活性氧介導心肌缺血再灌注損傷的研究進展

韋亞忠，薛曉梅，何 斌

上海交通大學附屬胸科醫(yī)院重癥醫(yī)學科，上海200092

在全球，每年有數(shù)百萬人發(fā)生急性心肌梗死，該疾病是導致慢性心力衰竭的首要原因。盡管冠狀動脈介入手術和搭橋手術已廣泛開展于臨床，但由再灌注治療本身引發(fā)的心肌損傷嚴重影響著患者的預后［1］。恢復冠狀動脈血流后心肌組織遭受的損害被稱為心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia-reperfusion injury，MIRI）。研究［2］顯示，急性心肌梗死后的心臟損害是由缺血和MIRI 共同作用，其中MIRI 對心臟的損傷甚至可能遠高于缺血。目前，臨床上還沒有針對MIRI 的有效干預策略。因此，深入探究MIRI 的分子機制，發(fā)現(xiàn)其新型靶向標志物，進而開發(fā)新的治療策略、改善心肌梗死患者的預后成為研究者關注的焦點。有研究［3］發(fā)現(xiàn)，線粒體活性氧 （mitochondrial reactive oxygen species，mtROS）能夠調(diào)節(jié)線粒體的功能、代謝和翻譯后修飾，而線粒體結(jié)構(gòu)與功能的改變在MIRI 發(fā)病機制中發(fā)揮了重要作用?；诖?，本文就mtROS 在MIRI 中的產(chǎn)生和作用機制，及其在心肌梗死治療中的臨床價值與應用前景進行綜述。

1 mtROS穩(wěn)態(tài)的調(diào)控

在心肌細胞中，線粒體體積占比30%～40%，是活性氧（reactive oxygen species，ROS） 的主要來源［4］。mtROS 是線粒體中細胞呼吸與代謝的副產(chǎn)物，包括羥基自由基（·OH）、超氧陰離子（）自由基等自由基成分和H2O2等非自由基成分。在線粒體氧化磷酸化過程中，大部分O2通過四電子還原轉(zhuǎn)化為H2O，而少量O2通過單電子還原轉(zhuǎn)化為超氧化物，后經(jīng)超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）轉(zhuǎn)化為O2和H2O2。超氧化物并非強氧化性分子，但可使鐵硫簇相關酶失活并釋放出游離鐵，還可通過芬頓反應將H2O2轉(zhuǎn)化為氧化性最強的·OH。此外，自由基由過量電子與分子氧反應生成，被認為是ROS 的初始形式，可促進H2O2和·OH 等其他形式的mtROS生成［3］。

抗氧化劑介導的mtROS 分解，對調(diào)節(jié)mtROS 的穩(wěn)態(tài)具有重要作用。如自由基可先由心臟線粒體中大量的錳超氧化物歧化酶轉(zhuǎn)化為H2O2，而后再經(jīng)谷胱甘肽過氧化物酶分解為H2O。除上述抗氧化劑外，過氧化氫酶、非酶活性ROS 清除劑細胞色素C 和輔酶Q 也可發(fā)揮清除mtROS 的作用。研究［5］顯示，線粒體抗氧化劑系統(tǒng)中酶的活性取決于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP）的氧化還原狀態(tài)，因此線粒體內(nèi)的氧化代謝情況和ROS 穩(wěn)態(tài)密切相關。

2 調(diào)控mtROS 在心肌梗死后MIRI 中產(chǎn)生的關鍵分子

局部微環(huán)境缺氧導致的線粒體改變是心肌缺血再灌注期間mtROS過度產(chǎn)生的主要原因，但是其產(chǎn)生的確切機制及生物拓撲特性仍然有待探索，具體總結(jié)與討論如下。

2.1 P66SHC

P66SHC 為哺乳動物原癌基因Shc編碼的蛋白，在調(diào)節(jié)細胞凋亡、線粒體功能和促進mtROS 生成中發(fā)揮著重要作用。P66SHC 廣泛表達于心肌細胞的胞質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體中。P66SHC 可氧化細胞色素C，抑制單分子氧還原反應，促進生成mtROS［6］。除了產(chǎn)生mtROS 外，它還可以抑制抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄表達，進一步促進mtROS 在線粒體內(nèi)的蓄積［7］。對Shc敲除小鼠心肌缺血再灌注模型進行觀察后發(fā)現(xiàn)，心肌細胞內(nèi)乳酸脫氫酶的表達減少，心肌組織脂質(zhì)過氧化物的水平降低。研究［8］顯示，抗氧化劑和Shc的小分子干擾RNA 可阻斷S-腺苷同型半胱氨酸水解酶誘導的內(nèi)皮細胞ROS 生成，并減輕內(nèi)皮細胞舒縮反應損傷，繼而進一步證實P66SHC是調(diào)控心臟氧化應激反應的關鍵蛋白。

2.2 NADPH氧化酶4

NADPH 氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）是一種表達于線粒體外膜的跨膜結(jié)合酶，可通過跨膜轉(zhuǎn)運電子消耗氧分子產(chǎn)生ROS。研究［9］提示，NOX4 與心肌細胞中的mtROS 生成密切相關。在整體敲除Nox2和Nox4表達的小鼠心肌缺血再灌注模型中發(fā)現(xiàn)，小鼠缺血再灌注后心肌損傷有明顯緩解［10］。此外，特異性敲除小鼠心肌細胞Nox4，可減少再灌注后心肌mtROS 的生成、縮減心肌梗死面積［11］；相反，在NOX4 過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠心肌缺血再灌注模型中，再灌注后的氧化應激反應加劇、心肌梗死面積增加［12］。上述研究表明，NOX4 可特異性作用于心肌細胞，介導mtROS 的生成并加劇MIRI。

2.3 聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶-1

聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶-1 （poly ADP-ribose polymerase，PARP-1）是存在于真核細胞內(nèi)的一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾酶。輕度激活該酶可促進DNA 修復，而過度的氧化應激反應引起的線粒體DNA 損傷可導致PARP-1過度活化，繼而使細胞內(nèi)大量的NAD+和ATP 被消耗。研究［13］證實，在MIRI 期間基因損傷和氧化應激反應能夠通過激活PARP-1促進mtROS的生成；同時，ROS可誘導線粒體膜轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeablity transition pore，mPTP）開放，進而激活PARP-1。此外，在MIRI期間線粒體鈣蛋白酶介導的凋亡誘導因子的釋放，也能夠激活PARP-1，從而加劇線粒體的氧化應激反應。另研究［14］發(fā)現(xiàn)，抑制PARP1的表達能夠抑制絲裂原活化蛋白激酶通路的活化，并抑制mtROS 的產(chǎn)生，從而穩(wěn)定線粒體的膜電位，保護線粒體的功能。

3 mtROS在MIRI中的作用

在發(fā)生心肌梗死后，心肌細胞氧合不足首先會抑制線粒體呼吸鏈的電子傳遞，損害細胞氧化代謝和磷酸化過程，從而導致mtROS 迅速增加；ATP 生成不足會抑制ATP 依賴的離子交換過程，影響Na+/Ca2+交換體的反向作用，從而導致缺血過程中心肌細胞胞質(zhì)Ca2+含量增加。同時，線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運蛋白異常活化也會導致線粒體內(nèi)Ca2+濃度上升。在高濃度的Ca2+和mtROS 的作用下，mPTP將異常開放，使線粒體內(nèi)膜滲透性突然增加。上述情況將導致線粒體膜電位下降，ATP 合成酶水解以及mtROS 和促細胞凋亡因子釋放入胞質(zhì)，進而使線粒體發(fā)生腫脹、外膜破裂，最終導致細胞死亡［15］。

釋放入胞質(zhì)的mtROS 還可激活臨近線粒體的mPTP和陰離子通道。mPTP的開放會觸發(fā)線粒體外膜破裂，導致膜內(nèi)細胞色素C、細胞凋亡誘導因子和核酸內(nèi)切酶G等釋放入胞質(zhì)，進一步促進心肌細胞的凋亡［16］。此外，在心肌缺血發(fā)生后，增加的mtROS 可誘導mPTP 開放，從而進一步促進了mtROS 的產(chǎn)生。研究［17］顯示，mtROS可導致再灌注損傷期間的線粒體裂變，引起mtROS釋放、細胞自噬、細胞凋亡和壞死等一系列后果。

綜上所述，在MIRI中mtROS被認為是惡性氧化應激反應循環(huán)的主要驅(qū)動因子。因此，靶向mtROS 的治療策略不僅可以抑制其直接破壞作用，還可以進一步抑制其惡性擴增效應，是治療MIRI的有效策略。

4 調(diào)控mtROS的治療策略

隨著對線粒體生理機制的不斷揭示，研究人員發(fā)現(xiàn)靶向線粒體在治療氧化應激相關疾病中具有較廣闊的應用前景。根據(jù)已揭示出的mtROS在MIRI發(fā)病機制中的作用，科研人員通過抑制氧化應激反應來探索改善再灌注損傷后心臟功能的有效療法。

4.1 直接靶向線粒體抗氧化，清除mtROS

研究［18］顯示，呼吸鏈的輔酶Q10可改善心肌梗死后心臟的收縮功能，降低ATP的消耗。而在一項使用輔酶Q10治療心肌梗死的人體臨床試驗中，并未觀察到肌酸激酶水平的顯著降低［19］。為了提高輔酶Q10在線粒體內(nèi)的生物利用度，研究者開發(fā)了作為靶向線粒體的抗氧化劑，即將與輔酶Q10抗氧化活性相同的泛醌與親脂性的磷酸三苯酯偶聯(lián)。與單純的輔酶Q10相比，此抗氧化劑在線粒體內(nèi)蓄積增加約100倍，可大大提高mtROS的清除效率。動物實驗證實，該抗氧化劑可顯著緩解大鼠心肌梗死后心臟功能障礙、線粒體損害以及心肌細胞死亡［20］。

SS-31 是一種能夠滲透入細胞線粒體的多肽，可發(fā)揮mtROS清除作用；同時，SS-31還可與心磷脂結(jié)合，抑制由mtROS 誘導的心磷脂氧化［21］。多項動物實驗表明，SS-31 預處理動物在MIRI 期間具有一定的保護作用。如在大鼠心肌缺血再灌注模型中，與對照組相比，MIRI 期間連續(xù)注射SS-31的大鼠心肌梗死面積減小了6%［22］。

4.2 抑制mPTP開放，緩解MIRI

mPTP 可作為減輕線粒體氧化應激反應、緩解MIRI的另一潛在靶點。多項動物研究表明，環(huán)孢霉素A（cyclosporine A，CsA）可調(diào)控mPTP，改善線粒體功能和心臟功能。然而，在一項大型多中心雙盲隨機Ⅲ期臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，CsA 的治療并不能縮小急診經(jīng)皮冠狀動脈介入治療患者的心肌梗死面積，也不能緩解其左心室重構(gòu)［23］。

動物實驗表明，嗎啡缺血后處理能夠通過激活蛋白激酶C通路，抑制線粒體mPTP開放，以緩解心肌細胞的缺血再灌損傷［24］。另有研究［25］顯示，鹽酸苯乙奎定預處理缺氧復氧H9C2細胞，可緩解胞內(nèi)鈣離子超載、抑制mPTP開放，保護細胞正常功能。

4.3 其他

多項臨床前研究已證實，在MIRI 期間，白藜蘆醇可通過活化線粒體乙?；?，激活錳超氧化物歧化酶，發(fā)揮降解mtROS 的作用。多項動物實驗證實，對動物預先給予白藜蘆醇可減少其心肌梗死后的梗死面積［26］。同時，白藜蘆醇的安全性、耐受性以及治療心肌梗死的效果已在人體臨床試驗中得到證實［27］。此外，向缺血再灌注損傷小鼠注射NAD+前體可激活組蛋白去乙酰化酶1（sirtuin 1，Sirt1）通路，緩解MIRI期間NAD+的耗竭、減輕氧化應激反應，進而減輕MIRI［28］。目前，NAD+前體已進入了臨床測試階段，就其安全性、體內(nèi)代謝及對心血管功能的影響進行研究。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，本文討論了mtROS在MIRI中的產(chǎn)生和作用機制。在心肌缺血再灌注過程中，mtROS 的水平會持續(xù)升高，通過干預mtROS 的生成可縮小心肌梗死面積并改善該類患者的預后，因此mtROS 或可成為治療缺血性心臟病的潛在靶點。

盡管在多項研究中已成功使用各種抗氧化劑靶向清除mtROS來緩解MIRI，但將此類靶向mtROS的治療手段轉(zhuǎn)化到心血管疾病治療的臨床實踐中仍面臨巨大挑戰(zhàn)。除了動物和人類在解剖學和生理上的差異之外，動物模型與人體在疾病的發(fā)生機制、藥物耐受等方面還存在不可預知的差異。因此，仍需要更多的研究來探討再灌注期間mtROS的調(diào)控機制，開發(fā)降低mtROS的治療新策略；同時，還應優(yōu)先選用大型動物模型，對減輕梗死心肌氧化應激反應的途徑進行剖析，以增加在人體試驗中的成功概率。

參·考·文·獻

[1] Prabhu SD, Frangogiannis NG. The biological basis for cardiac repair after myocardial infarction:from inflammation to fibrosis[J]. Circ Res,2016,119(1):91-112.

[2] Maeda H, Kami D, Maeda R, et al. TAT-dextran-mediated mitochondrial transfer enhances recovery from models of reperfusion injury in cultured cardiomyocytes[J]. J Cell Mol Med,2020,24(9):5007-5020.

[3] Chouchani ET, Pell VR, Gaude E, et al. Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS[J]. Nature,2014,515(7527):431-435.

[4] Kasai, Shimizu S, Tatara Y, et al. Regulation of Nrf2 by mitochondrial reactive oxygen species in physiology and pathology[J]. Biomolecules,2020,10(2):E320.

[5] Bertero E, Maack C. Calcium signaling and reactive oxygen species in mitochondria[J]. Circ Res,2018,122(10):1460-1478.

[6] Giorgio M, Migliaccio E, Orsini F, et al. Electron transfer between cytochrome c and P66SHC generates reactive oxygen species that trigger mitochondrial apoptosis[J]. Cell,2005,122(2):221-233.

[7] Boengler K, Bornbaum J, Schlüter KD, et al. P66SHC and its role in ischemic cardiovascular diseases[J]. Basic Res Cardiol,2019,114(4):29.

[8] Xiao YJ, Xia JJ, Cheng JQ, et al. Inhibition of S-adenosylhomocysteine hydrolase induces endothelial dysfunctionviaepigenetic regulation of P66SHC-mediated oxidative stress pathway[J]. Circulation, 2019, 139(19):2260-2277.

[9] Wang JN, Yang Q, Yang C, et al. Smad3 promotes AKI sensitivity in diabetic miceviainteraction with p53 and induction of NOX4-dependent ROS production[J]. Redox Biol,2020,32:101479.

[10] Matsushima S, Kuroda J, Ago T, et al. Broad suppression of NADPH oxidase activity exacerbates ischemia/reperfusion injury through inadvertent downregulation of hypoxia-inducible factor-1α and upregulation of peroxisome proliferator-activated receptor- α[J]. Circ Res, 2013, 112(8):1135-1149.

[11] Zhang YX, Murugesan P, Huang K, et al. NADPH oxidases and oxidase crosstalk in cardiovascular diseases: novel therapeutic targets[J]. Nat Rev Cardiol,2020,17(3):170-194.

[12] Siu KL, Lotz C, Ping P, et al. Netrin-1 abrogates ischemia/reperfusioninduced cardiac mitochondrial dysfunctionvianitric oxide-dependent attenuation of NOX4 activation and recoupling of NOS[J]. J Mol Cell Cardiol,2015,78:174-185.

[13] Jannetti SA, Zeglis BM, Zalutsky MR, et al. Poly(ADP-ribose)polymerase(PARP)inhibitors and radiation therapy[J]. Front Pharmacol,2020,11:170.

[14] Hocsak E,Szabo V,Kalman N,et al. PARP inhibition protects mitochondria and reduces ROS productionviaPARP-1-ATF4-MKP-1-MAPK retrograde pathway[J]. Free Radic Biol Med,2017,108:770-784.

[15] Di Lisa F, Carpi A, Giorgio V, et al. The mitochondrial permeability transition pore and cyclophilin D in cardioprotection[J]. Biochim Biophys Acta,2011,1813(7):1316-1322.

[16] Cadenas S. ROS and redox signaling in myocardial ischemia-reperfusion injury and cardioprotection[J]. Free Radic Biol Med,2018,117:76-89.

[17] Shimizu Y, Lambert JP, Nicholson CK, et al. DJ-1 protects the heart against ischemia-reperfusion injury by regulating mitochondrial fission[J]. J Mol Cell Cardiol,2016,97:56-66.

[18] Akbulut A, Keseroglu BB, Koca G, et al. Scintigraphic evaluation of renoprotective effects of coenzyme Q10 in a rat renal ischemia-reperfusion injury[J]. Nucl Med Commun,2019,40(10):1011-1021.

[19] Khan A, Johnson DK, Carlson S, et al. NT-pro BNP predicts myocardial injury post-vascular surgery and is reduced with CoQ10: a randomized double-blind trial[J]. Ann Vasc Surg,2020,64:292-302.

[20] Adlam VJ, Harrison JC, Porteous CM, et al. Targeting an antioxidant to mitochondria decreases cardiac ischemia-reperfusion injury[J]. FASEB J,2005,19(9):1088-1095.

[21] Machiraju P, Wang X, Sabouny R, et al. SS-31 peptide reverses the mitochondrial fragmentation present in fibroblasts from patients with DCMA, a mitochondrial cardiomyopathy[J]. Front Cardiovasc Med, 2019,6:167.

[22] Cho J, Won K, Wu D, et al. Potent mitochondria-targeted peptides reduce myocardial infarction in rats[J]. Coron Artery Dis,2007,18(3):215-220.

[23] Cung TT,Morel O,Cayla G,et al. Cyclosporine before PCI in patients with acute myocardial infarction[J]. N Engl J Med,2015,373(11):1021-1031.

[24] Wang M, Liu S, Wang H, et al. Morphine post-conditioning-induced upregulation of lncRNA TINCR protects cardiomyocytes from ischemiareperfusion injuryviainhibiting degradation and ubiquitination of FGF1[J].QJM,2020,113(12):859-869.

[25] Zi C, Zhang C, Yang Y, et al. Penehyclidine hydrochloride protects against anoxia/reoxygenation injury in cardiomyocytes through ATP-sensitive potassium channels,and the Akt/GSK-3β and Akt/mTOR signaling pathways[J]. Cell Biol Int,2020,44(6):1353-1362.

[26] Mao ZJ, Lin H, Hou JW, et al. A meta-analysis of resveratrol protects against myocardial ischemia/reperfusion injury: evidence from small animal studies and insight into molecular mechanisms[J]. Oxid Med Cell Longev,2019,2019:5793867.

[27] Dyck G, Raj P, Zieroth S, et al. The effects of resveratrol in patients with cardiovascular disease and heart failure:a narrative review[J]. Int J Mol Sci,2019,20(4):904.

[28] Yamamoto T, Byun J, Zhai P, et al. Nicotinamide mononucleotide, an intermediate of NAD+synthesis, protects the heart from ischemia and reperfusion[J]. PLoS One,2014,9(6):e98972.