亞低溫腦保護(hù)作用機(jī)制的研究進(jìn)展(精)

1、亞低溫腦保護(hù)作用機(jī)制的研究進(jìn)展薄立軍 曹瑞旗 董振明作者單位：050000石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院麻醉科目前國際上將低溫分為輕度（3335）C、中度（2832）C、深度（1727）C、超低溫（16C以下）4 種。低溫的腦保護(hù)作用在古代已經(jīng)被人們所 認(rèn)知。20 世紀(jì) 50 年代，人們已將深低溫（體溫降至 28C以下）應(yīng)用于心血 管手術(shù)當(dāng)中以保護(hù)腦和其他重要器官。由于32C以下低溫可能引起低血壓和心律失常等并發(fā)癥。 Ames 等研究發(fā)現(xiàn)：亞低溫（直腸溫度 3335C）狀態(tài)人體所有器官都可以保持正常狀態(tài) ,且無并發(fā)癥 , 因而亞低溫腦保護(hù) 已被廣泛地應(yīng)用于臨床。20 世紀(jì) 90 年代以來,臨床

2、應(yīng)用結(jié)果表明亞低溫治療重型顱腦創(chuàng)傷 ,具 有良好效果 ,不產(chǎn)生嚴(yán)重并發(fā)癥。目前國內(nèi)外有些醫(yī)院已將亞低溫治療列 為重型顱腦創(chuàng)傷患者的治療常規(guī) , 同時也開展了亞低溫治療腦缺血和腦出 血等的實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用研究。 本文就亞低溫腦保護(hù)的機(jī)制研究現(xiàn)狀做以綜 述。1. 抑制氧代謝率，維持腦血流量 , 平衡能量供求亞低溫能夠降低腦的氧代謝率。 溫度與腦的氧代謝率下降接近線性關(guān) 系，即溫度每下降 1C,腦的氧代謝率約降低 5%7%而低溫的腦保護(hù)作 用結(jié)果不能完全用這線性關(guān)系來解釋。 如降低腦的氧代謝率， 其腦保護(hù)作 用較降低腦氧代謝率增加 1930 倍。Marion 等的臨床研究表明,3233C亞低溫治療能使

3、重型顱腦創(chuàng)傷患者的腦氧代謝率較常規(guī)組明顯下降 , 可明 顯促進(jìn) GCS5 7 分的重型顱腦創(chuàng)傷患者神經(jīng)功能恢復(fù)和改善預(yù)后 , 生存 率明顯提高。只達(dá)石等報道了對大宗病例的重型顱腦創(chuàng)傷患者進(jìn)行亞低溫 治療研究結(jié)果 , 充分說明了亞低溫治療可以改善重型顱腦創(chuàng)傷患者急性期 的腦氧代謝 , 并且可有效改善預(yù)后 ,提高生存質(zhì)量。 有報道 認(rèn)為在大鼠腦 缺血早期低溫較正常溫度使局部腦葡萄糖利用率減少了45%，低溫也能減輕大鼠腦缺血所導(dǎo)致的腦的異常代謝和 pH 的改變，從而達(dá)到維持能量供 求，保護(hù)腦的作用。腦的能量代謝具有特殊性 , 如對氧的需求量大、僅靠血液轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖 供能、無糖原及 ATP 的儲備等。亞

4、低溫有降低腦氧代謝，減少能量消耗，維持腦能量供需平衡的作用2 抑制乙酰膽堿、 兒茶酚胺以及興奮性氨基酸等內(nèi)源性有害因子的 釋放近些年來大量實(shí)驗(yàn)研究表明 , 亞低溫能有效地抑制腦缺血后內(nèi)源性毒 性產(chǎn)物的產(chǎn)生和釋放 , 從而有效的減輕繼發(fā)性損傷。許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病如 卒中、腦創(chuàng)傷、 AIDS 、癡呆等存在興奮性氨基酸的過度釋放及 （或） 清除 減少的情況。谷氨酸（ EAA ）是大腦中的一種興奮性氨基酸。目前認(rèn)為 , 谷氨酸的過度釋放是缺血性神經(jīng)元損傷的主要原因之一。腦缺血時 EAA 可能通過與神經(jīng)細(xì)胞胞體和樹突上的 N 甲基-D-天門冬氨基酸（NMDA 受體 或非 NMDA5 體結(jié)合引起兩種病理過程

5、：一是引起大量的 Na+、Cl-、H20 進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，出現(xiàn)神經(jīng)元性水腫；二是出現(xiàn)遲發(fā)性損害，大量 Ca2+內(nèi)流,使 細(xì)胞內(nèi) Ca2+超載，激活一系列依賴于 Ca2+的酶系統(tǒng)如磷脂酶和蛋白酶，消耗 ATP 和破壞氧化磷酸化 ,使能量代謝發(fā)生障礙 ,影響蛋白質(zhì)合成；產(chǎn) 生自由基,攻擊細(xì)胞膜,破壞細(xì)胞骨架蛋白、 DNA 等,使神經(jīng)元發(fā)生潰變和 壞死。亞低溫可明顯降低腦缺血細(xì)胞外液中EAA 和抑性氨基酸（IAA）含量升高，有助于恢復(fù) EAA 和 IAA 之間的平衡，減輕由 EAA 和 IAA 介導(dǎo)的 神經(jīng)損傷。 20 世紀(jì) 80 年代以來 , 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用微透析技術(shù)對腦組 織的病理生理變化做了大

6、量的動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究 ,近年又有很多學(xué)者開 始將此技術(shù)應(yīng)用于亞低溫治療的實(shí)驗(yàn)研究中 , 并取得了初步進(jìn)展。 Winfree 等利用微透析技術(shù)測定了動物發(fā)生腦梗死前20min 、梗死后 80min 及120min 后缺血半暗帶（ischemic penumbra,IP 谷氨酸水平，常溫組分別為 （1.14士 0.40）卩 mol/ml、（10.1 士 1.45）卩 mol/ml 和（5.722 士 1.67）卩 mol/ml;33C低溫組梗死前為 （1.73 士 0.83） 卩 mol/ml,腦缺血后 30min 即 穩(wěn)定于 （3.47士 1.37）卩 mol/ml,證實(shí)亞低溫能明顯地抑制谷氨

7、酸的釋放。 亞低溫可能通過以下兩種途徑減少 EAA 的釋放：一是延遲 EAA 開始釋放 的時間；二是降低EAA 釋放的速度,從而減少缺血及再灌流早期 EAA 含 量的增加。臨床上對腦梗死患者在接受亞低溫治療前后腦組織內(nèi)興奮性氨 基酸的測定也有類似發(fā)現(xiàn) ,即低溫能明顯降低缺血早期的谷氨酸、甘氨酸 和丙酮酸水平 , 并且對健側(cè)腦的上述氨基酸水平也有降低趨勢。3 亞低溫抑制腦神經(jīng)元凋亡神經(jīng)元凋亡是由各種凋亡刺激信號始動 ,受細(xì)胞內(nèi)源性基因 ,酶類和 信號傳導(dǎo)途徑等調(diào)控的瀑布式激活過程。有研究顯示 Bcl-2 、 Bax 及 Caspase-3 基因參與了創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)后神經(jīng)細(xì)胞凋亡的調(diào)控，B

8、cl-2 是抗凋亡基因，Bax和 Caspase-3 是促凋亡基因，Bcl-2/Bax 表達(dá)比例下調(diào)可 誘發(fā)細(xì)胞凋亡,Caspase-3 表達(dá)上調(diào)可促使細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征形成。Zhang 等利用短暫性全腦缺血模型，也發(fā)現(xiàn)亞低溫(33C)可以減輕神經(jīng)元 凋亡，促進(jìn) Bcl-2 的表達(dá)。Caspase-3 是凋亡過程中最重要的蛋白酶，是多 種死亡受體介導(dǎo)凋亡途徑的共同下游效應(yīng)部分，是細(xì)胞凋亡蛋白酶級聯(lián)反 應(yīng)的必經(jīng)之路。張艷等12認(rèn)為亞低溫可以抑制 caspase-啲活性，促進(jìn) Bcl-2 的表達(dá)，抑制 Bax的表達(dá)和 CytC 的釋放，通過減少腦缺血后神經(jīng)元的凋亡 從而達(dá)到腦保護(hù)作用。Phani

9、thi 等應(yīng)用大鼠 MCAO 模型發(fā)現(xiàn)全身亞低溫 (33 C)可以使 caspase3 表達(dá)下降，而且 caspase3 水平與凋亡陽性細(xì)胞數(shù) 呈正相關(guān)。 Takasu 等認(rèn)為亞低溫能顯著降低狗腦梗塞模型血漿內(nèi)皮素 -1 的濃度 , 有助于改善腦部微循環(huán) ,從而保護(hù)缺血神經(jīng)元。 郭曲練等研究發(fā)現(xiàn) 再灌注后實(shí)施亞低溫能有效地降低腦組織丙二醛的含量而超氧化物歧化 酶活性增加 , 減輕腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的破壞 , 從而保護(hù)腦缺血再灌注后腦細(xì)胞 的功能有利于腦復(fù)蘇。亞低溫通過影響凋亡生化途徑中的相關(guān)因子 , 對實(shí) 驗(yàn)性腦缺血具有神經(jīng)保護(hù)作用。 亞低溫抑制神經(jīng)元的凋亡， 可能還與亞低 溫狀態(tài)下降低了神經(jīng)元代謝

10、，抑制核轉(zhuǎn)錄因子NF-KB易位。4抑制氧自由基的產(chǎn)生 , 促進(jìn)自由基的清除體內(nèi)危害性較大的自由基有活性氧自由基和脂類過氧化物。 腦缺血時 由于 ATP 減少，膜泵功能障礙,Ca2+依賴性蛋白水解酶使黃嘌呤脫氫酶 (XD)大量轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤氧化酶(Xanthine Oxide,XO),同時 ATP 不能用來 釋放能量 , 而且還依次降解為 ADP、AMP 和次黃嘌呤 , 結(jié)果黃嘌呤大量堆 積。再灌注時 , 大量分子氧隨血進(jìn)入缺血組織 , 此時大量增加的 XO 在催化 次黃嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤 , 進(jìn)而催化黃嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩岬膬刹椒磻?yīng)中 , 都同 時以分子氧為電子接收體，從而產(chǎn)生大量的 0-2 和 H2O

11、2,后者再在金屬離 子參與下形成 HO。因此,腦缺血再灌注時腦組織內(nèi) O-2等氧自由基大量增 加。氧自由基廣泛攻擊富含不飽和脂肪酸的神經(jīng)元膜和血管 ,引起脂質(zhì)過 氧化瀑布反應(yīng) , 蛋白質(zhì)則發(fā)生變性失活 ,NA多核苷酸主鏈斷裂 , 堿基發(fā)生 修飾, 使細(xì)胞的完整性和結(jié)構(gòu)破壞 , 膜的通透性、離子轉(zhuǎn)運(yùn)、膜屏障功能及 生物功能均受影響 , 從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。 腦缺血缺氧時 , 自由基的清除系統(tǒng) 受到破壞 , 再灌注開始后自由基急劇大量增加。自由基使血管內(nèi)皮細(xì)胞腫 脹, 腦血流進(jìn)入延遲性低灌注期 , 出現(xiàn)無再流現(xiàn)象。然而再灌注后實(shí)施亞低 溫能有效地降低腦組織丙二醛的含量 ,而超氧化物歧化酶活性增加 ,

12、 減輕 腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的破壞 ,從而保護(hù)腦缺血再灌注后腦細(xì)胞的功能 , 有利于腦 復(fù)蘇。減少腦缺血后紋狀體內(nèi)羥自由基的產(chǎn)生 , 使其與水楊酸反應(yīng)生成的 2,3 二羥安息香酸(2,3 DHBA)明顯減少。Maier 等研究發(fā)現(xiàn)，亞低溫可以 抑制腦缺血半暗帶和對側(cè)相應(yīng)區(qū)域超氧陰離子 O-2 的產(chǎn)生 , 但對超氧化物 歧化酶(SOD)的表達(dá)無影響。由此可見，亞低溫可以抑制氧自由基的產(chǎn)生，而并不增加氧自由基的清除。 5抑制一氧化氮合酶的合成和一氧化氮合酶的生成一氧化氮合酶(Nitric Oxide Synthase,NOS 催化左旋精氨酸與氧分子 生成一氧化氮。 NOS 有 3 個亞型:神經(jīng)元型 NOS

13、(neuronal NO synthase, nNOS) 、誘導(dǎo) 型 NOS(inducible NO synthase, NOS) 和 內(nèi) 皮 細(xì) 胞型 NOS(endothelialNO synthase,eNOS)。 nNOS 和 eNOS 又統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型 NOS(constitutive NOsynthase, cNOS), 兩者在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中依賴細(xì)胞內(nèi) 鈣離子的增加而生成少量的 NO, 可調(diào)節(jié)突觸的可塑性和神經(jīng)信號的傳導(dǎo) , 維持腦血流、抗血小板集聚以及白細(xì)胞粘附 , 對神經(jīng)細(xì)胞具有保護(hù)作用； 而 iNOS 在生理情況下并不表達(dá) , 但在病理情況下 iNOS 的激活能產(chǎn)生大 量的

14、NO。由 iNOS 產(chǎn)生的 NO 在介導(dǎo)興奮性毒性作用、自由基形成及神 經(jīng)細(xì)胞凋亡中具有重要作用 , 它參與了繼發(fā)性腦損傷。 在一些腦缺血和腦 外傷的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，iNOS 源性 NO 是繼發(fā)性腦損傷潛在介導(dǎo)因素。目前 腦外傷后 iNOS 大量表達(dá)的機(jī)制不太清楚 , 認(rèn)為可能與以下有關(guān) : 腦外 傷后由于炎性源性因子的產(chǎn)生 , 導(dǎo)致傷灶星形細(xì)胞和巨噬細(xì)胞內(nèi) iNOS 大 量表達(dá)。外傷后由于蛛網(wǎng)膜下腔出血，紅細(xì)胞溶解后，來自高鐵血紅蛋白 的血紅素刺激血管平滑肌細(xì)胞表達(dá) iNOS。調(diào)節(jié)腦外傷后 NOS 的活性,早 期維持cNOS生生理量NO,晚期抑制 iNOS表達(dá)過量的 NO,是局灶亞低溫腦保護(hù)作

15、用的可能機(jī)制之一。有學(xué)者采用微熒光測定法測定神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度 , 并觀察不 同溫度對缺氧后腦片神經(jīng)元內(nèi)鈣離子濃度的影響 , 結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞低溫能顯著 抑制缺氧所造成的神經(jīng)元鈣離子內(nèi)流 , 降低神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度。腦缺 血早期大量興奮性氨基酸谷氨酸產(chǎn)生 , 與神經(jīng)元胞膜上 NMDA 受體結(jié)合 , 使胞內(nèi) Ca2+增加,激活 Ca2+依賴性 nNOS 活性。亞低溫能顯著減少腦損 傷后腦組織一氧化氮的含量 , 從而發(fā)揮對腦神經(jīng)元的保護(hù)作用。缺血再灌 注后 NO 生成增多 , 而亞低溫可減輕 NO 的急劇升高的神經(jīng)毒性作用，同 時抑制再灌注后 NC 生成。6. 抑制即刻早期基因的表達(dá)即刻早期基因（i

16、mmediate-early genes,IEGS 是一類可被第二信使誘導(dǎo) 的原癌基因 , 具有把短時程作用的細(xì)胞外信號和細(xì)胞功能的長時程改變偶 聯(lián)起來的效應(yīng)。 IEGs 包括 c-fos、c-jun、c-myc 和 eyr 家族等。參與激活 神經(jīng)元死亡基因之一 的 c-fos 對缺血缺氧引起的營養(yǎng)支持的匱乏這樣一 個外部信號起反應(yīng) , 即表達(dá)增加。這將引起連鎖的分子事件 , 包括殺手蛋白 的合成及誘導(dǎo)對細(xì)胞存活至關(guān)重要的細(xì)胞內(nèi)看家蛋白的丟失 ,這兩種蛋白 均可導(dǎo)致神經(jīng)元變性及死亡。同時,c-fos 能抑制使細(xì)胞維持生存的一些基 因的表達(dá),維持著隨后的細(xì)胞死亡過程并維持很長時間。c-fos 是

17、直接原癌 基因，他編譯出的蛋白 c-Fos 和Jun 蛋白系列 c-Fos 作為 AP-1 的成分，它 通過抗增值而參與了細(xì)胞的調(diào)亡。有研究表明腦缺血后腦組織FOS 表達(dá)明顯的增加。再灌流以后，隨著再灌流的進(jìn)行，F(xiàn)OS 表達(dá)不斷的增加，到再 灌流 4d，F(xiàn)OS 表達(dá)仍高于缺血前的水平。Kamme 等認(rèn)為低溫能增強(qiáng)某些 即早基因如 c-fos、c-jun 等的表達(dá)，而即早期基因能調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成，發(fā) 揮腦保護(hù)作用。 亞低溫能防止再灌注損傷對蛋白合成環(huán)節(jié)的抑制， 也可能 是促使 bcl-2 表達(dá)升高的原因之一。7 抑制炎癥級聯(lián)反應(yīng)有研究表明 , 腦缺血后腦組織局部過度的炎癥反應(yīng)是造成腦缺血性損 傷的

18、主要原因之一 , 炎癥細(xì)胞因子的參與是急性腦損傷后的繼發(fā)性炎癥反 應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。IL-1BmRNA 的表達(dá)均明顯增加，并在神經(jīng)組織損傷的病 理過程中起重要作用,TNF-a和 IL-1B等炎癥遞質(zhì)可激活局部血管內(nèi)皮 細(xì)胞和白細(xì)胞 ,誘導(dǎo)細(xì)胞表面粘附分子數(shù)量及功能明顯上調(diào) , 造成白細(xì)胞 與內(nèi)皮細(xì)胞大量牢固的粘附 , 導(dǎo)致微血管阻塞 ,從而加重腦組織的損傷。 正 常情況下 , 中性粒細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞表面黏附分子表達(dá)的量較少 , 但腦缺血 后的再灌流導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，尤其是 TNF-a和 IL-1B,刺激補(bǔ)體 的聯(lián)級降解而累及局部的內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和血管周細(xì)胞 , 引起細(xì)胞黏附分子

19、表達(dá)的上調(diào)和免疫反應(yīng)中各組分表達(dá)的改變。 動物實(shí)驗(yàn) 和臨床觀察揭示，壓低溫能顯著抑制炎癥細(xì)胞在缺血區(qū)血管內(nèi)聚集和粘 附，以及隨后在缺血區(qū)腦實(shí)質(zhì)內(nèi)浸潤， 尤其是在缺血周邊區(qū)的浸潤， 從而 阻斷炎癥級聯(lián)反應(yīng)期到腦保護(hù)作用。 Deng 等用大鼠制成大腦中動脈栓塞 模型，同對照組相比，缺血 1d 后，缺血期亞低溫組 ICMA -1降低 51%, 缺血 3d 后，ICMA-1 減少 91%認(rèn)為亞低溫能抑制 ICMA-1 過度表達(dá)，抑 制炎性因子的產(chǎn)生。 因此 Deng 認(rèn)為亞低溫能明顯抑制腦缺血再灌注后的 白細(xì)胞聚集和炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生 , 是亞低溫發(fā)揮腦保護(hù)作用的一種重要 機(jī)制。8.調(diào)節(jié)損傷后鈣調(diào)蛋白激酶H和蛋白激酶的活性腦缺血/再灌時，由于谷氨酸的釋放，并與 NMD 度體結(jié)合，使胞漿內(nèi) Ca2+增多和 PLC 激活，胞漿內(nèi)鈣增多可以激活 PLA2 和 PLD，PLA2 可 以水解磷脂生成不飽和脂肪酸(如亞麻酸， 油酸，花生四烯酸， 二十碳六 烯酸)，這些不飽和脂肪酸可以在鈣濃度很低的條件下激活PKC。此外PLA2水解磷脂生成血性脂酰膽堿也可以參與 PKC 的激活.PLD 可以水 解脂酰膽堿生成磷脂酸，磷脂酸在磷脂酸水解酶的作用下生成DG。此外PLD 水解磷脂酰膽堿還可以生成磷脂酰肌醇也參與了 PKC 的激活。在缺 血條件下， 激活的 PKC 又可以激活 PL