神经递质与氧自由基

颅脑损伤时，除外力直接造成损伤区脑组织损害外，损伤区周围脑组织尚发生继发性病理变化，这些损伤称作继发性脑损伤。这些继发性病理变化除与血脑屏障功能受损、血流灌注不足有关外，还受中枢神经系统生物化学代谢方面功能紊乱的影响，如脑内神经递质释放增加、促发氧自由基反应、细胞钙超载、前列腺素代谢障碍等。在一定情况下，这些内在生物化学因素可严重影响脑的代谢与功能，从而加剧脑的继发性损害。了解颅脑损伤时中枢神经系统生物化学代谢变化，可加深对颅脑损伤病理生理过程的认识，有利于颅脑损伤的救治。

（一）神经递质

1．兴奋性氨基酸 在中枢神经系统，兴奋性氨基酸类神经递质（如谷氨酸和天冬氨酸）在维持神经系统功能中发挥重要作用。但在TBI、缺血缺氧等病理情况下会出现大量兴奋性氨基酸的释放，在细胞外间隙和脑脊液（CSF）中积聚非常高的浓度。有研究表明，重型TBI患者在创伤后3～4d时，CSF中谷氨酸浓度显著升高。进一步应用微透析技术，发现重型TBI后细胞外谷氨酸浓度长时间处于高水平。利用体外细胞培养模型，对离体神经元和胶质细胞直接应用谷氨酸和天冬氨酸刺激时，细胞可出现肿胀、空泡化和死亡。研究发现这些病理变化和谷氨酸受体有关，目前为止，学者已提出兴奋性氨基酸通过其受体引起兴奋性毒性的两种可能机制：一是导致急性神经细胞肿胀的氯化物和Na＋内流；二是导致延迟性损伤的Ca2＋内流。谷氨酸受体激动药，例如谷氨酸盐、红藻氨酸（KA）或N－甲基D－天冬氨酸（NMDA）受体激动药等注入大脑时可直接引起细胞死亡，可能是Ca2＋内流增加、高能量的磷酸盐储存减少或自由基增加等所致。因此，兴奋性氨基酸不仅在生理情况下调节着神经系统功能，在病理情况下也影响着TBI病理生理过程和神经细胞的命运。

目前已发现兴奋性氨基酸受体主要包括离子型和代谢型两类受体。离子型谷氨酸受体包括红藻氨酸盐／α－氨基－3－羟基－5－甲基－4－丙酸异唑（KA／AMPA）受体，以非电压依赖的方式开启，允许单价阳离子运输（Na＋流入，K＋流出），其中不含GluR2亚基的AMPA受体存在Ca2＋渗透性。另一种离子型谷氨酸受体是N－甲基－D－天（门）冬氨酸（NMDA）受体，对电压依赖性传导机制产生反应。在兴奋性氨基酸类神经递质介导的病理过程中，有Mg2＋参与的受体相关电压依赖性离子通道的关闭，可能与NMDA受体有关。代谢型谷氨酸受体和G蛋白耦联，可激活细胞内第二信使系统，进而激活磷脂酶C，具有促进细胞内三磷酸肌醇和二酰基甘油形成的作用。细胞内三磷酸肌醇的释放可增加细胞内Ca2＋储存，从而增加细胞内自由钙（［Ca2＋］i）的浓度，而二酰基甘油可激活蛋白质激酶C，引起一系列下游信号的激活。由TBI引起的大量兴奋性氨基酸的释放，导致损伤局部NMDA和非NMDA（AMPA／KA）受体的激活，阳离子内流增加，神经元过度兴奋，胞内离子增加导致细胞水肿，尚有大量Ca2＋的内流，直接导致了大脑特定区域的损伤。这些研究结果支持TBI后可产生长时间兴奋毒性作用，导致神经元数目减少、创伤后弥漫性损害和海马易损区选择性神经元缺失造成的认知功能障碍等。

2．内源性阿片肽 研究发现急性重度颅脑损伤后，机体释放大量内源性阿片肽，其中β－内啡肽（β－EP）产生广泛的病理生理效应，加重继发性脑损害。在大脑液压损伤后发现，伴随局部组织病理损害和脑血流量降低，内源性阿片强啡肽的浓度增加。于脑室内和间质内注射强啡肽和其他的κ－激动药可加重神经损害，而μ－麦角酰胺阿片神经元的激活似乎具有神经保护作用。也有报道鼠液压脑损伤以后皮质和海马的内源性阿片受体也发生改变。创伤后释放强腓肽的作用可被兴奋性氨基酸类神经递质谷氨酸和天冬氨酸介导，因此在内源性阿片肽和兴奋性毒性之间有一个潜在的联系机制。在内囊给予强啡肽可引起全脑组织的谷氨酸盐、天冬氨酸和甘氨酸减少，给予NMDA相关的甘氨酸受体拮抗药则可以改变强啡肽引起的行为效应，而由内源性阿片肽引起的海马锥体培养细胞过度毒性损害则可被非竞争性NMDA拮抗药Mg2＋所拮抗。另外的研究表明，强啡肽可完全缓解培养的皮质细胞暴露于NMDA引起的神经元退变，并且能抑制谷氨酸引起的海马锥体培养细胞的兴奋性。激活κ－阿片受体可抑制谷氨酸的释放和由NMDA受体介导的细胞毒性作用，提示强啡肽通过调节兴奋性氨基酸类神经递质的突触前释放，使局部神经元活动发生改变。所以，阿片受体特异性拮抗药纳洛酮对TBI预后等具有较好的改善作用，研究发现纳洛酮与阿片样受体的亲和力比与β－内啡肽等吗啡样物质的亲和力大，能竞争性阻止并取代β－内啡肽类吗啡样物质的作用，达到对受损脑组织的保护作用。

3．乙酰胆碱 乙酰胆碱是中枢神经系统的重要神经递质，参与了多种代谢和功能调节的过程，不少研究发现，TBI后乙酰胆碱是造成神经代谢和功能失衡的因子之一，特别是影响行为和认知功能。已有动物实验和临床观察显示，TBI后脑内胆碱系统特别是基底前脑胆碱神经系统功能的变化是伤后认知障碍的主要原因。实验性脑挫裂伤研究发现，脑内的乙酰胆碱浓度增加，相关的胆碱能受体却减少。在大鼠液压脑损伤以后15d内，与海马和脑干相关的毒蕈碱胆碱能受体显著地减少，而且海马和新皮质中相关的胆碱能受体部位发生改变。研究报道大鼠液压脑损伤后前脑胆碱乙酰基转移酶浓度显著减少。注射微量卡巴胆碱后激活脑桥局部的胆碱能受体，引起与挫裂伤后相同的可逆性认知功能障碍。这种认知功能障碍能被毒蕈碱胆碱能拮抗药阿托品所拮抗。毒蕈碱受体封闭和脑内乙酰胆碱浓度下降可显著降低认知功能短暂缺失和大鼠液压脑损伤造成的神经功能障碍。另外，给予实验性脑损伤大鼠拮抗胆碱能的化合物莨菪胺可减轻神经行为功能障碍。大鼠的可控制皮质损伤影响了胆碱能神经元，从而增加了胆碱能介导的认知功能障碍。基于这些研究结果，有些研究者发现激活脑桥近头端的毒蕈碱胆碱能系统可导致TBI后的行为功能障碍，而且由乙酰胆碱释放所产生的行为功能缺陷，则源于前脑结构的病理性兴奋。

4．单胺类神经递质 急性TBI刺激交感神经促肾上腺髓质轴，导致去甲肾上腺素和肾上腺素循环水平显著增加，TBI患者的这些血浆神经递质水平与Glasgow昏迷评分相关。对TBI模型的研究显示，血浆儿茶酚胺水平可以反映TBI的严重程度。实验性液压创伤模型显示局部去甲肾上腺素、多巴胺和肾上腺素组织浓度发生改变，在大鼠控制皮质打击的颅脑创伤模型中也可见此变化。实验性皮质打击后可引起双侧小脑细胞外去甲肾上腺素水平降低。大鼠单侧液压损伤以后，可观察到损伤皮质和海马相关的α1肾上腺素能受体的改变。然而，尚未弄清楚局部肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺水平的变化是否加重损害或是损害后的一种附加现象。

5－羟色胺系统的激活也在创伤后脑代谢功能障碍中发挥作用。动物实验发现，大鼠单侧大脑半球冻伤以后，皮质的5－羟色胺代谢短暂增加并伴随局部葡萄糖利用减少。实验性TBI后在受伤皮质也可观察到5－羟色胺局部合成增加，同时广泛性脑组织损害区葡萄糖利用明显减少。

（二）氧自由基

1．TBI时自由基的产生 TBI后局部缺血改变可造成新陈代谢障碍，产生氧自由基（free radicals），在脑损伤病理过程中起重要作用，它从一个侧面揭示了脑损伤继发性损害可能的分子机制。氧自由基是指一类具有高度化学反应活动性的含氧基团，主要有超氧阴离子O2－（Superoxideanion）和氢氧自由基OH－（hydroxyl radicals）。在正常生理条件下，机体内也可产生少量氧自由基，占机体总耗氧量的5%或更少，其水平仅为10－7～10－5 mol／L，并且被体内存在的酶系统迅速消除，例如氧自由基在超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）或谷胱苷肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）的作用下进一步分解为水和氧分子。由于正常体内酶系统的保护作用，限制了氧自由基的大量生成。在脑损伤、缺血缺氧等病理情况下，体内酶系统保护作用减弱，以及某些内在因素的影响，氧自由基生成过多，对脑造成过氧化损害，加重继发性脑损害。

那么TBI后脑内自由基的产生增多和哪些因素有关呢，目前研究发现TBI后氧自由基的过多产生与下列因素有关：①黄嘌呤氧化酶的作用，脑损伤时在损伤区及周围组织灌流不足，脑细胞能量合成减少，ATP分解增加，AMF浓度增高。AMP经代谢形成大量次黄嘌呤蓄积于脑组织内。同时细胞内黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，XD），不可逆地转变为嘌呤氧化酶（xanthinoxidase，XD），该酶作用于大量蓄积在细胞内的次黄嘌呤及其他一些底物，使氧分子获得一个电子而形成过氧化氢，氢氧自由基及其他离子。②金属离子的作用，脑损伤时由于血脑屏障通透性增高，铁、铜等金属离子随血浆进入脑内。这些金属离子具有很强的催化作用，可使氧自由基的反应速度增加103～105倍。如Fe2＋和Cu2＋通过自身的氧化还原过程传递电子，与氧分子作用产生超氧阴离子自由基。③前列腺素的作用。TBI后激活磷脂酶A2，使游离花生四烯酸产生增多，进而生成大量的前列腺素（PG）。在前列腺素G2（PGG2）转化为前列腺素H2（PGH2）的过程中，将电子传递予氧分子，产生超氧阴离子自由基。④儿茶酚胺、5－羟色胺的作用。脑损伤时中枢神经元释放大量儿茶酚胺和5－羟色胺（5－HT）等神经递质。这些递质不仅影响脑微血管自动调节功能，而且在其自身氧化过程中也将电子传递给氧分子，产生氧自由基。上述氧自由基的产生过程呈“链锁”反应，可以在很短时间内产生大量的自由基，远远超过体内自由基清除酶。脑内产生的大量氧自由基、氢氧自由基可造成脑细胞、血脑屏障的过氧化损伤，导致细胞毒性和血管源性脑水肿，加剧脑的继发性损害。

2．自由基的致伤机制 由于氧自由基外层轨道上具有未配对电子，其性质极不稳定，很容易与脑内多种生化物质发生氧化反应，破坏它们正常的化学结构和生理与生化功能，从而导致一系列病理变化，现代研究显示，自由基主要通过以下途径导致细胞的损伤：①脂质过氧化作用。神经细胞膜、脑微血管内皮细胞膜及其细胞器膜都是以多价不饱和脂肪酸为骨架的脂质双分子层，氧自由基易与细胞膜结构中多价不饱和脂肪酸双键发生反应，夺取其电子，使脂质分子构型和功能发生改变。如氢氧自由基可以直接与膜脂质发生反应，夺取一个氢原子，形成脂基团。在氧存在的条件下，脂基可与氧结合形成超氧脂质基团；后者又可进一步与其他脂肪酸上的氢原子反应，生成超氧化合物和新的脂基团，这一反应过程呈链式反复进行。当有铁、铜等金属离子存在时，上述的脂质过氧化物又可分解为烷氧基和过氧基，导致多不饱和脂肪酸链断裂，细胞膜流动性增大，通透性增高，破坏细胞完整性与功能。②与膜蛋白的反应。氧自由基能直接与蛋白质的氨基酸残基发生反应，包括蛋氨酸、组氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等。氧自由基与这些氨基酸残基发生化学反应，改变其结构，使细胞膜蛋白的一级结构受损害，例如当氢氧自由基与脯氨酸反应，先使脯氨酸γ－碳位上失去1个氢原子，再被氧化为吡咯酮，从而使蛋白质分子自动水解开环，发生断裂。氧自由基也可与胞质膜上的酶蛋白分子的巯基发生反应。这些酶蛋白包括各种激酶、载体、受体的抗原等，它们的活性基团都含有巯基，氧自由基与巯基发生氧化反应，使激酶、载体、受体等的生物化学活性发生改变，并影响它们的结构与功能。自由基在氧存在条件下，可直接与蛋白质肽键发生氧化反应，首先与化学性质活泼的α－碳原子氧化成过氧基，过氧基与附近的活泼氢结合成水，肽键转变成亚胺基肽，进而水解断裂。③氧自由基除与膜脂质，蛋白质作用外，也作用于DNA，糖类和胶质等，使这些物质产生过氧化损害。

3．TBI后自由基变化的临床意义 大量研究发现TBI后氧自由基含量明显增加，但由于氧自由基寿命很短暂，仅为10－9～10－5s，很难直接检测其含量变化。目前较常采用硫代巴比妥酸比色法，通过检测氧自由基脂质过氧化反应的最终代谢产物丙二醛，以反应脂质过氧化的程度。也有用四唑氮蓝法、紫外分光法，以及电子外旋法，人们也仍在摸索更直接精确的氧自由基含量的方法。Kontos等在猫脑液压冲击性损伤时，用NBT法检测氧自由基产生，对照动物脑组织测定值为（0．20±0．10）nm／（min·cm2）；伤后15min以内增加至（5．65±1．44）nm／（min·cm2）；伤后1h为（7．82±1．69）nm／（min·cm2）。给予自由基清除剂超氧化物歧化酶能有效地阻止氧自由基产生。还有作者用硫代巴比妥酸比色法，检测了Wistar大鼠落体撞击脑损伤时脑组织和血浆中的氧自由基反应，发现伤后3h，脑组织和血浆中氧自由基均较对照组明显增加；对照组脑组织丙二醛含量为（4．222±0．296）nmol／mg蛋白质，血浆为（3．599± 0．233）nmol／mg蛋白质；脑损伤后3h，脑组织丙二醛含量为（6．783±0．358）nmol／mg蛋白质，血浆含量为（7．963±0．620）nmol／mg蛋白质。电镜观察到脑组织超微结构发生改变，表现为线粒体肿胀，细胞核固缩浓染，核膜边界不清，脑微血管内皮细胞亦发生肿胀，血管周围间隙扩大，并伴有脑细胞生物电活动受抑制。给予自由基清除剂超氧化歧化酶（SOD）、过氧化氢酶和维生素E等治疗后，脑组织和血浆中丙二醛含量均明显降低，分别为（2．490±0．198）nmol／mg蛋白质和（3．575±0．189）nmol／mg蛋白质，脑组织与血管内皮细胞超微结构改变亦有明显改善，脑细胞生物电活动有所恢复。

正如前述TBI时氧自由基对脑的损害主要是在细胞膜系统。当神经细胞膜受损时，表现为脑细胞的肿胀，发生细胞毒性脑水肿；若自由基损害脑微血管内皮细胞脂质膜，则血脑屏障通透性增加，导致血管源性脑水肿。所以，20世纪70年代初学者Derrlopoulos等即开始阐述自由基在外伤性脑水肿中的作用。进一步，应用大鼠断头取脑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后，脑组织脂质过氧化产物和水分含量均增加，这是体外实验，无血液循环存在，提示氧自由基和细胞毒性脑水肿有关。如果将外源性多价不饱和脂肪酸，亚油酸（C18：2），亚麻酸（C18：3），花生四烯酸（C20：4）和二十二酸六烯酸（C22：6）等加入到大鼠切片培养液中，或直接注入大鼠活体脑组织内，均使脑组织氧自由基的形成增加，并引起明显脑水肿；这样体外实验和上述研究结果相似，并且利用体内实验进一步验证了这一现象，由于体内实验有血液循环存在，所以提示氧自由基不仅引起细胞毒性脑水肿，还可能与血管源性脑水肿有关。TBI后氧自由基产生增加对血－脑屏障的损害作用也已趋于明确。在猫的实验研究中发现，当脑部给予外源性氧自由基产生剂黄嘌呤氧化酶时，局部软脑膜小动脉呈持续性扩张，血管内皮细胞和平滑肌细胞超微结构发生改变，细胞肿胀，空泡样改变和胞饮活动增强，包涵体增多，并有血脑屏障紧密连接疏松开放。应用伊文蓝作示踪剂，研究发现不管是创伤性脑水肿，或是瘤性脑水肿，都有氧自由基产生增加，使血－脑屏障发生脂质过氧化损害，通透性增高，表现为脑组织蓝染，并伴有脑组织水含量增多。进一步研究发现不仅在落体撞击或液压冲击性脑损伤的情况下，而且在冷冻性脑损伤的状态下，也存在脂质过氧化反应，产生了病理性氧自由基损害作用。1972年，Ortege首次在猫的冷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，认为脑水肿的产生与自由基有关。

总之，脑损伤时氧自由基产生增加，对脑细胞和血脑屏障均可发生脂质过氧化损伤，它在一定程度上揭示了脑损伤继发性病理损害的分子机制。当然对自由基学说也还存在一些争议，其一是氧自由基寿命仅为10－9～10－5s，它不太可能在这种短暂的时间内造成细胞损害，有人在动物冷冻伤脑水肿研究中观察到，氧自由基产生脑水肿作用较小，仅有30%的动物产生血－脑屏障通透性增加，而氧自由基对神经元与胶质细胞损伤的证据也不充足；其二是脑损伤时脂质过氧化代谢产物丙二醛含量增加是引起脑损害的原因还是结果尚不明了，还有待于进一步探讨。对于脑损伤的抗过氧化治疗方面，在实验研究中应用较多的是超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、维生素E等，并已收到较好效果，有较好的前景。近来被广泛用于临床的依达拉奉，取得了较好的临床效果，研究显示依达拉奉具有强大的自由基清除功能和神经保护作用。因此，对氧自由基在TBI的病理过程中起了不可忽视的作用，抗过氧化与自由基的治疗将对改善TBI患者的预后和神经功能恢复有较好的效果，但需更进一步的深入研究。