腦低氧預(yù)適應(yīng)及其機(jī)制

作者：林毅勇 邵福源

關(guān)鍵詞：低氧預(yù)適應(yīng)；腦缺氧；腦保護(hù)

摘要 預(yù)先反復(fù)短暫低氧預(yù)適應(yīng)可使腦組織產(chǎn)生低氧適應(yīng)，可使其在后續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間缺氧中得到保護(hù)。腦低氧預(yù)適應(yīng)是腦抗缺血或缺氧的一種內(nèi)源性保護(hù)現(xiàn)象。目前對(duì)腦低氧預(yù)適應(yīng)的機(jī)制尚未最后闡明，文章對(duì)腦低氧預(yù)適應(yīng)現(xiàn)象及其可能機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

低氧預(yù)適應(yīng)(hypoxic preconditioning)是指1次或多次短暫、非致死性低氧刺激后，機(jī)體獲得的對(duì)更嚴(yán)重甚至致死性缺血或缺氧的耐受性。預(yù)適應(yīng)是機(jī)體抗缺氧或缺血的一種內(nèi)源性保護(hù)現(xiàn)象，它不僅存在于多種動(dòng)物的心臟，而且也存在于肝、腎和腦等多種組織、器官和細(xì)胞中[1，2]。目前關(guān)于腦低氧預(yù)適應(yīng)現(xiàn)象及其機(jī)制的報(bào)道較少，深入研究腦低氧預(yù)適應(yīng)機(jī)制并探討其臨床應(yīng)用價(jià)值，對(duì)治療腦血管病很有意義。

1腦低氧預(yù)適應(yīng)現(xiàn)象

1986年Schurr等[3]就發(fā)現(xiàn)大鼠海馬腦片低氧5min后，其誘發(fā)電活動(dòng)在隨后長(zhǎng)期低氧作用后仍能恢復(fù)，而對(duì)照組則不能。

Rising等[4]事先給小鼠經(jīng)90、120和150s3次低氧(4.5%O2)預(yù)處理后，在致死量低氧作用下的存活時(shí)間由對(duì)照的(108±4)s延長(zhǎng)到(403±42)s。

Vannucci等[5]在37℃下低氧(8%O2)預(yù)處理出生6d的大鼠2.5h，24h后結(jié)扎單側(cè)頸總動(dòng)脈并且低氧(8%O2)處理2.5h，在出生第30天經(jīng)神經(jīng)病理分析發(fā)現(xiàn)，低氧預(yù)適應(yīng)組的14只大鼠中僅6只出現(xiàn)囊狀梗死，而未預(yù)適應(yīng)組的13只大鼠都出現(xiàn)了梗死。

2腦低氧預(yù)適應(yīng)的可能機(jī)制

2.1低氧誘導(dǎo)因子-1

低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是一種隨著細(xì)胞內(nèi)氧濃度變化而調(diào)節(jié)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄激活因子，是由氧調(diào)節(jié)亞單位HIF-1α和結(jié)構(gòu)亞單位HIF-1β組成的異二聚體，具有DNA結(jié)合活性。HIF-1對(duì)低氧誘導(dǎo)基因，如促紅細(xì)胞生成素、糖酵解酶和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等的活化起關(guān)鍵作用。

Bergeron等[6]通過(guò)對(duì)新生大鼠腦低氧(8%O2)預(yù)處理3h發(fā)現(xiàn)，低氧預(yù)處理可明顯提高HIF-1α和HIF-1β的表達(dá)水平。大鼠腹腔內(nèi)注射HIF-1誘導(dǎo)劑氯化鈷(CoCl2，60mg/kg)和去鐵銨(desferrioxamine，DFX，200mg/kg)后1~3h，HIF-1α和HIF-1β蛋白水平都升高。大鼠經(jīng)CoCl2和DFX預(yù)處理24h后缺血缺氧可分別較對(duì)照組發(fā)揮75%和56%的腦保護(hù)作用。原代培養(yǎng)大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元?jiǎng)儕Z糖氧30、60、90和120min后，HIF-1DNA結(jié)合活性增高，而預(yù)先剝奪糖氧60min，48h后再剝奪糖氧90min，HIF-1的結(jié)合活性反而降低[7]。以上這些研究表明，HIF-1參與了腦低氧預(yù)適應(yīng)的形成。

2.2一氧化氮

一氧化氮(NO)參與血管舒縮的調(diào)節(jié)、免疫功能的調(diào)制和神經(jīng)信息的傳遞，是一種重要的信使物質(zhì)。NO是由L-精氨酸經(jīng)一氧化氮合酶(NOS)催化生成的。NOS同工酶分為神經(jīng)元型NOS(nNOS)、誘導(dǎo)型NOS(iNOS)和內(nèi)皮細(xì)胞型NOS(eNOS)3種，其中nNOS和eNOS的活性受鈣離子調(diào)節(jié)，合稱為結(jié)構(gòu)型NOS(constitutive NOS，cNOS)。

Gidday等[8]低氧(8%O2)預(yù)處理新生6d大鼠3h發(fā)現(xiàn)，這種處理可完全抵抗24h后的缺血缺氧性損害。如在新生6d大鼠腦低氧預(yù)處理前0.5h腹腔注射非選擇性NOS抑制劑左旋硝基精氨酸(2mg/kg)，給藥后0.5~3.5h即可使cNOS 的活性抑制67%~81%，完全阻斷了低氧預(yù)適應(yīng)的保護(hù)作用。

但是，如果低氧預(yù)處理(本身可降低cNOS 活性58%~81%)前腹腔內(nèi)注射選擇性nNOS抑制劑7-硝基吲唑(40mg/kg)，則不能影響低氧預(yù)適應(yīng)引起的腦保護(hù)作用，這與給予iNOS抑制劑氨基胍(400mg/kg)的結(jié)果相一致。以上結(jié)果表明，NO對(duì)低氧耐受的誘導(dǎo)起重要作用。但是，有學(xué)者對(duì)nNOS和iNOS是否參與了低氧預(yù)適應(yīng)卻提出了質(zhì)疑，認(rèn)為只有eNOS產(chǎn)生的NO介導(dǎo)了預(yù)適應(yīng)的保護(hù)效應(yīng)。

2.3腺苷

腺苷是一種在缺血缺氧時(shí)高能磷酸鹽分解產(chǎn)生的內(nèi)源性復(fù)合物。腺苷A1受體激動(dòng)劑可以縮小梗死體積，減慢缺血早期的能量代謝，并有利于缺氧預(yù)適應(yīng)后突觸功能的恢復(fù)[9]，而腺苷受體拮抗劑則可以阻止預(yù)適應(yīng)的形成。

Zhang等[10]分別采用酶學(xué)方法和放射性配體結(jié)合方法分析了昆明小鼠腺苷含量和腺苷A1受體，發(fā)現(xiàn)經(jīng)4次低氧預(yù)處理組海馬腺苷含量明顯高于正常對(duì)照組和只用1次低氧預(yù)處理組，而腺苷A1受體密度低于正常對(duì)照組，與僅用1次低氧預(yù)處理組的相同；4次低氧預(yù)處理組海馬、腦橋、延髓等腦區(qū)腺苷A1受體的親和力高于正常對(duì)照組，表明低氧預(yù)處理可以阻止一些腦區(qū)內(nèi)的腺苷A1受體密度的進(jìn)一步下降，使腺苷A1受體的親和力升高。上述結(jié)果提示，低氧預(yù)適應(yīng)可使海馬腺苷濃度升高，并通過(guò)A1受體發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

2.4興奮性氨基酸

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)含有大量興奮性氨基酸(EAA)，幾乎所有的神經(jīng)元都含有谷氨酸受體，藥理學(xué)上把谷氨酸受體分為NMDA受體、AMPA受體、紅藻氨酸受體、代謝型谷氨酸受體和L-AP4受體等5型，前3種都是谷氨酸門控的陽(yáng)離子通道(離子型受體)，后2種受體合稱非NMDA受體。任何引起EAA濃度異常增高的病理變化都會(huì)引起興奮毒性。EAA與低氧預(yù)適應(yīng)是否有關(guān)尚待進(jìn)一步研究證實(shí)。

Nakata等[11]用微透析測(cè)定方法表明，低氧預(yù)處理并不改變腦內(nèi)包括EAA在內(nèi)的任何氨基酸含量，從而認(rèn)為預(yù)處理導(dǎo)致的低氧耐受與EAA無(wú)關(guān)。

Xie等[12]用小鼠研究外源離子型NMDA受體激動(dòng)劑天門冬氨酸和抑制劑氯氨酮對(duì)低氧預(yù)適應(yīng)的效應(yīng)，并用高效液相色譜法測(cè)定低氧預(yù)處理時(shí)小鼠整個(gè)大腦和不同腦區(qū)內(nèi)源性EAA(天門冬氨酸和谷氨酸)濃度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天門冬氨酸和氯氨酮分別顯著地縮短和延長(zhǎng)了小鼠的標(biāo)準(zhǔn)耐受時(shí)間；缺氧1次后EAA的濃度升高，而4次缺氧后預(yù)適應(yīng)EAA濃度保持不變，甚至下降。這表明離子型NMDA受體的激活不利于低氧預(yù)適應(yīng)的形成，而抑制其受體則有利于低氧預(yù)適應(yīng)的形成；EAA的降解或失活對(duì)小鼠低氧耐受的形成可能有益。

2.5腫瘤壞死因子-α和神經(jīng)酰胺

神經(jīng)鞘磷脂的代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺(ceramide)是腫瘤壞死因子-α(TNF-α)介導(dǎo)的眾多效應(yīng)中的第二信使。Liu等[13]對(duì)培養(yǎng)大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元的研究發(fā)現(xiàn)，低氧預(yù)處理有保護(hù)作用，這種保護(hù)作用可被TNF-α預(yù)處理所替代，TNF-α中和抗體可削弱此保護(hù)作用。低氧預(yù)適應(yīng)和TNF-α預(yù)處理可使細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺水平升高2~3倍，與耐受狀態(tài)一致。煙曲霉毒素B1是一種神經(jīng)酰胺合酶抑制劑，可減輕神經(jīng)酰胺的上調(diào)。如在缺氧損傷前將C2-神經(jīng)酰胺加入培養(yǎng)基中可模擬低氧預(yù)適應(yīng)的效應(yīng)。上述結(jié)果表明，低氧預(yù)適應(yīng)是通過(guò)TNF-α觸發(fā)而合成神經(jīng)酰胺所介導(dǎo)的。

Chen等[14]在結(jié)扎出生7d大鼠右側(cè)頸總動(dòng)脈的同時(shí)低氧(8%)預(yù)處理2h，30min后心室內(nèi)注射C2-神經(jīng)酰胺(150mg/kg)，5d后測(cè)定梗死體積，發(fā)現(xiàn)C2-神經(jīng)酰胺可使缺血缺氧引起的大腦損傷(梗死體積)較對(duì)照組縮小45%~65%，且Bcl-2和Bcl-xl水平升高，TUNEL陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)明顯減少，表明神經(jīng)酰胺對(duì)未成熟大鼠大腦有神經(jīng)保護(hù)作用。因此認(rèn)為，神經(jīng)酰胺參與了低氧預(yù)適應(yīng)的形成。

2.6自由基及其清除系統(tǒng)

自由基是具有未配對(duì)電子的原子或原子團(tuán)。腦缺血缺氧時(shí)，活性氧產(chǎn)生過(guò)多，自由基生成，細(xì)胞膜磷脂受其攻擊導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化，細(xì)胞膜流動(dòng)性降低、通透性增高，線粒體腫脹，溶酶體受損并釋放等一系列變化。

Duan等[15]比較自由基清除系統(tǒng)的變化發(fā)現(xiàn)，與未預(yù)處理組相比，僅低氧處理1次組整個(gè)腦區(qū)的超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性明顯降低，而海馬脂質(zhì)過(guò)氧化物的濃度明顯升高。但是經(jīng)低氧處理4次后，它們的水平趨向于恢復(fù)至正常對(duì)照組水平，提示氧自由基和它們的特異清除酶參與了低氧耐受形成。

Rauca等[16]對(duì)成年雄性Wistar大鼠作低氧預(yù)處理(9%O2，91%N2)1h發(fā)現(xiàn)，可阻止戊四氮的致癇作用，而用自由基清除劑PBN能阻止這種低氧預(yù)適應(yīng)的保護(hù)作用。Garnier等[17]事先用低氧(4%O2)處理沙土鼠后恢復(fù)常氧48h或7d，發(fā)現(xiàn)海馬MnSOD有漸進(jìn)而持續(xù)的表達(dá)。

以上研究表明，自由基及其內(nèi)源性清除酶系統(tǒng)參與了低氧預(yù)適應(yīng)的形成和發(fā)展。

2.7其他機(jī)制

預(yù)適應(yīng)可以降低細(xì)胞能量代謝。有實(shí)驗(yàn)表明，抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ可以形成預(yù)適應(yīng)，并可試用于提高機(jī)體的缺氧耐受能力[18]。

低氧預(yù)適應(yīng)引起的神經(jīng)保護(hù)作用可以被放線菌酮(一種蛋白合成抑制劑)和放線菌素D(一種RNA合成抑制劑)所抑制，表明在低氧預(yù)適應(yīng)中有新的基因表達(dá)產(chǎn)物形成[19]。

熱休克蛋白(HSP)是應(yīng)激反應(yīng)蛋白家族中的一員，Wada等[20]用高溫(41℃)預(yù)處理15min和低氧(8%)預(yù)處理新生大鼠3h，24h后予缺血處理，發(fā)現(xiàn)高溫和低氧預(yù)處理后都不檢測(cè)到HSP72，只是缺氧缺血損害本身可誘導(dǎo)背側(cè)紋狀體、丘腦(輕度)和海馬HSP72的表達(dá)，因此認(rèn)為HSP72似與耐受無(wú)關(guān)。

Garnier等[17]也發(fā)現(xiàn)，沙土鼠低氧預(yù)處理后海馬未見HSP72表達(dá)。星形細(xì)胞則參與細(xì)胞間液中K+代謝的調(diào)節(jié)和利用，維持神經(jīng)元生存微環(huán)境的穩(wěn)定，分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，如神經(jīng)生長(zhǎng)因子，從而參與了預(yù)適應(yīng)保護(hù)機(jī)制。Garnier等[17]用免疫組化和免疫印跡法檢測(cè)膠質(zhì)纖維酸性蛋白，并用免疫組化檢測(cè)isolectin B4的表達(dá)，結(jié)果表明沙土鼠低氧處理與小膠質(zhì)細(xì)胞激活無(wú)關(guān)，而星形細(xì)胞卻明顯被激活。

3腦低氧預(yù)適應(yīng)的應(yīng)用前景

雖然腦低氧預(yù)適應(yīng)的機(jī)制尚不十分清楚，但是預(yù)適應(yīng)的效應(yīng)提示腦組織具有自身保護(hù)機(jī)制。如能對(duì)腦低氧預(yù)適應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的某些物質(zhì)進(jìn)行分離、純化，試用于卒中和其他缺血缺氧性疾病的治療中，也許將提高腦神經(jīng)元等組織對(duì)缺血缺氧的耐受性，延長(zhǎng)治療時(shí)間窗，減輕后遺癥，并為腦損傷等疾病的防治提供新的選擇。

參 考 文 獻(xiàn)

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