脑缺血损伤的病理生理机制
来源：岁月联盟
时间：2010-07-12
【关键词】脑缺血；病理生理
高血压引起的脑小动脉硬化，高血脂引起的颈动脉和脑内动脉粥样硬化，高血糖引起的脑的微循环障碍，都可造成脑供血不足，导致脑缺血的发生与发展，使脑产生不同程度的病理损伤，使认知功能下降，痴呆产生。缺血性脑血管病一直是临床和基础研究的重要课题，多年来人们对脑缺血的病理生理进行了深入研究，并提出了多种学说为解释脑缺血机制奠定了基础。
1.脑组织病改变
脑缺血组织病理学的改变包括皮质萎缩、皮质和海马神经元变性、白质疏松、胶质细胞增生和毛细血管床的改变等。NiJW等[1]报道，双侧颈总动脉永久性结扎(2-vessel occlusion，2VO)后1个月，除部分大鼠皮质和纹状体有一些小梗死灶外，皮质和海马并无大体结构和光镜下神经元脱失改变；4个月时，可见海马 CAI区神经元变性，伴胶质细胞活化；7个月后，可观察到明显的神经元脱失和广泛的变性和皮质萎缩。有报道认为[2]，神经元的脱失与细胞凋亡有关，白质的变化包括小胶质细胞和星形细胞增生活化，少突胶质细胞减少和白质疏松等。Bennett SA 等[3]用 Western印迹法观察到，永久性结扎大鼠双侧颈总动脉，术后25周，皮质和海马AB物质沉积增加，且与淀粉样前体蛋白(APP)由神经元向胞外转移有关，说明在无其他致病因子存在时，慢性脑缺血本身即可引发APP裂解成AB片段，导致细胞外淀粉样蛋白沉积，从而产生一些类似老年性痴呆(Alzheimer disease,AD)的病理改变。
2. 与脑内免疫反应的关系
刘之荣等[4]研究了2VO模型对脑内免疫细胞活动的影响，结果表明，2个月缺血区内，小胶质细胞被广泛活化，形态多异，白细胞和T细胞大量入侵缺血区脑实质。这些细胞的活动以皮层明显；海马和白质次之；在血管周围和梗死区显著；在缺血区半暗带，这些细胞高度集聚，说明这些细胞的活动与慢性脑灌注不足致脑损害高度相关。李露斯等 [5]观察，2VO术后1个月，皮层、海马和白质有白细胞和T细胞的浸润；2～4月，浸润的白细胞和T细胞减少，认为慢性脑灌注不足，引起免疫细胞的活动，从而促进认知功能障碍的发生发展。
3. 脑缺血后基因表达[6]
灌注梯度不仅决定半暗带，还决定脑缺血后基因表达的方式，即灌注水平不同。基因表达的方式也不一样。分析原位杂交放射自显影法检测到的基因表达、放射自显影法LCBF及组织梗死三者之间的关系显示，缺血的程度决定基因表达 的时间、空间分布运用DNA微对列技术，筛查了缺血后数千基因的表达方式。MCAO 2h，再灌注3h后，有两大类基因表达：已知受缺血缺氧调节的基因和最近认为可能与缺血缺氧有关的基因缺血缺氧反应性基因中，有28种表达上调，6种下调，包括有即早期基因、热体克蛋白(heat shock proteins．HSP)、抗氧化酶、营养因子及介导RNA代谢、炎症、细胞信号的基因。新的缺氧缺血相关基因中，有35种表达上调，41种下调。这些研究结果提示缺血的生物学的复杂性，并为今后摸索新的缺血机制提供依据。
4.能量耗竭、酸中毒
脑缺血后，最先发生的改变就是脑血流减少和能量衰竭。在缺血、缺氧状态下，线粒体的能量代谢转为无氧代谢，所需能量几乎全靠葡萄糖的无氧酵解来生成，其最终产物是乳酸。无氧酵解产生的能量远低于有氧氧化，其生成ATP的效率仅为正常的 1/18[7]。
5.兴奋性氨基酸毒性作用
脑缺血引起中枢神经系统兴奋性氨基酸(EAA)，特别是谷氨酸(Glu)大量释放、重摄取受阻，以至于突触后膜 EAA受体的过度激活，构成神经元损伤的重要原因，被称为“兴奋毒性”学说。Osuga等[8]实验证实:脑缺血时，GLU释放浓度与缺血时问呈正相关；即缺血时间愈长，其GLU释放浓度愈增加。
6. 细胞内钙离子超载
脑缺血性损伤与 Ca2+信号转导异常导致胞浆Ca2+浓度升高有密切关系。近年来的脑缺血损害的病理生理研究发现，神经细胞的胞外 Ca2+内流增加可引发细胞变性,最后导致死亡；兴奋性氨基酸及多种神经毒索引起神经细胞变性死亡，总是伴随胞浆Ca2+超负荷现象，故认为细胞 Ca2+信号转导异常是神经元变性的“最后共同通道”[9]。
7.氧自由基损伤
正常情况下体内产生少量自由基属生理范围，体内同时存在着超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶等，可清除这些对细胞有毒性作用的自由基。体内自由基的产生和消除处于动态平衡状态，当急性脑梗死时，由于缺血造成氧供应下降和ATP减少，使脑细胞正常代谢途径受到破坏，上述动态平衡状态遭到破坏，使得氧自由基积聚蓄积而造成脑损伤。自由基诱导的损害可概括为作用于多不饱和脂肪酸(Po ly masatusated fatly acid。PUFA)，发生过氧化反应，促使多糖分子聚合和解聚，诱导DNA、RNA蛋白质的交联和氧化反应，故脑缺血损伤是以选择性减少为特征，以生物膜脂质过氧化为标志[10]。
8. 炎症细胞因子损害
脑缺血后，受损的脑细胞产生大量血小板激活因子、肿瘤坏死因子α、白介素1等炎性介质，诱导内皮细胞表面粘附分子表达、粘附分子和中性粒细胞表面的补体受体反应，中性粒细胞与内皮细胞粘附，穿过血管壁进入脑实质，5-7天后巨噬细胞和单核细胞也到达缺血的脑组织[11]。越来越多的证据表明，缺血后的炎症导致缺血性脑损伤。采用如下4种措施能减少缺血性脑损伤：1)诱导系统中性白细胞减少；2)用抗体封闭粘附分子或其受体； 3)封闭关键性炎症因子如IL-1；4)编码干扰素调节因子1的基因缺失。 9.一氧化氮(NO)的作用
NO在脑缺血损害中所起的作用，一直是研究的重点。近来研究结果发现，NO具有神经保护和神经毒素双重作用。NO是以精氨酸为底物，在NOS催化下产生的。NOS同功酶有3种亚型，即nNOS、eNOS和iNOS。一般源于iNOS和raNOS 过度表达所形成的NO有神经毒性，而源于eN0s所产生的NO却有神经保护作用。Hara等研究表明，缺血与NMDA导致nN0S过度表达的nNOS在缺血和兴奋性神经毒性损伤早期起关键作用[12]。而在脑缺血后12h，则可检测到iNOS蛋白和催化活性，48h达高峰，7天左右恢复至基础水平。局灶性脑梗死模型中，缺血后24h应用iNOS抑制剂能显著缩小梗死面积[8]。Kinouchi等的研究，明确血管源性N0是通过舒张脑血管，增加缺血部位的血流来减轻缺血性脑损伤[13]。
10.细胞凋亡
在缺血中心周围半暗区的血流供应由于侧枝血管而未完全中断，处于一种电生理静止而能量尚未耗竭的状态，神经元在这种中度缺血状态并不立即死亡，可存活数小时，这期间如果及时再灌或使用Glu受体拮抗剂将逆转神经元的死亡。若脑缺血严重且持续时间长，则神经元表现为急性坏死，若缺血后很快恢复血供，则神经元的形态、功能虽无改变，但在某些易损区如海马，几天后将发生迟发性神经元死亡，这种死亡与半暗区神经元的死亡可能具有相同的机制。缺血脑损伤是缺血后坏死和延迟性细胞死亡的联合效应，可以想象，与缺血后急性坏死狭窄的时间窗相比，通过干预缺血几天后的延迟性细胞死亡对缺血脑损伤明显有利。
11.级联反应发生[14]
卒中时脑细胞为什么死亡?什么时间死亡?过去的经典认识是血供中止=无底物=无能量=细胞死亡，现在的认识是损伤级联反应(cascade of damage)。至少涉及 4个不同的机制：兴奋性毒性、梗死周围去极化、炎症和程序性细胞死亡（Programmed cell death PCD）。它们都由缺血引发一发生在4个不同时间点，但有重叠并互相联系。由于缺乏能量，谷氨酸从胞内释出，细胞外谷氨酸浓度很快增加。突触后的答氨酸过度激活受体，钙离子内流或从胞内的钙库释放，激活大量的酶引发信号级联反应。某些酶导致氧自由基产生，它本身也作为第二信使，损害细胞蛋白质、糖、脂肪酸等。细胞进一步去极化释放钾，细胞外钾引起去极化扩散即梗死周围去极化。氧自由基和其他信使激活炎性细胞因子和酶，导致小胶质细胞披激活产生炎症反应。炎症本身产生自由基，导致恶性循环。氧自由基损伤DNA，进而和其他机制最终导致细胞凋亡。级联反应发生 在缺血后的数秒至数周。
[1]Ni Jw，Matsumoto K，Li HB．et a1．Neuronal damage and decrease of central acetylcholine level following permanent occlusion of bilateral common carotid arteries in rat[J]．Brain Res.1995,673:290-296．
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[3]Bennett SA，Pappas BA，Stevens WD，et a1．Cleavage of amyloid precursor protein elicited by chronic cerebral hypoperfusion．Neurobiol Aging.2000,21:207-214．
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