缺血性卒中的病理生理级联效应

李玉兰，郭丹丹，杨有仙(综述)，艾青龙(审校)

(昆明医科大学第一附属医院神经内科，昆明 650031)

脑卒中具有高发病率、高致死率和高致残率的特点，我国2001年脑卒中总死亡人数中所占比例城市为20.4%、农村为19%，每年新发脑卒中患者约200万人，其中70%～80%的患者因残疾不能独立生活[1-2]。缺血性卒中病灶由中心坏死区和周围的缺血半暗带组成，中心坏死区脑血流量下降至正常的25%以下，而缺血半暗带由于侧支循环灌注，脑血流量仍在阈值以上，神经元功能丧失但保留结构上的完整性[3-4]。目前已经有大量研究阐述了缺血性卒中发生的机制，深入理解和运用这些研究结果为缺血性卒中的预防、治疗和改善预后带来了新的曙光。该文根据新近研究结果，对缺血性卒中发生过程中的一系列病理生理级联效应进行综述。

1 神经元死亡机制

缺血导致神经元死亡的机制主要包括兴奋性毒性、离子稳态失衡、氧化应激以及神经元坏死和凋亡。

1.1兴奋性毒性 兴奋性氨基酸包括谷氨酸和天冬氨酸，是中枢神经系统的兴奋性神经递质。缺血导致神经元能量代谢障碍，细胞膜内外离子梯度破坏，进而导致兴奋性神经递质谷氨酸的大量释放，重摄取下降。大量累积的谷氨酸与N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体或α-氨基-3-羧酸-5-甲基-4-异戊丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid，AMPA)受体结合并促进过量的Ca2+内流。在实验模型中，阻断离子型谷氨酸受体能减少梗死面积，但是针对NMDA和AMPA受体的临床试验表明该治疗方法不能改善患者的转归[5]。

1.2离子稳态失衡 神经元离子稳态是维持神经元存活和发挥正常功能的基础，然而离子稳态的维持依赖于多种离子转运体等载体，而载体功能的发挥都直接或间接依赖于腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)。脑缺血导致神经元供氧供能障碍、ATP耗竭、载体转运功能障碍，最终导致离子稳态失衡。钙超载是缺血后神经元损伤的关键因素，缺血引起神经元钙超载的主要原因是细胞外Ca2+内流增加，细胞内储存的Ca2+大量释放和胞质Ca2+外排能力下降。钙超载不仅导致神经元渗透性水肿，而且激活细胞内的磷脂酶和蛋白酶并发挥降解作用，导致细胞完整性被破坏，更重要的是钙超载还参与线粒体介导的凋亡过程。随着缺血性卒中后神经元钙超载机制研究的深入，钙拮抗剂可抑制钙超载并阻断神经元死亡级联效应中的多个环节，钙拮抗剂具有防止缺血后神经元损伤的保护性作用，有待临床试验进一步证明其疗效[6]。除Ca2+外，缺血中心区域的Na+/K+-ATP酶功能丧失，大量Na+内流导致细胞水肿、轴突串珠样改变，最终导致死亡。动物实验证实，Na+通道阻滞剂二丁卡因能拮抗因Na+内流而造成的神经元损伤[7]。细胞膜上ATP敏感型K+通道开放有助于膜电位恢复而发挥保护作用，埃他卡林能激活该通道开放，促进K+内流，拮抗谷氨酸所致的兴奋性毒性[8]。

1.3氧化应激 脑缺血和再灌注过程中生成大量的氧自由基，导致神经元内氧化应激状态，氧化应激是神经元损伤的关键因素之一。氧化应激导致神经元损伤的机制包括：导致细胞成分如蛋白质、磷脂、核酸的不可逆性损伤；有利于线粒体通透转换孔形成并释放细胞色素C，活化胱天蛋白酶(caspase)家族，启动细胞凋亡；激活核因子κB、低氧诱导因子1等转录因子，启动靶基因转录，这些靶基因的表达与神经元损伤和凋亡密切相关[9]。氧化应激有望成为治疗缺血性卒中的潜在靶点，抗氧化剂如维生素C、维生素E、依布硒等在动物实验中已经被证实具有神经保护作用，其临床有效性及其毒性有待进一步研究[10-12]。

1.4神经元坏死和凋亡 兴奋性毒性、离子稳态失衡和氧化应激等各种损伤因素作用于神经元，最终导致神经元死亡，神经元死亡机制包括坏死和凋亡。坏死常发生于缺血程度严重的中心坏死区，而凋亡常发生于缺血程度较缓和的缺血半暗带。凋亡过程由启动阶段和执行阶段组成，该过程持续时间较长并且存在大量可调控的信号分子，因此可作为治疗缺血性卒中的潜在靶点，而且最大程度地挽救缺血半暗带也是临床治疗的主要目标。

客观上说，目前对缺血性卒中细胞凋亡信号转导机制的认识尚不全面，比较清楚的途径主要有死亡受体活化(外源性途径)和线粒体损伤途径(内源性途径)。外源性途径：神经元细胞膜表面的Fas受体与其配体肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)超家族成员FasL结合后引发自身构象改变并与Fas相关死亡域蛋白 (fas-associated protein with death domain，FADD)结合，激活caspase-8。内源性途径：缺血后出现的兴奋性毒性、钙超载、氧化应激和细胞外凋亡信号等作用于线粒体，形成线粒体通透性转换孔，释放大量细胞色素 C。细胞色素C与凋亡蛋白酶活化因子结合形成凋亡小体，最终激活下游的caspase-3活化，活化的caspase-3是脑卒中后细胞凋亡进入不可逆阶段的重要标志。除caspase家族外，Bcl-2家族也参与调控细胞过程，并且与线粒体释放细胞色素C密切相关[13-14]。脑缺血后神经元凋亡是一个持续渐进的过程，而且该过程中有大量凋亡信号转导因子参与，因此削弱或阻断凋亡信号转导是治疗缺血性脑卒中的新思路，众多凋亡信号转导因子有望成为缺血性脑卒中的治疗靶点。

神经元死亡机制和神经元保护是缺血性卒中的焦点，传统研究思路局限在保护神经元的水平，然而脑的组成和功能还依赖于除神经元以外的细胞和细胞间功能的联系。临床治疗缺血性脑卒中的目的不仅仅是挽救神经元，更重要的是尽可能地恢复大脑功能，所以缺血性脑卒中研究应突破单一神经元的界限，转变成为更加宏观和综合的水平，治疗也应当从神经元保护的水平转化为脑保护。

2 扩展性皮质抑制

扩展性皮质抑制(cortical spreading depression，CSD)是局部神经元和神经胶质细胞去极化并出现短暂性的电活动抑制，该效应可向皮质和其他灰质区域扩展，伴随细胞外K+增加，Ca2+减少，离子梯度变化激活离子泵，导致氧和葡萄糖消耗量增加。中心坏死区因缺氧、谷氨酸递质释放和NMDA受体活化而出现CSD并向周围的缺血半暗带扩展，反复发作的CSD加剧了缺血半暗带缺血缺氧程度而成为新的坏死中心区[15]。CSD导致脑梗死范围增加，所以阻断CSD是又一治疗缺血性卒中的思路。脑缺血动物模型中，NMDA受体阻滞剂能有效抑制CSD从而减少梗死范围，但是临床试验并未成功。实验动物和人在脑回结构及胶质细胞比例方面的差异能解释NMDA受体阻滞剂治疗效果的差异，无创性检测人脑CSD和有效阻断CSD的方法有待进一步研究[16]。

3 炎性反应

炎性反应在缺血后脑组织损伤的过程中发挥重要作用。缺血导致核因子κB活化，而激活炎性因子白细胞介素1β、TNF-α、趋化因子白细胞介素8、细胞黏附分子1、血管细胞黏着分子1的表达，诱导大量炎性细胞，如中性粒细胞、单核/巨噬细胞和淋巴细胞等炎性细胞聚集在损伤部位，导致微血管闭塞、氧自由基生成、细胞毒性酶释放和血管舒缩性改变，加剧缺血后脑损伤[17]。因此，抑制缺血后炎性反应成为减少脑缺血后损伤新的治疗策略，吲哚美辛、阿司匹林、特鲁曲班能通过抑制炎性反应从而减轻缺血后脑损伤[13，18]。

4 神经血管单元

神经血管单元由神经元、血脑屏障、胶质细胞及维持脑组织完整性的细胞外基质构成，强调神经元、神经胶质细胞和脑血管之间相互联系及影响[19]。脑缺血后基质金属蛋白酶、纤溶蛋白酶原激活物表达，并导致血脑屏障通透性增加，一方面有利于炎性细胞穿过血脑屏障，局部浸润导致脑组织损伤，另一方面导致血管源性脑水肿，进而通过容积效应加重脑缺血的严重程度，甚至导致颅内高压和脑疝的出现。基于神经血管单元理论，Zhang等[20]提出组织型纤溶酶原激活物溶栓治疗缺血性脑卒中具有局限性和风险性，联合运用多靶点的神经血管保护药物能提高溶栓的效率并减少出血风险，如他汀类药物、蛋白酶体抑制剂、二甲胺四环素、自由基清除剂、促红细胞生成素等，尽管溶栓和辅助药物联合治疗是一种合理的治疗策略，但是临床中还需进一步的研究药物之间有无不利的相互作用。

5 脑白质损伤

脑白质主要由少突胶质细胞包裹的轴突束组成，白质的血流比灰质少，几乎没有侧支血管供应深部白质，因此白质对缺血更为敏感。缺血性卒中发生过程中确实有少突胶质细胞死亡，白质受损。白质中神经传导通路的修复和再通对神经功能恢复尤为重要。新近研究提出，在白质中很可能存在一个少突胶质细胞血管单元，血管内皮细胞和少突胶质细胞间的营养交换有助于少突胶质细胞生成和血管形成[21]。星形胶质细胞分泌营养因子有利于少突胶质细胞的存活[22]。研究表明，缺血性卒中后注射干细胞或由干细胞部分分化形成的衍生细胞，这些细胞可以在梗死部位存活并能分化成为神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞，分化过程中生成营养因子有利于损伤修复和功能恢复[23]。干细胞治疗有望成为脑缺血后白质损伤的治疗手段。

6 小 结

长期以来，缺血性卒中机制的研究集中于神经元死亡，该机制的深入研究确实促进临床治疗缺血性卒中的发展，但脑的组成和功能不仅依赖于神经元，也依赖于除神经元以外的多种细胞以及细胞之间的功能联系。新近研究表明缺血性卒中发生后，多种细胞、因子和机制都参与了卒中后的病理级联效应。缺血性卒中的治疗也不能停留在挽救神经元的层面，而应该向最大程度恢复脑功能的方向发展。深入研究缺血性脑卒中多细胞多因素参与的病理生理级联效应有助于临床治疗发展，但是目前研究大多还处于实验阶段，将研究结果逐步向临床治疗转化极具挑战性。

[1] 赵东.我国人群脑卒中发病率、死亡率的流行病学研究[J].中华流行病学杂志,2003,24(3):236-239.

[2] 张通.中国脑卒中康复治疗指南(2011完全版)[J].中国康复理论与实践,2012,18(4):301-318.

[3] Fisher M,Bastan B.Identifying and utilizing the ischemic penumbra[J].Neurology,2012,79(13 Suppl 1):S79-S85.

[4] Xing C,Arai K,Lo EH,etal.Pathophysiologic cascades in ischemic stroke[J].Int J Stroke,2012,7(5):378-385.

[5] Ginsberg MD.Current status of neuroprotection for cerebral ischemia:synoptic overview[J].Stroke,2009,40(3 Suppl):S111-S114.

[7] Douglas HA,Callaway JK,Sword J,etal.Potent inhibition of anoxic depolarization by the sodium channel blocker dibucaine[J].J Neurophysiol,2011,105(4):1482-1494.

[8] Ran YH,Wang H.Iptakalim,an ATP-sensitive potassium channel opener,confers neuroprotection against cerebral ischemia/reperfusion injury in rats by protecting neurovascular unit cells[J].J Zhejiang Univ Sci B,2011,12(10):835-845.

[9] Loh KP,Huang SH,De Silva R,etal.Oxidative stress:apoptosis in neuronal injury[J].Curr Alzheimer Res,2006,3(4):327-337.

[10] Rink C,Christoforidis G,Khanna S,etal.Tocotrienol vitamin E protects against preclinical canine ischemic stroke by inducing arteriogenesis[J].J Cereb Blood Flow Metab,2011,31(11):2218-2230.

[11] May JM.Vitamin C transport and its role in the central nervous system[J].Subcell Biochem,2012,56:85-103.

[12] Koizumi H,Fujisawa H,Suehiro E.Neuroprotective effects of ebselen following forebrain ischemia:involvement of glutamate and nitric oxide[J].Neurol Med Chir(Tokyo),2011,51(5):337-343.

[13] Niizuma K,Yoshioka H,Chen H.Mitochondrial and apoptotic neuronal death signaling pathways in cerebral ischemia[J].Biochim Biophys Acta,2010,1802(1):92-99.

[14] Sims NR,Muyderman H.Mitochondria,oxidative metabolism and cell death in stroke[J].Biochim Biophys Acta,2010,1802(1):80-91.

[15] Dreier JP.The role of spreading depression,spreading depolarization and spreading ischemia in neurological disease[J].Nat Med,2011,17(4):439-447.

[16] Sakowitz OW,Kiening KL,Krajewski KL,etal.Preliminary evidence that ketamine inhibits spreading depolarizations in acute human brain injury[J].Stroke,2009,40(8):e519-e522.

[17] Chu AJ.Tissue factor mediates inflammation[J].Arch Biochem Biophys,2005,440(2):123-132.

[18] Gelosa P,Ballerio R,Banfi C,etal.Terutroban,a thromboxane/prostaglandin endoperoxide receptor antagonist,increases survival in stroke-prone rats by preventing systemic inflammation and endothelial dysfunction:comparison with aspirin and rosuvastatin[J].J Pharmacol Exp Ther,2010,334(1):199-205.

[19] Sá-Pereira I,Brites D,Brito MA.Neurovascular unit:a focus on pericytes[J].Mol Neurobiol,2012,45(2):327-347.

[20] Zhang L,Zhang ZG,Chopp M.The neurovascular unit and combination treatment strategies for stroke[J].Trends Pharmacol Sci,2012,33(8):415-422.

[21] Arai K,Lo EH.An oligovascular niche:cerebral endothelial cells promote the survival and proliferation of oligodendrocyte precursor cells[J].J Neurosci,2009,29(14):4351-4355.

[22] Arai K,Lo EH.Astrocytes protect oligodendrocyte precursor cells via MEK/ERK and PI3K/Akt signaling[J].J Neurosci Res,2010,88(4):758-763.

[23] Lindvall O,Kokaia Z.Stem cells in human neurodegenerative disorders—time for clinical translation?[J].J Clin Invest,2010,120(1):29-40.