Udar mózgu
Patofizjologia i mechanizm
Udar mózgu to nagłe zaburzenie neurologiczne wynikające z zaburzeń perfuzji naczyń mózgowych, prowadzące do uszkodzenia tkanki nerwowej. Wyróżnia się udary niedokrwienne (80-85% przypadków) i krwotoczne (10-15%). Udar niedokrwienny dzieli się na podtypy: zakrzepowy, zatorowy, lakunarny oraz niedokrwienie systemowe. Patofizjologia obejmuje rdzeń niedokrwienny z przepływem <10 ml/100 g/min, gdzie dochodzi do szybkiej śmierci komórek, oraz penumbrę z przepływem około 25 ml/100 g/min, potencjalnie możliwą do uratowania. Kaskada niedokrwienna obejmuje niedobór ATP, depolaryzację komórek, obrzęk cytotoksyczny, nadmierną aktywację receptorów NMDA, stres oksydacyjny i neuroinflammację, które prowadzą do apoptozy i nekrozy neuronów oraz uszkodzenia bariery krew-mózg. Czynniki ryzyka, takie jak nadciśnienie, cukrzyca i miażdżyca, wpływają na strukturę naczyń i autoregulację przepływu mózgowego, zwiększając podatność na udar.
- Patogeneza udaru mózgu – wprowadzenie
- Mechanizmy udaru niedokrwiennego
- Mechanizmy udaru krwotocznego
- Obszary uszkodzenia w udarze mózgu
- Kaskada niedokrwienna
- Niedobór energii i zaburzenie homeostazy jonowej
- Ekscytotoksyczność i przeciążenie wapniem
- Stres oksydacyjny
- Stan zapalny
- Apoptoza i śmierć komórek
- Dysfunkcja naczyń i bariery krew-mózg
- Mechanizmy udaru kryptogennego
- Rola chorób współistniejących i czynników ryzyka
- Mechanizmy molekularne i komórkowe
- Mechanizmy naprawcze i neuroprotekcja
- Neuroplastyczność
- Potencjalne nowe strategie terapeutyczne
- Wnioski
Patogeneza udaru mózgu – wprowadzenie
Udar mózgu to nagłe zaburzenie neurologiczne spowodowane zaburzeniami perfuzji naczyń krwionośnych w mózgu. Jest jedną z głównych przyczyn śmierci i niepełnosprawności na świecie, z rosnącą tendencją do występowania u osób młodszych. Proces patofizjologiczny udaru obejmuje złożony ciąg zdarzeń, które prowadzą do uszkodzenia komórek mózgowych i tkanki mózgowej. Udar charakteryzuje się przerwaniem dopływu krwi do określonego obszaru mózgu, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia komórek i śmierci komórkowej.12
Udary można sklasyfikować jako niedokrwienne lub krwotoczne. Udary niedokrwienne stanowią około 80-85% przypadków i występują, gdy przepływ krwi do mózgu jest blokowany lub ograniczany, uniemożliwiając dostarczanie tlenu i składników odżywczych do tkanki mózgowej. Natomiast udary krwotoczne, stanowiące około 10-15% wszystkich udarów, są spowodowane krwawieniem lub wyciekiem z naczyń krwionośnych, co prowadzi do wzrostu ciśnienia wewnątrzczaszkowego i dodatkowego uszkodzenia tkanki mózgowej.123
Mechanizmy udaru niedokrwiennego
Udary niedokrwienne są najczęstszym typem udaru i mogą być podzielone na kilka podtypów w zależności od mechanizmu ich powstania:12
Udar zakrzepowy
W udarze zakrzepowym, zakrzep lub skrzeplina stopniowo tworzy się w tętnicy, ostatecznie zatykając ją i zaburzając przepływ krwi do tkanki znajdującej się za zakrzepem. Proces ten jest często związany z miażdżycą tętnic, gdzie złogi tłuszczowe (blaszki miażdżycowe) gromadzą się w ścianach naczyń krwionośnych, zwężając ich światło.12
Do powstawania zakrzepów predysponują trzy główne czynniki, zwane triadą Virchowa:1
- Uszkodzenie śródbłonka
- Zastój lub turbulentny przepływ krwi
- Nadkrzepliwość
Udar zatorowy
W udarze zatorowym, materiał zatorowy (zator) przemieszcza się z odległej lokalizacji i blokuje naczynie krwionośne w mózgu. Zatorem może być fragment skrzepliny, złogi tłuszczowe, pęcherzyki powietrza lub inne materiały. Ponieważ zator przybywa z innej lokalizacji, początek udaru zatorowego jest zwykle szybszy niż w przypadku udaru zakrzepowego.12
Najczęstszym źródłem zatorów są choroby serca, takie jak migotanie przedsionków, które mogą prowadzić do tworzenia się skrzeplin w sercu, które następnie mogą przedostać się do krążenia mózgowego.1
Niedokrwienie systemowe
W niedokrwieniu systemowym przepływ krwi jest zmniejszony do wszystkich obszarów ciała, w tym do mózgu. Może to być spowodowane takimi stanami jak hipotensja (niskie ciśnienie krwi), niewydolność serca lub zatrzymanie krążenia.12
Choroba małych naczyń
Udar lakunarny jest markerem choroby małych naczyń mózgowych i stanowi do 25% udarów niedokrwiennych. Choroba małych naczyń dotyczy najmniejszych tętnic w mózgu i może prowadzić do powstania małych zawałów w głębokich strukturach mózgu. Głównym mechanizmem jest lipohialinoza, definiowana jako koncentryczne zgrubienie hialinowe małych naczyń mózgowych prowadzące do okluzji małych tętnic penetrujących.12
Lipohialinoza jest uważana za efekt związanego z nadciśnieniem przerostu i zwyrodnienia włóknistego ścian naczyń, a także komórek piankowatych podścieliska, które zamykają światło małych tętnic penetrujących, prowadząc do małych zawałów podkorowych.1
Mechanizmy udaru krwotocznego
Udary krwotoczne występują rzadziej, ale mogą być znacznie poważniejsze niż udary niedokrwienne. Wyróżnia się dwa główne typy udarów krwotocznych:1
Krwotok śródmózgowy
Krwotok śródmózgowy (ICH) występuje, gdy naczynie krwionośne w mózgu pęka i krwawi do tkanki mózgowej. Nagromadzona krew zwiększa ciśnienie na komórki mózgowe i uszkadza je.1
Główne przyczyny ICH to nadciśnienie tętnicze, uszkodzona struktura naczyń, nadmierne stosowanie leków przeciwzakrzepowych i środków trombolitycznych.1
Krwotok podpajęczynówkowy
Krwotok podpajęczynówkowy występuje, gdy krew wycieka do przestrzeni wokół mózgu, między wewnętrzną a zewnętrzną warstwą tkanki pokrywającej mózg. Często jest spowodowany pęknięciem tętniaka, czyli osłabionego i wybrzuszonego obszaru ściany naczynia krwionośnego.1
Obszary uszkodzenia w udarze mózgu
W przypadku udaru mózgu można zidentyfikować dwa różne obszary uszkodzenia:1
Rdzeń niedokrwienny
Rdzeń niedokrwienny to obszar, w którym przepływ krwi jest drastycznie zmniejszony do poziomu poniżej 10 ml/100 g tkanki/min. Komórki w tym obszarze umierają w ciągu kilku minut od wystąpienia udaru. W rdzeniu niedokrwiennym przepływ krwi jest gwałtownie ograniczony, a komórki są trwale uszkodzone i szybko obumierają w wyniku nekrozy. Wielkość tego obszaru będzie zależeć głównie od czasu trwania i wielkości niedokrwienia oraz lokalizacji udaru.12
Penumbra
Penumbra, zlokalizowana wokół rdzenia niedokrwiennego, to obszar o zmniejszonej lub marginalnej perfuzji (przepływ krwi mózgowej 25 ml/100 g tkanki/min). Tkanka w penumbrze może pozostać żywotna przez kilka godzin dzięki marginalnemu przepływowi krwi. Ten obszar jest funkcjonalnie osłabiony, ale potencjalnie możliwy do uratowania. Komórki te mogą być powoli włączane do obszaru udaru niedokrwiennego lub uratowane w zależności od wdrożonych interwencji.12
Potencjał do postreperuzyjnego powrotu funkcji w komórkach funkcjonalnie upośledzonych jest determinowany nie tylko przez poziom przepływu resztkowego w fazie niedokrwiennej, ale także przez czas trwania zaburzeń przepływu.1
Kaskada niedokrwienna
Kaskada niedokrwienna to termin odnoszący się do kilku powiązanych i nakładających się mechanizmów patologicznych, które są aktywowane kilka minut po okluzji naczyń krwionośnych. Procesy te obejmują:1
Niedobór energii i zaburzenie homeostazy jonowej
Pierwszym zdarzeniem w kaskadzie niedokrwiennej jest zmniejszenie dopływu tlenu i glukozy, co prowadzi do niepowodzenia w produkcji cząsteczek o wysokiej energii (ATP) niezbędnych do utrzymania homeostazy komórkowej. Bez ATP nie ma energii do utrzymania gradientów jonowych w poprzek błony komórkowej, co prowadzi do depolaryzacji komórek.12
Uszkodzenie komórkowego metabolizmu upośledza również normalne pompy błonowe sodu-potasu, powodując wewnątrzkomórkowy wzrost sodu, co z kolei zwiększa zawartość wody wewnątrzkomórkowej. Ten obrzęk komórkowy, określany jako obrzęk cytotoksyczny, występuje bardzo wcześnie w niedokrwieniu mózgu.1
Ekscytotoksyczność i przeciążenie wapniem
Nadmierna aktywacja receptorów NMDA przyczynia się również do zakłócenia plastyczności neuronalnej, wpływając na starzenie się, pamięć i uczenie się, co prowadzi do pogorszenia funkcji poznawczych związanych z udarem.1
Niedokrwienie mózgu upośledza normalną wymianę białka sodowo-wapniowego, znajdującego się również na błonach komórkowych. Wynikający z tego napływ wapnia prowadzi do uwolnienia wielu neuroprzekaźników, w tym dużych ilości glutaminianu, który z kolei aktywuje receptory NMDA i inne receptory pobudzające na innych neuronach.1
Neurony te ulegają depolaryzacji, powodując dalszy napływ wapnia, dalsze uwalnianie glutaminianu i lokalne wzmocnienie początkowego uszkodzenia niedokrwiennego. Ten masywny napływ wapnia aktywuje również różne enzymy degradacyjne, prowadząc do zniszczenia błony komórkowej i innych istotnych struktur neuronalnych.1
Stres oksydacyjny
Stres oksydacyjny, główny mechanizm w udarze niedokrwiennym, zakłóca równowagę utleniacze-przeciwutleniacze, szczególnie w komórkach mózgowych bogatych w wielonienasycone kwasy tłuszczowe.1
Niedobór krwi i tlenu powoduje produkcję wolnych rodników tlenowych i azotowych, które uszkadzają białka, lipidy i DNA komórkowe. Dodatkowo, znacznie zwiększone stężenie wapnia aktywuje niektóre enzymy zależne od wapnia, takie jak syntaza tlenku azotu (NOS), co prowadzi do uszkodzenia komórek w wyniku tworzenia reaktywnych form tlenu (ROS), takich jak nadtlenoazotyn.1
Stan zapalny
Po udarze niedokrwiennym, uszkodzenie mózgu prowadzi do apoptozy i nekrozy, z których każdy wywołuje odpowiedź zapalną. Ta odpowiedź, nazywana neuroinflammacją, charakteryzuje się udziałem licznych cytotypów, najpierw z aktywacją rezydentnych komórek glejowych, a następnie z infiltracją leukocytów, monocytów i innych komórek immunologicznych w mózgu oraz uwalnianiem czynników zapalnych.1
Intensywna neuroinflammacja podczas ostrej fazy udaru jest związana z przerwaniem bariery krew-mózg (BBB), uszkodzeniem neuronów i złym rokowaniem.1
Apoptoza i śmierć komórek
Śmierć komórek neuronalnych jest ostatecznym determinantem zachorowalności i śmiertelności wywołanej udarem niedokrwiennym, a powodzenie leczenia zależy od zakresu, w jakim jest zapobiegana.1
Po śmierci komórki, czynniki stresowe takie jak obrzęk organelli, zaburzenie błony plazmatycznej i wyciek zawartości komórkowej są odpowiedzialne za uszkodzenie neuronów.1
Dysfunkcja naczyń i bariery krew-mózg
Niedokrwienie bezpośrednio powoduje dysfunkcję układu naczyniowego mózgu, z przerwaniem bariery krew-mózg występującym w ciągu 4-6 godzin po zawale. Po przerwaniu bariery, białka i woda zalewają przestrzeń pozakomórkową, prowadząc do obrzęku naczyniopochodnego. Powoduje to większy poziom obrzęku mózgu i efekt masy, które osiągają szczyt po 3-5 dniach i ustępują w ciągu kilku kolejnych tygodni wraz z resorpcją wody i białek.1
Uszkodzenie BBB powoduje przepływ dużej ilości płynu pochodzącego z krwi do przestrzeni zewnątrznaczyniowej.1
Ostatecznie penumbra niedokrwienna jest pochłaniana przez te postępujące uszkodzenia, łącząc się z rdzeniem zawałowym, często w ciągu kilku godzin od początku udaru.1
Mechanizmy udaru kryptogennego
Udary kryptogenne nie mają prawdopodobnej przyczyny pomimo odpowiednich początkowych badań i są powszechne, stanowiąc co najmniej 20-30% wszystkich udarów niedokrwiennych.1
Proponowane mechanizmy obejmują:1
- Źródło kardiogenne (ukryte migotanie przedsionków)
- Strukturalne nieprawidłowości serca
- Zatorowość naczyniową
- Stany nadkrzepliwości lub prozakrzepowe
- Choroba dużych naczyń poniżej stenozujących
- Choroba miażdżycowa aorty
- Inne waskulopatie niemiażdżycowe
Potencjalne mechanizmy udaru u pacjentów z przetrwałym otworem owalnym (PFO) obejmują zatorowość naczyniową ze źródła żylnego lub zatorowość materiału zakrzepowego utworzonego na PFO, lub związanego z tętniakiem przegrody międzyprzedsionkowej.1
Rola chorób współistniejących i czynników ryzyka
Czynniki ryzyka mają głęboki wpływ na strukturę i funkcję naczyń krwionośnych oraz na ich interfejs z krążącą krwią.1
Wiele z ustalonych czynników ryzyka zmienia strukturę naczyń poprzez promowanie miażdżycy i usztywnienie tętnic, a także powodowanie zwężania, pogrubienia i krętości tętniczek i kapilar.1
W mózgu te zmiany morfologiczne są często związane z redukcją przepływu krwi mózgowej (CBF) w spoczynku i wyraźnymi zmianami w regulacji CBF.1
Starzenie się, nadciśnienie, cukrzyca i hipercholesterolemia upośledzają istotne mechanizmy adaptacyjne, które zapewniają, że mózg jest odpowiednio perfundowany. Niektóre czynniki ryzyka, takie jak nadciśnienie i cukrzyca, upośledzają ochronne mechanizmy naczyniowe, które utrzymują stabilny CBF podczas spadków ciśnienia krwi (autoregulacja naczyniowa mózgu), ułatwiając wystąpienie niedokrwienia, jeśli ciśnienie wewnątrznaczyniowe spada.1
Te zmiany naczyniowe zwiększają podatność mózgu na niedokrwienie po zamknięciu tętnicy, ponieważ kompromitują rozwój przepływu obocznego pochodzącego z sąsiednich nieniedokrwiennych terytoriów naczyniowych, który jest niezbędny do przeżycia niedokrwiennej strefy okołozawałowej.1
Mechanizmy molekularne i komórkowe
Zrozumienie molekularnych procesów zaangażowanych w mechanizm udaru jest kluczowe dla opracowania nowych, specyficznych i skutecznych terapii. Niektóre wspólne mechanizmy to ekscytotoksyczność i przeciążenie wapniem, stres oksydacyjny i neuroinflammacja.1
Ponadto, niekodujące RNA (ncRNA) są kluczowe w patofizjologii i powrocie do zdrowia po niedokrwieniu mózgu. ncRNA, szczególnie mikroRNA i długie niekodujące RNA (lncRNA), są niezbędne dla angiogenezy i neuroprotekcji, i zostały zaproponowane jako narzędzia terapeutyczne, diagnostyczne i prognostyczne w chorobach naczyń mózgowych, w tym udarze.1
Droga ochronna PI3K/Akt indukuje translokację jądrową Nrf2, która z kolei stymuluje produkcję różnych przeciwutleniaczy. Nrf2 jest kluczowym graczem przeciwko stresowi oksydacyjnemu i dysfunkcji mitochondrialnej w urazach niedokrwiennych mózgu, możliwie poprzez regulację różnych downstream szlaków sygnałowych.1
Aktywowana ścieżka mitofagii może złagodzić uszkodzenia komórek wywołane stresem oksydacyjnym poprzez promowanie degradacji uszkodzonych mitochondriów.1
Mechanizmy naprawcze i neuroprotekcja
Po uszkodzeniu wszystkie komórki aktywują szereg mechanizmów przeciwko szkodliwym czynnikom, aby uniknąć uszkodzeń (neuroprotekcja). W rdzeniu zawału mechanizmy te przekraczają swoją zdolność do ochrony i komórki umierają. W penumbrze mechanizm ten przyczynia się do ograniczenia ekspansji rdzenia zawału i obejmuje:1
- Regulację homeostatyczną jonów i płynów
- Zmiatanie wolnych rodników
- Ponowne wychwytywanie neuroprzekaźników
- Produkcja i uwalnianie cytokin przeciwzapalnych
- Naprawa BBB i jednostki nerwowo-naczyniowej
- Izolacja miejsca urazu poprzez tworzenie blizny
- Fagocytoza i usuwanie resztek
Neuroplastyczność
Neuroplastyczność obejmuje aktywację mechanizmów mających na celu przywrócenie funkcji homeostatycznej uprzednio uszkodzonej tkanki poprzez reorganizację i kompensację strukturalnych i funkcjonalnych deficytów i obejmuje:1
- Produkcję i uwalnianie czynników wzrostu
- Angiogenezę, gliogenezę i neurogenezę
- Reorganizację mikronaczyniowych i neuronalnych sieci
- Wzrost kontaktów synaptycznych
Potencjalne nowe strategie terapeutyczne
Biorąc pod uwagę złożoną patofizjologię udaru niedokrwiennego, strategie terapeutyczne stale ewoluują w poszukiwaniu potencjalnych celów farmakologicznych.1
Memantyna, zatwierdzony lek do leczenia choroby Alzheimera, wykazała plejotropowe efekty w modelach eksperymentalnego udaru, sugerując, że uczestniczy w różnych szlakach regulacyjnych neuroprotekcji i neuroplastyczności. Długoterminowe stosowanie (28 dni, podawanie doustne) wykazało efekty neuroplastyczne, takie jak rekonfiguracja map optycznych, znaczący wzrost BDNF, angiogeneza i powrót do sprawności, zmniejszenie astroglijozy, ale brak różnicy w wielkości zawału, co sugeruje, że memantyna może być przydatna w przewlekłej fazie po udarze.1
Terapia komórkami macierzystymi jest obiecująca w leczeniu udaru ze względu na jej właściwości regeneracyjne i immunomodulacyjne. Różne typy komórek macierzystych wykazały potencjał w promowaniu naprawy tkanek, zmniejszaniu stanu zapalnego i zwiększaniu powrotu do sprawności po udarze.1
Ochrona penumbry niedokrwiennej przed degeneracją i uszkodzeniem po udarze jest zapewniona poprzez stosowanie leków neuroprotekcyjnych i, ostatnio, neuroreparacyjnych. Leki te działają głównie poprzez celowanie w jeden lub kilka aspektów patofizjologii udaru niedokrwiennego, zwiększając prawdopodobieństwo opracowania skutecznych terapii neuroprotekcyjnych.1
Wnioski
Zrozumienie mechanizmów patogenetycznych udaru mózgu jest kluczowe dla opracowania skutecznych strategii terapeutycznych. Udar mózgu, będący wynikiem złożonych interakcji między neuronami, glejem, komórkami naczyniowymi i składnikami macierzy, wymaga kompleksowego podejścia do leczenia.1
Patofizjologia udaru mózgu obejmuje kaskadę zdarzeń, które prowadzą do uszkodzenia tkanki mózgowej, w tym ekscytotoksyczność, stres oksydacyjny, zapalenie i śmierć komórek. Identyfikacja kluczowych mechanizmów umożliwia opracowanie ukierunkowanych terapii, które mogą zmniejszyć uszkodzenia i poprawić wyniki po udarze.12
Przyszłe badania powinny skupić się na holistycznym zrozumieniu złożonych interakcji między różnymi ścieżkami sygnałowymi zaangażowanymi w patogenezę udaru oraz na opracowaniu wielokierunkowych strategii terapeutycznych, które mogą uwzględniać wieloaspektową naturę tej choroby.12
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.