缺血半暗带与细胞存活

第一章缺血半暗带与细胞存活介绍局灶性脑缺血缘于栓子栓塞或原位血栓形成而导致的血管阻塞。动脉的阻塞使得其供给区域失去血流营养，除非侧支另外能供应充足的血流。静脉的阻塞阻断了血液回流，使得其所支配的回流区的血液流入受阻或停滞。血流阻断如果严重且持久的话，就会导致组织缺氧及低糖状态，进而引起脑梗死。氧和葡萄糖的剥夺会通过一系列代谢变化，产生乳酸，损坏Na+/Ca++泵，并使得过量谷氨酸盐释放入突触间隙，产生大量活性氧子代产物（自由基），并且造成快速失控的钙内流。细胞内钙的升高会触发多种程序，最终导致胞膜和核酸的瓦解。此外，自由基的释放，血脑屏障的破坏以及深远多相的炎性反应全都会促进细胞进一步的损伤。几个世纪以来,人们一直认为大脑耐受缺血过不了几分钟，脑细胞就会死亡。在八十年代,一系列研究证明在局灶性缺血后迅速造成不可逆性损伤的只是脑组织的一部分。周围区域可能仍然能存活几个小时,这一现象即所谓的“缺血半暗带”[1-6]。在大约一个小时内恢复该区域血流可以挽救这些“可存活”细胞,并能减少神经功能损害的程度。重建血流就得需要溶解或者机械性去除栓子。半暗带概念的阐明，特别是认识了有些脑组织区域能够耐受持续性缺血状态而不死亡的观点，进而使人们想到使用溶栓技术作为一种可行的脑卒中治疗方法。想到使用溶栓的临床医生实际上承认了缺血半暗带的存在，尽管其无法被快速地、可复制性地测量或记录。溶栓试验的成功更顺理成章地支持了一部分缺血脑组织仍可在症状出现后数小时内得到挽救的观点。尽管人们在日常临床实践中,自以为是地引用着缺血半暗带概念，但是能表明可挽救的脑细胞就存在于半暗带内的直接证据仍然寥寥无几。了解缺血半暗带概念的由来是运用脑部溶栓技术的认知基础。缺血半暗带以及神经血管单位的保护缺血半暗带血管闭塞后,闭塞动脉或静脉负责区内的脑血流(CBF)、脑灌注,脑新陈代谢水平全都下降。经典的半暗带模型是包括区域脑血流(rCBF)在两大关键值[1,4]之间的脑部区域。第一个,也就是上界值与神经元麻痹相关联：当大脑区域所接收的rCBF小于18-20毫升/100克/分钟时，脑功能停止运作。其次,下界值与脑细胞死亡相关联：当大脑区域所接收的rCBF小于8-10ml/100毫克/分钟时，将无法存活，该区域可能会演变成梗塞的核心区。半暗带内的神经元代谢缓慢,称其为“闲置中”，表明它们是可以挽救的。在核心区内,细胞迅速死亡(几分钟内)，而在半暗带内可能会存活长达几个小时[7]。在半暗带起初描述后不久,人们就认识到细胞不会在半暗带内永久存活,一直闲置下去(8、9)。因此,很明显,半暗带涉及两个不同的参数:血流量和时间。例如在狒狒实验中，细胞在20cc/100克/分钟的血流区可以存活几个小时,但细胞在12cc/100克/分钟的血流区只存活了2小时。这些数据表明梗塞的“核心区”随着时间的推移,不断扩大，最终覆盖掉半暗带。于是就引出了那句临床格言：“时间就是大脑”。换句话说,不断有脑组织因其血流量低于存活临界值而死亡。半暗带演变成脑梗死的时间进程在不同物种间可能各有不同。在老鼠中、暂时阻断大脑中动脉超过30分钟会导致不同程度的脑梗死[10]。与永久闭塞相比较，及时再通，如30分钟后，将会限制脑梗的扩散。然而,2小时后再通将不会改变梗死体积。在梗死区周围,会有不同数量的神经元损失[11]。在脑梗后长达3周内，在距离梗死边界大约3mm以内能够检测到变性的神经元细胞。许多研究发现，rCBF和梗死周围神经元密度有密切相关性:离囊变区边界越远，血流量以及神经元密度越大。在人类中,很难在距离完全梗死区或囊变区数毫米之内记录相类似的神经元之损失量。这些数据等于在说明从长远来看，半暗带也不会幸免。然而,如果早期开始再通,半暗带组织或许能存活;否则,其边缘组织最终会变成梗死,从而加入梗死核心所形成的囊肿中。在本书前一版第13章，有关于用MRI来测量缺血半暗带的广泛讨论。在那一章图13.1and13.5，记录了中风早期弥散加权像的各种变化。尽管如何定义早期还不清楚，近来人们正努力在寻求如何在中风发病后观察半暗带的更好影像，主要以此来发现那些进行血管再通安全性高的病人。高效的半暗带成像会使溶栓治疗只针对性地使用在那些还有潜在可挽救脑组织的病人身上，让那些已形成完全性脑梗死的病人避免承受不必要的风险，而并不需要管起病后时间长短。对未经治疗患者展开的一系列MRI研究发现，用弥散影像限定的梗死核心区，随时间推移，不断扩大到以灌注影像定义的半暗带里。图1.1(a)传统概念上的梗死核心区，周围被缺血半暗带包裹。(b)另一种概念认为核心区和半暗带分布可以各式各样。于此相反，在早先那些病案报道中发现，实现成功血管再通的患者，其弥散显像的核心区小于灌注显像的半暗带区。这些观察提示了溶栓可以阻止梗死核心区的扩大。这些数据也支持了如图1.1a所示的模型：一个匀质的梗死核心被包裹在一个匀质的半暗带外壳里。随着时间的推移，这两个区域高度重叠在一起，同时半暗带退变成继发性梗死灶并与核心区相融合。DEFUSE和EPITHET实验为这一模型提供了可信的数据，尽管在DEFUSE中74位患者中的10位并没有表现出这种典型的模式。Kidwell和他的同事回顾了更多最近的MRI研究，指出这种半暗带—核心“果壳”模型并不能充分反映出全部的临床数据。特别是当MRI识别的弥散异常核心区并非均匀，而是包含着小半暗带且可恢复时[21]。Onepotentialexplanationforthevariabilityinclinicalimagingisthatatcurrentspatialresolutions,therecouldbepartialvolumeaveragingofintermixednormalandabnormalsignals.Infact,currentlypopularimagingprotocols(diffusionandADCmaps)clearlyoverestimatethevolumeofmetabolicallyimpairedtissue[22,23].Theeffectofsucherrorwouldbetooverestimatethevolumeofnon-salvageabletissue,causingacliniciantoerroneouslywithholdrecanalizationtherapyatatimethepatientcouldconceivablybenefit.VeryhighfieldDWIimagingafteracutestrokeinhumansconfirmsthatinmanypatients,thereisaheterogeneouspatternofinjury—islandsofhyperintensitycanbedocumentedinareasofmarkedperfusionfailure[24].另一方面，MRI上的灌注损伤区也不是那么均匀，因为它们还包含有不会融入梗死核心的区域。半暗带稳定性的变异度高且个体性强，这点有着重要的临床意义。对于临床影像变异性一个可能的解释是讲，在现有的空间分辨率下，会有掺杂了正常和异常信号的平均化的部分容积效应。实际上，现行的影像协议（ADC图和弥散系数图）很明显会过高估算出代谢损伤组织的体积[22,23].这种误差效应会过高估算非可救组织的体积，从而导致临床医生在可以使患者得到理想获益的时候，错误地撤消血管再通治疗方案。损伤，例如低糖、缺氧以及兴奋性毒素暴露下会通过坏死杀死细胞。坏死性细胞死亡与细胞内钙的升高明显相关，这点已在细胞培养、脑部切片及全脑中得以证实。导致坏死的细胞变化的组织病理学演变步骤已被记录下[102,104]。在局部或全脑肿胀后，2到8小时内，嗜酸性神经元出现。24到36小时内，固缩、皱缩神经元出现。神经元、星形细胞以及周围组织的吞噬作用可持续进行数天。一旦坏死性细胞死亡路径启动，可能不会被轻易阻断。在重度缺血区（核心区），在吞噬作用下和全部脑组织物清除后，形成囊肿。在周围脑组织（半暗带）中，一些细胞被清除，星形细胞可能增生，这样就形成一个不完全梗死区，伴随神经元的减少，但不会囊性样变。这种不完全性脑梗的神经学结局还未知。损伤，例如自由基过量或细胞培养中轻度缺血会通过一系列反应事件导致程序性细胞死亡，这可能代表着凋亡。初始事件是细胞核和胞浆的皱缩，染色质凝结，接着细胞核碎裂，以及细胞膜瘤泡样变。一个显著标志是在核酸内切酶作用下，DNA被裂解为非随机长度不等的碎片，这会在DNA分离胶质上形成“阶梯样分布”。细胞最终分解为小的固缩体，而后被寄生在组织内的细胞吞噬。凋亡几乎不伴有炎症渗透。在有些阶段，很难用形态学标准来区分开凋亡还是坏死[3]。在局部脑损伤后，包括大脑中动脉阻断后，能够在脑部记录到凋亡样改变[78,105–107]。特异的是，局灶性缺血与DNA切口形成相关联，人们可以记录到特异性游离DNA链标记，并在DNA提取凝胶上形成“阶梯样分布”的非随机长度DNA碎片的现象，以及与凋亡一致的超结构学发现。在核心区内，还是在半暗带内，还是两者都存有凋亡样细胞死亡发生，人们还不清楚。也不清楚这种途径能否被阻断。更值得关注的是，凋亡样细胞死亡是否孤立与坏死性死亡之外而发生，或者是否这两种现象代表着同一值得注意的细胞死亡程序的不同表现，这些都不清楚。能明确的是在同一时间，同一脑部区域内坏死样细胞和凋亡样细胞共同可见[108]。中枢神经细胞凋亡性死亡的特异途径还有待进一步阐述。在有些条件下，细胞死亡介质半胱天冬酶—3（caspase-3）显示有参与，对caspase抑制剂的初步研究提示有神经保护作用。还存在caspase依赖性途径似乎也参与了一种凋亡样机制[110,111]。其他事件，包括caspase-9的激活和细胞色素C的释放在缺血性细胞死亡中也有一定作用[110,112–114]。粒细胞的作用阻塞数小时后动脉血流的恢复可能不会导致完全的组织再灌注，以上即所谓无再流现象[37,38,115]。如果循环中移去白细胞，无再流效应就不会发生[115]。粒细胞可粘附在缺血血管内皮，阻塞毛细血管以及激发血小板聚集和促进微栓子形成，如图1.2所示。粒细胞上介导粘附的受体复合物有整合素CD18/CD11组成（参见[116,117]）。这一复合物与内皮细胞上的细胞间粘附分子(ICAM)相结合。当栓塞后30分钟使用rt-PA，14只兔子中8只有严重出血。当rt-PA推迟到4小时使用，10只中有2只有如此出血(p=NS)。在小栓子模型中，颅内出血并不常见，只在微镜下可见，且只在相对较大梗死中发现。微镜下可见血管内栓子的存在是栓子注射到动物死亡的一个时间函数。在大栓子模型中，对照组和rt-PA治疗组兔子的损害微镜下表现无显著差别，神经功能亦无差异【13-15】。