關於中風的小常識

中風有兩種：出血性(hemorrhagic)和缺血性(ischemic)

大部分(~80%)的中風都是 ischemic，這種中風是因為血管阻塞，導致血液無法進入腦部造成的，大腦是用電量最多的器官，就是要耗掉最多養分和能量的器官，養分和氧氣是靠血液運送到大腦的，所以只要缺血幾秒鐘就可以死掉很多腦細胞(1.9 million brain cells/minute)。阻塞血管的東西就是血塊(clot)，血塊的來源有兩種，一種是腦內血管裡自己堆積的血塊，這種造成的 ischemia 叫做 thrombosis。如果血塊是在其他地方堆積出來的，隨著血液流啊流的，流到靠近腦部的動脈時卡住了，結果把動脈堵住使得血液無法進入腦部，這種造成的 ischemia 叫做 embolism。目前中風的急救方式是用 tPA (thrombolytic agent tissue plasminogen activator) 來溶解血栓，中風後的四個小時內是急救黃金時間，中風後一小時內治療可救到的腦細胞有 70%，兩小時內 40%，三小時只能救到 20%，但很常發生的情況是中風發生後，有人發現、到送到醫院，確定是哪種中風(出血或是缺血)的這段時間已經超過四個小時了。

如果把腦部切開來看，缺血最多的地方就是中風的中心，叫 ischemic core，會看到那區變成白白的(見下圖)，叫 infarct area (infarction)，這區的細胞死亡是不可挽回的。中心的周邊區域叫 penumbra，或是 peri-infarct zone，這區的血流量也不足，但如果及時讓血液回流可以讓細胞不再繼續死亡，目前研究的治療方式主要是針對這區，希望能在 penumbra 的細胞死亡之前讓其恢復功能。

Ischemic stroke 又分兩種，一種是暫時性的 transient ischemic stroke (TIA, transient ischemic attack)，又叫小中風(mini-stroke)，這種大概只有幾分鐘，通常一小時內血管就會恢復流通，血液會再次進入到腦中(reperfusion)，所以很少會死到腦細胞造成 infarction。雖然是暫時性的，但是通常發生後會再發生，再次發生就會變成是嚴重的中風，也就是另外一種：acute ischemic stroke，所以不要輕忽 TIA。

Acute ischemic stroke 則是永久性的，會造成白白的 infarct area，出現的症狀不像 TIA 通常會在一個小時後消失，會造成之後身體行動上的不便，需要靠復健來恢復，因為已經傷到腦部了，所以也可能會在認知能力上或記憶力上造成影響。


Figure / 圖片中的 MCAO (middle cerebral artery occlusion)是研究上常用的 stroke model，用手術造成大腦中動脈堵塞，使老鼠產生中風的現象。白色的 infarct area 在右腦，會出現左半邊身體痲痹的情形，可以用來確認 MCAO 手術是否成功。(A Popp et al, PLOS ONE 2009)

圖中左邊是指 occlusion 的時間，分別是半小時和兩小時，上面則是 reperfusion 的時間。舉例來說，左上角那個腦是 occlusion 半小時後 reperfusion 兩小時，也就是用手術線堵住動脈血管半小時後，把手術線抽出讓血液回流兩個小時。我們通常是做一個小時的 occlusion，再取不同的 reperfusion 時間點。一個小時的 occlusion，之後三個小時的 reperfusion，可以看到老鼠有半邊身體不協調，切開腦部看，有時已可看到一點 infarction，通常在 24 小時後看的話就會看到明顯的 infarction。

如果想看 MCAO 手術是怎麼做的，可以看這個影片：Mouse Model of Middle Cerebral Artery Occlusion


中風後細胞內發生什麼事？

血管阻塞造成缺氧缺血的情況發生後的初期，除了細胞能源 ATP 不足，啟動無氧醣解反應(anaerobic glycolysis )，使得酸鹼值降到 pH 6.4-6.7，導致細胞酸化(acidosis)外，細胞也會釋放出大量的穀胺酸(glutamate)。穀氨酸是神經傳導物質，過量的穀氨酸會啟動神經細胞接受器 NMDARs 和 AMPARs，造成大量鈣離子流入細胞內，粒線體和 ER 裡儲存的鈣離子也會被釋放出來，使得細胞內鈣離子濃度過高，活化細胞內的一些酵素(Ca2+-dependent enzymes)，例如 neuronal NOS (NO synthase)，生產 NO 和 superoxide (H2O2)，引發了下游的死亡訊號(cell death signalling)，這種因為穀氨酸刺激造成的死亡稱為 excitotoxicity。除了鈣離子濃度上升會活化很多酵素，啟動下游訊號外，細胞的酸化反應會活化一個酸性感應蛋白 ASIC1a (acid-sensing ion channels)，ASIC1a 活化後會使更多鈣離子流進細胞內，使整個情況更惡化。除此之外，粒線體吸收細胞內鈣離子讓濃度達成平衡，但也使粒線體本身因此製造 ROS，造成 mitochondrial depolarization，引發細胞死亡。


其實還有很多是目前還不清楚的，上面就先簡單介紹到這邊吧。

關於穀氨酸和 excitotoxicity 可以看這篇：關於 glutamate 的小知識

關於 glutamate 的小知識

有學過生物的應該都知道二十種氨基酸裡有一個是 glutamate，中文叫做穀氨酸。其實穀氨酸除了是(非必需)氨基酸的一種外，它還是大腦裡最多的神經傳導物質(neurotransmitter)，它在腦內的神經接受器是 NMDA receptors (NMDARs)，當它和 NMDARs 接合後會使其打開，讓鈣離子(Ca2+)進入細胞內。穀氨酸在正常的生理狀態下是無害的，但是過多的時候會造成大量鈣離子進入細胞內，鈣離子會啟動不同的訊息傳遞，造成細胞死亡。因為過多穀氨酸打開 NMDARs，造成大量鈣離子進入細胞內而導致的神經細胞死亡，叫做 excitotoxicity。

在穀氨酸刺激造成細胞死亡的過程裡，鈣離子扮演著重要的角色。給予神經細胞穀氨酸後，會先造成細胞漲大(neuronal swelling)，24 小時後細胞才死亡的情況，稱為 delayed cell death。在沒有大量穀氨酸的情況下，高濃度的鉀離子(K+)同樣會造成 neuronal swelling。如果把鈉離子(Na+)拿掉，那在穀氨酸刺激後不會產生 neuronal swelling，但是 24 小時後細胞仍會死亡。若是拿掉鈣離子(Ca2+)，穀氨酸刺激雖然會加劇 neuronal swelling 的情況，但是會阻止 24 小時候 delayed cell death 的發生，而因為刺激引起細胞狀態上的改變，例如 neuronal swelling 會隨著時間漸漸復原。

什麼樣的狀況下會造成 excitotoxicity 呢？當腦部受創時，例如外傷性腦損傷(traumatic brain injury, TBI)和中風，就會出現 excitotoxicity 的情形。中風時，在缺氧缺血的情況下，腦內的神經細胞會釋放出大量的穀氨酸，同時也會使得負責輸送細胞內外離子的蛋白質失調，造成細胞內外正負離子不平衡、細胞膜去極化(depolarization)。在穀氨酸啟動 NMDARs 和細胞膜去極化的情況下，大量的鈣離子會通過 NMDARs 進入細胞內，引發細胞的死亡反應。目前研究治療中風的其中一個方向，即是抑制 NMDARs。


Figure / JW Olney, Annu Rev Pharm Toxicol 1990 (doi: 10.1146/annurev.pa.30.040190.000403)

穀氨酸是怎麼被發現是 neurotoxic，會造成神經細胞死亡的呢？L-glutamic acid 和其鈉鹽(monosodium glutamate (MSG), 穀氨酸鈉)本來是用來治療癲癇的小發作(petit mal)和心理疾病，後來在 1957 年的時候，D.R. Lucas 和 J.P. Newhouse 發現餵食幼鼠穀氨酸鈉會使牠的視網膜神經細胞死亡，成年老鼠長期每天食用 40mg (1.0-1.5mg/g) 的量則無影響 [1]。之後華盛頓大學的 J.W. Olney 發現穀氨酸不只會使幼鼠的視網膜細胞死亡，也會使大腦其他部位的神經細胞死亡，例如腦下視丘(hypothalamus)，而成年老鼠在被施打高劑量(5-7mg/g)穀氨酸鈉的情況下也會出現神經細胞死亡的狀況 [2]。除了穀氨酸(和 glutamic acid)外，其他會刺激神經細胞的氨基酸也有同樣的影響，例如 L-aspartate, L-cysteine [3, 4]。另外，高量的穀氨酸鈉也會造成內分泌失調，在出生後一到十天每天的被施打穀氨酸鈉的幼鼠，在一個月到五個月大的期間明顯比正常老鼠肥胖 [2]。

其實呢，大家可能已經知道了，穀氨酸鈉就是味精，這些研究也因此引起了幼兒食品中若含有 MSG 是否會影響幼兒腦部發展的疑慮。不過呢，對成年人來說應該並沒有什麼影響，除非你吃很多。是說有些人還是對味精比較敏感的，所以才會有 Chinese Restaurant Syndrome，就是指去中國餐館吃了以後出現的不適症狀，因為中國餐館的菜都加了很多味精調味。



References

1. DR Lucas & JP Newhouse, The Toxic Effect of Sodium L-Glutamate on the Inner Layers of the Retina. AMA Arch Ophtalmol (1957)

2. JW Olney, Brain Lesions, Obesity, and Other Disturbances in Mice Treated with Monosodium Glutamate. Science (1969)

3. JW Olney and O Ho, Brain Damage in Infant Mice following Oral Intake of Glutamate, Aspartate or Cysteine. Nature (1970)

4. JW Olney et al, Cytotoxic Effects of Acidic and Sulphur Containing Amino Acids on the Infant Mouse Central Nervous System. Exp Brain Res (1971)