乳酸在脑缺血再灌注损伤中的保护作用及最新研究进展

孙永鑫，王晴晴，吕程美综述，张 兵审校

脑卒中作为全球致死率最高的的三大疾病之一，近年来一直受到持续关注。根据世界卫生组织(WHO)调查数据显示全世界每年新增脑卒中患者1500 万，其中约500 万人因此失去生命，另外500 万人留有终身残疾［1］。而且随着人口老龄化进程的加快，导致卒中的危险因素(高血压、糖尿病、肥胖等)逐渐增多，预计到2020 年卒中的发病率将增长一倍［2］。

目前临床治疗缺血性脑卒中的主要方法依然是溶栓治疗，然而溶栓治疗的缺点是治疗时间窗较短(3 h 内)，出血风险较大，因此不能有效满足所有临床脑卒中患者的治疗需求。在过去20 年，乳酸一直被认为是无氧酵解的代谢废物，在组织中积累过量会引起酸中毒和组织损伤［3］，但最近研究发现乳酸对大脑神经细胞也有很多积极的效应，在脑缺血再灌注损伤中呈现出保护作用［4，5］，。本文主要针对乳酸在脑缺血再灌注损伤中的保护作用及最新研究进展做一综述。

1 乳酸在机体的产生方式和代谢方式

乳酸是机体无氧代谢的产物，葡萄糖在体内经过糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸在有氧条件下进入线粒体，经过氧化脱羧进入三羧酸循环氧化供能，在无氧条件下丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下生成乳酸［6］。生成的乳酸可以参与细胞供能，也可以随血液运输至肝脏进行糖异生，少量经过汗液和尿液排出体外。

2 乳酸在中枢神经系统中的作用

2.1 乳酸作为能量底物在中枢神经系统中的作用Pellerin 等［7］在1994 年提出星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭假说，首次提出乳酸可以被神经元作为能量利用，2004 年gladden［8］发现乳酸在低血糖的条件下，能够代替葡萄糖为大脑供能，再次证实乳酸是神经细胞的一种能量底物。Schurr等［9］在大鼠海马切片中应用单羧酸盐转运体抑制剂(4-CIN)，抑制乳酸向神经细胞内转运，发现4-CIN 能够明显抑制神经突触功能的恢复，证实了乳酸是一种能够使受损突触功能恢复的必要物质。在之后的研究中又发现星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭对于机体长期记忆的形成和维持起到关键的作用［10］。

2.2 乳酸对损伤神经细胞的保护作用

2.2.1 乳酸对外伤性脑损伤具有保护作用 研究发现乳酸能够调节外伤性脑损伤后神经组织葡萄糖代谢和脑血流［11，12］。Rice 等［13］通过实验发现在外伤性脑损伤30 min后持续静脉注射乳酸可以明显改善大鼠后期认知功能，Cureton 等［14］在临床试验中观察到了同样的治疗效果，在对555例外伤性脑损伤的患者进行的治疗观察中发现应用外源性乳酸具有明显的神经保护作用并提高神经系统功能预后。

2.2.2 乳酸能够增强大脑缺血后神经功能的恢复 在大鼠全脑缺血模型中，应用乳酸能明显减少皮质中谷氨酸盐和γ-氨基丁酸的含量，并促进了大鼠皮质电活动的恢复［15］。研究还发现乳酸作为一种信号分子能够参与调解大脑血管紧张度［16，17］。

2.3 乳酸在脑缺血再灌注中的保护作用 Berthet 等［4］应用海马切片进行体外培养，进行糖氧剥夺处理后立即加入不同浓度的乳酸溶液，结果发现在应用4 mmol/L 乳酸时能明显减少海马切片CA1区死亡细胞的数量。在随后的在体试验中，通过脑室内注射技术向大脑中动脉闭塞(MCAO)模型大鼠脑室内注射2 μl 100 mmol/L 乳酸，证实在30 min MCAO 模型中乳酸能显著减少大脑梗死体积，在60 min MCAO 模型中乳酸能显著减少纹状体梗死体积并提高神经功能预后，而且再灌注后推迟60 min 用药仍然能显著改善神经功能转归。Horn 等［5］在MCAO 模型中向小鼠腹腔内注射250 mg/kg 乳酸，结果发现乳酸能明显减少大脑梗死体积，减少脑缺血再灌注后引起的体重减轻。Schurr 等［18］利用大鼠建立心跳骤停全脑缺血模型，实验组注射4-CIN，阻断乳酸进入神经细胞，结果发现应用4-CIN 组与对照组比较神经细胞死亡数量明显增多，从反面证实了乳酸对脑缺血再灌注损伤后的神经组织具有保护作用。进一步的研究证实乳酸静脉注射对MCAO 模型大鼠同样具有神经保护作用。在大鼠15 min MCAO 模型建立后通过尾静脉注射5 μl/g 乳酸钠，与对照组相比14 d 后乳酸钠组大鼠脑组织梗死体积明显减少，神经系统功能显著恢复［19］。

3 乳酸对脑缺血再灌注损伤保护的作用机制

3.1 乳酸为缺血再灌注后的神经细胞提供能量 缺血性脑卒中的病理生理过程主要是神经组织缺血缺氧的过程，乳酸作为一种能量底物可以在神经组织三磷酸腺苷(ATP)耗尽时为神经细胞提供能量［20，21］。缺血性脑卒中发生后神经细胞缺血导致细胞外液谷氨酸盐浓度升高，随后细胞外液中的谷氨酸盐和Na+被星形胶质细胞摄取，细胞内谷氨酸盐和Na+浓度升高又分别激活了谷氨酰胺合成酶和Na+/K+-ATP 酶，使得星形胶质细胞对ATP 的需求增大，继而又提高了血糖的摄取和糖酵解酶激活，血糖在糖酵解酶催化下生成乳酸及ATP，乳酸顺浓度梯度从星形胶质细胞释放进入细胞外液、再进入神经元进行氧化，为神经元活动提供能量［7］，减少因能量缺乏导致的神经细胞死亡。

3.2 乳酸增加细胞外液渗透压减轻脑水肿 神经组织在缺血再灌注后会经历水肿期，水肿会引起颅内压严重增高，造成神经组织进一步损伤［22］。研究证实适当浓度的乳酸能提高神经组织细胞外液渗透压，减轻脑水肿，从而减轻由高颅内压造成的神经组织二次损害［4］。

3.3 乳酸增加脑血流 根据星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭假说，在神经组织缺血后星形胶质细胞释放乳酸［7］，Gordon 等［16］研究发现细胞外乳酸的增多引起前列腺素E2(PGE2)释放，使脑血管扩张脑血流(CBF)增加，CBF 的增加为再灌注后的神经组织提供更多的能量和氧供，进而减少神经细胞死亡。

3.4 其他可能的保护机制 Rinholm 等［23］通过体外培养大鼠神经细胞建立糖氧剥夺模型，发现应用外源性乳酸后能明显促进神经细胞损坏髓鞘的修复和再生。此机制有可能参与乳酸对缺血再灌注神经细胞的保护作用。Ros 等［24］利用微量透析技术分组在大鼠皮质中进行100 mmol/L 谷氨酸盐灌注和100 mmol/L 谷氨酸盐联合6 mmol/L 乳酸灌注，实验证明乳酸能有效减少谷氨酸盐引起的神经组织损伤，减少脑组织梗死体积，其具体机制有待进一步研究。

4 乳酸在脑缺血再灌注损伤治疗中面临的问题

研究表明，乳酸只有在适当浓度下才能发挥神经保护作用，Berthet 等［4］在体外实验中应用1 mmol/L 和20 mmol/L乳酸钠时都没有发现死亡神经元数量的明显减少，而且在未经过糖氧剥夺的海马切片应用20 mmol/L 乳酸钠，发现会导致海马椎体细胞大量死亡，说明乳酸对神经细胞的保护作用是与其浓度相关的，浓度过低或过高对神经细胞都无保护作用，且当乳酸浓度过高时还会对神经细胞产生损害作用。目前为止乳酸对缺血后神经元保护作用的研究还停留在局部脑缺血方面，在长时间大面积全脑缺血方面乳酸的作用还不明确。外源性乳酸注射引起脑组织中乳酸浓度的不一致升高，在临床实际应用中如何使脑组织不同部位的乳酸浓度同时达到理想的保护浓度，延长治疗时间窗，这些问题都需要进一步研究。既往研究认为乳酸的大量堆积会造成组织酸中毒，但研究发现只有当pH 低于7.2 时酸敏感离子通道才会开放，然而正常组织内乳酸的堆积不会使pH 值低于7.2也无法造成酸敏感离子通道的开放［25］。Berthet 等［4］通过实验观察证实了这一观点，试验中当细胞外液乳酸浓度达到35 mmol/L 时并没有引起组织的酸中毒。进一步研究发现质子释放是引起酸中毒的主要原因，无氧酵解产生的乳酸并不能释放质子［17］，因此也不会导致酸中毒。缺血性脑卒中发病突然且进展迅速，因此方便有效的给药方式十分重要。Berthet 等［19］的实验证实乳酸可以通过血脑屏障到达神经组织，因此应用静脉注射乳酸治疗缺血性脑卒中的用药方式是可行的。正常情况下神经组织在缺血后会产生大量乳酸，使神经细胞周围乳酸浓度迅速升高，超过乳酸的保护浓度，但通过观察发现在神经组织缺血再灌注后15 min 到1 h 内乳酸浓度逐渐下降并恢复到正常水平［19］。原因可能是当ATP 耗尽后乳酸作为能量底物被消耗，乳酸浓度下降，因此在实际使用中可以在这个时间窗注射乳酸并起到保护神经元的作用。

5 总结与展望

乳酸在一系列的动物试验中能够明显减少缺血再灌注后神经元的损伤，减少梗死面积并提高神经系统预后。但乳酸的最佳使用浓度和使用时间窗尚有待进一步确认，作为一种廉价且获取方便的药物，乳酸在治疗缺血性脑卒中有很大发展前景。

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