缺血性脑卒中损伤机制研究进展

吴咏梅，陶茹莹，孟祥宝，孙晓波，孙桂波，张 辉*

（1.长春中医药大学，长春 130117；2.中国医学科学院北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193）

脑卒中是具有高发病率、高病死率、高致残率、高复发率等特点的心血管疾病。如何有效防治脑卒中成为当下的研究热点，本文介绍了对缺血性脑卒中的认识，包括临床常见治疗方案和具体的损伤机制。目前缺血性脑卒中公认的治疗方案是尽早恢复或重建血液再灌注，即恢复缺血组织血液流通，保证氧和能量供应并及时将代谢产物清除。恢复缺血脑组织的血液供应一方面可挽救大批濒死脑细胞，促进神经元功能恢复；另一方面缺血再灌注后使神经细胞产生快速的级联反应损伤，缺血组织的病理损害进一步加重，最终诱发神经细胞凋亡或坏死，这种恢复血流灌注后引起脑组织损伤加重的现象被称为脑缺血再灌注损伤（cerebral ischemia- reperfusion injury，CIRI）[1]。本文详细归纳了参与缺血性脑卒中再灌注的十几种损伤机制，综述如下。

1 能量代谢

大脑是机体能量代谢最旺盛的组织，约占20%。脑缺血时，脑组织因血液流通受阻，氧气供应不足，缺乏代谢所需的物质与能量。ATP是Na-K-ATP酶激活剂，当受损组织能量代谢障碍，ATP生物合成减少，Na-K-ATP酶活性改变，最终导致脑细胞内外钠钾失衡，细胞外K+增多导致细胞膜持续去极化而影响兴奋传导、递质释放等，并且与缺血期间所发生的细胞自杀现象相关，从而影响脑功能恢复的质量。脑缺血后能量代谢的恢复是其他功能恢复的前提，张艳荣等[2]研究显示缺血后腹腔注射山莨菪碱20 mg/ kg可显著减少缺血再灌注沙土鼠海马ATP耗竭，亦可促进Na-KATP酶活性的恢复。

2 酸中毒

脑组织供血不足后迅速出现酸中毒，缺血区域pH值快速从7.3降到6.5，甚至更低。造成缺血脑组织pH迅速降低的原因包括：脑血流量降低使缺血组织内氧气供应不足，无氧代谢导致乳酸大量堆积；CO2不能被及时清除；伴随能量中间体ATP消耗产生大量H+。脑组织在缺血缺氧情况下，葡萄糖浓度显著降低，缺血区乳酸和乳酸/丙酮酸比值升高[3]。脑缺血后神经元损伤的主要原因是乳酸和与之相应的酸中毒。研究发现，缺血区内的酸中毒协同细胞内Ca2+超载通过损伤Na通道的动力和破坏皮质GABA神经元的功能来介导神经元兴奋性毒性。并且低pH时神经元受损加剧，另外氧化应激介导的神经元损伤与酸中毒密切相关，有研究认为可能与低pH值介导的抗氧化剂功能损伤和细胞内铁离子含量升高有关。

3 氧化应激

包括脑缺血在内的许多神经变性疾病均会伴随氧化应激损伤。氧化应激是由于机体内氧自由基过度生成或清除能力降低使得体内氧自由基发生堆积，导致体内活性氧簇（reactive oxygenspecies，ROS）蓄积而引起神经元损伤的过程。脑组织内不饱和脂肪酸含量丰富，特别是亚油酸和花生四烯酸，导致抗氧化能力较弱，氧化应激损伤对大脑影响严重。缺血区线粒体功能受损后利用O2生物合成ATP的能力丧失。恢复血液供应后，O2一部分转化为O2-，另一部分在黄嘌呤氧化酶的作用下生成HO-。二者引发自由基连锁反应，生成多种脂质过氧化物，最终导致大量ROS产生且其对细胞具有广泛的损伤。高活性的ROS降解细胞内大分子物质，如脂质、蛋白质、核酸等，导致多种酶活性降低、细胞膜结构功能受损，最终导致细胞死亡，大量氧自由基还会引起膜脂质过氧化，改变细胞膜的通透性、流动性，破坏离子通道结构和功能。再灌注后使得血液将全身其他组织中的Ca2+输送至脑组织，加重钙超载，继而引发一系列连锁反应。

4 氮化应激

体内活性氮簇增多引起机体受损的过程称为氮化应激。常见的活性氮簇有一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、硝基阴离子（NO-）和硝基阳离子（NO）等。体内有三种一氧化氮合酶（NOS）：神经元型NOS（nNOS）；内皮型NOS （eNOS）和诱导型NOS（iNOS）。不同细胞在不同亚型的NOS催化下，生成的NO在缺血损伤中的作用不同。nNOS参与缺血早期损伤；而iNOS参与晚期损伤。eNOS通过促进血管舒张和增加脑血流量参与脑缺血损伤的保护过程。NO在缺血再灌注中具有保护和损伤双重作用。NO通过维持脑血流量，抑制血小板及白细胞的聚集和黏附，对脑缺血起保护作用。NO被过量超氧化产生亚硝酸盐时，破坏线粒体，具有细胞毒性作用。缺血再灌注，诱发缺血组织产生NO，但也产生超氧负离子[4-5]。一方面NO和超氧化物具有高度反应性；另一方面也可以结合形成毒性很强的过氧化亚硝酸盐，加重对细胞的损伤，尤其会损伤DNA。此外，NO参与线粒体呼吸链调控，线粒体生物合成和细胞凋亡等，它也可以充当自由基和引起氧化损伤。由此证明脑缺血时活性氮介导的氮化应激可以破坏细胞内的生物分子和细胞器[6]。

5 钙离子超载

Ca2+超载引发的损伤发生在脑缺血再灌注损伤全部过程，并且参与自由基、兴奋性氨基酸、NO等所致的损伤过程。Ca2+作为体内重要的第二信使，参与机体内多种活动如细胞正常生理功能维持、细胞增殖与分化和神经递质的分泌与神经调节等。脑缺血早期最显著特征是ATP耗竭和酸中毒，二者均能导致细胞外Ca2+大量流入细胞内和细胞内储存的Ca2+释放出来[7]。缺血区域ATP生物合成减少使Na-K-ATP酶活性降低，细胞内外的 K浓度改变引起细胞膜发生去极化，Na- Ca2+的交换交换体使细胞内Ca2+浓度上调。同时激活NMDA受体，促使电压门控性Ca2+通道开放，大量Ca2+迅速进入神经元细胞内[8]。细胞内酸敏感离子通道（acid- sensing ion channels，ASIC）被大量堆积的H+激活，形成 Ca2+通透的同聚体通道，在缺血亚急性期Ca2+大量进入细胞内[9]。此外，内质网储存的Ca2+被释放后使得细胞内Ca2+水平进一步增加。再灌注后，大量兴奋性氨基酸和炎性相关因子进入缺血区域，脑组织神经元的损伤程度加重。Ca2+超载带来的损伤主要有：1）神经元受细胞内阳离子浓度调控发生快速去极化，兴奋性氨基酸大量过度释放；2）过量 Ca2+引起分解生物膜结构的蛋白酶、钙依赖磷脂酶等大量激活；3）线粒体摄入过量的 Ca2+引起膜电位紊乱，线粒体进入能量障碍恶性循环，启动线粒体凋亡途径并介导神经元死亡；4）细胞渗透压增大，水分子从细胞外流入细胞内，引起细胞膨胀；5）脑缺血部位Ca2+超载诱使血管平滑肌发生痉挛，导致血栓积聚和血管内皮受损[10-12]。

6 线粒体功能障碍

脑缺血发生后，首先引起线粒体功能障碍。大脑所需能量主要来源于线粒体。细胞损伤最敏感的指标之一是线粒体发生功能异常，脑缺血再灌注后导致脑细胞线粒体呼吸功能障碍、呼吸链中 NADH氧化酶、琥珀酸氧化酶和细胞色素C氧化酶活性均显著降低，进一步证明脑线粒体功能在缺血再灌注期间受损最显著；缺血性脑卒中再灌注期间线粒体膜电位显著下降，24 h时达到最低，进而引起线粒体功能发生紊乱；线粒体受氧化应激和Ca2+超载及炎症偶联效应严重受损，ROS生物合成持续增加，过量堆积的ROS会暴发链式反应，细胞内大分子被大量降解、脂质过氧化反应和CytC过度释放，线粒体凋亡途径进一步激活使缺血区细胞大量死亡。

7 兴奋性氨基酸

根据其兴奋性可以将机体内的氨基酸可分为2类：具有兴奋作用的氨基酸（EAA）和抑制作用的氨基酸（IAA）。脑组织血液供应不足，细胞内外Ca2+稳态失去平衡，神经元细胞发生快速去极化，大量EAA（主要是Glu）被大量合成并被迅速释放[13]。过量EAA带来的毒性损伤与Ca2+超载损伤存在协同作用。能量中间体ATP生物合成障碍导致突触间隙的过量释放的EAA不能被重吸收或分解，EAA主要作用于离子型N-甲基-D-天门冬氨酸受体（NMDA）受体后可激活Ca2+通道，Ca2+超载的损伤作用加重[14]；突触后神经元死亡的主要原因是过度兴奋。EAA的过度释放并激活相应受体而产生的细胞毒性在脑缺血再灌注损伤中起着极为重要的作用，很大程度上影响脑损伤的预后。

8 炎症反应

最近实验发现在脑缺血再灌注损伤全过程伴随炎性细胞因子的过度表达与释放其对机体损伤严重，已成为脑卒中研究的热点[15]。脑缺血发生初期，缺血区域能量中间体耗竭，导致细胞大量坏死，并启动炎症级联反应[16]；随后大量自由基堆积和坏死细胞的生成引起机体固有免疫应答，外周的白细胞刺激大脑实质后激活小胶质细胞和星形胶质细胞，其中小胶质细胞转化成巨噬细胞，吞噬坏死的细胞并产生大量的炎症因子和炎症介质如IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-10和TGF-β，这样炎症反应持续发生，对细胞及缺血组织损伤加剧；再灌注后，血液中的中性粒细胞、炎症趋化因子等进入缺血区域后炎症细胞会分泌多种炎症相关介质[17]，如 TNF-α、IL、核因子 -κB（NF-κB），引发强烈的炎症反应；Ca2+超载和EAA过度释放导致细胞大量凋亡，进而又促进炎症介质的释放，炎症级联反应不断发展。TNF-α是一种多效细胞因子，参与血脑屏障、炎症反应、血栓形成以及与脑损伤相关的血管变化，其主要生理作用是促炎症反应发生和调节自身免疫。脑缺血再灌注后炎症级联反应破坏了神经细胞、内皮细胞和胶质细胞之间的信号传递，脑损伤程度进一步恶化。

9 血脑屏障破坏与脑水肿

血脑屏障（blood brain barrier，BBB）主要由脑微血管内皮系统的毛细血管内皮细胞、细胞间紧密连接、基底膜、周细胞及胶质细胞足突共同组成，调控血液和脑组织液之间的物质交换过程，保障大脑内环境不受外界干扰，维持稳态平衡。BBB稳态失衡会加速脑血管病发生和发展，其中通透性的改变是引起BBB损伤的一个最关键原因。缺血早期细胞内Na+增多，胞外水分内流促进脑水肿的形成；缺血区域神经细胞刺激并激活炎症相关细胞，炎症细胞因子和潜在的细胞毒素物质过量生成会破坏内皮细胞的紧密连接，进一步介导BBB和细胞外基质的破坏，导致BBB通透性增加；一系列炎症反应诱发大量细胞黏附分子生成并释放，进而介导中性粒细胞向缺血区域聚集并浸润损伤内皮细胞，导致血管通透性增加，使脑组织水肿加重[18-19]，最终导致微循环障碍；氧化应激引发的脂质过氧化会严重损伤细胞膜结构，加重BBB的受损；此外，血脑屏障相关的蛋白和胶原的降解还受基质金属蛋白酶（MMPS）家族调控，BBB的完整性破坏会引发血管源性脑水肿[20-21]。在脑缺血再灌注时，炎症反应、氧化应激、内皮细胞受损和BBB的损伤有着密切的关系。据文献报道[22]，川皮苷（nobiletin，NOB）可能是通过激活 Akt/ CREB信号通路刺激 p-Akt、p-CREB、BDNF、Bcl-2和紧密连接蛋白-5（claudin-5）表达增加来改善BBB的通透性，并介导缺血后神经细胞保护作用。

10 细胞凋亡

脑缺血损伤的最关键环节是细胞凋亡，且发挥着重要作用。在各种类型的脑缺血过程中细胞凋亡都是神经元细胞死亡的重要形式。脑卒中导致细胞死亡的主要机制如下：当脑细胞处于缺乏充足的氧气和必要的营养物质时，缺血区域脑细胞表面 TRPM7通道的激活，会引发系列严重连锁反应。TRPM7通道受高浓度自由基正反馈调节，缺血区自由基水平持续增加，最终诱发细胞死亡。干预TRPM7通道相关的连锁反应可有效延长缺乏必须营养物质供应下脑细胞的存活时间[23]。此外，热休克蛋白70（HSP70）可抑制 NF-κB活化，抑制诱导iNOS转录生成而减少TNF-α的生成，过多的TNF-α可促进线粒体功能紊乱从而加速缺血区域细胞凋亡[24]。神经细胞死亡伴随 IL-4、TNF-α、COX 等过量生成[25]，说明炎症参与在脑缺血再灌注损伤全部过程。

11 结语

脑卒中主要分为2大类，即缺血性脑卒中和出血性脑卒中。临床实践表明约80%的患者为缺血性脑卒中，而其首要治疗方案是尽快恢复缺血组织的脑血流，减轻因缺血带来的损伤。缺血性脑卒中的损伤机制极其复杂。脑缺血后，局部脑组织氧化磷酸化障碍，导致脑内的能量中间体ATP生成急剧减少。首先ATP依赖性的Na-K泵激活引起细胞内的Na+外流，细胞外Ca2+内流；渗透压作用使水大量流入细胞，最终导致细胞毒性脑组织水肿。随着时间的延长，脑内神经元因缺乏能量供应而大量死亡并伴有大量自由基、EAA（主要是Glu）生成，继而引发固有免疫反应。NMDA和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸（AMPA）受体上结合大量 Glu后促进钙内流，诱导线粒体上的钙依赖蛋白酶、磷脂酶（主要是磷脂酶C和磷脂酶A2）和NOS等激活，线粒体膜的通透性发生改变；大量氧自由基生成会引发一系列自由基连锁反应，包括膜脂质过氧化，最终导致细胞死亡或凋亡。活化后的小胶质细胞转化成巨噬细胞，不仅能够吞噬大量坏死细胞，还会产生多种炎症因子使细胞损伤加重。再灌注后脑血流恢复挽救部分濒临死亡的神经元细胞，同时因为BBB受损，血液中的大量炎性细胞因子、H+、Ca2+大量透过屏障损害脑内稳态，进一步加剧脑损伤，加重神经元死亡。造成神经元损伤的主要原因是氧化应激、细胞凋亡[26]。缺血性脑卒中是一个多因素、多细胞介导的病理损伤过程，目前对于损伤的机制及治疗的研究，着重于神经元保护方面的相关药物。

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