脑缺血与炎性细胞因子
中华神经科杂志 1998年第5期第31卷 综述
作者：刘士民 郭玉璞
单位：100730 中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院神经内科
一、前言
人们很早就发现脑梗死伴发炎性反应，但直到近几年才对其有了较为清楚的认识。脑梗死时白细胞浸润发生在缺血后6～24小时内，促使白细胞向血管外迁移的细胞因子产生在脑梗死的初始部位。在炎性细胞反应出现之前有介导炎性反应的细胞因子——前炎性细胞因子(proinflammatory cytokines)的表达，它通过诱导白细胞和内皮细胞膜分子蛋白的改变而促进白细胞粘附于内皮细胞。浸润的白细胞表达CD11和CD18粘附分子，而内皮细胞表达细胞间粘附分子(ICAM-1)。损伤的神经元和轴突释放的细胞因子具有趋化作用，亦称趋化细胞因子，简称趋化因子(chemokine)，它可促使白细胞自血管内向缺血区脑组织迁移。有关脑缺血后各种营养因子(包括生长因子)的表达及其病理生理作用不在此叙述。
临床上也发现，缺血性脑血管病病人的白细胞聚集性高于短暂性脑缺血发作(TIA)病人，两者均高于对照组，症状严重的病人其白细胞聚集性更高。通过单光子发射计算机体层摄影术(SPECT)结合白细胞标记技术对脑血管病病人的研究发现，急性半球梗死病人脑组织低灌注区有白细胞浸润，这种现象可持续5周，而慢性脑缺血病人无白细胞浸润［1］。
目前，无论是动物模型研究还是临床试验均支持炎性反应参与缺血性脑损伤。抗炎治疗可使脑梗死的治疗时间窗变宽，赢得进一步治疗的时机［2］。但炎性反应本身以及其对缺血性脑损伤的影响都相当复杂，其影响因缺血程度不同和缺血再灌注时间不同而异。
二、前炎性细胞因子
在脑缺血动物模型中出现的前炎性细胞因子包括白介素1（IL－1)、白介素6(IL-6)、肿瘤坏死因子α(TNFα)和转化生长因子β(TGFβ)。
用Northern杂交方法研究发现，大鼠大脑中动脉持续阻断(PMCAO)后1小时即有c-fos和zif268 mRNA的表达。这些早期反应基因有转录调节作用，可调节各种前炎性细胞因子信使RNA的转录。PMCAO后3小时在缺血区出现IL-6mRNA明显表达，12小时后表达程度达非缺血区或假手术组的10倍，24小时后逐渐下降［3］。原位杂交发现，大鼠PMCAO后15分钟有IL－1β mRNA的明显表达，3小时达高峰，4天内逐渐消失［4］。
TNFα是一种营养多肽，它在脑免疫反应和炎性反应活动中起重要作用。局灶脑缺血后1小时便出现TNFα mRNA的表达，缺血后6～12小时达高峰，1～2天内逐渐降低。TNFα首先出现于缺血区的神经元，后期见于梗死区的巨噬细胞［5］。
TGFβ1 mRNA的表达在6小时至2天内出现［6］。我们的实验结果显示，TGFβ1的表达有两种模式，即早期的普遍表达和后期的与损伤有关的表达。第一期反应出现在24小时以前，我们最早在缺血2小时就发现有TGFβ1的大量表达，遍布于双侧大脑半球，缺血区略重于非缺血区，持续再灌注后24小时基本消失。该期在染色时显示比较弥散。第二期反应见于再灌注24小时以后，以缺血区最突出，细胞内的表达仅见于梗死灶周边区。TGFβ2的表达只有相当于TGFβ1的第二期反应，但表达强度(染色深浅)大于TGFβ2的表达。
临床上也发现，脑梗死病人和TIA病人血浆细胞因子TNFα水平升高［7］。对脑梗死症状出现4小时内的病人进行检测发现，IL－6血浆水平在症状出现1小时后就升高，10小时达高峰，3天后开始下降，7天后达基线水平。而IL－1β、TNFα和TNF可溶性受体p55、p57水平无升高。目前，尚无足够证据确定前炎性细胞因子与临床脑梗死的确切关系。
三、粘附分子ICAM和CD11b/18
用Northern blot 和RT-PCR方法发现局灶脑缺血后，缺血皮层ICAM-1 mRNA水平于3小时后明显增高，6～12小时达高峰，5天后仍保持高水平。内皮细胞-白细胞粘附分子(ELAM-1)mRNA水平于6小时后明显升高，12小时达高峰，5天后降到基线水平。免疫组化显示ICAM-1在缺血皮层明显表达，局限在缺血皮层脑实质的内皮细胞。ICAM-1和ELAM-1的表达与趋化因子如细胞因子诱导的中性粒细胞趋化剂(NINC)和单核细胞趋化蛋白(MCP-1)平行，但较那些前炎性细胞因子TNFα和IL－1β要晚的多［8］。
在局灶脑缺血再灌注模型，缺血1小时即可检出ICAM-1 mRNA，再灌注10小时后达高峰，持续1周；再灌注2小时后微血管内皮细胞ICAM-1显著升高，46小时达高峰，持续1周。也就是说，缺血早期出现ICAM-1 mRNA，再灌注早期表达ICAM-1［9］。
血小板内皮细胞粘附分子(PECAM)是一种免疫球蛋白基因超家族成员，它在中性粒细胞和内皮细胞呈结构性表达，能促进白细胞穿越血管内皮的过程。实验结果显示，用抗体中和PECAM后，大鼠心肌梗死范围明显减小［10］。PECAM在缺血性脑损伤中的作用尚不清楚。
缺血性脑血管病和TIA病人症状出现72小时内，白细胞膜CD11a表达均高于对照组。CD18在两组病人均升高，但仅在TIA病人组达到显著程度。缺血性脑血管病病人组和TIA病人组CD18和CD11a表达均较对照组有显著差别［11］。
四、趋化因子
脑缺血后损伤的神经元和轴突释放的某些细胞因子具有趋化作用，可促使白细胞自血管内向缺血区脑组织迁移，对脑组织中的白细胞浸润和组织修复起重要作用。在脑缺血后出现的趋化因子包括单核细胞趋化蛋白(MCP)、巨噬细胞炎性蛋白(MIP)和NINC。无论在持续脑缺血还是短暂脑缺血后，再灌注模型均可见趋化因子的表达，而且对某些趋化因子的干预实验显示有良好的结果。
MCP-1是一种单核细胞特异性的强有力的趋化剂。MCAO后6小时， MCP-1和MIP-1α mRNA即有表达，48小时内仍维持在高水平，96小时后明显减少；MCP-1免疫反应见于缺血区血管内皮细胞和巨噬细胞样细胞。MIP-1α见于激活的星形细胞，可能对组织修复起重要作用。在短暂性脑缺血(TMCAO)模型中，缺血2小时再灌注1小时，MCP-1 mRNA即有明显升高，12小时至2天达高峰，5天后开始下降［12］。MCAO后6小时至2天，MCP-1 mRNA出现于半暗带的星形细胞，4天后MCP-1 mRNA见于梗死区的巨噬细胞和反应性小胶质细胞［13］。
大鼠MCAO后6小时，在缺血皮层可见 NINC，即白介素－8(IL-8)mRNA升高，12小时达高峰，24小时后降低［14］。大鼠MCAO 1小时再灌注3小时，缺血脑组织出现CINC表达，再灌注12小时达高峰，24～48小时内逐渐减少；脑组织IL－8水平在再灌注6小时后显著升高，但其血浆水平却增高不明显。免疫组化结果显示，IL－8蛋白在血管壁和浸润的白细胞中表达。
五、炎性细胞因子增多对缺血性脑损伤的影响
体外实验结果发现，IL-1β、IL-1α和TNFα能诱导人脑微血管内皮细胞表达ICAM－1。模拟的缺血再灌注状态亦会使ICAM－1表达上调3～15倍。在体实验发现，将IL-8、IL-1和TNFα注射到动物的海马后可激活小胶质细胞，引起白细胞广泛粘附血管壁，但这些白细胞很少进入脑实质，只是在缺少血脑屏障的部位才出现白细胞聚集现象。用IL-1受体抗体阻断IL-1的作用能显著减小大鼠脑梗死体积，并且证实其作用部位在纹状体［15］。
TGFβ是一类普遍存在的细胞因子，它对多种类型的细胞，包括小胶质细胞、星形细胞和神经元都有生物学作用。TGFβ的作用涉及细胞生长、分化、炎症和组织修复。在缺血性脑损伤中，TGFβ有抗氧化、阻止细胞凋亡、调节炎性反应、调节小胶质细胞和星形细胞反应的多种作用。TGFβ的使用能明显减小脑梗死体积［16］。IL-6对周围神经和中枢神经都有很强的神经营养作用。在体实验结果也发现，IL-6提前注射到沙土鼠的脑室系统，能显著减少缺血性神经元损伤［17］。
在大鼠的两血管缺血模型中，抗ICAM-1抗体的使用也能明显减轻中性粒细胞和单核巨噬细胞的浸润。ICAM-1单抗单独使用在大鼠能使局灶脑缺血的梗死灶体积减少41%，同时缺血皮层的中性粒细胞也明显减少［18］。CD11b/18(MAC-1)整合素抗体在大鼠局灶脑缺血2小时再灌注1小时和22小时使用，能减少脑实质内中性粒细胞和脑梗死灶体积［19］。ICAM-1单抗与t-PA结合使用能减少兔脑栓塞模型的神经元损伤［20］。抗CD18单抗IB4能抑制狒狒的中性粒细胞粘附于内皮细胞，于再灌注前15分钟使用能抑制MCAO 3小时后的“无再流”现象［21］。
由于MCP-1免疫反应见于缺血区血管内皮细胞和巨噬细胞样细胞，而MIP-1α见于激活的星形细胞；故前者可能促进炎性反应、加重组织损伤并加速对坏死组织的转运，而后者(MIP-1α)可能对组织修复起重要作用。IL－8是众所周知的趋化因子，可促发脑实质的白细胞浸润。随后浸润的白细胞蛋白酶激活、自由基形成，继而引起脂质过氧化和神经元损伤。由于它比中性粒细胞浸润和脑水肿出现得早，故可能对这两者有一定作用。抗IL－8抗体能显著减少脑梗死体积和脑水肿程度［22］。
白细胞和细胞因子主要在局灶脑缺血再灌注中起作用，它们在再灌注损伤中的作用可分为3个典型阶段：白细胞浸润、小胶质细胞激活和再塑。在1～2天内，IL-1和TNF诱导粘附分子表达，可导致白细胞粘附于内皮细胞。2～7天，梗死灶周边区小胶质细胞激活，并分泌IL-1和TNF，这些细胞因子诱导星形细胞增生并分泌神经营养因子，以限制神经元损伤。但星形细胞过度增生会妨碍神经再生。7～30天后，吞噬性巨噬细胞出现于梗死灶中心区。巨噬细胞释放一系列细胞溶解剂，包括蛋白酶和超氧阴离子。胶质细胞释放的TGFβ和碱性成纤维细胞生长因子，与巨噬细胞一起诱导血管增生，有利于转运坏死组织和神经再塑。
六、展望
白细胞减少症的梗死范围比对照组明显减小，而且EEG和体感诱发电位亦明显改善。因此，白细胞造成的继发性脑损伤为脑梗死的治疗提供了“第二时间窗”的可能性［23］。与白细胞相关的细胞因子，即前炎性细胞因子和趋化因子在炎性反应和组织修复中起重要作用。
针对白细胞因素的干预措施并非总是有效。在兔的脑栓塞模型，于栓塞发生后15分钟用药，无论是抗ICAM-1抗体或t-PA均无效，但联合用药时能明显改善神经系统症状，因此，联合用药可增强溶栓效果［24］。在严重的局灶脑缺血时，抗白细胞抗体不能减少脑损伤［25］。Hartl等［26］总结了抗白细胞治疗的大量文献，包括局灶脑缺血、全脑缺血、持续缺血和再灌注等情况，得出的结果不一致，但可以认为白细胞在中度脑缺血及再灌注时可造成继发性脑损伤。Dirnagl等［27］通过激光共聚焦扫描显微镜观察发现，白细胞壅塞不是全脑缺血后低灌注的原因。Hayward等［28］的研究不支持白细胞在脑梗死形成中有普遍和基本的作用，而在什么情况下起作用需要进一步研究。
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