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生理学杂志。2018年12月1日;596(23): 5641–5654.
2018年5月24日在线发布。 数字对象标识:10.1113日元/日元274928
预防性维修识别码:PMC6265568型
PMID:29660115

低温神经保护的工作模型

摘要

治疗性低温可显著提高中重度缺氧缺血性脑病的近期和足月新生儿的无残疾生存率。然而,低温神经保护是不完整的。现在的挑战是找到进一步改善结果的方法。进展的一个主要限制是,对低温的具体机制只有部分了解。有证据支持治疗性冷却抑制多种细胞外死亡信号的概念,包括凋亡和坏死细胞死亡的细胞内途径和不适当的小胶质细胞激活。因此,诱导低温的最佳深度是有效抑制缺氧-缺血后的细胞死亡途径,但不抑制细胞环境的恢复。因此,需要继续进行亚低温治疗,直到细胞环境恢复,直到能够积极支持细胞生存。这篇综述强调,关键的生存线索可能包括神经元活动和生长因子释放的相互关联的恢复。该工作模型表明,针对重叠机制的干预措施,如抗惊厥药,不太可能实质性增强低温神经保护。我们认为,通过后期干预,如重组人红细胞生成素或干细胞治疗,最大限度地恢复治疗性低温后的正常细胞环境,最有可能实现进一步的改善。

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关键词:缺氧缺血、脑病、体温过低、神经保护

介绍

治疗性体温过低现在是中度至重度缺氧缺血性脑病(HIE)婴儿的标准护理(阿佐帕迪. 2012)随机对照试验有令人信服的证据表明,它可以提高儿童中期的存活率和神经预后(雅各布斯. 2013;纳塔拉詹. 2016)减少现代成像对大脑的损伤(Shankaran公司. 2015). 低温神经保护作用显著但不完全,将18个月大时死亡和严重残疾的综合风险降低了约12%,从58%降至46%(爱德华兹. 2010). 因此,尽管治疗性体温过低,许多婴儿仍会因严重致残而死亡或存活。

如前所述,最佳神经保护的经验参数现已确定(瓦斯科. 2014). 治疗性低体温需要在缺氧缺血(HI)后的前6小时内尽快诱导,最好将脑温降低不超过3-5°C,然后持续~72小时。临床前研究中,深度冷却(约8.5°C)或冷却时间短于或长于72小时都会降低神经保护(阿隆索-阿尔康纳达. 2015;戴维森. 2015c(c) ,2018)在一项随机临床试验中(Shankaran公司. 2017). 这些众所周知的经验观察的确切机制尚不清楚。此外,鉴于目前的降温方案接近最佳,未来的进展取决于找到补充体温过低的干预措施。在本综述中,我们提出了一个机械工作模型,以帮助理解低温神经保护的这些参数,并讨论了应针对哪些损伤后阶段和具体机制来进一步改善结果。

缺氧缺血性脑损伤随时间演变

支持治疗性低体温症发展和转化的重要发现是,HI后围产期脑损伤是一个随时间演变的过程,而不是一个“静态”事件。霍普及其同事首先通过磁共振波谱对患有中度至重度HIE的足月新生儿进行研究,发现高能量底物(即磷酸肌酸和ATP)通常在出生后不久恢复正常,但随后又恶化(希望. 1984;阿佐帕迪. 1989)尽管有足够的脑氧合和灌注。对新生仔猪的研究表明,HI后的脑能量衰竭与进行性神经元死亡相对应(马丁. 2000).

如抽象图所示,在严重HI(“初级”阶段)期间,高能磷酸盐化合物逐渐耗尽,缺氧去极化。作为维持细胞内环境稳定的能量依赖机制(例如Na+/K(K)+ATP酶泵)开始失效,细胞毒性水肿(即细胞肿胀)和兴奋性氨基酸的细胞外积累发生,钙未经调节流入神经元。神经能量代谢和细胞肿胀通常在再灌注后30–60分钟内恢复到接近正常值,然后在接下来的~6小时内持续处于“潜伏”阶段(希望. 1984;阿佐帕迪. 1989;冈恩1997年;贝内特. 2007b条 ).

中度至重度HI后,潜伏期在~6–15小时后出现延迟恶化(“第二期”),出现典型的癫痫发作、兴奋性毒素积聚和水肿(图1)线粒体逐渐衰竭和细胞死亡扩散(冈恩. 1997;贝内特. 2007b条 ). 这种三相模式已经在多种物种中显示出来,包括啮齿动物、仔猪和人类(根据瓦斯科. 2014),并与HI后的组织学脑损伤相关(威廉姆斯. 1992;布隆伯格1997年;万木奇. 2004). 在新生儿中,HI后氧化性脑代谢丧失的严重程度与死亡和不良后果高度相关(阿佐帕迪. 1989;罗斯. 1997). 最后,有证据表明HI后存在“第三”期,慢性炎症和表观遗传学损害神经和胶质细胞再生、突触发生和神经突起生长(Fleiss&Gressens,2012).

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足月胎羊在再灌注后3至72小时内,脑缺血30分钟(从时间零点开始),并伴有或不伴有脑冷却(用蓝条表示)的生理效应

面板显示,与假缺血动物(白圈)相比,正常体温组(黑圈)和低体温组(蓝圈)的硬膜外温度(°C)、皮层阻抗(即细胞肿胀,相对于基线的百分比)和脑电图(EEG)功率(分贝)的时间变化按降序排列。低温治疗抑制了细胞毒性水肿的延迟升高(用皮层阻抗测量),并改善了继发性癫痫发作缓解后脑电图功率的恢复。

缺氧缺血性脑损伤是如何传播的?

HI介导的脑损伤的一个显著特征是,随着时间的推移,细胞功能障碍和死亡从受损区域扩散到最初完整的区域(桑顿. 1998). 连接相邻细胞的缝隙连接,允许小分子、离子和第二信使的运输(戴维森. 2015 )通过六聚体半通道(连接子)对接形成。这些半通道在生理条件下是活跃的,并通过调节ATP释放发出信号。

越来越多的证据表明,严重的HI会触发这些连接蛋白半通道的短暂、不受调控的开放,导致静息膜电位受损,释放破坏性ATP和谷氨酸(Ye(是). 2003;. 2008)以及吸水导致细胞膨胀和破裂(奎斯特. 2000;罗德里格斯-华诺. 2007). 支持这一概念的是脑室内输注一种模拟肽,该模拟肽与连接蛋白-43蛋白上的第二个细胞外结合环可逆结合,其剂量可阻断半通道(奥卡罗尔. 2008)早产和近月胎羊深度窒息或脑缺血后90分钟至25小时,癫痫持续状态减轻,脑电图(EEG)功率恢复以及神经和少突胶质细胞存活率提高(戴维森. 2012,2014). 这些数据表明,连接蛋白半通道在HI后早期潜伏期传播损伤中起着关键作用。

延迟性细胞死亡的机制——程序性凋亡

HI后大脑氧化代谢初步恢复后,细胞死亡的延迟发展涉及多种因素。这些包括激活细胞死亡途径、去除营养因子和继发性炎症。特别是,细胞死亡途径是通过缺氧去极化期间钙的不受调节的内流、再灌注期间暴露于活性氧化物质和其他因素而激活的(桑顿2017年).

细胞凋亡可以通过细胞内和细胞外途径触发(图2; 详细审查人桑顿. 2017). 细胞内途径包括过多的钙内流和星形细胞生长因子的提取(克劳森1999年)导致神经元线粒体处促凋亡蛋白的移位和相互作用增加。这些凋亡蛋白,如Bcl-2相关X(Bax)和截断BH3相互作用域死亡激动剂(tBid)蛋白(Raemy和Martinou,2014),在线粒体外膜上产生孔隙。这释放了几种促凋亡因子,包括具有低p的细胞凋亡结合蛋白的直接抑制剂(Diablo),也称为第二个线粒体衍生的半胱氨酸蛋白酶激活物、凋亡诱导因子(AIF)和细胞色素c(c)来自线粒体(瓦斯科. 2014).

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说明HI后延迟程序性细胞死亡相关细胞内机制的流程图

雪花说明了治疗性体温过低的可能目标。AIF,凋亡诱导因子;凋亡蛋白酶激活因子;Bid,BH3‐相互作用域死亡激动剂;tBid,截断BH3‐相互作用域死亡激动剂;Bax、Bcl-2相关X蛋白;Bak,Bcl-2拮抗剂/杀手1;Bcl-2,B细胞淋巴瘤2蛋白家族;Bcl-xL,超大型B细胞淋巴瘤;细胞色素c(c); Diablo,低p的凋亡结合蛋白的直接抑制剂也称为Smac,第二个线粒体衍生的半胱氨酸天冬氨酸酶激活物;DISC,死亡诱导信号复合物;Fas受体,第一凋亡信号受体;MLKL,混合谱系激酶结构域样假激酶;p53,肿瘤蛋白p53;活性氧;RIPK,受体相互作用的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶;肿瘤坏死因子受体;TRAIL受体,TNF相关凋亡诱导配体受体。

线粒体内钙超载也促进细胞色素c(c)通过活性氧释放(哈格伯格. 2014)并激活脑特异性钙蛋白酶,降解细胞内结构和信号蛋白(Bevers&Neumar,2008). 此外,HI激活细胞外死亡受体,刺激坏死下垂或caspase‐8和‐3(朱利安. 1993). 这些分子机制如图所示2在新生大鼠中,胱天蛋白酶、Bax和细胞色素c(c)抑制剂都提供部分神经保护,支持这些细胞内机制的病理作用(桑顿. 2017).

延迟性细胞死亡的机制——程序性坏死

在发育中的大脑中,HI后的坏死通常表现出不同的形态。这种模式通常涉及细胞分裂,但越来越多的证据表明延迟坏死细胞死亡是程序性的(诺辛顿. 2007). 例如,坏死是通过涉及caspase‐8、受体相互作用蛋白激酶(RIPK)1和3以及混合谱系激酶域样假激酶(MLKL)的相互关联机制介导的(罗德里格斯. 2016). 这些蛋白具有多重且通常相反的作用,参与细胞凋亡和坏死(诺辛顿. 2007). 例如,RIPK激活炎症小体,这可能是HI(Man&Kanneganti,2016)而MLKL具有多种功能,包括促进导致细胞膜破裂的孔隙形成(. 2014)最终导致细胞死亡并出现坏死表型。支持这些数据的是,用坏死抑制素-1(一种非选择性坏死抑制剂)治疗,减少HI后p10小鼠的坏死细胞死亡和蛋白质氧化损伤(诺辛顿. 2011 ).

细胞延迟死亡机制综述

综上所述,从这些发现中可以清楚地看出,即使在严重HI后,大脑代谢也可以恢复到正常或接近正常水平,但会触发多种相互关联的机制,最终导致延迟性细胞死亡(桑顿. 2017).

低温神经保护机制

诱导性低体温使脑代谢分级降低~5%°C−1(拉普塔克. 1995). 复苏后,组织氧合和基质输送恢复(冈恩. 1997)因此,降低新陈代谢是不可能的就其本身而言会起到保护作用。然而,重要的是要反映冷却的神经保护作用在期间HI大大高于新陈代谢减少15-20%的预期。例如,在成年大鼠中,与常温相比,脑缺血期间的降温与海马主要神经元丢失的显著减少有关(6±1%.90±17%死亡神经元),神经去极化持续时间相同(巴特. 1998). 这一发现强烈表明,低温通过抑制活跃的细胞内死亡机制而不是通过减少氧化代谢来支持细胞存活。有相当多的证据表明,这种相互作用对复苏后的神经保护至关重要,如下所述。

低温抑制缺氧缺血后的程序性细胞死亡

越来越多的证据表明,诱导性低温抑制HI后触发的凋亡和坏死过程(瓦斯科. 2014). 例如,在体外低氧内低温可减少发育中神经元的凋亡和坏死形态学死亡,以及低氧驱动的蛋白质形成(Bossenmeyer‐Pourie公司. 2000). 此外,体温过低还能抑制血清剥夺和H2O(运行)2诱导神经元凋亡,caspase‐3、‐8和‐9的激活降低,细胞色素释放降低c(c)与抑制细胞内和受体诱导的凋亡相一致(2002年;. 2012). 与此一致,在成年大鼠中,短暂性全脑缺血后诱导的低温与上调的抗凋亡B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)蛋白和下调的促凋亡p53蛋白相关(. 2010)减少神经坏死和凋亡。在局灶性缺血的成年大鼠中,低温也会减弱死亡受体的表达和caspase‐8的激活(线路接口单元. 2008)支持其与细胞外凋亡的相互作用,并抑制与炎症相关的基因(纳格尔. 2012).

在新生仔猪中,严重HI可减少凋亡,但不会减少坏死细胞死亡,随后开始低温(爱德华兹. 1995)而在足月胎羊中,低温神经保护降低了caspase‐3和小胶质细胞的激活(罗尔夫塞马. 2004). 在新生大鼠中,HI后的急性低温也降低了核心缺血损伤处的caspase‐3并增加了X连锁凋亡抑制因子(XIAP),但不增加半暗带,而AIF易位在这两个区域均受到抑制(阿斯卡兰. 2011)表明低温与caspase依赖和非依赖机制相互作用。最后,在患有HI的新生啮齿动物中,低温可减轻宏观脑损伤,24小时后坏死和凋亡神经死亡较少,并抑制细胞色素c(c)皮层、海马、丘脑和纹状体的释放、caspase‐3和钙蛋白酶激活(Ohmura村. 2005). 因此,综合起来,这些数据表明,发育中大脑的低温神经保护可能通过抗凋亡和抗坏死机制实现(诺辛顿2011年b).

低温抑制缺氧缺血后的炎症反应

围生期HI引发炎症级联反应,增加细胞因子和白细胞介素的释放(哈格伯格. 2015). 这些因素通过神经毒性诱导的细胞凋亡或内皮细胞传播的炎症加剧了发展中的细胞损伤,白细胞浸润缺血后的大脑(冈恩. 2017). 在实验范式中,创伤后低温抑制小胶质细胞活化、趋化性、白细胞介素和促炎细胞因子的释放,这可能提供线粒体保护(瓦斯科. 2014). 例如,细胞因子诱导的诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达提高了细胞内NO·水平,与分子氧竞争结合细胞色素氧化酶(Brown,1997)从而抑制线粒体呼吸。肿瘤坏死因子α和干扰素γ介导的iNOS产生也导致培养的少突胶质细胞凋亡和DNA损伤(德鲁日纳. 2005). 至关重要的是,低温对缺血的胶质细胞反应有不同的影响,表明小胶质细胞受到有力的抑制,但对星形胶质细胞增殖几乎没有影响(. 1997). 这表明,低温神经保护在一定程度上是由于减少了“不良”炎症,而不抑制星形胶质细胞的恢复。

体温过低、兴奋性毒素和神经元活动

与它们在原发期和再灌注期的作用相反,兴奋毒素的重要性之后鉴于细胞外水平迅速恢复到基线值,再灌注值得怀疑(棕褐色1996年;托雷森. 1997). 早期对抗兴奋性毒剂的研究发现其具有明显的保护作用,但不能控制脑温(麦当劳. 1987;服部. 1989). 至关重要的是,随后的研究表明,谷氨酸阻断与药物诱导的体温过低有关,而控制温度则会破坏神经保护(伊科诺米杜. 1989;工程作业2001年). 在成年啮齿动物中,Nurse和Corbett表明,轻度脑缺血后1小时开始服用的谷氨酸拮抗剂2,3-二羟基-6-硝基-7-磺胺酰-苯并[f]喹喔啉-2,3-二酮(NBQX)的明显神经保护作用与轻度脑缺血直接相关内源性的给药后一小时出现数天体温过低(Nurse&Corbett,1996)在28h以上应用相同的低温模式可诱导类似的神经保护作用。相反,NBQX“神经保护”通过维持常温有效地被废除。此外,仅限于第二阶段的抗兴奋性毒素治疗并不能减少胎羊严重受损的矢状旁皮层的神经元损伤,而对大脑中受影响较轻的区域的神经保护作用有限(棕褐色. 1992;格雷森. 2011).

然而,即使细胞外谷氨酸水平正常,兴奋毒性仍可能起到间接的伤害作用。据报道,P10大鼠在HI后数小时内谷氨酸受体的病理性超兴奋性,受体阻断后神经预后改善(延森. 1998). 支持这一假设的是,尽管窒息后数小时内整体脑电图活动受到抑制,但在发生严重损伤的早产绵羊胎儿的早期恢复阶段可以看到短暂的癫痫样活动(乔治. 2004)与纹状体和海马神经元丢失的严重程度相关(院长. 2006b条 ;贝内特. 2007c(c) ). 用谷氨酸受体拮抗剂抑制这些脑电图瞬变部分减少细胞损失(院长. 2006 ). 此外,早产胎羊窒息后中度脑低温的神经保护与窒息后6小时内癫痫样短暂发作次数的显著减少以及延迟性癫痫发作幅度的降低有关(贝内特. 2007 ). 然而,在早产胎羊重度窒息后,谷氨酸受体拮抗剂输注和亚低温联合应用显示出非附加性神经保护作用,这与冷却通过减弱受体过度活动而起到部分保护作用的说法一致(乔治. 2012). 需要进一步研究,以确定在术语等效脑HI损伤后是否也会出现这种情况。

脑电图活动的冷却和恢复持续时间

最近对近期胎羊的研究表明,当缺血后3小时开始头部冷却时,冷却至72小时的保护效果明显优于冷却至48小时的保护(图). 令人惊讶的是,脑缺血后48小时复温与接下来24小时内脑电图功率的显著恶化相关,第7天组织学上的小胶质细胞数量更多,与持续冷却至72小时相比,整体神经元存活率的改善明显较少(戴维森. 2018). 这表明HI后48至72小时内,有害炎症仍在继续,并因过早复温而重新激活或加剧。特别令人感兴趣的是,在这项动物研究中,EEG的频谱边缘频率在48小时时仍被部分抑制,直到72小时左右才达到控制值。相反,我们已经表明,将冷却时间从72小时延长到120小时并不能进一步改善脑电图的恢复,而且确实与某些大脑区域的神经元存活率明显受损有关(戴维森. 2015c(c) ). 这首次表明脑电图活动的正常化是治疗性低体温需要持续多久的重要生物标志物。局部神经互连,神经元之间的连接更短,导致更高频率的活动。因此,皮层脑电图频率的增加有力地推断出皮层功能的改善。更具推测性的是,它似乎也支持这样一种假设,即脑电图活动,即神经元之间的串话,代表了HI后细胞环境逐渐正常化的一个重要方面。

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足月胎羊脑缺血30分钟(从时间零点开始),再灌注后3小时至48或72小时,有或无脑冷却(用蓝色符号表示)的生理效应

面板按降序显示缺血-常温(黑圈)、缺血-低温48小时(浅蓝色圈)和缺血-低温72小时组(深蓝色圈)的硬膜外温度(°C)、脑电图(EEG)功率(分贝)和频谱边缘频率(赫兹)的时间变化。在缺血期间和缺血后即刻,所有组的脑电图活动均受到抑制,然后在8至48小时的癫痫发作期间短暂增加。在实验的剩余时间里,缺血-常温组的脑电图活动保持在较低水平,而两个低温组的功率和频谱在24到72小时内都有显著恢复(P(P) = 0.05). 48小时复温与缺血-48小时低温组的脑电图功率损失相关,而72小时复温不会发生这种情况(P(P) = 0.05). 数据为平均值±SEM。

神经环境的恢复:脑电图活性和生长因子

损伤后大脑活动恢复的潜在因素尚不完全清楚。在某种程度上,它与受损细胞功能抑制的逆转以及互连结构之间信号的恢复有关(Glassman和Malamut,1976). 神经活动本身对细胞存活至关重要,并与营养生长因子的释放密切相关。

电活动是维持目标神经元内神经元稳态的重要部分(小池. 1989). 事实上,有一些证据表明,在某些情况下,即使是异常活动也可能有益。在大鼠中,挫伤后24小时内的两次电惊厥发作加速了梁式行走的恢复,脑坏死较少(费尼. 1987). 此外,在猫中,双侧额叶皮质消融后短暂刺激d-安非他明与持续改善束流行走相关(萨顿. 1989). 相反,使用γ-氨基丁酸激动剂(如地西泮和麝香草酚)抑制脑电图活性会严重损害皮层或纹状体损伤的恢复(沙勒特. 1990)这可能与突触发育受损有关。突触发生在一定程度上取决于大脑活动(真能. 2008)而抑制神经元活动会损害突触发生(范惠岑. 1985).

内源性生长因子在支持神经内环境稳定方面与神经活动起着互补作用。以及神经元活动的直接稳态效应(小池. 1989)神经刺激还通过促进成纤维细胞生长因子的释放间接支持神经元存活(Mattson&Rychlik,1990). 独立地,在深度电抑制期间体内,内源性生长因子有助于支持神经元存活(安德森. 1988). 新生大鼠HI脑损伤后,神经营养活性最初受到抑制(克劳森. 1999)但生长因子治疗可显著减少啮齿动物和胎羊HI后的脑损伤(. 2003). 内源性生长因子活性在3-5天左右增加,在8-15天达到最大表达(尼托‐桑佩德罗. 1982;. 2003). 这种生长因子的诱导可能有助于促进细胞环境的稳定和长期神经修复。

与星形胶质细胞恢复在决定脑HI预后中的重要作用一致,有证据表明成年啮齿动物缺血和心脏停搏后体温过低与生长因子表达增加有关,包括胶质细胞源性神经营养因子(GDNF),以及脑源性神经营养因子(BDNF)及其酪氨酸受体激酶-B,以时间和区域特定的方式(鲍里斯·穆勒. 1998;德克鲁兹. 2002;施密特. 2003). 因此,至少这些数据证实,亚低温不会抑制星形胶质细胞合成完整的神经营养素。需要进一步研究,以了解星形胶质细胞生长因子的产生是否对治疗性低温后的长期神经发育恢复至关重要。

低温神经保护的工作模型

综上所述,这些实验研究表明,低温通过抑制凋亡和坏死细胞死亡途径以及细胞外炎症,从而稳定线粒体功能,从而积极预防深度HI后的延迟细胞死亡。为了实现长期的神经保护,需要继续这种低温诱导的抑制,直到细胞外环境提供足够水平的促生存线索。

关键的生存线索是脑电图活动和生长因子。与星形胶质细胞相比,低温通过不同程度地抑制小胶质细胞来实现这一点(. 1997)从而使神经营养素活性在HI后恢复。此外,尽管诱导性低温在一定程度上抑制了立体定向癫痫发作,但它并不显著抑制脑电图活动的恢复(戴维森. 2018). 至关重要的是,如上所述,现在有令人信服的证据表明,在恢复高频脑电图活动之前,应继续进行最佳的体温过低(戴维森. 2018). 值得注意的是,在本研究中,缺血后~72小时的冷却过程中,脑电图频率恢复到基线值的时间也与成年和发育中啮齿动物HI后内源性生长因子开始诱导前的已知时间延迟大致一致(. 2003).

该模型与经验观察一致,即大脑最好冷却3-5°C,随着深度冷却而失去保护(阿隆索-阿尔康纳达. 2015). 这可能至少部分与发现温和冷却选择性抑制小胶质细胞激活有关,而深度冷却也抑制星形胶质细胞功能和增殖,因此可能损害内源性生长因子的恢复(1997年). 潜在地,这也可能反映出深低温期间神经功能受到更大的抑制(韦斯托弗. 2015). 这种在升温之前允许细胞环境恢复的需要与强烈的观察结果一致,即需要继续冷却直到EEG频率正常化(戴维森. 2015c(c) ,2018).

低温联合治疗的潜在意义

该工作模型表明,未来的联合治疗应通过长期刺激生存线索(如神经营养素)、差异抑制/刺激不良/良好炎症、,加上新神经元和少突胶质细胞的功能整合(即与重组人促红细胞生成素(rEpo)或干细胞疗法)。首先,如果脑电图活动确实对恢复正常细胞环境至关重要,那么抑制背景活动的高剂量抗惊厥治疗可能与治疗性体温过低的机制重叠,因此不能提供额外的神经保护,但也有可能损害长期神经恢复。

与这些担忧一致,有很好的证据表明,在成年大鼠脑缺血后,地西泮治疗不会增强低温神经保护作用(戴维斯. 2004)如上所述,长时间的抑制会损害功能恢复(沙勒特. 1990). 支持这一点的是抗惊厥药托吡酯(. 2000)在一项小型II期试验中,与单独接受低体温治疗的HIE新生儿相比,低体温治疗对HIE新生儿的死亡或神经功能障碍也没有改善(菲利比. 2018). 因此,迫切需要高针对性的临床前和临床研究,以解决现实世界的影响。

同样,越来越多的动物研究表明,在与低体温立即联合治疗期间,非附加性神经保护作用。例如,在脑缺血后的胎羊中,连接蛋白半通道阻断可减少神经元损伤并恢复脑电图功率(戴维森. 2012),但对亚低温无补充作用(戴维森. 2015b条 ). 脑内注射胰岛素样生长因子-1(IGF‐1)可提高近期胎羊缺血后星形胶质细胞和少突胶质细胞的存活率(. 2001)但缺血后4.5小时延迟IGF‐1治疗加5.5至72小时低温治疗并不能提供比单纯脑降温更好的保护或caspase‐3抑制(乔治. 2011). 惰性气体氙,通过N个‐甲基‐d日天冬氨酸(NMDA)受体(. 2012),改善HI后新生仔猪的低温保护,但不是在II期临床试验中(查卡拉帕尼. 2010;阿佐帕迪. 2015). 这项研究并不是决定性的,因为氙气是在出生后10小时才开始使用的(范围为4.0-12.6)。然而,这些数据表明,非相加性神经保护部分是由重叠的作用机制引起的。

相比之下,HI后15分钟开始褪黑素治疗,然后2小时开始低温治疗,与单纯低温治疗相比,磁共振波谱检查显示组织学结果和高能磷酸盐的恢复得到改善(罗伯逊. 2013). 这一结果可能反映了褪黑素具有强大的抗自由基作用,在HI再灌注期间其作用最大(米勒. 2005)但目前尚不清楚,如果它与体温过低同时开始,是否会同样有效。然而,一项针对患有HIE的人类婴儿的初步试验报告称,与单纯的低温治疗相比,褪黑素联合低温治疗可以提高6个月大时的存活率,且无神经异常(阿利. 2015). 这些初步发现令人鼓舞,但需要在更大规模的试验中进行验证。

神经保护和神经修复–rEpo和干细胞疗法

据报道,在低温期间或之后有残留或“持续”炎症(戴维森2018年). 因此,具有抗炎和/或促再生作用的治疗可能会在治疗性低温期间或之后增强低温神经保护。在这方面,有令人信服的临床前证据表明rEpo和干细胞有益(贝内特. 2012; Juul&Pet,2015). rEpo在新生儿脑损伤的临床前范式中具有抗凋亡、抗氧化、抗兴奋毒性和抗炎作用(Rangarajan和Juul,2014)促进少突胶质细胞和神经元的增殖和成熟(菅河. 2002;岩井. 2007)刺激生长因子(BDNF和GDNF)和血管生成(. 2007; Juul&Pet,2015)是神经修复和正常神经发育所必需的。

多项实验研究报告称,rEpo介导的神经保护可改善HI后的长期预后(由Wu和Gonzalez审查,2015). 例如,在早产胎羊中,窒息后30分钟至72小时输注rEpo可改善神经元和少突胶质细胞的丢失,并改善电生理恢复(瓦斯科. 2017). 在早产儿中,最近的一项荟萃分析发现,早期预防性rEpo可改善18-24个月时的神经发育结果(费希尔. 2017). 此外,对患有HIE的足月新生儿进行的小型随机临床试验表明,rEpo治疗后,现代影像学和神经测量结果有所改善(. 2009;埃尔马迪. 2010;马勒. 2017). 这些以及关于低温联合治疗的初步临床II期试验令人鼓舞(. 2016),但仍在等待大型最终试验。

此外,越来越多的证据表明在体外体内临床前研究表明,干/祖细胞可能对HI后的预后产生有益影响(由贝内特. 2012). 例如,在妊娠0.7周时接受宫内缺血的新生兔试剂盒中(德罗比雪夫斯基. 2015),在出生时用人类脐带血细胞治疗导致神经行为结果的剂量依赖性改善。这些干细胞在没有显著植入的情况下改善了功能结果,表明其作用是由营养或免疫调节机制介导的。同样,在早产胎羊中,HI后1、3和10天鼻内注入人羊膜上皮细胞可减少神经元和白质丢失,抑制胶质增生和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3,改善皮层脑电图的成熟度(范登·海伊. 2018). 在出生后第7天的大鼠中,从HI后6小时开始,联合应用间充质干细胞和低温,与单独干预相比,成像和行为测试的改善更大(公园. 2015).

最后,一项针对96名脑瘫儿童的小型双盲随机安慰剂对照试验报告称,脐带血加rEpo治疗在6个月时比有或没有rEpo的康复治疗减轻了神经认知和运动功能障碍(最小值. 2013). 因此,干细胞疗法有潜力作为一种治疗手段,无论是在隔离状态下还是与低体温相结合的情况下,改善HIE的恢复。

结论和观点

本文提出的低温神经保护机制的工作模型表明,与机制与低温机制重叠的药物立即联合治疗低温不太可能带来实质性益处。事实上,高剂量抗惊厥治疗等抑制背景神经活动的干预措施可能会损害长期神经恢复。我们建议,研究应侧重于通过长期刺激生存线索(如神经营养素)、选择性抑制/刺激不良/良好炎症以及整合新功能细胞来促进细胞内环境稳定的干预措施。目前的证据表明,促进这些结果的策略,如干细胞和促红细胞生成素,最有可能进一步改善治疗性体温过低的结果。

其他信息

相互竞争的利益

作者声明本文中没有潜在的利益冲突。

作者贡献

A.G.、G.W.和J.D.对这一专题综述进行了概念化。G.W.负责手稿写作和数字准备。所有作者都审阅并编辑了这份手稿。所有作者均已阅读并批准本手稿的最终版本,并同意对作品的所有方面负责,以确保与作品任何部分的准确性或完整性相关的问题得到适当调查和解决。所有被指定为作者的人都符合作者资格,所有符合作者资格的人都会被列出。

基金

本综述中讨论的作者研究得到了新西兰健康研究委员会(HRC ID编号12/613和17/601)和新西兰神经基金会(NF1715‐PG)的支持。J.D.持有新西兰健康研究委员会的Charles Hercus爵士奖学金。

传记

• 

吉多·瓦辛克是一名研究人员,他致力于理解为什么一些胎儿在缺氧和感染后完全正常存活,而另一些胎儿在明显相同的暴露后受伤或死亡。他的研究强调了决定胎儿生理弹性的因素,以及生长因子(如内源性红细胞生成素)在缺氧缺血后帮助保护大脑方面的作用。

• 

阿利斯泰尔·扬·冈恩是一名儿科科学家,他对识别分娩中受损胎儿的方法、窒息性脑损伤的机制和治疗以及婴儿期危及生命事件的机制进行了开创性的基础研究。他的研究帮助建立了温和降温技术,这是有史以来第一种减少出生时低氧导致的脑损伤的技术。

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笔记

编辑:Ole Petersen&Janna Morrison

工具书类

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文章来自生理学杂志由以下人员提供生理学会