综述心肌缺血再灌注损伤研究进展

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作者：高启军，董晓帆，邓长金

单位：湖北医院心内科

提要

急性心肌梗死是主要的致死致残原因，再灌注治疗是标准的治疗方案，然而再灌注治疗伴随着再灌注损伤，再灌注损伤的机理目前还未完全清楚，分子、细胞、组织上的改变均与参与再灌注损伤，本文就心肌缺血再灌注损伤的研究进展作一综述。

心血管疾病是全球病死率最高的疾病，占总死亡率的三分之一，其中以急性心肌梗死最为严重[1]。每年有超过万急性ST段抬高性心肌梗死患者，这类患者最有效的治疗方法为及时、有效的再灌注治疗[2]，再灌注治疗改善心肌供血的同时伴随着一系列病理生理反应，包括过氧化反应、炎症、细胞内钙超载，最后出现不可逆的细胞凋亡和坏死，这种因再灌注损伤所致的心肌损伤称为再灌注损伤[3]。

再灌注损伤与分子、细胞、组织上的改变如细胞死亡、炎症、中性细胞活化和氧化应激等有关[4]。再灌注损伤评估与治疗仍然是临床难题，具体机理目前尚不明确，仍然是研究的热点之一。本文对再灌注损伤的机理最新进展作一综述。

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钙超载及钙蛋白酶与缺血再灌注损伤

钙离子是细胞内的第二信使，参与维持细胞生理功能，正常情况下，细胞外钙离子浓度是细胞内的近万倍。目前认为钙超载的原因主要有：（1）心肌缺血致心肌细胞膜结构损伤，细胞膜通透性增加导致细胞外钙离子顺浓度梯度进入细胞内；（2）正常生理情况下，钙泵将细胞内多余的钙转运至细胞外，保持细胞内合理的钙浓度。当心肌缺血时，ATP生成减少或缺乏，使钙泵失活，不能及时泵出细胞内的钙；（3）缺血时缺血区因无氧酵解产生大量的乳酸、丙酮酸等致pH值下降，当再灌注后氧气进入缺血区，乳酸、丙酮酸可进一步代谢，一部分乳酸、丙酮酸随血流进入体循环代谢，细胞外pH值逐渐恢复，而细胞内恢复较慢，细胞内外形成pH值梯度，细胞内的H+向外移动，为达到电平衡致Na+内流[5]。再灌注后能量供应和pH值的恢复，开始Na+-Ca2+交换,细胞外的Ca2+流入细胞内，使细胞内Ca2+浓度升高。研究表明，钙超载后可通过各种途径引起线粒体膜通透性转换孔开放，线粒体膜电位异常、促进凋亡因子释放等引起心肌细胞死亡。除此之外，钙超载可激活calpain引起再灌注损伤。在生理情况下，钙蛋白酶calpain与钙蛋白酶抑素calpastatin一起储存在细胞质中，为非活性状态。细胞内钙浓度上升是铁蛋白酶激活的关键因素[3]。近年来，实验研究证实，calpain可引起心肌缺血再灌注损伤,而calpain抑制剂对缺血再灌注心肌有保护作用[6]。但calpain参与缺血再灌注损伤的机制目前还不清楚，考虑可能与calpain裂解凋亡相关的酶有关，如caspase-3、Bax等。

2超氧化物与缺血再灌注损伤

生理情况下体内生成少量氧自由基可以很快被清除。当氧自由基生成过多过快或消除减少，就可能出现氧自由基聚集，在细胞缺血缺氧时,细胞内代谢紊乱，氧自由基清除能力不足，当缺血组织突然恢复供应血液时,产生大量氧自由基，不能及时被清除，对自身和周围细胞造成伤害，从而引起心肌损伤。

缺血再灌注的前数分钟，特别是开始再灌注时，能经过多种途径产生大量活性氧[7]。Arroyo等[8]用同位素方法证实心肌缺血及其后的再灌注过程中有活性氧的形成，之后临床研究发现，抗氧自由基治疗具有心肌保护作用[9]。随后的研究表明，经SOD处理的动物或细胞质、线粒体SOD相关基因被过度表达的动物所发生的缺血再灌注损伤较少，这些都证实超氧化物的毒性作用[10]。超氧化物本身在体内造成的细胞毒性作用不大，因为这个激进物质可快速、自发歧化为过氧化氢(H2O2),在SOD作用下这种转化可加速约倍，这种快速转换有效地防止了O2?与其他生物分子在细胞中的反应，除非O2?的产生与潜在的反应物非常接近。从超氧化物歧化反应产生的H2O2在高浓度时具有细胞毒性，也可以通过铁或铜催化的反应来刺激高活性羟基自由基(HO·)的产生。此外,超氧化物可以转化为另一个高活性的物质——超氧化氢(HOO?)。超氧化物细胞毒性也可以由其与NO结合生成过毒性更大的亚硝酸根(ONOO?)和其他破坏性RNOS。过亚硝酸根可以质子形成过氧亚硝基酸(ONOOH),本身是一种强细胞毒性氧化剂。最后,超氧化物可以氧化灭活多种酶，如特别是含有铁硫中心的酶,如乌头、延胡索酸酶、NADH脱氢酶、肌酸激酶和磷酸神经钙蛋白等[11]。自由基产生后还可损伤细胞膜结构，使细胞膜失去正常的屏障功能，通透性增加，使细胞内外的物质可以顺浓度流动，最后使细胞失去正常功能；自由基可通过氧化破坏机体蛋白，改变蛋白酶表面结构而使其失去功能。自由基可使遗传物质DNA、RNA断裂，使核酸失去正常功能，最后导致细胞凋亡[12]。

3线粒体与缺血再灌注损伤

线粒体在心肌缺血再灌注损伤中发挥重要作用，占细胞质容量的30%～50%，是细胞的能量工厂，机体95%的能量是通过线粒体氧化、磷酸化产生。线粒体是活性氧的主要产生部分，也是最易受活性氧伤害的部位。线粒体损伤表现为线粒体结构改变，功能丧失，数量减少，最后出现能量供应不足，心肌细胞失去收缩功能，最后出现心肌细胞死亡。在这些变化中，发挥重要作用的是线粒体通透性转换孔(mitochondrialpermeabilitytransitionpore，MPTP)。MPTP是位于线粒体内外膜上的一种非特异性通道，相对分子质量≤的物质可以通过MPTP，开放后使线粒体内膜两侧电化学质子梯度消失，呼吸链电子不能传递，氧化磷酸化解耦联，细胞生成ATP障碍，活性氧簇(reactiveoxygenspecies，ROS)生成。此外，由于线粒体基质中一些大分子蛋白质不能通过MPTP，基质内渗透压相对较高，离子、水等物质非选择性地进入基质，使线粒体水肿，外膜破裂，促使凋亡物质如细胞色素C、凋亡诱导因子、核酸内切酶G等从膜间隙进入胞质中，引起细胞凋亡。

在缺血再灌过程中，各种生理、生化的原因可导致线粒体膜通透性转换孔的开放。在缺血阶段，钙离子、长链脂肪酸和活性氧累积使MPTP易于打开[13]，而因为缺氧，无氧酵解增加产生大量乳酸使局部血pH值下降抑制MPTP开放。当再灌注发生后，线粒体恢复呼吸功能，开始修复跨膜电位，pH值逐渐恢复正常；当呼吸链重新获得氧气会产生大量的活性氧，加上钙超载等共同促进MPTP开放[13]。实验研究也证实在缺血阶段MPTP是关闭的，再灌注过程中开放，目前缺血再灌注研究己将MPTP作为心脏保护的新靶点[14]。

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基质金属蛋白酶与缺血再灌注损伤

基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinases，MMPs）是一组含锌离子的钙依赖细胞外间质水解酶，研究表明，其参与了机体多种生理和病理过程，包括缺血再灌注损伤。在大鼠离体心脏缺血再灌注实验中，发现再灌注时MMP-2释放明显增加，心功能差的大鼠MMP-2的释放量更大；用含MMP-2的灌流液灌流，可使缺血再灌注心肌心功能下降，而用含MMP-2特异性抑制剂菲洛林或抗体的灌流液灌注，可使缺血再灌注心肌心功能好转[15]。NO的产物过氧亚硝酸盐(0N00-)可促进MMP-2的释放，并使心功能下降，提示自由基对缺血再灌注心肌的损伤与激活MMPs有一定关系[16]。

5细胞凋亡

缺血再灌注损伤的发病机制是多因素性的，凋亡是再灌注损伤的主要致病机制之一，包括外部(或死亡受体)和内在(线粒体)途径，但他们之间有多种生物化学和功能联系。外部或死亡受体通路涉及结合Fas，TRAIL和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等配体到促炎受体上，形成聚合物，促进死亡领域的适配器蛋白(如FADD和TRADD)的聚集，完成死亡诱导的信号复合体。一旦组装，这个受体复合体激活caspase-8，最后激活Caspase-3水解许多细胞蛋白导致细胞凋亡[17]。如受到氧化应激等细胞毒性刺激，其内部途径被激活。通过Bcl2蛋白家族成员调节促进调亡，使细胞膜通性增加，细胞色素C等外渗，最后出现细胞凋亡。Bcl-2基因家族，其产物根据蛋白结构、功能不同分为抑制凋亡蛋白和促凋亡蛋白。其中Bcl-2和bax的相互作用在细胞凋亡调控过程中起重要作用[18]。

6微小RNAs与缺血再灌注损伤

微小RNA(microRNA，mRNA)由19-25核苷酸组成单链小分子RNA，因为太短，不能编码产生蛋白质，然而，他们通过抑制mRNA的翻译或诱导mRNA降解来干预基因表达，最后参与I/R损伤[19]。除了调节细胞内基因和蛋白质表达，mRNAs也可以分泌到胞外间隔,如核糖体RNA。这些胞外RNA作为损伤相关的分子和辅助因子激活炎症和血栓形成[20]。缺血诱导的mRNA特征为表达差异很大，与缺血的持续时间、细胞类型以及研究的时间点有关。最近的研究表明，在缺血再灌过程中，细胞存活和凋亡中关键分子，如Bcl-2、FasL、HSP20、HSP60、HSP70、Mcl-1、Pdcd4、PI3K和SIRT-1)的表达被miRNA调控，目前正在研究阻断mRNA功能的方法。

7内皮细胞与缺血再灌注损伤

血管壁内皮细胞（endothelialcells）占心肌体积的3%～5%，在正常的心脏生理和心脏对损伤的反应发挥重要作用[21]。血管内皮层由内皮细胞相互连接形成，为血管内膜屏障，防止白细胞黏附和血小板聚集，降低炎症反应，有利于血管内的血液正常流动。除此之外，内皮细胞还可作为分泌细胞，分泌血管活性物质，如分泌内皮素、血管紧张素等血管收缩因子和一氧化氮、内皮依赖性超极化因子（EDHF）等血管舒张因子。生理情况下，血管平滑肌的紧张度及血压，血流的调控都由这些血管活性因子共同调节，维护机体血压及内环境的平衡。在缺血再灌注等病理情况可导致血管内皮细胞功能障碍，损害其分泌功能，调节功能失常致内环境失调。缺血再灌注破坏内皮屏障功能，促进免疫细胞吸附，扰乱内皮依赖性血管舒张,并控制内皮止血机制[22]。在缺血再灌注期间释放出各种促炎介质包括ROS、趋化因子、细胞因子(如肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1)等，这些介质激活细胞信号机制,引起交叉因子的磷酸化,解除它们与骨架元素的联系,最终结果是细胞间连系被打断，毛细血管通透性增加[23]。此外,缺血再灌注诱导的内皮细胞肿胀致毛细血管腔的狭窄，这有助于在这些小血管内嗜中性粒细胞的聚集,最后发展为缺血后无回流。

本文探讨了缺血再灌注损伤的发生机制，研究表明缺血再灌注损伤涉及面广，机制复杂，目前尚未完全研究清楚，目前考虑主要与超氧化物损伤、钙超载、线粒体损伤、细胞凋亡、内皮细胞mRNA及基质金属蛋白酶等有关。

参考文献（略）

敬请

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