Mitofagi i cerebral iskæmi og iskæmi/reperfusionsskadeⅡ

PATOFYSIOLOGI AF ISÆMISK-REPERFUSIONSSKADE (FIGUR 2)

Klinisk klassifikation af iskæmisk slagtilfælde

Iskæmisk slagtilfælde, også kendt som cerebral iskæmi, er en væsentlig type af alle slagtilfælde. Denne sygdom opstår, når blodpropper eller plaques blokerer eller indsnævrer hjernens arterier. Afhængigt af den patologiske tilstand kan iskæmisk slagtilfælde opdeles i flere undertyper: Intrakraniel arteriel stenose, akut arteriel okklusion og kronisk arteriel okklusion. Intrakraniel arteriel stenose refererer til forsnævring af arterier forårsaget af dannelsen af ​​fedtaflejringer kaldet aterosklerotiske plaques og samtidig fortykkelse af karvæggene.

Klik for at cistanche tubulosa Australien for iskæmi slagtilfælde

I intrakranielle arterier, herunder mellem-cerebrale arterier, basilararterie, carotisarterier og intrakranielle vertebrale arterier, kan forsnævrede blodkar reducere blodgennemstrømningen betydeligt, hvilket fører til en iskæmisk hændelse (Chimowitz et al., 2005; Banerjee og Chimowitz, 2017). En systematisk analyse med fokus på rollen af ​​intrakraniel åreforkalkning i iskæmisk slagtilfælde indikerer, at åreforkalkningsinducerende stenose graderet højere end 30 procent kan være en årsag til dødelig hjerneinfarkt (Mazighi et al., 2008). Den aterosklerotiske plak er trombogen. Når dens hætte er sprængt, kan der dannes en ustabil blodprop for at indsnævre eller helt okkludere arterierne. Blodproppen, der blokerer det berørte sted, kan dannes lokalt eller stamme fra andre steder, såsom i hjertet, og embolisere gennem kredsløbssystemet.

Ruptur af plak og blodpropemboli er normalt forbundet med akut arteriel okklusion, der manifesterer slagtilfældesymptomer inden for få timer (Malhotra et al., 2017). Okklusionen kan også være kronisk (varig mere end 4 uger), hvis hjernen ændrer den cerebrale hæmodynamik og kompenserer for blodgennemstrømningen ved at opbygge kollateral cirkulation som reaktion på den reducerede arterielle blodforsyning (Sundaram et al., 2017). I så fald kan sygdommen med tilstrækkelig kompensation være asymptomatisk og godartet (Powers et al., 2000); Kronisk okklusion uden tilstrækkelig kompensation fra kollateral cirkulation kan stadig resultere i kronisk cerebral hypoperfusion, hvilket fører til iskæmisk infarkt. I nogle tilfælde kan patienter med kronisk okklusion spontant rekanalisere over lang tid (mere end 3 måneder) (Delgado et al., 2015).

Behandling af iskæmisk slagtilfælde

Trombolytiske midler og rekanaliseringsprocedurer er udviklet som reperfusionsstrategier for at genoprette blodgennemstrømningen i berørte arterier. Normalt gives forskellige terapeutiske tilgange til disse tre undertyper af slagtilfælde i det kliniske miljø. På grund af tekniske grænser er svær stenose og akut okklusion af arterier svære at skelne nøjagtigt (Clevert et al., 2006). Alligevel kan den korrekte diagnose være gavnlig for optimal behandling og en bedre prognose. Intravenøs trombolyse er den eneste godkendte behandling til AIS-patienter og kan gives inden for 3 timer efter symptomdebut. Imidlertid har kliniske resultater af trombolytisk medicinsk behandling alene for patienter med svær stenose og okklusion vist dårligere end forventet prognose og mindre effekt (Mokin et al., 2012).

Kliniske forsøg med fokus på lysis af blodpropper tyder på, at intravenøs trombolytisk terapi alene har en lav rekanaliseringsrate på kun 30-40 procent blandt patienter (Chen et al., 2012). En anden analyse af kliniske resultater af intravenøs trombolyse for okklusion af indre halspulsårer tyder på, at frekvensen af ​​gunstige resultater er 25 procent (Mokin et al., 2012). Revaskulariseringsbehandlinger, herunder stenting eller endarterektomi, er derfor blevet anbefalet til patienter med moderat eller svær stenose. Sammenlignet med intravenøs trombolyse har trombektomi-modtagere en signifikant reduceret forekomst af ipsilateralt slagtilfælde, hvilket betyder en bedre prognose. Arterielle terapier opnår også et bedre resultat hos patienter med akut okklusion (Mokin et al., 2012). I det kliniske miljø anses endarterektomi dog ikke af mange til at behandle fuldstændig ICA-okklusion, da denne operation stadig er teknisk udfordrende at udføre for at forhindre postoperativ trombedannelse og opretholde en god prognose (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli et al., 2013).

Indtil nu fortsætter søgningen efter effektive behandlinger for kronisk okklusion. Medicinske behandlinger som anti-blodpladeaggressionsmedicin eller intravenøse vævsplasminogenaktivatorer kan gives til patienter for at mindske risikoen for slagtilfælde. Kirurgiske tilgange som endarterektomi og stenting kan også bruges til behandling af kronisk okklusion, selvom de stadig viser nogle tilsyneladende ulemper. Ligesom ved akut okklusion kan endarterektomi mislykkes i tilfælde med kompleks koagelorganisering, og succesraten for rekanalisering opnår kun 40 procent hos patienter med kronisk okklusion (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018). Hypoperfusion forekommer stadig hos patienter, som har undladt at genoprette blodgennemstrømningen i rekanaliseringsterapier, hvilket formodes at resultere i tilbagefald af iskæmiske hændelser (Grubb et al., 1998). I processen med stenting kan blodproppen også løsne sig, når stenten frigøres, hvilket blokerer den intrakranielle arterie og kan derfor forårsage postoperative komplikationer (Xu et al., 2018).

Iskæmi-Reperfusionsskade

Hos patienter, der modtager rekanaliseringsterapier, kan pludselig genopretning af blodgennemstrømningen nogle gange være skadelig, hvilket fører til den såkaldte 'reperfusionsskade'. I/R-skade refererer til vævsreoxygenationsskaden forårsaget af den pludselige tilbagevenden af ​​blodforsyningen til tidligere iskæmisk eller anoxisk væv. Under iskæmifasen vil blodtilførslen under standard funktionskrav forårsage mangler i ilt og næringsstoffer, hvilket fører til metaboliske forstyrrelser (Irie et al., 2014) og inflammatorisk respons (Jin et al., 2013) i berørte områder. Genoprettelse af blodgennemstrømning er således blevet betragtet som en grundlæggende behandling for at bevare vævsfunktion. Masser af forskning og kliniske forsøg med reperfusionsbehandlinger har vist, at reperfusionsbehandlinger, herunder intravenøse trombolytiske midler og endovaskulære indgreb som mekanisk trombektomi, er relativt sikre og kan hjælpe med restitutionen af ​​patienter med akut iskæmisk slagtilfælde (AIS), når de gives inden for et snævert tidsvindue (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015).

Reperfusion kan dog også forårsage sekundær skade i det tidligere iskæmiske væv, da gentilførsel af næringsstoffer og ilt kan udløse betydelig ROS-produktion og -akkumulering og i mellemtiden ændrer calciumhomeostase, hvilket resulterer i overdreven oxidativ stress og lokal inflammation. Sådanne cellulære ændringer forårsager celleskade og kan aktivere celledødsvejen i det tidligere iskæmiske væv.

Pforløb og mekanismer for I/R-skade (Figur 2)

Overdreven oxidativ stress spiller en kritisk rolle i I/R-skade

Oxidativt stress er en forstyrrelse i balancen mellem frie radikaler og antioxidantevne, og det opstår ofte, når produktionen af ​​ROS overgår antioxidantforsvaret. I det iskæmiske stadium inducerer blokeret blodgennemstrømning med mindre ilt- og næringsstoftilførsel et skift i mitokondriel metabolisme fra aerobt til anaerobt, hvilket giver en lavere koncentration af ATP og antioxidative midler i cellerne. Senere tilbagevenden af ​​blodgennemstrømningen til det iskæmiske væv kan forårsage reaktivering af mitokondriel aerob respiration og dermed øge produktionen af ​​ROS. På grund af det reducerede niveau af antioxidative midler overstiger oxidationen antioxidationen under reperfusionsperioden, hvilket forårsager øget oxidativ stress.

Enzymsystemer, herunder xanthinoxidasesystemet, NADPH-oxidasesystemet, nitrogenoxid (NO) syntasesystemet og mitokondriens elektrontransportkæde, er hovedsageligt involveret i forekomsten af ​​oxidativ stress. I normale celler starter purinmetabolisme fra omdannelse af ATP til inosin med deltagelse af deaminaser og nukleotidaser, efterfulgt af dens yderligere transformation til hypoxanthin. Oxidation af hypoxanthin til xanthin og xanthin til urinsyre sker senere, og xanthin-dehydrogenase (XDH) og xanthinoxidase (XOD) fungerer hver for sig i disse to oxidationsprocesser. XDH bruger NAD plus som en elektronacceptor til at producere NADH, og iskæmitilstanden kan inducere dens skift til XOD, som bruger O2 som acceptor (Kinuta et al., 1989). Genoprettelse af blodgennemstrømning og ilt kan stimulere oxidationsprocessen i purinmetabolismen. Da niveauet af XOD tidligere er fremmet, er dannelsen af ​​urinsyre i reperfusionsfasen ledsaget af produktionen af ​​højreaktiv superoxidanion (O2−). Superoxid kan senere flyttes til hydrogenperoxid (H2O2) og hydroxylradikalet (OH•), som yderligere stimulerer oxidativ stress og forårsager skade. NADPH-oxidaser er den primære kilde til ROS. De oxiderer NADPH til NADP plus og leverer elektroner til O2 og genererer således superoxid eller H2O2.

Nox/Duox-familien af ​​NADPH-oxidaser er blevet rapporteret at involvere i ROS-produktion under I/R-skade på grund af deres faciliterede aktivitet (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014). Nox2 har været et fokus i I/R-skade, der opstår ved slagtilfælde. Nox-underenhedsdeficiente mus og mus med apocynin (en Nox2-hæmmer) forbehandling viser bemærkelsesværdigt nedsat infarktvolumen og forbedret klinisk resultat af slagtilfælde (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009), hvilket tyder på, at Nox-induceret ROS spiller en betydelig rolle i I/R-skade. Udover straks at producere ROS, regulerer NADPH-oxidaser også ROS-produktion ved at stimulere NO-syntasesystemet. NO, også kendt som en endotel-afledt afslappende faktor, er fremstillet af L-arginin af nitrogenoxidsyntase (NOS) fra tre kilder: Neuron NOS (nNOS), inducerbar NOS (iNOS) og endotelial NOS (eNOS). NO's rolle er variabel: Det virker generelt som et antioxidantmiddel, men dets interaktion med superoxidanionen kan føre til dannelsen af ​​peroxynitrit (ONOO−) (Marla et al., 1997). ROS skabt af NADPH-oxidaser kan oxidere tetrahydrobiopterin (BH4), en essentiel cofaktor, der medierer eNOS-aktivitet. BH4-oxidation inducerer senere afkoblingen af ​​eNOS, hvilket resulterer i nedsat NO-produktion og øget ONOO−-produktion fra eNOS (Landmesser et al., 2003).

Mitokondrier er det vigtigste sted for oxidativ stressgenerering, handling og skade. ROS kan genereres fra ETC. Ved iskæmi kan cellulær stress inducere post-translationelle modifikationer af oxidative phosphoryleringsproteiner i ETC, hvilket gør dem mere følsomme over for reoxygenering (Prabu et al., 2006). Forstyrrede ETC-komplekser kan resultere i højere mitokondrielle membranpotentialer, positivt forbundet med mere ROS-generering (Prabu et al., 2006). Forstærket oxidativ stress kan målrette mitokondrier og yderligere skade ETC, hvilket forårsager mere ROS-generering (Indo et al., 2007) efterfølgende. ROS fra eksogen oprindelse og mitokondriel ROS-generering kan føre til mitokondrier-DNA-skader (Indo et al., 2007). Derudover kan for meget oxidativ stress cellulær skade eller død (figur 2).

Calciumoverbelastning: Endnu en forstyrrelse i iskæmi-reperfusionsskade

Ud over oxidativ stress forårsaget af forskellige kilder, er calciumoverbelastning og unormalt øget intracellulært Ca2 plus-niveau en anden stor patologisk, der spiller en vigtig rolle i reperfusionsskade. Anaerob respiration ved iskæmi nedsætter intracellulær pH; således tillader Na plus/H plus-veksleren (NHE) tilstrømningen af ​​Na plus for at opretholde pH. NHE er generelt inaktiveret under iskæmi, men dets aktivitet kan øges under reperfusion, hvilket fører til en stor Na plus tilstrømning (Allen og Xiao, 2003). Et lavere niveau af ATP i iskæmi svækker også aktiviteten af ​​de energiafhængige Na plus pumper, hvilket resulterer i et højere niveau af intracellulært Na plus.

En undersøgelse i 1987 foreslog, at den hidtidige natriumubalance var en årsag til calciumoverbelastning ved brug af en energifyldt Na plus-belastningsmodel (Grinwald og Brosnahan, 1987). Manglende tilbagevenden til normal Na plus-balance efter iltgenopretning kan fremme funktionen af ​​Na plus/Ca2 plus-veksler (NCX), der er følsom over for intracellulært Na plus-niveau, hvilket fører til højere Ca2 plus-tilstrømning. Calciumoverbelastning induceres også af forhøjet Ca2 plus frigivelse og begrænset Ca2 plus optagelse fra en intern kilde, herunder det endoplasmatiske retikulum (ER) eller Golgi apparatet (Chami et al., 2008). Fremmet optagelse af Ca2 plus af mitokondrier forekommer senere efter cytosolisk calciumoverbelastning (Brookes et al., 2004). Cytosolisk og mitokondriel calciumoverbelastning kan forårsage cellulær skade på forskellige måder, herunder forstyrre mitokondriefunktionen (Wang M. et al., 2015), fremme ROS-produktion (Zhu et al., 2018) og inducere celledød (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (Figur 2).

Mitochondria-afhængig celledød ved I/R-skade

Cellulære vekslen, herunder øget oxidativ stress og calciumoverbelastning, kan føre til apoptose med involvering af mitokondrier. Denne proces initieres af ændringer i mitokondriel membranpermeabilitet styret af den mitokondrielle permeabilitetsovergangspore (mPTP). Aktiviteten af ​​mPTP er sandsynligvis medieret af mitokondriel matrix Ca2 plus niveau, og den mitokondrielle calciumoverbelastning som følge af cytosolisk calciumoverbelastning kan lette åbningen af ​​mPTP (Qian et al., 1999). ROS-produktion under I/R-skade, især hydroxylradikaler og hydrogenperoxid, er også blevet fundet uundværlige i mPTP-åbning (Assaly et al., 2012). Den permeabiliserede membran muliggør aktivering og indsættelse af pro-apoptotiske Bcl-2 familiemedlemmer BAX og BAK i mitokondriemembranen (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002).

Dette hjælper med at overføre mitokondrielle proteiner inklusive cytokrom c fra mitokondrier til cytosolen, efterfulgt af interaktionen mellem cytokrom c og to cofaktorer, apoptotisk proteaseaktiverende faktor 1 (APAF-1) og pro-caspase-9 til danner apoptosomet, som til sidst aktiverer caspase-9-caspase-3 signalerende celledødsvej med proteolytiske hændelser og DNA-fragmentering (Broughton et al., 2009). Denne vej omtales som den caspase-afhængige apoptotiske vej. En anden celledødsvej, caspase-uafhængig apoptose, kan aktiveres, når cellulær energi er ved at løbe tør (Daugas et al., 2000). Poly (ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) er et nukleart enzym, der lokaliserer opstrøms for vejen (Yu et al., 2002).

ROS-induceret DNA-skade kan udløse PARP-1-overaktivering, hvor NAD plus bruges, og dermed udtømme energilagring. Yu et al. (2002) fandt også, at PARP-1-aktivering kan føre til frigivelse af dens nedstrøms mål-apoptose-inducerende faktor (AIF, et mitokondrielt flavoprotein) fra den mitokondrielle intermembran til kernen, hvilket forårsager kromatinkondensation og DNA-fragmentering i stor skala . Undersøgelser har vist, at AIF ikke har en direkte DNA-fragmenteringseffekt (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002). Således har den sandsynligvis brug for en downstream effektor under denne proces. Undersøgelser har antydet, at endonuklease G kan interagere med AIF og forårsage DNA-fragmentering (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005), selvom deres interaktion stadig er uklar. PARP-1-induceret celledød er en unik celledødsvej. Det udviser generelt karakteristika for apoptose, og det anses også for nekrotisk af nogle forskere, da klassisk apoptose er energiafhængig (Ha og Snyder, 1999).

Thjernen er modtagelig for I/R-skade

I/R-skade kan forekomme i mange organer og væv, herunder hjernen, hjertet, skeletmusklerne og nyrerne. Nogle fælles træk deles af I/R-skade i disse områder, herunder den forhøjede produktion af ROS, calciumoverbelastning, inflammation og åbningen af ​​mPTP. Alligevel kan organspecifikke karakteristika påvirke sværhedsgraden af ​​I/R-skade i forskellige organer. Hjernen, det organ, hvor der opstår irreversibel skade inden for 20 minutter efter iskæmi og et snævert tidsvindue (generelt 3-4,5 timer) kan gives til reperfusionsterapi, anses for at være meget modtagelig for I/R-skader (Ordy et al., 1993). .

ROS i hjernen er for det meste genereret fra mitokondrier snarere end andre enzymatiske ROS-kilder som et metabolisk aktivt område. Hjernen står for mere end 20 procent af kroppens samlede iltforbrug, men med et relativt lavt niveau af antioxidative midler sammenlignet med andre organer, hvilket gør den sårbar over for oxidativt stress (Markesbery og Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. , 2012). Desuden kan akkumuleret labilt jern i hjernen reagere med H2O2 for at producere meget reaktiv •OH. Denne reaktion stimulerer oxidation og peroxidation af massivt akkumuleret flerumættet fedtsyre i hjernen, hvilket forårsager endnu mere oxidativt stress (Ferretti et al., 2008). På grund af hjernens modtagelighed for I/R-skade, er det vigtigt at finde mål for at forhindre reperfusionsskade på hjernen ved behandling af slagtilfælde.

Udvidelse af det terapeutiske tidsvindue ved iskæmisk slagtilfælde: Forsinket rekanalisering

Succesfuld rekanalisering af det okkluderede kar så tidligt som muligt er blevet bredt accepteret som det vitale princip for AIS-behandling. Desværre var de fleste AIS-patienter i mange år forhindret i at modtage effektiv rekanaliseringsterapi på grund af et snævert terapeutisk vindue. I de senere år har en række kliniske forsøg vist, at forsinket rekanalisering stadig kan have fordele i iskæmiske hjerner i løbet af et udvidet terapeutisk vindue, op til mere end 24 timer, flere dage og endda mere end 1 måned efter symptomdebut [Reviewed af Kang et al. (2020)]. Klinisk har fremskridt inden for billeddannelsesteknikker muliggjort bedre karakterisering af hjernevæv og karstatus i AIS. Markører for hjerneiskæmi instrueres af perfusionsvægtet billeddannelse/diffusionsvægtet billeddannelse (PWI/DWI) mismatch og DWI/væske-dæmpet inversion recovery (DWI/FLAIR) mismatch på magnetisk resonansbilleddannelse (MRI).

MR-scanning med PWI eller computertomografi (CT) perfusion (CTP) scanning viser forskellige hypoperfusionsniveauer. I betragtning af denne udvikling, sammen med fremskridt inden for intravaskulære interventionsanordninger, er det muligt at udvide tidsvinduet for rekanalisering hos visse patienter. Stigende randomiserede undersøgelser har vist, at forsinket rekanalisering har gavnlige effekter på 90-dagens resultater. To randomiserede, kontrollerede kliniske undersøgelser af høj kvalitet (DAWN og DEFUSE 3) af endovaskulær mekanisk trombektomi rapporterede, at selektiv forsinket rekanalisering baseret på billeddiagnostisk mismatch forbedrede patienternes 90-dages resultater, selv når de blev udført 16-24 timer efter symptomdebut (Ragoschke-Schumm og Walter, 2018). Sammenfattende, på trods af risikoen for I/R-skade, som kan stige med det forsinkede tidspunkt for rekanalisering, er forsinket rekanalisering stadig gavnlig for en bestemt undertype af patienter.

Cistanche neurobeskyttende effekt

Cistanche er et planteekstrakt kendt for dets neurobeskyttende egenskaber, og dets virkningsmekanisme menes at involvere antioxidant-, anti-inflammatoriske og antiapoptotiske virkninger. Der er flere relevante tests og anvendelsessager relateret til de neurobeskyttende virkninger af Cistanche, som omfatter:

1. In vitro undersøgelser: In vitro undersøgelser har vist, at Cistanche ekstrakt beskytter neuroner mod stress-induceret skade ved at reducere oxidativ stress og inflammation.

2. Dyreforsøg: Dyreforsøg har vist, at Cistanche kan beskytte mod neuronal skade forårsaget af cerebral iskæmi, traumatisk hjerneskade og neurotoksin eksponering.

3. Humane undersøgelser: Der er begrænset klinisk evidens for de neurobeskyttende virkninger af Cistanche hos mennesker, men nogle undersøgelser har antydet, at det kan forbedre kognitiv funktion og reducere aldersrelateret nedgang i hukommelsen.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * og Chengmei Sun1,3 *

1 Zhejiang University-University of Edinburgh Institute, School of Medicine, Zhejiang University, Haining, Kina,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Loma Linda University, Loma Linda, CA, USA,

3 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, Kina, 4 Department of Neurokirurgi, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing, Kina