2023缺血性脑卒中的病理生理学.docx

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1、2023缺血性脑卒中的病理生理学缺血性脑卒中这一术语是指部分或全部脑血流减少导致脑组织损害的多种疾病。尽管在某些病例中这可能是一个慢性问题，但是大多数脑卒中都是急性起病。过去40年间的研究已明显扩展了我们对缺血诱导细胞损伤的相关分子和细胞机制的认知与了解。本专题旨在概述潜在因素，如脑卒中相关脑损伤所涉及的血流动力学变化及分子和细胞通路。更好地理解这些机制可能有助于研发针对这一灾难性疾病的新疗法。脑卒中亚型在此将简要总结缺血性脑卒中亚型的病因及临床分类。TOAST试验的研究者制定了基于基础病因的分类系统，在临床研究中常用该系统对急性缺血性脑卒中亚型进行分类（表1）。在这套分类系统中，脑卒中分为以

2、下类型：表1急性缺血性脑卒中的TOAST分型大动脉粥样硬化性卒中心源性栓塞小动脉闭塞型其他少见确定病因的脑卒中病因不明的脑卒中确定了两个或两个以上的原因卒中原因评估阴性评估不完整缺血性脑卒中是由血流量减少或完全阻塞所致。血流量减少可由全身灌注减少、血管严重狭窄或者闭塞导致。全身灌注减少可由低血压、心力衰竭或失血所致。明确脑卒中的类型会影响使用的治疗方案。缺血的主要原因为血栓形成、栓塞和小血管疾病所致腔隙性梗死。缺血性脑卒中约占所有脑卒中的80%o血栓形成是指血管内局部闭塞所致的血管阻塞。血管阻塞可能急性发生，也可能逐渐发生。在许多病例中，基础病因（如动脉粥样硬化）可能导致病变血管狭窄。这可能导

3、致血流逐渐受限，或者在部分病例中，血小板可能黏附动脉粥样硬化斑块，形成血凝块，导致血管急性闭塞。动脉粥样硬化通常累及较大的颅内和颅外血管。在一些病例中，由于高凝状态，动脉粥样硬化未累及的血管可能出现急性闭塞。栓塞的含义是，在血管系统内某处形成的血凝块或其他物质，从形成部位转移并嵌于远端血管，从而导致血管阻塞及缺血。心脏是此类物质的一个常见来源，但栓塞物质也可能来自其他动脉（动脉到动脉的栓塞）。在心脏，血凝块可能在瓣膜或腔室内形成。肿瘤、静脉血凝块、脓毒性栓子、空气及脂肪也可能引起栓塞并导致脑卒中。栓塞性脑卒中往往发生在皮质层，并且更可能发生出血性转化，这可能归因于栓子所致血管损伤。源自静脉的栓

4、子，如深静脉血栓形成（deepvenousthrombosis,DVT）,如果栓子能通过未闭的卵圆孔（PatentforamenOVa1e,PFO）或动静脉（arteriovenous,AV）分流（如肺动静脉瘦）迁移到动脉系统，也可引起脑卒中。腔隙性梗死是由小血管病所致。较小的穿通支血管更常受慢性高血压影响，使其中膜增生，并且也更易发生纤维素样物质沉积，导致管腔狭窄和闭塞。腔隙性脑卒中可发生在脑内任何部位，但是通常见于皮质下区域。粥瘤也可侵占更小血管的管,导致血管闭塞及脑卒中。大脑脉管系统的非动脉粥样硬化异常，无论是遗传性还是获得性，均可在任何年龄段人群中（尤其是年轻成人及儿童中）引起缺血性脑

5、卒中。这些可分为非炎症性及炎症性病因。下面重点列出了与缺血性脑卒中相关的主要非动脉粥样硬化性血管病变，虽然不够详尽：动脉夹层（图1）、纤维肌性发育不良、血管炎、脑底异常血管网症、镰状细胞病性动脉病、儿童期局灶性脑动脉病。图1血管夹层、血栓形成和全血管闭塞的进展体循环低血压导致的全身灌注减少可能引起大脑广泛缺血。这在大脑边缘带（或分水岭）区域最为关键，这些区域处于两个相邻动脉供应带的边缘。若已经存在血管病变，则低血压导致的缺血可能是不对称的。常累及的大脑区域包括海马椎体细胞、小脑浦肯野细胞及皮质板层细胞，将在下文讨论。尽管进行了广泛检查以确定脑卒中的病因，但在出院时约有25%的缺血性脑卒中患者没

6、有找到明确病因（隐源性脑卒中）。在少数情况下，缺血性梗死的病理生理学甚至可能不是血管性的，例如线粒体疾病，如线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和脑卒中样发作（mitochondria1encepha1omyopathywith1acticacidosisandstroke-1ikeepisodes,ME1AS）,其病理生理是能量生产系统（线粒体）障碍，而不是血供问题。大脑自身调节在正常情况下，脑血流速度主要取决于与血管直径直接相关的脑血管内阻力值。血管扩张可导致脑内血容量及血流量增加，而血管收缩具有相反的效应。脑血流量也由脑灌注压的变化决定。大脑自身调节现象是指即使卢页内灌注压有一定变化但脑血流量保持在

7、一个相对恒定的水平。自身调节的发生机制尚未充分明确，可能涉及多个通路。有证据表明脑血管的平滑肌可直接对灌注压变化产生反应，当压力增加时血管收缩，而当压力降低时血管扩张。脑血流量减少也可能通过释放血管活性物质而导致血管扩张，但相关分子物质尚未确定。内皮细胞释放一氧化氮似乎也在自身调节中起到了一定作用。在平均动脉压处于60-150mmHg范围内时，脑血流量通常可通过自身调节得以维持。然而，不同个体间上限值和下限值存在差异。若超出该范围，大脑不能对灌注压的变化进行代偿，脑血流量会随着压力的变化被动地增加或降低，导致在低压时有缺血风险，在高压时有水肿风险（图2）图2急性缺血性脑卒中时正常的大脑自动调节

8、及其紊乱脑卒中期间的大脑自身调节在某些疾病状况下，包括缺血性脑卒中，大脑自身调节功能会受损。当脑灌注压降低时，脑血管扩张以增加脑血流量。灌注压降低超过脑的代偿能力时，可导致脑血流量减少。最初，通过升高氧摄取分数来维持供应脑部的血氧水平。随着脑血流量持续下降，其他机制也发挥作用（图3）o图3脑血流量减少对重要脑功能的影响在血流速度低于每分钟50m以IOog脑组织时,可发生蛋白合成抑制。当血流速度为每分钟35m1100g脑组织时，蛋白合成完全停止，葡萄糖利用暂时性增加。当血流速度为每分钟25m1100g脑组织时，葡萄糖利用急剧降低，并开始无氧糖酵解，乳酸蓄积导致组织酸中毒。当血流速度为每分钟16-

9、18m以10Og脑组织时,可出现神经元电衰竭,而当血流速度为每分钟10-12m1IOOg脑组织时，可出现膜内外离子稳态障碍。通常将其作为发生梗死的阈值。在高血压患者中，机体做出相应调整，在更高的动脉压下也可进行自身调节。当血压下降至正常水平时，实际上可加剧脑卒中期间发生的脑血流自身调节紊乱，导致脑血流量进一步降低。脑卒中期间血流减少的后果即使是短暂的缺血，人脑都极为敏感并容易受影响。虽然脑仅占总体重的2%,但是在身体代谢中占很大一部分，并接受约20%的心输出量。脑部自身的能量储存极少或没有，因此依赖血液输送。即使短暂缺血也可导致受累脑组织死亡。脑卒中期间，部分或整个脑血流减少可导致葡萄糖和氧缺

10、乏。大多数脑卒中由局灶缺血所致，仅累及部分脑组织，通常涉及单支血管及其下游分支。血管周围直接供血区域的脑组织最常受累。在该区域内，如果缺血持续时间足够长，组织核心区的细胞将发生不可逆损伤及坏死。在距离受累血管更远的区域，部分细胞可获得侧支血管中弥散出的少量氧及葡萄糖。这些细胞不会立即死亡，若及时恢复血流则可复原。注定要死亡或已有组织死亡的核心区被称为梗死。有挽救可能的脑组织区域被称为缺血半暗带。缺血细胞损伤及死亡的机制脑缺血将启动一系列级联反应事件，包括ATP耗竭，钠、钾和钙离子浓度变化，乳酸增加，酸中毒，氧自由基蓄积，细胞内水蓄积和蛋白水解过程激活，最终导致细胞死亡。由于缺血时出现电衰竭，兴

11、奋性氨基酸（谷氨酸）在神经元突触中的释放增加。这可导致谷氨酸受体激活及离子通道开放，使得钾离子外流而钠离子和钙离子内流，产生一系列生理学效应。参与缺血性损伤的主要谷氨酸受体亚型为N-甲基-D-天冬氨酸（N-methy1-D-aspartate,NMDA）受体。此外,现认为-氨基-3-羟基-5-甲基异恶丙酸（a1pha-amino-3-hydroxy-5-methy1-4-isoxazo1eproprionicacid,AMPA)受体和代谢型谷氨酸受体也发挥了一定作用。这些受体的激活导致膜去极化，钙离子内流增加。许多细胞信号通路对钙离子水平变化有反应，并且谷氨酸受体刺激所致的钙离子内流可导致细胞

12、信号通路激活。这些通路既存在有利效应又存在有害效应。水分子内流入细胞以平衡钠离子内流，从而导致水肿。正常情况下星形胶质细胞通过谷氨酸转运蛋白摄取谷氨酸，钠离子内流也可逆转这一过程从而导致谷氨酸释放增加。由于谷氨酸释放增加而摄取降低，谷氨酸累积过量并导致持续刺激。这种情况通常被称为兴奋性中毒。NMDA受体激活的另一种效应是产生一氧化氮。缺氧后一氧化氮合酶(nitricoxidesynthase,NOS)的活性及脑内存在的总一氧化氮水平升高。一氧化氮是体内的一种重要信号分子，在正常的生理水平对人体是有利的。例如内皮型一氧化氮合酶(endothe1ia1nitricoxidesynthase,eNO

13、S)会导致产生低水平的一氧化氮，引起血管舒张及血流增加。然而神经元型一氧化氮合酶(neurona1nitricoxidesynthase；nNOS)及诱导型一氧化氮合酶(inducib1enitricoxidesynthase,iNOS)可产生更高水平的一氧化氮,可能会导致脑损伤。一氧化氮是一种自由基，可与细胞成分直接发生反应从而对其产生破坏。一氧化氮还可与另一种自由基(超氧化物)反应，产生高反应活性的过氧化亚硝基阴离子，从而引起DNA单链断裂16。这导致DNA修复酶的激活，消耗其他过程所需的重要能量。DNA损伤也可激活细胞凋亡过程，导致细胞死亡。在缺血期间，活性氧(氧化代谢的一种正常副产物)

14、的产生也增加。与一氧化氮相似，活性氧物质可与细胞成分反应并致其损伤。细胞质膜受损后可能无法控制离子流，从而引起线粒体衰竭。活性氧、钙离子内流和其他因素也可增加线粒体膜的通透性。这可导致代谢衰竭并释放细胞凋亡及DNA损伤的诱发因子。代谢衰竭导致细胞ATP损耗。而在细胞凋亡末期，ATP对于核固缩和DNA降解是必需的。因此在缺乏ATP时，细胞死亡是由坏死而非细胞凋亡所致。细胞损伤和坏死释放的副产物可激活炎症通路的成分。炎症在缺血期间的作用是混合性的，兼具正面和负面的效应。一方面，炎症可导致缺血区域血流量增加，可带来细胞必需的葡萄糖和氧。另一方面，血流量增加也可将更多的钙离子运送至缺血区域，从而导致组

15、织损伤加重。炎症也会导致活化的白细胞迁移至损伤组织21,22。尽管这些白细胞可能将损伤和坏死的组织清除，但也可释放细胞因子以吸引更多的炎症细胞。在严重的炎症状态下，这些细胞因子可累积到毒性水平。细胞坏死和细胞凋亡脑缺血或脑卒中后细胞死亡可能是由于坏死或细胞凋亡。坏死的过程还不太清楚。在早期，细胞染色质变得均匀致密，内质网扩张，核糖体分散。在晚期，细胞和线粒体肿胀，然后出现细胞核、细胞器和质膜破裂，从而导致胞内物质释放到周围环境中。胞内物质释放可刺激脑内炎症过程。细胞凋亡是高度可调节的，对该过程的研究比坏死更详细。在坏死过程中，染色质在细胞凋亡早期开始凝聚。然而，胞质成分也凝聚，而不是出现细胞肿

16、胀，并且线粒体和其他细胞器保持完整。在晚期，细胞核被分解成离散的碎片，并且细胞的所有内容物被分解为膜结合小体，随后被巨噬细胞所吞噬。已知有3种可以启动细胞凋亡的途径：线粒体膜通透性增加、死亡受体（FaS）通路、内质网应激。目前最熟知的通路包括线粒体膜通透性增加及细胞色素C释放至细胞质。膜结合型Fas（即所谓的死亡受体）的激活及应激时内质网错误折叠蛋白的积累，也可导致凋亡。这些启动因素均可激活半胱天冬酶，从而裂解细胞蛋白并最终导致细胞死亡。还有人提出半胱天冬酶非依赖性细胞凋亡机制。脑缺血后细胞死亡的方式，如动物模型中所见，取决于脑组织损伤的性质。全脑缺血（如心搏骤停后和心肺复苏或一过性严重体循环低血压后）情况下整个脑部都处于缺血状态。这种情况不会立即形成梗死，而是延迟12小时至几日才发生。细胞死亡仅限于对缺血损伤特别敏感的脑区，例如海马的CA1和CA4区、纹状体以及皮质的第2层及第5层。这些区域的细胞死亡主要是