ATP敏感性鉀通道與環(huán)氧化酶2介導(dǎo)心肌缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展

聶曉麗 藺雪峰 韓軒茂 李陽(yáng) 郭茹

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院 1研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014040；2第一附屬醫(yī)院心內(nèi)一科)

冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(CHD)是因冠狀動(dòng)脈部分或完全阻塞導(dǎo)致心肌缺血和缺氧性損傷，目前被視為一種慢性炎癥性疾病〔1〕。急性心肌梗死(AMI)作為CHD中最嚴(yán)重的一類(lèi)，其發(fā)病率和死亡率在逐年增高〔2〕。隨著溶栓治療和原發(fā)性經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(PCI)的廣泛應(yīng)用，再灌注治療已成為缺血性心臟病的有效治療手段，但AMI的死亡率約為5%，近年來(lái)未見(jiàn)下降。造成這種情況的原因是臨床實(shí)踐中缺乏能夠高效預(yù)防心肌缺血再灌注(I/R)損傷(MIRI)的藥物。MIRI可產(chǎn)生惡性心律失常、血壓突然下降、心功能不全等嚴(yán)重的不良后果甚至致死性，因此減輕MIRI造成的損傷，尋求新的治療策略迫在眉睫。

MIRI可對(duì)心肌細(xì)胞造成不可逆損傷，降低細(xì)胞活性。目前AMI最有效的搶救措施是及時(shí)、有效的恢復(fù)缺血心肌的血液灌注，心肌缺血缺氧性損傷最主要是發(fā)生在心肌恢復(fù)血液灌注后。據(jù)已有報(bào)道，在MIRI過(guò)程中活性氧(ROS)直接導(dǎo)致組織細(xì)胞損傷，是MIRI重要機(jī)制之一〔3，4〕，ROS激活的途徑及可能導(dǎo)致I/R損傷的途徑仍有很大一部分是未知的。隨著大量研究的進(jìn)展，心肌I/R的損傷研究已經(jīng)進(jìn)入了分子水平，缺血后適應(yīng)或缺血預(yù)處理可顯著改善I/R損傷的發(fā)病機(jī)制。此外，與單獨(dú)缺血預(yù)處理或缺血后適應(yīng)相比，缺血預(yù)處理和缺血后適應(yīng)聯(lián)合作用可達(dá)到協(xié)同保護(hù)I/R損傷的作用〔5〕。前期研究發(fā)現(xiàn)，ATP敏感性鉀通道(KATP)和環(huán)氧化酶(COX)-2在I/R過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用。

1 COX-2在I/R損傷中的作用

COX是一類(lèi)催化花生四烯酸(AA)氧化合成前列腺素(PG)的氧化還原酶，是PG合成的限速酶。PG在炎癥中起調(diào)節(jié)作用，因此COX是炎癥的主要介質(zhì)〔6〕。COX由于PG的促炎癥作用被廣泛認(rèn)為與炎癥反應(yīng)息息相關(guān)，包括疼痛、組織水腫、血管舒張及動(dòng)脈粥樣硬化〔7，8〕。COX-2是一種誘導(dǎo)性表達(dá)的酶，在外界環(huán)境的刺激下可迅速轉(zhuǎn)錄翻譯發(fā)揮作用。

迄今為止，已描述三種COX亞型，包括COX-1、COX-2、COX-3。COX-1和COX-2同工酶在生物學(xué)功能上發(fā)揮著不同的生理作用，COX-1是最早發(fā)現(xiàn)的COX亞型，廣泛分布于機(jī)體，是類(lèi)PG的主要來(lái)源，在大多數(shù)細(xì)胞中恒定表達(dá)，具有管家功能，例如胃上皮細(xì)胞保護(hù)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，其代謝產(chǎn)物在維持機(jī)體生理狀態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用〔9〕。COX-2在生理?xiàng)l件下表達(dá)水平很低或不表達(dá)，但在炎癥、激素、生長(zhǎng)因子的誘導(dǎo)下，其表達(dá)水平顯著上升，成為炎癥和諸如癌癥等增生性疾病中類(lèi)PG形成的重要來(lái)源〔8〕，其表達(dá)被炎癥介質(zhì)上調(diào)，在缺氧條件下和許多癌癥中也是如此，并且經(jīng)常在慢性疾病的組織中高表達(dá)〔10〕。COX-3是衍生自COX-1基因的第三種同工型，可將內(nèi)含子1保留在其mRNA中，在犬大腦皮質(zhì)中含量最豐富。

MIRI包括ROS的過(guò)量生成、氧化/亞硝化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、鈣超載和線粒體功能障礙，這些因素之間相互影響、相互促進(jìn)，進(jìn)而導(dǎo)致心肌細(xì)胞的壞死與凋亡。炎性細(xì)胞因子在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的血小板聚集、血栓形成和各種并發(fā)癥中發(fā)揮關(guān)鍵作用，活化的內(nèi)皮細(xì)胞、單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞參與動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的炎癥過(guò)程。盡管有部分文獻(xiàn)報(bào)道，在MIRI過(guò)程中COX-2可介導(dǎo)晚期預(yù)處理的保護(hù)作用，但其他研究表明其也是炎癥、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊、中毒性休克和細(xì)胞凋亡的重要介質(zhì)，導(dǎo)致多個(gè)組織出現(xiàn)顯著的功能障礙和損傷〔11〕。細(xì)胞凋亡又稱(chēng)程序性死亡，是一種由基因控制的程序性死亡，凋亡在正常的生理?xiàng)l件下通過(guò)清除組織器官中功能紊亂及一些不需要的細(xì)胞維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。眾多研究表明，MIRI會(huì)出現(xiàn)兩種截然不同的細(xì)胞死亡模式，分別是細(xì)胞壞死和凋亡。前期研究表明，在MIRI中可以激活COX-2表達(dá)，通過(guò)促進(jìn)凋亡途徑導(dǎo)致細(xì)胞損傷，且心肌梗死時(shí)細(xì)胞凋亡的嚴(yán)重程度與COX-2表達(dá)水平呈正相關(guān)〔12〕。

龐磊等〔7〕通過(guò)缺氧/復(fù)氧(H/R)實(shí)驗(yàn)，模擬心肌I/R過(guò)程，在心肌細(xì)胞株H9C2細(xì)胞和原代大鼠心肌細(xì)胞中探究了COX-2表達(dá)水平與細(xì)胞凋亡之間潛在聯(lián)系及分子機(jī)制，這一結(jié)果提示H/R后COX-2表達(dá)水平上升引發(fā)細(xì)胞凋亡，而抑制COX-2活性能夠減輕H9C2細(xì)胞中H/R介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。該研究表明，COX-2抑制劑在心肌MIRI中具有抗凋亡作用，抑制COX-2活性至少通過(guò)兩種不同的方式來(lái)保護(hù)心肌。第一種是細(xì)胞內(nèi)ROS/一氧化氮(NO)含量的平衡。細(xì)胞內(nèi)的ROS是通過(guò)多種代謝活動(dòng)產(chǎn)生的，其中COX催化AA轉(zhuǎn)化為PG的代謝過(guò)程中就有ROS的產(chǎn)生，ROS在MIRI過(guò)程中的大量累積是造成心肌梗死的機(jī)制之一。目前已有報(bào)道證實(shí)，激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號(hào)通路可降低凋亡和ROS水平〔13〕。第二種是激活抗凋亡Akt/誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)/NOS信號(hào)通路，該研究表明用COX-2特異性抑制劑能促進(jìn)Akt活化，提示Akt/COX-2位于同一信號(hào)通路的上下游。隨著凋亡在MIRI中作用的認(rèn)識(shí)加深，探究COX-2如何影響心肌細(xì)胞凋亡具有重要意義。

COX-2在MIRI 過(guò)程中是有爭(zhēng)議的。有證據(jù)表明這種酶具有保護(hù)作用，Guo等〔14〕首次利用可誘導(dǎo)的心臟特異性COX-2過(guò)表達(dá)探究該酶自體內(nèi)I/R損傷的作用，研究表明用COX-2特異性抑制劑NS-398抑制COX-2完全消除了COX-2過(guò)表達(dá)對(duì)心臟的保護(hù)作用，證實(shí)了心臟特異性誘導(dǎo)的COX-2過(guò)度表達(dá)具有強(qiáng)大的心肌梗死預(yù)防作用，并且對(duì)心臟表型、功能沒(méi)有明顯不利影響，而慢性COX-2過(guò)表達(dá)與任何明顯的有害作用無(wú)關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，在COX-2過(guò)度表達(dá)的心臟組織中，PGE2水平上調(diào)，證實(shí)酶活性增加，這支持了其介導(dǎo)COX-2給予心臟保護(hù)的概念，對(duì)于旨在提高心肌COX-2含量及其他給予COX-2策略的長(zhǎng)期治療研究具有深遠(yuǎn)的治療意義〔15〕。

甾體抗炎藥通過(guò)抑制COX-1或COX-2減少PG的合成。PG對(duì)I/R損傷低流量狀態(tài)下的心、腦、肝、血管系統(tǒng)、腎臟和骨骼肌均有有益作用〔16〕。在這方面，人們擔(dān)心阿司匹林和其他非甾體抗炎藥抑制COX-2可能對(duì)心臟保護(hù)有潛在的有害影響〔17〕。一項(xiàng)薈萃分析報(bào)道COX抑制劑造成的心血管風(fēng)險(xiǎn)的總體增加接近37%〔18〕。COX抑制可消除預(yù)處理和后處理的心臟保護(hù)作用〔19〕。因此，雖然COX-2特異性抑制劑在減輕疼痛和胃腸道損害方面有效，但其與不良心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)〔20〕。臨床上服用COX-2特異性抑制劑塞來(lái)昔布者心肌梗死的發(fā)病率增加〔21〕。最初，有觀點(diǎn)認(rèn)為選擇性抑制COX-2并保留COX-1，是觀察到的心血管損傷增加的原因。然而，隨著來(lái)自不同人口的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，這種觀點(diǎn)開(kāi)始受到挑戰(zhàn)〔22〕。具體來(lái)說(shuō)，COX-1抑制會(huì)損害生存率，而COX-2抑制會(huì)導(dǎo)致心肌損傷、自主神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，并增加心肌梗死后死亡率的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)近10%服用非甾體抗炎藥的人群具有重要意義。

眾所周知，COX-2是早期缺血和晚期缺血及麻醉藥誘導(dǎo)的預(yù)處理的介質(zhì)，Stumpner等〔23〕通過(guò)使用鼠體內(nèi)模型研究了COX-1和COX-2在七氟烷誘導(dǎo)的后處理(APOC)對(duì)心肌梗死的作用。結(jié)果表明，COX-2在APOC信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起主要作用，且七氟烷誘導(dǎo)的后適應(yīng)可減少心肌梗死面積達(dá)60%，而COX-1在此模型中的作用是可有可無(wú)的，證實(shí)了COX-2在心肌缺血和藥物預(yù)處理中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。有研究通過(guò)COX-2基因敲除小鼠模型實(shí)驗(yàn)證明COX-2基因的靶向破壞完全消除了晚期缺血預(yù)適應(yīng)的梗死保護(hù)作用，并且COX-2/PG途徑下游的前列環(huán)素受體是晚期缺血預(yù)適應(yīng)的關(guān)鍵介體。此外臨床相關(guān)藥物(舒芬太尼、七氟烷)的心臟保護(hù)作用也由COX-2介導(dǎo)〔24〕。最新研究進(jìn)一步表明，COX-2抑制不影響生存率，但顯著增加心肌組織損傷和自主神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。COX-2抑制的有害作用似乎表現(xiàn)在整體I/R后的低流量狀態(tài)和局灶性I/R損傷下〔9〕。這些報(bào)道使我們相信COX-2在心肌缺血及藥物預(yù)處理中發(fā)揮重要作用。

2 KATP在I/R損傷中的作用

KATP其將細(xì)胞的能量狀態(tài)與膜興奮性連接起來(lái)，控制著廣泛的生理過(guò)程，包括激素分泌、神經(jīng)元傳遞、血管擴(kuò)張及心臟和神經(jīng)元對(duì)缺血損傷的預(yù)適應(yīng)〔25〕。早期Noma〔26〕和Trube等〔27〕對(duì)心室肌細(xì)胞的肌膜/漿膜KATP的描述及構(gòu)成這種代謝活躍的向外K+電流基礎(chǔ)的單一通道提供了獨(dú)特的見(jiàn)解。隨后在大多數(shù)其他組織類(lèi)型中發(fā)現(xiàn)了KATP，之后又通過(guò)膜片鉗研究發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)膜中存在一個(gè)內(nèi)向整流型鉀通道，眾多研究提示受相關(guān)磺脲類(lèi)受體蛋白調(diào)控。KATP是由四個(gè)向內(nèi)整流的K+通道(Kir6.x)孔亞基與四個(gè)磺酰脲受體(SUR)調(diào)節(jié)亞基形成八聚體通道復(fù)合物，特定SUR與特定Kir6.x亞基的結(jié)合構(gòu)成了特定組織中的KATP電流。KATP亞基基因的遺傳變異和突變與許多威脅生命的人類(lèi)疾病的病因有關(guān)。 Kir6.x或SUR突變會(huì)導(dǎo)致KATP病變，則會(huì)出現(xiàn)血管擴(kuò)張、明顯的心臟肥厚和其他心血管異常，稱(chēng)為Cantu綜合征(CS)。Zhao等〔28〕證明了血管平滑肌中功能增強(qiáng)的KATP突變會(huì)導(dǎo)致心臟重塑，而且其能夠通過(guò)使用KATP阻滯劑格列本脲來(lái)逆轉(zhuǎn)心血管表型。

心臟缺血是一個(gè)復(fù)雜的事件，KATP開(kāi)放的影響更為復(fù)雜?？傮w而言，KATP的開(kāi)放既有害(例如，使心律不齊并出現(xiàn)室顫)，又具有保護(hù)性(例如，通過(guò)限制缺血后梗死的發(fā)展)〔29〕。KATP在心臟缺血早期就在K+丟失中起作用。多項(xiàng)研究表明，C反應(yīng)蛋白(CRP)可能在MIRI的誘導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。CRP直接加重心肌細(xì)胞MIRI，這一作用主要是通過(guò)抑制線粒體KATP(mitoKATP)和促進(jìn)mPTP開(kāi)放來(lái)介導(dǎo)的〔30〕。缺血時(shí)mitoKATP的打開(kāi)導(dǎo)致線粒體膜去極化，降低線粒體膜電位，從而導(dǎo)致蛋白激酶(PK)C的激活，抑制ROS的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生抗凋亡作用。選擇性mitoKATP開(kāi)啟劑二氮嗪(DZ)已被證實(shí)可減少心肌MIRI〔31〕。鈉尿肽(NPs)具有限制梗死、防止再灌注心肌損傷、防止梗死后不良的心臟重構(gòu)的作用。鈉尿肽的心臟保護(hù)作用是通過(guò)激活激酶〔腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)，PKC，PI3K，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)1/2，p70s6K，Akt〕和抑制糖原合酶激酶3-羥丙基，這種保護(hù)作用也是由肌膜KATP通道和線粒體KATP通道的開(kāi)通來(lái)介導(dǎo)的〔32〕。

3 COX-2與KATP之間的關(guān)聯(lián)

COX-1與KATP之間相關(guān)性的研究目前尚未報(bào)道，我們重點(diǎn)討論COX-2。有研究表明舒芬太尼預(yù)處理是通過(guò)上調(diào)COX-2表達(dá)及激活mito-KATP對(duì)心I/R大鼠產(chǎn)生延遲性心肌保護(hù)作用，證實(shí)了二者是同一通路中的兩個(gè)不同環(huán)節(jié)〔33〕。隨后有研究表明，尼可地爾GATA結(jié)合蛋白(GATA)-4誘導(dǎo)心臟中的COX-2，是通過(guò)激活KATP及其硝酸鹽類(lèi)實(shí)現(xiàn)的〔34〕。二氮嗪是線粒體KATP的特異性開(kāi)放劑，二氮嗪延遲預(yù)處理通過(guò)開(kāi)放線粒體KATP而上調(diào)UQCRC1蛋白表達(dá)，UQCRC1蛋白又上調(diào)B細(xì)胞淋巴瘤基因(Bcl)-2、COX-2等保護(hù)性蛋白的表達(dá)，激活A(yù)kt/糖原合酶激酶(GSK)-3β細(xì)胞保護(hù)信號(hào)通路使半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3蛋白失活，從而對(duì)心肌細(xì)胞MIRI起到保護(hù)作用〔24〕。賈丹等〔35〕通過(guò)H/R實(shí)驗(yàn)，模擬心肌I/R過(guò)程，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞腫瘤壞死因子(TNF)α的mRNA的表達(dá)，當(dāng)其轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)時(shí)，能夠激活核因子(NF)-κB的表達(dá)，進(jìn)一步介導(dǎo)COX-2表達(dá)，造成心肌細(xì)胞損傷。

綜上，KATP的主要作用是在缺血、缺氧或代謝抑制等代謝應(yīng)激狀態(tài)下保護(hù)心臟。在心肌缺血的過(guò)程中，心肌細(xì)胞中COX-2的表達(dá)顯著增高，然而要明確COX-2在心肌I/R的作用，還需要進(jìn)一步遺傳學(xué)解釋?zhuān)悦鞔_這種有爭(zhēng)議的酶的保護(hù)作用，這表明其有潛力被開(kāi)發(fā)為一個(gè)新的治療靶點(diǎn)。因此，明確COX-2與KATP的相關(guān)性及深入研究COX-2在MIRI中的具體作用及機(jī)制的研究顯得尤為重要，為心肌梗死患者提供新的治療策略。