脑出血后脑水肿的形成机制及生物标志物的研究进展*

戈启诚，史树海,2，张晓璐

(1.内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院神经外科，内蒙古 包头 014000；2.首都医科大学附属北京世纪坛医院 重症医学科)

脑出血(intracerebral hemorrhage ，ICH)是指自发非外伤性的脑实质内血管破裂而导致的局部脑组织出血，具有起病急、进展快、病情比较严重、致死率和致残率高的特点，预后不良，对患者生存质量造成严重影响。脑出血后必然会经历脑水肿的过程，脑水肿的发生会进一步引发脑组织的继发性损害。明确脑水肿的发病机制和找到有效评价指标，是有效阻止脑水肿发生、进展和精确评价脑水肿程度的基础，这为脑水肿的评估与防治提供了重要的依据。现通过知网、维普期刊及Pubmed等检索工具收集了近5年的相关文献，对脑出血后引发脑水肿的机制和生物标志物评价指标进行分析，旨在帮助临床工作者更好的了解脑出血后脑水肿的发生机制，通过结合生物标志物和临床症状、体征，为患者的病情严重程度进行很好的评估，以采取有效合理的治疗措施缓解病情进展，提高患者的生存率。

1 脑出血的一般现状

1.1脑出血的分类以及发病率 由于我国人口基数大，中老年占比大，发生脑出血的病人越来越多。在自发性脑出血的分类中，不管青年或是中老年多数为高血压性脑出血，除此之外，动脉瘤破裂和动静脉畸形脑出血也常发生，但多半为青年人群，长期饮酒和吸烟是其高危因素[1-2]。国外有研究者采用回顾性队列研究的方法，对加拿大10年(2009-2019)间20 738例脑出血患者进行研究，期间脑出血的总发生率约为19.1 / 10万人年，住院死亡率和1年死亡率分别为32.4 %和45.4 %，2年死亡率是49.5 %[3]。有研究认为，发病率与季节也有关系，研究者对四川部分地区1 606名脑出血患者的流行病学资料进行统计发现，冬季脑出血的发病率最高(45.3 %,95 %CI:39.1 %～51.5 %)，夏季最低(24.1 %,95 %CI:20.8 %～27.4 %)，出现这种状况可能与温度、大气压、空气湿度等气候因子有关[4]。另外李华国[5]通过观察3年内240名脑出血患发病情况与季节的关系发现，冬季发病人数高于夏季发病人数。还有研究者连续收集了3年间2 352例脑出血案例分析得出，男性脑出血发生于秋季、 冬季者占全年的60.73 %， 女性占全年的62.57 %[6]。为研究性别与脑出血的关系，王平平等[7]通过全国18家三甲医院的HIS系统收集了14 169例脑出血患者，分析性别与脑出血的关系后得出，男性患病比例高，年龄偏小，但男女患者脑出血的年龄高峰均为45～59岁。除以上发病特征以外，中青年人群患病率较前上升[8-9]。有文献报道，在中国，中青年脑出血患者占所有脑出血病患的31 %[10]，也就是说，青年群体也加入了脑出血的“大家族”中，这打破了我们传统思维认为的脑出血只发生于中老年的认知。

1.2脑出血的危险因素 脑出血的病因中青年和老年的共同发病病因主要是高血压[11]。除高血压外，高血脂也是脑出血的危险因素。张留福等[12]研究报道，脑出血组的血清总胆固醇水平明显高于对照组。童晨[13]通过彩色多普勒超声检测100名脑出血患者颈总动脉，其中有97例检出颈总动脉粥样硬化，40名对照组中只检出10例，所以动脉粥样硬化也是脑出血患者的危险因素之一。脑血管畸形又是脑出血另外一个病因，但以青年为主[14]。在脑血管畸形中，动静脉畸形(arteriovenous malformation, AVM)约占90 %以上，以脑出血为首发症状的AVM约35 %～70 %,青年人脑出血以AVM破裂为主[15]。不可控因素-性别对脑出血的发生也有影响，有关研究表明男性患脑出血的风险高于女性[16]，喝酒、抽烟、不良作息等生活习惯可能是脑出血的诱因，所以养成良好的生活习惯对健康非常严重。

2 出血后脑水肿的发生机制

脑水肿的形成是脑出血后的必然过程，在脑出血早期，病灶周围就开始形成水肿[17]，最初水肿程度很轻微， 2小时后加重，3～4h 水肿达到顶峰，随后慢慢消退[18]。脑水肿可分为细胞内脑水肿和细胞外脑水肿。细胞内脑水肿是指细胞膜结构被缺氧、缺血等环境破坏后导致水分不能向细胞外转运；细胞外脑水肿的机制是血-脑屏障被破坏，液体积聚在脑组织细胞间，是最常见的类型[19]。下面从不同方面阐述脑水肿的发生机制：

2.1血肿占位效应对脑水肿的促成 脑出血后，张力不断增大的血肿对周围的脑组织产生压力，由于颅腔容积有限，随着血肿增大，颅内压逐渐升高引起脑水肿[20]。血肿继续增大，脑组织中的血管受压越来越严重，导致局部微循环障碍，使脑组织缺血缺氧，神经细胞膜钠钾泵失去转运功能，水不能正常转运到细胞膜外，从而造成细胞内脑水肿[21]。原本存在于神经细胞内的钾离子因失去钠钾泵的作用而大量往细胞膜外流动，钠离子和氯离子往细胞内流动，造成细胞内超高离子浓度，水分进入神经细胞内导致细胞内脑水肿，与此同时，因缺氧产生的乳酸堆积在细胞内，使细胞内渗透压升高，大量水分进入细胞，进一步加重脑水肿[22]。

2.2血—脑屏障的破坏 血-脑屏障(blood-brain barrier,BBB)是维持大脑中液体稳态的重要结构，由毛细血管内皮细胞(具有门禁作用)、细胞紧密连接、基膜、周细胞、星形胶质细胞构成[23]。BBB能阻止大分子物质和病原体进入脑脊液，也可以选择性地通过一些小分子物质，调节脑组织内环境稳态和维持部分神经元功能[24]。血脑屏障内皮细胞间由紧密连接蛋白连接，包括claudins、occludin、zonula occluden-1、zonula occluden-2、zonula occluden-3等，它们的作用在于维持血-脑屏障结构和功能的完整性[25]。血-脑屏障受损或是局部破坏，都会引起神经功能障碍，正常情况下血液中不能外流的大分子物质通过受损处进入脑组织，脑组织不能正常的清除或转运多余的水分和物质，从而形成脑水肿；因此，血-脑屏障的功能和结构遭到破坏是血管源性脑水肿的病理基础[26]。

报道称基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的功能主要是对细胞外基质进行降解和重塑[27]。基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinases,MMP-9)就是其中之一，在正常脑组织中能检测到，但很少表达,当脑出血24h后，MMP-9在受损组织大量表达[28]，它的表达与脑组织损伤关系紧密相关[29]。有研究报道，MMP-9通过降解微血管基底膜蛋白和紧密连接蛋白而破坏血-脑屏障[30]。在研究大鼠脑出血模型时，大鼠脑组织水肿程度和 MMP-9的表达呈线性关系[31]。为证实脑水肿的形成是否与MMP-9有关，研究人员给脑出血大鼠投饲MMPs抑制剂，3天后脑水肿较对照组减轻[32]。综上所述，MMP-9通过破坏维持血-脑屏障正常功能的重要组成成分参与脑水肿的形成。

2.3血红蛋白分解产物的毒性作用 脑出血后血凝块的主要成分为红细胞。脑组织中的血红蛋白由损伤后的红细胞释放而来，大量的血红蛋白具有化学毒性[33]。血红素加氧酶降解血红蛋白，产生活性较强的铁离子，铁离子再通过超载氧化应激反应后，氧化应激或高价铁离子会进一步加重血-脑屏障的损伤[34]。铁离子在脑出血1 天后便可在血肿周围检测到， 逐渐升高至7天达到顶峰， 并可持续存在1周， 而在这段时间内，水肿的变化恰好与铁离子的变化相吻合，说明Fe2+参与了脑出血后脑水的形成[35]。除铁离子外，红细胞代谢后还可以生成胆红素。有研究[36]表明，向大鼠脑内注射胆红素，24小时内注射部位周围脑组织出现大面积水肿。由此可见，破裂的红细胞通过代谢产生胆红素和Fe2+导致脑水肿的发生。

2.4水通道蛋白4(aquaporin-4,AQP4)的作用 机体各个组织器官中几乎都有水通道蛋白(aquaporins，AQPs)，主要作用是调节水的跨膜转运，维持机体水盐平衡，AQP4 是AQPs 中的一员[37]。有文献报道，脑组织中AQP4主要分布在微血管内皮细胞、室管膜上皮细胞基底侧以及神经胶质细胞足板[38]。在调节水的跨膜运输时，它与专门的瞬时感受器电位离子通道受体4结合，对神经细胞内的液体量进行调节[39]。在研究AQP4和脑水肿的关系时，应用免疫组化法观察脑挫裂伤后AQP4表达的动态规律，实验组2小时后AQP4表达开始增多，24小时达到峰值，72小时后开始降低，但仍高于对照组；伤后2小时脑组织中水的含量显著增加，24～72小时含水量最多，随后开始下降，AQP4表达增多与减少和脑含水量的严重程度密切相关，提示AQP4参与脑水肿的形成过程[40]。在减轻脑水肿的治疗研究中，Zhang M等[41]通过老鼠模型研究发现,虾青素可以通过调节AQP4的表达来减轻脑水肿。所以在脑出血后，AQP4通过上调表达量来参与脑水肿的形成。

2.5炎性因子的作用 炎性因子是一组多肽类细胞调节物，包含白细介素(interleukin,IL)、干扰素(interferon,IFN)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)等[42]。其中IL-l可分为IL-1α、IL-lβ, IL-lβ主要存在脑组织中[43]。脑出血后，TNF-α、IL-1β参与脑组织的炎症反应[44]。TNF-α、IL-1β在建立大鼠脑出血模型后第一天达到峰值，随后下降[45]。TNF-α、IL-1β导致水肿的机制可能是刺激神经胶质细胞产生相关细胞因子或粘附因子破坏血-脑屏障，最终导致血-脑屏障通透性增加，加重脑水肿进程。血肿周围白细胞浸润增多，加重炎症，使脑水肿持续存在[46-47]。

2.6凝血酶的作用 凝血酶由无活性的凝血酶原转化而来，主要作用是止血。凝血酶除参与止血以外，还能破坏内皮细胞和BBB诱发脑水肿形成[48]。Liu DZ等[49]在实验中将凝血酶注射到大鼠脑组织后，BBB结构被破坏，1天后脑组织含水量增加。蛋白酶nexin-1(PN-1)是丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员，凝血酶为其主要靶标[50]。经nexin-1干预后，脑组织含水比重减轻，BBB通透性下降[51]。这间接的说明了凝血酶对脑出血后BBB的通透性增加具有促进作用，使血浆中的大分子物质流出，形成脑水肿。

3 出血后脑水肿的评价指标

3.1血清S100β蛋白 S100蛋白是一个“大家族”，一共有20多个“成员”，其中S100β蛋白是S100蛋白的主要成分，脑组织中约含96 %，是脑内的特异性蛋白[52-53]。脑组织中正常浓度的S100β蛋白对机体有利，比如当神经元或是神经胶质细胞受损时，S100β蛋白对受损部位进行营养和修复；但当脑出血时，脑组织中的S100β蛋白浓度过高，对神经细胞不仅没有保护作用，反而具有较大的毒害作用；将神经放置于体外高浓度的S100β蛋白中，神经细胞的功能也能被损害[54-56]。在中枢神经损伤标志物中，S100β蛋白具备特异性最高、检测操作简单、反映及时、准确性高的特点[57]。有研究[58]认为，脑出血患者血清S100β含量与疾病严重程度呈正相关，与脑损伤预后呈负相关。临床上可将血清S-100β蛋白检测作为脑出血急性期病情变化的动态观察指标之一,用以估计预后、指导治疗[59]。

3.2神经元特异性烯醇化酶 神经元特异性烯醇化酶(NSE)主要存在脑组织中，来源于神经元细胞和神经内分泌细胞[60]，约占人脑皮层NSE的40 %～65 %[61]。NSE在神经元破坏后流入血液，使血液中NSE的含量升高。有研究报道，通过对80例脑出血患者发病早期血清NSE的研究发现，脑出血患者发病早期即有NSE的升高，且脑损伤越严重NSE水平越高[62]。所以检测血清中NSE浓度，即可知晓患者病情严重与否，也可对治疗效果作出预判。

3.3脑源性神经营养因子 脑源性神经营养因子(BDNF)是一种神经营养蛋白，其分布在中枢、周围神经和内分泌等系统中，但中枢神经系统分泌该物质最多[63]。BDNF对神经元和突触的分化、生长及其重要[64]。程鹏玲等[65]通过高压氧治疗脑出血的研究认为脑水肿和BDNF含量呈负相关，即脑出血患者BDNF含量越高，脑水肿程度相对越轻。同样有研究认为，脑出血后，BDNF通过降低钙浓度，间接增强抗氧化酶的活性来减少细胞凋亡几率，促进受损神经元和功能恢复[66]。所以BDNF的含量可以预判病情的严重程度。

3.4超敏-C反应蛋白 多种炎性物质共同参与机体的炎症反映，其中超敏-C反应蛋白(high-sensitivity C-reactive protein,Hs-CRP)是敏感度最高、最主要的一种炎性蛋白,机体存在炎症反应时，超敏-C反应蛋白急剧升高[67]。脑出血患者可以发生比较重的炎症反应，加快脑损伤和脑水肿进程。研究得出，在脑出血第3天时，患者血浆Hs-CRP水平与血肿周围水肿呈正相关[68]。Hs-CRP导致脑水肿的机制大致是：(1)Hs-CRP破坏BBB，使BBB通透性增加；(2)Hs-CRP激活补体产生组胺，增加管通透性；同时激活的补体促使钙离子转运到细胞内，形成细胞源性脑水肿；(3)上调蛋白水解酶，过多的水通道蛋白开放，影响水正常跨膜转运[69]。通过查阅文献，以上几种血清中的物质用于临床诊断使用，可评估治疗前与治疗后病情的预后情况，其水平越高，提示预后不良。

4 总结与展望

脑出血是较为严重的一类自发非外伤性的脑实质内血管破裂而导致的局部脑组织出血性疾病，起病较急，死亡率和致残率极高，如不及时治疗，可留下不同程度的后遗症，加重个人、家庭和社会负担[70-72]。脑出血病因主要是高血压、动脉瘤、脑血管畸形，少部分发病人群和季节、环境、性别有关。脑出血后必然发生脑水肿的病理生理变化，其形成主要有血肿挤压、血-脑屏障破坏、炎症反应、AQP4促进作用、红细胞产物毒性以及凝血酶等参与。血肿对脑组织的压迫使其周围组织缺血、缺氧，细胞膜两侧的水分转运障碍，造成细胞性脑水肿。血-脑屏障的破坏形成血管源性脑水肿，依赖于其他物质的参与，如MMP-9降解血-脑屏障的基础结构、血肿释的放血红蛋白通过生化反应后生成具有毒性的铁离子和胆红素而改变血-脑屏障通透性以及AQP4上调表达量来参与脑水肿的形成。炎性因子中的TNF-α和IL-1β对脑水肿的促成作用最大，他们通过刺激神经胶质细胞产生某些细胞因子或粘附因子来破坏血-脑屏障。

脑出血后可通过检测S100蛋白、神经元特异性烯醇化酶(NSE)、脑源性神经营养因子(BDNF)及超敏-C反应蛋白的浓度来预判病情的严重程度和预后情况。目前多数研究都基于基础领域，希望后续的研究更多的涉及临床方面，更加完善系统的阐明脑出血后脑水肿发生机制中的每一个细节，把握好每一个节点，能找出在破坏血-脑屏障中起到最具主导性的连接蛋白。随着医学技术的不断提高以及检测仪器的更新，相信还会发现更多更具代表性的参与脑水肿形成机制的物质和标志物，根据这些标志物更加容易地对患者病情进行诊疗和评估，为脑出血后脑水肿的发生机制研究、病情评估和治疗提供更大的医学价值。