王 璐, 張士濱, 華志鵬, 楊占君綜述, 賈建新, 吳麗娥審校

缺血性卒中約占卒中總數(shù)的70%～80%[1],其以高發(fā)病率、高復(fù)發(fā)率和高致殘率等特點(diǎn)成為威脅人類(lèi)健康的主要疾病之一。當(dāng)發(fā)生腦缺血后,首要的目標(biāo)是改善缺血區(qū)域腦組織的血流供應(yīng),恢復(fù)正常的血流循環(huán),目前臨床主要的治療方法是靜脈溶栓、動(dòng)脈取栓、改善側(cè)支循環(huán),絕大部分患者采取以上措施后臨床癥狀得到改善,但仍有小部分患者出現(xiàn)臨床癥狀加重的現(xiàn)象,此現(xiàn)象稱(chēng)為腦缺血-再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury,CIRI)。CIRI發(fā)生的具體機(jī)制目前尚未有確切的定論,有氧化應(yīng)激損傷、炎癥反應(yīng)、自噬及興奮性氨基酸的毒性作用等學(xué)說(shuō)。本文根據(jù)對(duì)CIRI的機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為臨床改善CIRI帶來(lái)的損害提供新的研究思路。

1 CIRI的發(fā)生機(jī)制

1.1 氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS) 氧化應(yīng)激是體內(nèi)細(xì)胞受外界影響,活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)過(guò)度激活與自由基異常增多,使氧化與抗氧化作用失衡,引發(fā)組織損傷的過(guò)程[2]。氧化應(yīng)激在缺血性腦卒中具有重要作用。腦組織缺血以及缺血組織再灌注時(shí),ROS大量產(chǎn)生,通過(guò)多種損傷機(jī)制破壞抗氧化系統(tǒng),發(fā)生氧化應(yīng)激損傷,導(dǎo)致細(xì)胞死亡。腦是高耗能器官,相對(duì)于其他器官和組織更加難以耐受缺血缺氧。腦組織缺血缺氧后,線粒體氧化呼吸鏈電子傳遞過(guò)程發(fā)生異常,超氧陰離子(O2-)產(chǎn)生增多,使歧化向H2O2轉(zhuǎn)化,H2O2通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生活性氧中最強(qiáng)的羥基[3]。羥基與DNA組分發(fā)生反應(yīng)形成堿基修飾位點(diǎn)和無(wú)堿基位點(diǎn),導(dǎo)致DNA損傷,通過(guò)啟動(dòng)下游DNA損傷位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,從而促使凋亡誘導(dǎo)因子核轉(zhuǎn)位以及DNA修復(fù)酶降解,進(jìn)而引起腦組織損傷[4]。

自由基是人體進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種活性分子,具有調(diào)節(jié)細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與細(xì)胞生長(zhǎng)以及抑制細(xì)菌和病毒的作用。生物體內(nèi)有兩大抗氧化應(yīng)激防御系統(tǒng),即酶性抗氧化系統(tǒng)和非酶性抗氧化系統(tǒng)。生理情況下,體內(nèi)活性氧類(lèi)等自由基水平與超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、泛素、血紅素氧化酶、膽紅素等自由基清除物質(zhì)的水平處于動(dòng)態(tài)平衡。組織缺血缺氧時(shí),次黃嘌呤等物質(zhì)大量堆積,當(dāng)發(fā)生再灌注時(shí),瞬間涌入大量的氧分子提供電子受體將次黃嘌呤經(jīng)黃嘌呤氧化酶轉(zhuǎn)化為尿酸,在這一過(guò)程中,超氧陰離子、羥自由基、過(guò)氧化氫等氧化應(yīng)激產(chǎn)物大量產(chǎn)生,大量自由基堆積。自由基會(huì)破壞細(xì)胞膜的有效成分,使細(xì)胞骨架崩解,導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí),自由基會(huì)引發(fā)線粒體損傷,一方面導(dǎo)致能量衰竭,促使Ca2+內(nèi)流,蛋白質(zhì)水解,細(xì)胞膜及其骨架結(jié)構(gòu)崩解破壞,細(xì)胞死亡;另一方面線粒體損傷可直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡引起組織細(xì)胞壞死[5]。線粒體在細(xì)胞能量產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)維持和ROS調(diào)節(jié)中起核心作用,線粒體功能障礙可加重氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷。

核因子紅細(xì)胞2-相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是一種具有神經(jīng)保護(hù)作用的堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu),可通過(guò)調(diào)控內(nèi)源性氧化應(yīng)激、抗炎等機(jī)制減輕CIRI。Shih等[6]研究發(fā)現(xiàn)CIRI模型大鼠敲除Nrf2基因后,腦梗死面積增大,抗氧化酶活性減低,神經(jīng)功能缺損癥狀加重。Zhou等[7]研究表明,五味子甲素(Sch A)對(duì)CIRI有抗氧化、抗炎等作用,給予CIRI模型大鼠Sch A后SOD活性明顯升高,MDA含量減少,而敲除Nrf2基因可抑制Sch A的神經(jīng)保護(hù)作用,降低SOD活性,增加MDA含量,組織抗氧化能力減弱,表明Nrf2可通過(guò)抑制氧化應(yīng)激減輕CIRI。

1.2 自噬(autophagy) 腦缺血后會(huì)出現(xiàn)中心缺血區(qū)和半暗帶區(qū),中心區(qū)神經(jīng)細(xì)胞的死亡是細(xì)胞壞死,而半暗帶區(qū)細(xì)胞的受損是細(xì)胞凋亡和自噬,故挽救缺血半暗帶區(qū)域的腦細(xì)胞成為臨床治療缺血性疾病的關(guān)鍵方法。自噬是重要的物質(zhì)分解代謝途徑之一,指溶酶體吞噬、降解受損的細(xì)胞器以及錯(cuò)誤折疊大分子蛋白的過(guò)程,從而維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)[8]。自噬是一種高度保守的進(jìn)化過(guò)程,通過(guò)溶酶體系統(tǒng)調(diào)節(jié)細(xì)胞器和蛋白質(zhì),進(jìn)而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule associated protein llight chain 3,LC3)是與自噬相關(guān)的蛋白,LC3末端被Atg4酶裂解產(chǎn)生LC3-Ⅰ。LC3-Ⅰ與Atg3、Atg7以及磷脂酰乙醇胺(PE)相互結(jié)合生成LC3-Ⅱ。LC3-Ⅱ存在于自噬體膜上,隨著自噬體膜的形成而增加,其表達(dá)量可代表自噬水平[9]。p62是經(jīng)典的自噬受體,是連接LC3蛋白和泛素化底物之間的橋梁。自噬體與溶酶體結(jié)合后p62可被降解,其表達(dá)水平與自噬呈負(fù)相關(guān)。Beclin-1是調(diào)控自噬上游的關(guān)鍵蛋白,在自噬過(guò)程中具有重要作用[10]。Nazarinia等[11]研究發(fā)現(xiàn),大腦中動(dòng)脈閉塞的大鼠腦組織中自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ表達(dá)量明顯增多。劉禹岐等[12]研究表明,CIRI模型大鼠神經(jīng)功能評(píng)分、腦梗死體積以及自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ、Beclin-1表達(dá)量增加,p62表達(dá)量減少,給予淫羊藿次苷Ⅱ補(bǔ)充治療后,神經(jīng)功能評(píng)分、腦梗死體積、LC3-Ⅱ以及Beclin-1表達(dá)量下降,p62表達(dá)量增加,證明自噬參與CIRI過(guò)程。

1.3 凋亡 細(xì)胞凋亡是指為了維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,由基因控制的細(xì)胞自主有序的死亡,是主動(dòng)過(guò)程[13]。凋亡是多種基因控制的過(guò)程,涉及Bcl-2家族、caspase家族、細(xì)胞色素-C(cyt-c)、p53等。研究發(fā)現(xiàn)CIRI與凋亡有著密切的聯(lián)系,但確切機(jī)制尚不完全明確。Caspase家族在細(xì)胞凋亡中起重要作用,它們均以酶原的形式存在,相關(guān)凋亡因素刺激后可活化并通過(guò)各種級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘發(fā)凋亡。Caspase-3是凋亡的效應(yīng)子,被上游啟動(dòng)子激活后作用于特異性底物使細(xì)胞發(fā)生改變,導(dǎo)致凋亡[14]。腦缺血時(shí)促凋亡蛋白Bax轉(zhuǎn)移到線粒體外膜,增加線粒體外膜的通透性觸發(fā)凋亡。cyt-c從線粒體釋放到胞質(zhì)中,從而激活caspase-3級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致DNA降解,最終導(dǎo)致腦損傷。與此同時(shí),抗凋亡蛋白Bcl-2通過(guò)穩(wěn)定線粒體膜電位和阻止cyt-c的釋放來(lái)抑制細(xì)胞凋亡。王林等[15]研究發(fā)現(xiàn),CIRI模型大鼠腦組織中caspase-3水平顯著升高,使用丁苯酞后caspase-3水平明顯下降,凋亡細(xì)胞數(shù)量減少,說(shuō)明丁苯酞能夠抑制CIRI引發(fā)的細(xì)胞凋亡,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。Bcl-2家族包括抑制凋亡蛋白(Bcl-2、Bcl-xl、Mcl-1等)和促凋亡蛋白(Bax、Bad、Bak等),在細(xì)胞凋亡進(jìn)程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用,當(dāng)細(xì)胞處于缺血缺氧狀態(tài)時(shí),Bcl-2表達(dá)量降低,而B(niǎo)ax表達(dá)量增加[16]。

1.4 神經(jīng)炎癥 炎癥反應(yīng)是機(jī)體受損后局部或全身產(chǎn)生的一系列防御反應(yīng)。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[17],腦組織損傷后可見(jiàn)大量炎性因子浸潤(rùn),這些炎性因子的過(guò)度表達(dá)會(huì)進(jìn)一步繼發(fā)神經(jīng)細(xì)胞損害。炎性因子是促進(jìn)梗死區(qū)域愈合以及瘢痕組織形成的重要因素,炎癥反應(yīng)在CIRI中發(fā)揮重要的作用,其具體機(jī)制目前仍未有確切的報(bào)道。白細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞是主要的效應(yīng)細(xì)胞,通過(guò)釋放大量炎性因子(IL-1、IL-6、IL8、TNF-α)產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。白細(xì)胞主要由整合素、選擇素、免疫球蛋白等介導(dǎo)炎癥反應(yīng)。急性腦缺血時(shí),中性粒細(xì)胞與黏附分子結(jié)合后最早開(kāi)始釋放誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)等炎癥介質(zhì),加重腦組織缺血缺氧,使腦梗死面積擴(kuò)大。小膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)系統(tǒng)中主要的巨噬細(xì)胞,也是固有免疫細(xì)胞。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中可檢測(cè)到不同表型的小膠質(zhì)細(xì)胞(M1型/M2型),分別發(fā)揮促炎和抗炎作用[18]。小膠質(zhì)細(xì)胞被激活后可極化為M1型和M2型,M1型小膠質(zhì)細(xì)胞可分泌大量活性氧類(lèi)、細(xì)胞因子和蛋白水解酶促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生加劇神經(jīng)細(xì)胞的損傷,而M2型小膠質(zhì)細(xì)胞分泌IL-10、TGF-β等抗炎因子促進(jìn)炎癥的消退以及腦損傷的恢復(fù)[19～22]。組織缺血缺氧后,靜息狀態(tài)的小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)和功能發(fā)生變化,激活為M1型(促炎型),分泌促炎因子發(fā)生炎癥反應(yīng)。隨著M1型活化的后期M2型(抗炎型)小膠質(zhì)細(xì)胞激活,M2型可以吞噬壞死的細(xì)胞碎片,抑制炎癥反應(yīng)的進(jìn)展,促進(jìn)神經(jīng)元再生,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[18]。相關(guān)研究表明[23],牡荊素可以抑制CIRI模型大鼠缺血區(qū)域CD16/32(M1型標(biāo)志物)的表達(dá),增加CD206(M2型標(biāo)志物)的表達(dá),可能是通過(guò)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞M2型的極化來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用的。

1.5 鈣超載 生理情況下,細(xì)胞內(nèi)Ca2+主要位于線粒體和肌漿網(wǎng)中,細(xì)胞外Ca2+是細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的10000倍左右。當(dāng)發(fā)生缺血性腦卒中時(shí),腦細(xì)胞血流中斷,氧氣和ATP供應(yīng)不足,線粒體功能障礙,Na+-K+-ATP酶等離子通道不能維持正常的電化學(xué)梯度,使電壓門(mén)控通道持續(xù)開(kāi)放,大量Ca2+內(nèi)流[24]。Ca2+蓄積促使興奮性氨基酸(如谷氨酸等)大量產(chǎn)生,谷氨酸與N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體結(jié)合,也可引發(fā)大量Ca2+內(nèi)流,形成鈣超載,從而進(jìn)入一系列的惡性循環(huán)。細(xì)胞內(nèi)Ca2+增多,與鈣調(diào)蛋白(CaM)結(jié)合產(chǎn)生大量CaM-Ca2+復(fù)合物促使5-羥色胺、腎上腺素等縮血管因子釋放,導(dǎo)致血管痙攣,加重腦組織缺血缺氧。由于鈣超載和氧化應(yīng)激通過(guò)各種反應(yīng)使線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)開(kāi)放,大量ROS進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)致線粒體損傷,同時(shí)細(xì)胞色素C被釋放到胞漿中與促凋亡因子結(jié)合,觸發(fā)凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng),激活促凋亡蛋白caspase-3導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡[25]。

1.6 興奮性氨基酸 興奮性氨基酸主要包括谷氨酸和天冬氨酸,是中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),大多數(shù)存在于突觸末梢,在神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的信息傳遞中發(fā)揮重要作用。谷氨酸主要存在于神經(jīng)細(xì)胞中,N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA)可與其結(jié)合發(fā)揮興奮神經(jīng)細(xì)胞的作用。生理情況下,興奮性氨基酸可參與突觸的興奮傳遞,有助于學(xué)習(xí)記憶。但在病理情況下,大量谷氨酸聚積,可引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)過(guò)度興奮,導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)能量代謝失衡,產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用[26]。NMDA受體是離子型門(mén)控通道,對(duì)Ca2+具有通透性,大量谷氨酸與NMDA受體結(jié)合使Ca2+持續(xù)內(nèi)流導(dǎo)致Ca2+超載,并且可以通過(guò)一系列反應(yīng)使ROS增多,引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞死亡。

2 CIRI的治療

近年來(lái),對(duì)于CIRI的治療也引起了人們的廣泛關(guān)注。腦缺血再灌注過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的氧自由基和脂質(zhì)過(guò)氧化物,導(dǎo)致氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡,加重神經(jīng)細(xì)胞損傷。依達(dá)拉奉是臨床廣泛使用的腦保護(hù)劑,可清除體內(nèi)過(guò)多的氧自由基,抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積,減輕血管內(nèi)皮損傷,抑制神經(jīng)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷,防止腦梗死和腦水腫的進(jìn)展,延緩神經(jīng)細(xì)胞死亡,減輕腦損傷[27]。褪黑素是由松果體分泌的神經(jīng)內(nèi)分泌激素,是強(qiáng)大的內(nèi)源性自由基清除劑,通過(guò)激活抗氧化酶和清除過(guò)量自由基參與抗氧化過(guò)程,在腦卒中和心肌梗死等疾病中發(fā)揮保護(hù)作用[28]。腦缺血后炎癥因子局部浸潤(rùn),會(huì)加重腦組織損害,大量炎癥因子的釋放會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)皮受損,放大炎癥反應(yīng)甚至誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡。他汀類(lèi)藥物是HMG-CoA還原酶抑制劑,具有降低膽固醇、低密度脂蛋白的作用,臨床用于治療動(dòng)脈粥樣硬化。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn),他汀類(lèi)藥物還具有改善血管內(nèi)皮功能、減少炎癥因子的聚集以及防止血栓形成等作用[29],亦廣泛運(yùn)用于CIRI。丁苯酞是一種人工合成的消旋體,具有保護(hù)線粒體功能、改善微循環(huán)和缺血區(qū)域腦組織的血流量、減輕腦水腫、促進(jìn)能量代謝等作用[30],丁苯酞能夠通過(guò)保護(hù)線粒體功能促進(jìn)能量代謝來(lái)發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。在臨床中廣泛應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病。近年來(lái),對(duì)天然藥物的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注,肉蓯蓉總苷、銀杏葉、黃芪、姜黃素、葛根素、人參、多糖類(lèi)等被證實(shí)對(duì)CIRI有較好的療效[31]。除了藥物治療外,針刺也應(yīng)用于CIRI的治療中,其作用機(jī)制可能與減輕氧化應(yīng)激損傷、抑制炎癥反應(yīng)和凋亡、促進(jìn)血管內(nèi)皮增生以及拮抗興奮性氨基酸毒性等[32]有關(guān)。

3 展 望

綜上所述,腦缺血再灌注損傷是多種病理生理機(jī)制參與的復(fù)雜反應(yīng),主要涉及氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、自噬、凋亡以及興奮性氨基酸的毒性作用等。減少腦梗死的體積、減輕神經(jīng)功能缺損癥狀、抗氧化應(yīng)激損傷和炎癥反應(yīng)、改善患者的生存質(zhì)量等是臨床研究CIRI亟需解決的難題。雖然近年來(lái)一些藥物可以改善CIRI,但具體作用機(jī)制尚未明確,仍需我們進(jìn)一步研究。希望日后能對(duì)CIRI機(jī)制中涉及的相關(guān)信號(hào)通路展開(kāi)更深入的研究,以期為臨床治療CIRI提供新的思路和靶點(diǎn)。