缺血性脑水肿(cerebral edema, CED)是由于脑缺血缺氧后离子稳态破坏和血脑屏障(blood brain barrier, BBB)功能丧失所致，包括细胞毒性、离子性和血管源性水肿三种类型。缺血后CED可引起脑组织移位和颅内压升高，甚至诱发脑疝导致死亡，严重影响患者预后。目前去颅骨瓣减压术和脱水降颅压是CED的主要临床治疗手段^[1]，但这两种治疗方法并不能阻止引起脑水肿的潜在分子级联反应，无法从根本上阻止脑水肿的进展。本文主要从离子稳态和血脑屏障破坏两个大的方面复习文献，阐述缺血性脑水肿的分子发病机制，加深对缺血性卒中后脑水肿的认识。

1 离子稳态的破坏

离子通道和离子转运蛋白失调时，渗透活性离子进入细胞内导致细胞毒性水肿，转运至细胞间隙导致离子性水肿，最终破坏BBB导致血管源性水肿，甚至出血转化。缺血后离子稳态破坏的机制有：①原有生理机制变为不利者：Na⁺/H⁺交换器(sodium/hydrogen exchanger 1, NHE1)、N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)受体和体积调节的阴离子通道(volume-regulated anion channels, VRAC)。②缺血后激活并表达上调者：钠钾氯同向转运蛋白1(Na⁺-K⁺-Cl^--cotransporter-1, NKCC1)、磺酰脲受体1﹣瞬时受体电位﹣三聚氰胺4(sulfonylurea receptor 1-transient receptor potential-melastatin 4, SUR1-TRPM4)和水通道蛋白(aquaporins, AQPs)^[2]。因此，离子稳态破坏在缺血性CED的发生和发展中起着重要的作用。

1.1 NHE

NHE普遍存在于全身脏器的不同细胞类型中，共有9型，其中NHE1和NHE2均表达于脑微血管内皮细胞膜上，通过将Na⁺转运到细胞内、H⁺转至细胞外来维持细胞内渗透压和pH稳定性。脑缺血后的酸中毒可触发NHE1的过度激活，使细胞内Na⁺增加，促进Ca²⁺通过逆向NHE转运至细胞内引起钙超载，导致神经元坏死、BBB破坏。Yang等^[3]发现经NHE的Na⁺转运与内皮素增加相关，H⁺的转运受缺氧、高血糖和精氨酸加压素的影响，而上述因素均与脑缺血相关，并且NHE抑制剂可减少Na⁺的跨上皮细胞转运，而不影响细胞旁途径，表明经NHE的Na⁺转运在细胞毒性和离子性水肿形成中起直接作用。NHE基因敲除也可减少脑缺血后的神经元损伤^[2]。

在大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)后再灌注的研究中发现，NHE抑制剂SM-20220、HOE-642可明显减少梗死体积和CED的发生^[4]。其他NHE异构体抑制剂还包括SM-20550、BMS-284640、T-162559和TY-12533等，其作用有待进一步研究。

1.2 NMDA受体

谷氨酸是中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，其受体存在于神经元、上皮细胞和胶质细胞上。NMDA受体是谷氨酸和甘氨酸以电压依赖性门控进行调控的，脑缺血时突触间隙的谷氨酸浓度可增加500倍，大量Na⁺和Ca²⁺进入神经元细胞内直接导致细胞毒性水肿，也可激活Ca²⁺依赖的神经细胞死亡机制，进一步引发细胞毒性、血管源性水肿等导致不良预后。

美金刚是一种NMDA通道阻滞剂，除可治疗其他神经系统疾病外，也可减轻脑缺血后神经元功能障碍及局灶性CED^[5]。多环笼胺是一类新的NMDA拮抗剂，且没有明显的不良反应。

1.3 VRAC

VRAC在缺血后细胞肿胀激活的体积调节机制中起主要作用。VRAC与ATP酶结合被激活，并增加Cl^-向细胞外转运，减小肿胀细胞体积。通过VRAC的离子通量是促进兴奋性氨基酸释放的主要原因，可进一步导致CED和神经兴奋性毒性损伤^[6]。而抑制VRAC可减少缺血时谷氨酸的释放及MCAO后的梗死面积^[7]。有研究发现同时抑制VRAC和另一种称为maxianion通道的体积依赖性离子通道，可显著抑制缺血时星形胶质细胞释放谷氨酸，从而减轻CED^[8]。抑制VRAC有望成为一种预防脑缺血后脑组织损伤的重要潜在靶点。

1.4 NKCC1

NKCC是细胞膜上的固有膜蛋白，有NKCC1、NKCC2两种同工型，只有NKCC1在中枢神经系统中表达，位于神经元、胶质细胞和内皮细胞的腔面。NKCC1主要通过由Na⁺/K⁺-ATP酶建立的Na⁺跨膜浓度梯度将Na⁺、K⁺、Cl^-转入细胞内，再经ATP酶驱动将Na⁺、K⁺转至细胞外。脑缺血后NKCC1失调使神经血管细胞内Na⁺蓄积，导致细胞毒性和离子性水肿，其活性的增加与代谢失调、氨基酸神经兴奋性毒性、炎症反应机制相关。Yan等^[9]在大鼠MCAO模型中发现，再灌注24 h后脑组织中NKCC1蛋白和mRNA转录及表达水平明显升高，而在给予NKCC1抑制剂后其神经细胞毒性及BBB破坏均减轻。

已有研究^[10]证实布美他尼是NKCC1的有效抑制剂，可用于预防局灶性缺血后的细胞毒性水肿和神经血管损伤，但其BBB通透性较低，有待于发现特异性、BBB通透性更高的NKCC1抑制剂。

1.5 SUR1-TRPM4

目前哺乳动物体内共发现28种不同的瞬时受体电位(transient receptor potential, TRP)通道基因，分为六个亚族：TRPC、TRPV、TRPM、TRPP、TRPML和TRPA。这些通道通过介导阳离子的转运来调节渗透压水平，在细胞毒性水肿的形成中起一定作用。SUR1-TRPM4通道是脑缺血后中枢神经系统SUR1表达上调，并与TRPM4结合所形成的，其拮抗剂格列本脲可阻断单价阳离子的跨膜转运，减轻CED，缩小脑组织损伤范围，显著提高生存率^[11]。TRPM2、TRPV1、TRPM7抑制剂均已证实具有一定的神经保护作用^[12]。因此，靶向TRP通道抑制剂有助于预防缺血后离子转运失衡所致的神经毒性水肿。

1.6 AQP-4

AQPs是一类对水高度选择性通透的膜转运蛋白。目前哺乳动物中已发现10种以上的AQPs，其中AQP-4在中枢神经系统中分布最广泛、最具特征，主要表达于胶质细胞、室管膜细胞、脉络丛、下丘脑视上核、穹窿下器等，在脑组织的水盐代谢、渗透压平衡调节中起着重要作用。越来越多的证据表明AQP-4失调与缺血性CED相关，但具体机制仍不明确。AQP-4表达下调可通过有效减少星形胶质细胞的凋亡来减轻CED^[13]。一项动物试验证实，AQP-4缺乏的小鼠在脑缺血24 h内表现出CED减轻及神经功能改善^[14]。然而Zeng等^[15]发现AQP-4缺失反而加重了血管源性水肿负荷。导致这种差异的机制可能是AQP-4的双向水运作用，即在脑缺血早期(细胞毒性水肿)促进水肿的形成，而在晚期则将脑组织中的水清除至血管中。

Ito等^[16]研究发现，经核因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)激活的促炎细胞因子白介素1β(interleukin 1β, IL-1β)是AQP-4的正调节因子，抑制NF-κB可降低AQP-4的表达。同样，用2-甲氧基雌二醇抑制缺氧诱导因子1α可降低AQP-4的表达^[17]。

2 BBB的破坏

BBB在维持颅内神经元功能必须的营养物质、离子水平和阻止神经毒性物质入脑中起着重要作用。脑缺血/再灌注损伤后，BBB的结构和功能发生变化导致通透性升高，血浆成分跨过BBB进入脑组织出现血管源性脑水肿，伴红细胞漏出时则为出血转化。研究发现，BBB的破坏涉及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)高表达、紧密连接蛋白(tight junction proteins, TJPs)受损、炎症反应、氧化应激损伤及AQP-4等多种因素的相互作用。

2.1 MMPs

MMPs是一种锌依赖性内肽酶家族，已发现20多个成员，主要分为4大类：胶原酶(MMP-1、MMP-8)；明胶酶(MMP-2、MMP-9)；基质降解酶和基质溶解因子(MMP-3、MMP-10和MMP-7)；膜型金属蛋白酶(MMP-14、MMP-26)^[18]。正常情况下，MMPs以无活性的酶原形式存在，激活后可降解细胞外基质的所有组分。脑缺血后多种促炎因子促使缺血区MMPs高表达，其中由星形胶质细胞和小胶质细胞分泌的MMP-9和MMP-2对BBB的结构成分TJPs具有特异的降解作用，进而促进CED的发生、发展^[19]。缺血再灌注后BBB的破坏呈双相性，即早期数小时内的第一次BBB开放与MMP-2相关，1~2 d后BBB的再次严重破坏与MMP-9高表达相关^[20]。动物试验发现脑缺血2~4 h后MMP-9即明显增高，24 h达高峰并持续5 d^[21]，在脑缺血后BBB损伤中起着重要的作用。

研究发现，活性氧(reactive oxygen species, ROS)在触发MMP-9基因的表达及活化中起着重要作用^[22]。脑缺血后微血管中锌的堆积可通过激活自由基-MMPs途径促进缺血再灌注后BBB渗透性的增加^[23]。Hernandes等^[24]发现，Poldip2在缺血性卒中后表达上调，并通过释放炎性因子、活化MMP-9介导BBB的破坏。此外，凝血酶原也可激活MMP-9。上述MMP-9调节因子可作为改善卒中后CED和死亡率的潜在药物治疗靶标。

参与MMPs调节的主要生理抑制剂是金属蛋白酶的组织抑制剂(tissue inhibitors of MMP, TIMPs)。研究发现白藜芦醇可通过对TIMP的调节来维持BBB的完整性^[25]。Ludewig等^[26]发现癌胚抗原相关细胞黏附分子1(CEACAM1)通过控制中性粒细胞中的MMP-9水平来抑制再灌注损伤中的炎症反应。褪黑素也可减少缺血后MMP-9的活化和表达^[27]。以上因素均可降低BBB的破坏，改善缺血性CED和再灌注后的出血转化。

2.2 紧密连接

脑微血管内皮细胞间的紧密连接(tight junction, TJ)在BBB通透性的调节中起核心作用。TJ由跨膜蛋白Claudin、Occludin、连接黏附分子(junction adhesion molecules, JAMs)与胞浆黏附蛋白(zonula occludens, ZOs)等组成，其中Claudin-5和Occludin是BBB的重要组成部分。TJ通过调控细胞间的黏附、增殖与分化，在多种信号转导通路中起着重要作用^[28]，其表达降低可直接增加BBB通透性，导致血管源性水肿、卒中后高死亡率。

跨膜蛋白Claudin-5是TJ的关键结构，可使小分子细胞旁通透性增加，直接决定了BBB的完整性，其活性受PKA和Rho激酶的调节^[29]。Occludin是BBB功能的关键调节蛋白，介导TJ对炎症和急性脑血流变化的反应，其活性受PKC，Connexin-26和PI3K(p85)调节^[30]。JAM通过介导白细胞与内皮细胞间的黏附参与BBB的功能调节。ZO通过蛋白激酶、G蛋白、磷酸酶及核内转录因子等信号转导途径，实现对TJ的动态调节。

Kunze等^[31]在大鼠脑缺血模型中发现，富马酸二甲酯通过保护BBB的TJs和降低MMPs的活性减轻CED。Li等^[32]研究发现通窍活血汤通过上调ZO-1、claudin-5、occludin的表达减轻BBB的通透性。有证据表明，异丙酚通过提高ZO-1的表达显著改善BBB通透性，减轻脑缺血后再灌注的神经损伤^[33]。因此，TJPs的表达是治疗CED的一个潜在靶点。

2.3 炎性反应

炎症反应在缺血性卒中的病理进展中的起着关键作用。缺血后脑组织能量损耗、神经元坏死、凋亡，导致炎症细胞被激活，释放出大量的炎症因子，如肿瘤坏死因子(tumornecrosistactors, TNF)、IL、干扰素(interferon, IFN)等，破坏BBB，导致CED。高迁移率族组1(high mobility group box 1, HMGB 1)是缺血性脑损伤中的主要炎症介质，正常情况下位于脑细胞核中，缺血改变触发其从细胞中释放，激活其胞外Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4)，促进NF-κB的活化，进而激活促炎因子，加剧CED的发生^[34]。已有研究证实，中和HMGB1抗体治疗具有降低神经细胞死亡和BBB保护作用^[35]。

Vanessa等^[36]发现脑缺血后TNF-α通过与受体结合激活NF-κB转录因子信号通路，使MMP-9表达上调，导致BBB的破坏。IL-1在脑缺血后表达快速上调，可进一步诱导炎症因子(IL-6)的产生，与脑缺血后临床预后差相关^[37]。Zhang等^[38]研究发现，IL-1受体拮抗剂(IL-1Ra)在MCAO大鼠的BBB通透性较高，可通过降低ROS、IL-6和TNF-α水平改善缺血性CED。脑缺血再灌注后产生大量的ROS，刺激缺血细胞分泌炎性细胞因子和趋化因子，导致脑缺血部位黏附分子表达上调、外周白细胞募集，加重炎性反应。可见，脑缺血后的炎症反应可引起细胞毒性反应、BBB的破坏，最终导致血管源性水肿及出血转化。

Kim等^[39]表明，丝裂原活化蛋白激酶4(mitogen-activated protein kinase 4, MAP2K4)是抑制TNF-α的新靶点，MAP2K4基因敲除可抑制c-Jun NH2-末端激酶(c-Jun NH 2-terminal kinase, JNK)通路的激活以及IL-6和TNF-α的产生，通过减轻炎症反应降低CED的发生。

2.4 氧化应激

正常生理条件下，机体氧自由基与抗氧化剂处于一种动态平衡状态。急性脑缺血/再灌注后该平衡被打破，引发氧自由基级联反应而产生大量氧自由基，并迅速耗尽内源性抗氧化剂，导致神经细胞结构和功能的改变。

过量的自由基可引起核酸、蛋白质及脂质的氧化损伤，使核酸链断裂、蛋白降解、膜结构被破坏、透明质酸解聚、细胞崩解，直至神经元死亡^[40]。细胞膜受损后其通透性增加，大量Ca²⁺内流导致细胞内钙超载，激活磷脂酶A2等导致细胞结构受损，同时激活钙依赖性蛋白酶促进黄嘌呤氧化酶的生成，加剧氧化应激反应，产生活性氧自由基，形成恶性循环。氧自由基可诱导上调核因子、趋化因子、干扰素调节因子1、缺氧诱导因子-1等介导炎症和免疫反应，导致脑组织内皮细胞表面黏附分子过表达，加重脑组织再灌注损伤^[41]。过量氧自由基也可通过增加兴奋性氨基酸的释放及抑制其重摄取导致神经细胞毒性水肿，并损伤血管内皮细胞结构和功能、破坏BBB通透性，导致血管源性水肿，加重脑缺血损伤。氧化应激和炎症反应是相辅相成的，诱导细胞中凋亡基因表达，促使细胞凋亡，造成了脑组织缺血后连锁反应，使神经细胞发生不可逆损害。

3 小结

脑水肿是脑缺血后危及生命的严重并发症，但其潜在的分子病理生理学尚不完全清楚。目前研究发现缺血性脑水肿的病理生理学基础是从细胞毒性水肿到离子性水肿、血管源性水肿以及最终出血转化的逐步进展。该过程主要由经神经血管单元细胞膜上相关离子通道、转运蛋白、水通道等的离子转运导致的离子稳态破坏，以及相继发生的BBB通透性增高所致。整个脑缺血后脑水肿的发生机制复杂，为多种因素相互作用所致。脑水肿可导致脑缺血后的高死亡率，因此其有效的治疗措施对于改善脑缺血患者的功能预后是非常必要的。本文已阐述了离子稳态、BBB破坏的核心作用，深入了解其不同阶段的病理生理损伤机制，可靶向制定阻断缺血后脑水肿不同时期或综合性的治疗方案，并对进一步的发病机制和靶向药物研制提供基础。