神经外科

自发性脑出血后血肿周围水肿研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2021-01-13
导读

         自发性脑出血是脑卒中的一种亚型,具有高发病率、高致残率及高病死率等特点。除原发性脑损伤外,在脑出血急性期血肿周围水肿(PHE)引起的质量效应及其他继发性损伤,如神经元死亡等也导致了神经功能恶化和不良预后。 就现阶段研究结果来看,针对脑出血后原发性脑损伤的治疗对其功能改善影响不大,目前,对脑出血的研究热点集中在对继发性脑损伤的预防及治疗方面,而PHE作为凝血酶积聚、炎症介质的作用及红细胞溶解的共同

关键字:  周围水肿 

        自发性脑出血是脑卒中的一种亚型,具有高发病率、高致残率及高病死率等特点。除原发性脑损伤外,在脑出血急性期血肿周围水肿(PHE)引起的质量效应及其他继发性损伤,如神经元死亡等也导致了神经功能恶化和不良预后。

        就现阶段研究结果来看,针对脑出血后原发性脑损伤的治疗对其功能改善影响不大,目前,对脑出血的研究热点集中在对继发性脑损伤的预防及治疗方面,而PHE作为凝血酶积聚、炎症介质的作用及红细胞溶解的共同终点是脑出血后继发性脑损伤的一种有前途的代表指标。近年来,随着对PHE的深入研究,越来越多新的机制被提及。现将自发性脑出血后PHE的病理生理学机制研究进展综述如下。

 

1.PHE的自然史

        PHE的形成可在脑出血后数小时内发生,并持续数天至数周,在脑出血后24h内PHE平均增加75%,提示在脑出血后的第1个24h内为PHE快速生长的初期阶段,而对于PHE的高峰不同实验模型给出的数据并不一致。PHE形成有几个阶段,早期阶段(前几个小时)主要由凝块收缩和周围组织中血清蛋白累积所致。

        血清从凝块析出至周围组织;第2阶段(前2d)与凝血酶介导的炎性反应、补体级联活化及血脑屏障开放等多种协调机制有关;第3阶段主要涉及红细胞裂解产物,如血红蛋白、血红素及铁的毒性。PHE形成可能导致细胞壁离子交换的破坏,包括Na+、Cl-、K+ 等,即使经治疗后水肿得到解决神经功能损害也可能会持续存在。不仅如此,PHE形成后所产生的占位效应可能直接危及患者生命安全。

2.PHE的病理生理学机制

        2.1 凝血酶

        脑出血后即刻产生凝血酶,其在止血过程中具有重要作用,也在内皮细胞和血脑屏障的破坏中起作用。凝血酶除具有分解纤维蛋白原的作用外,其他作用均由凝血酶受体介导,包括蛋白酶激活受体(PAR)-1、PAR-3和PAR-4,凝血酶受体mRNA在神经元和星形胶质细胞中均有表达。

        凝血酶通过激活内皮细胞中的基质金属蛋白酶-2,降解细胞外基质,引起血脑屏障破坏,也可通过受体介导的途径调节内皮细胞的通透性,主要通过切割PAR-1肽受体,使之活化后与G12/13、Gq和Gi家族成员相结合,最终激活小的G蛋白,如Rho蛋白A,活化后的Rho A 与Rho激酶(ROCK)相结合,最终抑制磷酸化肌球蛋白轻链去磷酸化,使血管内皮通透性增加,从而直接影响血脑屏障功能,促进PHE的形成。

        除Rho相关螺旋卷曲蛋白激酶(Rho-ROCK)信号通路外,凝血酶还可通过丝裂原活化蛋白激酶信号通路激活小胶质细胞,增加小胶质细胞内Ca+ 浓度,同时,释放肿瘤坏死因子(TNF)-α、一氧化氮、白细胞介素(IL)-12和IL-6,造成炎症损伤。NOD样受体蛋白3(NLRP3)炎症小体是天然免疫系统的重要组成部分,可由线粒体活性氧(ROS)触发激活,促进半胱天冬酶-1和IL-1β的表达,增强炎性反应。

        最新研究表明,凝血酶可能通过ROS/硫氧还原蛋白结合蛋白信号通路激活NLRP3炎症小体,促进炎性细胞因子释放,进一步加重炎性反应。凝血酶导致的脑出血后脑损伤至少有一部分是由补体活化介导的。其能够促进补体C3分裂,释放过敏性毒素C3a、C3b与C4b2a结合后产生C5转化酶,此酶切割C5后可释放过敏性毒素C5a,同时,造成C5b的沉积,膜攻击复合物(MAC)也随之形成。MAC、过敏性毒素C3a和C5a均可导致血脑屏障破坏,加速PHE的形成。由此可见,凝血酶通过多条途径共同作用,从而致使脑出血后PHE的形成。

        2.2 补体

        补体系统参与了各种免疫反应,在炎症、脑出血后细胞死亡和脑水肿形成的发病机制中具有核心作用。正常情况下,血脑屏障可将其排除在脑实质外,但在脑出血后,补体可作为血液外渗的一部分进入或由于血脑屏障的破坏而进入。MAC是由补体活化后组装的C5-9补体组成。MAC在靶细胞表面组装成孔,可导致细胞溶解。因此,凝块内红细胞的溶解可能有MAC的参与。此外,MAC插入也可能发生在内皮细胞、神经元和胶质细胞中,导致血脑屏障破坏和神经元死亡。

        过敏性毒素C3a和C5a是白细胞的强趋化因子,可能对脑出血后的血脑屏障造成损伤。也可导致内皮细胞和小胶质细胞快速激活,以及周围血肿区中性粒细胞浸润,造成进一步的炎症损伤。血脑屏障破坏及炎症损伤后血肿周围补体级联的活化与PHE形成独立相关。HUA等为脑出血的补体激活及其参与脑水肿的形成提供了第1个直接证据。其通过往大鼠基底节区注射自体血,观察到24h后血肿周围C9增加,72h后MAC形成明显,在同一模型中加入补体抑制剂——N-乙酰肝素可明显减轻脑水肿。

        由于早期的研究应用了非特异性补体抑制剂,因此,无法准确地确定补体级联的特定亚组分对脑出血后损伤的贡献。目前认为,C3似乎在实验性脑出血后损伤的发病机制中具有核心作用,而对C5的作用仍存在争议。近年来,有研究表明,C3a及C5a的补体抑制联合作用可能具有较好的神经保护作用。

        2.3 血毒性产物

        脑出血时红细胞被释放到脑内,其裂解发生在发病后约24h并持续数天,导致有细胞毒性的血红蛋白释放。血红蛋白随后降解为血红素,并由血源吞噬细胞和常驻的小胶质细胞逐渐清除。一旦进入这些细胞,血红素被血红蛋白加氧酶降解为胆绿素和一氧化碳,释放细胞毒性铁。在实验性脑出血模型中注射溶解的红细胞会导致明显的水肿,注射完整的红细胞无显著影响,说明溶解产物本身才是脑损伤的主要原因。红细胞内的能量储备耗竭和MAC的形成是导致红细胞裂解的重要原因。

        分化簇(CD)36是B类清道夫受体家族中的一员,在小胶质细胞/巨噬细胞中表达,并参与多种粒子的吞噬。红细胞作为血肿的主要组成部分,通过CD36诱导培养小胶质细胞的吞噬作用,同时,增加促炎基因,如TNF-α、IL-1β、基质金属蛋白酶-9和诱导型一氧化氮合酶的表达。

        核因子E2相关因子2是存在于几乎所有类型细胞的多向性转录因子,可调节多种炎性细胞因子和抗氧化酶的表达,最近研究表明,核因子E2相关因子2信号通路激活后可上调CD36的表达,增强小胶质细胞/巨噬细胞的吞噬功能,促进血肿的清除,减轻脑水肿的形成。CD47是一种在红细胞上表达的整合素相关蛋白,能调节靶细胞吞噬功能。

        抑制CD47可使更多M2表型(具有神经保护功能)的小胶质细胞/巨噬细胞表达,吞噬红细胞,加速凝块的分解,减轻脑水肿及神经功能缺损。血红蛋白在损伤中也具有一定作用,其抑制了Na+/K+ 腺苷三磷酸酶活性,产生自由基,促进脂质过氧化;引起氧化损伤半胱天冬酶的激活,血脑屏障破坏及神经元死亡而造成不可逆的脑损伤。CD163是表达于单核巨噬细胞系统且唯一表达的血红蛋白清除受体,在红细胞溶解过程中形成,介导血红蛋白的内吞,主要通过CD163-血红素蛋白加氧酶-1途径清除血红蛋白;神经元自身参与血红蛋白清除可能是脑出血后神经元直接损伤的原因之一,而没有被清除的血红蛋白会立即降解并释放血红素。

        血红素可通过芬顿(Fenton)反应与脂质过氧化物反应生成过氧化氢,从而生成ROS,造成进一步的炎症损伤。血红素可激活Toll-样受体4(TLR4)诱导炎性脑损伤。TLR4与血红素结合,诱导培养的小胶质细胞激活,促炎细胞因子,如TNF-α、IL-1β和IL-6释放随之增加。铁的毒性通常被认为是通过Fenton反应产生自由基的结果。在该反应中亚铁与过氧化氢反应生成氧自由基,此反应可重复进行,不断产生氧自由基,加重氧化损伤。这种铁超载所引起的氧化损伤主要针对线粒体内膜,可导致线粒体裂解。

        水通道蛋白(AQP)4是脑组织中最丰富的AQP之一,对脑水肿的形成具有重要作用。AQP4主要表达于血管周围星形胶质细胞的足突,在脑水平衡中具有至关重要的作用。AQP4在脑出血中的表达增加,而铁蓄积与AQP4表达呈高度相关。此外,铁与凝血酶也可能在脑出血后相互作用引起脑损伤。凝血酶可引起脑内转铁蛋白受体上调,从而增加细胞对铁的摄取和毒性。铁蓄积的进一步加重对脑水肿的形成具有重要作用。

        2.4 炎性反应

        炎症是对脑出血后脑损伤的一种重要宿主防御反应,脑出血发生时血液成分即刻进入脑实质内,当血液成分存在于脑实质中炎性反应即开始,其特征是炎症细胞的聚集与活化。体内常驻的小胶质细胞和星形胶质细胞被认为是对血管外血液成分应答的早期炎症细胞。在脑出血后约24h红细胞开始溶解,红细胞内容物被释放从而进一步加重脑出血后脑损伤。脑出血后发生细胞死亡,死亡细胞释放各种各样的“危险”信号激活免疫系统。这些由死亡细胞释放的所谓的危险相关分子模式(DAMPs)可导致脑内白细胞浸润,也导致了炎性反应的新阶段。自然免疫及炎性反应的激活参与了脑出血后炎症损伤的发病机制。

        Toll-样受体(TLRs)在自然免疫和炎性反应中具有至关重要的作用。TLRs是一组Ⅰ类跨膜蛋白,除识别外来病原体外,TLRs现在被认为是通过识别DAMPs介导机体对损伤的炎性反应,其主要在小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元、脑内皮细胞及周围巨噬细胞中表达。TLRs在这些细胞上的激活可诱导多种促炎性细胞因子和趋化因子的释放,从而导致炎症损伤。

        许多DAMPs,如高迁移率蛋白(HMGB)1、热休克蛋白、透明质酸、硫酸肝素、淀粉样β蛋白、氧化低密度职蛋白均被报道能激活TLRs。目前,已得到充分研究的是HMGB1,其是一种调节转录的细胞内DNA结合蛋白。据文献报道,HMGB1可由活化的小胶质细胞/巨噬细胞在多种促炎刺激下主动分泌,而后激活TLRs,介导炎症损伤。

        过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)-γ是一种促进脑出血后血肿清除和减少神经功能障碍的转录因子,PPAR-γ可上调CD36的表达,进而促进小胶质细胞/巨噬细胞对细胞碎片的清除。

        有研究表明,TLR4也可上调CD36的表达,同时,TLR4信号通路也可被激活的PPAR-γ抑制,这种负调节在血肿吸收方面具有关键作用。正常情况下,活化的小胶质细胞通过其吞噬作用清除血肿和有害细胞碎片发挥其神经保护功能。而脑出血后血肿成分,如纤维蛋白原、凝血酶等均能诱导小胶质细胞活化,过度的小胶质细胞活化通过释放多种化学毒性物质,包括促炎症介质(细胞因子,如TNF-α、IL-1β和趋化因子),如趋化因子配体2的释放,导致循环炎性细胞(白细胞和巨噬细胞)浸润,增加血脑屏障的通透性,最终导致脑出血后脑损伤。

        此外,红细胞和血浆可诱导小胶质细胞和巨噬细胞内核因子κB的活化导致促炎性细胞因子,如TNF-α、IL-1β上调并加重脑出血后脑损伤。由此可见,脑出血后有效去除血肿是预防炎症损伤的关键。微小RNA是一类小型非编码RNA,在缺血性脑卒中可调控卒中后神经和血管新生,最新研究表明,在实验性脑出血模型中证实,微小RNA-93可通过调控TLR4/核因子κB信号通路加重脑出血后脑水肿的形成,下调微小RNA-93 可显著减轻脑水肿。

3.PHE形成的最后途径——血脑屏障破坏

        血脑屏障是血液和大脑之间许多分子运动的物理和生理屏障,由脑内皮细胞及紧密连接而形成。这些连接的紧密性和相对较低的转运水平导致血脑屏障对许多化合物的渗透性极低,除非其具有亲脂性或通过载体转运。血脑屏障在脑出血后发生破坏,并导致脑水肿的形成。血脑屏障通透性增加可能是通过改变细胞旁途径(紧密连接功能的改变)和(或)穿过脑内皮细胞的跨细胞途径(胞吞转运)而发生的,但就脑出血而言,内皮细胞的跨细胞通路改变是其通透性增加的根本原因。

        脑出血后的多种化学物质均可使其内皮受损,如凝血酶改变了内皮细胞与细胞基质的相互作用,凝血酶磷酸化Src激酶可诱导内皮破裂。基质金属蛋白酶可能通过多种机制影响血脑屏障功能和出血,包括通过内皮基底膜的物理支持释放,改变内皮细胞,细胞外基质信号,促进白细胞的迁移,并直接影响紧密连接蛋白。

        红细胞溶解后产生的多种因素也可影响血脑屏障功能,其中铁的作用最为突出。铁通过促进自由基的产生而导致血脑屏障功能障碍。氧和氮自由基(如超氧物、羟自由基和过氧亚硝酸盐自由基)可引起内皮细胞损伤,也可激活调节血脑屏障通透性的细胞信号传导通路。

        总的来说,脑出血后产生的凝血酶、血毒性产物、基质金属蛋白酶、各种促炎症介质等均可造成血脑屏障的破坏,最终导致脑水肿的形成。有学者提出,豆纹动脉神经复合体(LNC)这一新概念,LNC包括血管网络、神经网络(神经元网络和神经胶质细胞网络)、神经纤维束网络和细胞外微环境网络,其中LNC的血管网络构成基底节区及其周围组织的血脑屏障,对脑水肿的发生、发展也具有重要影响。以LNC这一独特又具有代表性的整体结构为单位,系统地对脑出血的发生、发展机制进行研究,有望为自发性脑出血提供新的治疗靶点及研究方向。

        综上所述,脑出血作为一种致命的卒中亚型,给社会和患者家庭造成了沉重的负担,遗憾的是,目前仍无任何明确有效的治疗措施改善患者预后。近年来,随着对PHE研究的深入,越来越多的治疗靶点被人们提及。希望今后对PHE机制的进一步研究能为脑出血提供更为可靠、有效的治疗靶点,改善患者预后。

        来源:梅苑,胡观成.自发性脑出血后血肿周围水肿研究进展[J].现代医药卫生,2020(17):2760-2763.

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