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心肌缺血/再灌注損傷和心肌缺血預(yù)處理
心肌缺血/再灌注損傷和心肌缺血預(yù)處理 一、心肌的代謝特點
心臟是一個機械作功的器官,這就決定了它具有高耗能、高耗氧、高代謝率的特點。心肌的氧攝取率高達(dá)70%,當(dāng)心肌耗氧增加時,再提高氧攝取率的潛力很小,需靠擴(kuò)張冠脈、增加血流量以增加氧的供應(yīng)。任何造成心臟耗氧增加和/或供氧減少的因素都影響心臟作功。心肌有氧氧化的能力強而耐缺氧能力差。正常情況下,心肌的代謝基本上全是需氧的。代謝物(底物)的氧化不斷地為心肌作功提供高能磷酸鍵;當(dāng)氧供應(yīng)受限時,則通過刺激無氧糖酵解產(chǎn)能。產(chǎn)能的場所主要在線粒體,耗能過程主要用于肌動蛋白和肌球蛋白的結(jié)合以及各種離子泵的活動。
二、心肌缺血引起的代謝變化
(一)產(chǎn)能減少:心肌缺血使心肌組織氧供減少,線粒體氧化磷酸化減弱,ATP 生成減少。盡管無氧糖酵解加強,但產(chǎn)能效率低。心肌的能量代謝狀態(tài)與心肌缺血損傷程度有直接關(guān)系,當(dāng)缺血心肌ATP含量在正常的35%以上時,缺血性損傷是可逆的;當(dāng)ATP含量降至正常的20%,則產(chǎn)生不可逆性缺血性損傷。
(二)細(xì)胞內(nèi)酸中毒:心肌缺血時糖酵解加強,乳酸生成增多;CO2的蓄積可轉(zhuǎn)化為H2CO3; ATP 分解過程中產(chǎn)生H+;Ca2+與線粒體內(nèi)磷酸根結(jié)合釋放H+。這些變化均可使細(xì)胞內(nèi)H+濃度升高。
(三)細(xì)胞內(nèi)鈣超載:下列因素可造成細(xì)胞內(nèi)鈣超載。
1.心肌缺血時氧供和氧化底物均減少,則ATP 生成減少,使各離子泵(包括鈣泵)的功能減弱,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度([Ca2+]i)增加。
2.細(xì)胞內(nèi)酸中毒啟動Na+-H+交換,以減輕酸中毒程度;但同時細(xì)胞內(nèi)Na+濃度的升高又激活 Na+-Ca2+交換,導(dǎo)致[Ca2+]i升高。
3.缺血時兒茶酚胺釋放增加,通過細(xì)胞膜上的a、b受體激活Ca2+通道,使Ca2+內(nèi)流增加;同時還刺激肌質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+。二者使[Ca2+]i升高。
(四)自由基生成:缺血、缺氧時ATP 代謝產(chǎn)物( AMP 和次黃嘌呤)堆積;同時,細(xì)胞內(nèi)鈣超載,激活Ca2+依賴性蛋白水解酶,使黃嘌呤脫氫酶(XD)變構(gòu)成黃嘌呤氧化酶(XO)。在再灌注恢復(fù)血供時,XO 就能催化次黃嘌呤產(chǎn)生大量超氧陰離子。在缺血引起心肌損害的因素中,自由基不起主要作用。
(五)細(xì)胞膜通透性增加:心肌缺血時,脂肪酸氧化受阻,使游離脂肪酸、脂酰CoA 及脂酰肉毒堿等堆積,它們均可使膜通透性異常增加,造成細(xì)胞內(nèi)酶和小分子物質(zhì)外漏,K+ 外流、 Ca2+ 內(nèi)流,膜內(nèi)外原有的離子濃度差變小。
三、心肌缺血/再灌注損傷
(一)概念:缺血心肌在恢復(fù)血流后引起心肌超微結(jié)構(gòu)、功能、代謝及電生理方面的的進(jìn)一步損害叫做心肌缺血/再灌注損傷(Ischemia/reperfusion injury, IRI)。
(二)發(fā)生機制:
1.能量代謝障礙:缺血造成的細(xì)胞膜通透性增加和離子泵的功能減退導(dǎo)致再灌注后細(xì)胞內(nèi)水腫和鈣超載加重。再灌注后使再合成ATP 的物質(zhì)基礎(chǔ)(如腺苷、肌苷、次黃嘌呤等)丟失, ATP 合成在短時間內(nèi)不能恢復(fù)。
2.自由基大量生成:
(1)黃嘌呤氧化酶源性氧自由基的形成增多;
(2)中性粒細(xì)胞源性氧自由基生成增加;
(3)線粒體源性氧自由基生成增加;
(4)兒茶酚胺分泌增多,兒茶酚胺氧化能產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的氧自由基;
(5)體內(nèi)清除自由基能力下降:正常體內(nèi)存在抗氧化系統(tǒng),主要有SOD、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)。這些酶類將正常產(chǎn)生的自由基分解代謝掉。但在IRI時,體內(nèi)抗氧化酶類和抗氧化劑被大量消耗,使自由基清除不足,最終造成自由基增多。自由基的增多損傷生物膜,使酶活性降低,引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+ 超載,誘導(dǎo)炎性介質(zhì)產(chǎn)生。IRI時,自由基生成增多和細(xì)胞內(nèi)鈣超載兩者互為因果。
3.鈣超載:
(1)原因:①生物膜受損,細(xì)胞膜通透性增加:缺血缺氧時細(xì)胞膜的損傷為再灌注時Ca2+ 的內(nèi)流創(chuàng)造了條件。缺血缺氧引起的細(xì)胞內(nèi)酸中毒,再灌注時通過H+-Na+交換和Na+-Ca2+交換而使[Ca2+]i 增加。②線粒體功能障礙:IRI 時產(chǎn)生的氧自由基可破壞線粒體結(jié)構(gòu)和功能, ATP 生成減少,肌膜和肌漿網(wǎng)鈣泵功能障礙,造成[Ca2+]i 增加。
(2)鈣超載引起IRI 的機制:①線粒體ATP 生成減少,造成細(xì)胞能量供應(yīng)嚴(yán)重不足;②細(xì)胞內(nèi)游離鈣增加,使Ca2+與鈣調(diào)蛋白(CaM)結(jié)合增多,激活鈣依賴性蛋白水解酶如磷脂酶、蛋白酶、核酸內(nèi)切酶等,激活的磷脂酶水解生物膜磷脂,導(dǎo)致細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜受損;蛋白水解酶和核酸內(nèi)切酶的活化可引起細(xì)胞骨架和核酸的分解。因此,細(xì)胞內(nèi)游離鈣增加,可使肌纖維攣縮和斷裂,損傷(或破壞)生物膜和細(xì)胞骨架。③鈣超載使鈣依賴性蛋白水解酶激活,促使XD轉(zhuǎn)變?yōu)閄O,使自由基生成增加,損害心肌。另外,鈣依賴性磷脂酶A2的激活,使花生四烯酸(AA)生成增加,后者通過環(huán)氧化酶和脂加氧酶作用產(chǎn)生大量H2O2和羥自由基。四、心肌缺血預(yù)處理及其作用機制
(一)心肌缺血預(yù)處理的概念和特點
1986 年Murry 等人首先報道了心肌缺血預(yù)處理(ischemic preconditioning,IPC)現(xiàn)象。他們在狗實驗中阻斷冠脈左旋支5min,再灌注5min,反復(fù)4 次,然后再阻斷40min,再灌注3h,心肌壞死面積比對照組(阻斷40min 后持續(xù)再灌注)明顯減少,心功能改善,心律失常發(fā)生率降低,自由基的形成減少,心肌超微結(jié)構(gòu)的損害減輕。 1.IPC 定義 反復(fù)多次的短暫心肌缺血對隨后更長時間的心肌缺血/再灌注損傷有保護(hù)作用,能提高心肌對缺血的耐受性。因此,預(yù)處理是指預(yù)先給予某種損傷性刺激,以提高心肌細(xì)胞自身抗損傷的耐受性或適應(yīng)性。
2.IPC 保護(hù)作用的特點
(1)普遍性:預(yù)先給機體或器官、細(xì)胞某種損害性刺激,使受損傷的器官(如心臟)產(chǎn)生耐受性或適應(yīng)性。預(yù)處理效應(yīng)是生物界存在的一種普遍規(guī)律。
(2)非特異性:盡管預(yù)處理辦法各不相同,但其保護(hù)作用及其機制是相似的。
(3)保護(hù)作用的時段性:早期IPC持續(xù)約1~3h(豬約1h,狗和兔約2h);延遲階段的IPC作用在24h后出現(xiàn),可持續(xù)數(shù)小時、數(shù)天或者更長;延遲階段多稱作延遲性預(yù)處理(delayed preconditioning),亦稱為“保護(hù)作用的第二窗口”。參與這二個階段的機制不同,但彼此間存在一定的聯(lián)系;沒有早期階段的保護(hù)作用,不可能發(fā)生隨后延遲階段的保護(hù)作用。早期 IPC產(chǎn)生迅速而短暫,此期的機制可能是:①腺苷受體通過蛋白激酶C(PKC)激活KATP通道; ②內(nèi)皮源性一氧化氮合酶(eNOS)表達(dá)增加而使cGMP水平上升,后者導(dǎo)致預(yù)處理器官反應(yīng)性充血而發(fā)揮其早期保護(hù)作用。延遲IPC起效緩慢而持久,此期特點在于有大量基因表達(dá)和新蛋白合成如熱休克蛋白(HSPs)和SOD。G蛋白偶聯(lián)受體、PKC和ATP敏感性鉀通道(KATP通道)也在此期發(fā)揮作用,但機制可能有所不同。(4)有限的記憶性:如果預(yù)處理與隨后的長時間缺血的間隔時間由10min 增加至1~2h,心肌將不再“記憶”它曾被預(yù)處理過,于是保護(hù)作用隨之喪失。
(二)心肌缺血預(yù)處理的機制
IPC是涉及多種因素參與的復(fù)雜過程, 釋放的內(nèi)源性物質(zhì)通過細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)心肌功能。一般可分為內(nèi)源性觸發(fā)物的激活、信號傳遞通路的活化及終末效應(yīng)物形成等三個過程。內(nèi)源性觸發(fā)物質(zhì)一般包括腺苷、緩激肽、降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)等,信號傳遞通路有PKC、酪氨酸激酶和絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)等,終末效應(yīng)物有KATP通道、HSPs、SOD等。
1.內(nèi)源性觸發(fā)物質(zhì)
(1)腺苷 腺苷A1 和A3 受體的激活所導(dǎo)致的內(nèi)源性腺苷釋放增加是啟動和介導(dǎo)IPC 的重要環(huán)節(jié)。在預(yù)處理低氧灌流階段,細(xì)胞內(nèi)腺苷釋放驟增。給予外源性腺苷預(yù)處理心肌可模擬 IPC 的保護(hù)作用,在IPC 前給予腺苷受體阻斷藥則可以阻斷IPC 對心肌的保護(hù)作用,說明腺苷在預(yù)處理中是一重要介質(zhì)。腺苷轉(zhuǎn)運抑制劑(如潘生丁、曲氟嗪)能提高血液中的腺苷濃度,有抗心肌缺血的作用。在冠脈成形術(shù)(PTCA)前,冠脈內(nèi)加入潘生丁預(yù)處理,病人耐受球囊擴(kuò)張時間延長。冠脈搭橋手術(shù)前滴注腺苷能增加心肌耐受缺血的能力,加快術(shù)后心功能的恢復(fù)。 (2)緩激肽 心肌缺血時引起冠脈內(nèi)皮釋放緩激肽(bradykinin),作用于緩激肽B2受體,誘發(fā)某些PKC 同構(gòu)體迅速而短暫地易位,并可觸發(fā)NO 和前列環(huán)素(PGI2)的釋放,NO 釋放引起 cGMP 水平升高,抑制L-鈣通道,抑制心肌收縮和降低能量消耗;NO還有擴(kuò)張冠脈和抑制血小板黏附作用。外源性緩激肽可模擬IPC 樣心肌保護(hù)作用,應(yīng)用NO 合酶抑制劑和環(huán)氧化酶抑制劑可以阻斷緩激肽對缺血心肌的保護(hù)作用。
(3)降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP):CGRP是心血管肽能神經(jīng)纖維釋放的一種遞質(zhì),廣泛分布于血管壁上,短暫缺血引起CGRP 的釋放,應(yīng)用CGRP 灌注離體心臟或用促CGRP 釋放劑(辣椒素) 均可模擬出IPC 效應(yīng),其對心肌的保護(hù)效應(yīng)可被其受體拮抗劑CGRP8-37 逆轉(zhuǎn),證實CGRP 介導(dǎo)IPC 效應(yīng)。有研究顯示缺血預(yù)處理第一次和第三次缺血末血漿CGRP 濃度較對照組顯著增高,并明顯降低室性心律失常發(fā)生率和心肌梗死面積,表明CGRP 在IPC中發(fā)揮作用。 (4) 類阿片肽:近年來阿片肽在介導(dǎo)IPC中的作用逐漸得到重視。主要激活Gi/o蛋白,后者激活PKC,PKC又可激活線粒體膜上的KATP通道。IPC的保護(hù)作用(緩解心絞痛、減小梗塞面積)在給予阿片類藥物后即刻出現(xiàn),并且在24h后再現(xiàn)。其緩解心絞痛作用不依賴于其鎮(zhèn)痛效應(yīng)。非特異性拮抗劑納洛酮以及d受體拮抗劑7-benzyli-denaltrexone可抑制IPC。
(5) NO:IPC的延遲效應(yīng)與NO水平中度升高有關(guān)。NO激活鳥苷酸環(huán)化酶使cGMP增多,后者激活磷酸二酯酶(PDE)使cAMP水平下降而產(chǎn)生一系列效應(yīng)。單磷脂A(MIA)誘發(fā)的心肌延遲性保護(hù)作用依賴于誘生型NO合成酶( iNOS),給予拮抗劑S-meth-ylisothiourea (3mg/kg)可取消MIA 的作用,在iNOS基因敲除的動物,MLA根本不能發(fā)揮心肌保護(hù)作用,因此NO被認(rèn)為在MIA藥物預(yù)處理中起到了樞紐作用。如果NO產(chǎn)生過多,導(dǎo)致氧自由基大量產(chǎn)生則介導(dǎo)了細(xì)胞損傷作用。(6)腎上腺素(AD):一般認(rèn)為在IPC的細(xì)胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中AD的A2和A3受體與抑制性Gi/o蛋白偶聯(lián),通過作用于腺苷酸環(huán)化酶(AC)產(chǎn)生心肌保護(hù)作用(A1和A3在心室肌和血管平滑肌呈優(yōu)勢分布)。A2受體則與Gs蛋白偶聯(lián)而產(chǎn)生擴(kuò)血管作用(血管平滑肌呈優(yōu)勢分布)。腎上腺素激動劑誘導(dǎo)IPC的研究已經(jīng)興起,但還處于初期階段。
2.信號傳遞通路
(1)蛋白激酶C: 短時缺血引起體內(nèi)釋放腺苷、緩激肽、NO等內(nèi)源性物質(zhì),作用于心肌的相應(yīng)受體偶聯(lián)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作為第二信使分別激活Ca2+ 通道和PKC,使效應(yīng)蛋白磷酸化,介導(dǎo)了IPC對心肌細(xì)胞的保護(hù)作用�，F(xiàn)已證明PKC在IPC的細(xì)胞內(nèi)信息傳遞中起關(guān)鍵作用,它的激活是IPC所共有的細(xì)胞內(nèi)機制。應(yīng)用PKC激動劑佛波醇酯(PMA)在大鼠可模擬出 IPC效應(yīng),該效應(yīng)可被PKC拮抗劑螯丁二烯消除。PKC在DAG和Ca2+ 的作用下,從胞漿移位到細(xì)胞膜和線粒體膜上,使KATP通道蛋白或其他效應(yīng)蛋白質(zhì)磷酸化,呈現(xiàn)出IPC早期的保護(hù)作用; PKC也可移位到細(xì)胞核中,使基因轉(zhuǎn)錄因子(NF-kB)磷酸化,加速基因的轉(zhuǎn)錄,誘導(dǎo)HSPs 和SOD的合成,這可能是IPC延遲相保護(hù)心肌的物質(zhì)基礎(chǔ)。
(2)酪氨酸蛋白激酶和絲裂原活化蛋白激酶:二者主要參與延遲性保護(hù)機制。觸發(fā)因子可以通過G蛋白激活上述激酶,然后使NF-kB磷酸化,后者調(diào)節(jié)原癌基因和應(yīng)急蛋白基因的表達(dá)。 3. 終末效應(yīng)物
(1)KATP通道: KATP通道是PKC介導(dǎo)IPC的重要終末效應(yīng)器之一。KATP通道不僅存在于細(xì)胞膜,也存在于線粒體膜,激活線粒體膜上的KATP通道,復(fù)極化時K+ 外流增加,導(dǎo)致動作電位時程和不應(yīng)期縮短,平臺期縮短,電壓依賴性Ca2+通道活性下降,Ca2+內(nèi)流減小,減輕鈣超載引起的損傷;同時心肌收縮力減弱,減少ATP消耗,保護(hù)缺血心肌。依據(jù)包括:①腺苷及其選擇性A1 受體激動劑誘導(dǎo)的IPC可被KATP通道阻斷劑阻斷。②由PKC激動劑所誘導(dǎo)的預(yù)處理作用能被KATP 通道阻斷劑取消。③同時給予腺苷和PKC 激動劑可引起通過KATP通道離子流量的增加。④膜片鉗技術(shù)表明,PKC激活顯著加強心肌細(xì)胞KATP通道活動。實驗證明KATP通道開放劑二氮嗪模擬 IPC 時能保存細(xì)胞內(nèi)能量,保護(hù)收縮功能,提高細(xì)胞生存率。
(2)熱休克蛋白和抗氧化酶:延遲相IPC期間HSPs和SOD 明顯增加,推測HSPs 和SOD 是 IPC 延遲相保護(hù)作用的主要內(nèi)源性物質(zhì)。此外,還有谷胱甘肽過氧化酶、觸酶等抗氧化酶的生成�；罨腜KC 可以激活MAPKs,兩者共同作用于細(xì)胞核內(nèi)的NF-kB,促進(jìn)保護(hù)性蛋白基因的轉(zhuǎn)錄,以合成具有保護(hù)作用的HSPs 和SOD 等抗氧化酶,增加心肌對缺血、缺氧的耐受力。HSP保護(hù)缺血心肌的機制是:①開放KATP通道。應(yīng)用特異性KATP通道阻斷劑格列本脲后, HSPs 縮小心肌梗死范圍的作用就消失;②抗氧化作用。HSPs 可引起細(xì)胞內(nèi)諸多變化,使一些酶活性增強,調(diào)整[Ca2+]i 濃度、pH 值、ATP合成、SOD 產(chǎn)生以及使氧自由基被代謝等;③ HSPs 磷酸化發(fā)生快速反應(yīng),有立即保護(hù)細(xì)胞的作用。SOD 的增加可以清除缺血/再灌注時產(chǎn)生的自由基,拮抗其對膜脂質(zhì)的過氧化反應(yīng),保持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)完整性和膜表面蛋白質(zhì)的功能,發(fā)揮其保護(hù)作用。
五、缺血預(yù)處理的臨床應(yīng)用前景
在研究IPC 對人類心肌作用的過程中,發(fā)現(xiàn)IPC可對隨后模擬的缺血/再灌注及缺氧/復(fù)氧損傷產(chǎn)生顯著的保護(hù)作用,展示了IPC 在臨床應(yīng)用方面的誘人前景。IPC 保護(hù)心肌的機制復(fù)雜,如能進(jìn)一步探明,將可能通過各種方法誘導(dǎo)產(chǎn)生預(yù)處理樣保護(hù)作用,改善心肌對缺血的耐受性。應(yīng)用于心臟外科手術(shù),可提高心肌保護(hù)水平,擴(kuò)大某些心臟手術(shù)的適應(yīng)癥,降低心臟手術(shù)死亡率,減少術(shù)后并發(fā)癥,改善術(shù)后心臟功能恢復(fù),提高療效;在心臟移植手術(shù)中延長供心保存時間,提高供心質(zhì)量及移植成功率。同時,研究IPC不僅有利于對心肌缺血的病理生理過程的理解,而且為臨床探索防治心肌缺血的方法提供了新的思路和途徑。另外,對心肌缺血后處理和遠(yuǎn)程器官預(yù)缺血的心肌保護(hù)作用的研究也在進(jìn)行中。
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