 輔 酶 II 氧 化 酶、髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）和單胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）等促進ROS產生的酶和過氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等防止ROS產生的酶表達和活性發生改變，破壞ROS的動態平衡，導致體內ROS蓄積，過氧化損傷體內蛋白質、脂質和核酸大分子物質。腦組織是機體內最容易產生ROS的器官。在CIRI中，氧化應激一方面可引起蛋白質變性和細胞成分氧化，引起神經元死亡或損傷[18-20]；另一方面還可通過內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途徑和線粒體途徑引起細胞凋亡[15, 21-22]。

6 炎性機制損傷

大量研究表明，炎癥免疫反應廣泛參與了CIRI，腦組織局部過度的炎癥反應是造成CIRI的主要原因之一，也是腦缺血再灌注繼發性損傷的重要發病機制。炎性反應涉及許多炎性介質及炎性細胞。炎性介質及炎性細胞在CIRI中的毒性作用機制[15,17,23-25]為：（1）白細胞在缺血區浸潤聚集后可釋放多種炎性細胞因子[腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白介素1（IL-1）和IL-6]、NO、蛋白水解酶及ROS，通過直接損傷神經元造成局部缺血組織壞死；白細胞還可與內皮細胞相互作用，一方面引起微血管阻塞，誘發形成血栓，導致微血管的“無復流”甚至阻斷再灌注；另一方面可破壞血腦屏障，引起腦水腫、出血及腦局部組織壞死等；（2）小膠質細胞在腦缺血損傷中具有雙重作用。在缺血的急性期，可通過分泌炎癥細胞因子、ROS、NO、蛋白酶等生物活性物質而發揮神經毒性作用；在缺血后期可通過調節細胞因子、受體、蛋白質的表達或調節神經生長因子的分泌而保護腦組織；（3）星型膠質細胞具有誘導小膠質細胞分化和增殖的作用，可增強其本身和巨噬細胞的吞噬能力；通過與趨化因子發生反應而介導細胞免疫，促進炎癥介質產生；（4）IL-1、IL-6和TNF-α是體內最重要的細胞因子。其中IL-1β和TNF-α 可引發炎性反應，刺激內皮細胞產生多種組織因子，促進釋放NO、興奮性氨基酸、ROS等參與CIRI過程；在腦組織損傷過程中IL-6有正反兩方面作用，濃度較低時發揮神經元保護和促進修復作用，濃度較高時具有神經毒性作用。

7 細胞凋亡

細胞凋亡是基因控制的細胞自主性死亡，是一種程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD），具有選擇性、主動性、可逆性等特點，是CIRI的主要病理生理機制之一。細胞壞死的特征是細胞腫脹、膜破裂和DNA隨機降解，而細胞凋亡的特征為染色質致密、DNA片段形成、胞漿膜發泡、凋亡小體出現等，需要mRNA和蛋白質的積極合成。有研究表明CIRI時，壞死和凋亡的比率在缺血核心區是9:1，而在缺血半暗帶為6:1。CIRI誘導神經細胞凋亡的途徑主要有3種：內質網應激途徑、死亡受體途徑和線粒體途徑。許多凋亡相關基因和信號通路參與了這個過程，主要包括p53基因、Fas基因、Bcl-2蛋白家族、Caspase家族和P38、Notch、雷帕霉素蛋白和JAK2/STAT3信號通路等[26-28]。其中，與細胞凋亡最為密切的是Bcl-2家族蛋白中抗凋亡作用的Bcl-2和促凋亡作用的Bax。細胞凋亡發生率決定于Bcl-2和Bax表達的比例，Bax表達占優勢時促進細胞凋亡，Bcl-2表達占優勢時抑制細胞凋亡。p53是調控細胞增殖的重要基因，腦缺血時，p53活化，表達上調，通過上調促凋亡基因如Bax，下調抗凋亡基因如Bcl-2的表達，而發揮促進細胞凋亡作用。Caspase家族在細胞凋亡起著至關重要的作用，它是一類同源半胱氨酸蛋白酶，能裂解靶蛋白，其中Caspase-3（死亡蛋白酶）的激活在觸發細胞凋亡過程中起核心作用，線粒體和死亡受體介導的凋亡途徑均可通過激活Caspase-3后直接裂解胞內諸多成分，誘導細胞凋亡。Fas是促進細胞凋亡的基因之一，是細胞表面的一種死亡受體，同樣通過激活Caspase家族而導致細胞凋亡。

8 結語

綜上所述，CIRI涉及復雜的病理生理機制，包括缺血早期的原發性損傷和再灌注后的繼發性損傷兩個階段。缺血再灌注后的腦組織損傷既取決于血流減少程度，還與細胞內鈣超載、氧化應激、興奮性氨基酸的神經毒性作用、NO合成過多、能量代謝障礙及炎癥反應等因素有關。導致CIRI的諸多因素或環節相互影響或互為因果，共同作用產生神經毒性，最終導致局部腦組織損傷，神經細胞壞死或凋亡。