醫學腦低氧預適應機制

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[關鍵詞]低氧預適應；腦缺氧；腦保護

摘要預先反復短暫低氧預適應可使腦組織產生低氧適應，可使其在后續的長時間

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源性保護現象。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

血的一種內源性保護現象，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]。目前關于腦低氧預適應現象及其機制的報道

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腦低氧預適應現象

1986年Schurr等[3]就發現大鼠海馬腦片低氧5min后，其誘發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后結扎單側頸總動脈并且低氧(8%O2)處理2.5h，在出生第30天經神經

病理分析發現，低氧預適應組的14只大鼠中僅6只出現囊狀梗死，而未預適應組的

13只大鼠都出現了梗死。

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)是一種隨著細胞內氧濃度

變化而調節基因表達的轉錄激活因子，是由氧調節亞單位HIF-1α和結構亞單位HI

F-1β組成的異二聚體，具有DNA結合活性。HIF-1對低氧誘導基因，如促紅細胞生

成素、糖酵解酶和血管內皮生長因子等的活化起關鍵作用。Bergeron等[6]通過對

新生大鼠腦低氧(8%O2)預處理3h發現，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CoCl2和DFX預處理24h后缺血缺氧可分別較對照組發揮75%和56%的腦保護作

用。原代培養大鼠皮質神經元剝奪糖氧30、60、90和120min后，HIF-1DNA結合活

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)參與血管舒縮的調節、免疫功能的調制和神經信息的傳遞，是一種重

要的信使物質。NO是由L-精氨酸經一氧化氮合酶(NOS)催化生成的。NOS同工酶分為

神經元型NOS(nNOS)、誘導型NOS(iNOS)和內皮細胞型NOS(eNOS)3種，其中nNOS和

eNOS的活性受鈣離子調節，合稱為結構型NOS(constitutiveNOS，cNOS)。Gidday

等[8]低氧(8%O2)預處理新生6d大鼠3h發現，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)的結果相一致

。以上結果表明，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疑，認為只有eNOS產生的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生的內源性復合物。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合方法分析了昆明小鼠腺苷含量和腺苷A1受體，發現經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

止一些腦區內的腺苷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受體發揮神經保護作用。



2.4興奮性氨基酸

中樞神經系統內含有大量興奮性氨基酸(EAA)，幾乎所有的神經元都含有谷氨酸受

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包括EAA在內的任何氨基酸含量，從而認為預處

理導致的低氧耐受與EAA無關。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內源性EAA(天門冬氨酸和谷氨酸)濃度的變化，結果

發現，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和神經酰胺

神經鞘磷脂的代謝產物神經酰胺(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]對培養大鼠皮質神經元的研究發現，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預處理可使細胞內神經酰胺水平升高2~3倍，與耐受

狀態一致。煙曲霉毒素B1是一種神經酰胺合酶抑制劑，可減輕神經酰胺的上調。如

在缺氧損傷前將C2-神經酰胺加入培養基中可模擬低氧預適應的效應。上述結果表

明，低氧預適應是通過TNF-α觸發而合成神經酰胺所介導的。Chen等[14]在結扎出

生7d大鼠右側頸總動脈的同時低氧(8%)預處理2h，30min后心室內注射C2-神經

酰胺(150mg/kg)，5d后測定梗死體積，發現C2-神經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

細胞數明顯減少，表明神經酰胺對未成熟大鼠大腦有神經保護作用。因此認為，神

經酰胺參與了低氧預適應的形成。

2.6自由基及其清除系統

自由基是具有未配對電子的原子或原子團。腦缺血缺氧時，活性氧產生過多，自由

基生成，細胞膜磷脂受其攻擊導致脂質過氧化，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的

變化發現，與未預處理組相比，僅低氧處理1次組整個腦區的超氧化物歧化酶(SOD

)和谷胱甘肽過氧化物酶的活性明顯降低，而海馬脂質過氧化物的濃度明顯升高。

但是經低氧處理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發現，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，發現海馬MnSOD有漸進而持續的表達。以上研究表明，自

由基及其內源性清除酶系統參與了低氧預適應的形成和發展。

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，發現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。Garnier等[17]也發現，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+代謝的調節和利用，維持神經元生存微環境的穩

定，分泌神經營養因子，如神經生長因子，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纖維酸性蛋白，并用免疫組化檢測isole

ctinB4的表達，結果表明沙土鼠低氧處理與小膠質細胞激活無關，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生的某些物質進行分離、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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