新生儿缺氧缺血性脑病发病机制的研究进展

陈茂俊，林丽云，李莉，吕勤

新生儿缺氧缺血性脑病（hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）根据症状的严重程度不同分为轻症和重症，病情较轻的患儿一般预后较良好，严重者可出现一系列的并发症，包括智力低下、癫痫、运动和认知能力受限等，如不及时干预，甚至可能危及患儿生命。目前临床上治疗HIE 的标准方法是亚低温治疗，然而其有较大的局限性[1-2]。

理想的生物标志物应该是能实时测量的，并直接反映神经血管的功能[3-5]。在缺氧缺血的发病机制中，损伤发生的时间和治疗开始的时机都起着十分重要的作用。初级阶段中，即急性损伤后的第一个60 min内，部分愈合的过程就已经产生，其中炎症的产生、氧化代谢和激活的凋亡级联反应的持续发生在损伤的潜伏期内（第1 ～6小时）[6]。损伤后16 ～48h为第二能量衰竭阶段，其中包括兴奋性神经递质、自由基的释放和磷酸盐储备的消耗[7]。而第三期发生在急性缺血几个月后，包括细胞晚期死亡、损伤脑重塑和星形胶质细胞形成[8]。目前国外最新有报道显示，将HIE患儿脑损伤过程分为能量消耗、小胶质细胞损伤、炎症、兴奋毒性、氧化应激及细胞凋亡[9]。本文主要就HIE 发病机制进行综合阐述。

1 炎症和免疫反应机制

新生儿血脑屏障发育不完全，缺氧缺血可激活星形胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞，释放出一系列促炎细胞因子、趋化因子和促炎介质，如自由基氧化物（reactive oxygen species，ROS）、活性氮物质（reactive nitrogen species，RNS），破坏血脑屏障，促进外周血白细胞、内毒素等进入脑实质内[10-11]。白细胞会黏附到微血管内皮，进一步损害内皮细胞，破坏血管的完整性，最终导致颅内出血。同时，细胞因子可与血液中的细胞混合，进一步加重脑损伤。而各类炎性因子的表达，可激活Toll样受体4，一方面能通过激活小胶质细胞，对脑组织产生毒性作用，进一步引起脑功能损害和脑组织损伤[12]；另一方面可以导致机体免疫应答的机制的激活，对相关炎性因子的表达起到调控作用[13]。另外，炎症系统可以与氧化应激机制相互作用。小胶质细胞、星形胶质细胞十分敏感，并能被ROS、谷氨酸和NO 激活，产生大量炎症细胞因子，诱导神经元凋亡，抑制神经发育，并诱导免疫细胞的直接损伤[14-16]。炎症因子和趋化因子通过神经炎症通路，作为新生儿脑损伤的介质[17-18]，触发了额外的神经炎症，如创伤、兴奋毒性和缺氧缺血，可能与导致继发性缺氧缺血后脑损伤有关。而危险相关分子模式（damage associated moleculal patterns，DAMPs）的出现作为组织和细胞受损后释放的内源性危险信号，被认为是一种警报素，预示着损伤发生的同时又进一步介导一系列无菌性炎症反应的发生，从而在适应性免疫和固有免疫反应中发挥重要作用。S100B、高迁移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）是DAMPs 中的重要成员，其均可结合糖基化终末产物受体（recepter for advanced glycation endproducts，RAGE），上调炎性反应相关的细胞因子[19-20]。最新研究显示，S100B、HMGB1 可作为HIE 的早期生化指标和分子标志物[21-22]，对疾病的预测和早期干预有重要意义。这些细胞因子对HIE 发病有重要作用，了解其作用机制可促进相关特异性拮抗剂的研究和发展。

2 神经系统的兴奋毒性机制

国外有文献首先报道了“兴奋毒性”，指出缺氧缺血性损伤导致的一些神经细胞凋亡是由N-甲基-D-门冬氨酸谷氨酸受体、-氨基-3-羟基-5-甲基异恶唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗红藻氨酸谷氨酸受体和代谢性谷氨酸受体以不同方式过量产生兴奋性神经递质“谷氨酸”和导致细胞内Ca2+浓度升高介导的[23-24]。首先，HIE 诱导毛细血管中的能量消耗（氧气减少、葡萄糖减少）和内皮细胞、星形胶质细胞中的葡萄糖减少，星形胶质细胞中葡萄糖的减少导致丙酮酸和乳酸的减少，进一步导致三磷酸腺苷合成的减少。谷氨酸在星形胶质细胞中通过谷氨酰胺合成酶的作用转化为谷氨酰胺，从星形胶质细胞转运到神经元，再由谷氨酰胺酶转化为谷氨酸。正常情况下大部分谷氨酸被星形胶质细胞吸收，在三磷酸腺苷减少的情况下，谷氨酸不能被充分摄取[25]，停留在突触，从而激活N-甲基-D-门冬氨酸谷氨酸受体、-氨基-3-羟基-5-甲基异恶唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗红藻氨酸谷氨酸受体和代谢性谷氨酸受体。具体机制总结如下：（1）N-甲基-D-门冬氨酸谷氨酸受体导致钙内流直接增加细胞内Ca2+浓度；（2）-氨基-3-羟基-5-甲基异恶唑-4-丙酸/托吡酯可拮抗红藻氨酸谷氨酸受体输送大量的钠，使细胞膜去极化，并通过阳离子/Ca2+反转运蛋白阻断Ca2+从神经元流出；（3）谷氨酸通过代谢性谷氨酸受体介导，激活磷脂酶C，从而激活肌醇1，4，5-三磷酸，诱导Ca2+从内质网释放。因此，3 种不同谷氨酸受体的激活以不同的方式导致细胞内Ca2+浓度升高达到平台水平，恶化线粒体功能，引起功能障碍，导致自由基积聚、坏死和细胞凋亡。细胞内Ca2+浓度达到平台水平后，神经元损伤变得不可逆[24]。而细胞凋亡产生的碎片又可通过激活大脑中巨噬细胞的途径导致ROS 的分泌增多，ROS 可以使线粒体通透性转换孔打开[26]，从而加重线粒体损伤，加重细胞凋亡。

3 自由基与氧化应激机制

HIE 发病机制包括ROS 和RNS（主要包括过氧化氢及一氧化氮）。新生儿大脑发育不完全，更容易被影响。氧化应激导致ROS 和RNS 的产生增加，生理浓度的ROS 和RNS 可以作为转导信号的信号分子使用[27]。然而，自由基会因缺氧缺血损伤的刺激而大量产生。一氧化氮可以通过超氧化物反应，形成过氧亚硝酸盐和羟基自由基，导致蛋白质的改变和退化[28]。兴奋性毒性介导的钙通道激活引起脑缺血，通过相关催化酶作用形成O2[29]。O2在体内可被中和，转化为过氧化氢，可以通过铁基Fenton 反应生成羟基自由基[30]。随后羟基自由基会通过一系列途径导致细胞损伤，途径包括蛋白质氧化、脱氧核糖核酸损伤、线粒体抑制和脂质过氧化。同时自由基及其衍生物也通过以下途径对脑组织造成损伤：（1）促进产生过量的Fe2+对脑细胞造成损伤；（2）Fe2+还能直接损伤Na+/K+-三磷酸腺苷酶，导致脑细胞去极化，然后脑细胞释放大量谷氨酸，产生兴奋毒性，导致细胞损伤[31]。同时，增加的谷氨酸可以进入细胞交换胱氨酸，胱氨酸缺乏激活细胞凋亡，导致氧化应激和细胞死亡[31]；（3）氧化应激会引起线粒体功能障碍，从而导致神经元凋亡。其中细胞色素C（Cytochrome C，CytC）的释放是诱导细胞凋亡的关键步骤。首先，松散偶联或紧密结合的CytC 受损，然后从线粒体膜内释放出来；第二，线粒体外膜中的促凋亡蛋白被激活，使膜通透性增加，导致特异性孔的形成，游离的CytC 大量释放；第三，CytC 与凋亡蛋白相关因子1（apoptotic protein-related factors 1，Apaf-1）等结合，形成Apaf-1/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9/CytC 复合物；最后，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 被激活，触发延迟神经元死亡和细胞凋亡[32-33]。大量研究表明，HIE 期间，ROS 生成的增加可能促进CytC在线粒体内膜中释放，其可做为心磷脂氧化的催化剂，而氧化的心磷脂是促凋亡因子释放所必须的[34-35]。

4 铁死亡机制

铁死亡也参与HIE 的发生和发展，并在其中发挥重要作用。铁依赖性脂质过氧化物（lipid peroxide，LPO）在体内过量累积导致的细胞结构破坏而引起的程序性死亡是其主要表现[36]，发生机制包括氨基酸和谷胱甘肽代谢异常、脂质过氧化和铁代谢异常等。缺血、缺氧所导致的酸性环境可致铁代谢出现异常，导致游离Fe2+过度积累，通过Fenton 反应导致LPO 蓄积。多元不饱和酸过氧化是重要驱动因素，其会导致LPO 在体内蓄积，引起铁死亡[37]。氨基酸和谷胱甘肽代谢异常会影响谷胱甘肽过氧化酶4 的活性，导致其清除LPO 功能减低，LPO 过度蓄积[38]。最新研究表明，脑细胞缺氧缺血后的再灌注会通过抗铁死亡系统的代偿性激活，进一步加重脑损伤[39]。

5 其他作用机制

HIE 还和凝血机制障碍有关。一方面，缺氧缺血会对脑血管内皮及组织造成损害，导致血小板活化，其与内皮细胞相互作用，导致脑损伤；另一方面，凝血酶产生过多，导致微血栓的进一步形成，加剧脑损伤[40]。同时有研究显示，脑血管中也会形成微血栓，导致脑血流量明显减少，在释放出炎症因子的同时，破坏其自我调节机制，加重脑损伤[41]。

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