高压氧对缺血缺氧性脑损伤影响的实验研究
北京市高压氧医学治疗研究中心（100020）高春锦
中枢神经系统包括脑与脊髓。人脑重量仅及体重的2％，但其所需要的血液占心输出量的 15％－20％，所消耗的氧量占人体总利用氧量的20％。人脑至少由约 10个神经元和 10个突触以及神经胶质细胞所构成，是人体最复杂的器官。
一、定义：缺血缺氧性脑损伤是各种原因引起的脑组织受损，及其导致的暂时或永久性脑功能障碍的总称。
二、血供和氧供：氧气和葡萄糖在脑内的贮存几乎等于零，因此只有连续不断的向脑内输送血液，才能维持脑的正常功能。如果血流中断，就会出现相应的症状和体征。研究结果表明：心脑停搏后脑电活动很快消失，若脑缺血30秒钟，则神经元代谢受损，2分钟后神经细胞代谢停止。5分钟后神经细胞开始死亡，大脑皮层出现永久性损害；10－15分钟后小脑出现永久性损害；20～30分钟后延脑的呼吸、血管运动中枢出现永久性损害。因此，正常的脑部血供是维持机体生命活动，特别是维持高级神经活动的重要条件。
脑组织的耗氧量与大脑皮层的功能活动有关，灰质的耗氧量约为白质的3～5倍。机体兴奋时，脑耗氧量增加；安静时，耗氧量降低。脑组织对缺氧的反应较为敏感，当缺血或动脉氧分压降低时，脑部功能较其他组织更早地发生障碍。实验证明，当脑血液供应一旦停止，弥散在脑组织内和结合在血液红细胞中的氧将在8～12分钟之内完全耗尽；贮存于组织中的少量能量物质，如ATP、肌酸磷酸等将在2～3分钟内全部用完；5分钟后大脑皮层的神经细胞开始死亡。当动脉氧分压（PaO2）降低时，将发生一系列的大脑功能改变，若正常的PaO2为100％，则 PaO2降至 85％时机体暗适应能力延迟；70%物时呼吸幅度加深，复杂学习能力损害；55％时近记忆丧失；45％时标准判断能力降低；30%时意识丧失而发生昏迷。因此，脑血液循环中维持足够的PaO2极为重要。
三、脑缺氧和脑缺血：脑缺血与脑缺氧不同。脑缺氧指血中PaO2过低所引起的脑组织缺氧状态。脑缺血时，不仅PaO2降低，而且供应脑组织代谢所必需的糖、酶及其他神经体液等营养物质也全部缺乏，并出现神经功能障碍。脑缺氧与脑缺血因为病因不同，所以病理生理亦有所不同。
1．脑缺氧
脑缺氧可分为低氧性缺氧（ hypoxic hypoxemia）和贫血性缺氧（anemic hypoxmeia）。低氧性缺氧是由于登山、肺部疾病及职业有害因素所引起的低氧血症：贫血性缺氧则为贫血、血红蛋白减少，导致携氧能力降低而引起的组织缺氧。
脑缺氧后，除脑神经细胞功能抑制、电活动减慢、神经细胞水肿、脑血流阻力降低、脑血流量增加之外，还能引起脑组织的一系列生化代谢和神经功能的改变。为保持正常脑活动的进行，脑组织在氧和糖的不断供应下进行着动态平衡的合成和分解代谢过程。在有氧条件下，1个分子的葡萄糖能产生38个分子的ATP；脑组织利用产生的ATP，为神经递质、酶和细胞膜结构等物质提供生物合成和为阳性离子在脑内的活性运输提供所需要的能量。
糖在脑内代谢产生ATP有两个过程。第一步为：
C6H3O6+2NAD＋+2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2ATP 表示：l个分子的葡萄糖降解到2个分子的丙酮酸能产生2个分子的ATP。这一反应在无氧状态下亦能进行。第二步反应为丙酮酸通过三羧酸循环和电子转链作用，使丙酮酸进一步氧化为二氧化碳和水，并放出足量的ATP。
2CH3COCOOH＋2NADH＋36ADP十36Pi＋ 6O2→2NAD＋＋ 6CO2＋44H2O十36ATP
由此可知：①1个分子的葡萄糖能产生38个ATP。葡萄糖降解到丙酮酸的过程中仅产生2个分子的ATP，而有氧的三羧酸循环中产生36个ATP，所以说无氧酵解所产生的能量约为有氧氧化产生能量的1/20。②糖的有氧氧化产物是丙酮酸，丙酮酸氢化产生ATP是在线粒体内进行的，若供氧不足，则丙酮酸不能及时氧化而在组织内积蓄，它可在辅酶的作用下还原成乳酸，使血液中乳酸的成分增高。葡萄糖的酵解作用产生乳酸和2个分子的ATP。
脑缺氧时，脑组织能量合成小于能量消耗，势必要动用有限的能量贮存。然而机体内存在着2个有效的平衡缓冲系统，使脑组织在低氧血症条件下免受缺氧的损害。当脑组织缺氧时，脑组织内ATP立即减少，无机磷立即增多。但是机体立即通过下列两个缓冲系统平衡，使ATP不致于过低太多：①磷酸肌酸的作用，当体内肌酸磷酸激酶降低至零之前，脑组织缺氧均能与ADP作用而产生ATP。②腺苷酸激酶的作用，使ADP合成为ATP和AMP。脑缺氧时，AMP迅速升高，引起这一缓冲系统的失衡。因此，有人利用脑缺氧时ADP的减少和AMP含量增高的事实，做为测量脑代谢的敏感手段，并认为AMP的改变为最敏感。
脑组织的缺氧依赖于毛细血管中的PaO2与组织中，特别是线粒体中PaO2之间的弥散梯度，若组织在氧饱和状态时，PaO2则可升高；反之，当毛细血管中的PaO2太低，则氧的弥散能力降低。Opitz以Krogh弥散模式作实验证明，PaO2最能反映脑缺氧的情况，并认为：①PaO2低至25～28mmHg时发生局部脑组织的缺氧和脑血管的扩张，称为反应阈。②PaO2降低至 17～ 19mmHg时，部分组织是无氧状态，并出现意识丧失，称为标准阈。③PaO2低至12mmHg以下时，大部分组织呈现无氧状态，机体因心力衰竭而开始死亡，称为死亡阈。根据这些结论，Opitz假设，当局部组织PaO2在8～l0mmHg时，氧将不能弥散到线粒体而使磷酸化作用降低，但他的实验结果却都发现，即使是PaO2达到了lmmHg，但组织的线粒体仍然散在地存在着，提示线粒体耐缺氧能力较强（注 lmmHg=133.322Pa）。
2．脑缺血 脑缺血系由脑的一条或数条血管的血液供应不足或停止引起的。局部组织除了缺氧以外，还缺乏所有代谢必需的物质。当受累区域脑血流量降低至正常的50％时，即可产生症状，因侧枝循环的迅速建立，脑组织对缺血所能耐受的时间较心脏停搏或完全无氧状态的时间长得多。有人证明，当一测颈内动脉血流阻断15－20min后，可不发生任何神经功能损害症状。
脑缺血以后，缺血区除产生缺氧代谢外，还发生一系列病理生理过程：
1．能量代谢障碍 脑组织全靠血流供应的氧和葡萄糖代谢提供能量。一旦血流中止，氧、糖供应中断，细胞内能量不足，维持胞内外离子平衡的离子泵衰竭，K+外流，Na+内流带动CI-和水大量进人胞内；加上糖无氧代谢产生的乳酸增多，CO2、H+等代谢产物堆积，造成细胞内酸中毒和高渗透压，更促使Na+、水内流，导致细胞性脑水肿。
2．兴奋性氨基酸的神经毒性 谷氨酸是脑内主要的兴奋性神经递质，约存在于30％的中枢突触中，并由突触前膜释放，突触后膜有5种亚型的兴奋性氨基酸受体：N-甲基D-门冬氨酸（NMDA）受体、使君子酸（AMPA）受体、海藻酸（K）受体、亲代谢型受体和L-2-氨基-4磷酰丁酸（L-AP4）受体。其中NMDA受体功能在于触发长时程突触增强（LTP）效应，与学习、记忆有关。NMDA受体的离子通道开放，使 Ca2﹢、 Na+内流。AMPA和K受体开放NA+、K+阳离子通道，产生兴奋性突触后电位；亲代谢型受体兴奋促进质膜内磷脂酰肌醇（PIP2）水解，产生胞内第二信使。甘油二脂（DAG）和三磷酸肌醇（IP3），对突触后种经元起慢兴奋作用。正常神经胶质细胞及神经末梢质膜上存在依赖Na+的高亲和性谷氨酸摄取系统，能在l～2ms内提取兴奋过程释放至突触间隙内的谷氨酸。静息状态时，突出间隙内谷氨酸浓度1Mm，而神经末梢胞内浓度为10ms，相差1万倍。
当脑缺血、缺氧造成的能量代谢障碍时，使胞外K+浓度升高，神经元去极化，引起神经末梢内谷氨酸大量释放并逆转神经末梢和胶质细胞的高亲和性摄取系统的活动：把胞浆内谷氨酸也大量排至胞外，胞外浓度可达500µM，持续过度刺激兴奋性氨基酸受体，主要导致NMDA受体操纵的Ca2﹢通道（ROC）开放，大量Ca2﹢内流；而AMPA和K受体引起的去极化反应可开放电压依赖性Ca2﹢通道（VDC），增加Ca2﹢内流；亲代谢型受体激活产生的第二信使IP3，能使胞内Ca2﹢库释放Ca2﹢。胞内Ca2﹢超载会引发以下一系列毒性反应，使神经元溃变、坏死。培养的皮层神经元接触l00µM的谷氨酸仅5分钟即溃变、坏死。
3．钙超载 正常细胞外钙离于浓度为胞内的1万倍。为维持内环境稳定需不断调节跨膜Ca2﹢浓度。 Ca2﹢进人胞内主要通过VDC和ROC，Ca2﹢排出胞外，主要靠Ca2﹢泵（Ca2﹢-Mg2﹢-ATP酶）和Na﹢- Ca2﹢交换。当脑缺血、缺氧，兴奋性氨基酸毒性作用下，大量Ca2﹢内流，胞内Ca2﹢超载，激活各种降解酶（磷脂酶C和蛋白激酶C、核酸内切酶等），导致神经元的磷脂膜、细胞骨架蛋白、核酸等重要结构解体，神经元坏死。
4．磷脂膜降解和脂类介质的毒性作用 大量Ca2﹢内流，激活磷脂酶C和A2，使神经元富含磷脂的各种膜性结构降解，产生大量花生四烯酸（AA）和血小板活化因子（PAF），在缺氧时AA经环氧化酶途径生成前列环素减少，而血栓素A2（TXA2）增加；经脂氧化酶途径产生的白三烯（LTs）增加。这两个途径都产生自由基。TXA2是强的血管收缩剂和血小板聚集剂，可促进血栓形成；PAF和LTs都可强烈收缩脑血管，刺激脑血管释放TXA2，促进白细胞和血小板粘附，损伤内皮细胞，增加膜通透性，血脑屏障开放，加重血管源性脑水肿。
5．自由基与再灌流损伤脑缺血、缺氧后可通过①线粒体呼吸链损伤途径；②AA代谢途径；③白细胞途径产生自由基。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连锁反应。自由基主要攻击脂质膜结构中不饱和脂肪酸的多个不饱和双键，使之发生过氧化反应，导致脂质膜损伤，通透性增加，各种细胞器解体，加重细胞毒性脑水肿；攻击血管内皮细胞膜，加重血管源性脑水肿。
6．缺血性脑水肿脑缺血后发生细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿，压迫周围微循环，使血流郁积，微血栓形成．更减少脑灌流，加重缺血；再灌流后缺血灶相对于周围脑组织处于高渗透压、高离子状态，促使大量水份渗入缺血灶，更加重脑水肿。大片脑水肿导致颅内压升高，又使静脉回流受阻及动脉灌流阻力增大，形成缺血、水肿、颅高压恶性循环，可引起脑疝，危及患者生命。
因此，脑缺血之后应予及早治疗，去除病因，恢复血供，预防脑组织的过度灌流和过度氧化作用。
