脑缺血再灌注损伤机制

脑缺血再灌注损伤机制定义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脑缺血再灌注后急性局灶性脑缺血引起的缺血中心区以细胞坏死为主；脑缺血后5-7分钟内，细胞能量耗竭，细胞坏死。半暗带区域于再灌注数天后出现了迟发性神经元死亡。脑缺血再灌注损伤的病因机制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。㈠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，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。㈡Ca2+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)。㈢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。㈣炎症免疫机制中枢神经系统可对各种损害产生完整的炎症反应。急性炎症反应在缺血再灌注损伤所引发的继发性脑损伤中起着关键作用。脑缺血再灌注损伤时,氧自由基和其他信使激活炎性细胞因子和致炎症酶原引起趋化因子释放,白细胞黏附分子(选择蛋白、整合素、免疫球蛋白超基因家族等)表达上调,从而中性粒细胞向微血管内皮细胞移动和黏附,致使中性粒细胞在缺血脑组织中浸润引起损伤。在脑缺血再灌注损伤中,中性粒细胞的活化和积聚在缺血再灌注损伤区神经元的损伤中扮演重要的角色。而且,缺血后再灌注大大增加中性粒细胞在微血管中的积聚。实验研究表明中性粒细胞的活化和积聚发生在缺血再灌注损伤后1h内,24～48h达高峰。中性粒细胞及红细胞、纤维蛋白沉积物、血小板的积聚能导致毛细血管的堵塞、渗漏及减少微血管血流,甚至导致缺血区域的血液停滞现象,即所谓的再灌注后的“无复流”现象。聚集的白细胞释放氧自由基、溶蛋白酶及细胞激动素等造成组织坏死;当中性粒细胞迁移出血管浸润到缺血组织,通过细胞因子(肿瘤坏死因子、白介素-1等)的释放,还可直接导致细胞毒性损伤㈤血脑屏障破坏血脑屏障(blood-brainbarrier,BBB)主要包括三层结构:脑血管内皮细胞、基底膜和星形细胞终足。血管基底细胞依靠紧密连接构成一个连续密封的网状结构,是大分子物质经内皮细胞间转运的屏障。由星形细胞的足突组成的一层坚韧的胶质膜覆盖了脑毛细胞管周围85%左右的表面积。星形细胞对于BBB的完整性有诱导和维持的作用。基底膜主要是由IV型胶原和纤连蛋白构成。它能起到支持作用,防止由于静水压和渗透压改变引起血管变形。脑缺血和再灌注时伴随炎性细胞因子、黏附分子的表达,白细胞浸润并产生大量的蛋白水解酶,特别是基质金属蛋白酶(MMP)、氧自由基和花生四烯酸代谢产物,这是导致BBB破坏的直接原因。㈥一氧化氮（NO）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。㈦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。㈧Caspase-3半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-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的活化能使上述生理机能破坏，可能导致DND的发生。㈨神经胶质细胞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，㈩核因子кB核因子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。（十一）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。（十二）基因活化发生在再灌注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，这些基因的相互作用最终决定了迟发性神经元死亡的发生。