氫氣對(duì)心肌缺血再灌注損傷的保護(hù)作用

李淑英 李慧 倪娟

四川大學(xué)華西第二醫(yī)院，出生缺陷與相關(guān)婦兒疾病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都 610041）

心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia?reperfusion injury，MIRI）是指短時(shí)間內(nèi)中斷心肌血供，一定時(shí)間后再恢復(fù)心肌血流灌注，反而加重心肌損傷，引起細(xì)胞死亡，導(dǎo)致梗死范圍擴(kuò)大，造成心功能進(jìn)一步損害。MIRI常見于冠心病和心臟手術(shù)，是心血管疾病中導(dǎo)致患者發(fā)生并發(fā)癥和死亡的主要原因之一。最新研究顯示，冠心病急性心梗引起的MIRI將導(dǎo)致10%的患者死亡，而心功能不全發(fā)生率超過25%［1］。在心臟手術(shù)圍術(shù)期，約2%～3%的患者死于MIRI，25%的患者因MIRI而導(dǎo)致不同程度的心功能不全、心律失常和低血壓等并發(fā)癥［2-3］。隨著溶栓療法和經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療技術(shù)的不斷發(fā)展，可以使缺血心肌很快重新恢復(fù)血液灌注及氧供應(yīng)，這也給MIRI的治療帶來新的挑戰(zhàn)。目前MIRI臨床應(yīng)用和研究較多的治療方法是藥物治療，包括各種化學(xué)類藥物，中藥及多肽藥物等，但療效不甚明顯。以及各種物理治療方法，包括缺血預(yù)適應(yīng)、缺血后處理、遠(yuǎn)處缺血處理等，療效也不甚確切。

因此，尋找安全、有效、可行的方法減輕心肌損傷對(duì)于降低MIRI并發(fā)癥的發(fā)生率和死亡率，提高患者的預(yù)后和生活質(zhì)量具有重大的社會(huì)價(jià)值。氣體治療是近幾年來新興的治療MIRI的方法，主要研究的氣體有一氧化氮、一氧化碳、硫化氫以及氫氣等。現(xiàn)階段國(guó)外研究最多的是硫化氫，已有較多文獻(xiàn)證實(shí)其可通過舒張血管平滑肌，抗炎，抗氧化應(yīng)激及抑制心肌細(xì)胞凋亡等，從而保護(hù)受損心?。?-6］。但由于硫化氫的毒性，而氫氣作為一種無毒溫和的選擇性還原性氣體逐漸成為了國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)，目前已有文獻(xiàn)報(bào)道了其對(duì)MIRI的保護(hù)作用［7-10］。本文就氫氣對(duì)MIRI的保護(hù)作用做一綜述。

1 心肌缺血/再灌注損傷（MIRI）

心肌在缺血一定時(shí)間后恢復(fù)血液再灌注反而會(huì)加重心肌損傷，即心肌缺血/再灌注損傷。如何改善MIRI是近年來臨床研究的熱點(diǎn)，到目前為止，臨床上尚無避免MIRI的有效治療方法。MIRI的機(jī)制研究有很多，其中氧化應(yīng)激、細(xì)胞內(nèi)鈣超載及炎癥學(xué)說是比較公認(rèn)的機(jī)制，其他機(jī)制還包括細(xì)胞凋亡學(xué)說、心肌能量代謝障礙等。

1.1 氧化應(yīng)激氧自由基（oxygen freeradical，OFR）是生物體內(nèi)物質(zhì)氧化過程中產(chǎn)生的不完全代謝產(chǎn)物，其性質(zhì)不穩(wěn)定、氧化能力強(qiáng)，易對(duì)細(xì)胞造成損傷。正常生理?xiàng)l件下，心肌細(xì)胞中存在少量氧自由基會(huì)被機(jī)體完整的抗氧化系統(tǒng)快速清除，機(jī)體的氧自由基清除系統(tǒng)包括：超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等。但在心肌細(xì)胞發(fā)生缺血缺氧時(shí)，氧自由基清除系統(tǒng)的功能將降低甚至喪失，而氧自由基生成系統(tǒng)的活性將增強(qiáng)。因此缺血心肌在早期恢復(fù)血供和氧供后，會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，氧自由基會(huì)大量產(chǎn)生并急劇堆積，當(dāng)超過機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的清除能力時(shí)，氧自由基就會(huì)與心肌細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損［11］。已有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)［12］，缺血心臟組織再灌注后，缺血區(qū)產(chǎn)生了大量的氧自由基，氧化應(yīng)激是組織缺血再灌注損傷的重要因素之一。

1.2 細(xì)胞內(nèi)鈣超載在心肌發(fā)生缺血、缺氧的過程中，大量氧自由基的產(chǎn)生所引發(fā)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)加強(qiáng)，心肌細(xì)胞膜通透性增加，鈣離子通道大量開放，促進(jìn)細(xì)胞外鈣離子大量?jī)?nèi)流引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子堆積。細(xì)胞內(nèi)高濃度的鈣會(huì)激活鈣依賴性蛋白酶，催化黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)化為黃嘌呤氧化酶，促進(jìn)黃嘌呤分解為尿酸，同時(shí)產(chǎn)生大量的氧自由基。氧自由基和鈣超載相互促進(jìn)形成惡性循環(huán)，加重心肌細(xì)胞的損傷。同時(shí)因心肌細(xì)胞內(nèi)pH值明顯降低，細(xì)胞內(nèi)酸中毒又激活細(xì)胞膜上的 Na+?H+和 Na+?Ca2+交換通道，鈣離子內(nèi)流增加，加重細(xì)胞內(nèi)鈣超載。細(xì)胞內(nèi)鈣超載破壞線粒體功能，抑制Ca2+?Mg2+?ATP酶活性，減少ATP的生成，造成細(xì)胞內(nèi)能量代謝障礙。此外，鈣離子還可激活磷脂酶，水解膜磷脂，造成細(xì)胞膜及細(xì)胞器損傷。研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血再灌注時(shí)給予細(xì)胞膜鈣通道及線粒體鈣單遞體的拮抗劑，可顯著降低細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度，使心肌梗死面積減少約 50%［13］。

1.3 炎癥反應(yīng)心肌缺血再灌注時(shí)，細(xì)胞黏附分子和趨化物質(zhì)可導(dǎo)致大量中性粒細(xì)胞進(jìn)入心肌組織，黏附于心肌血管內(nèi)皮細(xì)胞，中性粒細(xì)胞與血管內(nèi)皮接觸時(shí)即被激活，釋放大量促炎細(xì)胞因子，如TNF?α、IL?6、NF?κB、IL?10等，促使白細(xì)胞黏附、聚集于毛細(xì)血管，引起血管堵塞而加重心肌缺血缺氧損傷。白細(xì)胞在缺血損傷區(qū)域可釋放出破壞性蛋白酶，改變血管的通透性，進(jìn)一步加重細(xì)胞的損傷。此外大量氧自由基的產(chǎn)生激發(fā)細(xì)胞膜磷脂過氧化反應(yīng)，破壞內(nèi)皮細(xì)胞功能，增加血管的通透性。故中性粒細(xì)胞在缺血損傷區(qū)的浸潤(rùn)、黏附、激活是MIRI的重要環(huán)節(jié)之一。研究表明，在心肌缺血再灌注時(shí)使用細(xì)胞黏附分子的克隆抗體來抑制炎癥反應(yīng)，能顯著降低缺血再灌注損傷的嚴(yán)重程度［14］。在心肌缺血發(fā)生后再灌注前，實(shí)施缺血再灌注預(yù)處理、后處理，均能明顯降低缺血冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞與白細(xì)胞的黏附能力，縮小心肌梗死面積［15］。

1.4 細(xì)胞凋亡目前認(rèn)為MIRI的發(fā)生與心肌細(xì)胞凋亡密切相關(guān)，缺血再灌注時(shí)持續(xù)缺血中的心肌細(xì)胞和再灌注后的心肌細(xì)胞均會(huì)有部分發(fā)生凋亡，而再灌注后可以減少可逆性受損心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡，但卻也加速不可逆性受損心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡。誘導(dǎo)MIRI發(fā)生凋亡的主要原因是氧自由基的大量產(chǎn)生和細(xì)胞內(nèi)鈣超載的持續(xù)作用［16］。大量的氧自由基可誘發(fā)心肌細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，影響細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，激活相關(guān)凋亡調(diào)控基因?qū)е录?xì)胞凋亡。此外氧化應(yīng)激反應(yīng)還可以直接誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)的DNA鏈斷裂發(fā)生變異，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。心肌細(xì)胞凋亡的主要調(diào)控因子為caspase家族蛋白酶、Bc1?2/Bax、Fas抗原、抑癌基因p53、熱休克蛋白、TNF?α等［17］。心肌缺血再灌注后發(fā)生細(xì)胞凋亡的數(shù)量明顯增多，且凋亡細(xì)胞數(shù)隨缺血再灌注時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，細(xì)胞凋亡的多少?zèng)Q定著缺血再灌注損傷的嚴(yán)重程度。有研究表明抑制心肌細(xì)胞凋亡，可以減輕MIRI的損傷程度［18］。

1.5 心肌能量代謝障礙心臟是一個(gè)高度耗能器官，需氧量極大，一旦出現(xiàn)缺血缺氧，心肌細(xì)胞將迅速?gòu)挠醒醮x轉(zhuǎn)化為無氧代謝，此時(shí)無氧糖酵解產(chǎn)生的ATP成為心肌細(xì)胞能量供應(yīng)的唯一來源。而無氧代謝的產(chǎn)能僅為有氧代謝的1/18，導(dǎo)致心肌能量供應(yīng)驟減。同時(shí)糖酵解還會(huì)產(chǎn)生大量乳酸，使細(xì)胞內(nèi)pH值下降發(fā)生酸中毒，導(dǎo)致ATP的產(chǎn)生進(jìn)一步減少。心肌細(xì)胞內(nèi)低水平的ATP，可抑制細(xì)胞膜上的 Na+?K+?ATP 酶活性，激活 Na+?H+酶活性，加重心肌細(xì)胞損傷；同時(shí)還會(huì)抑制肌漿網(wǎng)上Ca2+?ATP酶活性，鈣內(nèi)流增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣超載。細(xì)胞內(nèi)鈣超載，又促進(jìn)氧自由基的生成，進(jìn)一步加重心肌細(xì)胞損傷。目前認(rèn)為能量代謝障礙很可能是MIRI的始動(dòng)環(huán)節(jié)［19］。有研究顯示，MIRI的嚴(yán)重程度和心肌細(xì)胞內(nèi)ATP的含量密切相關(guān)，當(dāng)ATP水平降低時(shí)，再灌注可引起大部分線粒體發(fā)生水腫；而當(dāng)ATP水平升高時(shí)，再灌注僅引起小部分線粒體發(fā)生水腫［20］。

2 氫氣

氫氣廣泛分布于自然界中，是無色、無味、無嗅，具有一定還原性的雙原子氣體。由于氫氣的分子量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能迅速通過生物膜彌散到細(xì)胞質(zhì)、線粒體和細(xì)胞核中，發(fā)揮其抗氧化作用。氫氣可選擇性清除機(jī)體內(nèi)有害的羥自由基和過氧亞硝基，而對(duì)過氧化氫、超氧陰離子等友好的氧自由基無影響。近年來，隨著氫分子醫(yī)學(xué)研究熱潮的開展，人們對(duì)氫氣的醫(yī)學(xué)研究已涉及到多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。目前已有大量研究證明氫氣能保護(hù)多種器官和組織細(xì)胞，對(duì)很多疾病具有潛在的治療價(jià)值，如糖尿病、肥胖癥、胰腺炎、潰瘍性結(jié)腸炎、膿毒癥、多器官衰竭、帕金森病、腫瘤、放射病等，尤其在組織缺血再灌注損傷中治療效果顯著［21-30］。近期研究發(fā)現(xiàn)氫氣在心臟、脊髓、肺、肝、腸、腎和腦的缺血再灌注損傷中均有顯著的保護(hù)作用［31-37］。氫氣對(duì)MIRI的保護(hù)作用倍受關(guān)注，可能成為臨床上減輕MIRI的安全、有效、可行的治療方法。

2.1 內(nèi)源性氫氣的產(chǎn)生氫氣作為人體內(nèi)重要的能源物質(zhì)，主要有兩個(gè)來源途徑：一個(gè)是通過毛孔在體外吸收（極少量）；另一個(gè)是通過機(jī)體內(nèi)部的氣化過程。氫氣是內(nèi)源性氣體，由于人體細(xì)胞中不存在氫化酶，所以在機(jī)體組織細(xì)胞的代謝過程中基本無氫氣產(chǎn)生，人體內(nèi)氫氣是由腸道細(xì)菌酵解未被消化吸收的碳水化合物而產(chǎn)生。如果食物和腸道菌群結(jié)構(gòu)合理，每天可產(chǎn)生約150 mL氫氣。氫氣在人體內(nèi)有三條清除途徑：肛門排氣、經(jīng)全身血液循環(huán)后由肺呼吸排出和腸道細(xì)菌的代謝轉(zhuǎn)化為硫化氫、甲烷和乙酸排出。氫呼氣試驗(yàn)是一種非侵入性胃腸道檢查方法，被廣泛應(yīng)用于胃腸道功能檢測(cè)中，以評(píng)價(jià)胃腸道功能及腸道菌群情況。

2.2 外源性氫氣的給藥方式常用的外源性氫氣的給藥方式有直接吸入氫氣、口服富氫水及注射飽和氫鹽水。LIU等的研究中檢測(cè)了經(jīng)不同方法給氫后大鼠各組織內(nèi)的氫濃度，發(fā)現(xiàn)不同的給藥方式會(huì)影響氫氣在組織中的分布濃度?？诜o藥時(shí)，氫氣在脾臟中的血藥濃度最高，其次是胰腺和小腸；腹腔給藥時(shí)，氫氣在胰腺中的血藥濃度最高，其次是脾臟和小腸；吸入給藥時(shí)，氫氣在肌肉組織中的血藥濃度最高，其次是胰腺和腎臟；而靜脈注射給藥時(shí)氫氣在各組織器官中的血藥濃度都較高，尤其在胰腺、脾臟和心臟中最高［38］。因此，根據(jù)不同給藥方式時(shí)氫氣在組織中的分布情況，可針對(duì)不同的疾病和組織器官，選擇最佳的給藥方式。

2.2.1 吸入氫氣直接吸入氫氣是最簡(jiǎn)單的給藥方法，患者可通過呼吸機(jī)、面罩或鼻導(dǎo)管吸入氫氣。雖然氫氣易燃易爆，其爆炸濃度范圍4%～75%，但氫氣在空氣中的濃度低于4%，故經(jīng)由吸入法給氫氣是相對(duì)安全的。在OHSAWA等的實(shí)驗(yàn)操作中，就是采用吸入法給氫氣（吸入氫氣濃度2%）來治療大鼠的腦缺血再灌注損傷的。但由于吸入法給氫氣需要呼吸環(huán)路傳送氣體，且操作比較復(fù)雜，限制了此法在臨床上的推廣應(yīng)用［39］。

2.2.2 口服富氫水將氫氣溶解在水中即制成富氫水，通過飲用方式給氫，則是非常安全方便的氫氣攝入方式，特別適合長(zhǎng)期給藥。富氫水的制備方法較多，如電解水生成氫氣，高壓下使氫氣溶解于水以及金屬鎂與水反應(yīng)生成氫氣等。在常壓常溫下，氫氣在水中的溶解度可達(dá)到0.8 mmol/L，且不會(huì)改變水的pH值及理化性質(zhì)。雖然飲用富氫水的給藥方法安全方便，但仍然存在一些問題，如氫氣在水中有揮發(fā)傾向，且富氫水經(jīng)由消化道攝入吸收時(shí)會(huì)有部分丟失，故氫氣的濃度相對(duì)不易控制。

2.2.3 靜脈注射飽和氫鹽水將純氫氣溶解在生理鹽水中，經(jīng)過一定的處理使氫氣達(dá)到飽和，即可制造出氫氣的飽和生理鹽水溶液。該飽和氫鹽水可以安全有效地通過靜脈注射方式給藥，是臨床上實(shí)用性很強(qiáng)的給氫方式，能更加精確氫氣的給藥濃度，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3 氫氣對(duì)MIRI的保護(hù)作用關(guān)于氫氣治療MIRI的具體機(jī)制還不清楚，目前普遍認(rèn)同的是選擇性抗氧化、抗炎和抗凋亡這三種機(jī)制，且主要是通過選擇性抗氧化發(fā)揮其保護(hù)作用。最近還有研究指出氫氣可能是人體中的信號(hào)分子，具有與一氧化氮、一氧化碳、硫化氫類似的生理功能，能調(diào)節(jié)體內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，甚至被稱為是第四個(gè)氣體信號(hào)分子［40］。

2.3.1 選擇性抗氧化作用機(jī)體內(nèi)存在的自由基包括活性氧自由基（超氧陰離子、羥自由基和過氧化氫等）和活性氮自由基（一氧化氮、二氧化氮和過氧亞硝基等）。部分毒性很弱的自由基是機(jī)體的信號(hào)分子，具有重要的信號(hào)傳導(dǎo)作用，如過氧化氫和一氧化氮等；毒性很強(qiáng)的自由基卻能導(dǎo)致機(jī)體氧化損傷，如羥自由基和過氧亞硝基陰離子等。氫氣是一種性質(zhì)溫和的選擇性抗氧化劑，即選擇性中和毒性強(qiáng)的自由基，而對(duì)具有生物活性作用的自由基無明顯影響，很少影響機(jī)體內(nèi)部正常的生理反應(yīng)過程。而目前臨床上的許多抗氧化劑如維生素C和維生素E等，都是非選擇性地清除體內(nèi)的各種自由基，影響機(jī)體內(nèi)部正常的生理反應(yīng)過程，甚至可能引發(fā)其他病變，這大大的限制了它們?cè)谂R床中的應(yīng)用。其次，氫氣與自由基反應(yīng)的終產(chǎn)物為水，對(duì)機(jī)體無毒害作用，且多余的氫氣則通過肺呼吸作用排出體外，在機(jī)體內(nèi)基本無任何殘留。而其他抗氧化劑，與自由基反應(yīng)后會(huì)生成對(duì)機(jī)體有害的代謝產(chǎn)物，仍需要機(jī)體進(jìn)一步代謝清除。

2.3.2 抗炎作用目前認(rèn)為，在MIRI早期即發(fā)生炎性反應(yīng)，阻斷或減輕炎性反應(yīng)是保護(hù)心肌免受缺血再灌注損傷的有效措施之一。在各種動(dòng)物缺血再灌注損傷模型中，均發(fā)現(xiàn)氫氣具有抗炎作用，氫氣可下調(diào)炎性反應(yīng)因子IL?1β、IL?6、TNF?α、細(xì)胞間黏附分子-1（ICAM?1）和趨化因子的水平。此外，氫氣還可通過抑制炎癥相關(guān)蛋白激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路和調(diào)控基因的表達(dá)來減少致炎因子的產(chǎn)生，從而發(fā)揮抗炎作用。在ZHANG等的大鼠MIRI模型中，腹腔內(nèi)注射富氫水（0.9%氯化鈉溶液），顯示氫氣可通過降低心肌急性損傷后TNF?α和IL?1的濃度從而起到心肌保護(hù)作用［41］。

2.3.3 抗凋亡作用目前對(duì)氫氣抗凋亡作用的具體機(jī)制尚未完全研究清楚，還需深層次的研究來確定。調(diào)控細(xì)胞凋亡的途徑主要有外源性途徑和內(nèi)源性途徑：外源性途徑主要由外源信號(hào)引起，通過刺激細(xì)胞膜表面的死亡受體而發(fā)生，如Fas/Fasl，TNF?α/相應(yīng)受體等；內(nèi)源性途徑主要由內(nèi)源信號(hào)引起，由線粒體通路介導(dǎo)，通過刺激細(xì)胞色素C釋放從而激活Caspase?9，引起Caspases的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。兩條凋亡通路的最后通路均需激活Caspases。研究表明氫氣可通過上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl?2和Bcl?xl的表達(dá)及抑制Caspase?3和Caspase?12的激活，從而起到抑制心肌細(xì)胞凋亡的作用［42-44］。

3 展望

心肌缺血再灌注損傷在臨床上的發(fā)生率極高，而氫氣具有選擇性抗氧化作用，體內(nèi)代謝無殘留，組織滲透性強(qiáng)及制備容易、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在臨床上用于治療心肌缺血再灌注損傷具有廣大的應(yīng)用前景。大量研究已經(jīng)證實(shí)，氫氣能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，下調(diào)炎癥反應(yīng)，抑制細(xì)胞凋亡，從而對(duì)心肌起到明確的保護(hù)作用。但其具體作用機(jī)制，如信號(hào)調(diào)控通路，相關(guān)基因蛋白等都還尚未明確，還需要大量更深入的研究來研究氫氣的具體作用機(jī)制，這也將成為今后研究的熱點(diǎn)，且可能會(huì)對(duì)臨床上多種疾病的治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。