醫(yī)學腦低氧預適應機制
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摘要預先反復短暫低氧預適應可使腦組織產(chǎn)生低氧適應，可使其在后續(xù)的長時間
缺氧中得到保護。腦低氧預適應是腦抗缺血或缺氧的一種內(nèi)源性保護現(xiàn)象。目前對
腦低氧預適應的機制尚未最后闡明，文章對腦低氧預適應現(xiàn)象及其可能機制的研究
進展進行了綜述。
低氧預適應(hypoxicpreconditioning)是指1次或多次短暫、非致死性低氧刺激后
，機體獲得的對更嚴重甚至致死性缺血或缺氧的耐受性。預適應是機體抗缺氧或缺
血的一種內(nèi)源性保護現(xiàn)象，它不僅存在于多種動物的心臟，而且也存在于肝、腎和
腦等多種組織、器官和細胞中[1，2]。目前關(guān)于腦低氧預適應現(xiàn)象及其機制的報道
較少，深入研究腦低氧預適應機制并探討其臨床應用價值，對治療腦血管病很有意
義。
1腦低氧預適應現(xiàn)象
1986年Schurr等[3]就發(fā)現(xiàn)大鼠海馬腦片低氧5min后，其誘發(fā)電活動在隨后長期低
氧作用后仍能恢復，而對照組則不能。Rising等[4]事先給小鼠經(jīng)90、120和150s
3次低氧(4.5%O2)預處理后，在致死量低氧作用下的存活時間由對照的(108±4)
s延長到(403±42)s。Vannucci等[5]在37℃下低氧(8%O2)預處理出生6d的大鼠2
.5h，24h后結(jié)扎單側(cè)頸總動脈并且低氧(8%O2)處理2.5h，在出生第30天經(jīng)神經(jīng)
病理分析發(fā)現(xiàn)，低氧預適應組的14只大鼠中僅6只出現(xiàn)囊狀梗死，而未預適應組的
13只大鼠都出現(xiàn)了梗死。
2腦低氧預適應的可能機制
2.1低氧誘導因子-1
低氧誘導因子-1(hypoxia-induciblefactor-1，HIF-1)是一種隨著細胞內(nèi)氧濃度
變化而調(diào)節(jié)基因表達的轉(zhuǎn)錄激活因子，是由氧調(diào)節(jié)亞單位HIF-1α和結(jié)構(gòu)亞單位HI
F-1β組成的異二聚體，具有DNA結(jié)合活性。HIF-1對低氧誘導基因，如促紅細胞生
成素、糖酵解酶和血管內(nèi)皮生長因子等的活化起關(guān)鍵作用。Bergeron等[6]通過對
新生大鼠腦低氧(8%O2)預處理3h發(fā)現(xiàn)，低氧預處理可明顯提高HIF-1α和HIF-1β
的表達水平。大鼠腹腔內(nèi)注射HIF-1誘導劑氯化鈷(CoCl2，60mg/kg)和去鐵銨(de
sferrioxamine，DFX，200mg/kg)后1~3h，HIF-1α和HIF-1β蛋白水平都升高。
大鼠經(jīng)CoCl2和DFX預處理24h后缺血缺氧可分別較對照組發(fā)揮75%和56%的腦保護作
用。原代培養(yǎng)大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元剝奪糖氧30、60、90和120min后，HIF-1DNA結(jié)合活
性增高，而預先剝奪糖氧60min，48h后再剝奪糖氧90min，HIF-1的結(jié)合活性反
而降低[7]。以上這些研究表明，HIF-1參與了腦低氧預適應的形成。
2.2一氧化氮
一氧化氮(NO)參與血管舒縮的調(diào)節(jié)、免疫功能的調(diào)制和神經(jīng)信息的傳遞，是一種重
要的信使物質(zhì)。NO是由L-精氨酸經(jīng)一氧化氮合酶(NOS)催化生成的。NOS同工酶分為
神經(jīng)元型NOS(nNOS)、誘導型NOS(iNOS)和內(nèi)皮細胞型NOS(eNOS)3種，其中nNOS和
eNOS的活性受鈣離子調(diào)節(jié)，合稱為結(jié)構(gòu)型NOS(constitutiveNOS，cNOS)。Gidday
等[8]低氧(8%O2)預處理新生6d大鼠3h發(fā)現(xiàn)，這種處理可完全抵抗24h后的缺血
缺氧性損害。如在新生6d大鼠腦低氧預處理前0.5h腹腔注射非選擇性NOS抑制劑
左旋硝基精氨酸(2mg/kg)，給藥后0.5~3.5h即可使cNOS的活性抑制67%~81%，完
全阻斷了低氧預適應的保護作用。但是，如果低氧預處理(本身可降低cNOS活性5
8%~81%)前腹腔內(nèi)注射選擇性nNOS抑制劑7-硝基吲唑(40mg/kg)，則不能影響低氧
預適應引起的腦保護作用，這與給予iNOS抑制劑氨基胍(400mg/kg)的結(jié)果相一致
。以上結(jié)果表明，NO對低氧耐受的誘導起重要作用。但是，有學者對nNOS和iNOS是
否參與了低氧預適應卻提出了質(zhì)疑，認為只有eNOS產(chǎn)生的NO介導了預適應的保護效
應。
2.3腺苷
腺苷是一種在缺血缺氧時高能磷酸鹽分解產(chǎn)生的內(nèi)源性復合物。腺苷A1受體激動劑
可以縮小梗死體積，減慢缺血早期的能量代謝，并有利于缺氧預適應后突觸功能的
恢復[9]，而腺苷受體拮抗劑則可以阻止預適應的形成。Zhang等[10]分別采用酶學
方法和放射性配體結(jié)合方法分析了昆明小鼠腺苷含量和腺苷A1受體，發(fā)現(xiàn)經(jīng)4次低
氧預處理組海馬腺苷含量明顯高于正常對照組和只用1次低氧預處理組，而腺苷A1
受體密度低于正常對照組，與僅用1次低氧預處理組的相同；4次低氧預處理組海馬
、腦橋、延髓等腦區(qū)腺苷A1受體的親和力高于正常對照組，表明低氧預處理可以阻
止一些腦區(qū)內(nèi)的腺苷A1受體密度的進一步下降，使腺苷A1受體的親和力升高。上述
結(jié)果提示，低氧預適應可使海馬腺苷濃度升高，并通過A1受體發(fā)揮神經(jīng)保護作用。
2.4興奮性氨基酸
中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)含有大量興奮性氨基酸(EAA)，幾乎所有的神經(jīng)元都含有谷氨酸受
體，藥理學上把谷氨酸受體分為NMDA受體、AMPA受體、紅藻氨酸受體、代謝型谷氨
酸受體和L-AP4受體等5型，前3種都是谷氨酸門控的陽離子通道(離子型受體)，后
2種受體合稱非NMDA受體。任何引起EAA濃度異常增高的病理變化都會引起興奮毒性
。EAA與低氧預適應是否有關(guān)尚待進一步研究證實。Nakata等[11]用微透析測定方
法表明，低氧預處理并不改變腦內(nèi)包括EAA在內(nèi)的任何氨基酸含量，從而認為預處
理導致的低氧耐受與EAA無關(guān)。Xie等[12]用小鼠研究外源離子型NMDA受體激動劑天
門冬氨酸和抑制劑氯氨酮對低氧預適應的效應，并用高效液相色譜法測定低氧預處
理時小鼠整個大腦和不同腦區(qū)內(nèi)源性EAA(天門冬氨酸和谷氨酸)濃度的變化，結(jié)果
發(fā)現(xiàn)，天門冬氨酸和氯氨酮分別顯著地縮短和延長了小鼠的標準耐受時間；缺氧1
次后EAA的濃度升高，而4次缺氧后預適應EAA濃度保持不變，甚至下降。這表明離
子型NMDA受體的激活不利于低氧預適應的形成，而抑制其受體則有利于低氧預適應
的形成；EAA的降解或失活對小鼠低氧耐受的形成可能有益。
2.5腫瘤壞死因子-α和神經(jīng)酰胺
神經(jīng)鞘磷脂的代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺(ceramide)是腫瘤壞死因子-α(TNF-α)介導的眾
多效應中的第二信使。Liu等[13]對培養(yǎng)大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元的研究發(fā)現(xiàn)，低氧預處理
有保護作用，這種保護作用可被TNF-α預處理所替代，TNF-α中和抗體可削弱此保
護作用。低氧預適應和TNF-α預處理可使細胞內(nèi)神經(jīng)酰胺水平升高2~3倍，與耐受
狀態(tài)一致。煙曲霉毒素B1是一種神經(jīng)酰胺合酶抑制劑，可減輕神經(jīng)酰胺的上調(diào)。如
在缺氧損傷前將C2-神經(jīng)酰胺加入培養(yǎng)基中可模擬低氧預適應的效應。上述結(jié)果表
明，低氧預適應是通過TNF-α觸發(fā)而合成神經(jīng)酰胺所介導的。Chen等[14]在結(jié)扎出
生7d大鼠右側(cè)頸總動脈的同時低氧(8%)預處理2h，30min后心室內(nèi)注射C2-神經(jīng)
酰胺(150mg/kg)，5d后測定梗死體積，發(fā)現(xiàn)C2-神經(jīng)酰胺可使缺血缺氧引起的大
腦損傷(梗死體積)較對照組縮小45%~65%，且Bcl-2和Bcl-xl水平升高，TUNEL陽性
細胞數(shù)明顯減少，表明神經(jīng)酰胺對未成熟大鼠大腦有神經(jīng)保護作用。因此認為，神
經(jīng)酰胺參與了低氧預適應的形成。
2.6自由基及其清除系統(tǒng)
自由基是具有未配對電子的原子或原子團。腦缺血缺氧時，活性氧產(chǎn)生過多，自由
基生成，細胞膜磷脂受其攻擊導致脂質(zhì)過氧化，細胞膜流動性降低、通透性增高，
線粒體腫脹，溶酶體受損并釋放等一系列變化。Duan等[15]比較自由基清除系統(tǒng)的
變化發(fā)現(xiàn)，與未預處理組相比，僅低氧處理1次組整個腦區(qū)的超氧化物歧化酶(SOD
)和谷胱甘肽過氧化物酶的活性明顯降低，而海馬脂質(zhì)過氧化物的濃度明顯升高。
但是經(jīng)低氧處理4次后，它們的水平趨向于恢復至正常對照組水平，提示氧自由基
和它們的特異清除酶參與了低氧耐受形成。Rauca等[16]對成年雄性Wistar大鼠作
低氧預處理(9%O2，91%N2)1h發(fā)現(xiàn)，可阻止戊四氮的致癇作用，而用自由基清除劑
PBN能阻止這種低氧預適應的保護作用。Garnier等[17]事先用低氧(4%O2)處理沙土
鼠后恢復常氧48h或7d，發(fā)現(xiàn)海馬MnSOD有漸進而持續(xù)的表達。以上研究表明，自
由基及其內(nèi)源性清除酶系統(tǒng)參與了低氧預適應的形成和發(fā)展。
2.7其他機制
預適應可以降低細胞能量代謝。有實驗表明，抑制線粒體復合物Ⅰ、Ⅱ可以形成預
適應，并可試用于提高機體的缺氧耐受能力[18]。低氧預適應引起的神經(jīng)保護作用
可以被放線菌酮(一種蛋白合成抑制劑)和放線菌素D(一種RNA合成抑制劑)所抑制，
表明在低氧預適應中有新的基因表達產(chǎn)物形成[19]。熱休克蛋白(HSP)是應激反應
蛋白家族中的一員，Wada等[20]用高溫(41℃)預處理15min和低氧(8%)預處理新生
大鼠3h，24h后予缺血處理，發(fā)現(xiàn)高溫和低氧預處理后都不檢測到HSP72，只是缺
氧缺血損害本身可誘導背側(cè)紋狀體、丘腦(輕度)和海馬HSP72的表達，因此認為HS
P72似與耐受無關(guān)。Garnier等[17]也發(fā)現(xiàn)，沙土鼠低氧預處理后海馬未見HSP72表
達。星形細胞則參與細胞間液中K+代謝的調(diào)節(jié)和利用，維持神經(jīng)元生存微環(huán)境的穩(wěn)
定，分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子，如神經(jīng)生長因子，從而參與了預適應保護機制。Garnier
等[17]用免疫組化和免疫印跡法檢測膠質(zhì)纖維酸性蛋白，并用免疫組化檢測isole
ctinB4的表達，結(jié)果表明沙土鼠低氧處理與小膠質(zhì)細胞激活無關(guān)，而星形細胞卻
明顯被激活。
3腦低氧預適應的應用前景
雖然腦低氧預適應的機制尚不十分清楚，但是預適應的效應提示腦組織具有自身保
護機制。如能對腦低氧預適應過程中產(chǎn)生的某些物質(zhì)進行分離、純化，試用于卒中
和其他缺血缺氧性疾病的治療中，也許將提高腦神經(jīng)元等組織對缺血缺氧的耐受性
，延長治療時間窗，減輕后遺癥，并為腦損傷等疾病的防治提供新的選擇。
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