血液相關因子在顱腦損傷神經保護中的作用

楊進財，趙 凱，張 強

（1.青海大學研究生院，青海 西寧 810016；2.青海省人民醫院神經外科，青海 西寧 810007）

顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）分為原發性和繼發性兩類。原發性TBI 是指傷后立即發生的病理性損害，包括腦震蕩、腦挫裂傷等。繼發性TBI是指在原發性腦損傷的基礎上逐漸發展起來的病理改變，主要是顱內血腫和腦腫脹、腦水腫等。有各種因素會導致繼發性TBI，其中最重要的因素之一是出血，出血可釋放血紅蛋白（hemoglobin，Hb），最終釋放游離血紅素和鐵。由于游離血紅素和鐵存在毒性，并且是有效的氧化調節物質和炎癥介質，它們會對腦組織產生損傷，因此需要有效地清除游離血紅素和鐵，如血紅素結合蛋白和血紅素氧合酶（heme oxygenase,HO）等。除了血紅蛋白及其分解產物，也有其他血液相關因子及作用影響顱腦繼發性損傷，如CD163 受體、IL-1、Toll 樣受體Toll-like receptor（TLR）、腦源性微粒、氧化應激作用、吞噬紅細胞作用等都對TBI 后的繼發性損傷起到重要的作用。本文根據近年來有關血液相關因子及作用在TBI 神經保護中的研究進展進行綜述，以期為TBI 后的診斷和治療提供參考。

1 血液相關因子

1.1 血紅蛋白 臨床研究顯示[1]，隨著腦水腫程度的增加，顱內出血（intracranial hemorrhage，ICH）病死率也在增加。ICH 晚期，血腫裂解并釋放出紅細胞，紅細胞破裂釋放出游離血紅蛋白Hb，而游離Hb 的降解產物（鐵和血紅素）具有神經毒性，促進自由基的形成和MMP-9 的釋放。MMP-9 可破壞血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）的基底層，破壞緊密連接，明顯改變腦亞結構，使腦內細胞死亡[2，3]。血清結合珠蛋白（haptoglobin，Hp）能與游離Hb 結合，起到阻止自由基的形成、招募巨噬細胞，并阻止腦水腫進展的作用[4]。

1.2 血紅素相關毒性 血紅素被血紅素氧合酶HO降解為三種高生物活性的產物：鐵、膽紅素和一氧化碳。HO 同工酶，特別是HO-1 和HO-2，可表現出明顯不同的表達模式，并在損傷后發揮特殊作用[5]。TBI 后大腦中鐵升高，產生自由基并誘導氧化應激。在TBI 后，過量的游離血紅素和過度使用鐵蛋白會導致鐵蛋白的飽和。鐵的積累進而導致含鐵血黃素的形成，其是一種不溶性的細胞內鐵儲存復合物，也是一種重要的生物標志物。有研究顯示[6]，這種鐵沉積與TBI 后的認知障礙呈正相關。鐵在健康的大腦功能、神經遞質的合成、髓鞘化和神經元發育中發揮著重要作用，然而過量的鐵會產生活性氧類物質，并導致脂質過氧化物和腦損傷。有研究顯示[7，8]，甲磺酸去鐵胺可延緩血腫吸收，抑制水腫的形成。也有研究表明，大腦滲透鐵螯合劑（HBED）對TBI 有很強的保護作用。

膽紅素是最常被測量的血紅素代謝物之一，但其生理作用尚不清楚。有研究顯示，消耗內源性膽紅素使小鼠對氧化應激超敏感。研究發現，缺乏膽紅素的小鼠比缺乏其他活性氧化劑的小鼠更容易受到超氧化物的影響。主要的抗氧化劑，如谷胱甘肽和半胱氨酸對超氧化物幾乎沒有反應性，而膽紅素很容易清除超氧化物。研究發現[9]，膽紅素的氧化還原活性在大腦中特別重要，它可以在N-甲基-D-天冬氨酸受體神經傳遞過程中通過清除超氧化物來防止興奮性毒性和神經元死亡。但膽紅素在繼發性TBI 中的作用存在爭議，例如實驗室研究發現健康大腦中低生理濃度的膽紅素具有抗氧化的作用，但在高劑量時具有神經毒性作用[10]。

研究發現[11]，在創傷性腦損傷后的大鼠中，一氧化碳釋放分子（carbon monoxide-releasing molecule，CORM-3）治療的大鼠在創傷后24 h 血熱顯著降低，空腸CO 含量增加，血清中IL-1β、IL-18 水平降低。此外，與創傷后30 d 接受創傷性腦損傷治療的大鼠相比，接受CORM-3 治療的大鼠顯著改善了空腸和腹內側前額葉皮層損傷，增強了學習記憶能力及探索活動能力，改善了焦慮行為。有研究顯示[12]，TBI 后患者腦脊液樣本中HO-1 濃度的增加與損傷嚴重程度的增加和不良的神經系統結果相關。

HO-2 是一種降解促氧化劑血紅素的酶。研究發現，雄性HO-2 野生型（Wild-type，WT）和純合敲除（knockout，KO）小鼠在產后第21 d 接受TBI 打擊，并在1、7 和14 d 后實施安樂死，結果可觀測到兩者間的腦血流相似，均為受傷后血流顯著下降，1天回到基線，受傷后7 天顯著升高，其中非血紅素鐵在WT 和KO 腦損傷基因型中都優先積累在同側皮層、海馬體和外側裂囊中。然而，在損傷后的第1 周內，海馬齒狀回的終端dUTP 尾端標記細胞（Terminal dUTP nick-end labeling，TUNEL）陽性細胞明顯較多，KOs 的皮質損傷體積顯著較大。在受傷后14 d內，兩組海馬CA3 區域和丘腦背部的皮層損傷體積和細胞密度相似。在受傷后的前2 周對精細運動功能（握力）的測試顯示，WTs 與KOs 一樣都引起了對側肢體運動能力的下降。總之，這些研究表明，HO-2的缺陷改變了二次損傷后運動能力和TBI 后精細運動的恢復[13]。

1.3 血紅素結合蛋白 紅細胞外血紅素與血漿糖蛋白（Hemopexin，Hpx）結合，將血紅素輸送到肝臟進行儲存來維持全身鐵的穩態。研究證實，Hpx 是在ICH 后誘導出現的。有研究曾報道Hpx 的作用及其在ICH 中的結果[14]，增傷其在局灶性腦缺血性損傷中的神經保護作用。研究發現[15]，在ICH 后采用重組腺病毒載體誘導小鼠腦過表達的新方法誘導Hpx。與對照組相比，Hpx 誘導的小鼠組織損傷少、血腫體積小、星形膠質細胞減少、小膠質細胞增多。然而，在對照組和Hpx 誘導的小鼠中，HO-1 和鐵水平基本一致。另外有研究表明，Hpx 基因缺失在ICH 中是有害的。在鼠ICH 模型中，與野生型對照小鼠相比，Hpx 基因敲除的小鼠有更廣泛的腦組織損傷，其在神經系統測試中的評分也更低，在腦出血后24 h內腦組織有更多的鐵沉積和神經元退化[16]。研究發現[17]，高水平的Hpx 與遲發性腦缺血的較高概率和蛛網膜下腔出血（Sbarachnoid hemorrhage，SAH）后更差的神經系統結局相關。

2 血液相關作用

2.1 氧化應激 嚴重的TBI 后，突觸中的谷氨酸會立即增加。突觸中過量的谷氨酸可反過來激活相應的N 甲基D 天冬氨酸和使君子酸受體，促進過多的鈣流入神經元細胞，這將導致氧化應激的產生，進一步導致線粒體功能障礙、脂質過氧化、蛋白質和DNA的氧化，最終引起神經元細胞死亡[18]。線粒體同是自由基氧化的來源，與核DNA 不同，線粒體DNA 沒有核苷酸切除修復途徑，也不受組蛋白的保護。因此，線粒體DNA 容易發生突變。線粒體DNA 的突變會引起生物能量缺陷，其中三磷酸腺苷（ATP）的產生顯著減少，自由基的產生顯著增加[19]。由于腦組織的高氧化代謝活性、相對較低的抗氧化能力和較低的修復機制，因此特別容易受到氧化損傷[20，21]。此外，NADPH 氧化酶（NADPH oxidases，Nox）是一個還原活性氧的膜酶家族。Nox 在神經系統的病理生理學中起著重要作用，對腦外傷后繼發性損傷起具有重要的作用。有研究表明[22-25]，Nox 活性在TBI 后1 h升高，通過微膠質細胞起作用，Nox 的抑制可以減弱TBI 后的繼發損傷。因此，Nox 抑制也可以作為一個治療靶點。

2.2 吞噬紅細胞 受體和非受體介導的吞噬紅細胞作用可降解紅細胞，巨噬細胞誘導的吞噬紅細胞作用是鐵穩態的主要作用方式。一旦吞噬內化，Hb 被降解為血紅素和游離鐵，而游離鐵具有毒性，吞噬紅細胞作用通過快速反應來維持血紅素與游離鐵的穩態。當吞噬紅細胞作用出現缺陷時會導致各種病理變化，如貧血或鐵超載[26]。有研究為了評估單核細胞衍生性巨噬細胞（monocyte-derived macrophages，MDMs）在ICH 清除中的作用，創建了具有驅化作用陰性型（Ccr2-/-）或野生型（WT）造血細胞的骨髓嵌合小鼠，并通過血液注射創建了實驗性ICH 小鼠模型，結果顯示（Ccr2-/-）單核細胞脫離骨髓的能力受損，（Ccr2-/-）骨髓嵌合體在ICH 后招募的MDM 最少；具有（Ccr2-/-）造血細胞的嵌合小鼠在第7 天比WT 嵌合小鼠具有更大的殘余血腫[27]。由此可見，MDM 有助于ICH 后的神經功能恢復。

2.3 CD163 受體 CD163 受體屬于富含半胱氨酸的清道夫受體家族[28]，有兩種類型的CD163 受體：膜相關CD163（MembraneassociatedCD163，mCD163）和可溶性形式（SolubleformCD163，sCD163）。最新研究發現，sCD163 可被進一步分化可溶性外結構域CD163 和細胞外囊泡相關CD163[29]。最近，已被破譯的HP 也可能增加神經元對Hb 介導的鐵毒性的脆弱性，其機制可能是由HP 介導CD163 受體，血紅素結合鐵通過CD163 受體進入神經元，從而使神經元易受神經毒性的影響。與膠質細胞相比，神經元細胞的鐵蛋白水平較低，因此缺乏足夠的鐵蛋白來緩沖Hb 衍生鐵的數量[30]。CD163 受體可能是ICH患者良好預后的預測因子。研究發現，CD163 水平較高的患者在血腫吸收、國立衛生研究院中風量表（NIHSS）評分和改良Rankin 量表（MRS）評分方面具有顯著優勢。

2.4 IL-1 許多研究強調了IL-1 在ICH 中的作用。有研究顯示，小鼠原代混合膠質細胞和有機切片培養血紅素誘導IL-1α，在使用特定的受體拮抗劑IL-1Ra、IL-1 后，血紅素介導的炎癥反應減弱并且細胞死亡現象減少。此外，研究還發現在SAH、腦室出血和ICH 中IL-1 有上調趨勢。操縱IL-1 通路對抗ICH 中血紅素毒性是一種有效的途徑。一種IL-1 拮抗劑已經在臨床使用，已經顯示出具有較高的抗炎作用和良好的BBB 穿透性[31]。目前正在研究SAH 中IL-1 的作用，其他IL-1 作用的機制也在研究開發中[32]。

2.5 TLR 研究顯示，身體的先天免疫和炎癥反應是ICH 后繼發性損傷進展的主要原因。從形態上講，TLR 被歸類為Ⅰ類跨膜受體，由富含亮氨酸的外端結構域、跨膜結構域和細胞內損傷因子IL-1 受體結構域組成。TLR2、TLR4 和TLR9 是在中樞神經系統損傷背景下研究最好的TLR。TLR 信號通路是主要的先天免疫反應機制，促進炎癥介導后繼發性腦損傷。在嚙齒動物的局灶性腦缺血后，抑制或減少TLR4 具有神經保護作用。將重組高遷移率族蛋白1（High-mobility group box，HMGB1）注射到未損傷的皮層會增加注射部位周圍星形膠質細胞TLR4 的表達，培養的星形膠質細胞接觸HMGB1 會增加TLR4的表達[33]。在受神經元氧糖剝奪/復氧（oxygen-glucosedeprivation/reoxygenation，OGD/R）的星形膠質細胞培養中，HMGB1 誘導星形膠質細胞膨脹，同時水通道蛋白-4（AQP4）表達上調，該研究發現，星形膠質細胞通過AQP4 腫脹可能是損傷后中樞神經系統（Central nervous system，CNS）水腫的主要機制[34]。

2.6 腦源性微粒 小膠質細胞作為CNS 中最重要的固有免疫細胞和主要的效應細胞，在TBI 后繼發性炎癥反應中發揮關鍵性作用。但小膠質細胞激活、分化的分子調控機制極為復雜，具體機制尚不清楚。細胞微粒（microparticles，MPs）是一類介于0.1～1 μm 大小的小細胞囊泡，它含有多種生物活性分子，包括蛋白質、生物脂類和核酸，穿梭于細胞間發揮遞質作用，是導致機體產生相關炎癥反應的重要介質。由于腦組織細胞膜的磷脂結構較體內其它細胞更高，因此腦組織來源的MPs（brainderived microparticles，BDMPs）的促炎活性可能比血細胞源性的MPs 更高。BDMPs 可以結合并介導小膠質細胞的激活、形變以及分化，促進TNF-α、IL-1β、IL-6 等多種炎性因子以及單核細胞趨化因子MCP-1/CCL-2 的高表達，在TBI 后的繼發性炎癥反應中發揮促炎作用。有研究顯示，BDMPs 可以增加BBB 的通透性，加重腦水腫[35]。

3 總結與展望

目前，治療ICH 的主要策略是減少血腫和炎癥。一般來說，該策略可以通過兩種方式構建和應用：通過藥物和干預措施來促進正常的生理保護反應，如針對抗氧化系統、鐵、吞噬紅細胞作用、血紅蛋白、血紅蛋白結合物、誘導CD163 介導的血紅素吸收作用，或者通過限制潛在的有害生理機制。TBI 后的廣泛的藥物靶點正在被探索，如小膠質細胞、神經變性因子、礦物質、顱腦損傷后的介導因子（介素、細胞因子、TNF、TGFβ 等）受體（TLR 拮抗劑、PAF 拮抗劑、PPARγ、SUR1、AT1、ET1、PAR1 拮抗劑）、酶（鋅、抑制組蛋白脫乙酰化酶、MMP 抑制劑）和其他途徑（Nrf2、JNK、與PDZ 結合基序激活子的轉錄共激活劑）。除了靶向藥物，TBI 后動態結構的變化、重型TBI 后髓磷脂丟失的機制、影響BBB 脆弱性的因素以及TBI 后炎癥爆發的機制都是未來需要探索的方向。另外，遺傳變異性對TBI 后的影響也需要開展更多的研究。TBI 模型的基因操作也在進行中，開發刪除與TBI 預后相關的特定基因的特定藥物是一個新的挑戰。生理控制，如運動、pH 變化、低體溫，單獨或結合其他治療方式也正在進行探索。干細胞、間質細胞治療TBI 也是一個很有前景的領域。