腦梗死的病理生理機(jī)制研究進(jìn)展

羅周 曹明樂(lè) 蔡猛 吳金鑒 王國(guó)霞

摘要：腦梗死指各種原因所致的腦部區(qū)域血液供應(yīng)障礙，導(dǎo)致腦組織缺血缺氧發(fā)生壞死或軟化，從而引起相應(yīng)部位神經(jīng)功能障礙的臨床綜合征，致殘率、致死率高。發(fā)病的主要病理生理機(jī)制為氧化應(yīng)激、興奮性毒性、炎癥反應(yīng)?，F(xiàn)就腦梗死的病理生理機(jī)制進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：腦梗死;病理生理；氧化應(yīng)激

腦梗死是內(nèi)科常見(jiàn)病，又稱為缺血性腦卒中，好發(fā)于中老年人，臨床類型有大動(dòng)脈粥樣硬化性腦梗死、小動(dòng)脈閉塞性腦梗死、腦栓塞、分水嶺腦梗死、出血性腦梗死、其他原因所致腦梗死和原因未明腦梗死。腦動(dòng)脈粥樣硬化、血小板聚集率增加、心源性栓塞、短暫性腦缺血發(fā)作等多種原因使腦血管狹窄或堵塞，導(dǎo)致局部腦組織突然供血不足或中斷，進(jìn)而缺血缺氧壞死。腦梗死不但危險(xiǎn)因素多，而且病理生理機(jī)制非常復(fù)雜，經(jīng)治療后死亡率仍然處于高水平。

1氧化應(yīng)激

1.1 氧化與抗氧化系統(tǒng)失衡

自由基化學(xué)性質(zhì)活潑，可引起脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)氧化、破壞核酸結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而損傷機(jī)體。同時(shí)機(jī)體存在抗氧化系統(tǒng)，即抗氧化物質(zhì)和抗氧化酶。其中，抗氧化物質(zhì)能還原并清除自由基，包括維生素C、維生素E、輔酶Q、谷胱甘肽、褪黑素、α-硫辛酸、類胡蘿卜素、微量元素銅和鋅等。抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-Px）等[1]。氧化應(yīng)激指氧化作用與抗氧化作用失衡的狀態(tài)?；钚匝酰≧OS）是氧代謝的副產(chǎn)物，是正常細(xì)胞新陳代謝和防御系統(tǒng)的一部分，包括氧離子、自由基和過(guò)氧化物，屬于壽命短的小分子，由于存在不成對(duì)的電子而具有高反應(yīng)性。在低水平，它們能調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化和凋亡[2]。在生物應(yīng)激期間，ROS積累到毒性水平，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷和功能受損[3]。當(dāng)發(fā)生腦梗死時(shí)，ROS大量增加，超過(guò)抗氧化系統(tǒng)的清除能力就會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激。在腦缺血期間，NMDAR介導(dǎo)的興奮性毒性、Ca2+超載、線粒體功能障礙、神經(jīng)元一氧化氮合酶（nNOS）的激活這幾種機(jī)制可產(chǎn)生自由基[4]。ROS產(chǎn)生的第一步是分子氧（O2）的單價(jià)還原形成超氧化物，細(xì)胞色素P450（CYP）系統(tǒng)、NADPH氧化酶（NOX）、黃嘌呤氧化酶（XO）及線粒體電子傳輸鏈參與這一過(guò)程。為了保持氧化和抗氧化系統(tǒng)的平衡，細(xì)胞產(chǎn)生SOD，將超氧化物轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫（H2O2）和氧氣。SOD的三種亞型是胞漿中的銅鋅超氧化物歧化酶、線粒體超氧化物歧化酶和細(xì)胞外超氧化物歧化酶。當(dāng)然，一些超氧化物也以非酶途徑轉(zhuǎn)化為H2O2和單線態(tài)氧。過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶可將過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水；而在Fe2+或Cu2+的存在下，過(guò)氧化氫逃避酶轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步產(chǎn)生羥基自由基，其在氧自由基中活性最強(qiáng)[5]。腦梗死期間，過(guò)量的ROS參與細(xì)胞衰老的誘導(dǎo)和維持。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞大分子被破壞，有助于細(xì)胞凋亡信號(hào)的傳導(dǎo)。

1.2 ROS通過(guò)多途徑增加

Ras途徑可產(chǎn)生ROS，環(huán)氧化酶（COX）的活性降低可以通過(guò)RAS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活并促進(jìn)ROS積累。蛋白賴氨酸6-氧化酶（LOX）通過(guò)Hif-1或Hif-2調(diào)節(jié)并產(chǎn)生ROS；TGFβ通過(guò)激活線粒體中的GSK3β和mTOR途徑，并抑制SOD和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPx）等抗氧化酶來(lái)增加ROS；NF-κB可以通過(guò)TNF調(diào)節(jié)的正反饋回路增加ROS的產(chǎn)生；c-Myc在AMPK和PRx-Romo1通路調(diào)節(jié)的幫助下，改變線粒體結(jié)構(gòu)和代謝來(lái)調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生；ROS水平可以通過(guò)β-adaptin/c-Myc途徑上調(diào)；Bcr-Abl激活PI3K/mTOR和STAT5通路，促進(jìn)線粒體 ROS 的產(chǎn)生增加。還有p53、p21和p16信號(hào)通路，可能參與細(xì)胞衰老調(diào)控的過(guò)程。在細(xì)胞的表觀遺傳機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，一些miRNA家族通過(guò)調(diào)節(jié)自噬過(guò)程，調(diào)節(jié)參與ATP和ROS產(chǎn)生的基因表達(dá)，并且在多個(gè)水平上控制細(xì)胞衰老，且部分miRNA可能會(huì)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，通過(guò)不同的途徑，如線粒體中線粒體DNA的直接損傷、TERT的協(xié)同作用、ROS介導(dǎo)的p53激活抑制自噬、miR-210和miR-494通路，最終導(dǎo)致線粒體功能障礙，誘發(fā)細(xì)胞凋亡。

2興奮性毒性

2.1 谷氨酸釋放過(guò)多及Ca2+超載

腦缺血發(fā)生后，缺血缺氧缺糖引起ATP迅速耗竭，導(dǎo)致Na+-K+-ATP酶的功能受損，Na+內(nèi)流和K+外流失控，膜電位和血漿滲透壓崩潰，H2O和Ca2+過(guò)量?jī)?nèi)流至細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞膜去極化。Ca2+超載會(huì)激活蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶和核酸內(nèi)切酶，進(jìn)而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。過(guò)高的Ca2+濃度可引發(fā)亞硝化和氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過(guò)氧化和線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)Na+的積聚和離子穩(wěn)態(tài)被破壞也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞腫脹和微管損傷。離子穩(wěn)態(tài)破壞，膜去極化，Ca2+依賴性谷氨酸從神經(jīng)遞質(zhì)池中釋放。由于周圍膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的再攝取，谷氨酸濃度迅速下降，但是持續(xù)的缺血缺氧使神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞能量衰竭，谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)減少或障礙，谷氨酸濃度再次增加[6]。大量谷氨酸經(jīng)過(guò)突觸后與離子異性受體結(jié)合，這些受體主要存在于樹突棘中，也存在于突觸周圍區(qū)域。即谷氨酸由突觸前側(cè)的神經(jīng)元釋放，經(jīng)突觸后作用于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)谷氨酸受體[α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPAR）；N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）；紅藻氨酸受體（KAR）]。谷氨酸和AMPAR、NMDAR、KAR結(jié)合，受體操縱式鈣通道打開(kāi)，鈣離子進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，除了激活離子型通道，谷氨酸也能激活突觸后膜與G蛋白偶聯(lián)的代謝性谷氨酸受體（mGluR）。該受體分三組，主要是I組代謝受體，包括mGluR1和mGluR5。該受體的激活可導(dǎo)致Ca2+通過(guò)間接離子通道打開(kāi)和/或通過(guò)第二信使信號(hào)系統(tǒng)流入神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)。概括而言，大量谷氨酸通過(guò)突觸間隙到達(dá)突觸后膜，激活離子型受體和代謝性受體；受體激活后，大量鈣離子內(nèi)流，突觸后神經(jīng)元細(xì)胞膜反極化，神經(jīng)元產(chǎn)生持續(xù)性興奮，最后導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡。

2.2 谷氨酸攝取不足

釋放的谷氨酸可能彌漫出突觸間隙，激活遠(yuǎn)處受體。而細(xì)胞外的谷氨酸被星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中存在的興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（EAATs）去除，EAATs的缺失或者功能改變致使谷氨酸攝取減少，ETTAs對(duì)于缺血后的腦組織具有保護(hù)作用。相關(guān)研究證明，如安吉拉團(tuán)隊(duì)通過(guò)30 min缺血誘導(dǎo)EAAC1-/-小鼠，創(chuàng)建腦缺血模型，3 d后提取的病理切片表現(xiàn)出略大的梗死體積和更嚴(yán)重的神經(jīng)元死亡。研究明確，EAAC1-/-小鼠表現(xiàn)出硫醇含量降低，神經(jīng)元鋅穩(wěn)態(tài)受損，缺血再灌注后氧化應(yīng)激增加。此外研究發(fā)現(xiàn)，遺傳可決定興奮性毒性損傷的程度，在EAAT2谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)了一種新穎且高度普遍的多態(tài)性，與較高維持的血漿谷氨酸濃度以及急性半球卒中患者神經(jīng)系統(tǒng)惡化的頻率較高有關(guān)，可假設(shè)興奮性毒性損傷的大小可以通過(guò)遺傳決定[7]。

3炎癥反應(yīng)

3.1 炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致血腦屏障的破壞

血腦屏障（BBB）由多細(xì)胞系統(tǒng)組成，也被稱為神經(jīng)血管單位（NVU），包括周細(xì)胞、血管周圍成纖維細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、基底膜、血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元，并且血管內(nèi)皮細(xì)胞之間緊密連接（TJ），共同在血液和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間形成屏障，可以阻止許多大分子，如白蛋白、凝血酶原和纖溶酶原等血漿蛋白，以及谷氨酸等損害神經(jīng)組織。腦缺血時(shí)激活免疫系統(tǒng)，外周免疫細(xì)胞向受損腦組織的滲透引發(fā)了多種炎性細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生，進(jìn)而在缺血性中風(fēng)發(fā)作后的亞急性期和慢性期引發(fā)并促進(jìn)持續(xù)的炎癥。當(dāng)大量腦細(xì)胞因嚴(yán)重缺血而死亡時(shí)，滲透性免疫細(xì)胞如小膠質(zhì)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等激活，神經(jīng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、血腦屏障破壞、腦水腫和出血性轉(zhuǎn)化，但是在缺血后期，這些途徑促進(jìn)組織修復(fù)和功能恢復(fù)，最后炎癥因炎癥介質(zhì)被清除而消退。

3.2 免疫細(xì)胞的激活及極化

腦缺血和組織損傷時(shí)，神經(jīng)元缺氧-葡萄糖剝奪（OGD），損傷相關(guān)分子模式分子（DAMP）啟動(dòng)免疫。在腦梗死的急性期，缺血性損傷導(dǎo)致HMGB1、S100蛋白、DNA、RNA、ATP和熱休克蛋白等DAMP的釋放，隨后激活Toll樣受體（TLRs）啟動(dòng)快速的先天免疫反應(yīng)。小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化和外周免疫細(xì)胞的激活，通過(guò)不同信號(hào)通路介導(dǎo)炎性細(xì)胞因子釋放，促進(jìn)BBB破壞以及神經(jīng)元死亡。這里主要介紹小膠質(zhì)細(xì)胞和中性粒細(xì)胞。

3.2.1 小膠質(zhì)細(xì)胞

發(fā)生腦缺血后，小膠質(zhì)細(xì)胞首先被激活，且極化為M1表型或M2表型。M2型發(fā)揮抗炎作用并促進(jìn)梗死后恢復(fù)，而M1型發(fā)揮促炎作用并加重繼發(fā)性腦損傷。M1型通過(guò)TLR4/NF-κB/TNF-α、JAK/STAT、Nrf2、S1PRs、TXa2R、Hv1/NOx/ROS等通路被激活，進(jìn)而釋放促炎細(xì)胞因子，如TNF-α、NO、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）和白細(xì)胞介素家族中的IL-1β、IL-6、IL-18，最后導(dǎo)致繼發(fā)性腦損傷。

3.2.2 中性粒細(xì)胞

腦缺血后，死亡的神經(jīng)元釋放DAMP，激活靜息的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，活化的腦膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生趨化因子，隨后激活血小板和血管內(nèi)皮細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞的激活和黏附分子在管腔血管壁上的呈現(xiàn)，導(dǎo)致趨化因子驅(qū)動(dòng)的血細(xì)胞滲透，即誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞等白細(xì)胞向缺血區(qū)域聚集，并滲透進(jìn)入缺血組織。同時(shí)，DAMP的參與使中性粒細(xì)胞釋放蛋白酶、促炎性因子和ROS，可通過(guò)多途徑致腦組織損傷。參與這個(gè)過(guò)程的各種炎癥介質(zhì)包括去甲腎上腺素、髓過(guò)氧化物酶（MPO）、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）、金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMP）、干擾素（IFN）、IL、TLR、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（NLR）家族含嘧啶結(jié)構(gòu)域3 （NLRP3）、NET相關(guān)肽基精氨酸脫亞胺酶4型（PAD4）、B細(xì)胞活化因子（BAFF）、淋巴毒素等。在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中性粒細(xì)胞可以極化為N1型和N2型，N1型通過(guò)脂多糖（LPS）+干擾素（IFNg）誘導(dǎo)，N2型通過(guò)IL-4誘導(dǎo)。與N2型相比，N1型中性粒細(xì)胞表現(xiàn)出炎性細(xì)胞因子/趨化因子的產(chǎn)生增加，ROS和NO水平升高，氧化爆發(fā)增強(qiáng)，蛋白質(zhì)和基質(zhì)降解酶的活性增加，以及趨化反應(yīng)增強(qiáng)。N2型顯示CD206、Ym1和Arg1的表達(dá)增加。ERK1/2和p65磷酸化是N1極化通路。N1型參與促炎，N2型參與抗炎。

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