内皮细胞功能障碍在高原脑水肿中的研究进展※

2021-01-03燕综述王雪婷审校

中国高原医学与生物学杂志 2021年4期

薛燕综述王雪婷，朱俐△审校

(1.南通大学特种医学研究院低氧生物医学综合实验室；2.江苏省南通卫生高等职业技术学校，江苏 226019)

近年来，急性高原暴露对脑健康的影响问题得到广泛关注。低压低氧是高原脑水肿(high-altitude cerebral edema，HACE)的主要致病因素，但其发病机制复杂，还未得到完全阐明。血管内皮细胞位于血管壁的最内层，是机体感应微环境变化的第一道防线，本文就内皮细胞功能障碍对HACE的影响及相关机制进行综述。

1.血脑屏障对高原脑水肿生成的影响

各种中枢神经系统损伤(如创伤性脑损伤、中风和高海拔疾病等)的主因是血管渗漏导致的脑水肿，而缺氧是诱导脑内血管渗漏的重要致病因素[1]。急性中枢神经系统损伤是致死和致残的主要原因，其主要机制为脑水肿的发展和颅内压的增高[2]。

目前对缺血性与出血性脑卒中引起的脑水肿研究甚多，两者均伴随细胞毒性水肿和血管源性水肿，但二者发生机制不尽相同。缺血性卒中患者由于动脉闭塞引发脑内突然缺氧(极度)，造成细胞内腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)耗竭，导致神经元死亡、细胞内离子平衡紊乱、细胞外液和钠离子过多地流入细胞，引起星型胶质细胞肿胀，率先引起细胞毒性水肿。炎症反应和氧化应激反应破坏内皮细胞的紧密连接，激活的胶质细胞释放血管通透性因子和炎症因子，这些因子促使血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)通透性增加，诱导血管源性水肿发生[3，4]。出血性脑卒中患者由于脑动脉破裂直接引起血管完整性缺失，初始出血和血管未恢复完整引起的新出血点可导致血肿扩张，引发BBB破坏，进而诱发血管源性水肿；随着病情的进一步发展，血液中潜在的神经毒性和血管活性化合物进入脑组织内，通过激活胶质细胞引发细胞毒性水肿。出血性脑卒中与缺血性脑卒中主要的区别在于其脑内微环境中鲜有缺氧的发生[5，6]。

多种脑损伤的共同特征是BBB的破坏，主要表现为炎症性损伤以及微血管结构的破坏。脑损伤导致脑水含量增加，引起脑水肿的发生[7]。HACE患者磁共振成像(MRI)数据显示脑部水肿明显，胼胝体及白质区域可见微血管出血，并伴随细胞毒性水肿和血管源性水肿[8，9]。在低压低氧暴露初期，一方面，机体通过扩张脑血管、增加通气量、加快心率等以提高脑血流量，但脑血流量增加可能会引起血管内皮细胞发生机械性损伤；此外，机体可能通过内皮细胞旁通路和跨细胞转运途径，使内皮细胞间连接破坏、BBB的跨膜转运增加、内皮细胞通透性增强，最终导致血管源性水肿，继而诱发颅内高压。另一方面，由于脑细胞无氧代谢加强，ATP生成减少，脑细胞膜钠泵发生障碍引发神经元损伤；星形胶质细胞水通道蛋白4(AQP4)表达显著上调，星形胶质细胞肿胀并伴随炎症因子的大量释放引发细胞毒性水肿[10，11]。而细胞毒性水肿造成小胶质细胞激活，进一步损伤BBB加重血管源性脑水肿[12]。因此可认为，是血管源性水肿及细胞毒性水肿共同诱发了HACE。

2.内皮细胞功能障碍与脑水肿之间的关系

BBB是介于脑组织和血液之间具有高度选择性的半透过性屏障，限制和调节血液和中枢神经系统之间的分子、离子和细胞的交换，通过控制血浆各种溶质选择性地进入中枢神经系统来维持脑微环境的稳态[13]。内皮是BBB的关键结构[14]。血管内皮细胞位于血管壁的最内层，是机体感应微环境变化的第一道防线，通过合成和分泌多种活性物质，调节血管张力，参与免疫、炎症反应等，在维持血液循环和内环境稳态方面发挥重要作用。内皮细胞主要通过细胞旁通路和跨细胞转运两个途径维持功能[15]。细胞旁通路主要由紧密连接蛋白(Occludin，Claudins，JAM)和钙粘蛋白(VE-cadherin)等形成的细胞间紧密连接复合物构成，用于维持细胞间的联系，细胞内则通过α、β、γ-catenins或zona occludin-1蛋白与细胞骨架肌动蛋白的连接来维持细胞间的稳定性。紧密连接复合体的完整性的丧失与许多神经病理性改变有关[16]。跨细胞转运过程主要是通过胞吞作用(endocytosis)和胞吐作用(exocytosis)完成大分子与颗粒性物质的跨膜运输[17]。可溶性大分子通过质膜包被小窝内化形成内吞泡摄入细胞内，随后内吞泡在细胞内进行囊泡分选。早期内体(early endosomes，EE)是内吞通路的主要分选站，内化的蛋白质、脂质和受体配体复合物等一部分通过再循环内体(recycling endosomes，RE)循环回到细胞膜上，另一部分通过逆运蛋白阳性结构(retromer positive structures，RPS)逆行转运到高尔基体反面管网区(trans-Golgi network，TGN)，当细胞受到信号刺激时，分泌泡或其他膜泡可与质膜融合并将膜泡内的物质运出细胞。剩下的EE成熟后转变为晚期内体(late endosomes，LE)，最后在溶酶体(lysosomes)中降解[18，19]。

有研究表明，出现局灶性脑缺血后，发生内皮细胞功能障碍的时间早于BBB破坏时间[20]。而内皮细胞功能障碍是引起血管源性脑水肿的重要因素，血管源性脑水肿又与BBB破坏密切相关[14]。因此，内皮细胞功能障碍可能在BBB破坏过程中起着重要的作用。血氧含量发生改变首先影响血管内皮细胞，缺氧引起的内皮细胞损伤和功能障碍是诸多疾病的始动因素。在内皮功能障碍早期，由质膜通道和转运体介导的水流量和离子流量增加引发离子性水肿；继而血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血管紧张素2(Angiotensin 2，Ang-2)和趋化因子2(Chemokine 2，CCL2)信号改变引起跨细胞通路激活和紧密连接破坏，导致血浆蛋白和水的外渗，引发血管源性水肿；最后，由于紧密连接完全降解或磺脲类受体1-瞬时受体电位通道M4型(sulfonylurea receptor 1- Transient Receptor Potential Cation Channel Subfamily M Member 4，Sur1-Trpm4)介导的内皮细胞肿胀死亡，导致血管结构崩解，红细胞渗漏进入脑组织，导致出血性转化。研究数据表明，缺氧条件下依赖于基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9，MMP9)-VEGF轴介导的紧密连接重排诱导脑水肿形成。因此，抑制MMP9可作为脑水肿治疗策略[21]。已知在脑出血疾病中CCL2在脑损伤诱导和过度炎症激活中起重要作用，通过抑制CCL2-CCR2-p38 MAPK途径可有效保护BBB的完整性[22]。

值得注意的是，单独的血管内皮细胞并不能够建立完整的BBB，很大程度上依赖于与邻近群体的细胞间(星形胶质细胞、周细胞和小胶质细胞)的相互作用[23]。星形胶质细胞在脑稳态维持和BBB的病理损伤中起重要作用。反应性星形胶质细胞可释放VEGF、MMP、NO和谷氨酸、内皮素等因子促使内皮细胞凋亡和紧密连接蛋白降解，最终引起BBB破坏[24]。周细胞是维持BBB完整性、渗透性的重要细胞。体外共培养实验表明，与单独培养的内皮细胞相比，内皮细胞与周细胞共培养后，可显著提高内皮细胞跨细胞电阻和降低内皮细胞渗透性[25]。激活的小胶质细胞可迁移至受损区域，释放IL-1β、TNF-α等促炎因子以及其他潜在的细胞毒性分子[26]，并通过增强的吞噬功能，致BBB损伤[27，28]。

脑血管内皮细胞不仅在结构上是BBB的主要组成部分，而且在功能上也是神经血管单元活动的关键环节。在脑缺血、缺氧或颅脑外伤中，紧密连接蛋白功能障碍引起BBB损伤的一些机制已被证实[29]。一些研究表明，脑卒中早期，跨细胞囊泡增多似乎发生在紧密连接功能改变前。跨细胞转运的增加与内皮细胞中细胞膜穴样凹陷的增加密切相关[30]。细胞膜穴样凹陷可介导各种细胞因子和蛋白质进入大脑诱发脑水肿。BBB损伤是HACE发生的关键因素。目前的研究证据不足以确定内皮细胞功能障碍在HACE发病进程中的地位，后续研究若能明确二者之间的联系，将会有较高的临床应用价值。