脑出血过程中占位效应的力学模拟及神经损伤作用研究

发布时间：2020-04-07 17:45

【摘要】：脑出血(Intracerebral hemorrhage,ICH)具有极高的致死率和致残率,其发生发展引起了国内外学者的广泛关注。ICH的发生发展受到占位效应、血液成分、血红蛋白降解产物、炎症反应以及遗传等不同因素的影响。目前临床及基础研究主要集中于血液成分、血红蛋白降解产物和炎症反应所导致的脑组织损伤机制以及相应的干预策略。而占位效应同样对ICH的发生发展具有重要影响,其不仅影响脑组织的物理结构甚至导致脑疝,而且与ICH后的死亡率以及预后水平具有十分紧密的联系。然而,关于占位效应在脑组织损伤中的作用以及相关途径并不清楚。因此,深入探究ICH过程中占位效应的影响,可以更加全面地阐释ICH的病理过程以及进行早期干预和治疗。本文基于生物力学的研究方法,根据血肿以及水肿产生的占位效应对周围脑组织发挥梯度静水压的作用,设计体外可控的静水压加载细胞模型和体内ICH占位效应动物模型。探究不同大小静水压对细胞或者不同占位体积对脑组织的影响,以及寻找力学传导过程中的关键蛋白;同时考察静水压与血红蛋白的共同作用,为ICH过程中血肿及水肿产生的占位效应诱导的静水压对其周围脑组织的影响提供理论与实验基础。进一步通过药物对力学通道蛋白进行抑制,考察体外模型中药物对静水压作用下神经元细胞的影响;同时为了脑内药物递送设计新型鼻吸入制剂,评价其释放的药物对力学通道蛋白表达以及占位效应周围脑组织的影响,为ICH后神经损伤的干预提供新策略。本文主要的研究内容和结果:通过构建体外可控的静水压细胞加载装置,研究不同静水压对原代神经元细胞的影响。依据临床上ICH过程中血肿和水肿产生占位体积的大小以及前期有限元分析模拟计算,得出模型中对原代神经元细胞加载kPa级别的静水压。随着静水压的升高(20、30和40 kPa),力学损伤作用逐渐增强。尤其40 kPa静水压作用下,原代神经元细胞活性明显降低,细胞中乳酸脱氢酶释放增加,细胞形态受到损伤,并且细胞凋亡显著增加(*p0.05)。此外,静水压(40 kPa)与血红蛋白共同作用下,细胞活性和凋亡等与单纯静水压相比具有显著差异(*p0.05)。实验结果表明,静水压可以导致原代神经元细胞的损伤,也进一步说明ICH过程中占位效应导致的静水压升高对其周围神经细胞具有影响。通过向SD大鼠基底核区注射琼脂糖凝胶构建ICH占位效应动物模型,研究占位效应对其周围脑组织的影响,并探讨其与血红蛋白之间的相互作用。首先,通过核磁共振成像以及脑冠状面病理组织切片表明,构建的ICH动物模型中所产生的占位体积大小与注射的琼脂糖凝胶的体积大小(25μL、50μL和100μL琼脂糖凝胶)之间具有体积依赖性;同时,模型构建过程中引发的出血极显著低于自体血注射构建的ICH模型(**p0.01)。因此,构建的ICH占位效应动物模型更适用于研究单纯的占位效应产生的静水压对脑组织的损伤作用,极大程度地避免血红蛋白在其中的影响。其次,实验结果表明静水压可以损伤占位效应周围脑组织的正常结构,增加脑水肿,促进脑组织凋亡。同时,随着凝胶体积的增加,损伤作用更加明显;并且占位效应导致的静水压可以进一步加重血红蛋白本身对脑组织的毒性作用。因此,实验结果预示了ICH急性期内血肿及水肿产生的占位效应已经开始对其周围脑组织产生影响;同时随着占位体积的增大,其诱发的静水压所导致的力学损伤作用逐渐增强;并且约4小时后的继发性脑损伤阶段,静水压可加重血红蛋白对脑组织的损伤作用。以上结果为ICH过程中血肿及水肿产生的占位效应诱导的静水压对其周围脑组织的影响提供了实验基础。通过构建的体内外模型,寻找ICH后参与静水压损伤作用的力学通道蛋白。实验发现,静水压(40 kPa)可以促进力学通道蛋白Piezo-2的表达,而血红蛋白对其表达无影响,但二者共同作用下可以进一步促进Piezo-2蛋白的表达(*p0.05)。显示静水压与血红蛋白之间具有协同效应,在ICH过程中可以共同损伤血肿周围的脑组织。体内实验中Piezo-2蛋白表达随着占位体积的增大而逐渐增加;静水压与血红蛋白共同促进Piezo-2蛋白的表达。此外,体外实验中发现,盐酸尼卡地平(Nicardipine hydrochloride,NCD)以及Piezo-2蛋白抑制剂GsMTx-4均可以降低静水压作用下Piezo-2蛋白表达的升高,抑制钙离子通道,且降低Piezo-2介导的静水压对原代神经元细胞的损伤,显著升高细胞活性,保持结构正常以及降低凋亡等(*p0.05)。完善了ICH过程中静水压导致神经损伤的作用途径。为了在ICH发生早期及时干预占位效应引起的神经损伤,结合鼻吸入剂型脑内快速递送药物的特点,构建了载NCD的电荷驱动型鼻吸入原位凝胶用于拮抗Piezo-2蛋白表达及其参与的静水压损伤作用。NCD被包埋在正电荷的壳聚糖纳米粒内,再装载至表面具有正电荷涂层的原位凝胶中,通过电荷驱动作用使壳聚糖纳米粒快速定向地运动至鼻粘膜,从而提高了纳米粒的鼻粘膜吸收率和药物的生物利用度。与对照组相比,靠近粘膜层的纳米粒数量从总数的10%提高到了约30%。体外及体内药物释放实验,表明电荷驱动作用可以促进药物快速释放且靶向进入脑组织中,提高其相对生物利用度(提高了约70%)。释放出的NCD可以抑制ICH模型中Piezo-2蛋白的表达,从而阻断其参与的力学效应;降低血肿和水肿等占位体积,改善静水压导致的神经损伤;维持血肿周围脑组织的正常结构,降低神经组织的凋亡。因此,新型鼻吸入制剂递送NCD可有效地抑制Piezo-2表达而拮抗其参与的静水压力学损伤过程,为ICH后神经损伤的干预提供了新策略。
【图文】：

血肿,位置,脑卒中,出血性脑卒中

(Disability-adjusted life-years, DALYs)以及治疗费用都在不断地球就有 1 690 万例脑卒中发生，最终导致 590 万例死亡和 10使其成为继缺血性心脏病后第二高死亡率和第三高 DALYs 的疾国家的中国，统计分析表明脑卒中（约 170 万例）为死亡率最高troke)包括出血性脑卒中和缺血性脑卒中。自 1990-2010 年之间性脑卒中的增长率为 37%，而出血性脑卒中则达到 47%；特别后者的增长率达到了 22%，而发达国家却只有 8%[3]。出血性脑膜下腔出血(Subarachnoid hemorrhage, SAH)以及脑出血(Ige, ICH)[3]。随着动脉瘤显微夹闭和介入治疗等技术的应用和发果已有显著提高。然而，ICH 并没有被广泛认可且有效的治疗能损伤或者改善预后[4]，具有极高的致死率和致残率[5]。尤其我是排在世界的首位，为我国带来了极大的经济和社会负担[6]。因卒中，尤其是 ICH，，深入探究疾病的发生发展规律，寻找干预我国刻不容缓。

时间曲线,发生发展,持续增长,生化信号

图 1.2 ICH 发生发展过程中力学刺激的变化。ICH 的时间曲线分为原发性和继发性脑损伤的时间曲线，并且指出力学刺激与生化信号之间的关系。T1 指 ICH 发生时，血管破裂且其中的血液以极大的剪切力进入脑组织（A）。然后，力学刺激变为静水压以及拉伸力或者压缩力。T1-T2指 ICH 后 4 小时内血肿体积急剧增长的过程（B）。T2 指红细胞破裂和脑水肿产生的时刻（C）。血肿体积在ICH后24小时之内持续增长（T3），而水肿体积在ICH后前几天之内持续增长（T4）[7]Fig. 1.2 Value of mechanical stimuli on the neural network in the onset and development of ICH.The time course of ICH illustrates the primary and secondary injuries, and also shows the causalitybetween the mechanical and biochemical effects. T1 is the beginning of ICH in which the bloodvessel bursts and blood infiltrates into the brain tissues with a dramatic value of shear force (A).Next, the hydrostatic pressure and tensile or compressive force become the principal mechanicaleffects. T1-T2 is the drastic growth of hematoma in the first 4 h of ICH approximately (B). In T2,erythrocytes lyse and edema occur (C). The growth of hematoma can last up to the first 24 h fromthe onset (T3), and edema can last up to the next several days (T4)
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R743.34

【参考文献】