丙戊酸和氢气对创伤性脑损伤小胶质细胞表型影响的研究进展

马野川，吴曦子，曾仁庆，崇巍

(1.沈阳医学院；2.中国医科大学附属第一医院急诊科,辽宁 沈阳 110000)

全球因中度和重度创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)致残人数每年高达80 000人[1]，TBI对青年的高致死率给社会经济带来巨大挑战[2]。TBI治疗指南指出，TBI的治疗策略应致力于改善脑缺氧、低灌注和脑水肿状态[3]。然而现今临床上对于此方面的治疗手段仍然有限，因而积极寻找有效的治疗TBI的方法十分必要。

1 TBI与炎症反应

TBI包括对颅脑的首次打击和二次打击。首次打击为创伤瞬间机械力造成组织形变，直接损伤周围血管、轴突、神经元和胶质细胞，造成多发及弥漫性损伤。首次打击因其损伤程度不同且人为可控性有限，以预防为主。二次打击被视为首次打击的并发症，发生于首次打击后的几分钟至数日[4]，其始动因素是首次打击造成的脑组织急性缺血、缺氧，可诱发脑细胞水肿，致使颅内压升高、灌注压下降，进一步加重缺氧缺血，同时诱发炎症因子、神经递质和自由基的过度释放，引起炎症反应、细胞膜通透性改变、血脑屏障开放，破坏生理生化代谢和线粒体功能，进一步加重脑细胞水肿，并诱导凋亡基因活化，最终导致细胞死亡[5]。

英国脑损伤治疗指南指出，防治TBI后的二次打击损伤是降低TBI病死率的主要策略，避免低氧和低灌注、控制炎症反应、减轻脑细胞水肿和降低颅内压是治疗的重点。治疗措施包括高质量的高级创伤生命支持；维持气道通畅、给予高通气量、提供充分氧合、保证有效循环，静脉给予高渗液、甘露醇和糖皮质激素、镇静抗惊厥药，骨瓣减压等，以减轻脑细胞水肿渗出和炎症反应，降低颅内压，维持颅内灌注，但上述治疗手段在重型TBI国际治疗指南中推荐等级均较低[3]276-278。事实上，在严重TBI早期，脑组织水肿合并灌注不足的情况下，常压给氧难以达到充分氧合目的，且高压氧的治疗效果尚存在争议[6]，因而，在有限的治疗时间窗内，阻断低氧-炎症-水肿-低灌注-低氧是TBI二次打击的治疗靶点，其根本在于有效抑制缺氧造成的炎症反应。

2 小胶质细胞表型与中枢神经系统炎症反应

巨噬细胞是炎症反应的重要调控者，受到外界刺激可分化为两种功能表型：M1型(促炎型)和M2型(抑炎型)，并表达出相应的表型标志物，参与炎症反应调节。M1型和M2型巨噬细胞可以共同存在，维持动态平衡，二者的相互关系控制着促炎或抑炎方向的转化，调控机体对外界刺激的清除和修复。两种表型的转化被细胞内外一系列信号转导通路、转录因子和转录后修饰所调控[7]。中枢系统的炎症反应调控者为小胶质细胞，在早期胚胎形成过程中，单核细胞随血液移动到脑组织，分化成小胶质细胞，因此，小胶质细胞和骨髓及外周单核细胞、巨噬细胞拥有许多相同的表面标记物和抗原[8]。小胶质细胞在中枢神经系统中负责免疫应答和抗原呈递，产生多种细胞因子和化学分子，调控炎症反应并介导免疫应答，同时也参与生理状态下中枢神经系统的生长发育。与巨噬细胞相似，当外界微环境变化时，小胶质细胞得以活化。与巨噬细胞相似，外界微环境变化可诱导小胶质细胞分化出类似的功能表型：M1型和M2型。M1型小胶质细胞释放促炎因子和细胞毒性介质，引起神经元功能障碍或细胞死亡；M2型小胶质细胞可吞噬清除细胞碎片，释放神经生长因子和抗炎因子，抑制神经损伤，促进损伤部位修复[4]124-142。

在TBI发生的数分钟到数小时内，在TBI发生的数分钟到数小时内，固守在神经系统中的小胶质细胞、星形胶质细胞和聚集的多型核细胞开始释放细胞因子，与此同时，促炎性细胞因子的释放反馈性诱导抗炎因子的合成，这种动态的自身反馈调节维持着相对稳定的免疫状态[9]，小胶质细胞/巨噬细胞表现为M1型增加，当M1型小胶质细胞将损伤细胞碎片清除后，M2型小胶质细胞逐渐增多，启动组织修复再生。然而，当TBI过重时，M1型小胶质细胞数量不断增加，促炎因子大量释放，自身调节的免疫稳态被打破，过度的炎症反应加重脑组织损伤，诱导细胞死亡和神经退行性变[10]。研究表明在TBI早期，M1型小胶质细胞的数量与脑白质损伤严重程度相关[11]。因此，TBI缺氧诱导的炎症反应是一把双刃剑，如何调控促炎和抑炎效应，即缺氧状态下小胶质细胞M1型和M2型的动态平衡显得尤为重要。准确把握缺氧小胶质细胞表型变化规律，可成为TBI的治疗靶点。

3 VPA与中枢神经系统的炎症反应

组蛋白(histone)是染色体的重要组成部分，主要包括组蛋白H2A、H2B、H3、H4等。组蛋白的赖氨酸残基可以被乙酰化[12]，参与调控基因转录，可影响包括免疫反应在内的众多细胞信号通路。组蛋白乙酰化和去乙酰化分别由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase，HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)调控，共同维持“乙酰化稳态”。HAT使组蛋白乙酰化，组蛋白被松解，缠绕在组蛋白上的基因序列暴露出来，转录因子更易接近转录起始位点，促进基因的转录和蛋白的表达。反之，HDAC使染色体组蛋白去乙酰化，抑制基因转录和蛋白的表达。组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitor，HDACI)可以阻止HDAC的去乙酰化，纠正组蛋白低乙酰化水平，暴露基因转录位点，上调转录，恢复“乙酰化稳态”，从而抑制炎症反应、促进细胞的生存[12]834-840。TBI发生时，染色体乙酰化稳态被打破，脑细胞核内的组蛋白(尤其是组蛋白H3)乙酰化水平降低，引起兴奋性损伤和小胶质细胞的炎症反应[4]124-142。在TBI引起脊髓损伤的大鼠模型中，HDACI可上调原代小胶质细胞的GSK3-β表达，使PTEN磷酸化而失活，进而增强PI3K-Akt信号通路使小胶质细胞向M2型转化[12]2853-2858。

丙戊酸(valproic acid，VPA)VPA属于广谱HDACI，可抑制多种HDAC，临床上用于抗癫痫和抗双向情感障碍治疗，研究表明其对颅脑缺血损伤、炎症反应和TBI等均有保护作用[13]。VPA可降低缺血等造成的炎症反应，抑制小胶质细胞活化，减少促炎型小胶质细胞数量，提高组蛋白H3乙酰化，增加热休克蛋白70的表达和Akt磷酸化，进而促进小胶质细胞向M2型转化[12]2853-2858；另外，在胶质细胞存在的环境中，VPA通过抑制肿瘤坏死因子-α的分泌和一氧化氮的生成，从而抑制炎症反应[13]162-169。在大动物TBI合并失血性休克模型以及单纯TBI模型中，VPA能够保护脑神经，减轻脑水肿和二次打击损伤，并有助于TBI后运动功能恢复[14-16]。上述表明，VPA对维持TBI乙酰化稳态有重要作用，极有可能通过影响小胶质细胞功能表型的转化，进而调控缺氧小胶质细胞的炎症反应。

4 H2与炎症反应

H2是一种常见的还原性气体，2007年有关H2的研究表明动物吸入2%的H2可特异性清除自由基-羟自由基(·OH)和过氧亚硝基阴离子(ONOO-)，显著改善大鼠脑缺血再灌注损伤[17]，引起了广泛关注。此后研究发现H2在多种细胞和器官中均具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。研究表明H2主要的作用机制为：(1)直接特异性清除由灌注不足、缺血再灌注和炎症等产生的·OH和ONOO-，减轻二者对细胞的急性氧化损伤，进而抑制氧自由基诱导产生氧化产物，阻止脂质过氧化和细胞核DNA损伤[18]；(2)通过间接促进NF-E2-related factor 2(Nrf2)向细胞核内转导等途径，增加血红素加氧酶1(OH-1)等抗氧化酶表达，降低氧化损伤；(3)间接降低炎症细胞因子，减少炎症细胞富集，具有广泛的抗炎功能，对LPS诱导的急性炎症反应、酵母聚糖引起的全身炎症反应综合征，均具有治疗作用[19]。H2可以通过吸入、静脉注射或口服富氢盐水等方式给予。吸入H2不影响正常生理状态下的氧化还原反应，且具有良好的生物膜透过性和组织弥散能力，可迅速到达病灶。研究证实吸入H2不影响脑缺血患者的各项生理指标水平[18]289-317，且在心肌缺血早期未恢复血液供应时仍可以到达坏死部位[4]124-142。目前研究显示吸入H2对颅内缺氧再灌注损伤和缺血/缺氧诱导的神经损伤均具神经保护作用[18]289-317：给予脑梗死大鼠吸入2% H2可降低小胶质细胞集结，达到抗炎效果[17]688-694；在手术致脑损伤模型中，吸入2.9% H260 min可有效减轻大鼠脑水肿[20]；给予缺氧孕鼠吸入2% H2可降低胎鼠颅脑损伤[21]。我们的前期研究发现，H2可抑制巨噬细胞在百草枯刺激下的M1型炎症因子产生。除可以促进Nrf2转导外，H2也可降低类风湿性关节炎患者硝化酪氨酸水平，提示H2可能通过与ONOO-反应，从而降低转录控制因子(-O-NO2、-S-NO2)水平，调节基因转录[22]。其次，有学者发现饮用富氢盐水可上调胃饥饿素(Ghrelin)的mRNA转录水平，表现神经保护作用[23]。研究表明H2还可通过上调或下调某些凋亡相关基因发挥抗凋亡作用，例如刺激抗凋亡因子Bcl-2、Bcl-xL 的表达，抑制促凋亡基因 casapase 3 、caspase 8和caspase 12 的表达[7]787-795。综上，H2可能通过调节转录控制因子(O-NO2、-S-NO2)或某些凋亡相关基因发挥发挥生物学效应。而小胶质细胞表型转化也伴随着转录因子基因表达的改变，如M2型小胶质细胞可以分泌抗炎因子IL-10，抑制NF-κB同工型，其表型标记物有Arg-1，CD206，Ym1，Fizz1[24-25]。因此，H2可能通过调节转录因子水平或下游炎症因子的表达，从而调控小胶质细胞表型来抑制TBI缺氧损伤。

综上，小胶质细胞的表型变化过程在TBI炎症反应中扮演着重要角色VPA和H2可抑制TBI的炎症反应，且该抑制作用很可能通过调节缺氧小胶质细胞表型转化而实现，该思路为进一步探索TBI治疗策略提供理论基础，仍需进一步体内及体外实验探究和验证。