亚低温可以降低机体组织尤其是脑组织的氧代谢率，减少脑氧耗，减少脑组织乳酸堆积。研究发现，应用亚低温治疗的患者，体温每下降1℃，能量消耗减少5%左右，且体温下降与能量消耗减少呈线性关系 ^[1]。此外，由于各种原因（如心搏骤停心肺复苏自主循环恢复以后）引起脑氧供不足，使得无氧代谢产物乳酸水平升高，而亚低温治疗能减缓这一过程 ^[2]。

亚低温降低脑代谢是生理性的，不会因此对机体产生负面影响。2003年，有学者提出，亚低温减少脑氧代谢率是由于低温状态下脑代谢降低，对氧的需求降低，并非是牺牲其他功能、失代偿的表现，因此，不会影响机体同时并存的心血管系统的代偿反应，比如并不影响机体对急性缺氧引起的心血管系统的代偿反应 ^[3]。亚低温降低氧代谢和保存高能磷酸化合物是其临床应用即刻的效应，因为已经有研究证实，机体组织磷酸化潜能与ATP水平随着温度的降低可以被保存。

缺血再灌注后血脑屏障的破坏构成后期脑水肿、脑出血的病理学基础。亚低温可以从组成血脑屏障各个结构来维持其相对正常的生理功能。研究发现，脑缺血后即开始的6小时亚低温治疗，可以减少血管基底膜蛋白，聚集蛋白和骨粘连蛋白的丢失，稳定血管基底膜结构。进一步发现，亚低温对结构细胞的效应并不仅限于此，借助于亚低温作用，周细胞等才能够继续依附于血管壁，维持血脑屏障的正常结构。从血脑屏障相关蛋白角度分析发现，亚低温可以直接调节基质金属蛋白酶和水通道蛋白等水平，在防止细胞外基质降解、减轻脑水肿等方面发挥重要的神经保护效应。

缺血再灌注损伤发生以后，机体各系统组织水肿的形成，很大一部分源于血-基底膜屏障通透性的改变。亚低温治疗可以保护血脑屏障，减轻心搏骤停心肺复苏自主循环恢复以后发生的脑水肿 ^[4]，但是对于其具体保护机制尚未完全阐明。基质金属蛋白酶由于其可以降解细胞外基质，被认为与血脑屏障的破坏关系密切。亚低温治疗可以减少血脑屏障的破坏，降低基质金属蛋白酶的表达并抑制其活性。国内研究发现，血脑屏障破坏与水通道蛋白质-4过度表达密切相关，脑水肿增加，而亚低温治疗可以大大减少水通道蛋白质-4的过度表达，保护血脑屏障，从而减轻脑水肿 ^[5，6]。

炎症学说在复苏后神经功能损伤中占有重要的地位。根据目前的证据分析，全脑缺血后的炎症反应主要来自于局部小胶质细胞的激活，部分来自于血管壁聚集的白细胞释放的细胞因子作用。在体外培养的小胶质细胞模型中发现，低温处理后的细胞释放IL-6，IL-10及NO水平较常温及高温组均显著降低。以高迁移率族蛋白B作为早期炎症指标，采取再灌注后亚低温治疗，可以明显降低这种炎症因子的表达，获得与缺氧前亚低温预处理类似的治疗效果。

使用亚低温治疗后，体内炎性因子表达是上升还是下降，亚低温是起到促炎还是抗炎的作用，近年来，无论是离体细胞学实验、动物学实验，还是临床研究，结果差异都很大，使得这个问题变得扑朔迷离。离体人外周血单核细胞实验的结果比较趋向于亚低温能促进单核细胞产生促炎性因子，影响单核细胞产生炎症因子的平衡，导致机体进入促炎状态，使得机体免疫功能受损，降低宿主防御反应，增加感染机会 ^[7]，这似乎可以部分地解释实施亚低温治疗患者感染机会增加的原因。临床研究的结果文献报道相差较大，国外文献结果趋向于亚低温并不影响体内炎症因子的水平 ^[8]，而国内则有文献报道 ^[9]亚低温能起到很好的抗炎作用，降低患者体内促炎因子的水平。综合考虑，亚低温对机体免疫的作用比较复杂，出现各种不同的结果，这可能与不同的动物模型，不同的应激种类及不同应激强度有关，更可能的是与亚低温作用时间的长短，以及低温与炎症互为因果的错综复杂有关。

各种原因引起的颅脑损伤后，脑内神经递质的释放改变明显，内源性有害因子释放增加，是加重继发性脑损伤的重要原因。诸多实验证实，亚低温可以抑制这一过程。脑内神经递质种类繁多，兴奋性氨基酸和一氧化氮是近些年来研究的热门。

兴奋性氨基酸以谷氨酸、天门冬氨酸为代表。缺血、缺氧、创伤和中毒等因素能触发中枢神经系统的兴奋性氨基酸过度兴奋，激活相应的受体产生兴奋毒性，这是脑继发损伤中的重要因素之一。

研究发现，33℃低温就能完全抑制缺血性损伤后脑细胞外液中谷氨酸的升高，并能减轻多巴胺的释放：常温下缺氧8分钟后，机体内谷氨酸水平上升30倍，多巴胺水平上升50倍，而亚低温状态下，谷氨酸和多巴胺水平无明显改变 ^[10]。缺血缺氧发生后，谷氨酸在缺氧去极化发生当时即开始从细胞内释放，随着血管再灌注以及ATP的恢复，在缺氧去极化得以改善的基础上，谷氨酸也会被逐渐摄取进入细胞内部。所以其可能机制是由于脑缺血后谷氨酸水平的升高并非是由于释放增加，而是出现了重吸收的障碍，而亚低温治疗可以增加重吸收，降低谷氨酸水平。谷氨酸的毒性作用主要是细胞外过多的谷氨酸激活了细胞膜上的Ca ²⁺通道，触发Ca ²⁺内流引起相关损伤。此外，亚低温还可以促进谷氨酸受体-2mRNA的早期恢复表达，而该受体的缺氧性下调已经证实与Ca ²⁺内流增加有关。

兴奋性氨基酸与抑制性氨基酸之间存在制约平衡。亚低温治疗不仅可以减少损伤脑组织中兴奋性氨基酸即谷氨酸，天门冬氨酸的含量，而且可以增加抑制性氨基酸γ-氨基丁酸含量来保护神经元 ^[11]。抑制性氨基酸对兴奋性氨基酸的作用具有拮抗性，而亚低温对两者作用存在明显的相关性。

亚低温状态下，一氧化氮与一氧化氮合酶的改变，是其保护受损神经元的重要机制。其保护作用对脑缺血、脑出血、脑外伤等模型都有效。脑损伤后，一氧化氮过度释放，受损脑组织中一氧化氮合酶活性升高；亚低温可通过降低一氧化氮水平，抑制损伤后一氧化氮合酶活性，起到保护创伤神经元的作用。

一氧化氮合酶有多种亚型：神经元型、诱导型和内皮型。亚低温可以抑制多种一氧化氮合酶亚型，但是其随亚低温实施的不同病理阶段而出现抑制程度的不同 ^[12]。缺血期亚低温对诱导型的抑制作用比较强，再灌注期亚低温对神经元型的作用比较强 ^[13]。亚低温对一氧化氮合酶的影响不仅仅可以降低其表达，同时还可以减弱其活性 ^[14]。

钙在正常生理状态下发挥重要的作用，同时也参与许多病理情况下细胞的损害过程。过多钙进入细胞内能启动损害细胞的内源性杀伤机制。各种机体细胞发生损伤后，细胞内钙超载，其部分源于线粒体钙库的释放，使神经细胞结构，功能受损，发生水肿甚至最终死亡。亚低温能通过减少Ca ²⁺的内流，增加的Ca ²⁺-ATP酶活性，恢复线粒体能量代谢，从而稳定线粒体贮钙功能，调节突触间隙功能，阻断钙对神经元的毒性作用 ^[15]。

钙蛋白酶是细胞内依钙中性半胱氨酸内肽酶。在体内，通过Ca ²⁺激活及自溶而表现出蛋白水解酶的活性，主要作用对象是细胞骨架蛋白、蛋白激酶和磷酸酶及激素受体。亚低温可明显抑制钙蛋白酶蛋白水平的表达有关 ^[16]。

钙调蛋白磷酸酶是迄今发现的唯一受Ca ²⁺和钙调素调节的丝氨酸／苏氨酸蛋白质磷酸酶。局部亚低温治疗可明显抑制缺血脑组织中钙调蛋白磷酸酶活性的变化，具有明确的脑保护作用。

钙敏受体对细胞外钙浓度特别敏感，可调控钙内流及细胞内钙的释放，使细胞外钙水平迅速变化。有研究发现，脑缺血模型中钙敏受体上调，而亚低温治疗可以抑制这一过程 ^[17]。

亚低温减少含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspase）依赖性通路中的关键蛋白酶Caspase-3 mRNA的表达，减少Caspase非依赖性通路中的关键蛋白凋亡诱导因子mRNA的表达，减少外源性激活途径中关键受体Fas mRNA表达，通过多个环节而抑制脑缺血-再灌注后凋亡的发生，从而起到细胞保护作用。脑缺血-再灌注损伤激活了具有促凋亡作用的JAK1-STAT1通路，亚低温可能通过抑制JAK1-STAT1的表达发挥缺血后抗细胞凋亡的作用 ^[18]。

亚低温能显著抑制或延迟核苷酸切除修复交叉互补基因蛋白p80和增殖性细胞核抗原在脑缺血-再灌注损伤后表达的下降，提高DNA的修复能力，进而减轻缺血-再灌后神经细胞的损伤。实验发现，亚低温可明显减缓脑缺血-再灌注后神经细胞的凋亡进程，但在其复温后凋亡速度迅速回升。因此，应积极争取亚低温治疗时间窗，同步进行神经细胞救治，缺血后即刻亚低温的作用优于缺血-再灌注后 ^[19]。

亚低温作用于外源性凋亡途径的主要方式是抑制启动初始阶段蛋白的表达、结合与激活。亚低温可降低肿瘤坏死因子受体的表达和刺激JNK信号中间体的早期激活，从而防止了下游caspase蛋白的激活，但不影响IKK-NF-κB信号转导途径。此外，亚低温治疗可抑制凋亡蛋白X-连锁片段的切割。因此，亚低温通过JNK信号通路和caspase-3的活化来启动神经保护作用，通过调控死亡受体途径的信号分子而发挥凋亡保护作用。JNK信号通路能介导多种胞外刺激诱导的细胞凋亡，参与了许多细胞（如神经细胞、心肌细胞等）凋亡的发生，在调控细胞凋亡中发挥着重要作用，JNK信号通路在细胞凋亡和细胞存活中的作用相对复杂。关于亚低温对JNK的影响，有报道称在大鼠脑损伤之前、过程中及之后，亚低温可调节JNK通路的激活胱天蛋白酶的信号传导级联反应来抑制细胞凋亡 ^[20]。

P53可以诱导细胞凋亡，P53可利用其转录活化的特性或直接的蛋白-蛋白信号传递来启动细胞凋亡程序。有研究发现，若病理性损伤前用亚低温预处理，或在损伤过程中保持亚低温 ^[21]，均能获得降低P53活性的效果。这种作用在神经细胞等多种细胞中得到了证实。

Bcl-2家族成员是重要的促凋亡因子，它可以诱导细胞色素c释放并进一步激活Caspase。亚低温能降低Bcl-2家族分子的蛋白水平，增加抗凋亡因子Bcl-2的含量，最大限度的抑制下游凋亡级联反应的发生。此外，亚低温还能够通过上调抗凋亡成员Bcl-xl的表达来抑制凋亡 ^[22]。亚低温通过改变Bcl-2家族成员的表达干扰内在信号通路。在全脑缺血模型中，亚低温可减少促凋亡的Bcl-2家族成员的表达，并增加抗凋亡的Bcl-2的成员的活性 ^[23]。

凋亡过程中多个关键环节都涉及线粒体，但关于亚低温对线粒体保护方面的研究很有限。实验性缺血动物模型在缺血前后给予亚低温处理，结果发现，亚低温可维持线粒体膜的特定蛋白质F1-ATP酶和腺嘌呤核苷酸转位同种亚基的稳定表达，表明亚低温可能通过减少线粒体损伤来抑制细胞凋亡 ^[24]。

另一方面，线粒体是机体能量的合成部位，而体温与能量代谢之间有密切联系，能量代谢率会随着温度的升高而上升，亚低温很有可能通过改变线粒体的能量代谢而影响细胞凋亡。而且，亚低温治疗可减弱缺血缺氧诱导的神经元凋亡，可能通过减少线粒体细胞色素c的释放和降低Caspase-3 mRNA的表达及抑制其酶的活性来实现，进一步说明亚低温对线粒体途径相关的细胞凋亡有作用。

Caspase家族在介导细胞凋亡的过程中发挥着非常重要的作用，关于亚低温保护神经细胞损伤的报道多认为是通过抑制Caspase家族的活性，其中包括Caspase-2，-3，-9，-10，而Caspase-3为关键的执行分子，关于它的研究报道最多。Caspase-3激活是神经元细胞凋亡中的一个重要环节。在Caspase-3的作用下，蛋白激酶C会从细胞质进入线粒体和细胞核内，启动凋亡过程。亚低温可减少Caspase-3的表达，推测亚低温可能通过减少Caspase-3的激活来发挥一定的神经保护作用。亚低温疗法可在病理损伤发生前后及过程中通过降低Caspase-3的mRNA表达水平，以及下调Caspase-3的活性，来达到抑制Caspase-3的目的 ^[25]。Caspase-3被抑制以后，可以阻断蛋白激酶C向线粒体和细胞核的转移。同时，研究也发现，亚低温还可以保护蛋白激酶C的异构体，而这种异构体被认为具有明显的神经保护作用。

缺血再灌注后，脑部会出现快速而短暂的自由基应激。长时间心搏骤停模型中发现，再灌注后大脑皮质的脂质过氧化水平进行性增加，并且伴随有大量脂质还原型双键的丢失。而且，这种氧化应激损伤会持续16～24小时。心搏骤停大鼠模型中对比了短时程（4小时）、长时程（24小时）体表低温及药物调节性低温对脑部氧化应激效应的影响后发现，药物调节性亚低温方法与长时程体表低温都能够降低复苏后48～72小时海马丙二醛水平，而短时程低温则达不到这个效果。在创伤性脑损伤模型中，通过颈外静脉逆行灌注冰冻生理盐水后发现，脑部降温组的氧化应激（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶降低，丙二醛增高）、硝基化应激损伤（神经源性一氧化氮合成酶、3-硝基酪氮酸增高）较常温组显著降低，伴随而来的神经保护效应则是动物运动功能获得明显改善。而最近一项对心肺复苏后家猪的研究认为，复苏后维持12小时的亚低温可能是通过抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ降解以及上调超氧化物歧化酶MnSOD水平来达到神经保护效应 ^[4]。

在众多凋亡的诱因中，各种来源的自由基已被证实可诱导细胞凋亡，它可通过多个环节引起细胞凋亡，如造成蛋白质和脂质氧化、DNA链断裂等。UemuraK等通过动物实验表明，大鼠皮质遭受CO刺激后，CO吸入损伤的神经元的活性氧簇释放增多，通过亚低温（32℃）治疗后，亚低温治疗组能明显减少嗜酸性粒产生及细胞凋亡 ^[26]。Van Hemelrijck等复制局灶性脑梗死大鼠模型，从体内微量渗析缺血 ^半球的纹状体和皮层进行取样　利用体内水杨酸捕获方法　通过检测2，3-二羟基苯甲酸来监测羟基自由基的形成，结果表明，轻度低温部分通过降低nNOS的活性和减轻氧化应激，从而减弱施加在大脑皮层的氧化损伤，由此证实了亚低温治疗能减轻过氧化压力 ^[27]。

亚低温对脑组织血流的影响需要视情况而定。对于正常脑组织而言，其血流量会随着温度降低而下降。通过表面低温方法研究发现，基础血流越丰富的器官，温度降低后它们的血流下降得越明显 ^[28]。在脑缺血损伤情况下，由于血管再灌注后病理生理条件存在，亚低温的核心作用在于抑制再灌注后的血管自主调节功能障碍，即减少快速充血以及继发的血流降低 ^[29]。亚低温的这种血管调节功能是低温本身的直接效应，抑或通过血管神经体液的间接调节机制，目前尚未有定论。

神经元缺氧去极化效应是在形态损伤出现之前的前兆性功能改变。低温能够延迟缺氧去极化效应的出现时间，而且温度越低，缺氧去极化效应出现时间越延迟。亚低温条件下，导致50%神经元死亡的缺血时间明显长于常温组 ^[30]。其机制可能是由于亚低温会延缓K ⁺电位爆发、Na ⁺电位衰减的时间，从而延缓了细胞外间隙缩小（脑水肿出现）的时间 ^[31]。这对临床有重要的提示，即如果能够在缺氧去极化效应出现前进行亚低温的干预，或许能避免或减轻后续神经元细胞的永久损伤，最大限度的保存神经功能。

目前仅有为数不多的研究关注亚低温对细胞应激水平的影响。热休克蛋白家族被认为可能参与了大部分低温调节细胞应激，实现保护效应的事件。对大鼠大脑中动脉结扎2小时后采取亚低温处理后发现，HSP70的水平明显增加，而且进一步分析发现，HSP70蛋白mRNA的转录过程并不受缺血事件影响 ^[32]。但需要注意的是，亚低温调控应激水平达到保护作用的假说是基于HSP的抗凋亡与抗炎机制的延伸，因此存在低温条件下HSP的增加可能仅为一种伴随现象，而且是否能够发挥效应并未获得严格证明。

中枢神经系统损伤后，周围神经细胞会产生一类分子，以期最大限度的拯救受损细胞，这些分子包括脑源性神经生长因子（BNDF）、胶质细胞源性神经生长因子（GDNF）以及神经素。它们参与神经突触的重塑、神经网络再造等过程，避免神经细胞的结构性损伤事件。在窒息性心搏骤停的大鼠模型中发现，33℃的低温处理后，大鼠海马BNDF的外显子Ⅲ表达明显增加，虽然缺乏直接证据，但这提示亚低温可能会提高BNDF的转录效率。同时，BNDF的受体酪氨酸磷酸化水平升高，BNDF的下游分子如细胞外信号调节激酶（ERK）也同时被激活，而ERK则是参与细胞生长、增殖的重要启动因子 ^[33]。GDNF能够抑制Caspase等促凋亡蛋白形成，刺激神经祖细胞产生。研究发现，亚低温对大鼠中枢神经不同结构内GDNF会产生不同的影响，即不同部位的细胞存在修复不同步现象，亚低温对缺血损伤敏感区的保护效应发挥得较早 ^[34]。

亚低温治疗的最终目的在于最大限度地减轻神经损伤，尤其是挽救高级神经功能。早期介入的亚低温对长期神经功能恢复也表现出促进作用。

研究已经发现，哺乳动物的中枢神经再生能力随着年龄增长出现减退趋势。对发育中的脑组织神经干细胞而言，不同的温度和维持时间可能带来截然不同的神经再生趋势。在神经干细胞增殖能力相当的情况下，24小时的亚低温处理更倾向诱导其向神经元方向分化。然而也有不少研究者对低温诱导神经元、突触再生能力持怀疑态度。从目前的研究证据上看，亚低温对神经再生的影响可能存在某一段时间限制的作用时间窗。未在时间窗内干预或者超时程干预，都可能会影响亚低温诱导神经再生的效果 ^[35]。

缺血后脑功能恢复不仅需要神经元再生，而且这些新生神经元必须能够重新建立突触连接，为神经冲动形成基本的传导环路。对麻醉状态下的正常大鼠研究发现，32℃亚低温处理90分钟后，海马CAl区长时程增强的群峰电位幅度会较常温组增加68.4%，而且复温后仍能维持在131.9%水平，这提示低温能够增加海马的突触传递效应 ^[36]。一项研究采取全基因芯片分析方法发现，MCAO大鼠经过4小时的亚低温处理，脑内N-钙粘连蛋白基因表达显著增加，而上调该蛋白基因则被认为是修复神经突触的可能机制 ^[37]。

目前极少有研究关注低温对缺血后脑组织内胶质细胞再生的影响及其在脑功能恢复中的角色。胶质细胞再生在不同的模型、不同温度及实验条件下，会有截然不同的结果。以少突胶质细胞为例，30℃低温会抑制祖细胞的增殖，而33℃的低温则得出相反的结论 ^[38，39]。除此之外，低温对缺血损伤后期星形胶质细胞的影响也不明确。从现象上看，亚低温在一定程度上会增强脑卒中、创伤性脑损伤模型中的中枢新生血管形成效应 ^[40]。但按照目前证据，尚无法确定新生血管形成事件与神经功能恢复之间的关系。

亚低温治疗的临床应用是建立在实验室研究的基础之上的，在学者们逐步揭开亚低温脑保护机制的神秘面纱的同时，相信其临床应用也会逐步成熟起来。下一个十年，亚低温治疗将会更完善与精准。