第二节　脑细胞代谢与离子平衡

脑代谢紊乱是脑损伤加重过程中的一个重要现象。

一、细胞代谢与离子梯度

1.脑细胞代谢

即脑细胞对ATP的消耗以及再利用代谢产物和ADP重新合成ATP的过程。正常情况下,细胞代谢所需能量由ATP供给。细胞内由ADP接受一个高能磷酸键而生成ATP,所以ADP的供给限制着细胞呼吸。生理状态时,细胞内ATP为3mmol,ADP水平则低于1mmol。细胞能量代谢过程中产生的重要物质磷酸肌酸,易水解生成游离磷酸根和肌酐,游离磷酸根是ADP生成ATP过程中的必需分子。当ATP生成增加时,细胞内的游离磷酸根减少,而肌酐增多;反之当ATP耗尽时,游离磷酸根增多而肌酐减少。因此用细胞内的肌酐与游离磷酸根比值(PCr/Pi)来表示细胞能量代谢,它因ATP的消耗而降低。当原发性脑外伤合并缺血或缺氧等继发性损伤时细胞内的PCr/Pi有明显的变化。ATP的能量储藏是可水解的高能磷酸键形式。正常时葡萄糖是生成ATP的唯一物质原料,途径有两条:主要是在线粒体内葡萄糖有氧条件下进行三羟酸循环,1个分子的葡萄糖可产生36个分子ATP;其次是在缺氧时,细胞质中进行糖的无氧分解(葡萄糖的无氧酵解),1个分子的葡萄糖生成2分子丙酮酸和2分子的ATP。葡萄糖经三羟酸循环后的还原当量(即H和E),经电子链与氧结合生成水,释放出大量能量,以高能磷酸键的形式储存于ATP中。线粒体中的电子传递链是由一系列的氧化还原体系组成,其最后也是最重要的一步是在细胞色素氧化酶的催化下,还原当量与氧结合,细胞色素氧化酶与氧分子有极高的亲和力。正常状态时,脑组织中95%的能量为有氧代谢产生,脑外伤后出现缺血缺氧,细胞的氧化磷酸化过程受阻,ATP生成减少,影响细胞的能量代谢。能量消耗的分布是:50%用于神经信息的传递、神经递质的产生释放与摄取(突触活动);25%用于跨膜离子梯度的维持和恢复;25%用于分子运输、生物合成及其他过程。在脑组织中,绝大多数的能量被神经元所消耗,而占组织量50%的胶质细胞仅仅消耗10%左右的能量。脑损伤时,由于细胞能量的不足,可引起细胞内外离子梯度的改变及细胞内酸中毒。

2.离子通道

细胞膜的离子通道分为主动性和被动性两类。

(1)主动运输性:

又分原发和继发两种:①原发主动性是指直接利用ATP的水解能量,如钠-钾泵,利用1分子ATP的水解,将2个钾离子泵入细胞内,3个钠离子泵出;②继发主动性是指利用原发主动运输造成的离子梯度(主要是钠离子梯度)动力,进行细胞内外的物质运输。如一些神经递质(兴奋性氨基酸)利用细胞内外钠离子梯度进入细胞内。

(2)被动运输性:

是指依赖离子梯度或细胞膜电位的运输方式。细胞膜电位主要由钾离子的被动外流产生。正常静息电位一般为-90mv,是由于静息状态时,细胞膜的钾离子通道开放引起钾的外流,达到平衡状态所致。在细胞膜上有许多电压依赖性通道,如钙离子通道。颅脑外伤后缺血缺氧,细胞内ATP产生不足,造成钠-钾泵失活,细胞内外的钠钾交换受阻,造成细胞膜去极化,引起电压依赖性的钙离子通道开放,大量钙离子内流,导致细胞内毒性介质释放;细胞内钙离子聚积,又激活钙依赖的磷酸酯酶和蛋白水解酶,引发神经细胞变性坏死。细胞内大量钠离子的滞留,使钠-氢交换、钠-钙交换受阻,致细胞内水分积存,细胞内钙离子浓度升高和细胞内酸中毒,而这些损害又加重细胞的代谢障碍、细胞缺血缺氧,导致神经细胞出现不可逆性病理生理改变。

二、酸中毒

通常情况下,比较严重的颅脑损伤可发生代谢性酸中毒或呼吸性酸中毒。

1.代谢性酸中毒

颅脑损伤时主要发生乳酸酸中毒,即H+产生过多型,是脑外伤后细胞缺血、缺氧的主要表现。由于缺血缺氧使细胞内糖原发生无氧酵解,产生大量乳酸,引起代谢性酸中毒。当乳酸酸中毒时,经缓冲作用而使浓度降低,AG增大,但血氯正常。酸中毒使磷酸果糖激酶活性受到抑制,进而产生ATP的供给降低,致使细胞能量不足。另外,酸中毒使氨基酸的离子状态发生变化,引起蛋白质功能的改变,最终导致细胞的变性坏死。

(1)严重代谢性酸中毒时可引起心律失常、心肌收缩力减弱及心血管系统对儿茶酚胺的反应性降低。代谢性酸中毒所引起的心律失常与血K+升高有密切相关。严重高K+血症时可引起心脏传导阻滞、心室纤颤甚至心脏停搏。血K+升高的机制:①代谢性酸中毒时,由于酸中毒影响H+-K+离子交换,可造成细胞内K+外溢;②肾小管上皮细胞排H+增多、排K+减少。Ca2+是心肌兴奋-收缩偶联因子。在严重酸中毒时,由于H+与Ca2+竞争,使心肌收缩力减弱。心血管系统对儿茶酚胺敏感性降低:H+浓度增加能降低阻力血管(微动脉、小动脉和毛细血管前括约肌)对儿茶酚胺的反应性,引起血管扩张;可使血压下降,甚至发生休克。

(2)代谢性酸中毒时,中枢神经系统功能障碍加重,可见肌肉软弱无力、感觉迟钝等抑制效应,可导致意识障碍加深、昏迷等,最后可因呼吸中枢和血管运动中枢麻痹而死亡。其发生机制可能与酸中毒时,谷氨酸脱羧酶活性增强,抑制性神经递质γ-氨基丁酸生成增多;以及酸中毒影响氧化磷酸化导致ATP减少,脑组织能量供应不足有关。

2.呼吸性酸中毒

是以体内CO2潴留、血浆中H2CO3浓度原发性增高为特征的酸碱平衡紊乱。严重TBI后几个小时可以独立引起过度换气而使脑血流量减少。在严重TBI发生的第一天,脑血流减少至正常人的一半。因此,在外伤性脑损伤患者中监测动脉二氧化碳分压(PaCO2)目的是减少低碳酸血症引起的脑缺血的可能。病因系肺泡通气功能障碍。常见于呼吸中枢抑制、呼吸道梗阻(如喉痉挛、支气管痉挛、呼吸道误吸等。发病机制:①呼吸中枢抑制:颅脑外伤时,呼吸中枢活动可受抑制,使通气减少而CO2蓄积。此外,一些药物如麻醉剂、镇静剂(吗啡、巴比妥钠等)均有抑制呼吸的作用,剂量过大亦可引起通气不足;②气道阻塞:常见的有异物阻塞、喉头水肿和呕吐物的吸入,这些严重妨碍肺泡通气。呼吸性酸中毒对机体的影响主要表现有:焦躁不安,可有精神错乱、震颤、昏迷等。其机制为:高浓度的CO2可直接引起脑血管扩张、脑血流量增加,造成颅内压增高、脑水肿等;CO2是脂溶性的,能迅速通过血-脑屏障,而为水溶性的,通过血-脑屏障极为缓慢,因而高浓度的CO2可使脑脊液的p H值明显降低且持续时间持久;呼吸性酸中毒时,也可造成脑组织ATP供应不足及抑制性递质γ-氨基丁酸增多;高浓度的CO2对中枢神经系统有显著的抑制效应,被称为“CO2麻醉”。与代谢性酸中毒相似,呼吸性酸中毒也可以引起心律失常、心肌收缩力减弱及心血管系统对儿茶酚胺的反应性降低等。

三、水、电解质代谢紊乱

颅脑损伤尤其是重症颅脑损伤患者出现水、电解质代谢紊乱者并不少见。严格地说,由于创伤后的应激反应,腺垂体ACTH分泌量增加,对水盐排泄均会造成一定程度的影响,一般表现为亚临床过程,只有对患者进行尿钠排泄检查时才会发现。少数情况下,重型颅脑损伤患者,可出现明显的水盐代谢紊乱,进一步加重了继发性脑损伤,甚至危及生命。最常见的水盐代谢异常包括以下两种。

1.低钠血症

颅脑损伤时,直接或间接影响下丘脑功能,导致水盐代谢激素的分泌异常。目前关于低钠血症发生的病因有两种理论,即抗利尿激素异常分泌综合征(Syndrome of inappropriate antidiuretic hormone,SIADH)和脑性耗盐综合征(Cerebral salt wasting,CSW)。SIADH理论是1957年由Bartter等提出的,该理论认为,低钠血症产生的原因是由于各种创伤性刺激作用于下丘脑,引起抗利尿激素分泌过多,肾脏远曲小管和集合管重吸收水分的作用增强,体液潴留,血钠被稀释所致。但20世纪70年代末以来,越来越多的学者发现,发生低钠血症时,患者多伴有尿量增多和尿钠排泄量增多,而血中抗利尿激素(ADH)并无明显增加。这使得脑性耗盐综合征的概念逐渐被接受。该理论认为,手术和创伤刺激影响了神经和体液调节,通过某种激素或神经传导作用于肾脏,导致肾脏排泄水钠增多,这样可以很好地解释一些临床现象,如低钠血症时伴有尿量增多,钠排泄量增多,循环血容量降低等。究竟是何种机制影响着肾脏功能,仍待明确。临床表现为,与脑部损伤程度不符的意识障碍,清醒患者出现神情淡漠、厌食、恶心、呕吐,血钠严重降低时可以出现癫痫,木僵和昏迷,甚至危及生命。治疗以对症补充氯化钠和盐皮质激素为主,伴有尿崩者,可予垂体后叶素治疗或者弥凝片(醋酸去氨加压素片,Desmopressin)。如患者表现为高血容量的SIADH,则应限制患者水的摄入量。

2.高钠血症(hypernatremia)

脑损伤后高钠血症少见,远较低钠血症少。分为高血容量性高钠和低血容量性高钠两类。前者一般因补液时输入较多高渗液体,如甘露醇,而患者又处于昏迷状态,不能对血液的高渗作出反应(不能主动饮水)所致,须定期复查血电解质,以早期发现,调整输液成分即可予以纠正。低血容量性高钠较为多见,主要见于严重脑损伤患者,因患者常处于昏迷状态,水摄入不足,因高热、大量出汗、呼吸急促等使体液丧失较多,导致脱水、血钠升高、血浆渗透压升高,继而神经细胞内脱水,还可伴有广泛的脑血管损伤。典型的临床表现有,烦躁、震颤、肌张力增高及知觉减退,严重时有抽搐、角弓反张、昏迷。如患者已出现血压降低、高热、全身肌张力降低,则已属晚期,预后不良。治疗以补充低渗液为主,补水应多于补钠,但应注意,调整补液速度,以防因过快补入低渗液而发生脑水肿。

（刘隆熙　裘孝忠）