脑出血继发脑水肿的病理机制研究

赵晓君， 吴晓光综述， 王建福审校



脑出血继发脑水肿的病理机制研究

赵晓君1， 吴晓光2综述， 王建福3审校

自发性脑出血是一种有着高发病率、死亡率和致残率的常见疾病，占脑卒中的15%～20%，每年影响着全世界约200万人，死亡率高达40%，其发病率随年龄的增加而增加[1～3]。但是由于目前对脑出血的机制并不完全清楚，并没有发现特别有效的治疗方案。而越来越多的研究表明，脑出血后的炎性机制、氧化应激、凝血酶、红细胞裂解产物等在继发性脑损害中发挥着重要的作用。脑出血后24 h内出现的水肿为由凝血酶、炎症等导致的细胞毒性水肿，24 h后出现的水肿为血脑屏障破坏导致的血管源性水肿[4]。为减轻脑出血后的二次损害对患者预后的影响，现对脑出血继发脑水肿的病理机制进行综述，为临床用药和科研提供参考依据。

1 炎性机制

研究表明，在脑出血后，星形胶质细胞的数量于1 d开始增加并在5～7 d达到高峰，中性粒细胞的数量在12 h后开始上升，3 d达到顶峰然后开始下降，而小胶质细胞(又称为脑巨噬细胞)数目在12 h后开始增加，并于1 d达到高峰。小胶质细胞最早被激活，释放一系列的有毒因素，包括细胞因子、 活性氧 (ROS)，环氧合酶-2、 蛋白酶、 血红素氧合酶-1 和前列腺素[1]。

1.1 肿瘤坏死因子(TNF-α) 脑出血后小胶质细胞激活和巨噬细胞浸润，使得血管通透性的增加，导致脑水肿的发生。TNF-α可以直接上调血管细胞p-选择素，导致白细胞浸润，加重炎症反应，同时在中枢神经系统微血管内皮细胞，TNF-α可以通过NF-κB压制claudin-5启动子活性，使 claudin-5表达下降。而claudin-5表达下降可能是BBB破坏和导致中枢神经系统炎症的一个潜在的分子机制。Lei等的研究表明，TNF-α 抗体 CNTO5048在小鼠模型中可以有效地减少神经炎症和改善神经功能[5]。TNF-α通过刺激肿瘤坏死因子受体 (TNFR1和TNFR2)，诱导其下游蛋白质TRADD，TRAF和RIP1的生物活性，导致炎症的发生[6，7]。TNFR1，介导大多数的TNF-α的炎性动作，在星形胶质细胞和微脉管组成中大量表达；TNFR2，只是刺激大脑，具有抗炎作用。TNFR1的激活可以增加血脑屏障的通透性，使中性粒细胞渗入大脑，诱导血管内皮细胞和星形胶质细胞中黏附分子、 细胞间粘附分子-1 和血管细胞黏附分子的表达，促进脑的炎症反应。Alexander等的研究结果表明，TNF-α/TNFR1 通路可以减轻细胞凋亡，减少中性粒细胞浸润、 星形胶质细胞反应和 LPS 诱导的脑水肿[7]。King等的研究表明TNF-α受体拮抗剂，R-7050可以有选择性地抑制与TNFR结合的分子，阻止TNF-α结合后的细胞应答，从而减轻脑出血后的炎症症状，减轻脑水肿的发生[6]。

1.2 基质金属蛋白酶-9(MMP-9) 临床研究表明在急性自发性脑出血患者的血清基质MMP-9、MMP-2水平升高，通过破坏基膜、激活血管内皮生长因子导致细胞凋亡，与后续血肿的扩展，血肿周围水肿，以及神经功能恶化密切相关[3，8]。其机制可能为脑出血后由MMP-9、基质金属蛋白酶抑制剂-1(TIMP-1)组成的酶原-抑制剂解离，随着MMP-9的不断增多，血脑屏障(BBB)通透性增加，导致脑水肿的发生[9]。抑制基质金属蛋白酶可降低脑出血后脑组织的损伤，但是基质金属蛋白酶对于神经髓鞘功能和轴突生长的调节具有重要作用[10]。而基质金属蛋白酶-9 的表达也同时受到NF-κ B的调控[11]。

1.3 NLRP3 炎症体 脑出血后NLRP3 小体通过释放白细胞介素-1β(IL-1β)促进中性粒细胞浸润扩大炎症反应。而NLRP3 小体活化的主要诱因为线粒体 ROS。NLRP3 小体表达谱，包括 NLRP3，半胱氨酸蛋白酶-1 和白介素-1β[2]。研究表明，脑出血动物模型中，NLRP1和NLRP3炎性体，以及IL-1β和IL-18的水平都明显升高[12]。NLRP3，半胱氨酸蛋白酶-1、IL-1β在脑出血后3 h开始增加，12 h达到顶点，并在72 h后恢复正常水平。这表明抑制NLRP3的表达，或可以减轻脑出血后的损伤，但是目前并没有NLRP3 特异性抑制剂或中和抗体，这也成为ICH患者干预治疗的一个靶点[10]。同时Zhou等人发现，在血肿周围组织中IL-1β 和IL-6 的水平明显增高，促进了炎性反应的发生[8]。

1.4 Tim-3 Tim-3是一种免疫调节分子，广泛存在于天然免疫细胞中，比如小胶质细胞，单核细胞、 肥大细胞、 树突状细胞。Tim-3在小胶质细胞中的表达可以诱导炎性细胞因子，如TNF-α和IL-1 β的产生，从而加重炎症和继发性脑损害。Tim-3和IL-1 β、TNF-α、脑组织含水量是呈正相关的。Tim-3不仅在小胶质细胞中表达，也可以调节他们的功能，抑制小胶质细胞的活化，但不会影响到星形胶质细胞和中性粒细胞。阻止Tim-3的表达，不仅可以降低TNF-α、 IL-1 β、脑组织含水量及小胶质细胞/巨噬细胞的数量，同时也改善神经系统的功能。但是Tim-3分子调节小胶质细胞的信号通路有待进一步研究[1]。

1.5 前列腺素 前列腺素介导的炎症机制也参与了脑出血后的继发性脑损害。前列腺素 E2 受体 1 (EP1R)受体激动剂可诱导脑水肿、 细胞死亡、 神经变性、 神经炎症和行为的缺陷，EP1R 主要是通过减少 Scr 酶磷酸化水平和MMP-9 的激活，从而减轻氧化应激和脑白质损伤起到保护大脑的作用[3]。

1.6 NF-κB 通路 NF-κB 通路在炎症过程和氧化应激中发挥着至关重要的作用。NF-κB已证实可以促进脑出血后血肿周围组织的损伤。NF-κB作为一个重要的转录调节因子，参与转录调控多个目标基因，例如TNF-α。激活的 NF-κB 促进TNF-α mRNA 转录，TNF-α反过来促进 NF-κB的活化，形成一个循环，导致炎症反应的持续扩大[8]。同时研究表明，通过抑制NF-κB可以显著减少NOX和NKCCI离子转运蛋白的活动程度，以及星形胶质细胞的肿胀，其机制考虑和自由基有关，NF-κB激活，氧化反应使得NKCCI磷酸化激活，从而导致脑水肿的发生[12]。

1.7 P2X7离子通道 P2X7 是 ATP 门控离子通道，包括Ca2+和 K+通道[13]，在脑出血后6 h，P2X7R 水平均明显升高，约 24 h 达高峰，随后逐渐下降，在 72 h 达到水平基线。并且实验证明，p2x7主要是从小胶质细胞产生，P2X7R 依赖于 NOX2、 iNOS ONOO-的形成来导致NLRP3炎症体的激活，ONOO-在体内分解催化FeTPPS，从而抑制ICH后NLRP3/ ASC/ caspase-1激活和IL-1β/ IL-18的产生和成熟，显著改善脑水肿及神经功能缺损。ONOO-作为P2X7R和NLRP3炎症体激活的关键桥梁，其机制可能为：(1)直接氧化线粒体和线粒体 DNA (mtDNA) 释放激活 NLRP3 小体；(2)硝化反应可以使硫氧还蛋白(TRX)灭活，从而激活 NLRP3。(3)ONOO-可能介导 K+外排，然后激活 NLRP3。同时Feng等人发现，BBG可通过抑制ICH后的P2X7R / NLRP3轴的炎症反应达到改善神经功能和减少脑水肿的发生[14]。

1.8 其他炎性因子 除此之外，还有其他炎性因子，如水通道蛋白AQPs，尤其是AQP-4在中枢神经系统分布最广泛，主要是促进水分子在脑组织间的物质运输，脑出血后AQP-4 表达增加，导致BBB的通透性增大，促进脑水肿的产生。Ca2+的超载也会导致大量自由基的产生，促进脑水肿的发生，同时脑血管的平滑肌和内皮细胞内 Ca2+增多，会导致血管痉挛，细胞收缩，间隙变大，BBB开放，从而产生血管源性水肿[15]。

2 氧化应激反应

氧化应激时机体对各种有害刺激作出反应，产生过量活性氧 (ROS)和活性氮(RNS)，自由基的出现与脑出血关系密切。活性氧(ROS)通过调节免疫系统杀死病原体，有利于维持身体的正常生理活动和防御。短期的氧化应激有防止老化的作用，但过度的氧化应激可导致细胞凋亡甚至坏死。脑出血后的血肿周围脑组织的氧化应激反应会导致脑神经细胞凋亡。活性氧可以诱导急性炎性细胞因子TNF-α 和IL-10 等直接表达，同时激活NF-κB，促进炎症反应的发生，同时促炎性细胞因子也可诱导产生 ROS，形成一个循环。氧化应激也可导致脑出血后MMP-9的增多。过氧氧化还原酶I(PRXI)和血红素加氧酶-1(HO-1)被认为是与血红素的氧化应激相关的蛋白，血红素抑制PRXI抗氧化活性。PRXI可通过Nrf2促进前列腺素 E2 和 D2 (PGE2 和 PGD2)的产生，从而抑制氧化应激的产生，起到保护脑细胞的作用。尽管PRXS在细胞内时有保护神经的作用，但是在细胞外则通过激活炎症通路参与脑部缺血-再灌注损伤[3]。

3 凝血酶

凝血酶在脑出血后即被激活，是血液凝固的必需物质。高浓度的凝血酶诱导神经元的损害，而低浓度的凝血酶通过抑制缺氧和氧化应激等反应对神经细胞有保护的作用。脑出血后ATP、 神经递质、 核酸等刺激作用于不同的小胶质细胞toll 样受体 (TLRs) 和晚期糖基化终产物受体，通过NF-κ B 通路激发炎症过程。除了TLRs，小胶质细胞也可以通过凝血酶经蛋白酶激活受体-1 (PAR-1) 和丝裂原活化蛋白激酶激活炎症通路[10]。凝血酶刺激小胶质细胞释放炎症细胞因子、TNF-α 和IL-1β。同时凝血酶可以直接打开血-脑屏障导致水肿，凝血酶的体外培养发现它可以增强 N-甲基-D-天冬氨酸受体功能并激活啮齿动物小胶质细胞分泌各种有毒物质，从而导致神经元和星形胶质细胞凋亡[16]。高表达 IL-1 受体拮抗剂能够降低凝血酶诱导的脑水肿，血脑屏障破裂和神经元的丢失[10]。同时，Liu等的研究表明，在脑出血后的早期注入水蛭素来抑制凝血酶，可以显著抑制小胶质细胞的活化和白细胞的浸润，CD34阳性微血管也可恢复到正常水平，表明凝血酶诱导的血脑屏障损害是可逆的，并且早期水蛭素应用可以减少血脑屏障损害。而在脑出血后24 h后加入水蛭素，虽然也可以抑制小胶质细胞的活化和白细胞的浸润，但是不能逆转血脑屏障的损害，为抗凝血酶药物在脑出血后阻断凝血酶的毒性的应用提供了理论依据[4]。

4 红细胞裂解产物

脑出血后红细胞裂解会释放出游离的血红素，铁离子，血红蛋白等物质。铁离子和血红蛋白，一直被认为和小胶质细胞活化、脑水肿、氧化应激等反应有关[17]。血红蛋白诱导的脑水肿的产生的原因包括：血脑屏障的破坏，大量血红蛋白渗入组织间隙导致水肿；血红蛋白裂解导致的铁离子和血红素等诱导自由基的产生，促进水肿的形成[18]。而研究表明血红素通过Toll 样受体 4 (TLR4)加强ICH后小胶质细胞的活化，进而通过的MyD88/ TRIF(MyD88：髓系分化蛋白)信号通路诱导NF-κB的激活，并最终提高细胞因子的表达和炎性损伤。TLR4在神经系统中主要是在小胶质细胞，星形胶质细胞及神经元中表达，并能与血红素结合，从而TNF-α 分泌[19]。

游离胆红素(UBR)是血红素分解代谢的产物之一，可以增加血肿周围中性粒细胞浸润和脑出血后脑水肿，体外研究表明UBR 可以诱导星形胶质细胞和小胶质细胞产生IL-1β和TNF-α，低浓度的UBR可以通过蛋白激酶C(PKC)促进炎症反应，高浓度UBR则可以抑制某些功能。在体内，高浓度UBR可以通过直接清除活性氧或通过改变信号通路，从而降低硝酸盐/亚硝酸盐的含量。同时UBR可以增加中性粒细胞浸润，其机制这可能和增加ICAM-1的表达有关[20]。

5 展望

综上，脑出血后脑水肿的发生是多方面综合作用的结果，药物作用于单一或多个影响因子如凝血酶或抑制炎性反应，均可减轻ICH的继发损伤。今后若能彻底阐释脑出血后各方面的影响机制，开辟和完善脑出血的治疗方法，对脑出血后患者的预后是一个极大的帮助。其中尤以炎症机制种类繁多，于脑出血后出现较早，且致病因子多种多样，炎症或成为今后脑出血后脑水肿的一个治疗靶点。

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1003-2754(2016)11-1054-03

R743.34

2016-09-10；

2016-10-16

河北省中医药管理局项目资助课题(No. 2015070)

(1.承德医学院研究生学院中医内科学，河北 承德 067000；2.承德医学院，河北 承德 067000；3.承德市中医院 神经内科，河北 承德 067000)

王建福，E-mail：wjfc2010@sina.cn