缺血再灌注损伤机制及保护综述

1脑缺血再灌注损伤机制及治疗进展西安交通大学医学院第二附属医院麻醉科710004薛荣亮脑缺血一定时间恢复血液供应后，其功能不但未能恢复，却出现了更加严重的脑机能障碍，称之为脑缺血再灌注损伤（cerebralischemiareperfusioninjury,CIR）。脑缺血再灌注损伤与自由基的生成、细胞内钙超载、兴奋性氨基酸毒性、白细胞高度聚集和高能磷酸化合物的缺乏等有关。急性局灶性脑缺血引起的缺血中心区死亡以细胞坏死为主，目前认识的比较清楚，即脑缺血后5-7分钟内，细胞能量耗竭，K+通道受阻，膜电位降低，神经末梢释放谷氨酸，通过兴奋谷氨酸受体（包括NMDA、AMPA和KA受体）致使细胞膜上的Ca2+通道开放，引起Ca2+超载，高Ca2+可激活NOS，使NO和氧自由基的形成增加，引发脂质过氧化，引起膜结构和DNA的损伤；Ca2+还可活化各种酶类，加剧细胞损伤和能量障碍，引发缺血级联反应，结果细胞水肿、细胞膜破裂，细胞内酶和炎性介质释放，引起细胞坏死。近年来认识到半暗带区域于再灌注数天后出现了迟发性神经元死亡(DND)，DND常出现在缺血再灌注后2-4日，主要发生在海马、纹状体及皮质区域，DND需要数日时间、有新蛋白质合成的、需要消耗能量的、为无水肿的细胞自杀过程，称之为细胞凋亡(PCD)。脑缺血再灌注损伤既包括急性细胞坏死也包括细胞凋亡，对于DND的确切机制目前仍不清楚，尚需进一步深入研究。现对脑缺血再灌注损伤机制的研究进展及保护措施简述如下：1．基因活化脑缺血再灌注损伤后可出现大量基因表达，大约有374种基因出现2变化，绝大多数基因与凋亡有关，其中57种基因的蛋白表达是缺血前的1.7倍，而34种基因的表达量出现下降，均发生在4小时到72小时,包括蛋白质合成，基因突变，促凋亡基因，抑凋亡基因和损伤反应基因变化等，这些基因的相互作用最终决定了DND的发生。2．兴奋性氨基酸毒性兴奋性氨基酸毒性是指EAA受体活化而引起的神经元死亡，是脑缺血性损伤的重要触发物和介导物。EAA可活化胞内信号转导通路，触发缺血后致炎基因表达。CA1区神经细胞分布着大量的EAA受体，而抑制性氨基酸受体分布很小，这就为缺血后的兴奋性毒性提供了基础。另外，CA1区较CA3区对缺血损伤敏感是由于其兴奋性氨基酸受体的类型不同，CA1区以NMDA受体为主，CA3区以KA受体为主，而KA受体对缺血敏感性较差，可能是造成DND发生的重要原因。3．自由基及脂质过氧化脑缺血再灌注期间产生大量自由基。其有害作用可概括为：①作用于多价不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化。②诱导DNA、RNA、多糖和氨基酸等大分子物质交联，交联后的大分子则失去原来的活性或功能降低。③促使多糖分子聚合和降解。自由基可广泛攻击富含不饱和脂肪酸的神经膜与血管，引发脂质过氧化瀑布效应(oxygenburst)，蛋白质变性，多核苷酸链断裂，碱基重新修饰，细胞结构的完整性破坏，膜的通透性、离子转运、膜屏障功能均受到严重影响，从而导致细胞死亡。自由基还能导致EAA释放增加，促使脑缺血后DND发生。4．热休克蛋白表达紊乱热休克蛋白是在多种应激原的作用下生成的分子量为7-200KD的3蛋白大家族，但研究的较多的是HSP70，有报道称CA1区神经细胞能表达大量的Hsp70mRNA，而脑缺血再灌注后CA1神经细胞Hsp70表达受到严重抑制。此外，Hsp70基因表达发生变化并不只出现在预处理之后，许多其它基因的表达水平也相继发生变化。目前相继有证据发现脑缺血后HSP60、HSP10、HSP40、HSC70、hsc70,hsp90,hsp105和trkB均可被诱导产生。5．线粒体功能障碍脑缺血再灌注后线粒体mRNA的表达紊乱可造成细胞能量产生进行性降低，ATP合成障碍，导致神经细胞死亡。再灌注早期免疫反应性减弱，其中在海马CA1区最明显。线粒体DNA编码13条氧化磷酸化所必需的多肽链及细胞色素氧化酶的3个亚基，因此线粒体DNA的表达紊乱可引起能量产生进行性衰竭，导致细胞死亡。6．NO与脑缺血再灌注损伤NO是一氧化氮合酶(NOS)催化下生成的起维持和调节血管张力的一种自由基，其广泛分布于神经组织。NO脑保护方面的机制有：①作用于血管平滑肌，活化鸟氨酸环化酶产生GMP，钙依赖性钾通道开放，产生舒张血管作用，抑制粘附分子发挥抗血小板凝聚和白细胞粘附功能，使脑血流得以维持和改善。②通过巯基亚硝酸化及NMDA受体变构作用，限制EAA的细胞毒性作用。③在一定条件下消除OH，中断自由基的链式反应。NO毒性方面的机制有：①与超氧阴离子形成过氧化亚硝酸(ONOO-)，灭活线粒体MnSOD，促进大量自由基生成，介导氧化损伤。②抑制甘油酰-3-磷酸脱氢酶、肌酸激酶、顺乌头酸酶、NADPH-辅酶Q和琥珀酸氧化还原酶等，减弱氧化磷酸化过程从而阻止能量合成。还可4抑制核糖核酸还原酶，引发碱基脱氨导致DNA损伤，继之活化PARS，使细胞能量耗竭而死亡。③介导细胞凋亡。7．Ca2+超载脑缺血再灌注中Ca2+超载是各种因素综合作用的结果，也是造成脑缺血损伤过程中各种因素作用的共同通路。Ca2+在脑缺血再灌注损伤的作用主要有几个方面：①线粒体功能障碍；大量Ca2+涌入细胞，触发线粒体摄取Ca2+，使Ca2+聚集在线粒体内。Ca2+可抑制ATP合成，使能量生成障碍。Ca2+活化线粒体上的磷脂酶，引起线粒体膜损伤，并在线粒体内形成磷酸钙沉淀，改变了线粒体膜的通透性，Ca2+外流，又使细胞造成不可逆损伤。除ATP合成外，线粒体对细胞氧化还原反应、渗透压、PH值、胞质内信号的维持都有重要作用，线粒体是细胞受损的重要靶目标。②酶的活化，Ca2+活化Ca2+依赖性磷脂酶(主要是磷脂酶C和磷脂酶A2)，促进膜磷脂分解；在膜磷脂分解过程中产生的游离脂防酸，前列腺素，白三烯，溶血磷脂等，均对细胞产生毒害；Ca2+还活化钙依赖蛋白酶，使胞内无害的黄嘌呤脱氢酶转变黄嘌呤氧化酶，生成大量氧自由基；Ca2+可活化一氧化氮合酶(NOS)。8．Caspase-3与脑缺血神经细胞损伤Caspase-3属于IL-1β转化酶家族。正常情况下，胞质中的Caspase-3以无活性的酶原形式存在，细胞凋亡信号的出现可导致Caspase-3的活化。Caspse-3的活化可能是由多个胞质蛋白酶所介导的，CytoC、Apaf-1和Bc1-2对其活化起重要调节作用。Caspase-3的底物包括聚二磷酸腺苷-核糖多聚酶(PARP)、DNA依赖性蛋白激酶催化亚基DNA-PKCS、类固醇调节元件结合蛋白等。这些底物多数为细胞的功能蛋白质，参与DNA修复、mRNA裂解、固醇合成和细胞骨架重建等，Caspase-3的活化能5使上述生理机能破坏，可能导致DND的发生。9．核因子кB与脑缺血再灌注损伤核因子кB(NuclearFactorкB,NF-кB)是指能与某些基因的增强子上кB位点结合、启动相应基因转录、具有多向性调节的蛋白质分子。NF-кB的活化过程主要通过其抑制物—IкB的降解来实现。NF-кB调节的基因数量众多，它既能做为促凋亡又能做为抑凋亡的调节因子。目前，对于NF-кB在脑缺血再灌注损伤中的作用仍然不是很清楚。10．神经胶质细胞与脑缺血再灌注损伤神经胶质细胞（gliacyte）对神经元起支持、营养和保护等作用。目前认识到大脑在受到缺血、高热、放射照射等应激原刺激下，胶质细胞可出现iNOS、细胞因子、神经营养因子、内皮素以及其它多种因子的表达，这种表达受到内毒素和其它细胞因子的调节，其中iNOS和一些其它毒性细胞因子的表达可促进细胞凋亡，11．预处理的概念和方法缺血预处理：指给予动物亚致死性脑缺血可减轻下一次致死性脑缺血的损伤，对于前一次脑缺血称做缺血预处理。其机制与腺苷的产生、热休克蛋白的诱导和表达、预处理促进线粒体氧化功能的维持、凋亡相关基因的表达、自由基清除系统的活化有关。在缺血预处理的基础上，目前发展为多种预处理。药物预处理：采用的药物有：①腺苷A1受体激动剂：CPA；②ATP敏感性钾通道开放剂（KCO）：levcromakalin；③神经生长因子类：NGF、BDGF、BFGF等；④抗氧化剂：PEG-SOD、PEG-CAT、LYD8002等；⑤细胞间粘附因子单克隆抗体；⑥降钙素基因相关肽；⑦重组肿瘤坏死因6子a(rhTNFa)；⑧另外有钙离子拮抗剂、NMDA受体拮抗剂、蛋白合成抑制剂、IL和血红素氧化酶拮抗剂等。热预处理：可能机制之一是启动HSP基因，使HSP表达增加，从而起到保护作用。研究发现经短暂缺血预处理和未经预处理的动物相比，前者HSP70在CA1区的表达明显增强，CA1区神经细胞存活的数目亦明显增多。12．脑缺血神经保护药（1）钙拮抗剂：二氢吡啶类，如尼莫地平，为特异性阻滞L型钙通道。（2）NMDA受体阻滞剂竞争性NMDA受体拮抗剂：磷酸盐或塞福太。非竞争性NMDA受体拮抗剂：苯环利定、氯胺酮等。（3）AMPA受体拮抗剂阻断AMPA/红藻氨酸受体可防止钠流入细胞并防止细胞去极化及引发的钙超载。（4）γ-氨基丁酸（γ-GABA）受体激动剂可使细胞膜超极化和膜静息电位稳定，且可抑制梗死周围去极化，从而抑制半暗带区的细胞凋亡。药物有：氯美塞唑和氨甲基羟异恶唑。（5）钠通道阻滞剂药物为罗比唑。原理：可使NOS产生减少。（6）自由基清除剂药物：MnSOD、梯利拉扎和依布硒林等。作用原理是自由基生成7减少，打断级联反应。（7）抗细胞粘附分子抗体：防止白细胞活化、趋向和聚集作用，改善微循环。（8）抑制细胞因子对IL-1β和TNF-a，TNF-a，IL-1、IL-6、血小板活化因子和TGF-1β的抑制有利于脑缺血损伤。（9）他仃类药物：3-羟基3-甲基戊二酰辅酶还原酶抑制剂，可上调NOS，改善脑血流。（10）麻醉药物：异丙酚、利多卡因等许多药物都有保护作用。（11）生长因子类：碱性成纤维细胞生长因子、脑源性细胞生长因子、胰岛素样生长因子和成骨蛋白1。（12）抑酶肽:牛胰腺或其它组织提取的单链多肽，含58个氨基酸，分子量6500，为广谱的蛋白酶抑制剂(激肽原酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、纤维蛋白溶酶、胃蛋白酶等)。目前发现抑酶肽可抑制激肽释放酶及补体系统而抑制组织损伤所致的炎症反应；抑制NO合成酶等从而抑制自由基的产生，保护组织器官免受自由基所致的过氧化反应，从而发挥器官保护作用。（13）益智药：γ-氨基丁酸衍生物，通过恢复细胞膜的流动性和维持与膜有关的细胞功能起神经保护作用。（14）乌司他丁：8是从人新鲜尿液中分离纯化的分子量为67000的糖蛋白，它不仅能抑制胰蛋白酶，对脂肪酶、透明质酸酶等脂质分解和多糖分解酶也有抑制作用。它具有保护溶酶体膜，防止蛋白水解酶外溢有重要作用。研究发现它对脑缺血再灌注损伤具有保护作用。（15）参附注射液：静脉注射参附注射液，可以使血中丙二醛（MDA）水平明显降低，超氧化物歧化酶（SOD）水平明显升高。（16）低温：对脑缺血性损伤有确切保护作用。机制：①降低脑代谢率；②抑制自由基产生，抑制脂质过氧化；③减少兴奋性氨基酸的分泌。临床应用：深低温（20℃）保护效果佳，但要求条件高，并发症多；中低温（30-33℃）可抑制H2O2升高，安全有效，有一定的不良反应；浅低温（33-35℃）简单易行不良反应少，可在临床大力推广。13．我们的初步研究我们在国家自然科学基金课题资助的基础上，成功建立了海马转Bcl-2基因大鼠模型，观察了全脑缺血再灌注后fas、TNFR1、p53、c-myc、P-ERK、P-p38等在海马区的表达及Bcl-2过度表达对其的影响，结果发现，大鼠全脑缺血再灌注后，fas、TNFR1、p53、c-myc、P-p38蛋白在海马CA1区及CA3区均有表达，但CA1区强于CA3区；P-ERK在CA1区及CA3区亦均有表达，但CA1区弱于CA3区；Bcl-2基因过度表达可明显减弱fas、TNFR1、p53、c-myc、P-p38蛋白的表达，增强P-ERK蛋白的表达，说明Bcl-2除主要通过线粒体内在途径发挥其抑凋亡作用外，还通过其他途径如死亡受体外在途径（TNFR1、