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随着现代医学的发展，人口逐渐老龄化，缺血性脑血管病的发病率逐年升高，目前已成为威胁人类生命的最主要疾病之一，因其居高不下的致死率及致残率给社会和家庭造成严重威胁，已成为现代医学研究的热点课题。脑是人体对缺氧最为敏感的器官，脑组织缺血（ischemia）将会导致局部脑组织及其功能的损害，其损害程度与缺血时间长短及残存血流量多少有关，短期不完全性缺血只引起可逆性损害，而长时间的完全缺血或严重缺血会引起梗死。临床上处理脑缺血性损伤的原则是尽早恢复血液再灌注（reperfusion），使缺血脑组织重新得到氧的供应，提供代谢所必需的营养物质并清除代谢废物。及时地恢复血液再灌注将有利于减轻脑缺血损伤，至少使某些可逆性损伤获得功能上的恢复。然而近年来发现［1］，缺血后的血流恢复在某些情况下能导致进一步的组织损伤和功能障碍，这种恢复血流灌注后的有害情况称为缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury），抑制再灌注损伤成为目前治疗缺血性脑卒中的关键环节。现就脑缺血再灌注损伤的病理生理机制综述如下。
1 自由基与脑缺血再灌注损伤
自由基是指电子轨道上有不配对电子的原子、分子或基因，包括氧自由基（OFR）系列［超氧阴离子（O·－ 2）、羟自由基（·OH）、过羟自由基等］和脂质自由基系列（烷自由基、烷基自由基、脂质过氧化物自由基等）。其中O·－ 2在生物体内广泛存在，是诱发自由基连锁反应的启动环节，其性质极不稳定，可以不断生成新的活性氧；羟自由基（·OH）则是危害最大的自由基。研究发现脑缺血后血流重建时，脑和血清中脂质过氧化物水平增高，同时组织损害加重，这主要是因为超过再灌注时间窗（约3h）的脑细胞中线粒体破坏殆尽，不能利用有氧代谢产生ATP，血液再灌注所带入的氧只能一方面在黄嘌呤氧化酶作用下产生新的O·－ 2，另一方面又使原有因氧耗竭而停滞的烷自由基向脂质过氧化物自由基的转换得以继续，产生新的自由基。此外，再灌注带入的钙离子可提高黄嘌呤氧化酶的活性，Fe3+可促进O·－ 2迅速转化为·OH，重新激发自由基连锁反应，造成更多的损害［2］。
自由基主要通过以下几个环节导致脑组织损伤［3～4］：（1）自由基产生过量能引起脂质、蛋白质和核酸的过氧化，使膜结构遭到破坏、蛋白降解、核酸主链断裂、透明质酸解聚、细胞崩解、细胞发生不可逆改变，最终导致神经元死亡。（2）促使花生四烯酸（AA）单向转化为血栓烷A2，诱导缺血半影区血管痉挛、血管内血小板聚集，使梗死范围扩大，加重组织损伤。（3）损伤内皮细胞，引起脑组织的微循环障碍和血-脑屏障通透性增加。（4）氧自由基产生过多，使兴奋性氨基酸（EAA）释放增加及重摄取受阻，导致神经毒性损伤。（5）通过刺激细胞因子和黏附分子的表达，介导炎症和免疫反应，导致及加重脑组织再灌注损伤。（6）缺血期间，特别是再灌注时，自由基的产生与内源性抗氧化系统失衡。另外，在脑缺血再灌注损伤中，自由基的细胞毒性还表现在对线粒体的损伤，包括对粒线体DNA（mtDNA）和呼吸链的损伤及引发线粒体膜脂质过氧化。
2 钙超载与脑缺血再灌注损伤
细胞内钙作为第二信使、代谢调节因子和膜稳定剂在细胞正常机能活动中起重要作用，亦可介导多种病理情况下的细胞死亡。生理情况下，钙在细胞内外存在很大的浓度差，这依赖于细胞膜正常通透性及胞浆钙离子外排机制来维持，后一过程需消耗能量。脑缺血缺氧时主要由于ATP供应不足、N-甲基-D-门冬氨酸（NMDA）受体过度兴奋介导与其偶联的钙通道开放、膜通透性增大及封阻机制障碍而致细胞外钙内流增加、胞浆钙外排障碍，造成细胞内Ca2+浓度增高［5］。细胞内Ca2+超载，一方面使血管收缩、进一步加重脑缺血缺氧；同时引起细胞代谢、结构与功能多方面的异常改变，从而导致细胞死亡。
另外，线粒体被认为是细胞内最大的钙池之一，生理状态下，可以有效地缓冲细胞内钙离子浓度变化。脑缺血后，其损伤的发生、发展与线粒体内钙离子稳定失调关系密切。目前研究证实，在多数条件下，线粒体内钙离子的过度聚积使膜通透性转运孔（MPTP）开放，引起线粒体功能障碍和启动细胞死亡事件相关蛋白释放，启动神经元的死亡和凋亡［6］。
目前认为，脑缺血再灌注与缺氧复氧时细胞内钙超载主要通过破坏线粒体的结构与功能导致细胞能量代谢障碍，触发一系列酶促反应加速细胞损伤进程、促进氧自由基生成、激活非选择性氧离子通道等途径产生细胞毒性作用［7］。
3 兴奋性氨基酸与脑缺血再灌注损伤
谷氨酸、天门冬氨酸、海人藻氨酸、喹啉酸等兴奋性氨基酸（EAA）是中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，生理情况下，此类氨基酸作为正常的神经递质，在神经元之间信息传递中发挥重要作用，在脑缺血时，则对缺血脑细胞具有兴奋毒性作用，是脑缺血再灌注损伤病理改变的重要环节。突触前膜释放的谷氨酸主要通过神经细胞膜上的高亲和性摄取系统摄取灭活，细胞外液谷氨酸浓度维持在1μmol/L左右。脑缺血再灌注时，神经元持续除极，大量Ca2+内流和能量耗竭导致EAA释放增加的同时摄取受阻，使EAA在细胞外聚积。实验证明［8］，缺血再灌注引起的神经元凋亡及死亡主要是由谷氨酸等兴奋性氨基酸引起，应用脑内微透析技术检测EAA则能有效地反映神经损伤情况。
EAA主要通过以下几个环节介导神经元损伤［9］：（1）促进Na+、Cl-、水的内流，导致神经元水肿、变性。（2）激活EAA受体，直接或间接启动电压依赖性钙离子通道，Ca2+大量内流，Na+-Ca2+交换减弱，以及产生三磷酸肌醇（IP3），使细胞内贮存Ca2+释放增加，导致细胞内钙超载。（3）介导氧自由基的产生。（4）激活NOS产生过量的NO，能与超氧阴离子形成过氧亚硝酸根离子和羟自由基，损伤线粒体膜，使线粒体形成漏，开放线粒体转换孔，致使离子平衡紊乱。
4 NO与脑缺血再灌注损伤
氧化亚氮（NO）是普通的小分子气体物质，其结构简单，性质不稳定，生物半衰期极短，仅5s左右，但亲脂性强，活性极高，在细胞的生理和病理活动过程中扮演着十分重要的角色。近年来，许多科研工作者通过大量的实验研究发现，在脑缺血及再灌注损伤中，NO既有扩张血管，改善缺血组织血供，抑制血小板聚集，减轻缺血及再灌注损伤的作用，又有介导和加重缺血及再灌注损伤的毒性作用。其中NO的浓度、产生的部位、作用的部位、产生时间等的不同以及NO氧化还原状态，决定了NO在脑缺血及再灌注中的作用［10］。适当浓度的NO对脑血流调节有十分重要的作用，对神经元具有保护作用，而过多的NO释放则表现出毒性作用，加重了脑缺血后的损害程度。
NO引起的毒性作用主要通过产生大量的羟自由基（·OH）和二氧化氮自由基（NO2·），造成蛋白质、核酸、膜脂质的损伤及抑制各种与线粒体电子传递有关的酶类，最终抑制线粒体呼吸的完成［11］。
5 炎症反应与脑缺血再灌注损伤
脑缺血再灌注损伤时，炎症反应导致的微血管功能紊乱是继发性损伤的重要原因之一。缺血再灌注时，大量白细胞聚积于缺血区。Stevens等［12］的实验证实，缺血再灌注18h具有活性的小胶质细胞（巨噬细胞）开始增加。48h时达到高峰，96h仍保持在高水平；中性粒细胞于48h显著增加，96h时仍继续增高；T淋巴细胞的增加较晚，在缺血再灌注72h。如果白细胞的功能被抑制或本身被消耗，缺血再灌注损伤所致的梗死面积减少；用除去白细胞的血液进行再灌注，可以防止水肿产生和减轻再灌注损伤，反之再灌注损伤加重；用补体抑制药降低补体，减少白细胞浸润，可能减轻组织损伤。
炎症介导缺血再灌注损伤的主要机制有以下3个方面：（1）机械阻塞作用：白细胞与红细胞不同，其血液流变学和形态学的特点是体积大而僵硬、变形能力较弱，因此大量白细胞黏附血管内皮细胞，极易嵌顿、堵塞毛细血管而有助于形成无复流现象，结果进一步加重组织的缺血缺氧［13］。（2）炎症反应失控：白细胞（中性粒细胞、巨噬细胞、单核细胞）的激活，释放大量促炎的细胞因子（如TNF-α、IL-1、IL-8）、脂质炎症介质（如白三烯、血栓素、血小板激活因子）、氧自由基（如O·－ 2、·OH）、溶酶体酶（如蛋白酶、胶原酶、弹性蛋白酶），从而引起血管通透性增加而引发水肿，同时导致组织的损伤和破坏。（3）破坏血-脑屏障（BBB）：在缺血脑区的微血管中血小板释放炎性介质PAF，从而激活多形核白细胞，多形核白细胞与内皮细胞粘连，促使内皮细胞皱缩、破裂、凝集坏死，使BBB破坏。黏附在内皮细胞上的多形核白细胞在趋化因子吸引下，通过内皮细胞层进入损伤脑区，产生急性炎性反应。由于BBB破坏，损伤脑区出现渗出液，发生水肿、坏死及瘢痕组织形成。
6 细胞凋亡
缺血再灌注损伤是一种常见的临床病理生理过程，既往人们认为缺血再灌注损伤的最终结局均为细胞的坏死，但研究表明，在缺血再灌注损伤时除坏死外，还存在另一种细胞死亡形式细胞凋亡，且可能在缺血再灌注损伤的病理过程中起着重要的作用。
细胞凋亡是一种不同于细胞坏死的、由基因调控的、自主有序的细胞死亡，又称程序性细胞死亡。脑缺血再灌注后神经元凋亡的发生机制可能与以下几个因素有关：（1）缺血缺氧本身激活了凋亡发生基因。（2）脑缺血再灌注后产生大量氧自由基对神经元造成严重损伤的同时，也诱导了凋亡的发生。（3）钙超载激活一系列钙依赖性酶促反应，促进了凋亡的发生。（4）线粒体损伤导致细胞能量代谢障碍，从而在凋亡发生过程中起重要作用。
神经细胞凋亡有3条途径：外源性途径、内源性途径和不依赖Caspase的凋亡诱导因子（AIF）途径［14］。在3条凋亡途径中，内源性途径和凋亡诱导因子途径与线粒体直接相关。外源性途径也与线粒体有联系，因此线粒体在细胞凋亡中起重要作用。
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作者单位：1 100085 北京，北京市社会福利医院
2 100069 北京，首都医科大学附属佑安医院重点实验室
(编辑：魏 冉)