缺血—再灌注损伤与缺血预处理及缺血后处理的保护作用机制

                   作者：马建伟 杜会博 温晓竞 

【关键词】  缺血；再灌注损伤；缺血预处理

    缺血是临床上最常见的症状之一，尤其是心脏缺血损伤一直是众多学者研究和关注的问题。既往认为短暂的心肌缺血造成的心肌可逆性损伤会使之更难以耐受再次缺血损伤。因此认为多次短暂缺血必然发生累加而导致心肌坏死。80年代Murry[1]首次在狗的实验中发现短暂的冠脉缺血可以使心脏在经历后续长期缺血时的心梗面积较单纯长期缺血时的面积明显缩小，于是提出缺血预处理的概念。而在2003年，Zhao等[2]在犬心肌缺血后再灌注前进行了3次30s的再灌注，发现冠状动脉的内皮功能较单纯长时间再灌注得到明显改善，而且心肌梗死范围也明显缩小，其保护程度与缺血预处理相似。因而提出了缺血后处理的概念。这两方面的发现为缺血心肌的保护开辟了新的研究领域。

    1  心肌的缺血-再灌注损伤

    1.1  心肌的缺血—再灌注损伤的概念及损伤表现  缺血-再灌注(ischemia reperfusion，IR)是指心肌缺血时，心肌的代谢出现障碍，从而出现一系列功能异常；缺血一定时间的心肌再重新恢复血液供应后，心肌不一定都会恢复其正常功能和结构，反而出现心肌细胞损伤加重的表现，即所谓缺血—再灌注损伤(ischemia?reperfusion injury，IRI)。这一损伤是心脏外科、冠脉搭桥术等手术期间心肌损伤的主要因素。其损伤表现为心肌细胞的坏死、凋亡、线粒体功能障碍、脂质过氧化物增多、自由基大量生成，并导致恶性心率失常发生，左心室收缩力减弱、室内压下降等心肌功能的抑制。

    1.2  心肌的缺血?再灌注损伤的机制  尽管几十年来人们一直在进行研究，但至今其详细的机制未被阐明，根据近年来的研究其可能的机制有：

    1.2.1  G蛋白、腺苷酸环化酶的功能异常  心肌缺血时，对于G蛋白、腺苷酸环化酶活性的变化各家报道不一，有研究表明在体大鼠缺血区G蛋白含量明显降低[3]，有结果表明， 离体大鼠缺血区G蛋白含量无明显变化[4]， 也有结果表明，在体狗心肌缺血时，心肌G蛋白含量出现明显增加[5]。对于这众多不一致的报道，至今未能阐明其详尽的原因。同样，在心肌缺血?再灌注损伤时， 腺苷酸环化酶活性的变化也表现各异。有人认为心肌缺血—再灌时，心脏功能受到明显的损伤， 腺苷酸环化酶活性明显降低，提示细胞膜信号传导系统发生了明显障碍[6]， 腺苷酸环化酶活性的下降，可导致cAMP生成减少，从而抑制细胞的Ca2+内流[7]，胞内Ca2+的下降，可抑制蛋白磷酸化等多种途径，导致心脏的舒缩功能发生障碍。心肌缺血—再灌注损伤时， 腺苷酸环化酶活性的下降，不是腺苷酸环化酶本身损伤造成的[5]，王瑶等[9]的研究也进一步证实在心肌缺血—再灌注时，心脏抑制性G蛋白含量升高，从而对腺苷酸环化酶的活性进行抑制，因此认为，心肌缺血再灌注损伤时，引起受体—腺苷酸环化酶信号转导系统的功能障碍，可能发生在G蛋白水平。另有学者认为，心肌缺血时，缺血区的cAMP含量增加[10]，这与心律失常的发生有密切关系， cAMP增加时，可通过激活蛋白激酶A 导致心肌慢Ca2+通道开放的数目和时间增加，Ca2+内流增加，可引起心肌迟后除极化、细胞脱耦联及传导减慢等[11]，心律失常的发生率随之上升。

    1.2.2  ATP酶活性的改变  心肌缺血—再灌损伤时，心肌细胞膜的Na+?K+?ATPase活性受到抑制使胞内Na+浓度升高，激活Na+/H+交换，加重细胞损伤。另外，肌浆网Ca2+?ATPase活性也受到抑制，使胞内Ca2+积聚，导致细胞内Ca2+超载，提示心肌细胞出现不可逆性损害[11]。

    1.2.3  NO生成增加  大量研究资料表明，心脏缺血时，心肌细胞L?精氨酸(L?Arg)的转运能力加强，主要通过激活诱导型NOS(inos)而增加NO的生成和释放[13]，且NO的释放量与心肌的损伤程度呈正比。由于心肌缺血时NO生成的增加，导致cGMP生成增加，从而影响了细胞内的生理活动，影响心肌缺血损伤的病程和预防预后。另有学者认为心肌的缺血?再灌注损伤与NO释放减少有关，NO在心肌缺血?再灌注损伤中具有保护作用。NO可扩张血管，在再灌注过程中改善血流，还可灭活自由基，清除再灌注过程中形成的过多的超氧化物[14]。

    1.2.4  氧自由基生成增多  心肌缺血再灌注时，ATP的不完全代谢造成体内氧自由基生成增多，而SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽、过氧化物酶等自由基清除酶活性降低，导致体内氧自由基积聚。氧自由基与心肌细胞膜上的多价不饱和脂肪酸发生连锁反应，造成细胞膜的脂质过氧化，触发心率失常和心肌顿抑[15]。

    1.2.5  细胞凋亡  缺血再灌注损伤可能包含两种细胞死亡：坏死和凋亡。凋亡是细胞在基因调控下的程序性死亡，不引起炎症反应。在缺血?再灌注时的心肌细胞凋亡依赖于氧化应激过程中产生的氧自由基以及钙超载的持续作用[16]。并且可能与抗凋亡基因、促凋亡基因表达失衡，以及心肌磷脂与细胞色素之间的相互作用有关[17]。

    2  缺血预处理的保护作用

    2.1  缺血预处理的概念及保护作用  缺血预处理(ischemic preconditioning，IPC)指心肌遭受反复短暂的缺血后，可以在后续的长期缺血中得到保护，使缺血损伤减轻。无论在整体水平、器官水平还是细胞水平，这种保护作用都非常明显，具体主要体现在，减轻心肌细胞的坏死，缩小梗死面积，减轻心肌细胞的凋亡程度，减少恶性心律失常的发生，明显改善心脏功能，如心脏的收缩力提高，舒缩功能加强，左室射血分数增加等。预处理作为机体内源性保护现象，不仅存在于整体水平，也存在于离体器官、细胞水平的缺血再灌损伤过程，常见的预处理方式有很多，如缺氧预处理、快速起搏预处理、温度预处理、Ca2+预处理及内源性物质内皮素、腺苷、缓激肽、去甲肾上腺素等多种保护介质的预处理，均可提高心脏对缺血再灌注损伤的抵抗力。

    2.2  缺血预处理的保护机制  缺血预处理的详细保护机制尚不十分清楚，涉及多种因素的共同作用。 整体心脏[18]、离体灌流心脏及细胞水平的工作均表明，PKC参与了缺血预处理的心脏保护作用，直接应用PKC激活剂能模拟缺血预处理的心肌保护作用，PKC的抑制剂则能消除其保护作用，因此认为，PKC的激活是缺血预处理保护机制的共同通路。众所周知，PKC在细胞内信号转导中起非常重要的作用，PKC的激活及其所介导的细胞内蛋白磷酸化是其细胞保护的关键环节[19]。另外，PKC还可激活丝裂素活化蛋白的激酶家系，引起细胞核内基因表达的改变，参与细胞保护。除PKC参与心肌缺血预处理保护外，ATP敏感性钾离子通道(KATP)和氯离子通道可能也参与了这一保护机制。

    2.2.1  内源性保护介质的作用机制  在众多的内源性物质中，腺苷、缓激肽、去甲肾上腺素、乙酰胆碱、内皮素和血管紧张素等在缺血预处理中起了重要作用。腺苷与细胞膜的A1和A3受体结合、缓激肽通过B2受体、去甲肾上腺素与和受体结合、乙酰胆碱与M1受体结合、内皮素通过与ET受体结合、而血管紧张素与AT1受体结合，通过细胞膜的G蛋白，激活细胞膜的磷脂酶C(PLC)，有活性的PLC可分解磷脂酰二磷酸肌醇(PIP2)为三磷肌醇(IP3)和二酰甘油(DG)，DG是细胞激活PKC的重要物质，因而PKC激活后可产生如下效应：促进心肌细胞腺苷合成，合成的腺苷可释放到心肌间质中，通过激动腺苷A1受体调节心肌细胞的代谢，从而起到保护心肌的作用；激活KATP通道（将在后述）；维持的Ca2+稳态，PKC参与调节心肌细胞膜和肌浆网上的Ca2+通道及细胞膜、肌浆网上的Ca2+?ATPase，在缺血预处理过程中PKC可降低胞内Ca2+浓度，减少心肌细胞的损伤而达到心肌保护的目的[20]。

    2.2.2  KATP通道在缺血预处理中的保护机制  Cross和Auchampach首先观察到，应用KATP通道阻断剂格列本脲(glibemclamide，Gli)可完全阻断缺血预处理时的心肌保护作用，从而提出其中有KATP通道的参与[21]。但由于动物种属不同，麻醉动物用药不同，Gli产生的效应也不同，丁延峰等[22]给氨基甲酸乙酯麻醉的家兔应用KATP开放剂后，可减小麻醉家兔缺血时的心肌梗塞范围，应用KATP通道阻断剂后，对单纯心肌缺血所产生的心肌损伤虽无影响，但可阻断缺血预处理时的保护效应，从而提示KATP通道可能参与缺血预处理的心肌保护机制。而在戊巴比妥钠麻醉的家兔，KATP通道开放剂并不能保护缺血损伤的心肌，Gli也不能阻断缺血预处理的心肌保护效应，似表明KATP通道在戊巴比妥钠麻醉下不参与缺血预处理的心肌保护机制。现已有资料证实，KATP通道开放更加快心肌细胞的复极化，使Ca2+内流减少，也可经过Na+?Ca2+交换增加Ca2+排出。从而减轻Ca2+超载对心肌的损伤。另一方面胞浆内Ca2+水平降低，心肌收缩力下降，ATP等能源物质消耗减少，以上均有利于缺血?再灌损伤后动物的存活[23]。

    3  缺血后处理的保护作用

    3.1  缺血后处理的概念及保护作用  缺血后处理(ischemic postconditioning，I?postC)指在心脏较长时间缺血后再灌注时，首先给予心脏数次短时间的再灌注缺血循环，然后才给予心脏充分的再灌注。目前已证实，缺血后处理的保护作用包括减少恶性心律失常的发生，减轻心肌坏死和凋亡，改善心脏的舒缩功能等。

    3.2  缺血后处理的保护机制  缺血后处理是通过多条细胞内信号转导途径来实验其心肌保护作用的。现有实验表明这些途径有：蛋白激酶C(PKC)、蛋白激酶G(PKG)、磷脂酰肌醇?3?激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)等。缺血后处理时，一些具有保护作用的内源性介质如腺苷、NO等可通过细胞膜的G蛋白激活PLC，从而分解PIP2为IP3和DG，DG激活PKC。PKC有11种亚型，其中PKC是内源性心脏保护的重要信号分子，而缺血后处理可诱导PKC的表达和转位[24]。另外，PI3K/ Akt和PKG途径可通过使内皮细胞释放NO增加，从而激活线粒体KATP，并阻止线粒体膜通透性转换孔(mPTP)开放，来完成其保护作用[25，26]。

    4  临床应用及展望

    缺血预处理是八十年代发现的一种强有力的心肌保护手段，九十年代以来对其机制进行了深入的研究，作为一种内源性保护现象，预处理在临床上已逐渐开展应用，如缺血性心脑血管病的防治、器官移植、心脏外科等方面有重要的应用价值。但由于心肌缺血难以预测，故预处理有很大的局限性，而缺血后处理的临床操作简便易行，可控制性强，并已在某些发病动物模型观察到其心肌保护作用[27]。所以，后处理可能会有更加广阔的临床应用前景。

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