低温治疗脑损伤的相关分子和细胞通路研究进展

陈帅+黄克刚

[摘要] 急性脑损伤发病机制尚未完全阐明，目前在临床上无特效治疗方法，病死率较高。低温能降低机体代谢，低温可以保护神经元免受损伤，阻滞神经胶质细胞的激活（尤其是小胶质细胞），缓解内皮和血脑屏障的功能障碍。另一方面，低温可以改变细胞内的信号通路、基因调控系统和细胞的微结构。本文就低温治疗脑损伤的相关分子和细胞通路的研究进展进行简要综述。

[关键词] 低温；急性脑损伤；脑保护

Molecular and cellular pathways of low temperature in treatment of brain injury

CHEN Shuai HUANG Kegang

ICU， Qinzhou First People's Hospital of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Qinzhou 535000， China

[Abstract] It has not been fully elucidated to the pathogenesis of acute brain injury， which has high mortality rate. Low temperature can protect neurons， block glial cell activation（especially microglia） and alleviate the dysfunction of endothelium and blood brain barrier by reducing the metabolism. On the other hand， low temperature can change cellular signal pathways， gene regulatory system and cell micro-structure. In this review， we summed up there lated molecules and cellular pathways of low temperature to treat brain damage.

[Key words] Hypothermia； Acute brain injury； Cerebral protection

体温的改变可以干扰机体的内环境稳态，引起分子、细胞以及整个机体系统等各个水平的改变。现已证明，低温可以保护神经元免受损伤，阻滞神经胶质细胞的激活（尤其是小胶质细胞），缓解内皮和血脑屏障的功能障碍[1]。小胶质细胞维持脑内神经脉管的营养，是调节炎症和血脑屏障功能的主要细胞，所以治疗性低温的保护性机制除了直接保护神经元免受损伤以外，还包括保护其免受炎症和血脑屏障异常所诱导的二次损伤。另外，低温可以改变细胞内的信号通路、基因调控系统和细胞的微结构。当治疗性低温应用于脑损伤模型，如外伤性脑损伤、中风、心脏停搏、围产期窒息、主动脉瘤破裂等等，由于脑组织损伤时异常的病理环境，低温诱导的分子机制会变得更加复杂。所以，在研究过程中除了低温本身，还要去除损伤相关的干扰。一般来说，低温效果及机制的不同依靠降温的深度，低温分为轻度（32℃～35℃），中度（28℃～32℃）和重度（低于28℃），目前大多数低温研究都集中于轻度和重度低温。保护性低温机制的研究可为将来发展保护性药物提供有力的支持和线索。

1 低温治疗脑损伤相关的分子和细胞通路

1.1 低温诱导的信号通路改变

近年来，微点阵研究的发展为低温治疗在转录水平提供了大量的信息。低温治疗后，大量的候选基因被筛选出来，其功能也被逐一研究，大部分集中于细胞死亡或活力、炎症和氧化自由基相关的基因。

1.1.1 MAPK通路 已经证实，低温可以诱导许多细胞内信号的级联反应，最常见的是细胞分裂素活化蛋白激酶（MAPK）通路[2]。MAPKs是丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白酶，依赖于细胞外刺激如分裂素、应激或休克、炎症等发挥作用。MAPKs调控各种细胞行为，包括基因诱导、细胞活力和死亡等。有文献报道，低温可激活细胞外的信号调节激酶-1/2（ERK1/2），促进其保护性作用[3]；而有文献报道低温可阻断ERK1/2的激活，抑制炎症和细胞死亡的发生[4]。结果看似是相反的，但是实际上是因为ERK1/2的作用是双向的，低温增加了其保护性作用，降低了其有害作用。JNK（Jun N-terminal kinase）是MAPK家族的另外一个成员。低温通过早期抑制JNK的激活，后期预防细胞凋亡或死亡来保护缺血内皮细胞、外伤性脑损伤和血脑屏障损伤。低温对p38的作用与JNK相似，通过抑制p38的激活来抑制炎症、凋亡和内皮功能障碍。所以，抑制p38或p38信号通路中的某个因子可能是一个低温治疗靶向。总之，轻度低温可抑制MAPK通路有害的方面，促进保护性的方面。而对于重度低温，低体温则由p38、ERK1/2和核因子kappa B（NFγB）共同调节[5]。

1.1.2 NFγB NFγB是一种控制DNA转录的蛋白质复合物。几乎所有的动物细胞受到刺激后均会产生NFγB。NFγB在免疫反应和炎症的调控中起着重要的作用。很多研究均显示，低温可以下调炎症相关的NFγB活性。但是，另外一些研究发现低温可增强NFγB的活性。深度低温的复温过程中也可以发现NFγB的表达增加[6]。虽然目前这些相矛盾的结论还尚未清楚，但是研究低温诱导的NFγB活性变化对于更好地理解低温的细胞分子机制是非常必要的。

1.1.3 STAT家族 信号传导子及转录激活子（STATs）是一个转录因子家族。局部缺血模型中，STAT3和STAT5具有神经保护性。STATs在线粒体介导的神经保护中产生的缺血预适应也发挥作用。常温下缺血-再灌注能够引起磷酸化的STAT-1和STAT-3显著增加，而中度低温则使其下降，趋于正常[7]。Choi等也报道，轻度低温可以使中风动物模型的血管系统中STAT-3和细胞内黏附分子磷酸化水平降低[8]。但是，严重低温条件下STAT-3被激活，引起肿瘤坏死因子（TNF）表达下降，从而产生抗炎症反应，保护肝脏[9]。也就是说，低温都会引起抗炎症反应，但是其作用机制要依赖于低温的深度。

1.1.4 PI3K/Akt Akt是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在多个细胞过程包括葡萄糖代谢、细胞增殖、凋亡、转录和细胞迁移中起关键作用。术后低温条件通过Akt1可以抑制细胞的线粒体凋亡途径，Akt1活性下降会加剧中枢系统的缺血/再灌注。Akt可能是术后保护脑损伤的一种潜在的分子治疗靶向。另外，Akt通路活化不仅在脑损伤模型中，而且在其他组织系统中也可以起到一定的保护作用。例如，低温治疗可以提高Akt的活性，从而保护心肌细胞减少凋亡。治疗性低温可以通过增强Akt信号通路，减少细胞凋亡，缓解多种微生物脓毒败血症模型大鼠的肝损伤[10]。

1.1.5 PTEN PTEN（磷酸酯酶-张力蛋白同系物）是一个与低温保护性密切相关的非常著名的存活因子。低温抑制大脑局部缺血/再灌注引起的GluR6-PSD95-MLK3信号分子增加是其中的一种保护性机制[11]。低温能够减少脑缺血大鼠模型的脑组织氧化性DNA损伤和细胞死亡前信号通路的激活。低氧也可以改变其他的信号通路，如钙离子通路和三磷酸腺苷等。轻度的低温通过修复钙离子/钙调蛋白依赖的蛋白酶Ⅱ介导的信号通路，可以延迟神经元损伤。低温还可以显著增加AMP依赖的蛋白激酶的磷酸化水平[12]。值得注意的是不同的低温条件如低温持续时间和温度的差异可以导致信号系统的不同响应性，损伤模型的不同也导致了结果的复杂性。

1.1.6 其他 目前，还有一些研究集中于c-fos、c-jun、zif/268、pCREB和AP-1。另外，低温可以抑制低氧诱导因子-1 alpha（HIF-1 alpha）的合成及其介导的基因表达。HIF 家族是对细胞环境中的氧反应敏感的一类转录因子，在低氧状态下呈高表达[13]。

1.2 低温诱导的细胞结构改变

1.2.1 脂质 低温治疗中，细胞结构的变化很大程度上依赖于温度下降的程度。脂质是细胞的主要成分，细胞膜的脂质组分随着外部环境的变化而改变。细胞膜和细胞器的脂质组成参与细胞对低温的适应过程。低温状态下，神经胶质细胞核的胆固醇含量以及胆固醇/磷脂比增加，微粒体的磷脂酰肌醇的比例降低。另外，冷的环境可引起细胞能量代谢加快，低温可以增加机体内的脂解作用、自由脂肪酸转换率和甘油三酯/自由脂肪酸循环，从而增加储存的甘油三酯对能量消耗的反应。

1.2.2 树突棘 神经元树突棘的形状可以影响突触传递的多个关键步骤，包括突触后神经递质受体的分布、突触后离子流、突触前神经递质释放等。低温可以使树突棘形状发生改变。树突棘对低温高度敏感，低温情况下肌动蛋白快速失去活力，导致可逆的棘的形态改变，从而影响突触转运。低温导致的突触棘形态改变可以显著影响脑功能[14]。

1.2.3 血脑屏障（BBB） 血脑屏障是低温的重要靶标。只有维持血脑屏障的完整性，才能保证正常的脑环境。脑损伤使血脑屏障受损，血脑屏障受损就不能保护大脑免受脑水肿及颅内压升高带来的损伤，从而威胁生命。目前，低温对血脑屏障影响的研究很多。已经证实，低温可以保护血脑屏障的结构和功能，其机制主要是维持血脑屏障中血管基底膜蛋白[1]以及其他组成蛋白的含量，减少基质金属蛋白酶的表达[15]，增加组织抑制子的表达。

低温除了直接保护血脑屏障的完整性，还会影响周细胞迁移、多药抑制蛋白1-介导的跨上皮转运和转录因子表达。血脑屏障受损增加水通道蛋白-4（AQP-4）的表达，轻度低温通过抑制AQP-4蛋白的表达水平，显著降低颅内出血引起的脑水肿形成[16]。

2 药物和低温结合治疗脑损伤相关的分子和细胞通路

外伤性脑损伤或中风患者一般会接受多种药物治疗。当药物治疗结合低温治疗时，药物和低温之间的相互作用也应该考虑。当整个机体体温较低时，药物代谢、清除以及摄取受到影响。脑局部低温可能更适合治疗中枢神经系统（CNS）损伤。

2.1 低温和药物相互作用

低温对神经系统的保护作用机制包括代谢和血液动力学、中毒、血脑屏障、钙依赖的细胞内化信号通路、炎症、水肿和神经细胞死亡。这些机制能被许多药物调节。有文献报道，低温能保护星形胶质细胞抵制缺血/再灌注导致的损伤，而天然产物银杏糖甙可以影响低温的效果[17]。Schmitt等[4]发现，类固醇甲基氢化泼尼松可以减轻低温/复温诱导的细胞毒性和星形胶质细胞、神经元、小胶质细胞释放IL-6。低温可以诱导神经元轴突生长，神经胶质钙结合蛋白通过抑制这个过程，不同程度地影响细胞因子的释放，直接对脑细胞产生细胞毒性。轻度低温阻滞创伤诱导星形细胞表达外周苯二氮■受体（PBR），降低神经甾体的产生，从而减轻星形胶质细胞溶胀和水肿[18]。

2.2 药物诱导产生的低温

大麻素是一类从植物（植物性大麻素）、动物神经免疫系统（内源性大麻素）提取或人工合成（合成性大麻素）的化学物质。大麻素调控神经兴奋性，参与不同的生理过程，如情绪、食欲、记忆、痛觉等。大麻素通过与大麻素受体-1（CB1R）和受体-2（CB2R）两种受体结合起作用。神经胶质细胞、星形胶质细胞和大脑微血管上皮细胞均表达CB2R，调控细胞的免疫和炎症反应。神经变性疾病或局部缺血发生时CB1R表达增加，可以调节大麻素产生的低温效应[19]，且CB1R激动剂HU-210可通过诱导低温而减轻局部缺血产生破坏。CB1R可增加下丘脑前核和体温中枢GABA的释放。因此，大麻素的神经保护功能与药物诱导的低温密切相关。同样，二氢辣椒碱（DHC）也可以诱导猴子和牛轻度治疗性低温[20]。

3 讨论与展望

治疗性低温可以全身应用或局部应用。因为全身性低温副作用较大，部分患者会出现感染、心律失常、低血钾和凝血紊乱等，所以局部低温治疗被认为是一种可广泛应用的降温方法。治疗性低温引起了医疗工作者极大的兴趣，其过程中起保护作用的分子机制也得到了深入的研究。由于全身性低温的局限性，基于其分子机制的靶向性低温治疗将促进副作用小、疗效高新药物的发展。而且，药物和局部低温结合治疗将成为未来研究的核心。例如，低温治疗的一个主要机制就是减弱神经系统炎症。而目前，伴随大量抗炎药物的问世，局部低温可能为其提供了一个协同神经保护策略。同时，低氧诱导药物如大麻素和二氢辣椒碱也可能参与局部降温作用，以得到更好的神经保护作用。

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