心肌缺血再灌注损伤和心肌缺血预处理范文

一、心肌的代谢特点

心脏是一个机械作功的器官,这就决定了它具有高耗能、高耗氧、高代谢率的特点。心肌的氧摄取率高达70%,当心肌耗氧增加时,再提高氧摄取率的潜力很小,需靠扩张冠脉、增加血流量以增加氧的供应。任何造成心脏耗氧增加和/或供氧减少的因素都影响心脏作功。心肌有氧氧化的能力强而耐缺氧能力差。正常情况下,心肌的代谢基本上全是需氧的。代谢物(底物)的氧化不断地为心肌作功提供高能磷酸键;当氧供应受限时,则通过刺激无氧糖酵解产能。产能的场所主要在线粒体,耗能过程主要用于肌动蛋白和肌球蛋白的结合以及各种离子泵的活动。

二、心肌缺血引起的代谢变化

(一)产能减少:心肌缺血使心肌组织氧供减少,线粒体氧化磷酸化减弱,ATP生成减少。尽管无氧糖酵解加强,但产能效率低。心肌的能量代谢状态与心肌缺血损伤程度有直接关系,当缺血心肌ATP含量在正常的35%以上时,缺血性损伤是可逆的;当ATP含量降至正常的20%,则产生不可逆性缺血性损伤。

(二)细胞内酸中毒:心肌缺血时糖酵解加强,乳酸生成增多;CO2的蓄积可转化为H2CO3;ATP分解过程中产生H+;Ca2+与线粒体内磷酸根结合释放H+。这些变化均可使细胞内H+浓度升高。

(三)细胞内钙超载:下列因素可造成细胞内钙超载。

1.心肌缺血时氧供和氧化底物均减少,则ATP生成减少,使各离子泵(包括钙泵)的功能减弱,导致细胞内Ca2+浓度([Ca2+]i)增加。

2.细胞内酸中毒启动Na+-H+交换,以减轻酸中毒程度;但同时细胞内Na+浓度的升高又激活Na+-Ca2+交换,导致[Ca2+]i升高。

3.缺血时儿茶酚胺释放增加,通过细胞膜上的a、b受体激活Ca2+通道,使Ca2+内流增加;同时还刺激肌质网释放Ca2+。二者使[Ca2+]i升高。

(四)自由基生成:缺血、缺氧时ATP代谢产物(AMP和次黄嘌呤)堆积;同时,细胞内钙超载,激活Ca2+依赖性蛋白水解酶,使黄嘌呤脱氢酶(XD)变构成黄嘌呤氧化酶(XO)。在再灌注恢复血供时,XO就能催化次黄嘌呤产生大量超氧阴离子。在缺血引起心肌损害的因素中,自由基不起主要作用。

(五)细胞膜通透性增加:心肌缺血时,脂肪酸氧化受阻,使游离脂肪酸、脂酰CoA及脂酰肉毒碱等堆积,它们均可使膜通透性异常增加,造成细胞内酶和小分子物质外漏,K+外流、Ca2+内流,膜内外原有的离子浓度差变小。

三、心肌缺血/再灌注损伤

(一)概念:缺血心肌在恢复血流后引起心肌超微结构、功能、代谢及电生理方面的的进一步损害叫做心肌缺血/再灌注损伤(Ischemia/reperfusioninjury,IRI)。

(二)发生机制:

1.能量代谢障碍:缺血造成的细胞膜通透性增加和离子泵的功能减退导致再灌注后细胞内水肿和钙超载加重。再灌注后使再合成ATP的物质基础(如腺苷、肌苷、次黄嘌呤等)丢失,ATP合成在短时间内不能恢复。

2.自由基大量生成:

(1)黄嘌呤氧化酶源性氧自由基的形成增多;

(2)中性粒细胞源性氧自由基生成增加;

(3)线粒体源性氧自由基生成增加;

(4)儿茶酚胺分泌增多,儿茶酚胺氧化能产生具有细胞毒性的氧自由基;

(5)体内清除自由基能力下降:正常体内存在抗氧化系统,主要有SOD、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)。这些酶类将正常产生的自由基分解代谢掉。但在IRI时,体内抗氧化酶类和抗氧化剂被大量消耗,使自由基清除不足,最终造成自由基增多。自由基的增多损伤生物膜,使酶活性降低,引起细胞内Ca2+超载,诱导炎性介质产生。IRI时,自由基生成增多和细胞内钙超载两者互为因果。

3.钙超载:

(1)原因:①生物膜受损,细胞膜通透性增加:缺血缺氧时细胞膜的损伤为再灌注时Ca2+的内流创造了条件。缺血缺氧引起的细胞内酸中毒,再灌注时通过H+-Na+交换和Na+-Ca2+交换而使[Ca2+]i增加。②线粒体功能障碍:IRI时产生的氧自由基可破坏线粒体结构和功能,ATP生成减少,肌膜和肌浆网钙泵功能障碍,造成[Ca2+]i增加。

(2)钙超载引起IRI的机制:①线粒体ATP生成减少,造成细胞能量供应严重不足;②细胞内游离钙增加,使Ca2+与钙调蛋白(CaM)结合增多,激活钙依赖性蛋白水解酶如磷脂酶、蛋白酶、核酸内切酶等,激活的磷脂酶水解生物膜磷脂,导致细胞膜及细胞器膜受损;蛋白水解酶和核酸内切酶的活化可引起细胞骨架和核酸的分解。因此,细胞内游离钙增加,可使肌纤维挛缩和断裂,损伤(或破坏)生物膜和细胞骨架。③钙超载使钙依赖性蛋白水解酶激活,促使XD转变为XO,使自由基生成增加,损害心肌。另外,钙依赖性磷脂酶A2的激活,使花生四烯酸(AA)生成增加,后者通过环氧化酶和脂加氧酶作用产生大量H2O2和羟自由基。

四、心肌缺血预处理及其作用机制

(一)心肌缺血预处理的概念和特点

1986年Murry等人首先报道了心肌缺血预处理(ischemicpreconditioning,IPC)现象。他们在狗实验中阻断冠脉左旋支5min,再灌注5min,反复4次,然后再阻断40min,再灌注3h,心肌坏死面积比对照组(阻断40min后持续再灌注)明显减少,心功能改善,心律失常发生率降低,自由基的形成减少,心肌超微结构的损害减轻。1.IPC定义反复多次的短暂心肌缺血对随后更长时间的心肌缺血/再灌注损伤有保护作用,能提高心肌对缺血的耐受性。因此,预处理是指预先给予某种损伤性刺激,以提高心肌细胞自身抗损伤的耐受性或适应性。

2.IPC保护作用的特点

(1)普遍性:预先给机体或器官、细胞某种损害性刺激,使受损伤的器官(如心脏)产生耐受性或适应性。预处理效应是生物界存在的一种普遍规律。

(2)非特异性:尽管预处理办法各不相同,但其保护作用及其机制是相似的。

(3)保护作用的时段性:早期IPC持续约1~3h(猪约1h,狗和兔约2h);延迟阶段的IPC作用在24h后出现,可持续数小时、数天或者更长;延迟阶段多称作延迟性预处理(delayedpreconditioning),亦称为“保护作用的第二窗口”。参与这二个阶段的机制不同,但彼此间存在一定的联系;没有早期阶段的保护作用,不可能发生随后延迟阶段的保护作用。早期IPC产生迅速而短暂,此期的机制可能是:①腺苷受体通过蛋白激酶C(PKC)激活KATP通道;②内皮源性一氧化氮合酶(eNOS)表达增加而使cGMP水平上升,后者导致预处理器官反应性充血而发挥其早期保护作用。延迟IPC起效缓慢而持久,此期特点在于有大量基因表达和新蛋白合成如热休克蛋白(HSPs)和SOD。G蛋白偶联受体、PKC和ATP敏感性钾通道(KATP通道)也在此期发挥作用,但机制可能有所不同。(4)有限的记忆性:如果预处理与随后的长时间缺血的间隔时间由10min增加至1~2h,心肌将不再“记忆”它曾被预处理过,于是保护作用随之丧失。

(二)心肌缺血预处理的机制

IPC是涉及多种因素参与的复杂过程,释放的内源性物质通过细胞内信号传导系统调节心肌功能。一般可分为内源性触发物的激活、信号传递通路的活化及终末效应物形成等三个过程。内源性触发物质一般包括腺苷、缓激肽、降钙素基因相关肽(CGRP)等,信号传递通路有PKC、酪氨酸激酶和丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)等,终末效应物有KATP通道、HSPs、SOD等。

1.内源性触发物质

(1)腺苷腺苷A1和A3受体的激活所导致的内源性腺苷释放增加是启动和介导IPC的重要环节。在预处理低氧灌流阶段,细胞内腺苷释放骤增。给予外源性腺苷预处理心肌可模拟IPC的保护作用,在IPC前给予腺苷受体阻断药则可以阻断IPC对心肌的保护作用,说明腺苷在预处理中是一重要介质。腺苷转运抑制剂(如潘生丁、曲氟嗪)能提高血液中的腺苷浓度,有抗心肌缺血的作用。在冠脉成形术(PTCA)前,冠脉内加入潘生丁预处理,病人耐受球囊扩张时间延长。冠脉搭桥手术前滴注腺苷能增加心肌耐受缺血的能力,加快术后心功能的恢复。(2)缓激肽心肌缺血时引起冠脉内皮释放缓激肽(bradykinin),作用于缓激肽B2受体,诱发某些PKC同构体迅速而短暂地易位,并可触发NO和前列环素(PGI2)的释放,NO释放引起cGMP水平升高,抑制L-钙通道,抑制心肌收缩和降低能量消耗;NO还有扩张冠脉和抑制血小板黏附作用。外源性缓激肽可模拟IPC样心肌保护作用,应用NO合酶抑制剂和环氧化酶抑制剂可以阻断缓激肽对缺血心肌的保护作用。

(3)降钙素基因相关肽(CGRP):CGRP是心血管肽能神经纤维释放的一种递质,广泛分布于血管壁上,短暂缺血引起CGRP的释放,应用CGRP灌注离体心脏或用促CGRP释放剂(辣椒素)均可模拟出IPC效应,其对心肌的保护效应可被其受体拮抗剂CGRP8-37逆转,证实CGRP介导IPC效应。有研究显示缺血预处理第一次和第三次缺血末血浆CGRP浓度较对照组显着增高,并明显降低室性心律失常发生率和心肌梗死面积,表明CGRP在IPC中发挥作用。(4)类阿片肽:近年来阿片肽在介导IPC中的作用逐渐得到重视。主要激活Gi/o蛋白,后者激活PKC,PKC又可激活线粒体膜上的KATP通道。IPC的保护作用(缓解心绞痛、减小梗塞面积)在给予阿片类药物后即刻出现,并且在24h后再现。其缓解心绞痛作用不依赖于其镇痛效应。非特异性拮抗剂纳洛酮以及d受体拮抗剂7-benzyli-denaltrexone可抑制IPC。

(5)NO:IPC的延迟效应与NO水平中度升高有关。NO激活鸟苷酸环化酶使cGMP增多,后者激活磷酸二酯酶(PDE)使cAMP水平下降而产生一系列效应。单磷脂A(MIA)诱发的心肌延迟性保护作用依赖于诱生型NO合成酶(iNOS),给予拮抗剂S-meth-ylisothiourea(3mg/kg)可取消MIA的作用,在iNOS基因敲除的动物,MLA根本不能发挥心肌保护作用,因此NO被认为在MIA药物预处理中起到了枢纽作用。如果NO产生过多,导致氧自由基大量产生则介导了细胞损伤作用。(6)肾上腺素(AD):一般认为在IPC的细胞外信号转导中AD的A2和A3受体与抑制性Gi/o蛋白偶联,通过作用于腺苷酸环化酶(AC)产生心肌保护作用(A1和A3在心室肌和血管平滑肌呈优势分布)。A2受体则与Gs蛋白偶联而产生扩血管作用(血管平滑肌呈优势分布)。肾上腺素激动剂诱导IPC的研究已经兴起,但还处于初期阶段。

2.信号传递通路

(1)蛋白激酶C:短时缺血引起体内释放腺苷、缓激肽、NO等内源性物质,作用于心肌的相应受体偶联抑制性G蛋白,激活磷脂酶C(PLC),PLC使磷脂酰二磷酸肌醇(PIP2)分解生成三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG),IP3和DAG作为第二信使分别激活Ca2+通道和PKC,使效应蛋白磷酸化,介导了IPC对心肌细胞的保护作用。现已证明PKC在IPC的细胞内信息传递中起关键作用,它的激活是IPC所共有的细胞内机制。应用PKC激动剂佛波醇酯(PMA)在大鼠可模拟出IPC效应,该效应可被PKC拮抗剂螯丁二烯消除。PKC在DAG和Ca2+的作用下,从胞浆移位到细胞膜和线粒体膜上,使KATP通道蛋白或其他效应蛋白质磷酸化,呈现出IPC早期的保护作用;PKC也可移位到细胞核中,使基因转录因子(NF-kB)磷酸化,加速基因的转录,诱导HSPs和SOD的合成,这可能是IPC延迟相保护心肌的物质基础。

(2)酪氨酸蛋白激酶和丝裂原活化蛋白激酶:二者主要参与延迟性保护机制。触发因子可以通过G蛋白激活上述激酶,然后使NF-kB磷酸化,后者调节原癌基因和应急蛋白基因的表达。3.终末效应物

(1)KATP通道:KATP通道是PKC介导IPC的重要终末效应器之一。KATP通道不仅存在于细胞膜,也存在于线粒体膜,激活线粒体膜上的KATP通道,复极化时K+外流增加,导致动作电位时程和不应期缩短,平台期缩短,电压依赖性Ca2+通道活性下降,Ca2+内流减小,减轻钙超载引起的损伤;同时心肌收缩力减弱,减少ATP消耗,保护缺血心肌。依据包括:①腺苷及其选择性A1受体激动剂诱导的IPC可被KATP通道阻断剂阻断。②由PKC激动剂所诱导的预处理作用能被KATP通道阻断剂取消。③同时给予腺苷和PKC激动剂可引起通过KATP通道离子流量的增加。④膜片钳技术表明,PKC激活显着加强心肌细胞KATP通道活动。实验证明KATP通道开放剂二氮嗪模拟IPC时能保存细胞内能量,保护收缩功能,提高细胞生存率。

(2)热休克蛋白和抗氧化酶:延迟相IPC期间HSPs和SOD明显增加,推测HSPs和SOD是IPC延迟相保护作用的主要内源性物质。此外,还有谷胱甘肽过氧化酶、触酶等抗氧化酶的生成。活化的PKC可以激活MAPKs,两者共同作用于细胞核内的NF-kB,促进保护性蛋白基因的转录,以合成具有保护作用的HSPs和SOD等抗氧化酶,增加心肌对缺血、缺氧的耐受力。HSP保护缺血心肌的机制是:①开放KATP通道。应用特异性KATP通道阻断剂格列本脲后,HSPs缩小心肌梗死范围的作用就消失;②抗氧化作用。HSPs可引起细胞内诸多变化,使一些酶活性增强,调整[Ca2+]i浓度、pH值、ATP合成、SOD产生以及使氧自由基被代谢等;③HSPs磷酸化发生快速反应,有立即保护细胞的作用。SOD的增加可以清除缺血/再灌注时产生的自由基,拮抗其对膜脂质的过氧化反应,保持细胞的结构完整性和膜表面蛋白质的功能,发挥其保护作用。

五、缺血预处理的临床应用前景

在研究IPC对人类心肌作用的过程中,发现IPC可对随后模拟的缺血/再灌注及缺氧/复氧损伤产生显着的保护作用,展示了IPC在临床应用方面的诱人前景。IPC保护心肌的机制复杂,如能进一步探明,将可能通过各种方法诱导产生预处理样保护作用,改善心肌对缺血的耐受性。应用于心脏外科手术,可提高心肌保护水平,扩大某些心脏手术的适应症,降低心脏手术死亡率,减少术后并发症,改善术后心脏功能恢复,提高疗效;在心脏移植手术中延长供心保存时间,提高供心质量及移植成功率。同时,研究IPC不仅有利于对心肌缺血的病理生理过程的理解,而且为临床探索防治心肌缺血的方法提供了新的思路和途径。另外,对心肌缺血后处理和远程器官预缺血的心肌保护作用的研究也在进行中。