缺氧缺血性脑损伤的分子生物学研究进展

缺氧缺血性脑损伤的分子生物学研究进展

缺氧缺血性脑损伤是由心脏骤停引起的较为严重的后果，损伤可由单纯缺氧或组织中毒导致，损伤的程度则取决于缺氧的时间。动物研究表明，脑缺血后脑葡萄糖、糖原、三磷酸腺苷（ATP）和磷酸肌酸的浓度立即下降并在10-12分钟内迅速消耗殆尽，同时细胞内外离子浓度和膜电位变化及自由基和一氧化氮产生会在数分钟内造成不可逆的神经元和脑损伤。本文对缺血缺氧性脑损伤的分子生物学损伤机理及治疗研究进展进行梳理。

标签：缺血缺氧性脑损伤；分子生物学；神经细胞死亡

1.缺氧缺血后组织的生化变化

血液循环停止后所带来的组织损伤是多方面的。缺氧去极化是脑缺血的早期变化之一，也是机体缺氧缺血后的主要表现之一，导致细胞内外的电解质成分改变，同时ATP下降[1]。脑缺血后1-3分钟内，局部缺血组织的两个神经纤维和细胞体区域之间会出现一个大的负直流偏移，由于细胞功能受损造成细胞外Na+，氯化物和Ca2+降低，钾渗透到细胞外间隙。缺氧去极化和Ca2+向细胞内的流入时造成的细胞外Ca2+、Na+浓度的急剧降低会造成细胞中Ca2+的浓度大幅增加。研究结果显示，Ca2+向细胞内渗透的过程可能由NMDA受体所控制，使细胞内钙激活钙依赖过程增加，如钙蛋白酶系统，该系统直接参与了细胞骨架、膜结构、信号转导途径和细胞凋亡的重塑[2]。钙蛋白酶抑制剂可有效减少细胞死亡指示钙蛋白酶在脑缺血损伤中发挥了重要作用[3]。钠引发的损伤则与胞浆Ca2+的增加、ATP的减少和谷氨酸释放综合引起的。而运用药物抑制Na+流通和抑制细胞内Na+浓度是防止脑缺血的有效措施。脑缺氧缺血后一到两分钟内，高能磷酸盐（如ATP）即下降到其最低值，乳酸和氢离子（H+）释放造成细胞内PH值下降形成酸中毒，当PH值在6.1-6.5之间时，神经元仅可存活约10-12 min，长时间的酸中毒，会使细胞功能受损和水肿情况进一步加剧。此外，高血糖增加乳酸量分泌量从而使酸中毒状况进一步恶化，因此慢性高血糖可增加缺血性损伤程度，增加死亡率[4]。此外，脑缺血时，具有毒性和兴奋性的神经递质—谷氨酸释放，同时其他一些具破坏性的酶如脂肪酶，蛋白酶和核酸酶被激活，对神经元组织造成破坏。自由基含量也会在脑缺血后的初期增加[5]。另外，脑缺血后，一氧化氮产生，过氧亚硝酸盐和一氧化氮毒性的主要介体也会相应产生[6]，Panahian等用去除了神经型一氧化氮合酶的小鼠进行动物实验发现清除一氧化氮后小鼠椎体细胞的细胞损失率由85%降为了32%，指示一氧化氮与细胞凋亡具有密切的关系。因此脑缺血后一氧化氮的增加可能加快了细胞死亡从而导致脑损伤。对缺氧缺血后组织的生化变化及导致的脑损伤机制进行梳理如表1所示。

缺血缺氧后，由于细胞内外介质条件发生改变从而造成了細胞功能的变化，其主要由线粒体受损、细胞骨架破坏和谷氨酸受体的激活所引起。细胞内Ca2+增大的早期，线粒体会发生损伤，可以明显的观察到线粒体的瞬间肿胀，并伴随有解聚核糖体和高尔基复合体异常现象[7]。线粒体功能受损可引起ATP的降低、

自由基的过量产生，降低了细胞对钙负荷的缓冲作用，细胞骨架遭到破坏而无法保持正常的细胞结构从而造成细胞死亡。这也是导致细胞凋亡的重要因素之一。缺血缺氧会抑制蛋白质的合成，该过程可持续1-24 h的周期，具体时间取决于缺血缺氧类型和再灌注的时间，但是在蛋白质的合成完全恢复后的12-48 h，尽管多数细胞可以恢复蛋白质合成从而维持正常功能，但是已经死亡的细胞则无法恢复正常功能。细胞内Ca2+的增加量以及NMDA受体的激活则是抑制神经元蛋白合成的主要因素[8]。在脑部缺血缺氧后的30 min内，谷氨酸受体的兴奋性活化在热休克蛋白的表达和引发大量立早基因的快速转录方面发挥了主要作用[9]。在轻微缺血缺氧情况下，立早基因可在受损的神经元和非神经元细胞中发现，而严重缺血缺氧情况下，甚至会在非受损神经元和细胞中发现立早基因，说明立早基因在神经元细胞的存活和死亡选择中发挥了一定的作用。热休克蛋白在保护受损神经元过程中发挥了重要作用从而作为指示神经元能否存活的一个敏感指标，在缺血缺氧后细胞损害还未达到一定程度就可通过ATP下降信号的激活而快速有效的表达，这也反映了细胞自我保护机制的表达。

3. 缺氧缺血后神经细胞死亡

脑缺血缺氧的时间如果超过脑复苏的时间，则会导致不同程度的神经元细胞死亡。研究结果显示，脑缺血后神经细胞死亡与兴奋性氨基酸的神经毒作用、一氧化氮的神经毒作用及钙超载有密切关系。

前文中已经阐述兴奋性谷氨酸在脑缺血后的释放是导致神经元组织遭到破坏的重要原因。兴奋性氨基酸的受体有多种，而NMDA受体是其最为主要的受体之一，NMDA受体激活后可使Na+和Ca2+进入细胞。在缺血缺氧情况下，发挥阻断NMDA受体作用的镁离子作用因能量缺乏受到抑制从而失去对NMDA 受体的阻断作用，从而导致Ca2+和Na+在细胞内富集造成对细胞的损害。研究结果显示，在缺乏谷氨酸受体或受体阻断的神经元在缺血缺氧条件下仍可以存活数小时，但缺血缺氧时谷氨酸受体得到激活则很快导致神经元细胞的死亡[10]。缺血缺氧造成兴奋性谷氨酸的释放或浓度增大是由多种因素造成的。首先，缺血缺氧时，ATP含量显著降低，去极化作用时细胞内Na+和Ca2+浓度增大，同时也会引起谷氨酸的释放；其次，细胞内Na+浓度的增大会使细胞膜阴离子通道得到激活从而引起谷氨酸的释放；最后，细胞内ATP的减少导致细胞摄取谷氨酸的功能受到影响从而造成细胞间隙中的谷氨酸含量增大。.

一氧化氮可由一氧化氮合酶（Nitric oxide synthase，NOS）和L-精氨酸催化产生，NOS广泛存在于中枢神经系统的细胞中，在脑缺血缺氧情况下，NOS 激活并产生一氧化氮，其浓度可在缺血缺氧后数分钟内即增加。一氧化氮在神经系统的发育特别是神经元突触的重塑和神经网络的建立中发挥重要作用。但是在脑缺血缺氧时具有保护和损伤的双重作用，具体则取决于一氧化氮的浓度、缺血缺氧的持续时间和遇到的靶分子[11]。在缺血缺氧的初期（一般认为数分钟或几小时内），一氧化氮的合成具有保护作用，但长时间的缺血缺氧后则会产生损伤作用[12]，其损伤主要因为与氧化物之间发生氧化作用产生氧化氮、导致细胞铁离子丢失，加速磷脂过氧化从而破坏线粒体呼吸链、抑制ATP合成酶的合成作用，从而造成细胞中毒损伤。Ca2+對多种细胞功能的正常发挥起到了重要作用，