脊髓缺血再灌注损伤的发生机制及其防治

宋岳，孙永明，周越

（苏州大学附属第二医院骨科，江苏 苏州 215004）

脊髓缺血再灌注损伤（SCII）最早由Allen［1］于1911 年进行了描述，后来Mccord［2］在1985年正式提出了缺血再灌注损伤的概念，其发病机制涉及众多、过程错综复杂，目前认为是由多种因素通过不同途径作用的结果。本文对SCII的主要发病机制及有效的防治方法进行综述。

1 SCII的发病机制

SCII的发生机制较为复杂，涉及多个环节、多步骤以及各个环节相互穿插的连续性过程。其整体发生发展模式大致如下：细胞直接受损或受到缺血缺氧刺激——第一信使类增加物质（氧自由基、兴奋氨基酸、炎症介质等）——相关受体激活、离子通道开放——第二、第三信使类物质增加——相关mRNA转录生成——相关的有害蛋白异常翻译并导致细胞功能异常——进而引起细胞凋亡——细胞凋亡导致大量神经纤维发生神经功能障碍，发生SCII。下述多种损伤机制最终都会引起细胞凋亡，因此细胞凋亡可以被视为发生SCII的共同通路。

1.1 氧自由基介导的脂质过氧化损伤 人体内少量活性氧自由基可以行使正常的生理功能，如免疫和信号转导。但过多的活性氧自由基生成就会导致人体正常细胞和组织的损伤。SCII发生过程中过多产生活性氧引起的氧化应激是直接和随后的细胞损伤的一个关键因素，脊髓缺血时ATP分解产生ADP、AMP和次黄嘌呤，伴随着组织供血供氧的增加，次黄嘌呤代谢产生了大量氧自由基，过多的自由基可导致脂质过氧化，脊髓组织中不饱和脂肪酸含量较高，对氧自由基引起的脂质过氧化反应尤为敏感，更易受到自由基损伤，使膜受体、膜蛋白酶、离子通道等功能受损，最终导致脊髓神经细胞不同程度的凋亡或坏死，并且这种损伤可持续进行［3-4］。此外，活泼的氧自由基可广泛损伤遗传物质、刺激炎症介质产生，进而引起神经细胞凋亡，并最终导致神经细胞功能障碍，发生 SCII［5］。

1.2 炎症反应 炎症反应介导的脊髓继发性损伤在SCII发生中发挥着重要作用。在缺血再灌注发生时，损伤部位的多种炎性细胞会释放出大量的炎性细胞因子和趋化因子，主要包括TNF-α、IL-6、IL-8、IL-10、NF-κB及细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecular-1，ICAM-1），这些因子进入外周循环，通过与外周炎症细胞表面的受体结合来介导炎症免疫细胞的渗入，导致血管内皮细胞及神经元细胞的损伤［6］。胥正泉等［7］研究发现脊髓损伤后，大鼠外周血中的各炎症细胞因子不同程度升高，TNF-α在损伤后即显著升高，1 d后表达下降；IL-6、IL-8在损伤后4 h显著升高，在1 d时达到一个较高的峰值；IL-10则在伤后缓慢持续升高。李雪焕等［8］指出，NF-κB信号通路可以通过Toll样受体（Toll like receptor，TLR）介导和TNF-α介导两条途径被激活，给予TLR4内源性配体HMGB1，小剂量预耐受处理可以明显降低NF-κB活性，从而抑制炎性反应；TNF-α是众多细胞因子的重要启动因子，能诱导ICAM-1的表达，协同放大炎症级联，加重细胞水肿及继发性损伤，所以TNF-α/NF-κB通路可能是诱导SCII的重要途径。目前普遍认为包括中性粒细胞及内皮细胞等多种炎症细胞参与了炎症反应，机体发生缺血后，在缺血部位发生炎症细胞的大量聚集。在24 h内表现为以白细胞浸润、水肿、神经元和神经胶质损伤为特征的组织损伤［9］。

1.3 细胞内Ca2+超载 细胞内稳定的Ca2+浓度是细胞正常行使各项生理功能的基础。SCII发生时在缺血缺氧的刺激下，生成的氧自由基及各种炎症介质均可导致细胞膜通透性的改变，加之兴奋性氨基酸的作用，引起大量Ca2+内流，使细胞内Ca2+浓度升高，造成局部离子不平衡，加重了组织损伤［10］。束浩明等［11］研究发现，大鼠脊髓神经元细胞的细胞膜、胞浆及突起部是钙敏感受体（Calcium sensing receptor，CaSR）和钙蛋白酶的共表达部位，在SCII中CaSR可能通过释放细胞内钙库和促使外钙内流，使细胞内Ca2+浓度达到一定的阈值后激发钙蛋白酶活性，降解神经细胞的细胞骨架和结构蛋白，引起神经细胞的凋亡，最终导致脊髓损伤，发生SCII。升高的Ca2+浓度可以激活磷脂酶A2，降解神经细胞膜，进一步使Ca2+内流或细胞内Ca2+释放，使神经细胞游离Ca2+浓度持续增加，最终导致神经细胞的损伤乃至凋亡［12］。

1.4 以谷氨酸盐为主的兴奋性氨基酸毒性作用 谷氨酸是中枢神经系统内一类重要的兴奋性氨基酸，谷氨酸受体分为两类［13］：一类为离子型受体，包括：N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）、海人藻酸受体（KAR）和α-氨基-3羟基-5甲基-4异恶唑受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPAR），它们与离子通道偶联，形成受体通道复合物，介导信号传递；另一类属于代谢型受体（mGluRs），它与膜内G-蛋白偶联，这些受体被激活后通过G-蛋白效应酶、脑内第二信使等组成的信号转导系统起作用，产生较缓慢的生理反应。研究发现NMDA受体和AMPA受体在SCII的过程中发挥重要作用。刘蔚楠等［14］提出在病理状态下，因脊髓缺血后ATP的合成急剧下降，Na+-K+-ATPase功能衰竭，从而诱导Na+依赖谷氨酸转运体反向转运，变摄取为释放，提高了突触间隙谷氨酸的浓度，谷氨酸在细胞间隙堆积，进而抑制胱氨酸摄取甚至释放胱氨酸，使胞内谷胱甘肽合成减少，氧自由基堆积，细胞器损伤，释放出内源性Ca2+，致细胞内Ca2+浓度的升高；同时谷氨酸在细胞间隙堆积，可激活NMDA受体和AMPA受体，引起Ca2+内流，进一步促进谷氨酸的释放形成恶性循环。Matsushita等［15］的研究显示，大鼠中枢神经系统发生缺血性损伤后，细胞周围环境中谷氨酸的含量增高，间隙中超常量的兴奋性氨基酸递质持续强烈地作用于神经细胞膜上的NMDA受体，通过NMDA受体介导Ca2+内流增加，导致细胞内Ca2+超载而损伤神经细胞。Li等［16］发现谷氨酸还可以通过细胞AMPA受体介导Ca2+内流，对星形胶质细胞和少突胶质细胞造成损伤。

1.5 细胞凋亡及自噬 细胞凋亡是SCII中细胞受损的一种重要机制。SCII发生时脊髓前角运动神经元发生细胞凋亡，继而引起前角运动神经元死亡并导致肢体瘫痪，并推测其危害堪比细胞坏死［17］。SCII发生后有多种基因被诱导表达，主要包括Bcl-2、热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）、血色素氧合酶（hemeoxygenase，HO）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、NF-κB、p53等［18］。HSPs对包括脑和脊髓的中枢神经系统的重要作用引起了广泛关注，被认为与神经元细胞再灌注后发生的缺氧缺血性损害有较高的相关性。其中，HSP27对损伤细胞起到修复及保护作用，缺血再灌注损伤前30 min使用甲基强的松龙（MP），脊髓中HSP27的表达上调［19］。升高的HSP27通过上调脊髓组织抗凋亡蛋白Bcl-2表达，下调促凋亡蛋白Bax表达，抑制脊髓组织细胞凋亡，对脊髓组织起到保护作用［20］。细胞自噬，又名Ⅱ型程序性细胞死亡，能感受细胞所处环境的各种信号，使细胞对应激刺激做出应激反应，在不利条件下存活；同时，也能清除、降解自身受损的细胞器及细胞内生物大分子，维持细胞内稳态［21］。凋亡与自噬过程同时存在于SCII过程中，两者相互作用，联系紧密［22］。

1.6 血-脊髓屏障通透性改变 血-脊髓屏障（blood-spinal cord barrier，BSCB）是中枢神经细胞与毛细血管壁所形成的屏障系统，在维持神经系统内环境相对稳定方面具有重要的生理意义［23］。脊髓损伤后BSCB通透性升高，屏障中紧密连接蛋白ZO-1、occludin、claudin-5被破坏，微血管被破坏，周细胞和内皮细胞凋亡数量增加，表明BSCB被破坏，炎性细胞渗入脊髓组织，加重对脊髓的损害［24-25］。基质金属蛋白酶（matrix metallo proteinase，MMPs）是诱发 BSCB 通透性增加的一个直接因素，其过度的蛋白水解活性，可导致脊髓损伤后的BSCB破坏；抑制MMP活性可阻止BSCB破坏，减弱炎症反应，减少细胞死亡并改善功能恢复，其中MMP-9在脊髓损伤早期异常血管通透性和炎症反应中发挥关键作用［26］。

1.7 SCII相关microRNAs（miRNAs）的表达 miRNA是一类内源性的非编码RNA，参与转录后基因表达调控。相关研究表明大鼠发生SCII 48 h后，多种miRNAs表达明显改变，且大多数表现为上调，少数表现为下调［27］。SCII发生后miR-125b、miR-146a、miR-199a、miR-210表达是下调的，miR-125b的表达下调导致脊髓水肿和前角运动神经元凋亡［28］，抑制miRNA-124可能通过诱导线粒体自噬和抗细胞凋亡作用对SCII发挥神经保护作用［29］。这些研究为SCII的机制研究提供了新的切入点和新思路，并为有效防治SCII提供了新途径。

2 SCII的防治

纵观SCII的预防及治疗措施，主要是面向继发性脊髓损伤，针对其发病机制，抑制有害环节及有害物质的生成，增强保护因素并提高组织对缺血缺氧的耐受能力。目前药物治疗仍然是临床主要治疗措施之一，以往“手术减压内固定术+激素冲击治疗”的传统治疗方法虽然在一定程度上受到质疑但仍有其积极作用，近年相关研究中的高压氧疗法（hyperbaric oxygen therapy，HBO）被证明是一种有效的防治方法。此外包括缺血预处理、低温/亚低温治疗、中医中药治疗、电刺激等多种非传统治疗方法也取得了一定进展。本文主要总结以下几种治疗方法的机制、疗效及潜在治疗价值。

2.1 激素冲击疗法联合神经营养药物治疗 以MP为代表的糖皮质激素可抑制急性脊髓损伤后的继发性病理改变。在术前和术后给予小剂量地塞米松可减少脊髓损伤后的继发性水肿，降低TNF-α及IL-1β的释放，减少细胞炎性坏死［30］。大剂量MP一般指用药剂量达到30 mg/kg的水平，可激发细胞HSP27的高表达。在SCII发生后尽可能短的时间内给予大剂量MP冲击治疗可以明显减轻受损脊髓的功能损伤，并促进脊髓功能损伤后的早期恢复［31］。近年来有研究者对传统大剂量激素冲击疗法的有效性提出质疑，以往的相关研究都未对损伤部位的药物浓度进行检测，药物是否到达了损伤部位并顺利发挥了作用有待进一步研究。总的来说MP对SCII有预防和治疗作用目前仍被广泛认可，此外更高效的药物运输释放载体亟待被开发利用。神经营养类药物单唾液酸四己糖神经节苷脂（GM-1）能通过上调大鼠脊髓损伤后微管相关蛋白质-2（MAP-2）及乙酰胆碱转移酶（ChAT）的表达，改善脊髓损伤后大鼠神经功能的恢复［32］，也能通过下调Caspase-12和CHOP，抑制脊髓损伤后内质网应激介导的神经元凋亡，发挥保护作用［33］，目前常作为SCII后的辅助用药。

2.2 HBO HBO可以通过多种机制发挥作用。首先，HBO能迅速增加脊髓组织血含氧量，提高血氧张力，并可降低低氧诱导因子-1的表达，增强机体对低氧的耐受性［34］。HBO还能改善BSCB的功能，增加血流，改善微循环和减轻水肿，抑制凝血，减少脊髓损伤后微血栓的形成，减轻缺血引起的神经营养因子表达下降，减少瘢痕组织的形成，软化已形成的瘢痕，从而减轻对周围组织的牵拉，促进神经功能恢复和轴突的再生［36］。其次，HBO可降低丙二醛（MDA）和Ca2+的含量，可刺激脊髓抗氧化酶的适应性，提高脊髓组织中抗氧化酶SOD活性，降低脂质过氧化指标TBARS的水平，抑制创伤后的脂质过氧化和氧化应激反应，提高神经细胞膜磷脂双分子层结构的抗氧化能力，从而减轻脊髓的继发性损伤［35］。再次，HBO可以通过多种途径抑制凋亡相关基因，抑制神经细胞凋亡和坏死［36］。最后，HBO还可以抑制脊髓损伤后大量细胞炎性因子的释放，从而抑制炎性反应导致的继发性损害［36］，近年来HBO已经成为一种卓有成效的临床防治方法。

2.3 缺血预处理与低温预处理 缺血预处理是指术前通过阻断供血区血流的手段提高供血区对缺血缺氧耐受能力的一种方法，其能通过促进HSPs等表达上调，最终发挥抗凋亡、抗氧化损伤、抑制炎症反应、维持能量代谢以及促进损伤修复等作用［37-38］。因其作用机制复杂，在临床上的具体应用仍需进一步研究。亚低温指28～35℃的温度，以31～33℃最为适宜。亚低温处理可以抑制IL-8的释放，减少神经细胞凋亡、白质空泡化和星形胶质细胞增生，减轻SCII造成的继发性病理损伤［39］。由于这两种方法成本较高，获益有限，并且对SCII具体有多大程度的治疗价值尚不确定，因此临床仅有小范围应用。

2.4 他汀类药物治疗 近年来，他汀类药物用于SCII的治疗日益引起人们的重视。辛伐他汀（10 mg/kg）能减轻大鼠SCII损伤的后肢运动功能障碍并减轻受损组织的病理学改变［40］。在缺血再灌注损伤前5 d给予辛伐他汀（10 mg/kg）预处理，可在损伤后提高大鼠神经功能，并能保留更多正常的运动神经元［41］。SCII导致大鼠血清和组织中氧化标志物显著增加，而抗氧化标志物显著降低，瑞舒伐他汀治疗可以预防氧化损伤和组织病理学改变，通过调节人体内的氧化平衡、提高神经细胞对氧化的耐力，发挥对神经系统的保护作用［42］。冯涛［43］的研究表明，瑞舒伐他汀能明显降低急性脑缺血再灌注大鼠脑水肿及海马区小胶质细胞（MG）的表达，抑制神经元过度凋亡，具有脑保护作用。高敏等［44］通过测定脑缺血再灌注大鼠脑梗死灶周围髓鞘碱性蛋白（myelin basic pmtein，MBP）、神经元特异性烯醇化酶（neurospecific enolase，NSE）的表达水平证实，阿托伐他汀对大鼠灰质神经元、白质少突胶质细胞均有保护作用。他汀类药物具有一定治疗价值，其在临床的应用有待进一步开发。

2.5 米诺环素治疗 具有MMPs抑制作用的四环素类衍生物——米诺环素，可以通过降低MMP-9的表达减小脑缺血再灌注大鼠的脑梗死体积并改善神经功能障碍，发挥脑保护的作用［45］。SCII发生后中枢神经系统中小胶质细胞大量聚集，通过诱导炎症趋化因子的表达对神经元细胞产生损害，早期米诺环素治疗可以减少脑组织损失、增强缺血脑组织中的TJP表达以及促进小胶质细胞和巨噬细胞的神经保护表型的替代活化，显著促进卒中恢复期间的神经血管重塑，发挥对缺血再灌注损伤的治疗作用［46］。因此，米诺环素在SCII的预防及治疗中同样具有潜在治疗价值。

2.6 中医中药治疗 中医中药近年来受到重视，不少相关研究证实了其药物疗效。参附注射液主要成分为人参皂苷和乌头碱，可促进HSP27的表达，并抑制细胞凋亡，从而抑制SCII发展过程［47］。银杏叶提取物可以减轻脊髓神经细胞的脂质过氧化损伤，并抑制细胞凋亡，对SCII有一定的保护作用［48］。另外葛根素、红花、当归、黄芪、川穹嗪、黄连、β-七叶皂苷钠等在动物和临床实验中对SCII都有一定的治疗效果。葛根素可以通过抑制细胞周期素依赖性激酶5（cyclindependent kinase 5，CDK5）和 P25的活性起到对SCII后受损脊髓的神经保护作用［49］。红花注射液可以减轻脊髓神经细胞的脂质过氧化反应，通过减少缺血再灌注期间Caspase-3、IL-8的表达水平抑制神经细胞的凋亡，减少神经元的坏死，进而起到神经保护作用［50］。黄芪注射液可以降低大鼠SCII后缺血脊髓细胞间黏附分子-1（Intercelluar adhesion molecule 1，ICAM-l）的表达并增加HSP70表达［51］，同时还可以降低脊髓组织中Ca2+浓度、抑制水通道蛋白4（Aquaporin 4，AQP4）表达、下调脊髓组织中细胞凋亡指数，从而对大鼠的脊髓功能起到保护作用［52］。如何分离、纯化、高效利用中草药中的有效成分，结合传统医学辨证施治的思想发挥中医药的价值并形成我国的治疗特色将成为进一步研究的重点，治疗前景比较广阔。

3 小结与展望

SCII的发生率呈逐渐增高趋势，并可继发截瘫、全瘫甚至死亡，严重威胁着患者的健康及生命，故有效防治SCII的发生，将SCII损伤水平尽可能降低，提高患者的生存质量尤为重要。目前，SCII的发生机制尚不十分明确，在预防和治疗上尽管已呈现多样化，但防治效果欠佳，大剂量激素冲击联合神经营养药物的治疗中，药物是否到达了脊髓病损部位尚无相关文献报道。目前仍没有任何一种方法可从根本上防治SCII发生，更高效的药物输注方式及运输载体亟待被研发，所以SCII相关研究仍面临很大的困难，需要更多的科研学者以及医务工作者致力于SCII的研究，才能在SCII发病机制及防治措施中取得更大的进展。