汪 杰，李湘民

中南大學(xué)湘雅醫(yī)院急診科，長沙 410008

腦缺血再灌注損傷是心臟驟停、腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要病理生理過程，其經(jīng)典機(jī)制主要包括：氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、鈣超載、一氧化氮(nitric oxide，NO)損傷、興奮性氨基酸毒性作用等[1]。目前，國內(nèi)外針對腦缺血再灌注損傷的治療已開展諸多探索性研究，且仍在不斷創(chuàng)新。近年來研究發(fā)現(xiàn)，MSCs具有分化、調(diào)節(jié)免疫及炎癥反應(yīng)、抗氧化和調(diào)節(jié)Ca2+水平的功能，其對于腦缺血再灌注損傷具有一定的保護(hù)作用。因此，本文從腦缺血再灌注損傷的病理生理機(jī)制出發(fā)，結(jié)合MSCs與腦缺血再灌注損傷的關(guān)系進(jìn)行闡述，以期為腦缺血再灌注損傷的治療提供新思路。

1 腦缺血再灌注損傷的主要機(jī)制

大腦僅占人體體重的2%，卻占據(jù)15%的心輸出量、全身25%的耗氧量，大腦對缺氧及缺血非常敏感。心臟驟停、腦卒中等疾病發(fā)生時(shí)，由于血流動力學(xué)處于停滯狀態(tài)，相應(yīng)供血區(qū)域的腦組織出現(xiàn)缺血缺氧而損傷，血供恢復(fù)后，缺血缺氧產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與來自新鮮血液的氧自由基發(fā)生劇烈反應(yīng)，同時(shí)對器官和組織造成損害，因缺血及再灌注對腦組織造成的損傷稱為缺血再灌注損傷[2]。氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、鈣超載、NO損傷、興奮性氨基酸毒性作用等是其經(jīng)典機(jī)制。

1.1 氧化應(yīng)激

活性氧(reactive oxygen species，ROS)是氧在反應(yīng)過程中被不完全還原所形成的物質(zhì)[3]，是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的含氧代謝物，主要包括超氧陰離子(O2-˙)、過氧化氫(H2O2)、羥基(OH-)、羥自由基(·OH)等[4]。腦缺血再灌注損傷過程中，ROS增多，發(fā)生氧化應(yīng)激的主要途徑如下：首先，缺血再灌注損傷時(shí)，線粒體中部分電子脫離電子傳遞鏈，導(dǎo)致氧氣的還原反應(yīng)不充分，致使ROS產(chǎn)生增加[5]。其次，缺血再灌注過程可激活黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶系統(tǒng)及一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)系統(tǒng)，促使ROS產(chǎn)生[6]；同時(shí)，腦缺血再灌注損傷過程可激活中性粒細(xì)胞發(fā)生呼吸暴發(fā)，產(chǎn)生大量的ROS[7]。最后，在腦缺血階段，抗氧化物生成減少，機(jī)體清除氧自由基的能力下降致使ROS在體內(nèi)堆積。研究表明，過量的ROS可誘導(dǎo)腦組織中的細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜中的脂質(zhì)成分發(fā)生過氧化[8]，誘導(dǎo)DNA、RNA、多糖等大分子交聯(lián)，使其失去活性[9]，從而損傷內(nèi)皮細(xì)胞導(dǎo)致血腦屏障破壞，促進(jìn)興奮性氨基酸釋放[10]，加重細(xì)胞死亡。

1.2 炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是腦缺血再灌注損傷的重要因素之一。腦組織發(fā)生缺血時(shí)，壞死細(xì)胞可釋放大量腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)、高遷移率組蛋白 1(high mobility group box 1，HMGB1)和熱休克蛋白60(heat shock protein 60，HSP60)等損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)[11]，并迅速激活神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞、腦血管內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞等表面的炎性受體，或通過髓樣分化初級反應(yīng)基因88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)使核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)觸發(fā)促炎因子基因的表達(dá)，促使炎癥反應(yīng)發(fā)生[12]。缺血再灌注期間，腦組織恢復(fù)部分或全部血供，血液中的中性粒細(xì)胞在趨化因子的作用下進(jìn)入腦組織，釋放ROS及金屬蛋白酶，促進(jìn)細(xì)胞死亡。同時(shí)，各類淋巴細(xì)胞，如CD8+T細(xì)胞、NK細(xì)胞，也會進(jìn)入腦組織，產(chǎn)生白細(xì)胞介素(interleukin，IL)等促炎介質(zhì)，進(jìn)一步加重炎癥反應(yīng)[13]。

1.3 鈣超載

腦組織發(fā)生缺血再灌注損傷時(shí)，有氧代謝減少，無氧代謝增加，ATP生成減少且耗竭加速，一方面導(dǎo)致各種電壓依賴性離子通道發(fā)生紊亂，使細(xì)胞膜去極化，引起K+外流、Na+和Ca2+內(nèi)流，造成細(xì)胞內(nèi)鈣超載[14]；另一方面，ATP減少也會抑制活性 Ca2+外流，限制內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (endoplasmic reticulum，ER)對鈣的再攝取，同樣引起鈣超載[15]。鈣超載可通過以下途徑加重細(xì)胞損傷：(1)激活磷脂酶C和磷脂酶A2，磷脂酶C可破壞生物膜，磷脂酶A2可使花生四烯酸生成增多，K+通道開放，細(xì)胞膜超極化，細(xì)胞外谷氨酸增多，谷氨酸受體被激活，引發(fā)神經(jīng)元急性水腫；(2)促進(jìn)5-羥色胺、彈性蛋白酶等的釋放，引起腦血管痙攣，加重腦缺血缺氧；(3)進(jìn)入線粒體影響呼吸鏈，致使大量ROS產(chǎn)生，加重細(xì)胞損傷；(4)激活NOS及鈣依賴蛋白酶，生成大量ROS，加重細(xì)胞損傷。

1.4 NO損傷

NO作為神經(jīng)組織中廣泛存在的一種化學(xué)物質(zhì)，在腦缺血再灌注損傷過程中是一把雙刃劍[16]。在腦組織中，L-精氨酸與氧氣在NOS的作用下生成NO。缺血再灌注損傷發(fā)生后，腦組織中的NO生成增加，適量的NO可擴(kuò)張血管，改善局部腦組織血供，減輕腦缺血再灌注損傷[17]。然而，過量的NO可通過多種機(jī)制加重腦缺血再灌注損傷：(1)NO可通過S-亞硝基化調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)信號通路，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生[17]；(2)NO可與ROS反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的過氧亞硝酸鹽，該物質(zhì)穿透力強(qiáng)，可介導(dǎo)蛋白質(zhì)酪氨酸硝基化、脂質(zhì)過氧化、線粒體功能障礙以及DNA斷裂，從而加重腦損傷[17-18]。

1.5 興奮性氨基酸毒性作用

興奮性氨基酸是指具有2個羧基和1個氨基的酸性游離氨基酸，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，包括谷氨酸和天冬氨酸。其中，谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)含量最高、分布最廣、作用最強(qiáng)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，是神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞缺血后誘導(dǎo)興奮毒性的主要貢獻(xiàn)者[19]。在急性缺血過程中，神經(jīng)元中的谷氨酸向細(xì)胞外釋放，形成細(xì)胞外高濃度谷氨酸環(huán)境，而此時(shí)細(xì)胞外谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(excitatory amino acid transporters 1，EAAT1)和EAAT2的表達(dá)迅速下降，使得胞外谷氨酸無法清除和代謝，造成谷氨酸在細(xì)胞外堆積[20]。缺血再灌注過程中，腦組織血流得以恢復(fù)，神經(jīng)元中的谷氨酸釋放減少，但無法快速恢復(fù)EAAT1和EAAT2的表達(dá)，故短期內(nèi)無法改變外高內(nèi)低的谷氨酸環(huán)境[21]。過量的谷氨酸一方面與其受體結(jié)合，激活細(xì)胞膜Na+-K+-ATP酶，導(dǎo)致大量 Na+和Cl-內(nèi)流，引起神經(jīng)元急性水腫；另一方面使細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流增加，加重鈣超載，致使興奮神經(jīng)元釋放有毒物質(zhì)，如ROS等，進(jìn)一步加重細(xì)胞死亡[22]。

2 MSCs對腦缺血再灌注損傷的保護(hù)作用

MSCs是一種多能干細(xì)胞，存在于骨髓、肌肉、脂肪等組織器官，具有較強(qiáng)的自我更新和多譜系分化能力、強(qiáng)大的旁分泌能力及良好的免疫相容性[23]。目前，MSCs已被應(yīng)用于心力衰竭、胃腸道疾病、皮膚燒傷等多種疾病的治療[24]。由于神經(jīng)細(xì)胞具有不可再生性，許多腦損傷過程不可逆。盡管腦卒中、外傷性休克、心臟驟停后腦缺血再灌注損傷的治療方案得以不斷完善，但仍需進(jìn)一步探索及創(chuàng)新[25]。近年來，隨著對MSCs研究的不斷深入，其對腦缺血再灌注損傷的保護(hù)作用值得期待[26-29]。

2.1 通過直接分化能力發(fā)揮保護(hù)作用

強(qiáng)大的分化能力是MSCs保護(hù)腦缺血再灌注損傷的主要機(jī)制之一。研究表明，MSCs具有分化為神經(jīng)元的能力。移植入體內(nèi)的MSCs可遷移至損傷區(qū)域，并分化為相應(yīng)的靶細(xì)胞[30-31]。Zhao等[32]研究表明，在大鼠腦卒中模型中，移植到皮層的骨髓MSCs可遷移至損傷區(qū)域，能夠在宿主的大腦中存活并分化為成熟的神經(jīng)元，從而改善腦缺血再灌注損傷?？梢姡琈SCs的分化能力是其保護(hù)腦缺血再灌注損傷的重要因素。

2.2 通過誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生及血管生成發(fā)揮保護(hù)作用

研究表明，MSCs可遷移至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，歸巢于缺血區(qū)域，通過旁分泌的方式在腦組織中釋放血管生成生長因子和神經(jīng)營養(yǎng)因子，包括血管生成素、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、成纖維細(xì)胞生長因子-2(fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、中性粒細(xì)胞活化蛋白-2(neutrophil activating protein-2，NAP-2)和血管內(nèi)皮生長因子[30，33]等，誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生及血管生成，激活內(nèi)源性神經(jīng)恢復(fù)過程，從而有助于腦缺血再灌注損傷的治療[34-36]。Jeong等[37]研究表明，骨髓來源的MSCs可增強(qiáng)內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生及保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免于凋亡，在腦缺血再灌注損傷中表現(xiàn)出一定的治療潛力。

2.3 通過減少氧化應(yīng)激發(fā)揮保護(hù)作用

MSCs可抑制ROS的產(chǎn)生從而減少腦缺血再灌注損傷后的氧化應(yīng)激。一方面，MSCs主要作用于細(xì)胞內(nèi)線粒體，介導(dǎo)腦缺血再灌注損傷后ROS的生成減少，從而減輕氧化應(yīng)激損傷。具體表現(xiàn)為MSCs將自身線粒體通過膜通道轉(zhuǎn)移給受損細(xì)胞，使其繼續(xù)進(jìn)行有氧呼吸及生成ATP，減少ROS的生成[19]。同時(shí)，MSCs還可通過減輕線粒體功能障礙而減少氧化應(yīng)激。Liu等[38]研究表明，嗅黏膜MSCs可上調(diào)UbiA異戊烯基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域1(UbiA prenyltransferase domain containing 1，UBIAD1)進(jìn)而減輕線粒體功能障礙，增強(qiáng)其抗氧化能力，對腦缺血再灌注損傷發(fā)揮保護(hù)作用。此外，Cao等[39]研究發(fā)現(xiàn)，人骨髓來源的MSCs可通過抑制NADPH氧化酶的表達(dá)，進(jìn)而減少氧化應(yīng)激?？梢?，MSCs可通過多種方式減少腦缺血再灌注損傷后的氧化應(yīng)激，進(jìn)而對腦組織發(fā)揮保護(hù)作用。

2.4 通過減少炎癥反應(yīng)發(fā)揮保護(hù)作用

研究表明，將MSCs移植體內(nèi)后，可通過多種方式調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、釋放多種細(xì)胞因子以調(diào)節(jié)腦缺血再灌注損傷區(qū)域的炎癥反應(yīng)。主要機(jī)制包括抑制NK細(xì)胞、B細(xì)胞以及T細(xì)胞的增殖，釋放轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)、前列腺素E2、HGF及IL-10等[40]。Huang等[41]研究表明，將MSCs與曾經(jīng)受氧和葡萄糖剝奪的神經(jīng)N17細(xì)胞共培養(yǎng)可恢復(fù)神經(jīng)N17細(xì)胞的長期增殖，降低其凋亡，同時(shí)還可降低腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)水平，從而減輕炎癥反應(yīng)。Yoo等[42]研究發(fā)現(xiàn)，MSCs通過降低單核細(xì)胞化學(xué)引誘蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)的上調(diào)以及CD68免疫細(xì)胞分泌TGF-β，進(jìn)而減少缺血性大鼠腦組織的炎癥反應(yīng)。Redondo-Castro等[43]研究表明，IL-1α可促進(jìn)MSCs啟動抗炎機(jī)制，減少小鼠腦缺血再灌注損傷模型中TNF-α和IL-6的分泌，進(jìn)而減輕炎癥反應(yīng)。尚羽等[44]研究表明，MSCs可通過抑制TLR4/NF-κB通路抑制腦缺血再灌注損傷后的炎癥反應(yīng)，從而發(fā)揮保護(hù)作用。此外，有研究指出，在心肺復(fù)蘇后全腦缺血再灌注損傷模型中，MSCs可上調(diào)M2巨噬細(xì)胞的表達(dá)，從而減輕炎癥反應(yīng)，對腦損傷發(fā)揮保護(hù)作用[45]。

2.5 通過影響鈣超載發(fā)揮保護(hù)作用

目前，關(guān)于MSCs通過影響鈣超載對腦缺血再灌注損傷神經(jīng)元發(fā)揮保護(hù)作用的相關(guān)研究較少。正常情況下，大腦組織中高爾基體常駐分泌途徑Ca2+-ATP酶(Golgi-resident secretory pathway Ca2+-ATPase，SPCA)高度表達(dá)，主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸Ca2+，而發(fā)生腦缺血再灌注損傷時(shí)，SPCA的表達(dá)明顯下降，從而加重鈣超載[46]。He等[47]研究發(fā)現(xiàn)，MSCs可拯救高爾基體并上調(diào)SPCA，從而緩解鈣超載現(xiàn)象，對腦缺血再灌注損發(fā)揮保護(hù)作用。此外，Turovsky等[48]研究表明，MSCs外囊泡的分泌可減輕缺血模型中的鈣超載，從而對神經(jīng)元發(fā)揮保護(hù)作用。

3 小結(jié)與展望

綜上，MSCs可通過直接分化替代神經(jīng)元以及影響腦缺血再灌注損傷的病理生理過程而發(fā)揮保護(hù)作用。然而，關(guān)于MSCs與腦缺血再灌注損傷的機(jī)制仍未完全明確，且目前研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡、銅死亡等亦是腦缺血再灌注損傷的重要機(jī)制之一。故未來的研究方向可著眼于以下方面：第一，更全面地探索MSCs與腦缺血再灌注損傷的其他病理生理機(jī)制(如鐵死亡、銅死亡、NO、興奮性氨基酸毒性作用等)之間的關(guān)系；第二，MSCs在心肺復(fù)蘇后全腦缺血再灌注損傷中的作用。

作者貢獻(xiàn)：汪杰、李湘民負(fù)責(zé)論文構(gòu)思和框架構(gòu)建；汪杰負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索及論文撰寫；李湘民負(fù)責(zé)論文指導(dǎo)及修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突