高血糖与脑缺血损伤

高血糖与脑缺血损伤王晗（中国药科大学生命科学与技术基地 ，江苏南京， 210038）E-mail:cherrywangh@摘要：本文对目前的研究热点高血糖对脑缺血过程和预后损伤的机制最新的几种假说加以综述。

并以胰岛素为例，指出抗高血糖药针对上述损伤机制可以起到的治疗脑缺血的作用，希望能给医药研究者提供新的研究思路。

关键词：高血糖,脑缺血,损伤，机制早在三十年前就有高血糖与脑缺血存在着一定相关性的报道[1]，近些年来随着关于高血糖是非糖尿病急性卒中患者高发病率和高死亡率的重要的独立危险因素，同时也可能是导致局部或广泛缺血后预后更差的危险因素的报道层出不穷，高血糖对缺血脑组织的损害作用已无争议[2,3,4]。

但由于高血糖会引起机体内从大分子物质的代谢途径到小分子物质的跨膜通道，从物质合成到基因表达，从细胞内到细胞外．从组织水平到细胞水平再到分子水平等一系列复杂的变化，直至今天高血糖作为危险因素的原因和它在脑缺血过程中、预后时的作用机制仍然不十分明确。

这里将对已有的和最新的高血糖对脑缺血过程和预后损伤的机制假说加以综述[5]。

1. 高血糖对脑缺血过程和预后损伤的机制1.1 与高血糖相关的钙平衡的破坏谷氨酸是中枢神经系统内含量最高、分布最广、作用最强的兴奋性氨基酸递质，实验表明高血糖会使兴奋性氨基酸尤其是谷氨酸在大脑脑皮质新成部, 和preischemic区细胞外大量聚集，引起缺血神经元急性坏死并启动延迟性细胞死亡[6,7,8]。

这是因为大量聚集的谷氨酸可以激活突触后谷氨酸受体，特别是NMDA受体[9]。

NMDA受体在脑内介导Ca2+内流，激活的受体使钙离子透过离子通道过度内流入细胞内。

细胞内的线粒体虽然能通过膜运载胞浆中的Ca2+而起一定的缓冲作用，但如果细胞内Ca2+浓度很高，线粒体就会摄取大量的Ca2+，同时质子大量泵出，消耗ATP并产生大量氧自由基；氧化应激和线粒体基质高钙可诱发线粒体通透转换孔（MPT）呈高通透状态，从而使线粒体内膜的通透屏障被打破，大量钙进入线粒体，消除质子梯度，使氧化磷酸化中断，细胞缺氧、肿胀，释放出位于线粒体外膜的细胞色素C （是凋亡的前提条件），激活一系列酶促反应，造成线粒体的损伤和细胞的死亡[9,10,11]。

另外，由于在脑缺血恢复血供后，细胞内钙可回到正常水平，积累的谷氨酸在几分钟内也可被谷氨酸运载体摄取。

Szatkowski等提出一种假设：缺血时短暂的过量谷氨酸释放和细胞内Ca2+超载将产生长时间的突触传递增强，即使缺血后正常水平的谷氨酸释放也会高度刺激神经网络，产生异常兴奋，引起能量需求加大和脑内Ca2+堆积，最终导致神经元死亡[12]。

1.2 与自由基相关的损伤研究证实高血糖与氧化应激有密切的关系。

75-g葡萄糖除了会导致p47phox（NADPH酶的一种亚单元，能把分子形式的O2转化为超氧自由基）表达增加外，还会使基底白细胞代谢生成的超氧化物以140%的量显著增长[9]。

而在脑缺血及再灌注状态下自由基对神经元的损伤机制主要包括: (1)改变血管的反应性,损伤血管内皮细胞,破坏血脑屏障[13]；(2)细胞膜,细- 1 -胞器膜的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应, 磷脂被降解而变性失能, 目前多数学者认为自由基引发的脂质过氧化反应主要是在缺血后再灌注的早期[14]；(3)细胞膜对Na+、Ca2 +以及大分子物质通透性增加, 细胞发生细胞毒性水肿；(4)促进缺血脑组织的兴奋性氨基酸的释放, 加速神经元的坏死[15]；(5)线粒体破坏丧失呼吸功能,能量生成障碍,溶酶体裂解,大量溶酶体送出胞浆, 促使神经元细胞自溶[15]；(6)干扰和抑制蛋白质的合成, 破坏DNA 的结构[16,13]。

1.3与炎症因子相关的损伤葡萄糖的摄入还会刺激增加多种促炎症反应转录因子的量，如活化剂蛋白-1(AP-1) ，早期生长反应因子1(Egr-1)等[17]。

AP-1用于调节MMPs的转录而 Egr-1用于调节凝血激酶(TF)的转录，因此葡萄糖的摄入可间接造成MMP-2，MMP-9，TF量的增加[17]。

MMP-9存在于急中风后的中枢扩布性抑压作用中，中枢扩布性抑压是以神经元和神经胶质的去极化为标志，紧跟着3-6小时后MMP-9开始在皮层血管中表达增加，而后MMP-9散布到neuronal layers 中，最后到达软脑膜和蛛网膜[18]。

MMP-9的增加导致层粘连蛋白，膜屏障抗原和闭锁小带（zona occludens）这三种对维持血脑屏障十分重要的蛋白表达的减少，导致血脑屏障的通透性增加，影响了血脑屏障的完整性，造成血浆蛋白和炎症细胞渗漏导致脑水肿[17]。

葡萄糖的摄入造成的TF增多会活化外在凝血途径 [9]。

TF和一种在高血糖时会表达增多的纤溶酶原活化抑制因子-1 (PAI-1，一种纤维蛋白溶解作用抑制剂) 会通过加速局部毛细血管内血液凝集速度而加剧脑缺血的损伤[9]。

另外，葡萄糖的摄入还会因为核转录因子NF-κB积聚和NF-κB抑制因子IκB的减少,导致广泛的感染[19]。

核转录因子(Nuclear Transcription Factor)是具有多向性调节作用的一类蛋白质因子，它们具有和某些基因上启动子(Promotor)区的固定核苷酸序列结合而启动基因转录的功能，NF-κB是其中重要的一组蛋白质[20]。

NF-κB有c／Rel、NF-κB1(p50/pl05)、NF-κB2(p52/p100)、RelA(p65)、RelB五个家族成员，它们都具有与c/Rel原癌基因同源区RHR (Rel homology region) [21]。

在静息状态时， NF-κB抑制因子IκB结合在RHR上，掩蔽了其中的核定位序列，使NF-κB不能进入细胞核引发相关DNA的转录，因此没有活性。

当在缺血缺氧、病毒感染、机械损伤、放射线照射等应激条件下，NF-κB被激活，其机制为细胞受到刺激时，IκB激酶（IKK）磷酸化而活化，活化的IKK能将IκB中的丝氨酸磷酸化，磷酸化的IκB 可通过泛素降解途径降解，从而暴露核定位序列，引导NF-κB进入核内起始转录[22,23,24]。

这些被诱导表达的靶基因可以上调表达TNF-α、IL-6、IL-8、MCP-1等促炎症因子，促进了炎症的发生发展，加重脑损伤[22,25]。

1.4 与高血糖相关的血液灌流的减少高血糖在脑缺血过程中和再灌注时会导致脑血管显著的变化，加剧组织损伤[26]。

在大鼠实验中，腹腔注射了葡萄糖的脑缺血模型鼠局部血流量比注射了生理盐水的对照组减少了24%，而注射了d-甘露醇的模型鼠脑部血流量只减少了10%，即高血糖造成了脑内血流量明显减少[27]。

还有实验表明再灌流组高血糖大鼠较正常血糖大鼠神经功能评分低，梗塞灶大，其它各组之间神经功能评分和梗塞灶体积均无显著差异[28]。

这些实验证明血糖对脑缺血的影响与再灌流密切相关。

对于以上的实验结果现存两种假说。

一种假说认为这种现象可能与NO被中和和NO的生成抑制有关。

因为与糖尿病中的脑部血流障碍相类似，高血糖时葡萄糖诱导产生的活性氧 (ROS)会中和血管壁上的NO。

高血糖还会使内皮细胞合成的NO量大量减少，从而使由NO介导的CO 2诱导大脑血流量增加脑血管舒张的作用被降低，最终造成脑内血流量减少[9]。

另一种假说认为这种现象可能由于高血糖能促使一种关键酵素的引物生成，提高NO的生物利用度，使超氧化合物和NO产生增多，从而形成过亚硝酸盐，对神经细胞造成损害；除此之外，NO在脑脊液中的代谢产物也可加重脑损伤[5]。

我们认为，第二种假说所描述的机制起到了更主要的作用，因为帅杰等的实验证明高血糖组大鼠脑缺血再灌注12h、24h和48h时脑梗死体积及NO含量均显著高于正常血糖组[29]。

另外，实验中应用NO合酶抑制剂后，上述损害减轻了80％ ～90％ ，接近正常组,证明了NO的确可能是高血糖加重脑缺血- 2 -损害环节中的一个重要因素[5]。

此外，有研究表明细胞间粘附分子-1（ICAM-1）的表达和白细胞浸润也可能参与了高血糖加重脑缺血再灌注损害的过程[30,31]。

1.5 与高血糖相关的代谢变化高血糖猫模型在脑缺血闭塞的大脑中动脉区域中，高能磷酸盐大量减少，乳酸量升高，缺血损伤更加严重；与正常动物比，缺血病灶的代谢衰退出现更早更广泛甚至延伸到缺血半暗带 [32,33]。

这可能由于在脑缺血损害很短时间内，葡萄糖过多，发生无氧酵解，从而使细胞乳酸过多堆积而发生酸中毒，加重了神经细胞和神经胶质细胞的损害[5]。

1996年，Siesjo 等提出了酸中毒引起损害的分子机制：(1)加速自由基的产生，降低pH，促使铁发生催化作用；(2)干扰细胞内的信号传导，从而改变基因表达和蛋白质合成；(3)活化核酸内切酶导致DNA破坏。

其中，使DNA破坏的机制已被Li等证实[5]。

1.6 其他机制除了以上四个机制，还有高血糖状态下会引起一系列代谢紊乱，而导致血管病变的二酰甘油一蛋白激酶C(DAG-PKC)学说 [34,35,36]；一些α分子糖蛋白在高血糖加重脑缺血损伤的过程中发挥了作用等[35]。

2. 治疗药物的发展应用胰岛素治疗高血糖状态下的脑缺血是目前相关治疗中最有发展前景的治疗方案[5]。

大量临床实验和动物实验都已确切证明胰岛素对治疗脑缺血有十分积极的作用[.37.38,39,40], 因为它一方面可以降低血糖，以减少高血糖带来的损害；另一方面可以直接起到抗炎、抗氧化、促进NO分泌的作用。

目前这两方面到底哪方面起到主要作用仍不十分明确[41]。

另外，在小规模脑缺血时高血糖还会与其他药物起到协同作用。

例如胰岛素在与地佐环平联合用药时会起到非竞争性NMDA拮抗剂的作用，从而起到一定的神经保护作用（具体机制见1.1）[41]。

参考文献[1] Melamed E. Reactive hyperglycemia in patients with acute stroke. [J].J Neurol Sci.1976(29):267–275.[2]WD Dietrich, O Alonso and R Busto. Moderate hyperglycemia worsens acute blood-brainbarrier injury after forebrain ischemia in rats. .[J] Stroke , 1993,24:111-116.[3]Davis Desmond, Brian M. Tress, Peter G. Colman, Brian R. Chambers and Stephen M. TraceyA. Baird, Mark W. Parsons, Thanh Phanh, Ken S. Butcher, Patricia M. Persistent PoststrokeHyperglycemia Is Independently Associated With Infarct Expansion and Worse ClinicalOutcome. .[J] Stroke , 2003,34:2208-2214.[4]梅爱农,姜亚平,骆翔,殷小平,张苏明, 高血糖、胰岛素抵抗与脑缺血性损伤. [J] 脑与神经疾病杂志, 2003(6).[5]陈阳,帅杰,高血糖与脑缺血[J].国外医学脑血管疾病分册,2002,10(3):217-219.[6]刘萍.钙与脑缺血损伤[J]. 国外医学.神经病学神经外科学分册2002,29(3) : 274-276.[7]Ping-An Li, Ashfaq Shuaib, Hiro Miyashita, Qing-Ping He, Bo K. Siesjö and David S.Warner .Hyperglycemia Enhances Extracellular Glutamate Accumulation in Rats Subjected to Forebrain Ischemia Editorial Comment [J].Stroke,2000,31:183-192.[8]郭莲军.GABAA受体与脑缺血[J]. 咸宁学院学报(医学版),2004,18(2).[9]Garg, Rajesh ; Chaudhuri, Ajay ; Munschauer, Frederick ; Dandona, Paresh . Hyperglycemia,Insulin, and Acute Ischemic Stroke: A Mechanistic Justification for a Trial of Insulin Infusion Therapy.[J] Stroke , 2006,37(1):267-273.[10]吴晓莉崔秀玉.兴奋性氨基酸与脑缺血／缺氧预适应[J] 神经疾病与精神卫生,2005,5(4)- 3 -[11]Tibor Kristián, Bo K. Siesjö. Calcium in Ischemic Cell Death[J] Stroke.1998;29:705-718.[12]陈敏，李长清，胡长林，钙与脑缺血/再灌注后神经细胞凋亡. [J] 脑与神经疾病杂志,2003,11(4).[13]Kontos HA. Oxygen radicals in cerebral ischemia : the 2001Willis lecture[J ]Stroke.2001 ,32 :2712～2716.[14]Althaus TS ,Andrus PK, et al . The use of salicylate hyduoxylation to detect hydroxyl radicalgeneration in ischemic and traumatic brain injury[J ] . Mol Chem Neuropathol .1993 ,20(2) :147.[15]Bates B , Hirt L , Thomas SS , et al . Neurotrophin - 3 promotes cell death induced in cerebralischemia , oxygen - glucose deprivation , and oxidative stress :possible involvement of oxygen free radicals[J ] . Neurobiol Dis. 2002 , 9(1) :24-37.[16]吴伟，史继新，脑缺血再灌注损伤后神经元损伤机制及治疗研究进展. [J] 中国微循环,2003,7(6).[17]Aljada A, Ghanim H, Mohanty P, Syed T, Bandyopadhyay A, Dandona P. Glucose intake induces an increase in activator protein 1 and early growth response 1 binding activities, in the expression of tissue factor and matrix metalloproteinase in mononuclear cells, and in plasma tissue factor and matrix metalloproteinase concentrations. [J] Am J Clin Nutr. 2004;80:51-57. [18]Gursoy-Ozdemir Y, Qiu J, Matsuoka N, Bolay H, Bermpohl D, Jin H, Wang X, RosenbergGA, Lo EH, Moskowitz MA. Cortical spreading depression activates and upregulates mmp-9 [J]. J Clin Invest. 2004;113:1447-1455.[19] Dhindsa S, Tripathy D, Mohanty P, Ghanim H, Syed T, Aljada A, Dandona P. Differentialeffects of glucose and alcohol on reactive oxygen species generation and intranuclear nuclear factor-kappab in mononuclear cells[J]. Metabolism. 2004(53):80-334.[20]Lentsch AB,Ward PA．The NF-κB／IκB system in acute inflammation. [J].Arch ImmunolTher EXP,2000,48(2):59-63．[21] 陆士奇,冀 勇,刘春风.NF-KB与脑缺血脑缺氧再灌注损伤[J].中国急救医学,2005,25(4):279-281.[22] 刘宗超,官恩,饶明俐.NF-KB与脑缺血[J].神经疾病杂志2005,22(1):88-90.[23]崔睿．NF-κB与脑缺血缺氧再灌注损伤[J]．国外医学·麻醉学与复苏分册，2002，23：264—266．[24]Yang J，Bernier SM，Ichim TE,et al．LF15-0195 generates tolerogenic dendritic cells bysuppression of NF-κB signaling through inhibition of IKK activity [J]．Leukocyte Biology，2003，74(3)：438-447.[25] 张冬梅,刘举祥,陈红兵,等.NF-kB和IL-6在局灶脑缺血/再灌注损伤大鼠脑组织中的表达[J].中国老年学杂志,2005,25(11):1363-1366.[26]Kawai N, Keep RF, Betz AL.Hyperglycemia and the vascular effects of cerebral ischemia.Acta Neurochir Suppl. 1997;70:27-9.[27]Duckrow RB, Beard DC, Brennan RW. Regional cerebral blood flow decreases duringhyperglycemia. [J].Ann Neurol. 1985;17:267–272.[28]尹岭，田东华，朱克，曹起龙，贾炜，刘海一，血糖水平及再灌流对大鼠局部脑缺血影响的实验研究[J].中国体视学与图像分析,1996（Z1）.[29]帅杰，实验性高血糖大鼠缺血脑组织一氧化氮和中性白细胞浸润的变化[J].中国神经精神疾病杂志，1998（S1）.[30]赵晓晖，顾承志，黄怀宇，脑梗死超负荷血糖与细胞间粘附分子ICAM-1的变化及其相关性. [J] 脑与神经疾病杂志200，12（3）.[31]郭子江，张仲慧，尹琳，范丽君，王东东，金辉，高血糖对大鼠脑缺血再灌注损伤脑梗死体积和ICAM-1表达及白细胞浸润的影响. [J]中国民康医学杂志，2005，17（5）.[32]Folbergrova J, Memezawa H, Smith ML, Siesjo BK. Focal and perifocal changes in tissueenergy state during middle cerebral artery occlusion in normo- and hyperglycemic rats.[J]Cereb Blood Flow Metab. 1992;12:25–33.- 4 -[33]Chew W, Kucharczyk J, Moseley M, Derugin N, Norman D. Hyperglycemia augmentsischemic brain injury: in vivo MR imaging/spectroscopic study with nicardipine in cats with occluded middle cerebral arteries. [J]AJNR Am J Neuroradiol. 1991;12:603–609.[34] Kunisaki T，Lnoguchi T，Vemda F，et al.Effect of eicosapentaenoic acid on glucose-inducedabnormal retinal blood flow via the diacylaly cerol protein kinase c pathway.Am J physiol，1995，239-269.[35]Lin B, Ginsberg MD, Busto, Hyperglycemic but not normoglycemic global ischemia inducesmarked early intraneuronal expression of beta-amyloid precursor protein. [J]. Brain Res. 2001 Jan 5;888(1):107-116.[36]Kawai N, Keep RF, Betz AL, Nagao S. Hyperglycemia induces progressive changes in thecerebral microvasculature and blood-brain barrier transport during focal cerebral ischemia.Acta Neurochir Suppl. 1998;71:219-21.[37] 郑斌斌.胰岛素治疗缺血性脑卒中的疗效与机制[J]现代临床医学生物工程学杂志, 2004,10(3):235-237.[38]Diaz R, Paolasso EA, Piegas LS, Tajer CD, Moreno MG, Corvalan R, Isea JE, Romero G.Metabolic modulation of acute myocardial infarction. [J]Circulation. 1998;98:2227–2234. [39]Malmberg K, Ryden L, Efendic S, Herlitz J, Nicol P, Waldenstrom A, Wedel H, Welin L.Randomized trial of insulin-glucose infusion followed by subcutaneous insulin treatment in diabetic patients with acute myocardial infarction (digami study): effects on mortality at 1 year.[J] Am Coll Cardiol. 1995;26:57–65.[40]van den Berghe G, Wouters P, Weekers F, Verwaest C, Bruyninckx F, Schetz M, VlasselaersD, Ferdinande P, Lauwers P, Bouillon R. Intensive insulin therapy in the surgical intensive care unit. [J]N Engl J Med. 2001;345:1359–1367.[41] Nadya Kagansky; Shmuel Levy ;Hilla Knobler .The role of by hyperglycemia in acute Stroke[J]．Arch Nettrol,200l 58(8):1209 -1212.The Mechanisms about Hyperglycemia And BrainInjuries after Cerebral IschemiaWang HanBase of Life Science and Technology,China Pharmaceutical University, Nanjing, PRC, 210038AbstractThe paper summarizes five predominant potential mechanisms that underlying the injurious effects of hyperglycemia to ischemic stroke, including increase in N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor–mediated calcium entry into the neurons; glucose-mediated increase in oxidative stress; inflammation–associated injury; poor blood flow to the ischemic penumbra and changes in cerebral metabolism. Finally, the article focuses on the beneficial effects of the insulin whose effective target are mentioned above.Keywords: Hyperglycemia ，Cerebral ischemia，Injury, Mechanisms- 5 -。