王 韌綜述,侯立軍審校

(第二軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院神經(jīng)外科,上海200003)

腦組織缺血、缺氧是創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)最常見的繼發(fā)性損害,直接影響患者的預(yù)后。血管再生是創(chuàng)傷及缺血組織的病理生理反應(yīng),由血管再生因子和血管再生抑制因子共同參與調(diào)控。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是一種多功能糖蛋白,是主要的促血管生成因子。迄今發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮抑素(endostatin,ES)是一種特異性作用最強(qiáng)的血管形成抑制劑?，F(xiàn)將VEGF和ES對血管生成的作用研究進(jìn)展作一綜述。

1 TBI

TBI是一種常見的致死、致殘性疾病,隨著現(xiàn)代交通工具的發(fā)展,其發(fā)病率呈逐年上升趨勢,對人類的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。腦損傷可能對人體認(rèn)知、情感、行為產(chǎn)生影響,這種影響可以完全恢復(fù),也有可能導(dǎo)致永久性殘疾,甚至死亡[1]。在發(fā)達(dá)國家顱腦損傷已成為青少年死亡的首位病因。據(jù)統(tǒng)計,美國每年約有150萬的腦損傷患者,其中10%現(xiàn)場死亡,57%重型顱腦損傷患者預(yù)后不良[2]。隨著中國現(xiàn)代化交通、建筑事業(yè)的高速發(fā)展,致使顱腦損傷的發(fā)生率及死亡人數(shù)居高不下。顱腦損傷已成為我國非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會和醫(yī)學(xué)問題。

TBI按損傷的部位可以分為顱損傷(頭皮裂隙、頭皮血腫、頭皮撕脫傷、顱骨骨折等)和腦損傷。按損傷的性質(zhì)可分為閉合性腦損傷和開放性腦損傷。閉合性腦損傷是指腦組織與外界不相交通的損傷;開放性腦損傷是指腦組織與外界相交通的損傷,有頭皮顱骨開裂,并有腦脊液和(或)腦組織外溢。另外,當(dāng)頭部被高速的槍彈擊中時,彈頭或彈片可擊穿頭皮與顱骨,并造成腦損傷,這類損傷稱火器傷,通常也屬于開放性腦損傷。

TBI按發(fā)生時間與機(jī)制分為原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷。原發(fā)性腦損傷是指暴力作用于頭部時立即發(fā)生的腦損傷,是不可逆的,包括腦挫傷、腦震蕩等。而繼發(fā)性腦損傷系指在原發(fā)性腦損傷的基礎(chǔ)上,隨著傷后的組織反應(yīng)、病理生理改變甚至個體差異等因素所發(fā)生的水腫、腫脹或血管痙攣、缺血與出血等,且在很大程度上決定了TBI的最終結(jié)果,因此,目前研究的重點(diǎn)主要針對繼發(fā)性腦損傷。1978年Miller等[3]首次提出二次腦損傷(secondary brain insult,SBI)的概念,即二次致傷因素對腦組織造成的第2次損傷,實(shí)際上屬于繼發(fā)性腦損傷范疇。腦組織缺血、缺氧是腦損傷后繼發(fā)性損害中最常見的病理生理改變,也是造成TBI預(yù)后不良的最重要的因素。有報道稱重型顱腦損傷后早期腦缺血的發(fā)生率高達(dá)90%,且缺血程度與預(yù)后明顯相關(guān)[2,4]。因此,改善顱腦損傷患者預(yù)后的關(guān)鍵在于控制原發(fā)性腦損傷后的繼發(fā)性缺血損傷[5]。

2 血管再生與TBI

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展,腦損傷患者的存活率得到顯著提高,但在避免繼發(fā)性腦缺血方面并未取得明顯的成果。腦組織缺血、缺氧是腦損傷最常見的繼發(fā)性損害,直接影響患者預(yù)后。血管再生能夠加速缺血區(qū)側(cè)支循環(huán)重塑,盡快恢復(fù)缺血區(qū)的血供,挽救瀕臨死亡的神經(jīng)元[6-7]。最近有研究表明,TBI后血管再生可能在創(chuàng)傷修復(fù)過程和繼發(fā)性損傷進(jìn)展中起重要作用,促進(jìn)血管再生有望成為腦損傷后缺血性損害治療的新途徑[8]。

血管再生是指從原有的血管上以出芽或分裂的方式而形成新的血管網(wǎng)絡(luò),并使其功能與局部需要相適應(yīng)的過程。新生成的血管網(wǎng)可以為組織細(xì)胞提供氧和營養(yǎng)物質(zhì),從而改善組織缺血。新生血管的形成是一個多步驟的復(fù)雜過程,包括基膜蛋白的降解,內(nèi)皮細(xì)胞的去黏附、增殖及遷移至周圍基質(zhì),最后內(nèi)皮細(xì)胞再黏附形成新生血管。腦損傷后發(fā)生的血管再生主要是填充式的血管生成,內(nèi)皮細(xì)胞分裂、增殖,在原有血管的管腔內(nèi)形成新的血管壁,從而使母血管分裂形成新血管[9]。

血管再生由不同類型細(xì)胞所表達(dá)的內(nèi)源性血管再生調(diào)節(jié)因子——血管再生因子和血管再生抑制因子共同參與調(diào)控。正常生理狀態(tài)下,血管內(nèi)皮的新生受到血管生成開關(guān)系統(tǒng)的精密調(diào)控,使血管的再生和抑制因子對其的調(diào)節(jié)處于一種動態(tài)平衡,血管再生機(jī)制處于關(guān)閉狀態(tài)。病理狀態(tài)下,血管的再生和抑制因子的共同作用處于失平衡狀態(tài),從而引起血管再生[10]。最近有研究顯示,上述兩類細(xì)胞因子在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后組織再生和修復(fù)的過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[11]。

2.1 腦損傷后內(nèi)源性血管再生因子的表達(dá) 目前已經(jīng)分離和純化的血管再生因子有20余種之多,包括VEGF、低氧誘導(dǎo)因子、胰島素樣生長因子、氧化亞氮合酶、轉(zhuǎn)化生長因子、腫瘤壞死因子、血管再生素、血管營養(yǎng)素等。其中VEGF處于核心地位,其他血管生成因子大都通過增強(qiáng)VEGF的表達(dá)產(chǎn)生血管生成的作用[12]。

2.1.1 VEGF VEGF又名血管通透因子(vascular permeability factor,VPF),最早于 1989年由 Shore等[13]從牛腦垂體濾泡星狀細(xì)胞的條件培養(yǎng)基中提純,是一種多功能糖蛋白。VEGF在正常成人和動物組織中表達(dá)水平較低,廣泛分布于人和動物的腦、腎、肝、脾、肺及骨骼等組織內(nèi)。人VEGF基因位于染色體6p21.3,全長14 kb,由8個外顯子和7個內(nèi)含子組成,相對分子質(zhì)量為(35～45)×103,等電點(diǎn)為8.5,有很強(qiáng)的耐酸、耐熱能力,如被還原則喪失所有生物活性。VEGF屬于血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF)家族,其結(jié)構(gòu)與 PDGFβ鏈部分相同,其中有8個相同半胱氨酸為PDGF家族的標(biāo)志。VEGF是由血管內(nèi)皮細(xì)胞鄰近的細(xì)胞所產(chǎn)生,通過旁分泌機(jī)制,刺激體內(nèi)新生血管生成,增加血管通透性[14]。

2.1.2 VEGF受體 VEGF生物學(xué)效應(yīng)的發(fā)揮需要通過與VEGF受體(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR)結(jié)合。目前,已在血管內(nèi)皮細(xì)胞膜上檢出兩種具有與VEGF高度特異結(jié)合的受體,VEGFR1(fms-like tyrosine kinase,flt1)和VEGFR2(fetal liver kinase,flk1亦稱kinase insert domain containing receptor,KDR),分別位于染色體13q12和4q11,屬于酪氨酸激酶受體家族第3亞型[15]。在正常情況下,VEGFR基因僅在正常血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá),且VEGFR水平甚低。雖然這兩種受體都與VEGF具有高度的親和力,但有研究發(fā)現(xiàn),其功能卻存在差異[16-17]。

2.1.3 VEGF的生物學(xué)功能 VEGF在炎癥、創(chuàng)傷愈合、心臟缺血、動脈粥樣硬化、糖尿病性視網(wǎng)膜病變等諸多與血管生成和組織愈合及再生相關(guān)的過程中發(fā)揮重要作用。VEGF特異地作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞,通過選擇性與血管內(nèi)皮細(xì)胞膜上的酪氨酸受體特異性高親和力結(jié)合后形成二聚體,發(fā)揮一系列生物學(xué)作用,主要有:(1)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖。VEGF是一種血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性有絲分裂原,在體外能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞生長,在體內(nèi)可誘導(dǎo)血管發(fā)生。(2)增加血管的通透性。VEGF能夠增加微小血管,主要是后毛細(xì)血管和小靜脈對大分子的通透性,使血漿蛋白溢出血管外,致纖維蛋白凝結(jié),形成血管生成的臨時基質(zhì),促進(jìn)新血管生成。(3)血管維持功能。VEGF作為一種局部內(nèi)生性調(diào)節(jié)劑,起著維護(hù)血管正常狀態(tài)及完整性的作用[18]。VEGF可刺激內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生氧化亞氮,并使其濃度呈劑量依賴性升高,從而起到血管維持作用[14]。(4)促進(jìn)損傷部位血管的生成,參與肉芽組織的構(gòu)建,從而提高機(jī)體對損傷的修復(fù)作用。

2.2 VEGF與腦損傷

2.2.1 VEGF與腦損傷修復(fù) 近年來,有研究顯示,VEGF在創(chuàng)傷性腦組織中陽性表達(dá)[19]。對嬰幼兒和兒童腦損傷患者腦脊液研究發(fā)現(xiàn),創(chuàng)傷后VEGF水平顯著升高[13]。腦損傷后繼發(fā)性病理損害常引起腦組織缺血、缺氧,VEGF參與促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,增加血管的通透性,使組織修復(fù)所必需的大分子蛋白物質(zhì)易于滲入損傷部位。腦損傷后VEGFR的表達(dá)也同樣增加[20]。損傷后VEGF及其受體表達(dá)的上調(diào)可能作為損傷后一種重要的內(nèi)源性細(xì)胞保護(hù)機(jī)制,以促進(jìn)新生血管生長,改善缺血腦組織的血液供應(yīng)[19,21-23]。

2.2.2 其他血管再生因子在腦損傷修復(fù)中的作用 除VEGF及其受體調(diào)節(jié)通路外,血管生成素及其受體調(diào)節(jié)通路也是調(diào)節(jié)血管再生的重要信息途徑[24-25]。胰島素樣生長因子-1也被證明能夠通過HIF-1-VEGF通路誘導(dǎo)腦血管內(nèi)皮細(xì)胞生長、刺激損傷部位的血管再生,參與創(chuàng)傷后腦組織的血管重塑[26]。有研究發(fā)現(xiàn),腦損傷后轉(zhuǎn)化生長因子-β等多種結(jié)締組織生長因子被誘導(dǎo)表達(dá),提示其在損傷后血管再生及修復(fù)過程中扮演重要角色[27]。低氧誘導(dǎo)因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子、血小板衍生生長因子、氧化亞氮合酶、腫瘤壞死因子、血管營養(yǎng)素等其他血管再生因子也都在血管生成中發(fā)揮著重要的作用。

3 TBI內(nèi)源性血管再生抑制因子的表達(dá)

血管再生因子通過促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的分裂、增殖,并防止其凋亡,進(jìn)而誘導(dǎo)新生血管的生成;血管再生抑制因子則通過干擾血管生成過程的各個階段,如內(nèi)皮基底膜的降解、胞外基質(zhì)重建、內(nèi)皮細(xì)胞遷移及微管形成等發(fā)揮抗血管生成的作用。在已發(fā)現(xiàn)的血管再生抑制因子中ES和血管抑素(angiostatin,AS)是目前認(rèn)為最強(qiáng)的血管再生抑制劑,其中研究較多的是ES。

3.1 ES ES是O′Reilly等[28]從鼠內(nèi)皮細(xì)胞瘤(EOMA)培養(yǎng)液中首次分離出內(nèi)源性的血管生成抑制劑。內(nèi)源性ES由184個氨基酸組成,是血管周圍基底膜部位的膠原Ⅹ、Ⅷ羧基末端的一個酶解片段,相對分子質(zhì)量約20×103,其結(jié)構(gòu)中有一個由11個精氨酸組成的堿性區(qū)域,這一區(qū)域與其分子對肝素有較高親和力有關(guān),也可能是ES發(fā)揮血管內(nèi)皮細(xì)胞生長抑制作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域。人體內(nèi)的ES廣泛分布于全身血管外周的基底膜,主要在一些高度血管化的組織表達(dá),肝臟中的肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞是其最重要的來源。

3.2 ES的生物學(xué)功能 體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)表明ES能有效抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移及新生血管形成。ES可以抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,其主要途徑為促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡、抑制血管內(nèi)皮增殖、抑制細(xì)胞因子誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移等[29-31]。ES對血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖具有選擇性的抑制作用,能夠特異性抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞在堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)誘導(dǎo)下的增殖。ES可以通過阻斷VEGF通路而抑制新生血管生成,選擇性調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞功能,特異性抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖,有效抑制血管生成,其相互作用可能調(diào)節(jié)著新生血管生成的程度。ES抑制新生血管形成的作用機(jī)制非常復(fù)雜,其中涉及很多生長調(diào)控因子、酶和受體,并與多條細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路有關(guān)[32]。ES已被廣泛應(yīng)用于抑制腫瘤新生血管生成,阻斷腫瘤細(xì)胞的血液供應(yīng),使腫瘤消退[33-34]。

3.3 ES與腦損傷修復(fù) 目前,關(guān)于ES在腦損傷后變化的報道并不多見。有研究發(fā)現(xiàn),腦缺血后ES蛋白及其mRNA在缺血腦組織中的表達(dá)增加,表明ES可能對腦缺血后微血管的再生產(chǎn)生重要影響[35]。有研究證實(shí),ES在顱腦損傷中表達(dá)陽性[36]。體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)細(xì)胞釋放ES的主要誘發(fā)因素是腦組織的缺氧狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn),ES在硝普鈉(SNP)等外源性氧化亞氮供體藥物作用下表達(dá)明顯上調(diào)[37]。ES的表達(dá)主要位于血管修剪退化區(qū)的內(nèi)皮下和小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞,可能在腦損傷后血管再生反應(yīng)的終止過程中發(fā)揮重要的作用[38]。由于ES具有抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移、誘導(dǎo)其凋亡的抗血管再生作用,其在腦損傷后的表達(dá)增加,有可能加重腦組織缺血、缺氧,不利于受損腦組織的結(jié)構(gòu)重塑以及缺損神經(jīng)功能的修復(fù)?？傊?ES在創(chuàng)傷腦組織中的表達(dá)增加提示其可能在腦損傷后血管再生的發(fā)生與發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。

4 問題與展望

盡管關(guān)于腦損傷后血管再生的研究目前報道不多,但是國內(nèi)外利用外源性血管再生因子蛋白和(或)基因治療腦缺血的研究已取得了令人滿意的成果。VEGF通過促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增生,在缺血區(qū)誘導(dǎo)大量新生血管形成,改善微循環(huán),增加受累腦組織再灌注及供氧量,從而有利于減輕腦水腫、促進(jìn)受損腦組織修復(fù),加強(qiáng)神經(jīng)元的營養(yǎng)和神經(jīng)元功能的恢復(fù),為腦損傷后血管再生方面的藥物干預(yù)研究提供了基礎(chǔ)。然而,由于VEGF的血管通透作用非常強(qiáng)烈,因此可能會加重缺血后繼發(fā)性腦損害。而且有研究發(fā)現(xiàn),VEGF注射的方式、劑量及其作用受體的不同都可影響其療效。已有研究證實(shí),VEGF在TBI早期的表達(dá)有可能會加重腦水腫[39-40]。另外,VEGF與腦腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移等密切相關(guān),使用VEGF可能會促進(jìn)腫瘤的生長。而且,局部高濃度的VEGF可能誘發(fā)血管過度生長和血管瘤的形成。因此,如何控制理想的VEGF濃度、減少其不良作用尚需進(jìn)一步的研究。

ES從發(fā)現(xiàn)至今已有十多年,有關(guān)其體外重組表達(dá)和臨床應(yīng)用研究取得了飛速發(fā)展,目前研究中使用的ES主要為重組人ES和重組鼠ES,ES基因治療血管新生性疾病的研究為腦損傷后血管再生的治療提供了參考。有研究表明,ES特異性抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞作用肯定,對多種依賴血管生成的實(shí)體瘤都有抑制作用,且無耐藥性和明顯不良反應(yīng)。隨著ES作用機(jī)制的完全闡明及如何選擇安全、高效的合適載體來進(jìn)行基因治療,如何正確地選擇適應(yīng)證和治療對象等這一系列問題的解決,最終可以抑制其抗血管生成作用,促進(jìn)血管再生,從而減輕腦損傷后繼發(fā)性損害。此外,靜脈注射或局部種植神經(jīng)干細(xì)胞或骨髓基質(zhì)細(xì)胞也能刺激一系列促神經(jīng)和血管新生的生長因子的分泌,從而促進(jìn)腦損傷后血管新生及內(nèi)源性神經(jīng)再生,為改善預(yù)后提供有利途經(jīng)[41]。

綜上所述,盡管目前國內(nèi)損關(guān)于腦外傷后血管再生的研究尚不多見,但隨著血管再生過程中相關(guān)調(diào)控因子間的協(xié)調(diào)作用的闡明,治療性血管再生將在TBI的治療中顯示出非常廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)揮重要的作用。

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