鎂離子在創(chuàng)傷性腦損傷中的應用研究進展

作者：何百祥(綜述),張瑞娟(審校)　　作者單位：710061 陜西西安，西安交通大學醫(yī)學院附屬醫(yī)院神經外科

　　【摘要】鎂離子(Mg2+)是人體必需的陽離子，在腦組織內參與細胞多種重要的代謝活動。研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+作為內源性保護因子通過多種機制在繼發(fā)性腦損傷過程中起到保護作用;與創(chuàng)傷性腦損傷的傷情及預后密切相關;動物實驗證明鎂劑治療創(chuàng)傷性腦損傷有明顯療效，但臨床研究分歧較大。本文就近年來關于Mg2+對腦損傷的生物學保護機制，Mg2+對創(chuàng)傷性腦損傷診斷和預后的評價作用以及治療作用評價等方面的研究進展情況進行綜述，旨在對今后的研究有所幫助。

　　【關鍵詞】 鎂離子;腦損傷

　　繼發(fā)性腦損傷是創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)引起死亡和致殘的重要原因之一。導致繼發(fā)性腦損傷的確切機制還不清楚，但目前認為創(chuàng)傷后腦內神經生化及代謝的異常連鎖反應可能是導致繼發(fā)性腦損傷的主要原因。早在1988年，澳大利亞學者Vink等[1]利用磁共振波譜分析技術(MRS)發(fā)現(xiàn)實驗性腦損傷后腦組織及神經細胞內Mg2+含量明顯下降，且下降程度和傷情呈正相關。此后，人們對Mg2+在腦損傷后的作用研究越來越多。近年來的動物和臨床實驗表明，Mg2+作為一種內源性保護因子在創(chuàng)傷后腦內異常連鎖反應中起著重要作用。鎂劑對創(chuàng)傷后繼發(fā)性腦損傷有一定的保護作用。

　　1 鎂離子對腦損傷的生物學保護機制

　　1.1 減輕急性能量代謝障礙 細胞能量的急性缺乏幾乎可誘導腦細胞生物合成的完全抑制。Mg2+在腦組織內參與細胞多種重要的代謝活動，如細胞糖酵解、氧化磷酸化、細胞呼吸、DNA、RNA和蛋白質合成等。Mg2+缺乏將導致細胞能量代謝障礙，引發(fā)腦水腫。鈣超載是誘導線粒體通透性轉換(MPT)的主要因素，而MPT可導致線粒體膜通道的開放，膜電位的喪失及呼吸鏈的分離，使細胞內能量衰竭。MPT還能釋放特異蛋白，激活細胞的程序性死亡。而Mg2+是Ca2+的天然拮抗劑，可防止線粒體內鈣超載所致的線粒體損傷。腦損傷后大鼠腦細胞線粒體Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶、Mg2+-ATP酶活性均明顯下降，Ca2+、丙二醛(MDA)含量增加，Mg2+含量及超氧化物歧化酶(SOD)活性明顯降低。Mg2+治療后上述指標明顯改善，說明Mg2+可以改善腦損傷后線粒體酶活性，維持線粒體氧化磷酸化過程，保證ATP合成[2]。

　　1.2 維持細胞膜的穩(wěn)定，減輕鈣超載 腦損傷后鈣超載是導致神經細胞死亡的共同途徑。細胞外Mg2+通過與Ca2+競爭結合位點而抑制Ca2+內流，通過Mg2+、Na+交換而抑制Ca2+、Na+交換，進而阻止Ca2+內流。此外，Mg2+還通過 Mg2+、Ca2+交換促使細胞內過多的Ca2+外流，防止細胞內鈣超載。Mg2+還可以維持細胞膜上 Na+- K+-ATP酶的活性，進而維持神經細胞正常 Na+、K+濃度梯度，穩(wěn)定細胞膜，防止細胞水腫[3]。

　　1.3 抑制興奮性氨基酸(excitatory amino acid，EAA)的釋放 EAA引起的興奮毒性作用有兩個方面：(1)Na+、Cl-、H2O的內流，致神經元水腫;(2)通過激活EAA受體，直接或間接啟動電壓依賴性Ca2+通道，Ca2+大量內流。Na+、Ca2+交換減弱及產生第二信使可使細胞內儲存Ca2+釋放增加，導致細胞內鈣超載。這些因素是導致繼發(fā)性腦損傷的重要機制。作為中樞興奮性遞質的EAA含量低，主要儲存于突觸前末梢內。這些EAA以Ca2+依賴方式釋放，與突觸后膜的EAA受體結合從而發(fā)揮其生理功能?，F(xiàn)已有兩種EAA受體被發(fā)現(xiàn)，N-甲基-D-門冬氨酸(NMDA)受體和氨基-3-羥基-5-甲基-4-異戊丙酸/紅藻氨酸(AMPA)受體[4]。這兩種受體的激活均會導致細胞內Ca2+的升高，導致細胞急性水腫、崩解及死亡。實驗證明[5]，TBI早期 EAA大量釋放。鎂劑可抑制早期 EAA釋放，達到腦保護作用。

　　1.4 抑制脂質過氧化反應 腦損傷后自由基介導的脂質過氧化反應增強是導致腦細胞水腫、變性壞死的重要原因。低Mg2+時，依賴Mg2+的花生四烯酸合成酶的活性降低，在磷脂酶A的作用下，引發(fā)花生四烯酸代謝瀑布，產生大量自由基。另外，Mg2+缺乏可導致細胞內Ca2+增加，致黃嘌呤氧化酶大量產生，激活ATP酶使ATP分解，ATP分解合成的次黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶作用下產生各種自由基反應，導致細胞膜的結構和功能破壞。Mg2+能通過多種機制阻斷Ca2+內流，抑制自由基的形成，減輕脂質過氧化反應，防止細胞膜損害，減輕腦水腫。Altura等[6]研究發(fā)現(xiàn)，暴露在低鎂環(huán)境中的犬血管平滑肌3 h后MDA濃度就上升，18~24 h后升高到正常水平的3~12倍。且Mg2+濃度越低，MDA水平就越高。給實驗性腦損傷模型鼠Mg2+治療能降低腦組織MDA的含量[7]。

　　1.5 抑制神經元去極化 腦組織缺血缺氧可導致急性能量代謝障礙，抑制膜Na+-H+-ATP酶的活性，導致神經元去極化，激活神經原 T型和 N型Ca2+通道，大量Ca2+內流，導致細胞破壞。另外，細胞外液中Mg2+可電壓門控NMDA受體。細胞超極化時，NMDA受體通道完全被阻滯。細胞去極化時，Mg2+的阻滯作用逐漸減少并消失。研究發(fā)現(xiàn)[8]，經Mg2+治療的大鼠腦細胞去極化時間及腦蛛網膜下腔出血急性期損傷面積明顯小于安慰劑組。推測Mg2+的神經保護作用可能在于減少了腦細胞缺血性去極化時間。

　　1.6 抗血管痙攣 Mg2+可以拮抗鈣超載，并與肌凝蛋白、肌鈣蛋白C的某些位點競爭，有強大的對抗內皮素1(ET-1)、血管緊張素Ⅱ、前列腺素F-α(PGF-α)、血清素和EAA的作用，從而對抗血管痙攣。許多研究表明，Mg2+具有預防血管痙攣的作用[9]。

　　1.7 抑制炎性細胞因子的釋放 多種細胞因子作為啟動因素引起的腦損傷后繼發(fā)炎癥反應是造成神經元損害的重要原因。一氧化氮(NO)是一種重要的神經遞質，具有調節(jié)血管張力、抑制血小板聚集等保護作用。但同時又是一種炎性介質，過量的NO，具有損傷線粒體、抑制細胞呼吸、破壞DNA、自由基作用，介導EAA等神經毒性作用。Yang 等[10]的研究表明，硫酸鎂治療可能是通過抑制NO合成酶的活性，減少NO的生成來對腦組織提供一定程度的保護作用。腦損傷后細胞因子如白細胞介素-1(IL-1)和腫瘤壞死因子(TNF)的過度表達是促使白細胞在血管內大量聚集和黏附的重要原因，IL-1和TNF介導腦損傷后神經元壞死、缺失。顱腦損傷后腦組織IL-1的表達增加，早期應用硫酸鎂可以抑制創(chuàng)傷腦組織內IL-1的過高表達，起到保護創(chuàng)傷神經元的作用[11]。

　　1.8 抑制細胞凋亡 腦損傷后的神經功能障礙與傷后神經細胞凋亡密切相關。細胞的死亡是由于細胞器(如線粒體)不可逆受損，細胞膜通透性增高，細胞質內容物漏出到細胞外基質中。而凋亡是由基因調控介導的細胞程序性死亡，在這個過程中細胞膜通透性沒有改變，細胞器完好保存。在后階段，細胞碎片萎縮卷曲到原生質膜上形成凋亡小體，然后被周圍健康細胞吞噬。實驗證明，Mg2+對缺血缺氧性腦損害引起的神經元凋亡有一定的預防作用[12]。在培養(yǎng)的犬腦血管平滑肌細胞中，細胞外Mg2+濃度降低會導致核轉錄因子kpapaB(NF-κB)的活化和磷酸化(降解)[6]。而NF-κB是一種具有多向轉錄調節(jié)作用的蛋白，可發(fā)揮抗凋亡作用。

　　2 鎂離子對創(chuàng)傷性腦損傷診斷和預后的評價作用

　　研究已經證明，無論是創(chuàng)傷性或缺血性腦損傷，腦組織以及神經細胞內、血清Mg2+含量皆明顯下降。31P磁共振頻譜分析(MRS)檢測實驗性液壓性腦損傷后，腦組織及神經細胞內Mg2+含量明顯下降，受傷腦區(qū)細胞內Mg2+含量下降顯著。而且Mg2+下降程度和腦外傷傷情明顯相關，傷情越重，Mg2+含量降低越顯著。腦損傷后Mg2+含量下降出現(xiàn)較早且持續(xù)時間較長，下降程度較大[1，13]。Sakamoto等[14]對腦外傷患者血清和腦脊液中Mg2+、Ca2+等指標進行觀察，發(fā)現(xiàn)重型腦外傷患者血清和腦脊液中Mg2+、Ca2+濃度均下降，中輕型腦外傷患者血清Mg2+、Ca2+濃度下降，但腦脊液中下降不明顯。認為特重型(GCS 3~4分)TBI患者與血清和腦脊液中Mg2+濃度相關，其他TBI患者(GCS 5~15分)與血清和腦脊液中Mg2+濃度無關。提示中輕型腦外傷患者血腦屏障仍然存在，患者保留了正常調節(jié)機制，而特重型患者血腦屏障已被破壞。而Kahrnamnan等[15]在一項臨床試驗中，將30例TBI病人分為輕、中、重三組，傷后5天查血清Mg2+濃度，結果發(fā)現(xiàn)三組病人Mg2+濃度均有顯著性差異(P<0.01)。認為TBI病人傷情與血鎂濃度相關，檢測血清Mg2+濃度可用來作為TBI臨床分級指標之一。大量的動物和臨床試驗均證實，對TBI在有效時間窗內實施Mg2+治療可改善TBI的預后。Vink等[16]于傷后30 min內給TBI鼠硫酸鎂(250 μmol/kg)治療，顯著改善了鼠傷后4周的感覺、運動功能和認知功能。認為創(chuàng)傷后應用Mg2+可弱化TBI后的運動和認知功能障礙。張賽等[17]將入選重型顱腦損傷(sTBI)患者隨機分為硫酸鎂治療組和常規(guī)治療組(各27例)，發(fā)現(xiàn)硫酸鎂治療組病死率低于常規(guī)治療組(P<0.05)，恢復良好及中殘率高于常規(guī)治療組，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。認為硫酸鎂能降低sTBI患者血清MDA含量，具有改善預后的趨勢。

　　3 鎂離子對創(chuàng)傷性腦損傷的治療作用評價

　　鎂劑的傳統(tǒng)應用以硫酸鎂口服導瀉、利膽和降壓、抗驚厥為主。近年來，隨著對其病理生理機制研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)Mg2+參與細胞能量代謝、核酸合成，與神經、肌肉、心臟、血管等組織器官的功能密切相關，己廣泛應用于婦產科、心內科等。在神經外科，鎂劑目前主要應用于腦卒中和蛛網膜下腔出血，并取得顯著療效。關于鎂劑在TBI中的應用還處于研究階段。鎂劑來源廣泛，價格便宜，使用安全，是理想的腦保護劑。在一項氯化鎂治療鼠雙側前中部皮層損傷引起的認知功能障礙的研究中，研究者用電離損傷造模，實驗組應用氯化鎂(1 mmol/kg或2 mmol/kg)分別于傷后30 min、24 h、72 h腹腔內注射，結果發(fā)現(xiàn)，Mg2+能改善創(chuàng)傷后的認知行為，且呈劑量依賴關系[18]。李玉等[19]的實驗表明，大鼠彌漫性腦損傷后短期內腦組織含水量快速增加，傷后6 h就達到較高水平;大鼠彌漫性腦損傷后血清中Mg2+含量約傷后60 h降到低，以后逐漸回升，但傷后336 h仍低于對照組;彌漫性腦損傷后補充鎂劑應從傷后6 h就開始。補充時間應不低于2周。Turkoglu等[20]比較了硫酸鎂與地塞米松磷酸鈉治療實驗性腦水腫的效果。認為與激素比較，硫酸鎂由于沒有不良反應而被發(fā)現(xiàn)是有效的選擇。臨床上聯(lián)合使用亞低溫和大劑量硫酸鎂治療彌漫性軸索損傷有明顯療效[21]。國外一項大型關于TBI后硫酸鎂的神經保護作用的隨機、雙盲、對照研究(注冊號：NCT00004730)將一個Ⅰ級區(qū)域性創(chuàng)傷中心于1998年8月~2004年10月收治的14歲以上的中、重型TBI病人499例隨機分為硫酸鎂組和安慰劑組。于傷后8 h內用藥，連用5天。硫酸鎂組要達到的目標血清濃度為1.0~1.85 mmol/L或1.25~2.5 mmol/L。發(fā)現(xiàn)與安慰劑組比較，大劑量硫酸鎂組無明顯的早期療效，而低劑量硫酸鎂組顯著差于安慰劑組，且大劑量硫酸鎂組有較高的死亡率。表明硫酸鎂對中、重型TBI病人無神經保護作用，甚至可能有不良反應[22]。

　　綜上所述，大量的動物實驗表明，鎂離子能夠通過多種機制減輕繼發(fā)性腦損傷，達到腦保護作用。但是關于鎂劑的臨床研究分歧較大，可能是研究方法學尚存在問題[23]。例如：(1)顱腦損傷動物模型與臨床顱腦損傷病人之間的差異;(2)顱腦損傷病人之間的傷情、年齡、合并傷病理類型和個體健康狀況的差異;(3)藥物在腦內的有效濃度;(4)藥物在顱腦損傷后的有效治療窗;(5)臨床多中心之間治療方案與醫(yī)護水平之間的差異;(6)臨床樣本是否足夠，統(tǒng)計學方法是否合理，這些因素都可能是導致鎂劑治療顱腦損傷臨床研究無效的原因。另外，重型顱腦損傷病人的腦神經元損傷難以修復、再生或無法再生，極大地增加了重型顱腦損傷治療的難度。因此，還需要開展更多的規(guī)范化的多中心隨機雙盲前瞻性對照研究來確定鎂劑的臨床療效。

　　【參考文獻】

　　1 Vink R，McIntosh TK，Demediuk P，et al.Decline in intracellular free Mg2+is associated with irreversible tissue injury after brain trauma.J Biol Chem，1988，263(2):757 - 761.

　　2 馮東福，朱志安，張紅，等.硫酸鎂對大鼠腦損傷后線粒體的影響.上海醫(yī)學，2000，23(7):408-410.

　　3 Tymianski M，Tator CH.Normal and abnormal calcium homeostasis in neuron:a basis for the pathophysiology of traumatic and ischemic CNS injury.Neurosurgery，1996，38(6):1176-1195.

　　4 Hallak M，Hotra JW，Custodio D，et al.Magnesium prevents seizure-induced reduction in excitatory amino acid receptor (kainate and alpha-amnio-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4- propionic acid) binding in pregnant rat brain.Am J Obster Gynecol，2000，183(4):793-798.

　　5 石全紅，支興剛，唐文淵，等.硫酸鎂對大鼠創(chuàng)傷性腦損傷興奮性氨基酸的影響.重慶醫(yī)科大學學報，2003，28(6):732-734.

　　6 Altura BM，Gebrewold A，Zhang A，et al.Low extracellular magnesium ions induce lipid peroxidation and activation of nuclear factor-kappa B in canine cerebral vaseular smooth musele:possible relation to traumatic brain injury and strokes.Neurosci Lett，2003，341(3): 189-192.

　　7 Ustun ME，Gurbilek M，Vatansev H，et al.Effect of magnesium sulfate on tissue lactate and malondialdehyde levels in experimental head trauma.Intensive Care Med，2001，27(1):264-268.

　　8 Bergh WM，Zuur JK，Kamerling NA，et al.Role of magnesium in the reduction of ischemic depolarization and lesion volume after experimental subarachnoid hemorrhage.J Neurosurg，2002，97(2):416-422.

　　9 Teragawa H，Matsuura H，Chayama K，et al.Mechanisms responsible for vasodilation upon magnesium infusion in vivo:clinical evidence.Magnes Res，2002，15(3-4): 241 - 246.

　　10 Yang XM，Zhu JG，Tong ZC.Interventional effect of magnesium sulfate on nitric oxide synthase activity after acute craniocerebral injury.Neural Reg Res，2007，2(4):251-253.

　　11 張迅，李拴德，毛小林，等.硫酸鎂對大鼠急性顱腦損傷后白介素-1β表達的影響.中華急診醫(yī)學雜志，2001，10(2):82-84.

　　12 Türkyilmaz C，Türkyilmaz Z，Atalay Y，et al.Magnesium pretreatment reduces neuronal apoptosis in newborn rats in hypoxia-ischemia.Brain Res，2002，955(1-2): 133-137.

　　13 Vink R，Cernak I.Regulation of intracellular free magnesium in central nervous system injury.Front Biosci，2000，5(7):656-661.

　　14 Sakamoto T.Ionized magnesium in cerebrospinal fluid patients with head injuries.J Trauma，2005，58(6):1103-1109.

　　15 Kahraman S，Ozgurta ST，Kayali H，et al.Monitoring of Serum ionized magnesium in neurosurgical intensive care unit:preliminary results.Clin Chim Acta，2003，334(1-2):211-215.

　　16 Vink R，O’Connor CA，Nimmo AJ，et al.Magnesium attenuates persistent functional deficits following diffuse traumatic brain injury in rats.Neurosci Lett，2003，336(1):41-44.

　　17 張賽，李建偉，只達石，等.外源性鎂離子治療對重型顱腦創(chuàng)傷患者的治療作用.中華神經外科雜志，2006，22(2):78.

　　18 Hoane MR，Knotts AA，Akstulewiez SL，et al.The behavioral effects of magnesium therapy on recovery of function following bilateral anterior medial cortex lesions in the rat.Brain Res Bull，2003，60(1-2):105-114.

　　19 李玉，趙甲山，朱賢立，等.彌漫性顱腦損傷后腦水腫與血清鎂離子變化及意義.中國臨床神經外科雜志，2005，10(3):204-206.

　　20 Turkoglu OF，Eroglu H，Okutan O，et al.A comparative study of treatment for brain edema: Magnesium sulphate versus dexamethasone sodium phosphate.J Clin Neurosci，2008，15(1): 60-65.

　　21 Zhao L，Lin XH，Boyce C.The effects of combined mild hypothermia and high dose of magnesium sulfate in the treatment of diffuse axonal injury.Chin J Emerg Med，2005，14(2):93-97.

　　22 Temkin NR，Anderson GD，Winn HR，et al.Magnesium sulfate for neuroprotection after traumatic brain injury: a randomised controlled trial.The Lancet Neurology，2007，6(1):29-38.

　　23 江基堯.藥物治療顱腦損傷多中心臨床研究現(xiàn)狀與展望.中國臨床神經外科雜志，2003，8(1):25-26.