缺血/再灌注時心肌保護(hù)通路的研究進(jìn)展

屈園園(綜述)，余鋰鐳，江　洪(審校)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科，武漢 430060)

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缺血/再灌注時心肌保護(hù)通路的研究進(jìn)展

屈園園△(綜述)，余鋰鐳，江洪※(審校)

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科，武漢 430060)

摘要：近年來，我國急性心肌梗死發(fā)病率明顯上升，已接近國際平均水平。心肌缺血/再灌注損傷(I/RI)是缺血心肌恢復(fù)血運后的常見并發(fā)癥。研究表明，I/RI與線粒體功能結(jié)構(gòu)損害關(guān)系密切。心肌發(fā)生缺血/再灌注時，心肌細(xì)胞發(fā)生一系列病理生理變化。迄今為止,已發(fā)現(xiàn)多種手段可用來減弱I/RI，該保護(hù)通路包括乙酰膽堿、一氧化氮合酶、一氧化氮、內(nèi)皮細(xì)胞、蛋白激酶Cε、線粒體連接蛋白43、線粒體ATP敏感性鉀離子通道。

關(guān)鍵詞：缺血/再灌注損傷；心肌細(xì)胞；線粒體

發(fā)生心肌梗死時，及時手術(shù)或溶栓治療能挽救部分心肌，降低心功能損傷程度。但在血流恢復(fù)的同時，伴隨有缺血/再灌注損傷(ischemia/reperfusion injury，I/RI)。缺血預(yù)處理(ischemic precondition，IPC)、缺血后處理、藥物處理以及迷走神經(jīng)刺激術(shù)均能發(fā)揮心肌保護(hù)作用，對抗I/RI。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為[1]，線粒體是真核細(xì)胞ATP生成的主要場所。新近研究發(fā)現(xiàn)[2]，缺血/再灌注時線粒體與心肌保護(hù)通路關(guān)系密切，是心肌細(xì)胞存活和心律失常發(fā)生的一個關(guān)鍵因素。對于該保護(hù)通路的研究越來愈多，但其保護(hù)機(jī)制尚未完全明了，現(xiàn)就該通路及其構(gòu)成進(jìn)行綜述。

1乙酰膽堿

早期研究發(fā)現(xiàn)[3]，乙酰膽堿(acetylcholine,Ach)是依賴于內(nèi)皮細(xì)胞的血管擴(kuò)張因子。缺血/再灌注發(fā)生后，心臟冠狀動脈對Ach的擴(kuò)張反應(yīng)顯著降低。而只對實驗動物進(jìn)行缺血處理，取下冠狀動脈后發(fā)現(xiàn)，其對Ach的舒張反應(yīng)并無變化[4]，證明心肌缺血后內(nèi)皮功能受損是再灌注損傷的表現(xiàn)。

Ach通過一氧化氮(nitric oxide，NO)，選擇性增加蛋白激酶Cε(protein kinase Cε，PKCε)酶活性，而對其他PKC異構(gòu)體無任何影響[5]。缺血和再給氧可產(chǎn)生大量自由基，短暫給予Ach可顯著減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，增加存活的心肌細(xì)胞。毒蕈堿受體對于氧自由基的產(chǎn)生至關(guān)重要，生成的這些氧自由基中，NO占到大部分，但同時也存在其他含氧產(chǎn)物，如H2O2[5]。

2一氧化氮合酶

NO可由3種一氧化氮合酶( nitric oxide synthase,NOS)異構(gòu)體催化合成——誘導(dǎo)型NOS(inducible NOS，iNOS)、內(nèi)皮型NOS(endothelial NOS，eNOS)，神經(jīng)型NOS(neuronal NOS，nNOS)。心肌細(xì)胞持續(xù)表達(dá)eNOS和nNOS，并通過亞細(xì)胞定位依賴性途徑誘導(dǎo)出其生物學(xué)活性[6]。正常情況下，心肌細(xì)胞不表達(dá)iNOS，在某些應(yīng)激條件下可表達(dá)，因此被認(rèn)為對心臟有害。NOS催化L-精氨酸轉(zhuǎn)化為L-瓜氨酸和NO，該過程需要還原型輔酶Ⅱ、黃素單核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷酸、鈣調(diào)蛋白、血紅素和四氫生物嘌呤作為輔助因子參與。在缺血/再灌注發(fā)生時，NOS脫偶聯(lián)，失去轉(zhuǎn)換功能，無法將L-精氨酸轉(zhuǎn)化為L-瓜氨酸，NOS將電子自還原型輔酶Ⅱ轉(zhuǎn)移至1分子氧上，生成超氧化物(O2-)，而非NO。由于NOS脫偶聯(lián)，超氧化物生成，導(dǎo)致心肌組織處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，心功能因此受損。伴隨氧化應(yīng)激狀態(tài)，由NOS生成而來的NO水平下降，生物利用度下降。研究表明[7]，糖尿病患者在缺血/再灌注時，iNOS是酶脫偶聯(lián)的靶點，補(bǔ)充BH4，iNOS發(fā)生再偶聯(lián)，保護(hù)心臟[8]。盡管尚未完全了解NOS脫偶聯(lián)的原因，但BH4被超氧化物氧化，NOS磷酸化，NOS功能性二聚體遭到破壞在其中發(fā)揮重要作用。缺血/再灌注發(fā)生可引起NOS脫偶聯(lián)，而NOS脫偶聯(lián)可進(jìn)一步促進(jìn)再灌注后的損傷和心功能不全的發(fā)生，導(dǎo)致I/RI[9]。

NOS脫偶聯(lián)最顯著的誘因是：NOS的輔助因子BH4被氧化，或者二氫葉酸還原酶表達(dá)減少，最終導(dǎo)致BH4生成減少。三磷酸鳥苷通過多個步驟生成BH4，BH4還可以通過另一補(bǔ)救途徑生成——回收的二氫葉酸還原酶將循環(huán)的氧化7，8-二氫生物蝶呤轉(zhuǎn)化為BH4。氧化應(yīng)激清除BH4，在NOS脫偶聯(lián)中發(fā)揮主要作用。超氧化物可直接將BH4氧化為二氫生物蝶呤，NOS二聚體解體發(fā)生脫偶聯(lián)。缺血/再灌注時，這是NOS脫偶聯(lián)的主要原因，由于超氧化物增多，BH4/二氫生物蝶呤比例下降，NOS發(fā)生解偶聯(lián)。氧化應(yīng)激通過氧化作用，直接降低二氫葉酸還原酶表達(dá)，以此降低補(bǔ)救旁路的活性，影響B(tài)H4生物利用度[10]。

3NO

NO不僅是內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的松弛因子，還能影響心臟器質(zhì)和功能。通過刺激可溶性鳥苷酸環(huán)化酶，引起環(huán)鳥苷酸水平增高，并激活蛋白激酶[11]。同時存在一條不依賴于cAMP的NO作用途徑，NO將胱氨酸殘基的游離巰基硝基化(S-亞硝基化)，這能改變酶活性，對心功能的改變至關(guān)重要[12]。NOS脫偶聯(lián)導(dǎo)致了兩種損傷：NO產(chǎn)量下降，過氧化物生成增多。NO除了具有抗氧化作用，還能抑制由還原型輔酶Ⅱ氧化酶催化的超氧化物產(chǎn)生，這種超氧化物是病理狀態(tài)下O2-的主要來源[13]。NO可以成為細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)器。NO可與超氧化物O2-反應(yīng)生成過氧硝酸鹽(ONOO-)。過氧硝酸鹽本身對細(xì)胞有害，但與O2-相比危害較小，同時還能促進(jìn)氧化應(yīng)激。

NO還對心臟收縮功能產(chǎn)生影響，將該作用稱為不依賴于可溶性鳥苷酸環(huán)化酶的S-亞硝基化激活。NO通過非酶促附著的S-亞硝基化來降低-SH的數(shù)量，產(chǎn)生翻譯后化學(xué)修飾，引起相應(yīng)的生物學(xué)功能[S-亞硝基化最重要的靶點(心臟)是電子鏈，尤其是心肌肌漿網(wǎng)Ca2+釋放通道——蘭尼堿2型受體][14]。心肌細(xì)胞中的nNOS位于肌質(zhì)網(wǎng)上，敲除小鼠nNOS基因?qū)е滦呐K射血分?jǐn)?shù)下降，Ca2+分布瞬間改變[15]。蘭尼堿2型受體無法被S-亞硝基化，隨即Ca2+從細(xì)胞肌質(zhì)網(wǎng)漏出(Ca2+漏出不會降低收縮能力，但容易誘發(fā)心律失常)。心肌細(xì)胞內(nèi)eNOS可調(diào)控鈣通道功能，eNOS位于L-型鈣調(diào)蛋白通道上利于S-亞硝基化，能抑制Ca2+灌流[12]。脫偶聯(lián)時，NO生成減少，O2-生成增加導(dǎo)致氧化應(yīng)激，使心肌受損，心臟收縮功能降低。

4內(nèi)皮細(xì)胞受損

缺血后階段內(nèi)皮功能障礙需要氧分子的參與，內(nèi)皮細(xì)胞的I/RI源于活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的生成。ROS清道夫可以減弱或阻止內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙的發(fā)生。動物實驗表明[16]，再灌注所致的內(nèi)皮細(xì)胞損傷是由氧自由基衍生物所致，在微循環(huán)內(nèi)，給予超氧物歧化酶和過氧化氫酶，依賴于內(nèi)皮細(xì)胞的舒張功能受損的情況可得到改善。

氧自由基引起內(nèi)皮細(xì)胞損傷可由一些機(jī)制解釋。超氧化陰離子(O2-)一旦生成，會鈍化NO。而NO可抑制中性粒細(xì)胞的激活和黏附，所以NO產(chǎn)量降低可導(dǎo)致急性炎癥反應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展。另外，再灌注時期生成的自由基也會通過誘導(dǎo)黏附分子(如選擇蛋白或細(xì)胞間黏附分子1)激活中性粒細(xì)胞，使其迅速黏附于內(nèi)皮細(xì)胞。NO產(chǎn)量降低，自由基生成增加，兩者聯(lián)合使中性粒細(xì)胞對內(nèi)皮細(xì)胞的黏附作用增強(qiáng)，中性粒細(xì)胞對內(nèi)皮細(xì)胞的損傷作用得到放大?？紤]到NO還有擴(kuò)張血管的重要屬性，內(nèi)皮細(xì)胞受損同時導(dǎo)致冠狀動脈收縮增強(qiáng)，冠狀動脈痙攣發(fā)生的風(fēng)險增加。

5PKCε

近幾年的研究較多關(guān)注PKCε在IPC中的作用，試圖理解其機(jī)制。有證據(jù)顯示，PKCε在IPC時轉(zhuǎn)移至線粒體[17]，PKCε的肽催化劑(將PKCε傳遞至線粒體)使心肌具備抵抗I/RI的能力，表明心肌保護(hù)作用源于線粒體內(nèi)PKCε的調(diào)控作用。IPC在線粒體中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體系中，數(shù)個轉(zhuǎn)導(dǎo)信號均為PKCε的靶點，其中包括線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔。盡管ROS形成過多會對心肌細(xì)胞造成損害，但少量的ROS能誘發(fā)IPC的保護(hù)作用，激活PKCε。NO選擇性激活PKCε異構(gòu)體，PKCε激活后在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移，其效應(yīng)與IPC相同。

6線粒體連接蛋白43

線粒體連接蛋白43(mitochondrial connexin 43，mCx43)存在于線粒體內(nèi)膜上。已有實驗證明[18]，IPC能增加線粒體上mtCx43的含量。體外實驗中觀察到，PKCε能將mCx43磷酸化，在心肌細(xì)胞保護(hù)作用的信號級聯(lián)反應(yīng)中，PKCε位于mCx43上游[19]。細(xì)胞保護(hù)性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，PKC及其下游的線粒體ATP敏感性鉀通道(mitochondrial ATP-sensitive K+channel,mKATP)均位于肌膜下的線粒體，與上游的受體相鄰。肌原纖維間的線粒體與這些細(xì)胞保護(hù)通路無關(guān)，這類線粒體上的mKATP對二氮平(mKATP開放劑)和PKC均不敏感[18]，說明不同的線粒體亞群有不同的亞細(xì)胞功能，只有肌膜下線粒體通過激活mKATP來達(dá)到保護(hù)心肌細(xì)胞的目的。

7mKATP

有研究顯示，氧自由基衍生物產(chǎn)物通過激活mKATP通道和線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔，促發(fā)IPC信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。mKATP通道開放后，K+流入線粒體，使線粒體基質(zhì)產(chǎn)生去極化以及堿化作用，IPC早期和晚期，基質(zhì)的這些變化通過誘導(dǎo)ROS的下游產(chǎn)物，反過來激活細(xì)胞存活通路[19]。mKATP可在再灌注發(fā)生后降低ROS的產(chǎn)量，維持線粒體膜電位在較高水平，保護(hù)線粒體呼吸功能。在缺血缺氧情況下，呼吸鏈迅速減少。大量ROS生成，使呼吸鏈中的電子迅速漏出，氧化磷酸化脫偶聯(lián)，因此ATP生成減少，呼吸鏈的膜磷脂和蛋白也受到損傷。在缺血缺氧條件下，ATP/ADP比率下降可激活mKATP。吡那地爾心停搏法降低了線粒體ROS的產(chǎn)量，而5-羥基葵酸鹽(mKATP選擇性阻滯劑)可部分阻斷該作用，表明mKAPT通道開放可降低線粒體的氧化性損傷，維持能量供給[20]。mKATP開放對心肌具有保護(hù)作用，其機(jī)制可能為：減少ATP喪失，削弱氧化損傷，維持線粒體膜電位，抑制細(xì)胞內(nèi)鈣超載。

8結(jié)語

發(fā)生心肌梗死的患者越來愈多，隨著介入手術(shù)和冠狀動脈旁路移植術(shù)的普及，I/RI越來越受到人們的重視，對于心肌保護(hù)通路的研究多年來一直是學(xué)術(shù)界的熱點。近年來國內(nèi)外多項實驗多傾向于從線粒體水平上研究亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變和心肌細(xì)胞受損情況，并發(fā)現(xiàn)存在于細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)導(dǎo)動作電位的Cx43同時也存在于線粒體膜上。通過各種干預(yù)，在一系列細(xì)胞信號作用下，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔和mKATP開合情況發(fā)生變化，最終導(dǎo)致線粒體受到不同程度的損傷。這些新的研究成果，為深入了解I/RI的發(fā)生機(jī)制及治療手段提供理論依據(jù)。

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A Study of Myocardial Protective Pathway in Ischemia-ReperfusionQUYuan-yuan,YULi-lei,JIANGHong.(DepartmentofCardiology,RenminHospitalofWuhanUniversity,Wuhan430060,China)

Abstract：The incidence of acute myocardial infarction has been ascending notably in recent years and is reaching international average.Myocardial ischemia/reperfusion injury(I/RI) is a common complication after recover of the blood supply in ischemic myocardium.Studies show that I/RI is closely associated with impairment of mitochondrial function and structure.Cardiomyocytes suffer from a series of pathophysiological changes when ischemia/reperfusion occurs in myocardial infarction.So far multiple measures have been discovered to attenuate I/RI.This protective pathway includes acetylcholine,nitrogen monoxide synthase,nitrogen monoxide,protein kinase Cε,mitochondrial connexin 43 and mitochondrial ATP sensitive potassium channel.

Key words：Ischemia/reperfusion injury; Myochardium; Mitochondria

收稿日期：2014-10-20修回日期：2015-02-27編輯：伊姍

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.007

中圖分類號：R543.31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)18-3283-03