探讨脑缺血再灌注损伤与NLRP3、Caspase-1的关系

摘要：脑缺血再灌注损伤（CIR）是一个复杂的病理生理过程，是由多种因素共同作用的结果，其主要机制包括：能量代谢障碍、自由基累积、钙超载、兴奋性氨基酸毒性作用、炎症介质释放，细胞凋亡和细胞焦亡等。早期做好大脑再灌注的同时，避免脑缺血再灌注损伤产生，可改善缺血性脑血管病的预后，提高患者生存质量，因此如何避免和减少缺血再灌注损伤成为临床治疗和研究的热点。大量研究证实，腺苷预处理可以有效改善脑缺血再灌注损伤。本文主要通过阐述脑缺血再灌注损伤的发病机制来探讨其与NLRP3、Caspase-1的关系。

关键词：脑缺血再灌注损伤；NLRP3；Caspase-1

在缺血性脑血管病早期大脑再灌注，有利于缺血脑组织的功能恢复改善预后。根据脑缺血再灌注的不同阶段，给与及时、准确的诊断和治疗，是避免或减少脑缺血再灌注损伤，降低缺血性脑血管病致残率和死亡率的关键因素。

1.发病机制

1.1能量代谢障碍与缺血再灌注损伤

脑组织是机体能量代谢最活跃的器官，它的血流量和耗氧量很大，其能量主要来自于葡萄糖的有氧代谢。在正常情况下，细胞外ATP分解产生的腺苷水平较低，对缺氧反应则显著增加。脑内贮存的氧、葡萄糖和ATP很少，需要不断从血液中摄取，短时间的脑部血液供应不足或中断，会引起脑功能障碍，较长时间血液供给障碍，造成神经细胞的损伤甚至死亡。脑缺血再灌注损伤发生后，引起脑内能量代谢障碍严重影响脑组织的修复，细胞氧化磷酸化能力减弱，ATP生成不足消耗增多，加剧脑损伤的发生。

1.2自由基累积与缺血再灌注损伤

研究表明自由基对脑组织的损伤作用主要发生在脑缺血再灌注时期，并在神经元的凋亡中起着重要作用，其中活性氧和活性氮在脑缺血再灌注损伤中发挥重要作用。脑缺血再灌注损伤引起大量氧自由基释放，机体内的活性氧会产生氧化应激，改变体内多种酶的活性，体内的抗氧化物如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等，清除不了过多的氧自由基，使活性氧大量聚集。脑是人体对缺氧最为敏感的器官，对氧化应激极其敏感，易产生大量的活性氧（ROS），造成神经元损伤[1]。过多氧自由基的累积会攻击细胞膜，发生脂质过氧化反应，生成的脂质过氧化物会损伤脑细胞，造成脑细胞功能和结构改变，甚至诱发脑细胞凋亡，导致脑组织进一步损伤。

1.3神经细胞内钙超载与缺血再灌注损伤

钙离子超载是脑缺血再灌注损伤过程中各种因素综合作用的结果，也是各种因素作用的共同通路，是引起脑细胞损伤的关键因素。脑组织缺血缺氧引起能量代谢障碍，造成脑细胞ATP缺乏，抑制Na+/Ca2+交换蛋白的活性，引起细胞内Na+、Ca2+浓度升高，K+浓度降低，从而破坏神经元的防御系统，进一步加重脑组织损伤。

1.4兴奋性氨基酸毒性作用与缺血再灌注损伤

兴奋性氨基酸（EAA）包括谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）等，其中谷氨酸的含量最高、分布最广、作用最强，是中枢神经系统重要的兴奋性神经递质。神经元的突触前膜去极化引起谷氨酸大量释放，神经胶质细胞摄取、转运谷氨酸的能力丧失，过量的谷氨酸堆积作用于相应的受体，导致神经元过度兴奋，引起缺血后致炎性基因表达，以脑缺血再灌注后2h升高最为明显，可持续6h以上[2]。谷氨酸主要由谷氨酰胺水解生成，可以影响脑内代谢过程，有利于大脑的发育，维持并改善大脑机能，提高机体的免疫能力。神经元的突触前膜去极化促使大量谷氨酸释放，神经胶质细胞丧失摄取和转运谷氨酸的能力，过量的谷氨酸在突触间隙堆积，谷氨酸作用于相应的受体，导致神经元过度兴奋，即产生了兴奋性毒性作用。有研究显示，腺苷预处理可通过抑制脑组织兴奋性氨基酸受体活性，抑制兴奋性氨基酸毒性作用，减轻脑缺血再灌注损伤程度。

1.5炎症介质释放与缺血再灌注损伤

炎症反应是机体正常的生理性防御机制，是机体对创伤、感染、病原微生物、及其他细胞、组织的反应，是脑缺血再灌注损伤的重要机制之一，炎症反应的强弱直接影响脑缺血再灌注损伤的程度。脑缺血再灌注损伤发生后，病变部位的炎性因子表达增加，炎症细胞激活及浸润可造成神经元损伤。脑缺血再灌注损伤时，活化的炎症细胞释放大量炎症介质，炎症介质会进一步激活炎症细胞，它们相互作用，形成恶性循环，加重脑损伤。激活的中性粒细胞可释放TNF-α、IL-1β、IL-6等炎性因子，从而破坏血脑屏障，引起血管内皮细胞和白细胞表面粘附分子暴露，使两者亲和力增强，致炎因子和白细胞激活因子释放不断增加，加速中性粒细胞的粘附和激活，进一步激活血管内皮细胞，合成和释放更多的具有趋化作用的炎性介质，促使内皮细胞和白细胞大量聚集、浸润，促炎因子激活神经元和血管内皮细胞，释放ROS和蛋白水解酶等，介导微血管功能障碍，破坏血脑屏障导致血浆纤连蛋白和纤维原蛋白渗入脑组织，加重神经元凋亡坏死[3]。

1.6细胞凋亡与缺血再灌注损伤

在脑缺血再灌注损伤中，细胞凋亡被自由基生成、生长因子、神经营养因子缺乏，线粒体损伤等信号引发。线粒体介导的内源性途径[4]是神经元的凋亡主要途径。线粒体是细胞凋亡的主要调控场所，它参与了大多数细胞凋亡的过程，线粒体将膜内的细胞色素C、半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶激活剂等促凋亡因子释放到胞质，激活细胞线粒体凋亡途径，导致细胞死亡。相关研究表明半胱天冬蛋白酶（Caspase）在细胞凋亡过程中是起着必不可少的作用，细胞凋亡的过程可以看做是Caspase不可逆的有限水解底物级联放大反应过程。局部脑缺血引起神经元缺血缺氧，激活Caspase-3蛋白，启动细胞凋亡，引起与DNA修复、mRNA裂解、细胞骨架重建等有关的蛋白质的降解，造成核质浓缩，核膜、核仁碎裂和DNA裂解变等，导致细胞凋亡。

1.7细胞焦亡与缺血再灌注损伤

邵峰院士等人研究发现，caspase-1和caspase-11/4/5通过切割一个叫做Gasdermin-D（GSDMD）的蛋白而诱发细胞焦亡，GSDMD在被caspase-1或caspase-11/4/5切割后，释放它的N端结构域，该结构域有结合膜脂并在细胞膜上打孔的活性，这样就引起细胞渗透压的发生变化而胀大直至最终细胞膜的破裂。细胞焦亡的经典途径依赖于caspase-1介导。当机体遭受有害刺激时，胞浆内炎症体的形成，使无活性的pro-caspase-1裂解形成有活性的cleavedcaspase-1，cleaved caspase-1可以诱导细胞膜穿孔使细胞溶解、死亡，胞内物质外释引起炎症反应；同时促进白介素-1β和白介素-18等促炎症细胞因子的成熟分泌，导致细胞焦亡发生[5]。

大量研究发现，细胞焦亡与感染性疾病、神经系统疾病和动脉粥样硬化性等疾病的发生发展密切相关。炎症小体的活化是细胞焦亡调控的经典途径，是细胞焦亡调控的核心环节，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体是通过 caspase-1与含CARD结构域的凋亡相关颗粒样蛋白等相互作用而构成的蛋白复合体，可诱导细胞焦亡的发生[6]。NLRP3炎症小体作为脑缺血后中枢神经系统无菌性炎症反应的始动因子，在中枢神经系统中诱导细胞焦亡和炎症反应，导致神经细胞的损伤，在中枢神经系统细胞焦亡中发挥关键作用[7]。

2.炎症小体与缺血再灌注损伤

2.1NLRP3炎症小体组成

NLRP3炎症小体主要存在于中性粒细胞、巨噬细胞等免疫细胞中，是一种位于细胞胞浆中的多蛋白复合物，主要由NOD样受体蛋白3（NLRP3）、半胱氛酸天冬氨酸特异性蛋白酶-1（Caspase1）和凋亡相关斑点样蛋白共同组成[8]。其中NLRP3受体由N端热蛋白结构域、中央核苷酸结合寡聚化结构域（以及C端富亮氨酸重复序列构成[9]。ASC由PYD和caspase募集结构域两部分组成，它们作为双重接头蛋白分子，通过桥梁的形式将NLRP3及Caspase1连接起来形成炎性小体。

2.2NLRP3炎症小体活化

脑缺血再灌注损伤涉及诸多因素及调控通路相互作用，而近年研究表明，NLRP3是缺血后炎症的关键调控因子，可引发一系列炎症反应并导致细胞死亡［10］。NLRP3能够识别伴随脑缺血再灌注损伤发生的自由基损伤、钙离子超载、微循环障碍和白细胞损伤作用。NLRP3炎症小体的活化机制主要有：①活性氧和线粒体功能异常介导机制；②钾离子外流介导机制；③低氧介导机制；④溶酶体破裂介导机制。

NLRP3炎性小体的活化使有活性的caspase-1促进IL-1β 和IL-18的成熟及分泌，并且促使Gasdermin D（GSDMD）切割，切割的GSDMD随后在细胞膜上形成孔，引发，快速的炎性溶解性程序性细胞死亡，即细胞焦亡。

2.3脑缺血再灌注后NLRP3炎性小体的表达

NLRP3 炎性小体的表达具有细胞特异性，主要表达在免疫器官及免疫细胞中，因此，脑缺血再灌注后小胶质细胞、星形胶质细胞中均有表达[11]。Blauw等研究发现，在急性脑梗死患者的血清中IL-18水平升高且伴神经功能受损加重[12]。IL-1β、IL-18在体内的激活需要NLRP3炎性小体和核因子B（nuclear factor kappaBNF-B）经典信号通路的双信号调控。NLRP3炎性小体激活后又可产生IL-1β、IL-18等促炎细胞因子，可介导NF-KB信号通路的激活，进而发生脑部炎症级联反应。

NLRP3通过形成炎性小体，参与脑缺血再灌注损伤后的病理生理过程，加重了脑缺血后的损伤程度。大量的动物实验研究表明，通过腺苷、依鲁替尼等药物治疗，可以有效抑制NLRP3炎症小体激活，能够有效减轻神经系统损伤，减少脑梗死体积，但NLRP3炎症小体在脑缺血再灌注损伤中的调控机制尚未明确，需要进一步深入研究。

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作者简介：杨晓艳（1985-），女，汉，河南人，讲师，新乡医学院第三临床学院，本科，主要从事内科教学研究工作。

薛力豪（1992-），男，汉，河南人，主治医师，新乡医学院第三临床学院，本科，主要从事神经内科研究。

周永顺（1985-），男，汉，河南人，讲师，新乡学院，本科，主要从事护理教学研究工作。