心肌缺血再灌注损伤机制研究进展

【关键词】  心肌缺 再灌注损伤 氧自由基 血管内皮细胞 细胞凋亡

     自从1960年Jennings第一次提出心肌缺血再灌注损伤(ischemia reperfusion injury， IRI)的概念以来，其已经成为心血管研究的热点问题。心肌持续性缺血导致组织损伤和细胞死亡，早期再灌注能够减轻心肌缺血的损伤程度，但是大量的动物实验和临床观察，再灌注后在改善心肌供血的同时又加重了单纯心肌缺血所造成的损伤，出现心律失常、梗死面积扩大、持久性心室收缩功能低下等状况。病理变化可出现心肌细胞水肿、细胞膜和细胞器膜完整性破坏、肌纤维出现破坏性断裂超微结构的改变、微血管损伤和无再灌注现象等。因此，IRI成为影响患者缺血/再灌注后心脏结构和功能恢复的主要因素。本文就心肌缺血再灌注损伤的机制作一综述。

    1  氧自由基与心肌缺血再灌注损伤

    生理状态下，心肌内存在一定量的自由基，然而当组织细胞缺血、缺氧时，氧自由基清除系统功能降低，生成系统活性增强，一旦恢复组织血液供应和氧供，氧自由基便大量产生与急剧“堆积”，以不同方式造成细胞急性或慢性损伤［１］。心肌缺血再灌注时，自由基通过心肌细胞线粒体、血管内皮细胞中的嘌呤氧化酶及其他氧化酶、中性粒细胞的呼吸爆发、儿茶酚胺等途径生成增加，使心肌细胞膜、亚细胞器膜的流动性及通透性改变，影响细胞的完整性和功能；攻击结构蛋白，使肽键断裂；与蛋白酶的氨基酸、巯基等反应致其结构和功能受损；直接攻击核酸，使DNA、RNA交链甚至断裂，造成遗传物质改变，影响其转录、翻译和复制功能；抑制前列腺素合成酶、激活血小板环化酶，生成大量血栓素A2；使肌浆网钙依赖性ATP酶失活,肌浆网摄钙能力下降，肌浆内钙离子浓度升高，兴奋收缩耦联受损等。以上变化可导致再灌注性心律失常，心肌顿抑，细胞凋亡与坏死，微血管与大血管损伤等。

    2  钙超载与心肌缺血再灌注损伤

    1972年Shen和Jennings［2］发现犬心脏冠状动脉短暂闭塞后复灌可加速细胞内Ca2+的积聚，并首次提出钙超载之说。细胞内Ca2+超载在心肌缺血再灌注损伤发病机制中起主导作用，细胞内Ca2+平衡状态紊乱后引起Ca2+内流和Ca2+分隔机制的失调导致了缺血再灌注心肌细胞内Ca2+超载。据目前研究发现，缺血及再灌注时钙超载主要发生在再灌注期。钙超载可导致心室舒张不全，严重者可因心室充盈不足引起舒张性心力衰竭；钙超载能够引起酸中毒和促进心律失常的发生；再灌注时心肌出现的强烈收缩带、肌纤维断裂和坏死；钙超载可以激活蛋白酶和钙依赖性磷脂酶，破坏生物膜的结构完整性，并在膜磷脂分解过程中产生溶血磷脂进入线粒体抑制ATP的合成；加之大量Ca２＋进入线粒体以磷酸钙的形式沉积于线粒体中，从而破坏了线粒体的氧化磷酸化功能。Sjaastad等［3］研究，心肌梗死后存活心肌细胞更容易出现钙超载，因而更容易受缺血再灌注损伤。

    3  能量代谢障碍与心肌缺血再灌注损伤

    心脏需氧量很大，心肌一旦缺血，细胞迅速开始无氧代谢，提供能量减少，同时却产生乳酸、游离脂肪酸、脂酰CoA、肉毒碱CoA等大量有害代谢产物。实验证明，ATP的明显下降可引起一系列代谢异常和紊乱。心肌缺血时,随着ATP含量的下降,细胞膜、肌浆网Ca2+ATP酶活力及肌浆网钙摄取能力下降,以及不同阶段心脏依赖能量的Ca2+隔室化机制活性降低,使Ca2+内流增加,并激活膜磷酯酶,使膜磷脂降解为溶血磷脂,导致缺血性肌挛缩,并在此过程中产生氧自由基,进一步产生损害作用［４］; 依赖ATP的细胞膜泵活性降低,膜电位改变及心电图ST段改变；缺血涉及的心肌纤维收缩性降低,部分是由于酸中毒和肌钙蛋白C亲和力降低的缘故。最近有人指出［５］，能量代谢障碍可造成心肌细胞基因结构及表达的异常，细胞内的ATP水平是决定细胞发生凋亡或坏死的主要因素。

    4  血管内皮细胞与心肌缺血再灌注损伤 

    血管内皮细胞（endothelial cell，EC）参与体内许多重要功能的调控，它可合成和分泌多种生物活性物质，如内皮源性舒张因子（EDRF）、前列环素（PGI）、内皮素（ET）、内皮源性超极化因子(EDHF)、血栓素 A2（TXA2）等，它们可维持血管的舒缩状态，调节心肌血流量，对血液凝固、白细胞活性、血小板聚集也起调节作用。冠脉内皮损伤始于再灌注早期并逐渐加剧［6］，再灌注早期使血管内皮细胞激活、分泌粘附分子增加,促进白细胞与之粘附并产生活性氧(ROS),造成脂质过氧化等,致使内皮细胞分泌血管松弛因子 (主要是NO) 障碍而分泌血管收缩物质 (ET)增加,导致冠脉收缩、血小板聚集,使冠脉血流发生障碍而加重心肌损伤。此外,血管内皮细胞还是MRI产生氧自由基的重要部位［7］。缺血再灌注时，中性粒细胞与血管内皮接触时被激活，继之释放氧自由基、蛋白酶、弹性蛋白酶和胶原酶等毒性因子，这些细胞毒素破坏内皮细胞，抑制生理性血管扩张和抗血栓形成机制，增加毛细血管通透性。再灌注时内皮细胞大量产生超氧阴离子(O2-)，加之EC表达的粘附分子如P选择素(Pselectin)、细胞间粘附分子(intercellular adhesion molecule,ICAM)和释放的炎性介质,可导致白细胞激活和粘附,并产生大量O2-,这些O2-是小动脉EC依赖的、一氧化氮(NO)介导的血管舒张反应功能障碍的主要原因。线粒体作为活性氧的主要来源之一，在EC氧化性损伤中具有重要作用。虽然EC有过氧化氢酶和超氧化物超岐化酶（SOD），但EC清除活性氧毒性的主要机制是GSH氧化还原循环，全部GSH的80%～85%在胞质中，线粒体GSH是从胞质中转运来的。

    5  细胞凋亡与缺血再灌注损伤

    5.1  心肌细胞凋亡的调控基因

    5.1.1  bcl2家族：bcl2家族根据结构功能不同可分为抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白，前者主要有bcl2、bclx1、mcl1、bclw等，后者包括bax、bclxs、bad、bak等。各蛋白之间可相互作用形成同源或异二聚体，构成一个复杂的调控网络。

    5.1.2  Fas:Fas又称Apo1或CD95，属于肿瘤坏死因子(TNF)受体/神经生长因子受体家族成员，其编码的基因位于人的10号染色体的长臂上，主要表达在胸腺、心脏、肝脏等组织。实验发现［8］，心肌缺血再灌注后梗死周围区发现有大量Fas受体表达，因此推测Fas具有促进凋亡发生的作用。

    5.1.3  热休克蛋白（HSP）：HSP70在正常心肌很少表达，而在冠脉阻塞或再灌注时，则快速表达。目前对于HSP70的保护作用，主要是通过稳定细胞内变性的蛋白质，减轻细胞内的离子紊乱，保护血管内皮细胞功能，干扰应激所启动的细胞凋亡程序来发挥抗心肌缺血再灌注损伤［9］。

    5.1.4  Caspase家族蛋白酶具有半胱氨酸蛋白酶类和特异酶切Asp氨基位点两大特点。在正常状态下无活性形式存在，经凋亡信号刺激后活化，被认为是凋亡过程中关键的通路。

    5.2  心肌细胞凋亡的信号转导  直接启动细胞凋亡信号途径主要通过Fas配体、TNF分别与细胞膜表面相应的Fas受体和TNF受体(TNFR)结合，或者生长因子如胰岛素样生长因子1与相应受体结合，把细胞外信息转导入细胞内，然后进行胞内信息传递基因转录应答反应。目前认为Fas/FasL系统引起Fas细胞凋亡机制［10］是Fas与FasL结合后，Fas分子变构为三聚体，继而转接蛋白Fas相关死亡结构域蛋白(FADD/MOTRT1)的DD与Fas的DD结合，FADD另一端的死亡效应结构域(DED)于前半胱天冬酶8(procaspase8/FLICE)结合形成Fas/FADD/caspase8组成的死亡诱导信号复合物(DISK)，激活白细胞介素1β转化酶(ICE)，启动蛋白酶的级联反应，引起核酸内切酶活化，降解DNA修复酶及细胞骨架调节蛋白，从而诱导细胞凋亡发生。Fas也可通过介导Fas死亡结构与相关蛋白（Daxx）或水解神经鞘磷脂产生神经酰胺从而激活JUNN末端激酶(JNK)引起细胞凋亡。TNF结合TNFR促进凋亡，TNFR和胞浆蛋白相联系的死亡区段成为TRADD，而与TRADD联系的是受体相互作用蛋白（RIP）， TNF与TNFR结合可能引起TRADD形态的变化，从而允许与RIP结合，RIP启动核内交通，从而激活核酸内切酶裂解细胞核DNA，导致凋亡。

    6  血管紧张素与缺血再灌注损伤

    近年来的研究表明，RAS不仅是一个存在于血液循环中的激素系统，它还独立存在于许多组织和器官中，即局部RAS，心脏具有完整而又独立的RAS系统［11］。心肌缺血时，局部AngⅡ增多，促进血管收缩及痉挛，使冠脉血流储备降低，导致并加重心肌缺血。AngⅡ在MIRI中使血管内皮细胞损伤，扩大内皮细胞间隙，增加毛细血管通透性以及促进中性粒细胞参与炎症反应等，同时，AngⅡ对细胞增殖和细胞凋亡也具有调节作用［12］。

    7  NO和中性粒细胞与缺血再灌注损伤

    7.1  一氧化氮(NO)在心肌缺血与再灌注(I/R)损伤中有着十分重要的作用，NO不仅参与了对冠脉血管舒缩的调控，维持有效的冠脉循环血流，而且对缺血后心肌的转归及心肌功能的恢复可能起重要的作用。心肌中NOS有三种，即神经原型(nNOS)，内皮型(eNOS)及诱生型(iNOS)。功能正常的EC是合成eNOS的必需条件，短暂的冠脉供血障碍导致的I/R损伤能使冠状动脉EC生成NO的能力受损，这种NO合成和释放的减少是心肌I/R损伤的一种重要现象。作为信号分子,NO具有广泛的生物学活性,如抑制血小板的聚集、中性粒细胞的黏附、调节微循环血管张力等,对机体具有保护作用。但是,NO的作用具有有害的一面，如过量释放的NO可直接作用于血管平滑肌,使其麻痹性舒张,是外周阻力血管对血管活性药物出现低反应性的重要原因［13］。

    7.2  中性粒细胞在心肌缺血再灌注中占有重要地位，激活的中性细胞可释放20多种蛋白水解酶,包括胶原酶、弹性酶、金属蛋白酶、肝素酶、丝氨酸蛋白酶等直接造成再灌注损伤。其中弹力酶能水解细胞外基质中的一些蛋白及血浆蛋白,胶原酶也能裂解大部分组织胶原从而加剧了组织的损伤［14］；同时能够释放一系列细胞因子，包括IL1、肿瘤坏死因子，使与心肌细胞接触的中性粒细胞诱导的心肌损伤易于发生。激活的中性粒细胞在再灌注时发生呼吸爆发,使氧耗量增加,产生并释放大量的超氧阴离子自由基、白细胞毒素和其他血管收缩性因子。超氧阴离子自由基在酸性环境中可破坏心肌细胞的微细结构,导致细胞膜离子通透性的改变,钙超载,细胞内氧化磷酸化代谢障碍,最后可导致细胞死亡。

    7.3  近年，关于NO与中性粒细胞在再灌注损伤中的相互作用及相互关系受到重视，有人认为冠状动脉内皮功能失调使NO合成减少是中性粒细胞介导再灌注损伤的早期触发机制［15］。

【参考文献】
  ［1］ RuizGines JA,LopezOngil S,GonzalezRubio M,et al.Reative oxygen species induce proliferation of bovine aortic endothelial cells［J］.J Cardiovasc Pharmacol,2000,35(1):109113.

［2］ Shen AC，Jennings RB .Kinetics of calcium accumulation in acute myocardial ischemic injury［Ｊ］.Am J Pathol,1972,67(3):441452.

［3］ Sjaastad I,Bentzen JG,Semb SO,et al.Reduced calcium tolerance in rat cardiomyocytes after myocardial infarction［Ｊ］. Acta Physiol Scand,2002,175(4):261269.

［4］ 谷天祥，张显清，谷春久，等，心肌缺血再灌注损伤亚细胞Ca2+反常与ATP酶泵功能抑制［J］.中华心血管病杂志，2001，29（7）:420423.

［5］ Nordlie MA,Wold LE,Simkhovich BZ,et al.Molecular aspects of ischemic heart disease: ischemia/reperfusion induced genetic changes and potential applications of gene and RNA interference therapy［Ｊ］. J Cardiovasc Pharmacol Ther, 2006,11(1): 1730.

［6］ Kloner RA.NO reflow revisited［Ｊ］.J Am Coll Cardiol,1989,14(7):18141815.

［7］ Mervyn B,Forman,Renu Virmani, et al.Mechanism and therapy of myocardial reperfusion injury［Ｊ］.Circulation,1990,81(7):6978.

［8］ Gottlieb RA,Gruol DL,Zhu JY,et al.Preconditioning in rabbit cardiomyocytes［J］.J Clin Invest,1996,97:23912398.

［9］ 李顺昌，段意梅.心肌缺血再灌注损伤与热休克蛋白［Ｊ］.中国组织工程研究与临床康复，2007，11（21）:42174220.

［10］ 谢红光.受体与细胞信号转导.见：刘正湘 主编.实用心血管受体学［M］.北京：科学出版社,2001.

［11］　Hayashida N,Chihara S,Tayama E,et al.Effects of angiotensin converting enzyme inhibitor during warm blood cardioplegia［J］. Am Thorac Surg,2000,70(2):627632.

［12］ 杨永曜.血管紧张素Ⅱ受体阻断剂与心肌缺血再灌注损伤关系的研究进展［J］.贵州医药，2005，29（8）:762.

［13］ 马朋林，李秦.NO及NO合成酶与感染性休克［J］.基础医学与临床，2003，23（6）：595.

［14］ Hoffman JW, Gilbert TB, Poston RS,et al. Myocardial reperfusion injury: Etiology,mechanisms, and therapies［J］.J Extra Corpor Technol, 2004, 36(4):391411.

［15］　Saeed SA,Waqar MA, Zubairi AJ,et al. Myocardial ischaemia and reperfusion injury: Reactive oxygen species and the role of neutrophil［J］.J Coll Physicians Surg Pak, 2005,15(8):507514.

作者单位：滨州医学院附属医院心内科 滨州市 256603