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自由基损伤与神经系统疾病
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自由基损伤与神经系统疾病 一、自由基和氧化应激 自由基是外部轨道中至少有一个不成双电子的原子或分子。在需氧有机体中，含有氧和 / 或氮的自由基不断的产生。在正常条件下，线粒体是氧自由基的主要来源。自由基可以和任何生物分子（蛋白质、脂质体、糖、DNA）反应以改变它的结构和功能。因此，活的有机体拥有丰富的抗氧化剂系统，其防护的主要目的是防止自由基侵犯其它分子。氧化应激被定义为“氧化剂和抗氧化剂在氧化剂可能导致损伤中的不平衡”。脑梗塞、脑出血、颅脑外伤、蛛网膜下腔出血、脑膜炎、脑水肿、老年性痴呆、帕金斯症、多发性硬化，甚至精神分裂症，都应当注意自由基的损伤。 二、自由基的测定 由于自由基活性强，半衰期短，因此很难被直接测定。根据它们的变化是与基反应的结果这一假设，许多研究用间接的方法来检测自由基的产生，另外有人提出，抗氧化剂的变化反映了几种病理状态的氧化还原作用平衡的改变。换言之，抗氧化剂将会在与自由基的反应中耗尽。因此，抗氧化剂浓度或活性的测量已经被用作评估氧化应激的数量。目前自由基的检测大多是通过与其他分子如 DNA 、脂质体或蛋白质反应的产物或抗氧化剂的水平来间接反映的。 三、自由基损伤的机制 大量证据表明，过氧化物和氧化氮通过许多独立机制介导氧化损伤，产生细胞毒性作用，包括：脂质过氧化物、DNA 损伤，激活抗多聚二磷酸核糖腺苷抗体 poly（ADP-ribose） 和聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶 polymerase （PARP） 。 一旦自由基产生，自由基就可能和所有的细胞大分子反应，导致脂质体过氧化、DNA和蛋白质的氧化 。脂质体过氧化可能导致膜损伤，而且脂质体过氧化的最终产物，如 4-hydoxynonenal ，对神经元和白质包括 轴突和少突胶质细胞有毒性，并能够导致细胞死亡。对蛋白质的损害，尤其是酶，可以导致其功能的损伤。最后 DNA 过氧化可以产生修复酶的活化作用，如多（ADP- 核糖酸） 聚合酶（PARP），使得细胞内能量迅速衰竭，导致细胞死亡。 一氧化氮（NO）也是一种自由基，它在缺血过程中与被激活的 NO 合酶的同功酶的关系中显示了双重作用：由组成的内皮氧化氮合酶产生的 NO 有血管扩张作用，因此有神经保护作用，而来自包含在小胶质和内皮的神经元氧化氮和可诱导氧化氮的 NO，已经显示出了神经毒性，至少部分地通过与超氧化物反应，导致活性很高的过氧化亚硝酸盐。氧化应激可以引起神经元坏死和细胞死亡。除了与细胞分子直接反应，越来越多的证据显示自由基也可以通过氧化还原敏感信号传感途径起作用。实验研究说明自由基可以引起线粒体释放细胞铬，这是导致细胞死亡的重要一步。而且氧化应激在脑缺血可引起的细胞凋亡。氧化应激引起细胞死亡的另一个可能的原因是脱嘌呤apirimidinic核酸内切酶的活性（APE/Ref-1）的减低。最后氧化还原已经被证明激活了几个转录因子，尤其是 NF-kB 。 NF-kB 在短暂和永久缺血后被激活后可以导致脯氨酸死亡细胞基因的转录。 四、大脑尤其容易被自由基损伤的原因 脑组织对于自由基损伤缺乏足够的抗氧剂保护作用。当自由基战胜了细胞抗氧化剂的防御，氧化应激可能发生，导致细胞损伤。由于以下几种原因，大脑尤其容易被自由基损伤：首先，它有丰富的多不饱和脂肪酸，多不饱和脂肪酸特别容易被自由基导致的过氧化反应损伤。其次，抗氧化物酶含量低，如过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶。另外，脑组织含有铁，虽然它的铁含量不是很高，但铁离子可以刺激自由基的产生。 五、自由基损伤与神经系统疾病的关系 1．自由基与脑梗死 动物研究发现，严重缺血 30 分钟后再灌注，多聚不饱和脂肪酸的共轭双键增加，缺血再灌注后蛋白质氧化增加，缺血 / 再灌注时，抗氧化剂 VC 、 VE 、辅酶 9 水平降低，超氧化物水平增加 ( 化学发光技术 ) 。提示缺血再灌注时自由基增加。 临床研究发现，中风患者 VA,VC,VE 和类胡萝卜素的水平低于健康人，脑缺血 2 天之后， TBARS 显著增加。提示急性脑梗死自由基增加。 抗氧化剂治疗： VC,VE 减小大鼠及灵长类动物缺血和再灌注后的梗死面积和神经损伤， VE 预防有中风倾向的高血压大鼠因短暂缺血引起的神经细胞凋亡， VE 缺乏的大鼠更容易受到脂类氧化的损伤，经修饰过的 SOD( 可透过 BB 可减轻缺血引起的脑损伤，提示抗氧化剂可以减少脑缺血及再灌注的损伤。有研究表明，抗氧化剂预防有中风倾向的高血压大鼠因短暂缺血引起的神经细胞凋亡。 2．自由基损伤与脑出血 海马 MDA（丙二醛） 在脑出血后明显升高，并随时间的延长而逐渐升高； DA 的升高早于水肿的产生，自由基增高幅度越大，水肿越严重。提示脑出血后自由基反应增强，是脑出血后脑水肿的一个重要原因。 对高血压大鼠模型，一组单独使用 tPA ，另一组使用 tPA 和自由基清除剂。结果发现 tPA 引起的出血被自由基清除剂降低 40% ，梗塞症状和神经功能缺损也降低。提示自由基清除剂减轻与 tPA 引起的出血。 对兔子颅内出血模型应用自由基清除剂结果发现，自由基清除剂显著降低出血量，与对照组相比，显著改善行为评分。推论：自由基清除剂抑制脑组织的自由基损伤，因而能保护脑血管的完整性，从而减轻出血。 3．自由基与蛛网膜下腔出血 通过对蛛网膜下腔出血模型狗， 4, 7, 10, 14 或 21 天进行血管造影，每组 4 只。静脉注射水杨酸 （100 mg/kg） ，用微型透析管对脑脊液分析 2,3/2,5 二羟基苯甲酸 （DHBA） ，间接测量自由基变化。试验动物处死时，测量脑桥部分离的蛛网膜凝血和基底动脉丙二醛水平。结果：蛛网膜下腔出血后 4-14 天产生明显的血管痉挛，丙二醛浓度只在蛛网膜下腔出血后 4 天显著增加 （p < 0.0001） ，二羟基苯甲酸在蛛网膜下腔出血后 4 天显著增加 （p < 0.05） ，基底动脉丙二醛水平和血管痉挛之间存在明显相关；脑脊液二羟基苯甲酸水平与血管痉挛也存在明显相关。说明蛛网膜下腔出血后的血管痉挛期产生大量自由基和脂质过氧化物。 通过对蛛网膜下腔出血模型小鼠 （n=10） ， 5 分钟、 6 小时、 12 小时后给予生理盐水或者不同浓度的自由基清除剂 AVS 。测量小鼠的行为。应用伊文氏蓝（Evans blue）染色法观察血脑屏障通透性。将其结果与假手术组比较。结果发现，自由基清除剂显著改善蛛网膜下腔出血动物的行为评分，显著降低血脑屏障通透性。 4．自由基损伤与脑外伤 猫脑液压冲击性损伤试验中，用 NBT（四唑氮蓝） 法检测氧自由基，显示受伤后自由基增多，给予 SOD 则抑制氧自由基产生。 硫代巴比妥酸比色法检测 Wistar 大鼠落体撞击脑损伤时的氧自由基反应，显示受伤后 3 小时脑组织和血浆中的自由基都增高了，应用抗氧化剂则可明显降低自由基水平。 脑损伤患者脑脊液中抗坏血酸水平降低：自由基增加。通过对 41 名不同神经功能障碍患者的脑脊液的抗坏血酸浓度检测，选 18 名没有明显神经功能异常的患者（背痛 / 坐骨神经痛） 患者脑脊液的抗坏血酸浓度作为基准值，结果发现，头部创伤、颅内压增高 （非感染性脑水肿）及脑肿瘤患者三组患者脑脊液中抗坏血酸浓度显著降低。可能的原因：抗坏血酸减少意味着自由基增加，消耗了抗氧化剂；某些损伤（创伤、缺血或肿瘤）之后，自由基对中枢神经系统产生损伤。 通过脑损伤动物模型在不同时间测量不同部位的丙二醛 (Malondialdehyde ， MDA) 浓度，结果发现脑前叶、顶叶、脑干浓度比假手术组分别高 36.7%, 41.8%, 35.1% （p<0.0001），损伤后逐步增加， 4 小时达峰，然后逐步降低， 24 小时后与假手术组对比，仍然具有显著性。损伤后立即产生 MDA （脂质过氧化反应的分解产物）， 表明脑损伤迅速形成自由基。 通过测量 41 名颅脑损伤患者的血浆 TBARS （ Thiobarbituricacid- reactive substances ，硫代巴比妥酸反应物质，为脂质过氧化作用的主要产物）水平观察其脂质过氧化物浓度，结果发现：损伤后 24 小时，血浆脂质过氧化物明显增加，损伤程度越严重，血浆脂质过氧化物浓度越高，愈后越差。在 24-72 小时内，死亡患者血浆内脂质过氧化物浓度显著增加；而存活者的浓度相对平稳。提示氧自由基增加颅脑损伤程度，也是颅脑继发性损伤的主要因素。 5．自由基损伤与脑水肿 动物实验证明氧自由基引起脑切片水分含量增加。大鼠断头，用脑的皮质切片进行体外脑水肿实验发现，当在脑切片的培养液中加入一种外源性氧自由基产生剂黄嘌呤氧化酶时，脑组织过氧化物和水分含量均增加。 婴儿原发性脑水肿中，有并发症的水肿呈现较高的自由基浓度。水肿患儿中，有炎症或者出血性并发症的水肿，丙二醛和自由基浓度显著高于单纯的水肿，有出血性并发症水肿的病情最严重。 Ortege (1972) 在猫的冰冻性脑损伤中，应用一种自由基清除剂对苯二胺后，脑水肿明显减轻，提示脑水肿的产生与自由基相关。 6．自由基与帕金森症 氧化应激 (oxidative stress) 参与帕金森症的证据：有大量的证据表明，与同龄的健康人相比，帕金森患者的氧化应激显著增加，氧化应激是帕金森症的早期特点，帕金森症模型试验显示有氧化应激和多巴胺神经元恶化。毒素引起的神经元恶化可被抗氧化剂所抑制。帕金森患者大脑有激活的微型神经胶质细胞 ( 可释放自由基和炎性物质 ) 存在。 过去的 5 年里，发现了 5 种不同的与一种稀发家族性帕金森病相关的基因变异。其中一种变异蛋白（a）与突触变形性和囊泡功能相关，这种蛋白功能障碍引起细胞质多巴胺水平增加，细胞质多巴胺容易自动氧化和引起酶的降解，多巴胺未能进入囊泡，引发氧化应激。多巴胺引起的氧化应激可能是帕金森病发病机理的最后一步。 7．自由基与癫痫 通过对 40 例癫痫病人比较发作期、间隙期脂质过氧化物 （LPO） ，并与健康正常参考值对照，发现癫痫病人发作期血中脂质过氧化物增加。有研究发现癫痫后在脑局部地区产生自由基，自由基在癫痫患者血脑屏障的破坏中具有重要作用。 8．自由基与脑炎 最近研究资料表明，脂质过氧化和 PARP 激活在与脑炎相关的并发症和脑损伤中具有重要作用。 六、抗氧化剂治疗 许多证据支持了神经系统疾病时有自由基的产生。然而重要的问题是，是否自由基促成了大脑损伤的发病机制，或它仅是其他的相关的生物过程的结果。 如果大脑损伤归咎于，或至少部分归咎于自由基，那么抗氧化剂治疗应该可以减少缺血性脑卒中的后遗症。 脑卒中动物模型中，几种研究已经说明天然和合成的抗氧化剂复合物的保护作用。饮食和补充的天然抗氧化剂，如 VC 减少了大鼠和猴子永久性缺血或缺血后再灌注的梗死范围和神经损伤。 VE 防止了易中风的自发性高血压大鼠短暂性缺血引起的细胞死亡。相反的，VE 使衰竭的大鼠更敏感于脂质体过氧化作用。一些研究已经证明可以通过抗氧化物酶治疗减少神经系统损伤。抗氧化物酶已经被修改，以能够越过血脑屏障，如聚乙二醇共轭的超氧化歧化酶（SOD）和过氧化氢酶或脂质体捕获SOD 。几种其他的药物和抗氧化剂（替拉扎特甲磺酸，一种 21- 氨基类固醇和脂质体过氧化物抑制剂）；自旋捕获剂，如苯基Ntert 丁基硝基酮（PBN）和NXY-059；依布硒啉（一种有谷胱甘肽过氧化物酶类似作用的硒代有机化合物）； salenmanganese 化合物，它是合成 SOD/ 过氧化氢酶模仿物； BN80933 ，一种神经元氧化氮合成酶和脂质体过氧化的双重抑制剂；银杏 biloba 和硫辛酸已经显示出能够减少大脑缺血后的梗死量和一些模型中的神经损伤。一些制剂的服用显示出了保护作用，甚至在缺血出现几小时后，如 NXY-059 。在猴子中，对于右大脑中动脉的永久性阻塞的模型，抗氧化剂复合物减少了功能残疾，包括行动和认知缺陷。 抗氧化剂药物能够越过血脑屏障，似乎对大脑缺血而言，比其他单纯作用血管内皮的药物有更高的神经保护作用。当然也有无效的试验结果，如 1994 年 Takeshima 所做的研究。 神经保护治疗已经在脑卒中动物模型中显示出有效性。由于自由基损伤广泛参与包括脑水肿，颅脑损伤，脑出血，蛛网膜下腔出血，脑梗死，帕金森症，癫痫，脑炎等神经系统疾病，所以积极探索有效的抗氧化剂在神经系统疾病中的临床应用具有重要的实际意义。 在最近几年里，医学界对抗氧化剂在的神经保护治疗给予了越来越多的关注。其目的是为了减少大脑组织易受伤于缺血，为脑缺血疾病的治疗拓展窗口，并通过减少再灌注损伤来增强治疗的有效性。在人体研究中， tirilazad 甲磺酸盐治疗脑卒中患者的随机对照实验在结束前被中断，其原因是药品缺乏有效性 。对一种新型的自由基清除剂依达拉奉的研究显示出了有效。 在大鼠脑缺血模型中，依达拉奉可以抑制局部脑缺血后或缺血再灌注后脑内• OH 的增加，同时可以抑制脑梗塞的进展和迟发性神经细胞死亡。此外，依达拉奉能减轻缺血所伴发的神经症状和脑水肿。 通过对严重颈内动脉梗塞患者应用依达拉奉 + 甘油，对照组甘油治疗 2 天， CT 检查发现梗死体积和中线位移显著小于对照组，治疗组出血性转变显著低于对照组。第 5～7 天，依达拉奉组梗死体积和中线位移显著小于第 2 天的情况。 14 天内，治疗组死亡率低于对照组且具有显著差异，结果提示自由基清除剂依达拉奉显著抑制严重颈内动脉梗塞患者的脑水肿，并且降低急性期死亡率。田中正彦对脑梗塞急性期患者进行的二期及三期临床实验也表明，依达拉奉对脑梗塞时的主要症状如神经症状、日常生活动作障碍和功能障碍均具有改善作用。2001 年 4 月，对脑梗塞急性期患者在发病后 24 小时以内开始给药，其用法用量在已得到日本厚生省的批准。依达拉奉作为新型的脑保护剂将在脑梗塞急性期的治疗中发挥重要作用。 七、结语 多项动物模型及临床研究证实了自由基损伤广泛参与包括脑水肿，颅脑损伤，脑出血，蛛网膜下腔出血，脑梗死，帕金森症，癫痫，脑炎等神经系统疾病，所以研究抗氧化剂在神经系统疾病中的临床应用具有重要的实际意义。 目前经研究证实依达拉奉是一种新型脑保护剂，可以清除自由基，抑制血管内皮细胞损伤，抑制各种脑血管障碍模型中神经细胞的死亡、脑梗塞、脑水肿、神经缺损症状等。依达拉奉对脑梗塞患者急性期所伴随的神经症状、日常生活动作障碍和功能障碍均具有改善作用。 希望依达拉奉作为新型的脑保护剂会对脑梗塞急性期的治疗做出重要贡献。 |
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2006-12-30 11:22
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