鈣超載及其在心肌缺血/再灌注損傷中的作用機制研究現(xiàn)狀

程永生　陳宇　李冬

【摘要】 在正常生理狀態(tài)下，細胞內(nèi)外游離鈣離子濃度的變化程度保持在相對適當?shù)姆秶０麅?nèi)鈣離子通過在此范圍內(nèi)的濃度變化產(chǎn)生相應的細胞效應。鈣離子作為重要的信號分子參與或調(diào)節(jié)細胞的分泌、分裂、收縮、興奮、電轉(zhuǎn)導、凋亡、運動等重要活動。細胞內(nèi)鈣超載是心肌缺血/再灌注損傷的重要因素之一，過量Ca2+與各種相關蛋白結(jié)合致細胞凋亡啟動、電重構(gòu)、細胞膜相結(jié)構(gòu)的破壞均為損傷機制。

【關鍵詞】 鈣超載； 心肌缺血； 再灌注損傷

探討心肌細胞內(nèi)外鈣離子的重新分布，尤其在心肌細胞缺血/再灌注（myocardial ichemic/reperfusion，MI/R）時，細胞內(nèi)鈣濃度非生理性的顯著升高造成胞內(nèi)鈣超載（Ca2+ overload），并導致細胞功能及代謝障礙，參與心肌缺血/再灌注損傷的作用機制有重要的臨床意義?，F(xiàn)就該機制的研究現(xiàn)狀做一綜合介紹。

1 心肌缺血/再灌注條件下鈣超載的機制

依據(jù)多數(shù)動物實驗模型，心肌細胞內(nèi)鈣超載主要發(fā)生在再灌注期，細胞內(nèi)鈣的高密度分布的原因十分復雜，可能的機制包括如下幾個方面。

1.1 心肌細胞膜鈣漏 心肌細胞膜在缺血/再灌注（myocardial isochaemic/reperfusion，MI/R）條件下生成多種膜脂質(zhì)過氧化物發(fā)生構(gòu)相改變，細胞膜磷脂組分中不飽和脂酸減少使膜流動性減弱，通透性增加[1]。而在細胞內(nèi)游離鈣離子的濃度比細胞外鈣離子濃度低10 000～100 000倍[2]，膜通透性增加（質(zhì)膜裂隙和新的Ca2+通道形成）可導致大量胞外鈣順濃度梯度向胞內(nèi)轉(zhuǎn)移，引起胞內(nèi)鈣濃度升高。

1.2 肌漿網(wǎng)鈣泵破壞 MI/R時ATP消耗及大量OFR的破壞使鈣泵攝鈣功能障礙，致胞內(nèi)鈣離子不能回流鈣庫。鈣庫鈣通道目前發(fā)現(xiàn)的有IP3（三磷酸肌醇）及RyR（ryanodine）受體通道，均為C末端位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的跨膜區(qū)域的跨膜蛋白，即鈣貯庫調(diào)控的鈣通道（store-operated calcium channel，SOCC）。而RyR2被證實為心肌細胞鈣庫調(diào)節(jié)的重要通道。因RyR2受胞內(nèi)Ca2+濃度調(diào)節(jié)，故鈣-促鈣釋放為心肌細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)的重要機制。

1.3 缺血、缺氧時引起細胞酸中毒 再灌注時，通過Na/Ca交換使細胞內(nèi)Ca2+濃度增加。由NCX（Na/Ca交換蛋白）轉(zhuǎn)運。NCX1在心肌中高表達，最早在1990年由犬的心肌中得到克隆。其基因定位于人類染色體的2p21～23，是一種糖基化的跨膜蛋白。缺血時心肌細胞內(nèi)Na+濃度升高，NCX以反相形式存在引起胞內(nèi)Ca2+濃度升高[3]。在Imahashi K，Pott C，Goldhaber J I等[4]進行的選擇性剔除NCX的大鼠心臟模型實驗中，胞內(nèi)Ca2+超載減輕，再灌注損傷改善。

1.4 Na/H交換蛋白（NHE） 存在于心肌細胞的主要是NHE1。當心肌缺血時，糖酵解增加，胞內(nèi)酸度升高，NHE1激活；再灌注時，胞外H+迅速降低，造成胞內(nèi)外H+濃度增大，使NHE1再度激活，大量Na+內(nèi)流，Na+跨膜梯度降低，胞膜上Na+-K+-ATP酶和Na+/Ca2+交換通道激活，而此時ATP供應減少，Na+/K+交換受抑，Na+/Ca2+交換活躍，導致Ca2+內(nèi)流增加。我國已有人進行實驗，應用大鼠心肌建立缺血再灌注模型，證實心肌缺血再灌注可負性影響Na+-K+-ATP酶α1，α2，α3，β1亞基mRNA及蛋白基因表達，抑制Na+-K+-ATP酶活性。從而在基因表達層面上探討了心肌缺血再灌注條件下Na+/K+交換受抑的機制[5]。

2 鈣超載在心肌缺血/再灌注損傷（myocardial isochaemic/reperfusion injury，MIRI）中的作用機制

2.1 高濃度的細胞內(nèi)鈣可以激活PLA2（磷脂酶A2）和鈣敏感性蛋白 兩者的激活可導致花生四烯酸的生成，后者不僅干擾細胞膜還是環(huán)氧化酶的底物。其中一種重要的鈣激活酶就是PLC，它能催化磷酸肌醇水解為三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），而前者與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的受體結(jié)合使鈣庫鈣通道開放；后者（DG）在有Ca2+、磷脂酰絲氨酸存在的情況下激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），PKC可激活多種蛋白，包括Na+/Ca2+交換蛋白（NCX）、Na+/H+交換蛋白（NHE），使其磷酸化，進一步導致鈣離子分布的紊亂；Ca2+激活的磷脂酶可促進膜磷脂分解，與氧自由基（OFR）協(xié)同作用破壞生物膜。另外，國外有實驗利用鼠建立壓力超載誘導心肌肥厚致心衰的動物模型研究鈣依賴激酶Ⅱ（Ca2+/calmodulin-dependent kineaseⅡ）的轉(zhuǎn)化條件，發(fā)現(xiàn)選擇性剔除CaMKⅡδ的小鼠（KO mice）心肌受損進程得以限制，而CaMKⅡδ對心肌耗竭的作用主要通過擴增RyR2調(diào)節(jié)的肌質(zhì)網(wǎng)鈣漏形成大量的瞬時鈣流相關[6]。

2.2 有研究發(fā)現(xiàn)鈣超載對心肌的損害主要來自于線粒體功能的障礙，即線粒體鈣超載是心肌再灌注損傷的主要原因。實驗發(fā)現(xiàn)，再灌注時肌漿網(wǎng)（sarcoplasmi reticulum，Sr）和肌膜Ca2+的減少與胞漿及線粒體Ca2+增呈負線性相關，而胞漿與線粒體Ca2+呈正線性相關。線粒體上膜轉(zhuǎn)運蛋白受損，能量供應障礙及Na+超載。Ca2+可在線粒體內(nèi)形成磷酸鈣鹽沉積破壞線粒體結(jié)構(gòu)和功能，干擾線粒體氧化磷酸化，使能量代謝障礙，ATP生成減少[7-8]。

2.3 鈣離子/鈣調(diào)蛋白信使體系過度激活 胞內(nèi)Ca2+與鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）復合體增加。當細胞中Ca2+濃度超過1/100 mmol/L時無活性的CaM即可與Ca2+結(jié)合，因其構(gòu)象改變而被活化，由此可激活的酶主要包括PhK、MLCK、CaM-PK三種類型。目前研究比較清楚的是CaM-PK。它可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類型，其中已證明CaM-PKⅡ可使微管連接蛋白（MAP）迅速磷酸化，磷酸化的MAP能抑制微管的組裝，進而促進微管的解體。這個機制也可能在心肌再灌注損傷中通過對細胞骨架破壞起作用。

2.4 胞內(nèi)高鈣環(huán)境與細胞凋亡啟動 目前，有證據(jù)的凋亡誘導因子就包括Ca2+，在正常生理情況下，誘導與抑制因子處在一個相對平衡的狀態(tài)。國外曾有實驗研究應用長效鈣通道拮抗劑（benidipine）作用于缺血再灌注心肌，觀察抗心肌細胞凋亡的效果[9]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)benidipine可以減小心肌死亡的范圍（MI Size）。其可能的機制線粒體結(jié)構(gòu)被高鈣環(huán)境破壞后（MPTP，線粒體滲透性轉(zhuǎn)運孔道持續(xù)開放），細胞色素C釋放，激活半胱氨酸蛋白酶，誘導心肌凋亡。如ICE就是一種半胱氨酸蛋白酶，同時它也是細胞凋亡的關鍵酶。另外，由心肌細胞凋亡的生化特性也可見凋亡細胞表現(xiàn)出特征性的DNA梯條帶（DNA ladders），形成酶切效果[10]。現(xiàn)在可知催化DNA降解的多是依賴Ca2+/Mg2+的核酸內(nèi)切酶。有研究認為CA2+能通過兩條途徑誘導細胞凋亡。一是細胞內(nèi)鈣濃度持續(xù)升高，作為凋亡信號啟動凋亡；二是Ca2+的釋放打破了細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，是細胞凋亡系統(tǒng)的關鍵成分與正常時不能接觸到的基質(zhì)發(fā)生反應，從而促發(fā)凋亡。

總之，鈣超載在心肌缺血再灌注損傷中的作用十分復雜，兩者形成惡性循環(huán)的相關關系。也有人認為鈣超載在再灌注損傷中是氧自由基損傷和能量代謝障礙的一部分[11]。新近的研究還發(fā)現(xiàn)在心肌梗死早期以細胞凋亡為主要表現(xiàn)，并且決定了梗死嚴重程度和預后。而依據(jù)2007年AHA/ACC發(fā)布STEMI住院治療指南中提出，鈣拮抗劑在AMI治療中不作為一線用藥。臨床試驗顯示，無論是AMI早期或晚期，Q波或非Q波心肌梗死，是否合用β recepter blocker，給予速效硝苯地平均不能降低再梗死率和病死率，對部分患者甚至有害[12]。指南對非二氫吡啶類的CCB也未作Ⅰ類推薦。因此，鈣超載在心肌缺血/在灌注損傷中的地位和可能的作用機制尚需進一步研究，以更好的應用于臨床治療。

參考文獻

[1] 朱靜峰，黃冬.氧自由基、鈣超載與心肌缺血再灌注損傷[J].云南醫(yī)藥，2007，28（1）：15-16.

[2] 宋今丹.醫(yī)學細胞分子生物學[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006：821.

[3] 王雅鋒，方秋娟.鈉/鈣和鈉/氫交換蛋白與心肌缺血再灌注損傷[J].醫(yī)學綜述，2007，13（5）：1.

[4] Imahashi K，Pott C，Goldhaber J I，et al.Cardiac-specific ablation of the Na+.Ca2+ exchan ger confers protection against ischemia/reperfusion injury[J].Circ Res，205，97（9）：916-921.

[5] 儲岳峰，柯永勝，俞國華，等.大鼠心肌缺血再灌注損傷對心肌細胞膜Na+-K+-ATP酶亞基基因表達的影響與意義[J].中國動脈硬化雜志，2007，15（3）：69.

[6] Haiyun Ling，Tong Zhang，Laetitia Pereira，et al.Requirement for Ca2+/calmodulin-dependent kinase Ⅱ in the transition from pressure overload-induced cardiac hypertrophy to heart failure in mice Research article Related Commentary[J].The Journal of Clinical Investigation，2009，119（5）：1230-1240.

[7] Miyamae M，Camacho S A，Weiner M W，et a1.Attenuation of postischemic reperfusion injury is related to prevention of Ca2+ overload in rat hearts[J].Am J Physiol，1996，271（5 Pt 2）：2145-2153.

[8] 朱妙章，袁文俊，吳博威，等.心血管生理與臨床[M].北京：高等教育出版社，2004：300.

[9] Feng Gao，Bing Gong，Theodore A，et al.Ma Anti-apoptotic e.ect of benidipine，a long-lasting vasodilating calcium antagonist，in ischaemic/reperfused myocardial cells British Journal of Pharmacology[J].Chinese Journal of Internal Medicine，2001，132（42）：869-878.

[10] Ray S K，F(xiàn)idan M，Nowak M W，et al.Oxidative stress and Ca2+ influx upregnlate calpmn and induce apoptosisin PC 12 cel[J].Brain Res，2000，852（2）：326-334.

[11] 各天祥，張顯清，各春久，等.心肌缺血再灌注損傷亞細胞Ca反常與ATP酶泵功能抑制[J].中華心血管病雜志，2001，29（7）：420-423.

[12] Yusuf S，Mehata S R，Chrolavicius S，et al.Effects of fondaparinux on mortality and reinfarction in patients with acute ST-segment elevation myocardial infarction；the OASIS-6 randomized trail[J].JAMA，2006，295（3）：1519-1530.

（收稿日期：2012-10-10） （本文編輯：李靜）