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实验性蛛网膜下腔出血凋亡机制及干预治疗研究

?综述?

实验性蛛网膜下腔出血凋亡机制及干预治疗研究

赵炜疆 秘勇建

DOI:10.3877/cma.j.issn.1674唱0785.2011.23.079作者单位:515041 广东省,汕头大学医学院神经科学中心

通讯作者:赵炜疆,Email:neuromancn@yahoo.com.cn

大量临床及实验证据表明,急性蛛网膜下腔出血(subarachnoidhemorrhage,SAH)可引起局灶或广泛脑功能破坏,包括脑水肿和脑肿胀、颅内压增高、脑血流和灌注压下降以及脑代谢破坏,与超氧化现象有关的自由基生成,大血管和血脑屏障微血管的改变,并伴有提示神经症状和意识损害的行为学改变[1唱3]。尽管如此,继发性脑损害和迟发性脑血管痉挛(cerebralvaso唱spasm,CVS)的确切分子学机制仍有待深入探讨。Zubkov等

[4]首次在死于动脉瘤破裂后严重CVS的患者动脉观察到内皮细胞中以核染色体聚集和基底膜分离为特征的凋亡性改变,拉开了从凋亡角度认识和实验性治疗SAH的序幕。一、SAH时凋亡的形态学和生物化学表现

CVS是指SAH后大脑底部大容量动脉的迟发性缩窄,作为SAH最严重的并发症,可引起弥漫性脑水肿和迟发性缺血性

神经损伤,是SAH致死、致残的首要原因[5]。犬二次注血SAH模型研究表明,从SAH的3d开始,内皮细胞出现凋亡样改变,表现为核周边染色质凝集、细胞膜发泡及细胞质固缩,这一变化随时间进展,并于SAH的7d达到高峰,首次揭示痉挛基底动脉中内皮细胞凋亡样改变的时相规律,提示凋亡可能在CVS的病理发生中发挥重要作用

[6]。SAH后CVS是一个长期的血管收缩过程,可引起脑缺血或脑梗死。血管痉挛期间的形态学研究表明平滑肌细胞广泛坏死,内皮细胞脱落及营养不良。Ogihara等[7]以浓度和时间依赖的方式用氧合血红蛋白(OxyHb)处理牛主动脉内皮细胞,发现OxyHb能以浓度及时间依赖的方式降低细胞密度。DNA分析显示以凋亡为特征的核小体间的剪切变化(DNA梯带)。透射电镜显示OxyHb处理的内皮细胞中核凝集以及凋亡体的形成,免疫印迹表明116kD的PARP被剪切成85kD的凋亡相关片断。电压依赖性钙离子通道阻断剂(尼卡地平),非电压依赖性钙离子通道阻断剂Econazole以及无机的Ca

2+通道阻断剂镧(lanthanum)均未能阻止OxyHb引起的细胞分离或DNA梯带形成

[8],提示这种凋亡性改变具有非Ca2+依赖性。Matz等[9]经CD唱1小鼠右顶叶皮层注射50μl自体血液溶解物,24h发现皮层组织TUNEL染色阳性,以靠近SAH部位最

为丰富,注射了血液溶解物的小鼠脑组织电泳表现DNA梯带提示凋亡,这表明蛛网膜下腔血液与DNA片段化和凋亡性细胞死亡有关。Nau等[10]在SAH病例中,齿状回可观察到4畅0/mm2

的凋亡神经元,于发病24h~11d齿状回神经元凋亡最多。二、SAH后继发性脑损伤和CVS的主要凋亡通路Fas和TNF唱α受体1(TNFR1)是与凋亡关系密切的两种死亡结构域受体,在胞外它们分别与死亡诱导配体(DILs)中的Fas唱L(CD95唱L)及TRAIL(TNF唱relatedapoptosis唱inducingligand)结合而活化,在胞内两者又与各自不同形式的丝氨酸磷酸化的适配蛋白FADD及caspase唱8前体共同组成死亡诱导信号复合体(DISC),使caspase唱8前体发生自身催化,成为有活性的caspase唱8。caspase唱8随后激活caspase唱3和caspase唱7,两者都能参与PARP(polyADP唱ribosepolymerase)的剪切。在该途径中caspase唱8借助死亡受体将细胞外事件转化为细胞质事件,活化caspase唱3还可通过切割caspase唱8前体将死亡信号放大。Kimura等[11]用TNF唱α、IL唱β处理培养的脑微血管内皮细胞,结果TNF唱α和IL唱1β可引起细胞以剂量依赖的方式出现分离,并于SAH24~72h产生DNA梯带形成。TNF唱α还可将116kD的PARP剪切成85kD的片段,并于孵育24~72h后增强内皮细胞caspase唱3活性,诱导脑血管内皮细胞凋亡。IL唱1β减少贴附细胞数,产生DNA梯带,但不能剪切PARP或增加caspase唱3的活性,表明IL唱1β可通过与TNF唱α不同的通路来诱导内皮细胞凋亡。有研究表明血流持续保持在基线30%水平与炎症反应明显相关,且TUNEL阳性区域与炎症反应高度吻合,Nestin、ED1、OX6以及细胞间黏附因子和肿瘤坏死因子呈免疫强阳性,以靠近外溢血液的脑组织反应为著[12]。

以OxyHb处理培养的牛脑血管内皮细胞,可以时间依赖的方式产生细胞分离并增加细胞中caspase唱8和caspase唱9的活性。z唱IETD唱fmk和z唱LEHD唱fmk(100microM)可削弱OxyHb诱导的细胞缺失,DNA梯带以及PARP水解剪切,这些结果提示

caspase级联反应参与了OxyHb诱导的细胞凋亡[13]

。SAH7d后,痉挛基底动脉内皮细胞呈现TUNEL、PARP和caspase唱3及caspase唱8染色阳性,荧光双标提示TUNEL与caspase唱3和TNFR1共存。Ac唱DEVD唱CHO和Z唱VAD唱FMK可防止内皮细胞的凋亡,减少血管造影性CVS,进一步提示内皮细胞凋亡过程中有TNFR1、caspase唱3和caspase唱8通路的卷入[14]。大多数情况下凋亡出现于大脑内皮细胞,部分出现于海马神经元,还有较少量出现于大脑皮质。相应地也可观察到血脑屏障(blood唱brainbar唱rier,BBB)通透性和脑水含量增加,同时伴有神经损伤及高死亡率。z唱VAD唱FMK可抑制内皮细胞TUNEL和内皮细胞caspase唱3染色,降低caspase唱3活性、BBB通透性,缓解血管痉挛,抑制脑水肿和改善神经系统症状

[15],提示z唱VAD唱FMK对SAH后早期脑损伤的主要作用与其对大脑内皮细胞的神经保护作用、减少BBB损伤有关。

三、SAH后其他凋亡通路

Ostrowski等[16]使用EVP大鼠模型也观察到HIF唱1α和其靶蛋白VEGF和BNIP3表达变化,与凋亡性细胞死亡和BBB通透性增加有关,并指出组织学上脑损伤的早期变化与HIF唱1α与BNIP3及VEGF的蛋白质表达有关。HIF唱1α阳性染色亦提示HIF唱α可能通过caspase唱8和p53相关机制触发凋亡性级联反应。免疫组化显示受损CA1细胞出现HIF唱1α强染色,然而,在其他区域许多细胞尽管HIF唱1α染色阳性,但其形态结构保持不变,表明HIF唱1α诱导的细胞死亡具有时段性。

研究显示SAH后海马小血管内皮细胞p53凋亡上调调节因子(p53upregulatedmodulatorofapoptosis,PUMA)、BAX、BAK、GRP78表达增高,同时伴有内皮细胞凋亡,提示PUMA可能借助内质网诱导内皮细胞凋亡,在SAH后BBB破坏中发挥重要作用。使用siRNA阻断PUMA活性有助于减轻BBB破坏后脑水肿加重,保护脑功能完整性、降低死亡率[17]。

四、凋亡调控与SAH

1.Bcl唱2蛋白家族:Bcl唱2家族两组功能相互对抗的蛋白组成,主要通过调节细胞色素C的释放而间接影响caspase唱3的激活。Bcl唱2、Bcl唱XL、Bcl唱w具有抑制凋亡的作用,而Bax、Bad、Bid和Bim具有促凋亡的作用,其中Bcl唱2、Bcl唱XL和Bax与caspase唱3的关系较为密切。

生理状态下,哺乳动物细胞中的Bcl唱XL与caspase唱9共同竞争Apaf唱1的结合位点,抑制Apaf唱1与caspase唱9前体结合,从而抑制caspase唱3的激活[18]。OxyHb可在体外以时间和浓度依赖的方式诱导牛动脉内皮细胞Bax表达明显提高,Bcl唱2表达明显下降,以72h为著[8]。

2.Calpain与caspase唱3:Yamaura等[19]使用犬二次注血法制备犬基底动脉痉挛模型发现μ唱calpain通常在痉挛早期被显著激活并处于适度激活状态,诱导更多蛋白质水解。Minami等[20]采用成年蒙古犬两次出血制备CVS,于出血第7天经斜坡入路暴露痉挛的基底动脉,给予选择性calpain抑制剂calpeptin可扩张痉挛动脉。大鼠枕大池注血400μl致SAH5min连续给予calpain抑制剂Ⅱ2d可明显改善行为障碍,缓解体重降低,减轻BBB通透性[3,21],提示calpains与caspases之间的相互作用和调控在SAH中发挥作用。

核因子网织红细胞2相关因子2(thenuclearfactorerythroid2唱relatedfactor2)和抗氧化剂反应原件(antioxidant唱responseel唱ement)通路(Nrf2唱ARE)是炎症和氧化损伤的重要调节物。SAH后Nrf2及其靶基因产物血红素加氧酶1表达上调并于SAH24h后达到高峰,在早期脑损伤发生中发挥有益作用,可能系通过诱导抗氧化和净化酶来抑制氧化应激[22]。

五、凋亡抑制在SAH中的作用

z唱IETD唱fmk和z唱LEHD唱fmk可抑制OxyHb诱导的血管内皮细胞caspase唱8和caspase唱9激活[13]。体外研究表明10μmol/L的caspase唱3抑制剂可明显预防TNF唱α诱导的caspase唱3活性增加[11]。在犬二次注血模型中,SAH2~6d分别经皮下注射caspase唱2抑制剂z唱VDVAD唱fmk,均可阻断内皮细胞凋亡,且caspase唱3抑制剂对造影下CVS的抑制作用接近显著性,达13畅3%[23]。另有研究发现caspase唱8和caspase唱9抑制剂不能保护BBB,表明需及早应用多抑制剂以便更有效抑制凋亡[24]。

此外,实验性SAH研究表明Epoetin唱α可防止脑血流自主调节丧失,其神经元保护机制与预防谷氨酸诱导的兴奋性毒性抑制凋亡有关[25]。p53抑制物PET唱Α可通过抑制凋亡诱导脑血管内皮细胞p53表达,从而抑制CVS发生,改善临床症状,从而降低死亡率[26]。特异性Nrf2激动剂莱菔硫烷及重组人促红细胞生成素(rhEPO)可上调皮质Nrf2唱ARE相关因子如Nrf2,亚铁血红素氧化酶唱1(HO唱1)表达,进而减轻SAH早期脑损伤,如脑水肿、血脑屏障损伤,皮质凋亡以及运动缺损[22,27]。自由基清除剂依达拉奉(Edaravone,MCI唱186)可明显降低SAH大鼠中丙二醛(MDA)水平和caspase唱3表达,增加脑组织中SOD活性,有效减少神经元凋亡,改善神经症状评分[28]。17β唱雌二醇(E2)可通过激活腺苷受体AR唱A(2A)和细胞外信号调节激酶1和2(Erk1/2),并通过调节抗凋亡和促凋亡蛋白(Bcl唱2和Bax)表达来减轻SAH诱导的血管痉挛和凋亡。甲氧雌醇(2唱Me唱thoxyestradiol,2ME2)可通过抑制HIF唱α活性和VEGF表达及其下游通路来降低CVS,抑制内皮细胞和血管平滑肌细胞经BNIP3通路发生凋亡,并减轻血管增生[29唱30]。SAH后,移植基质干细胞,可分化成为胶质细胞、神经元和内皮细胞,可改善功能复,减少凋亡并增强SAH后神经可塑性。是治疗SAH中枢神经系统损伤修复有前景的新方法,是诱导损伤脑细胞可塑性的新途径[31]。枸橼酸西地那非可减轻SAH诱导的CVS,但不影响凋亡水平。说明凋亡机制部分参与了SAH后CVS和神经元损伤,而同时抑制凋亡和非凋亡机制有助于更好治疗SAH[32]。

六、展望

综上所述,凋亡作为病理条件下细胞死亡方式之一,广泛地参与了SAH从CVS到继发性脑损伤的整个病理生理过程。明确以caspase唱3激活为核心的死亡信号传导通路在上述病理过程中的作用,有助于开发新的更有针对性的抗凋亡药物,为SAH后CVS和继发性脑损伤的预防和治疗开辟新途径。

参 考 文 献

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(收稿日期:2011唱09唱05)

(本文编辑:戚红丹)

赵炜疆,秘勇建.实验性蛛网膜下腔出血凋亡机制及干预治疗研究[J/CD].中华临床医师杂志:电子版,2011,5(23):7067唱7069.

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