脊髓缺血再灌注的机制及防治研究进展

冯玉涛，严冬雪

（桂林医学院附属医院脊柱骨病外科，广西 桂林 541000 ）

0 引言

脊髓缺血再灌注损伤(spinal cord ischemia-reperfusion injury, SCII)是原发的脊髓损伤的继发伤害，表现为缺血脊髓组织损伤后恢复血液灌注，脊髓组织的损伤反而加重，可导致神经系统相关并发症[1]。而脊髓损伤的首要原因为交通事故，占到46.9%。其次是工伤事故，占到33. 1% ，其他损伤包括运动失误、生活中的损伤、火器伤及锐器伤等[2]。Mccord[3]于1985 年正式提出了缺血再灌注损伤的概念，其发病机制涉及众多、过程错综复杂，长年以来受到许多临床医生及基础研究工作者的广泛重视，但脊髓损伤后进行性缺血的确切机制还不清楚,一般认为既有全身性因素也有局部因素，治疗方法也是多种多样，但最终还是以对症处理为主，本文就如何有效预防SCII 的治疗进行阐述。

1 SCII 发病机制

SCII 发生及进展的病理生理过程非常复杂，其发病机制也是众说纷纭。现在普遍认为损伤过程涉及多个不同环节、多个途径相互作用的结果，但是其发病机制还是主要集中在以下几个方面。

1.1 脊髓损伤后局部离子浓度变化

大多数生物信息传导依赖于离子或电压门控通道，研究表明，SCI 后局部离子浓度出现改变，其中主要与 Na+ 和 K+ 密切相关。研究认为Ca2+超载是神经细胞损伤的主要通路, 近年来已被许多研究证实与SCII 的关系密切。LoPachin 等[4]认为轴突内Na+的增加以及K +的丧失和轴突去极化。这些条件有利于Na+和Ca2+的交换，其促进破坏性轴突外Ca2+的进入和随后的Ca2+介导的轴突变性。脊髓缺血缺氧后大量 Ca2 +通过钠钙逆向交换 、电压依赖型 Ca2+通道内流、AMPA 受体通道,随后细胞内的Ca2+浓度上升。线粒体内的含磷酸根的化合物与超载的Ca2+相结合，形成不溶性磷酸钙，导致线粒体功能障碍，从而影响ATP 的生成，进而导致神经细胞凋亡。

1.2 氧自由基介导的脂质过氧化作用

人体内存在少量活性氧自由基可完成正常生理功能，而过多的氧自由基则会对组织造成损伤，尤其是脂质含量丰富的脊髓和大脑。Peasley[5]研究在发生自由基和脂质过氧化情况下，丙烯醛可能在细胞破坏和功能丧失中发挥关键作用。缺血时ATP 分解产生ADP、AMP 和次黄嘌呤,再灌注发生时大量氧气及血液进入组织,氧气接受电子,使得次黄嘌呤转变为黄嘌呤时产生大量氧自由基。产生的氧自由基则会损伤神经细胞，导致细胞膜受体及离子通道等脂质微环境发生变化,生物膜损伤后,细胞通透性改变,会使Ca2+超载加重，随后引发一系列生理反应。从而说明氧自由基和脂质过氧化在SCII 细胞破坏及功能下降中起重要作用。

1.3 炎症反应

炎症反应在SCII 过程中起着重要作用。在缺血-再灌注期间，损伤部位释放大量的炎性细胞和趋化因子，包括炎性介质（TNF、IL-6、IL8）、趋化因子(CXCL1、CXCL12)、细胞间粘附分子(intercellular adhesion molecule)、兴奋氨基酸、补体、一氧化氮、蛋白酶等。有研究已经证实 SCI 中存在早期及迟发性炎症反应[6]。Chikawa 等[8]研究发现SCII 运动神经元的损伤程度与 IL-1β 与TNFα 的mRNA 表达有关，并且能够诱导ICAM-1 的表达放大炎症级联继而加重细胞损伤。总之，多因素炎症过程是脊髓损伤后继发性损伤的驱动力。炎症引起的有害作用是非常复杂的，其机制已被不完全表征。这种炎性介质可放大氧化应激、促炎细胞因子和趋化因子、NO 系统紊乱、补体级联刺激和内皮屏障功能受损，最终导致轴突和神经变性。总的来说，炎症程度与SCI 患者的严重程度和功能下降有关[7]。

1.4 兴奋性氨基酸

谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统(CNS)的主要兴奋性神经递质，是神经发育、突触可塑性、学习和记忆的重要神经递质 生理条件下的[9]。兴奋性氨基酸通过称为谷氨酸受体的一系列受体发挥作用，当神经细胞发生缺血时，细胞提供的能量降低，其作用可以直接抑制谷氨酸转运体的功能，使得谷氨酸堆积，激活谷氨酸受体；另外由于过度激活谷氨酸受体，导致细胞内外NA+、CA2+稳态失衡，使得谷氨酸转运功能反转，加重谷氨酸超载[10]。细胞间隙堆积过多谷氨酸使谷氨酸受体超过度激活，引起神经细胞内Ca2+超载、NO 生 成 增 多等 级 联 式 毒性 反 应，最终损伤细胞[11]。

1.5 细胞的凋亡

细胞凋亡在发生脊髓缺血再灌注的过程中起到重要作用。有研究表明细胞发生缺血时，运动神经元细胞延迟性和选择性死亡是凋亡而非坏死，并推测其危害堪比细胞坏死[12]。SCII 后有一系列基因诱导表达,目前发现主要的抗凋亡基因包括 Bcl-2,热休克蛋白 (heatshockproteins, HSPs),血色素氧合(hemeoxygenase, HO)， 肿瘤坏死因子(TNF)等。其中热休克蛋白(heat shock proteins, HSPs)是机体受到应激后保护细胞或组织,使其免受进一步伤害的重要分子之一,在脊髓损伤后表达升高,并通过促进血管生成、抑制炎症反应、抑制神经元凋亡、抗氧化应激等作用减缓脊髓损伤的进一步加重[13]。自噬是一个高度保守的自我消化过程，这是维持稳态和生存能力的关键，以应对营养饥饿，并通过自噬体-溶酶体途径回收受损的细胞器、蛋白质、衰老细胞及有毒物质[14]。细胞凋亡和自噬同时存在于SCII 过程中，清除损伤的细胞及降解细胞内分子，共同维持内坏境稳态。

1.6 血 -脊髓屏障通透性改变

血脊髓屏障(BSCB)是调节血管与脊髓实质之间分子运动的保护屏障。类似于血脑屏障在维持中枢神经系统的稳态和内部环境稳定性方面，BSCB 起着至关重要的作用[15]。基质金属蛋白酶(MMPs)是一个细胞外锌和钙依赖性内肽酶家族，可降解细胞外基质(ECM)和其他细胞外蛋白[16]。MMPs是诱导BSCB 通透性增加的一个重要因素，其中MMPs 的过度蛋白水解活性可能是有害的，并引起许多病理条件，使BSCB 破坏并导致通透性增加。MMP-9 是SCI 早期发病机制的重要介质，可导致血管通透性和炎症异常，而MMP 在早期损伤被阻断可减轻血管受损，改善运动恢复[17]。

2 SCII 的防治

SCII 的预防及治疗方法，主要是针对其发病机制，减少有害环节及物质的生成，增强保护因素并提高组织对缺血缺氧的耐受能力[18]。本文主要总结以下几种近年来常见治疗方法的机制和疗效。

2.1 激素及神经营养药物

以MP 为代表的糖皮质激素在临床上较为常用， 经常用于治疗急性脊髓损伤，有证据表明在全国急性脊髓损伤调查(NASCIS)II 和NASCIS III 研究中MP 显示了其益处，然而这些发现没有在其他研究中被证实，并且MP 的使用正变得越来越有争议[19]。NASCIS 研究建议使用高剂量MP 治疗(负荷剂量为30mg/kg 重量和维持剂量为5.4mg/kg/h)，可使热休克蛋白高表达。小剂量治疗则是于手术前及手术后予小剂量地塞米松可减少炎症介质释放。虽然近年来有学者对大剂量激素冲击疗法的有效性及副作用提出质疑，但临床对于MP预防和治疗SCII 作用目前仍被认可并广泛使用。神经营养药物常用的有神经节苷脂（GM-1）及各种神经神经生长因子， GM1 对caspase-3 和NGF 的表达有明显的影响，能够下调caspase-3 的表达，上调NGF 的表达，其中神经节苷脂具有抗炎和抗凋亡作用，从而达到达到其对SCI 的治疗效果[20]。大量文献报道神经节苷脂具有神经保护和促进神经损伤修复的作用。Caspase-3 是一种凋亡因子，NGF 是一种神经生长因子，caspase-3 和NGF 在各种疾病中起着重要作用。神经节苷脂是糖磷脂含有唾液酸。

2.2 低温治疗

亚低温治疗作为重型颅脑损伤的治疗手段之一起自80 年代中后期, 低温可分为4 种不同水平: 轻度低温（32℃～35℃），也称浅低温；中度低温（28℃～32℃);深 低 温（17℃～ 27℃）;超深低温（2℃～16℃）,前两者合称亚低温[21]。近年来, 大量动物研究以及临床试验表明, 亚低温治疗在脑卒中治疗中有明显的神经保护作用。研究发现预防性亚低温保留了后肢运动功能，减少了灰质和白质的神经元死亡和星形胶质细胞增生轻度低温（35℃）即可有效减轻兔脊髓缺血性损伤，提高双下肢神经功能评分，以证明亚低温对预防缺血再灌注有一定的疗效[22]。低温处理可降低能量的产生以及酶活性,抑制炎性介质的释放,减少Ca2+超载,减轻神经细胞损伤, 从而起到对脊髓的保护作用。

2.3 高压氧治疗

HBO 通过几种机制发挥作用， 第一种可能的机制可能是HBO 通过改善氧气输送到血流减少的区域来对抗缺氧和减少SCII 的发生。其二，通过减少缺氧缺血，HBO 减少缺氧引起的所有病理事件，包括组织水肿、细胞通透性增加、组织缺血所致紊乱代谢和炎症。第三，HBO 可能直接影响对氧或缺氧敏感的细胞凋亡、信号转导和基因表达。HBO 不仅通过血液携带，而且还通过间质组织的扩散提供细胞水平的氧气库，在这些组织中，氧气浓度可能会持续几个小时， 改善内皮功能和流变学，减少局部炎症和水肿[23]。

2.4 缺血预处理

缺血预处理是短暂阻断缺血耐受能力强的组织或脏器血流,以减轻远端组织或脏器之后更严重的再灌注损伤。细胞外谷氨酸和NMDA 受体激活的过度升高会导致Ca2b 稳态紊乱，从而诱导多个信号通路的激活，并与之相关神经细胞死亡。目前的研究表明，RIPC 可防止SCI 诱导的谷氨酸浓度和NR2B 表达的增加[24]。在目前的研究中，缺血预处理可能通过防止NMDA 受体过度激活来减轻SCI 后谷氨酸浓度的增加，抑制NR2B 的表达。

2.5 中医药治疗

近年来中医药对于SCII 的研究也在快速发展，并有许多研究证实中医药治疗有效。有研究证明素能够明显降低脊髓缺血及再灌注时血浆 MDA 值,保护 SOD 活性,增强机体的抗氧化损害能力[25]。并且还有抑制NA+通道、拮抗兴奋性氨基酸等作用。人参皂苷通过促进survivin 蛋白的表达降低caspase-9 表达以及降低胞质AIF 的水平介导大鼠脊髓缺血再灌注损伤造成的细胞凋亡[26]。电针重复预处理通过拮抗Ca2+超载，从而起到保护神经细胞的作用[27]。红花注射液可减轻细胞的脂质过氧化反应，通过抑制缺血再灌注期间Caspase-3 表达水平从而减少神经细胞的损伤，达到保护神经细胞的作用。

3 小结与展望

现如今SCII 发病率逐年升高，随之而来的感觉障碍、截瘫、全瘫痪甚至死亡，严重威胁患者的生活质量，所以如何有效防治SCII 的发生尤为重要。SCII 发病机制涉及过程错综复杂，但脊髓损伤后进行性缺血的确切机制还不清楚,治疗方法也是多种多样，但目前防治方法无法从根本上防治疾病的发生，所以还需要做更多的实验研究，努力在脊髓缺血再灌注的防治方法上取得更大的进展，才能减轻患者疾病的痛苦及提高患者生活质量。