异丙酚对血脑屏障的保护作用与MMP-9表达的相关性研究

杨 静，宋春雨



异丙酚对血脑屏障的保护作用与MMP-9表达的相关性研究

杨 静，宋春雨

基质金属蛋白酶-9(Matrix metalloproteinase-9,MMP-9)是基质金属蛋白酶家族(MMPs)的一个重要成员，其主要通过攻击脑血管的基底膜和紧密连接破坏血脑屏障(Blood-brain Barrier,BBB)，加重脑出血和脑水肿，对神经元有不同程度的毒性作用。因此，在急性脑损伤中，血脑屏障受损及MMP-9表达的机制备受关注。目前，许多基础实验及临床研究均表明，异丙酚能够对颅脑损伤提供保护效应，其机制与改善血脑屏障的通透性及MMP-9表达有关。

异丙酚；血脑屏障；MMP-9；脑保护

0 引言

急性颅脑损伤是神经外科急症致死致残的重要原因，可出现一系列复杂的病理机制，研究发现，创伤性脑水肿后血脑屏障(Blood-brain barrier，BBB)的破坏是重要的病理改变之一，而细胞外基质和紧密连接的破坏在导致血脑屏障通透性改变中发挥至关重要的作用。MMP-9可通过降解脑血管的基底膜和紧密连接而破坏血脑屏障，引起继发性脑水肿并加重颅脑损伤。异丙酚是一种静脉麻醉药，广泛应用于临床各科手术患者的麻醉和重症监护室患者的镇静。大量实验证实，异丙酚具有神经保护作用，因此，成为一种极具潜力的脑保护药物而备受国内外学者的高度关注。现就其对血脑屏障的保护作用与MMP-9表达的关系予以综述。

1 血脑屏障

颅脑损伤后继发创伤性脑水肿是一种混合性脑水肿，其病理生理机制一直未完全阐明。颅脑损伤时血脑屏障受损，加重创伤性脑水肿和原发颅脑损伤，并在形态和功能两方面都发生相应改变，通透性的改变是血脑屏障功能障碍的最重要表现[1]。而在导致通透性改变中，MMP-9的表达发挥了重要作用。

1.1 血脑屏障的生理功能 血脑屏障是一个解剖显微结构单元，是血液与神经组织之间存在某种独特的屏障，这一屏障可限制物质在血液和神经组织之间的自由交换，故称为血脑屏障[2]。研究发现，血脑屏障包括脑毛细血管内皮细胞、紧密连接、基底膜和星形胶质细胞的血管周突等结构单元，每一种细胞结构类型都是血脑屏障的完整性不可或缺的组成部分[3]。周德祥等[4]研究发现，颅脑损伤可引起血脑屏障超微结构的改变及脑组织含水量的增加，即基底膜的破坏和断裂，内皮细胞、胶质细胞及线粒体的肿胀变形，细胞和血管外间隙扩大并引起液体的积聚，可导致颅内压升高乃至脑疝形成，严重脑水肿和高颅压又将反过来加重脑组织缺血缺氧损害。血脑屏障的发育和维持，依靠细胞成分和非细胞成分的相互作用，并提供了血脑屏障结构和功能的支持。任何一种细胞类型或非细胞组分的损害，都将引起或促进血脑屏障的破坏及功能障碍[5]。研究表明，在维持血脑屏障的功能中，细胞外基质的作用越来越重要，细胞外基质包括间质基质和基底膜，而内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞则是通过分泌细胞外基质分子促进基底膜的形成。基底膜主要是由结构蛋白组成，如Ⅳ型胶原蛋白，层粘连蛋白和纤连蛋白，并且也含有细胞粘附分子与稳定的信号转导蛋白，包括两种截然不同的分子结构即内皮基底膜和实质基底膜，发挥不同的生理功能[6]。细胞外基质及相关细胞结构可通过这两种分子结构的跨细胞膜受体而发挥作用，例如层粘连蛋白、纤连蛋白、Ⅳ型胶原、骨粘连蛋白、糖胺聚糖(GAG)和基底膜蛋白聚糖等，与配体结合引起的各种信号转导、炎症因子及生长因子的活化[3]。

1.2 血脑屏障的破坏 血脑屏障对于建立和维护内环境的稳定，使神经活动正常发挥至关重要，严格控制离子、分子和细胞的运动。血脑屏障破坏导致免疫细胞外渗，增加各种离子、大分子物质穿过血脑屏障，但血脑屏障故障发生的机理和破坏的后果是多方面的[7]。有证据表明，很多因素都可导致血脑屏障破坏，其中氧化应激是比较重要的因素之一，氧化应激介导的血脑屏障的破坏表现在多种神经系统的疾病中，氧化应激反应是指机体过量的抗氧化防御反应的活性氧簇(ROS)引起的细胞毒性反应，从而导致神经组织损伤的病理过程[8]。局部缺血缺氧后，在缺血再灌注期间，氧化应激反应可导致血脑屏障的破坏，加速神经损伤，在2个瞬时小鼠缺血模型与人类脑损伤标本中，嗜中性粒细胞释放活性氧，刺激其他细胞产生细胞因子，吸引更多的白细胞从外围进入神经细胞表面和脑血管的血管周围空间，缺血性炎症级联反应，进一步调节其功能，促进血脑屏障的破坏，而不需要渗入缺血脑组织[9]。另外，毒性氨基酸、一氧化氮(NO)和钙超载也有相应的作用，缺血缺氧引起细胞膜去极化释放毒性氨基酸，谷氨酸受体激活引起钙超载及NO的病理性释放，除了通过钙离子依赖性NO合酶(NOS)直接参与血脑屏障的调节外，还通过与ROS反应，生成毒性更强的过氧化硝酸盐离子，导致血脑屏障的开放，加重脑组织的损伤，介导中枢神经系统的进一步损害[7]。最近的研究表明，在继发性脑损伤中，与损伤相关的神经血管改变和重塑相关的基质金属蛋白酶(MMPs)，在血脑屏障开放中可能发挥着更重要的作用，尤其是MMP-9，在炎症级联反应和钙超载的诱导下，活化起到破坏血脑屏障的关键作用，从而导致脑水肿和继发性脑损伤，以及神经炎症和退行性病变[10]。

2 MMP-9与血脑屏障的关系

2.1 MMP-9的生理作用 基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)是一类钙离子和锌离子依赖性内肽酶，具有结构相似的血红素结合蛋白，前肽和催化结构域，是蛋白水解酶中非常重要的一类[10]。生理状态下以无活性的酶原或前提形式存在，主要功能是调节细胞外基质的稳态，包括其他蛋白酶，蛋白酶抑制剂，炎性细胞，凝血因子，潜在生长因子，生长因子结合蛋白，细胞-细胞粘附分子，几乎所有的具有细胞结构的细胞外基质蛋白。因此，MMPs能够调节许多生物过程，异常表达和活化的基质金属蛋白酶导致的细胞外基质和紧密连接的降解，致使血脑屏障破坏和血管性水肿[11]，尤其是MMP-9，在中性条件下，内源性钙离子和锌离子参与下，由巨噬细胞、内皮细胞、粒细胞、结缔组织细胞和某些肿瘤细胞等合成并分泌，通过降解细胞外基质、构成基底膜的Ⅳ型胶原、层粘连蛋白及纤维黏连蛋白等发挥病理性作用，在脑缺血和炎症后发挥血脑屏障损伤中起重要作用[12]。

2.2 MMP-9表达的可能机制 MMP-9可导致许多有害的后果，包括血脑屏障破坏，脑出血水肿，脑细胞凋亡和脑损伤的缺血性损伤。活化的MMP-9的调节机制尚不明确，可表现在转录水平、酶原的激活水平及基质金属蛋白酶组织抑制因子(Tissue inhibitor metalloproteinase，TIMPs)的调节。有证据表明，MMP-9在转录和酶原激活水平与氧化应激、炎症反应、细胞凋亡、线粒体功能障碍等相关联，氧自由基、炎性细胞、细胞因子和趋化因子等通过Fos/Jun二聚体(即早基因c-fos及c-jun的转录翻译产物)作用于MMP-9基因促进其转录，也通过级联反应诱发MMP-9酶原的激活[13]。而MMP-9的表达增加会反作用于炎性细胞和氧自由基，加速其游走和毒性变化浸润脑组织，并且最终导致血脑屏障开放后，脑水肿加重和脑缺血后出血性转化。TIMPs广泛分布于组织和体液中，共价结合MMPs而阻止其活化。MMP-9的抑制剂TIMP-1与MMP-9酶原或活化后酶的催化区羧基末端特异性结合，从而特异性抑制MMP-9的活性，抑制或阻止其降解细胞外基质[14]。Barr等[15]研究发现，临床血浆MMP-9水平与人类血脑屏障破坏的神经影像学指标之间存在重要联系，监测血浆MMP-9可用于颅脑损伤后血脑屏障损害的早期检测，证实MMP-9在人的脑中风和再灌注损伤中起关键作用。在动物模型中也得到相似结论[16]，已显示MMP-9蛋白的水平，不仅在损伤的脑组织中，而且在损伤周围区域存在，表明MMP-9参与梗死面积生长的过程。在脑缺血早期抑制MMP-9的活性，可促进血脑屏障的恢复和血管的生成[17]。因此，MMP-9可以代表一个潜在的治疗靶标用于减少血肿周围水肿和改善临床结果，而异丙酚可能正好作用于这个靶点发挥脑保护作用。

3 异丙酚的脑保护作用

3.1 异丙酚脑保护作用可能机制 异丙酚(2,6-二异丙基)是一种常用的短效静脉麻醉剂。该药物具有起效快、诱导平稳、稳态分布容积大、苏醒迅速、不良反应小、无蓄积作用等优点，广泛应用于临床外科手术和门诊手术患者的麻醉和重症监护室患者的镇静。国内外大量研究证明，异丙酚具有脑保护作用，但其机制还未完全阐明。研究人员发现，异丙酚可能通过降低颅内压力、脑代谢速率、脑血流量和减轻血脑屏障通透性并保持脑血流与脑氧代谢率的良好匹配从而提供神经保护作用[18]。异丙酚具有抗氧化应激性能，清除体内氧自由基，降低脂质过氧化物，抑制炎性因子的释放，从而抑制MMP-9的表达，异丙酚也可能通过抑制细胞内钙超载，减少兴奋性氨基酸的释放，稳定胶质细胞的功能，减轻血脑屏障的通透性发挥脑保护作用[19]。戚思华等[20]发现，丙泊酚可通过促进原癌基因bcl-2的表达，减轻脑组织的缺血性凋亡作用，促进神经元存活在梗死的边缘区域。还有研究表明，异丙酚在血脑屏障的超微结构和线粒体水平提供了有力的神经保护作用[21]。

3.2 异丙酚通过抑制MMP-9水平保护血脑屏障 鉴于MMP-9在脑损伤中血脑屏障的破坏作用，研究人员将注意力转移到异丙酚通过抗MMP-9蛋白表达发挥其脑保护作用。LEE等[22]研究表明，异丙酚可有效降低局灶性脑缺血模型脑梗死的体积。全脑缺血再灌注损伤前给予异丙酚预处理，可以改善大鼠的神经功能评分，减轻神经元缺血再灌注损伤后的病理生理改变，保护短暂脑缺血后血脑屏障完整性并减轻脑水肿[23]。异丙酚的局部缺血后给药，提供了脑缺血再灌注损伤的神经保护作用，这种保护可能与抑制MMP-9的表达增加有密切关系。Zhang等[24]研究发现，在脑损伤时，异丙酚可抑制炎症反应和氧化应激，从而衰减缺血性脑损伤，通过抑制髓过氧化物酶(MPO)活性、核因子κB(NF-κB)表达、环氧合酶-2(COX-2)表达、肿瘤坏死因子α(TNF-α)浓度、活性氧(ROS)的产生，在基因水平上抑制Fos/Jun二聚体的形成而降低MMP-9的转录和表达。异丙酚也可抑制缺血早期谷氨酸及NO释放的不同路径，减轻其兴奋毒性作用及钙超载，阻断MMP-9活化途径，降低血脑屏障的开放，从而减轻血脑屏障的破坏，发挥脑保护作用[15]。Tejima等[25]研究发现，异丙酚可通过抑制基质，金属蛋白酶的内源性天然抑制剂(TIMPs)与MMP-9的操纵序列的可逆结合，抑制MMP-9降解细胞外基质，稳定血脑屏障的通透性。研究表明，TIMPs可减少兴奋性氨基酸介导的钙离子内流，减轻钙超载，猜想异丙酚可能通过此途径抑制MMP-9的表达，发挥脑保护作用。此外，Mizuno等[21,26]研究发现，MMP-9的表达上调会加速细胞凋亡和线粒体功能障碍，两者相互作用诱导血脑屏障的破坏及脑组织缺血性坏死。研究证实，异丙酚可通过保护线粒体的功能减少能量代谢障碍，抑制细胞的凋亡而发挥脑保护作用，不难推测，这种机制也可能通过抑制MMP-9的表达来实现脑保护作用[27]。

4 结语

脑组织损伤是一系列复杂的病理性级联反应，血脑屏障的破坏在继发性脑损伤中的作用越发受到大家的重视，但基本的机制仍然知之甚少。证据表明，蛋白酶在脑缺血损伤的早期阶段就引起血脑屏障破坏[28]。我们仍然需要进一步研究来了解脑缺血损伤中MMP-9蛋白的表达持续时间及破坏血脑屏障的严重程度，并以此作为靶点找到异丙酚的脑保护机制。作为一种静脉麻醉药，异丙酚的脑保护作用已经得到国内外大量专家的证实，异丙酚可能通过多种途径的级联反应来介导对MMP-9的抑制作用，减轻血脑屏障的通透性，起到脑保护作用，但具体的机制还需要进一步研究。

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Correlation between protective effect of propofol on blood-brain barrier and expression of MMP-9

YANG Jing,SONG Chun-yu

(Department of Anesthesiology,The Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Key Laboratory of Anesthesiology and Intensive Care Research & Key Laboratory of Basic Theory and Application of Anesthesiology of the Heilongjiang Higher Education Institution,Harbin 150086,China)

Matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) is an important member of the family of matrix metalloproteinases (MMPs),which damages the Blood-brain Barrier (BBB) by the attack of cerebral vascular basement membrane and tight junctions,BBB opening leads to cerebral edema and hemorrhagic transformation and has different degrees of toxicity on the neurons.Therefore,the disruption of BBB and the role of MMP-9 is great concerned in acute brain injury.A lot of basic experimental and clinical studies show that propofol has protective effect on traumatic brain injury,which has associations with improving BBB permeability and inhibiting MMP-9 activity.

Propofol;Blood-brain barrier;MMP-9;Cerebral protection

2015-04-08

哈尔滨医科大学附属第二医院麻醉科 黑龙江省麻醉与危重病学重点实验室 黑龙江省普通高等学校麻醉基础理论与应用研究重点实验室，哈尔滨 150086

10.14053/j.cnki.ppcr.201511031