高壓氧對缺血缺氧性腦損傷影響的實(shí)驗(yàn)研究
北京市高壓氧醫(yī)學(xué)治療研究中心（100020）高春錦
中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括腦與脊髓。人腦重量僅及體重的2％，但其所需要的血液占心輸出量的 15％－20％,，所消耗的氧量占人體總利用氧量的20％,。人腦至少由約 10個神經(jīng)元和 10個突觸以及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞所構(gòu)成,，是人體最復(fù)雜的器官,。
一、定義：缺血缺氧性腦損傷是各種原因引起的腦組織受損,，及其導(dǎo)致的暫時或永久性腦功能障礙的總稱,。
二、血供和氧供：氧氣和葡萄糖在腦內(nèi)的貯存幾乎等于零，因此只有連續(xù)不斷的向腦內(nèi)輸送血液,，才能維持腦的正常功能,。如果血流中斷，就會出現(xiàn)相應(yīng)的癥狀和體征,。研究結(jié)果表明：心腦停搏后腦電活動很快消失,，若腦缺血30秒鐘，則神經(jīng)元代謝受損,，2分鐘后神經(jīng)細(xì)胞代謝停止,。5分鐘后神經(jīng)細(xì)胞開始死亡，大腦皮層出現(xiàn)永久性損害,；10－15分鐘后小腦出現(xiàn)永久性損害,；20～30分鐘后延腦的呼吸、血管運(yùn)動中樞出現(xiàn)永久性損害,。因此,，正常的腦部血供是維持機(jī)體生命活動,，特別是維持高級神經(jīng)活動的重要條件,。
腦組織的耗氧量與大腦皮層的功能活動有關(guān)，灰質(zhì)的耗氧量約為白質(zhì)的3～5倍,。機(jī)體興奮時,，腦耗氧量增加；安靜時,，耗氧量降低,。腦組織對缺氧的反應(yīng)較為敏感，當(dāng)缺血或動脈氧分壓降低時,，腦部功能較其他組織更早地發(fā)生障礙,。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)腦血液供應(yīng)一旦停止,，彌散在腦組織內(nèi)和結(jié)合在血液紅細(xì)胞中的氧將在8～12分鐘之內(nèi)完全耗盡,；貯存于組織中的少量能量物質(zhì)，如ATP,、肌酸磷酸等將在2～3分鐘內(nèi)全部用完,；5分鐘后大腦皮層的神經(jīng)細(xì)胞開始死亡。當(dāng)動脈氧分壓（PaO2）降低時,，將發(fā)生一系列的大腦功能改變,，若正常的PaO2為100％，則 PaO2降至 85％時機(jī)體暗適應(yīng)能力延遲,；70%物時呼吸幅度加深,，復(fù)雜學(xué)習(xí)能力損害；55％時近記憶喪失；45％時標(biāo)準(zhǔn)判斷能力降低,；30%時意識喪失而發(fā)生昏迷,。因此，腦血液循環(huán)中維持足夠的PaO2極為重要,。
三,、腦缺氧和腦缺血：腦缺血與腦缺氧不同。腦缺氧指血中PaO2過低所引起的腦組織缺氧狀態(tài),。腦缺血時,，不僅PaO2降低，而且供應(yīng)腦組織代謝所必需的糖,、酶及其他神經(jīng)體液等營養(yǎng)物質(zhì)也全部缺乏,，并出現(xiàn)神經(jīng)功能障礙。腦缺氧與腦缺血因?yàn)椴∫虿煌?，所以病理生理亦有所不同?/p>
1．腦缺氧
腦缺氧可分為低氧性缺氧（ hypoxic hypoxemia）和貧血性缺氧（anemic hypoxmeia）,。低氧性缺氧是由于登山、肺部疾病及職業(yè)有害因素所引起的低氧血癥：貧血性缺氧則為貧血,、血紅蛋白減少,，導(dǎo)致攜氧能力降低而引起的組織缺氧。
腦缺氧后,，除腦神經(jīng)細(xì)胞功能抑制,、電活動減慢、神經(jīng)細(xì)胞水腫,、腦血流阻力降低,、腦血流量增加之外，還能引起腦組織的一系列生化代謝和神經(jīng)功能的改變,。為保持正常腦活動的進(jìn)行,，腦組織在氧和糖的不斷供應(yīng)下進(jìn)行著動態(tài)平衡的合成和分解代謝過程。在有氧條件下,，1個分子的葡萄糖能產(chǎn)生38個分子的ATP,；腦組織利用產(chǎn)生的ATP，為神經(jīng)遞質(zhì),、酶和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)等物質(zhì)提供生物合成和為陽性離子在腦內(nèi)的活性運(yùn)輸提供所需要的能量,。
糖在腦內(nèi)代謝產(chǎn)生ATP有兩個過程。第一步為：
C6H3O6+2NAD＋+2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2ATP 表示：l個分子的葡萄糖降解到2個分子的丙酮酸能產(chǎn)生2個分子的ATP,。這一反應(yīng)在無氧狀態(tài)下亦能進(jìn)行,。第二步反應(yīng)為丙酮酸通過三羧酸循環(huán)和電子轉(zhuǎn)鏈作用，使丙酮酸進(jìn)一步氧化為二氧化碳和水,，并放出足量的ATP,。
2CH3COCOOH＋2NADH＋36ADP十36Pi＋ 6O2→2NAD＋＋ 6CO2＋44H2O十36ATP
由此可知：①1個分子的葡萄糖能產(chǎn)生38個ATP。葡萄糖降解到丙酮酸的過程中僅產(chǎn)生2個分子的ATP，而有氧的三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生36個ATP,，所以說無氧酵解所產(chǎn)生的能量約為有氧氧化產(chǎn)生能量的1/20,。②糖的有氧氧化產(chǎn)物是丙酮酸，丙酮酸氫化產(chǎn)生ATP是在線粒體內(nèi)進(jìn)行的,，若供氧不足,，則丙酮酸不能及時氧化而在組織內(nèi)積蓄，它可在輔酶的作用下還原成乳酸,，使血液中乳酸的成分增高,。葡萄糖的酵解作用產(chǎn)生乳酸和2個分子的ATP。
腦缺氧時,，腦組織能量合成小于能量消耗,，勢必要動用有限的能量貯存。然而機(jī)體內(nèi)存在著2個有效的平衡緩沖系統(tǒng),，使腦組織在低氧血癥條件下免受缺氧的損害,。當(dāng)腦組織缺氧時，腦組織內(nèi)ATP立即減少,，無機(jī)磷立即增多,。但是機(jī)體立即通過下列兩個緩沖系統(tǒng)平衡，使ATP不致于過低太多：①磷酸肌酸的作用,，當(dāng)體內(nèi)肌酸磷酸激酶降低至零之前,，腦組織缺氧均能與ADP作用而產(chǎn)生ATP。②腺苷酸激酶的作用,，使ADP合成為ATP和AMP。腦缺氧時,，AMP迅速升高,，引起這一緩沖系統(tǒng)的失衡。因此,，有人利用腦缺氧時ADP的減少和AMP含量增高的事實(shí),，做為測量腦代謝的敏感手段，并認(rèn)為AMP的改變?yōu)樽蠲舾小?/p>
腦組織的缺氧依賴于毛細(xì)血管中的PaO2與組織中,，特別是線粒體中PaO2之間的彌散梯度,，若組織在氧飽和狀態(tài)時，PaO2則可升高,；反之,，當(dāng)毛細(xì)血管中的PaO2太低，則氧的彌散能力降低,。Opitz以Krogh彌散模式作實(shí)驗(yàn)證明,，PaO2最能反映腦缺氧的情況，并認(rèn)為：①PaO2低至25～28mmHg時發(fā)生局部腦組織的缺氧和腦血管的擴(kuò)張，稱為反應(yīng)閾,。②PaO2降低至 17～ 19mmHg時,，部分組織是無氧狀態(tài)，并出現(xiàn)意識喪失,，稱為標(biāo)準(zhǔn)閾,。③PaO2低至12mmHg以下時，大部分組織呈現(xiàn)無氧狀態(tài),，機(jī)體因心力衰竭而開始死亡,，稱為死亡閾。根據(jù)這些結(jié)論,，Opitz假設(shè),，當(dāng)局部組織PaO2在8～l0mmHg時，氧將不能彌散到線粒體而使磷酸化作用降低,，但他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻都發(fā)現(xiàn),，即使是PaO2達(dá)到了lmmHg，但組織的線粒體仍然散在地存在著,，提示線粒體耐缺氧能力較強(qiáng)（注 lmmHg=133.322Pa）,。
2．腦缺血 腦缺血系由腦的一條或數(shù)條血管的血液供應(yīng)不足或停止引起的。局部組織除了缺氧以外,，還缺乏所有代謝必需的物質(zhì),。當(dāng)受累區(qū)域腦血流量降低至正常的50％時，即可產(chǎn)生癥狀,，因側(cè)枝循環(huán)的迅速建立,，腦組織對缺血所能耐受的時間較心臟停搏或完全無氧狀態(tài)的時間長得多。有人證明,，當(dāng)一測頸內(nèi)動脈血流阻斷15－20min后,，可不發(fā)生任何神經(jīng)功能損害癥狀。
腦缺血以后,，缺血區(qū)除產(chǎn)生缺氧代謝外,，還發(fā)生一系列病理生理過程：
1．能量代謝障礙 腦組織全靠血流供應(yīng)的氧和葡萄糖代謝提供能量。一旦血流中止,，氧,、糖供應(yīng)中斷，細(xì)胞內(nèi)能量不足,，維持胞內(nèi)外離子平衡的離子泵衰竭,，K+外流，Na+內(nèi)流帶動CI-和水大量進(jìn)人胞內(nèi),；加上糖無氧代謝產(chǎn)生的乳酸增多,，CO2,、H+等代謝產(chǎn)物堆積，造成細(xì)胞內(nèi)酸中毒和高滲透壓,，更促使Na+,、水內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞性腦水腫,。
2．興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性 谷氨酸是腦內(nèi)主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),，約存在于30％的中樞突觸中，并由突觸前膜釋放,，突觸后膜有5種亞型的興奮性氨基酸受體：N-甲基D-門冬氨酸（NMDA）受體,、使君子酸（AMPA）受體、海藻酸（K）受體,、親代謝型受體和L-2-氨基-4磷酰丁酸（L-AP4）受體,。其中NMDA受體功能在于觸發(fā)長時程突觸增強(qiáng)（LTP）效應(yīng)，與學(xué)習(xí),、記憶有關(guān),。NMDA受體的離子通道開放，使 Ca2﹢,、 Na+內(nèi)流,。AMPA和K受體開放NA+、K+陽離子通道,，產(chǎn)生興奮性突觸后電位,；親代謝型受體興奮促進(jìn)質(zhì)膜內(nèi)磷脂酰肌醇（PIP2）水解，產(chǎn)生胞內(nèi)第二信使,。甘油二脂（DAG）和三磷酸肌醇（IP3）,，對突觸后種經(jīng)元起慢興奮作用。正常神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)末梢質(zhì)膜上存在依賴Na+的高親和性谷氨酸攝取系統(tǒng),，能在l～2ms內(nèi)提取興奮過程釋放至突觸間隙內(nèi)的谷氨酸,。靜息狀態(tài)時，突出間隙內(nèi)谷氨酸濃度1Mm,，而神經(jīng)末梢胞內(nèi)濃度為10ms，相差1萬倍,。
當(dāng)腦缺血,、缺氧造成的能量代謝障礙時，使胞外K+濃度升高,，神經(jīng)元去極化,，引起神經(jīng)末梢內(nèi)谷氨酸大量釋放并逆轉(zhuǎn)神經(jīng)末梢和膠質(zhì)細(xì)胞的高親和性攝取系統(tǒng)的活動：把胞漿內(nèi)谷氨酸也大量排至胞外，胞外濃度可達(dá)500µM,，持續(xù)過度刺激興奮性氨基酸受體,，主要導(dǎo)致NMDA受體操縱的Ca2﹢通道（ROC）開放,，大量Ca2﹢內(nèi)流；而AMPA和K受體引起的去極化反應(yīng)可開放電壓依賴性Ca2﹢通道（VDC）,，增加Ca2﹢內(nèi)流,；親代謝型受體激活產(chǎn)生的第二信使IP3，能使胞內(nèi)Ca2﹢庫釋放Ca2﹢,。胞內(nèi)Ca2﹢超載會引發(fā)以下一系列毒性反應(yīng),，使神經(jīng)元潰變、壞死,。培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元接觸l00µM的谷氨酸僅5分鐘即潰變,、壞死。
3．鈣超載 正常細(xì)胞外鈣離于濃度為胞內(nèi)的1萬倍,。為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定需不斷調(diào)節(jié)跨膜Ca2﹢濃度,。 Ca2﹢進(jìn)人胞內(nèi)主要通過VDC和ROC，Ca2﹢排出胞外,，主要靠Ca2﹢泵（Ca2﹢-Mg2﹢-ATP酶）和Na﹢- Ca2﹢交換,。當(dāng)腦缺血、缺氧,，興奮性氨基酸毒性作用下,，大量Ca2﹢內(nèi)流，胞內(nèi)Ca2﹢超載,，激活各種降解酶（磷脂酶C和蛋白激酶C,、核酸內(nèi)切酶等），導(dǎo)致神經(jīng)元的磷脂膜,、細(xì)胞骨架蛋白、核酸等重要結(jié)構(gòu)解體,，神經(jīng)元壞死,。
4．磷脂膜降解和脂類介質(zhì)的毒性作用 大量Ca2﹢內(nèi)流，激活磷脂酶C和A2,，使神經(jīng)元富含磷脂的各種膜性結(jié)構(gòu)降解,，產(chǎn)生大量花生四烯酸（AA）和血小板活化因子（PAF），在缺氧時AA經(jīng)環(huán)氧化酶途徑生成前列環(huán)素減少,，而血栓素A2（TXA2）增加,；經(jīng)脂氧化酶途徑產(chǎn)生的白三烯（LTs）增加。這兩個途徑都產(chǎn)生自由基,。TXA2是強(qiáng)的血管收縮劑和血小板聚集劑,，可促進(jìn)血栓形成；PAF和LTs都可強(qiáng)烈收縮腦血管,，刺激腦血管釋放TXA2,，促進(jìn)白細(xì)胞和血小板粘附,，損傷內(nèi)皮細(xì)胞，增加膜通透性,，血腦屏障開放,，加重血管源性腦水腫。
5．自由基與再灌流損傷腦缺血,、缺氧后可通過①線粒體呼吸鏈損傷途徑,；②AA代謝途徑；③白細(xì)胞途徑產(chǎn)生自由基,。再灌流后氧供充分可大量生成自由基,，引起瀑布式的自由基連鎖反應(yīng)。自由基主要攻擊脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)中不飽和脂肪酸的多個不飽和雙鍵,，使之發(fā)生過氧化反應(yīng),，導(dǎo)致脂質(zhì)膜損傷，通透性增加,，各種細(xì)胞器解體,，加重細(xì)胞毒性腦水腫；攻擊血管內(nèi)皮細(xì)胞膜,，加重血管源性腦水腫,。
6．缺血性腦水腫腦缺血后發(fā)生細(xì)胞毒性腦水腫和血管源性腦水腫，壓迫周圍微循環(huán),，使血流郁積,，微血栓形成．更減少腦灌流，加重缺血,；再灌流后缺血灶相對于周圍腦組織處于高滲透壓,、高離子狀態(tài)，促使大量水份滲入缺血灶,，更加重腦水腫,。大片腦水腫導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高，又使靜脈回流受阻及動脈灌流阻力增大,，形成缺血,、水腫、顱高壓惡性循環(huán),，可引起腦疝,，危及患者生命。
因此,，腦缺血之后應(yīng)予及早治療，去除病因,，恢復(fù)血供,，預(yù)防腦組織的過度灌流和過度氧化作用,。
