颅脑损伤的分子机制

脑外伤后的继发性脑损伤，在很大程度上决定了病人的神经功能恢复。虽然继发性脑损伤的机制尚不十分明确，但在继发性损伤的分子网络中，氧自由基、一氧化氮、兴奋性氨基酸、炎性介质和钙离子扮演了重要角色。

（一）自由基在继发性脑损伤中的作用

1．自由基的概念和特性：自由基是指具有不成对电子的原子、离子、分子或化学基团。由于不成对电子的存在，自由基十分活跃，通过得失电子，引起剧烈的氧化还原反应。自由基反应既具有正常的生理意义，又能损害细胞膜产生病理损伤。氧自由基是指分子氧还原为水的一系列单价途径中所产生的中间产物，包括超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢、有机过氧自由基和脂过氧自由基。它们都是至少含有一个不成对电子的原子或分子。氧是生物学上所有重要自由基中最常见的，它是二价基团，含有2个不成对电子，各占一个轨道。自由基反应是一种自动进行的连锁反应，当一个稳定的分子在某种因素诱发下转变为自由基后，反应即自动扩大、增殖，直至最终形成稳定的共价键而终止。自由基具有瀑布效应的级联反应，它是随机的、非特异性的氧化还原反应，特别是具有不饱和双键的物质，均为反应对象，这使得自由基反应具有严重、广泛的破坏性。在生理情况下，机体具有完整的防御自由基损伤效应的防护机制，体内自由基的产生和清除处于动态的平衡；在病理情况下，自由基的产生增加又不能及时地进行清除，因而容易引起过脂化反应，导致自由基的连锁反应，神经细胞被氧化、破坏直至坏死，引起严重的临床症状。

2．自由基损伤机制颅脑损伤时的都会出现组织缺氧，正常的氧化通路发生障碍，次黄嘌呤、黄嘌呤酶和黄嘌呤氧化酶过剩，形成大量的氧自由基；同时线粒体的三羧酸循环障碍，电子传递呼吸链的传递体失去控制，分子氧还原为超氧阴离子，漏出线粒体，氧自由基生成增加；而且缺氧时ATP生成减少，机体防护机制减弱，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶以及谷胱甘肽过氧化酶合成减少，活性降低，不能清除增多的自由基，导致氧自由基过多。增多的自由基与细胞膜不饱和脂肪酸发生反应，通过细胞内很多中间环节，产生血管毒性物质、脂过氧化基和脂过氧化物，导致微循环障碍，又使组织细胞进一步缺血缺氧，通过链式反应，不断产生更多的自由基，形成恶性循环。①氧自由基攻击细胞膜上的不饱和脂肪酸，生成脂质过氧化物，造成生物膜的氧化，导致细胞溶解，通透性增加，细胞水肿，毛细血管道透性增加，进而引起脑水肿。②缺氧时ATP减少，胞膜中磷脂分解，产生大量的花生四烯酸，经脂氧化酶催化生成白三烯，吸附白细胞和刺激溶酶体释放溶酶体酶，同时经环氧化酶催化生成血栓素，使血管收缩、血流障碍、血小板聚集，生成血栓，导致微循环障碍。③自由基损害线粒体DNA，导致线粒体肿胀，合成ATP减少，能量供应不足，引起钙内流，胞质游离钙浓度升高。细胞内受钙离子调节的磷脂酶被激活，引起磷脂分解；核酸酶被激活引起核酸分解破坏；蛋白酶被过度激活催化黄嘌呤脱氧酶变成黄嘌呤氧化酶，黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤变成黄嘌呤，同时产生氧自由基，加重细胞损伤。④自由基可使脑内兴奋性氨基酸增加，尤其是谷氨酸增加时，能激活非NMDA受体引起钠离子内流、氯离子和水分子被动进入细胞，引起水肿；激活NMDA受体，引起钙离子内流，进一步加重细胞损害。

3．自由基损伤的治疗总的来说，对于自由基损伤的防治应从3个环节入手：减少自由基的底物，消除诱因，抑制启动；消除已增殖的各代自由基，防止反应扩大化；清除自由基的毒性产物。

（1）氧自由基抑制药和清除药：脑损伤时氧自由基产生速度超过清除能力。某些药物能够通过抑制前列腺素和黄嘌呤产生过程中与氧自由基生成过程有关的特异反应而抑制自由基的产生，例如吲哚美辛可以抑制环氧化酶，羟基吡唑嘧啶抑制黄嘌呤氧化酶。而超氧化物歧化酶、内过氧化物酶以及过氧化氢酶可以将高活性的自由基降解为无活性基团，达到破坏自由基的目的，如丹参的有效成分丹参酮能够直接清除体内的氧自由基，维生素C、维生素E以及少量甘露醇也能清除氧自由基，减轻脑损害。另外甲泼尼龙有较强的抗脂质过氧化作用，对中枢神经损伤具有明显的保护作用。21－氨基类固醇也可以通过抑制氧自由基介导的脂质过氧化反应，起到脑保护作用。

（2）兴奋性氨基酸拮抗药：缺血缺氧时谷氨酸盐从神经轴突末端释放至突触间隙，细胞表面受体受刺激后，引起神经元坏死。兴奋性氨基酸拮抗药（如氯胺酮、右羟吗喃）可以抑制谷氨酸盐释放，并阻断突触后作用。

（3）钙通道阻滞药：缺血缺氧时钙内流，细胞内游离钙浓度增高，引起广泛的神经元损害。尼莫地平可以使L型电压敏感钙通道失活，阻止细胞内钙浓度的升高，减轻对神经细胞的损害。

（4）腺苷：腺苷存在于细胞外液中，是缺血缺氧性脑损害的一种内源性保护因子。它能激活细胞膜表面受体，抑制兴奋性氨基酸等递质的释放，保持细胞内钙离子的稳定，减少氧自由基的产生和激活内源性抗氧化酶的活性，发挥神经保护作用。继发性脑损伤时的病理变化是一个相当复杂的病理网络，不是一个单纯的线性过程。所以，治疗过程应该是综合的、多途径、多方面的联合治疗。

（二）一氧化氮在继发性脑损伤中的作用

一氧化氮（nitric oxide，NO）作为一种不稳定的高度弥散性活性分子，其主要生理作用是作为信号传递物而扩张血管、抑制血小板聚集以及作为神经元之间的信号传递物等。适量产生的NO可以满足生理功能需要，但产生过多或过少都会引起脑组织的病理性损伤。

1．一氧化氮的产生和代谢NO是一种正常生理状态下存在的信息分子，脑内NO主要来源于脑血管内皮细胞、含一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）的神经纤维、神经元和胶质细胞。左旋精氨酸和分子氧在NOS催化下生成NO。NOS包括3种类型：①神经元型NOS（netlronal nitric oxide syn－thase，nNOS），主要存在于神经元、血管内皮细胞和平滑肌细胞。②内皮型NOS（endothelial nitric ox－ide synthase，eNOS），主要存在于内皮细胞中。③诱导型NOS（inducible nitric oxide synthase，iNOS），主要表达于胶质细胞、中性粒细胞和巨噬细胞。一般认为nNOS属于钙离子和钙调素依赖蛋白，主要同细胞内钙离子升高有关，激活时立即合成释放NO，主要参与信使调控、扩张血管，正常情况下具有脑保护作用，在大量生成时具有细胞毒性；iNOS为非钙依赖性酶，活性表达需经酶蛋白的诱导合成，生理条件下活性可忽略不计，其诱导激活需4～6h，一旦激活则长时间、大量合成NO，其合成和释放的NO是造成神经系统损伤的主要原因。nNOS与eNOS在细胞处于生理状态下即有表达，故又合称为结构型NOS（constltutive nitric oxide synthase，cNOS）。NO在离体标本营养液中主要氧化成亚硝酸盐，血浆中NO氧化成亚硝酸盐可稳定数小时，但在体内全血中迅速转化为硝酸盐。NO也可以被快速氧化成高氮原子，结果可使含巯基的分子如谷胱甘肽、半胱氨酸和白蛋白等硝基化，这些分子可作为NO的载体或以生物形式沉积NO。

2．一氧化氮的神经毒性及其机制神经系统损伤后NO过量产生的具体机制尚不太清楚，目前认为NO生成增加的原因如下：脑缺血导致兴奋性氨基酸释放，通过激活cNOS活性，使NO生成增多；缺血组织分泌白细胞介素－1（interleukin－1，IL－1）和α肿瘤坏死因子（alpha－tumor necrosis factor，TNF－α）增加，又激活iNOS，使其表达增加，生成过量的NO；另外，兴奋性氨基酸的大量释放并与NMDA受体结合，引起钙通道大量开放，钙内流使得细胞内游离钙浓度增加，进而激活依赖钙离子和钙调蛋白的NOS，产生和释放过量的NO。NO是由左旋精氨酸和分子氧在NOS催化下生成的，它很快氧化生成NO2和NO3，同时作用于细胞膜上的鸟苷酸环化酶（guanylic acid cyclase，GC），使GC构象改变，催化GTP生成cGMP，它可以调节血管平滑肌张力，使血管扩张，同时可通过蛋白激酶、磷酸二酯酶和离子通道的调节发挥生物效应。基础水平的NO通过阻断谷氨酸的NMDA受体过度兴奋，减少胞质游离钙水平，对神经元起保护作用；当NO过量产生时，cGMP的大量生成除了调节局部脑缺血外，还导致多巴胺大量释放，产生强烈的神经毒性，引起神经元坏死。在3种类型NOS中，nNOS和iNOS均与神经损伤机制有关，eNOS有助于防护神经损伤。NO产生神经毒性的机制可能如下：NO与超氧阴离子（O－2）结合产生过氧化硝基ONOO－，它是一种强氧化剂，能氧化蛋白质的巯基，使多种酶失活，并且可使脂质过氧化，从而严重影响生物膜的功能。另外，NO能引起DNA损伤，并可使呼吸链中重要酶的铁硫中心失活，使线粒体电子传递受阻，导致细胞能量代谢障碍，引起细胞死亡。

3．一氧化氮损伤的治疗。

（1）NOS抑制药：NOs抑制药（NOSI）可分为选择性和非选择性两种。选择性NOSI，结构与L－Arg类似，如：N－硝基左旋精氨酸甲酯、N－硝基左旋精氨酸等，它通过抑制L－ArgHNO通路起作用。非选择性NOSI对亚型选择有限，效能较低。

（2）神经营养因子：神经营养因子是一类选择性作用于外周和中枢神经系统，促进神经细胞存活、生长和分化的特异性蛋白，在神经系统损伤修复中起重要作用。神经生长因子（nerve growth－factor，NGF）和睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor，cNTF）可以通过影响谷氨酸离子型通道和细胞内钙库对钙离子的摄取，抑制胞质游离钙浓度的升高，从而减少NO的产生和释放。另外，NGF还可以抑制神经细胞凋亡，起到保护作用。

（3）镁剂：高浓度的镁剂可以降低脑组织中谷氨酸和NO的含量，阻断NMDA受体－钙离子－NOS－NO径路，保护神经元。

（4）汉防己碱：可以抑制皮质和海马的NOs阳性细胞数目的增加，减少NO的合成和释放，产生脑保护作用。

（5）银杏叶制剂：可以阻止蛛网膜下腔出血后微区脑血流量的降低、基底动脉痉挛，降低血清NO水平。

（三）兴奋性氨基酸与继发性脑损伤

兴奋性氨基酸广泛性存在于哺乳动物的中枢神经系统，起着传递兴奋性信息的作用，以谷氨酸和天门冬氨酸为代表。其中谷氨酸是中枢神经系统含量最多的氨基酸，以大脑皮质和海马中含量最高。

1．兴奋性氨基酸的合成、释放与代谢谷氨酸与天门冬氨酸是不能透过血脑屏障的非必需氨基酸，不能通过血液供给脑组织，必须在脑内合成。在突触前细胞内，谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸，储存于突触前囊泡内；α－酮戊二酸在α－酮戊二酸转氨酶及维生素B6作用下生成谷氨酸是一条辅助途径。突触前谷氨酸的释放依赖于钙离子、钾离子以及膜的去极化，很多神经递质影响这个过程，突触间隙内的谷氨酸本身也通过“自身受体”作用于突触前膜，抑制谷氨酸释放。突触间隙内的兴奋性氨基酸主要通过钠离子依赖的特异性载体转运系统，摄入胶质细胞和神经元内，使其失活。载体转运功能的下降，将影响突触间隙内兴奋性氨基酸的浓度。突触后膜受体脱敏是谷氨酸活性终止的唯一机制，谷氨酸与受体结合后，G蛋白与膜受体分离，传递代谢性细胞内信息，同时谷氨酸受体分子发生变构调节，对谷氨酸的亲和力下降。

2．兴奋性氨基酸受体分型兴奋性氨基酸受体可分为离子型受体和代谢性受体，离子型受体为配体介导的离子通道包括N－甲基－D－天门冬氨酸（N－methyl－D－aspartic acid，NMDA）受体、DL－α－氨基－3－羟基－5－甲基－2－异唑丙酸（DL－α－aimino－3－hydoxy－5－methyl－4－isoxazale，AMPA）受体、红藻氨酸（kanic acid，KA）受体。亲代谢性受体与G蛋白相连参与核酸多肽的循环和磷酸肌醇的代谢。NMDA受体：至少有5个以上的亚单位组成。除了具有谷氨酸连接位点外，还有甘氨酸连接位点，必须两个位点都结合后，才能激活受体。其他氨基酸如精胺、亚精胺也参与NMDA受体的激活，它们存在时，NMDA受体离子通道打开的可能性增加，所以有些药物可以通过作用于多胺结合位点，起到拮抗NMDA受体的作用。胞外锌离子、镁离子和pH对NMDA受体活性也有影响，但锌离子作用位点和作用方式不清楚，镁离子以电压依赖的方式阻滞钙内流。pH降低，NMDA受体活性降低。PCD、MK－801直接作用于离子通道，抑制钙内流。NMDA受体与AMPA受体不同，对钙离子和钠离子都有通透性。AMPA受体：激活后能介导快速兴奋性神经传导，谷氨酸与其结合的钠离子内流。AMPA受体由4个亚单位构成：OluR1、GluR2、GluR3和GluR4，GluR1和GluR3对钙离子具有通透性，而GluR2能抑制钙离子内流。kainate受体：缺乏特异的拮抗药，药理和生理功能尚不明确。亲代谢受体：它与G蛋白和胞内酶耦联，参与磷酸肌醇的代谢、花生四烯酸的生成、环磷酸腺苷的调节。

3．兴奋性氨基酸的神经毒性作用：在颅脑损伤神经系统缺血缺氧时，脑内谷氨酸能突触囊泡和其余各突触体胞质中丰富的谷氨酸被大量释放，神经元胞体和胶质细胞代谢池也释放出谷氨酸，使得细胞间隙中谷氨酸浓度过高。具体释放机制如下。①胞质游离钙浓度升高，在ATP充足的情况下，激发谷氨酸递质囊泡与胞质膜融合，以胞吐方式释放大量谷氨酸。②钠离子内流进入细胞内，激活神经元和突触末梢上的谷氨酸摄入载体的反向运载，使谷氨酸大量释放到细胞间隙。③谷氨酸和天门冬氨酸灭活减少，谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解生成谷氨酸增加也是一个原因。谷氨酸的神经毒性主要是通过以下两种途径来实现的。促进钠离子、氯离子和水分子内流，谷氨酸作用于细胞膜上的AMPA／KA受体，使其对钠离子的通透性增加，钠离子的大量内流，产生膜电位的变化，使氯离子顺电位差大量内流，导致水大量内流，造成神经元的急性肿胀；钙离子超载，大量谷氨酸作用于细胞膜上的NMDA受体，使AMPA／KA受体操控的钙离子通道开放，引起钙离子大量内流，使细胞内钙超载，导致神经元迟发性损伤。

4．兴奋性氨基酸引起脑损伤的治疗：兴奋毒性是损伤级联反应机制中的重要环节，抑制兴奋性氨基酸释放、加速重摄取、加速降解代谢、防止谷氨酸受体过度激活的方法都能起到治疗作用。①减少突触前膜兴奋性氨基酸的释放，使用谷氨酸释放抑制药riluzole可以减少NR、NR2A／B的释放，并抑制NO介导的神经毒性。②拮抗突触后膜兴奋性氨基酸受体的过度兴奋，兴奋性氨基酸受体拮抗药中以NMDA受体拮抗药的研究最多，分为竞争性和非竞争性两类，NMDA竞争性受体拮抗药主要通过与氨基酸递质竞争受体而阻断兴奋毒性，非竞争性拮抗药主要通过对离子通道内的某些受点进行别构调节，从而降低离子通道的通透性，阻止钠离子和钙离子的通过。MK－801是目前研究较多的非竞争性NMDA拮抗药，它与离子通道结合快，解离也快。非竞争性NMDA受体拮抗药右吗喃与NMDA受体有较高亲和力，可以有效拮抗NMDA受体，防止其过度兴奋。镁离子是钙离子的天然拮抗药，当细胞外镁离子浓度达到一定水平时，可以有效阻断NMDA受体的兴奋，减少钙离子内流。③兴奋性氨基酸的重摄取可以防止在突触间隙浓度过高，而地塞米松以及超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）可以改善谷氨酸转运体的功能，发挥抗损伤作用。此外代谢性谷氨酸受体调节药、钾离子通道开放药、钠离子通道阻滞药均有抗谷氨酸兴奋毒性作用。

（四）钙离子与继发性脑损伤

钙离子广泛分布于人体的细胞和体液中，在细胞活动的各种生理、生化反应和疾病的发生、发展中扮演着重要角色近年来的研究发现，钙不但在调节正常细胞生理活动过程中起十分重要的作用，而且参与了许多病理情况下细胞损害过程，被认为是细胞死亡的“最后共同通道”。钙离子进入细胞内能启动内源性杀伤机制，激活磷脂酶、阻断能量产生、形成自由基等，最终引起细胞崩解坏死。

1．钙离子的分布与调节机制 在生理状态下，细胞内钙的含量为10－8～10－7 mol，而细胞外液钙含量高达10－3～10－2 mol，两者相差1万倍。细胞内钙又以结合钙和游离钙两种形式存在，其中99．9%以上为结合钙，与磷酸根和细胞内蛋白结合，不具有生物活性，主要储存在线粒体和内质网中，被称为钙库不到0．1%为具有生理活性的游离钙。钙库内和胞质中的钙，常处于交换之中，以适应细胞的功能需要。

细胞内钙离子浓度增加的途径有以下几种。①电压调节的钙通道：脑组织中含有4种不同类型的电压调节的钙通道，分别为L、T、N、P型。L型通道的电导大，衰减慢，持续活动时间长，需要较强的除极才能激活，它普遍存在于各种细胞之中。T型通道电导小，衰减快，弱的去极化电流即可激活。N型钙通道的电导和电压依赖性介于前两者之间，它需要强的除极激活，但失活较快，常存在于神经组织中，可触发递质的释放。其中L型电压调节钙通道最为重要，脑损伤后它的开放时程长，能引起细胞膜长时程除极化。L型钙通道的选择性拮抗药尼莫地平被认为是安全有效的钙拮抗药，已经被广泛应用于临床。②受体门控钙通道：它是指与配体的结合便可直接使其开放的钙通道。脑内的神经递质如谷氨酸和NMDA受体结合、乙酰胆碱和毒蕈碱样胆碱能受体的结合等，能够直接或间接开启神经元膜钙通道，导致钙离子内流。脑内的某些非神经递质类生化物质也具有开启细胞膜钙通道的功能，如ATP能使脑血管内皮细胞膜钙通道开放。③钠／钙交换通道：正常情况下，钠／钙交换通道的功能是将细胞内的钙排到细胞外，在神经元受损等病理情况下，由于细胞内钠离子浓度明显升高，钠／钙交换通道开放，促进钙内流。④钙库释放：钙释放通道贯穿于细胞器膜上，是细胞内钙库释放的钙离子进入胞质的途径。例如三磷酸肌醇酯（IP3）能促使以结合形式存在的细胞内钙库释放游离钙。⑤非特异性钙内流：当神经元受损时，钠离子、钙离子等无机离子可以通过细胞膜上的孔洞自由进入神经元。

细胞内钙离子浓度降低的途径包括钙离子外流和形成结合钙。①Na＋－K＋－ATP酶：以Na＋／Ca2＋交换形式排出Ca2＋，排出一个Ca2＋，交换进细胞三个Na＋。由于细胞外是高Na＋，Na＋顺其化学梯度进入细胞，而Ca2＋逆化学梯度移出细胞，由钠泵消耗ATP提供能量。②Ca2＋－Mg2＋－ATP酶：该酶位于细胞膜、线粒体膜和内质网膜。依赖于细胞膜上的钙泵主动转运作用，将胞质中Ca2＋移出胞外，或转运到线粒体、内质网的钙库中，从而保持细胞内外Ca2＋浓度差，维持细胞内低Ca2＋稳态水平，使细胞内环境相对稳定。③形成结合钙：神经元内有多种物质能以各种形式大量、迅速地与游离钙结合，形成结合钙，这些物质包括：钙调素、S－100蛋白、无机磷酸盐和磷脂等。

2．钙超载的损伤机制

（1）脑损伤时神经细胞钙超载的发生机制如下：①电压依赖性钙通道开放，脑损伤时脑干和下丘脑受到强烈刺激，通过脑干、下丘脑和大脑半球的广泛投射联系，使神经细胞电兴奋性发生瞬间变化，开启膜上电压依赖性钙通道，钙离子内流增加。②受体门控钙通道开放，脑损伤时脑组织内兴奋性氨基酸大量释放，作用于细胞膜上NMDA受体，开启受体门控钙通道，大量钙离子内流。③钙泵衰竭，脑损伤后脑组织缺血缺氧，能量合成障碍，ATP缺乏，神经细胞膜上Ca2＋－Mg2＋－ATP酶活性受抑制，钙泵向细胞外排钙的作用减弱，同时细胞内钙库主动摄存储存Ca2＋减少，加剧细胞内Ca2＋超载。④Na＋／Ca2＋交换增加：脑损伤时脑组织缺血缺氧，无氧酵解增强，乳酸产生增多，局部脑组织酸中毒，细胞内氢离子增加，促使Na＋排出增多，通过Na＋／Ca2＋交换，使Ca2＋内流增加。

（2）神经元内钙超载引起的病理效应：①钙内流促使乙酰胆碱和谷氨酸释放增加，加重乙酰胆碱和谷氨酸对神经元的毒性作用。②神经元内钙对细胞膜钾离子通透性调节功能丧失。正常生理情况下，钾平衡电位较膜静息电位低，神经元膜钾离子通道开放会导致神经元超级化。但在受伤脑组织，受损神经元外钾离子含量明显升高，而神经元内钾离子明显降低，这时若增加细胞膜对钾离子通透性，会进一步导致神经元除极产生神经元过度兴奋性损害作用，而钙内流则进一步加重钾离子对神经元兴奋性毒性损害。③神经元内钙含量升高能明显抑制细胞能量代谢，钙与线粒体膜结合后，能阻断线粒体电子转移，从而阻断AIP能量产生，引起依赖ATP能量参与的所有细胞活动停止以及乳酸堆积；同时细胞内钙含量还能破坏糖酵解过程中的酶系统，进一步加重能量代谢障碍。④神经元内钙含量升高，能激活细胞内多种降解酶系玩。如：无活性蛋白－calpain被激活后，能使神经丝、髓磷脂、微管以及其他结构蛋白降解，导致神经元结构破坏。⑤钙还能激活磷脂系统，使神经元膜脂质崩解，释放出无机磷酸盐和游离花生四烯酸，后者又分解为前列腺素和白三烯，最终形成大量氧自由基，导致脂质过氧化反应，破坏细胞膜结构。另外，神经元膜结构崩解还能释放出溶酶体，形成大量蛋白酶和磷酸酯酶，进一步导致神经元结构蛋白和膜磷脂崩解，最终导致神经元死亡。⑥细胞膜通透性增高：神经元内Ca2＋增加，激活细胞内中性蛋白质酶及磷脂酶，或通过Ca2＋－钙调蛋白复合物的介导，使神经元膜蛋白质及脂质分解代谢增加，细胞膜流动性降低，完整性受到破坏。Ca2＋使氧自由基产生增加，攻击神经细胞膜脂质，亦造成膜的流动性和完整性破坏。细胞膜通透性增加，细胞外Na＋和水等小分子物质进入细胞内，导致细胞毒性脑水肿形成。⑦细胞内酸中毒，Ca＋沉积于线粒体内，使线粒体氧化磷酸化电子传递脱偶联，无氧代谢增强，大量乳酸和氢离子产生，细胞内pH下降，细胞内酸中毒，不利于细胞代谢正常进行。⑧血脑屏障破坏：脑损伤后Ca2＋尚可进入微血管壁，直接或通过钙调蛋白作用于内皮细胞，造成内皮细胞损伤和通透性增高，Ca2＋促发氧自由基反应，亦可引起微血管内皮细胞损伤，产生血管源性脑水肿。⑨脑血管痉挛：脑损伤时脑组织内聚积的大量Ca2＋可进入脑血管壁，血管平滑肌细胞内Ca2＋浓度升高，使脑血管痉挛，加重脑缺血缺氧和神经损伤。另外，Ca2＋使损伤脑组织血栓素A4和血栓素B2生成减少，导致微血管痉挛，加重脑缺血性损伤。⑩神经细胞死亡：细胞内Ca2＋增加，激活神经细胞某些早期快反应基因，如c－fos、c－jun和c－myc表达，后者作用于目的基因，影响细胞核的DNA结构，造成神经元凋亡和坏死。

3．钙拮抗药的治疗作用 近年来的实验研究表明，钙拮抗药尼莫地平具有改善脑微循环和脑代谢、保护脑功能的作用。尼莫地平可以显著降低神经细胞胞质游离钙，减轻神经细胞毒性损害和外伤性脑水肿，是治疗重型颅脑损伤，减轻继发性脑损伤的有效治疗方法。它的疗效比较肯定，现在已经在临床上广泛使用。钙拮抗药治疗脑损伤的作用机制主要有两个方面，其一是阻滞细胞膜上钙离子通道开放，减少细胞外钙离子大量内流；同时，增强钙ATP酶活性，增加细胞内钙离子排出，减轻细胞内钙离子超载，保护神经细胞，使细胞毒性损伤减轻。其二是解除脑血管痉挛，降低血－脑屏障（blood brain barrier，BBB）通透性。脑损区及其周围脑组织中发生钙离子重新分布，大量钙离子亦可进入脑微血管壁和内皮细胞内，引起脑血管痉挛性收缩，加重脑组织缺血缺氧；同时由于脑微血管内皮细胞收缩、开放紧密连接，和内皮细胞胞饮转运活动增强，血脑屏障通透性增高，导致血管源性脑水肿加剧。钙拮抗药阻滞神经细胞膜和脑微血管内皮细胞膜上的钙离子通道开放，保护脑功能。为最大限度发挥尼莫地平的治疗作用，尽可能避免和减少不良反应，应注意以下问题：①伤后尽早用药，以阻滞钙通道开放，减少钙离子内流；如用药太晚，细胞内钙离子超载时间过长，细胞发生不可逆损害，影响治疗效果。②避免用尼莫地平针剂原液从外周血管输入，以免引起血压急剧下降和严重的静脉炎性反应。③脑水肿严重者，应在加强脱水、利尿的基础上应用尼莫地平。由于尼莫地平只对发生痉挛的血管起作用，解除其痉挛状态，而对正常脑血管影响很小，因此，不会在短时间内造成脑血容量剧增，使颅内压增高，CT动态扫描亦未发现有使脑水肿加剧或引起脑出血。

（五）炎症与脑损伤

1．炎症与炎性反应物质炎症是机体对损伤刺激的一种反应，是一个复杂的病理生理过程，是具有血管系统的活体组织对各种致炎因素引起组织损伤的反应，凡是对组织、器官造成损害的因素都可以引起炎症反应。它包括局部组织的变性坏死和血管系统损伤、受损害局部组织所属血管系统的反应和健存组织增生修复，三个相互承接、相互交织的过程。炎性反应物质是一类参与炎症反应并具有致炎作用的自身活性介质，它的作用广泛，参与机体的多种病理过程，对病变局部的血流动力学、微循环功能、组织细胞反应、组织损伤和修复以及后遗症、并发症的发生具有重要意义。炎性反应物质按照化学性质不同分为4类。①血管活性胺类物质：包括组胺和5－羟色胺，它们对组织血管具有显著活性。②脂类物质：由细胞膜磷脂经磷脂酶作用后生成的二十碳烯酸类衍生物，包括花生四烯酸代谢产物前列腺素和白三烯、血小板激活因子。③肽类物质：包括激肽、感觉神经肽、细胞因子、内皮素和补体成分。④溶酶体成分：在炎症反应中，炎性反应物质的作用十分复杂，它们相互作用，形成一个复杂的网络。在这个网络中，一种细胞可以产生多种介质，同一炎性介质也可来源于多种细胞；一种介质可以同时作用于不同细胞而产生不同的效应，不同的介质也可以作用于同一细胞产生相同的效应；不同的炎性反应物质可以表现出相互协同或相互拮抗的效应；同一递质因其浓度和所作用的受体不同以及所作用的时期不同，可具有不同的作用。另外根据炎性反应物质在炎症反应中调节作用不同，可分为促炎因子和抗炎因子两大类，促炎因子是指对炎症反应起正性调节作用，在炎症反应的发生、发展过程中具有促进和扩大炎症反应的作用。抗炎因子是对炎症的发生发展起负性调节作用，具有抑制炎症反应的程度和持续时间，减轻组织损害，保护正常组织的作用。

2．常见的炎性反应物质与脑损伤。

（1）组胺：是最早发现的一种炎性反应物质，它是在细胞受到刺激后，组氨酸羟化酶活性增高，左旋组氨酸脱羧而形成的。组胺广泛分布于体内细胞，主要通过组织细胞膜上的组胺受体发挥作用，它不仅参加体内的生理过程，而且参与炎症、过敏等病理过程。组胺受体有I型（HR1）Ⅱ型（HR2）两种，受体兴奋后引起细胞内环核苷酸水平的变化。组胺的致炎作用主要作用于以下几个方面。作用于血管平滑肌上的HR2或抑制交感神经末梢释放去甲肾上腺素，使组织血管扩张；作用于血管内皮细胞上的HR1，使血管内皮细胞收缩，内皮细胞间紧密连接开放，血管通透性增加，导致血浆内蛋白质、红细胞和血小板渗出；脑外伤病人血浆和脑脊液中组胺水平明显增高，与脑损害及脑水肿程度平行，预先使用HR2阻断药西咪替丁可以阻止这种作用。

（2）5－羟色胺（5－hydroxytryptammine，5－HT）：色氨酸在色胺酸羟化酶作用下先形成5－羟色氨酸，再经脱羧酶作用形成5－羟色胺。脑损伤后在损伤部位及邻近区域皮质可见5－羟色胺浓度升高，说明它不仅是一种神经递质，而且是一种重要的炎性介质。脑外伤后5－羟色胺升高大概有如下原因：脑干5－HT神经元受损伤性刺激引起5－HT释放增加；脑损伤时血脑屏障受损，外周5－HT进入脑内；脑损伤时钙通道开放，钙调素活性增加，色氨酸－5－羟化酶和酪氨酸羟化酶活性增强，导致5－HT合成增多。5－HT的致炎作用与组胺基本相同，主要是：改变血管的收缩状态、增加血管通透性。它的作用机制与组织细胞内氧自由基产生和细胞钙离子跨膜转运有关。

（3）前列腺素（prostaglandin，PG）：它是花生四烯酸的代谢产物，炎症时细胞膜磷脂在磷脂酶A和磷脂酶C作用下水解生成花生四烯酸（arachicdonic acid，AA），AA在环氧化酶作用下生成PGG2，在谷胱甘肽酶作用下生成PGH2，PGH2是多种PGs的前体。由于不同组织细胞含有的转换酶不同，产生的PGs也不同，在血小板中PGH2经血栓素合成酶作用生成血栓素A2（thromboxane A2，TXA2），是目前已知的最强的收缩血管和聚集血小板的物质之一。在血管内皮细胞中，PGH2经前列环素合成酶作用生成前列环素（prostacyclin，PGI2），具有显著的舒张血管和抑制血小板聚集的作用。TXA2与PGI2作用相反，相互拮抗，二者之间保持平衡是机体正常生理功能的基础。PGs在炎性中的重要作用是①部分PGs具有明显的舒张血管的作用，如PGI2、PGD2、PGE2、PDF2α。②加强组胺和缓激肽引起的血管通透性升高的作用。③致热和致痛作用。脑外伤时，PGI2／TXA2的比例失调是加重继发性脑损伤的重要原因。PGs、TxAz可作用于神经细胞及胶质细胞，破坏其膜结构，抑制Na＋－K＋泵，并使神经递质GABA等吸收或释放增加，细胞内钠离子（Na＋）主动转运功能丧失，大量Na＋蓄积于细胞内，使细胞内渗透压升高，致使细胞毒性脑水肿的发生；PGs、TXA。又可作用于血管内皮细胞，使血管通透性增高，血浆成分外渗，造成血管源性脑水肿。

（4）白三烯（LTs）：它是由花生四烯酸在5－脂加氧酶作用下生成的，在炎症性刺激和免疫性刺激下，多种细胞可产生LTs。LTs通过其趋化炎性细胞、增加血管通透性、对平滑肌的收缩作用，参与急、慢性炎症反应。LTs在中枢神经系统中主要有以下作用。在IL－1介导IL－2产生的过程中，LTs作为第二信使介导和加重IL－1激发的损伤后炎症反应；LTs作用于磷脂酶而使PGs产生增加，并破坏TXA2与PGL2的平衡，加重脑微循环障碍；增加血－脑屏障通透性，并激活白细胞，使白细胞内钙离子增加；增加白细胞表面黏附整合素表达，促使白细胞聚集并黏附于血管内皮细胞；使白细胞释放溶酶体酶及自由基，导致使内皮细胞损伤。另外，LTs直接收缩内皮细胞，使内皮细胞间隙增加，也可以造成血脑屏障通透性增高，致使血浆外渗和脑水肿形成。

（5）激肽：系炎症时由血浆激肽原在激肽释放酶作用下降解而成。目前已知，至少3种激肽与炎症有关，它们是缓激肽（BK）、胰激肽（KD）和蛋氨酰赖氨酰缓激肽。激肽通过其特异受体起作用，已证明至少有两种激肽受体（β1R和β2R），其大部分作用由β1受体介导，β2受体主要介导胶原形成和细胞分裂而参与炎症修复。三种激肽作用基本相同：舒张血管；与内皮细胞上β2受体结合收缩内皮细胞，使内皮细胞间隙增大，增加血管通透性；致痛作用可刺激感觉神经末梢引起痛觉。缓激肽是组织损伤中产生的第一个递质，并且导致产生一系列具有典型特征的反应发生，此作用可被缓激肽抑制所阻断。

（6）细胞因子（cytokine，CK）：是指活化细胞产生和分泌的能影响其他细胞或分泌细胞自身生长、分化和繁殖，并且与免疫活化和炎症反应具有重要关系的一类可溶性多肽递质。在正常情况下其含量极微，但在各种因素刺激下毒达可急剧增加。细胞因子是一个庞大的家族，它包括白细胞介素（interleu－kin，IL）、趋化因子、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、干扰素（interferon，IFN）、集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF）、生长激素（growth hormone，GH）、神经营养因子（neuro－trophic factor，NTF）、神经生成素等。细胞因子为一类具有激素样作用的调节分子。与激素不同的是，它可由多种不同组织产生，主要以自分泌或旁分泌方式作用于局部，并且低浓度即有明显的生物学效应。许多细胞因子可作用于同一靶细胞，介导相同或相似的作用；而一种因子又可作用于不同靶细胞，产生不同效应。细胞因子在脑外伤后多种病理生理变化，包括脑水肿的形成、脑间质炎症及脑胶质细胞增生和修复中起重要作用。细胞因子特别是IL－1β、TNF－α上调对脑外伤有明显的加重作用，而抑制其活性可明显延缓或减轻外伤后病理过程，并可起到一定的治疗效果。脑外伤后中枢神经系统中细胞因子的来源主要有脑组织微血管破裂、通透性增高、淋巴细胞浸润脑组织产生细胞因子；血脑屏障破坏后脑组织外细胞因子进入脑内；外周产生的细胞因子通过刺激迷走神经后的释放递质作用于中枢神经系统；脑内星形胶质细胞和小胶质细胞是中枢神经系统细胞因子的主要来源。细胞因子在中枢神经系统可以引起以下损伤，引起脑微循环功能改变，导致血管通透性增高、血脑屏障破坏，形成脑水肿；促进血管内皮细胞表达黏附分子－1，增加白细胞与内皮细胞黏附，促进炎症细胞向血管外浸润；激活损伤部位脑胶质细胞的增生和修复作用；在脑外伤后细胞间信号转导和细胞级联反应中起作用；引起脑外伤后并发症甚至多器官功能衰竭；引起发热和局部物质代谢障碍；引起胶质细胞β－淀粉样物质前体蛋白的产生并导致神经退变的发生；有些细胞因子如神经生长因子具有细胞保护作用。

（7）溶酶体成分：溶酶体内含有60多种酶和非酶成分，炎症时溶酶体成分可释放到细胞外间质中，直接对其他细胞产生损害，或通过其他介质释放而起促炎作用，少数成分也可以使炎性反应物质降解而发挥抑制炎症的作用。损伤性介质包括酸性水解酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。

3．抗炎治疗的使用。炎症反应对机体的有害影响主要是由多种炎症介质共同作用造成的，采取一些必要的抗炎措施，消除炎性反应物质的有害影响，适当控制炎症反应的强度、范围和持续时间，是脑外伤后一种重要的治疗手段。

（1）阻抑炎性反应物质的产生和释放类固醇类抗炎药：这类药物具有稳定细胞膜和溶酶体膜、降低脑血管和血脑屏障通透性、抑制白细胞活动、抑制免疫应答和肉芽组织形成等多种抗炎作用。临床上应用最广泛的是糖皮质激素，具有降低颅内压和抑制脑创伤激发的炎症反应的作用。非类固醇类抗炎药：包括阿司匹林、吲哚美辛、布洛芬等药物，它可以选择性抑制环氧化酶活性，减少PGs合成，大剂量时可以阻断脂氧化酶活性，减少LTs合成。

（2）拮抗和抑制促炎因子：促炎因子生成及其活性抑制药：Hu－211可以显著抑制TNF－α的产生，减轻血脑屏障的损伤和脑水肿的发生；地塞米松可以明显抑制TNF－α和IL－1β产生及其活性，从而减轻血脑屏障的损伤和脑水肿的发生。己酮可可碱（pen－toxifylline，PTX）也可以抑制TNF－α产生；铁卟啉原既是IL－1拮抗药，又是亚铁血红素氧化酶抑制药，可以明显减轻脑梗死和脑水肿形成；尼莫地平（钙离子拮抗药）可以阻断ET的作用，从而减轻脑外伤炎症反应中的脑微血管收缩和痉挛，增加损伤局部脑血流量。受体拮抗药：5－HT受体特异性阻断药赛庚啶，可以明显减轻脑外伤后炎症反应和脑水肿程度。重组IL－1受体阻断药可以减轻脑梗死的范围，对脑组织缺血损害有一定的保护作用。重组可溶性受体：可溶性细胞因子受体如sil－lR、sil－2R、sil－6R、sTNFR、slFNR及C36可以选择性地与促炎性细胞因子或补体结合，从而抑制该因子与靶细胞膜的结合，最终抑制其所介导的炎症反应。如目前在脑外伤中报道较多的肿瘤坏死因子结合蛋白（TNF binding protein，TBP）是一种sTNFR，应用后可以明显抑制TNF活性，从而减轻其所导致的炎症反应和脑水肿加重。

（3）抑炎因子：NGF属于TNFs家族成员，具有良好的神经营养作用，可以促进神经元存活和轴突再生。IL－2、IL－6、IL－8等因子都具有协同NGF的神经营养作用，并可协同类固醇类激素，抑制脑创伤后炎症反应的发生，减轻脑水肿程度。