缺血再灌注對老年心臟的損傷機(jī)制及研究進(jìn)展

信 強(qiáng)，崔碧紅，蘇秀蘭，張喜鶴

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059；2.烏蘭察布市第四醫(yī)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.廉江市人民醫(yī)院門診輸液科，廣東 湛江 524400；4.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；5.廉江市人民醫(yī)院博士工作站，廣東 湛江 524400）

心肌缺血再灌注損傷是指臨床手術(shù)過程中心肌組織在供血中斷后以及恢復(fù)供血的同時(shí)加劇損傷并引起心臟功能障礙的現(xiàn)象[1]。心肌缺血再灌注損傷往往繼發(fā)于冠狀動(dòng)脈血管成形術(shù)、心肌梗死的溶栓治療、心臟外科體外循環(huán)等治療過程中[2]。損傷通常由兩部分組成：冠狀動(dòng)脈突然阻塞會(huì)導(dǎo)致心肌中血液的灌注量突然減少，引起心肌缺血，并觸發(fā)細(xì)胞凋亡和壞死，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡；另一方面，當(dāng)冠狀動(dòng)脈突然涌入大量血液，使心肌細(xì)胞在極度缺血的狀態(tài)下突然大量充血，細(xì)胞中的氧含量急速升高，激活氧化應(yīng)激、Ca2+超載、炎癥等途徑從而誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡并造成缺血組織的進(jìn)一步損傷。這一現(xiàn)象給臨床治療缺血性心肌病增加了困難，也給患者帶來了進(jìn)一步的傷害并影響愈后[3]。目前臨床通常采取缺血預(yù)處理的方法即在手術(shù)前給予心臟多次短暫缺血/再灌注過程，減輕由缺血復(fù)灌造成的心肌組織損傷[4]。老年心肌不耐受是由多種因素共同影響的，例如隨著年齡增大，心肌細(xì)胞的纖維化增加，心肌肥厚增多，由于老年心肌細(xì)胞的細(xì)胞色素C 從線粒體釋放到胞質(zhì)顯著增加以及抗凋亡蛋白Bcl-2 含量降低而導(dǎo)致的心肌細(xì)胞的凋亡增多。造成上述現(xiàn)象的內(nèi)在原因包括如老年心肌細(xì)胞胞漿內(nèi)Ca2+調(diào)控能力降低，通過增加舒張期Ca2+積聚而導(dǎo)致肌漿網(wǎng)Ca2+攝取比率改變[5]。同時(shí)心肌細(xì)胞的線粒體功能受損和對氧化損傷的放大是老年心肌細(xì)胞不耐受的主要原因。本文主要對這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入的闡述。

1 老年心肌細(xì)胞對氧化損傷敏感

細(xì)胞內(nèi)的活性氧是造成細(xì)胞缺氧/復(fù)氧損傷的主要誘因?；钚匝踝杂苫茄醮x中的副產(chǎn)物，主要是線粒體由狀態(tài)Ⅲ向狀態(tài)Ⅳ轉(zhuǎn)換并且在能量代謝中產(chǎn)生的一類高活性分子，主要包括過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）、超氧陰離子（O2-）以及單線態(tài)氧等四種形式。心肌細(xì)胞在缺氧/復(fù)氧過程中過量的活性氧自由基可引起脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)的氧化損傷以及細(xì)胞的凋亡和壞死，從而引起心肌病變[6]。細(xì)胞內(nèi)過量的活性氧自由基聚集可導(dǎo)致線粒體功能障礙、細(xì)胞代謝紊亂以及細(xì)胞受體信號增加等[7]。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)適量的活性氧自由基對局部感染有一定的抑制效果，然而隨著年齡的增長，人體內(nèi)活性氧自由基水平也呈增長趨勢，過量的活性氧自由基會(huì)對細(xì)胞內(nèi)的DNA 和蛋白及細(xì)胞膜造成損傷，進(jìn)一步加速衰老[8]。人體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)可降低或減少由活性氧自由基及其代謝物對機(jī)體造成的損傷，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶以及谷胱甘肽酶等，這其中超氧化物歧化酶起主要作用。超氧化物歧化酶在細(xì)胞的不同區(qū)域通過與金屬離子結(jié)合而發(fā)揮功能，如細(xì)胞質(zhì)中銅鋅超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD2）、線粒體中的錳超氧化物歧化酶（Mn-SOD2）以及細(xì)胞外空間的超氧化物歧化酶（ec-SOD2）[9]。而細(xì)胞質(zhì)中其他的抗氧化酶主要功能是把H2O2水解成水和氧[10]。而在老年心肌的缺血再灌注時(shí)再灌注過程會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，在老年細(xì)胞本身活性氧自由基高表達(dá)、抗氧化系統(tǒng)功能不全的情況下，大量的活性氧突發(fā)性產(chǎn)生會(huì)對細(xì)胞和組織造成嚴(yán)重的損傷。基于上述原因，缺氧/復(fù)氧對細(xì)胞的損傷在老年人身上顯得更嚴(yán)重[11]。

2 老年線粒體功能衰退加重缺血再灌注損傷

線粒體是具雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，其主要功能是產(chǎn)生能量維持細(xì)胞的生命活動(dòng)。心肌細(xì)胞因?yàn)橐粩嗟靥鴦?dòng)來維持其收縮和泵血功能，因此需要消耗大量的能量，而心肌細(xì)胞總體積的30%是線粒體。這也導(dǎo)致在缺氧/復(fù)氧過程中心臟要比其他的器官承擔(dān)更重的壓力以及損傷[12]。線粒體的功能衰減和細(xì)胞的衰老是相伴而生的。這表示細(xì)胞內(nèi)自由基的增加會(huì)引起細(xì)胞的損傷并導(dǎo)致衰老的發(fā)生。這一理論后來發(fā)展為細(xì)胞內(nèi)積累的自由基損傷線粒體并影響線粒體的功能。雖然針對這一理論有不同的看法和質(zhì)疑，然而線粒體在衰老、疾病的發(fā)生中起的作用卻得到廣泛關(guān)注和驗(yàn)證[12]。在缺血再灌注過程中，活性氧自由基大量產(chǎn)生并積累，導(dǎo)致DNA損傷，線粒體脂質(zhì)過氧化和線粒體膜的去極化，以及Ca2+穩(wěn)態(tài)的破壞，這些導(dǎo)致細(xì)胞色素C以及凋亡蛋白酶活化因子釋放到細(xì)胞質(zhì)中并引起細(xì)胞死亡。研究指出，隨著年齡的增長，線粒體產(chǎn)生的活性氧自由基顯著增加，進(jìn)而給細(xì)胞清除活性氧自由基增加了很大的壓力，從而在缺氧/復(fù)氧時(shí)會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的細(xì)胞損傷。缺氧/復(fù)氧時(shí)經(jīng)過電子傳遞鏈的氧化磷酸化被抑制導(dǎo)致超氧自由基積累并引起ATP 減少。另外隨著年齡的增加，線粒體相關(guān)蛋白如磷酸鹽、腺嘌呤核苷酸以及ATP/ADP的含量和活性也顯著降低。缺氧/復(fù)氧損傷的主要原因是由于細(xì)胞凋亡，而線粒體在細(xì)胞凋亡過程中起重要調(diào)控作用。線粒體除了產(chǎn)生能量外，還參與了調(diào)控細(xì)胞的自噬、凋亡和壞死等。線粒體功能障礙可導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡，被認(rèn)為是心肌缺血再灌注損傷的標(biāo)志之一[13]。

隨著年齡的增長，人體各個(gè)器官和組織的細(xì)胞不可避免的走向衰老。目前認(rèn)為衰老分為復(fù)制性衰老和應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰兩大類。線粒體的結(jié)構(gòu)隨著細(xì)胞的衰老也會(huì)發(fā)生明顯的變化，同時(shí)功能也會(huì)減弱。研究發(fā)現(xiàn)與年輕細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞的線粒體存在嚴(yán)重的腫脹、分裂和長度增加以及碎片化程度顯著升高，線粒體內(nèi)部會(huì)發(fā)生嵴斷裂。細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)的變化和功能的減弱導(dǎo)致細(xì)胞能量的產(chǎn)生受到阻礙，這又進(jìn)一步影響細(xì)胞的功能和新陳代謝[14]。線粒體功能下降如呼吸鏈功能失調(diào)會(huì)減少ATP 的產(chǎn)生，氧化還原失衡以及增加活性氧的生成，可引起老年人心肌肥厚，慢性心力衰竭以及心律失常，同時(shí)活性氧也會(huì)造成線粒體的DNA和蛋白質(zhì)受損，進(jìn)一步影響線粒體功能[15]。有研究發(fā)現(xiàn)與青年人相比，老年人的NAD+表達(dá)顯著降低，而NAD+是電子傳遞鏈的輔酶，主要功能是促進(jìn)ATP 的合成，同時(shí)NAD+表達(dá)水平的降低可誘導(dǎo)超氧化物歧化酶的表達(dá)降低，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧自由基濃度的升高，而在缺氧/復(fù)氧發(fā)生時(shí)活性氧自由基高表達(dá)的細(xì)胞會(huì)承受更大的壓力和造成更重的損傷[16]。

細(xì)胞內(nèi)的各種離子濃度對細(xì)胞的生命活動(dòng)具有重要的調(diào)控意義，且不同的組織和器官中的離子濃度具有較大差異。心肌細(xì)胞中的線粒體對鈉離子（Na+）、鉀離子（K+）和鈣離子（Ca2+）的濃度敏感，這些離子對調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的能量供應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及細(xì)胞凋亡至關(guān)重要，上述過程的異常會(huì)影響心臟收縮功能甚至引起心臟病變[17]。Ca2+在心臟的收縮和舒張過程中起重要的調(diào)節(jié)作用，細(xì)胞通過調(diào)整線粒體和胞漿內(nèi)的Ca2+濃度影響心肌細(xì)胞的生理活動(dòng)。細(xì)胞膜上的Ca2+通道是調(diào)整鈣離子濃度的主要結(jié)構(gòu)，心肌細(xì)胞膜上主要鈣離子通道有電壓依賴性（LCa2+）、電壓依賴性T 型鈣離子通道（TCa2+）和NCX。心肌鈣循環(huán)主要是在心肌細(xì)胞中的肌質(zhì)網(wǎng)（SR）內(nèi)進(jìn)行，是心肌興奮-收縮偶聯(lián)鈣循環(huán)的主要場所，為鈣瞬變提供了約92%的Ca2+。LCa2+是鈣內(nèi)流的主要通道，也在心肌細(xì)胞正常生理興奮-收縮偶聯(lián)中起到重要作用。NCX 是非ATP 依賴的雙向Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于細(xì)胞膜內(nèi)外Na+、Ca2+濃度的變化。心肌細(xì)胞在正常情況下，通過NCX將細(xì)胞興奮時(shí)由電壓依賴性Ca2+通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的Ca2+排出細(xì)胞外，維持心肌細(xì)胞Ca2+穩(wěn)態(tài)和收縮偶聯(lián)。而在病理狀態(tài)如缺氧條件下，膜上的Na+/H+交換體被激活，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高，后者又可以通過增強(qiáng)反向NCX使胞內(nèi)Ca2+濃度超載[18]。細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載是缺血心肌再灌注過程中細(xì)胞凋亡、壞死，以及心功能降低的重要原因。在正常生理?xiàng)l件下，適當(dāng)濃度的Ca2+進(jìn)入線粒體，激活參與三羧酸循環(huán)的酶，誘導(dǎo)ATP 的生成。細(xì)胞漿中Ca2+濃度升高時(shí)會(huì)誘導(dǎo)線粒體攝取Ca2+的增加，使線粒體內(nèi)超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶等的活性下降，并進(jìn)一步導(dǎo)致氧自由基增多，使線粒體膜蛋白變性和通透性增加并造成線粒體損傷[19]；另一方面，線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔（PTP）在Ca2+穩(wěn)態(tài)、活性氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及細(xì)胞代謝方面具有重要的生理功能。衰老、缺血再灌注損傷和癌癥等都會(huì)影響線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔的開放。線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔有兩種不同的開放模式：暫時(shí)性開放和持續(xù)性開放，暫時(shí)打開是可逆事件；而持續(xù)性打開不可逆并且會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Ca2+與活性氧濃度的升高會(huì)誘導(dǎo)線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔持續(xù)性打開而導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織器官損傷[20]。

線粒體存在于所有有核細(xì)胞中，具有獨(dú)立于細(xì)胞核基因組的遺傳序列，可自主編碼相關(guān)蛋白。線粒體DNA（mtDNA）長度為16 569 bp，是具有多拷貝的環(huán)狀雙鏈DNA 分子，共包含37 個(gè)基因，其中13個(gè)編碼呼吸酶復(fù)合體的多肽，24 個(gè)基因編碼轉(zhuǎn)移RNA 和核糖體RNA。線粒體DNA 與細(xì)胞核基因組相比有其獨(dú)特的環(huán)境和特性：比如裸露的線粒體DNA 缺乏組蛋白的保護(hù)，使其容易與致癌物結(jié)合；線粒體內(nèi)氧自由基及過氧化氫等物質(zhì)的濃度高，同時(shí)線粒體本身又不能有效清除這些過氧化物，因此DNA更容易受到氧化損傷；線粒體蛋白質(zhì)組大約含有1 500 個(gè)蛋白，除了37 個(gè)線粒體編碼的蛋白外，大部分由細(xì)胞核基因組編碼，然后在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)錄翻譯后被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體特定位點(diǎn)[21]。線粒體的結(jié)構(gòu)和功能隨著年齡增加而不斷變化，研究發(fā)現(xiàn)衰老個(gè)體中線粒體DNA 相對含量增加。線粒體中蛋白通過各種通路影響線粒體的功能以及活力，如PINK1/Parkin 是細(xì)胞自噬調(diào)控蛋白，對細(xì)胞的能量供應(yīng)和凋亡有重要意義，如研究發(fā)現(xiàn)PINK1 過表達(dá)可招募磷酸化的Parkin，誘導(dǎo)ATP 生成增加以及活性氧自由基生成減少而改善線粒體功能[22]。此外，線粒體也會(huì)通過自噬受體p62/ SQSTM1 和LC3 作用，驅(qū)動(dòng)泛素化的線粒體通過自噬被降解。因此，抑制p62的活性可以抑制線粒體自噬以及受損線粒體的聚集[23]。此外，optiineurin（OPTN）和Drp1等基因都會(huì)調(diào)控線粒體的自噬，起到保護(hù)健康線粒體和清除受損線粒體的功能[24，25]。然而，隨著年齡的增加，線粒體基因組損傷加重而導(dǎo)致編碼的蛋白量減少以及功能缺失，同時(shí)老化的細(xì)胞及線粒體內(nèi)活性氧自由基表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致蛋白活性受到影響，這些都會(huì)影響線粒體和細(xì)胞的功能和完整性。這也是老年線粒體自身功能不全的一個(gè)重要原因，進(jìn)而當(dāng)老年心肌細(xì)胞發(fā)生缺氧/復(fù)氧時(shí)線粒體不能提供較多的能量以及調(diào)控自噬的能力降低會(huì)誘導(dǎo)更嚴(yán)重的心肌細(xì)胞損傷。

3 缺血預(yù)處理對老年心肌細(xì)胞保護(hù)減弱

缺血預(yù)處理（ischemic preconditioning，IPC），是指反復(fù)短暫的缺血和再灌注，使組織和器官適應(yīng)手術(shù)時(shí)較長時(shí)間的缺血打擊，提高缺血缺氧的耐受性[26]。隨后發(fā)展出來的遠(yuǎn)端缺血預(yù)處理（RIPC）指對某組織或器官進(jìn)行短暫的缺血再灌注，通過該器官或組織釋放的信號分子激活神經(jīng)系統(tǒng)而保護(hù)遠(yuǎn)處器官免受由缺氧/復(fù)氧所造成的傷害[27]。這一技術(shù)成本低、無明顯不良反應(yīng)而得到廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端缺血預(yù)處理在健康人群中可增加術(shù)后的認(rèn)知學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也與患者良好預(yù)后具有相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)[28]STAT3 和Akt 的磷酸化可以抑制由缺血再灌注造成的細(xì)胞凋亡，并降低活性氧自由基生成和炎癥反應(yīng)。也有研究指出缺血預(yù)處理對心肌的保護(hù)能力取決于對細(xì)胞和線粒體自噬的調(diào)控能力，而自噬能保護(hù)心肌免受缺血再灌注造成的損傷。也有研究表明[29]人體和細(xì)胞的衰老與自噬下調(diào)呈現(xiàn)正相關(guān)，自噬相關(guān)蛋白家族可以調(diào)控細(xì)胞自噬的起始和進(jìn)展，如研究發(fā)現(xiàn)Atg5和Atg7可通過調(diào)控自噬減輕心臟相關(guān)的疾病，如心力衰竭以及心肌肥大等。許多動(dòng)物和人類的體內(nèi)外研究表明與年輕人相比，老年人心肌更容易受到缺血性傷害。盡管很多研究都表明缺血預(yù)處理能保護(hù)年齡較小人群的由于缺氧/復(fù)氧造成的心肌損傷，然而越來越多的研究發(fā)現(xiàn)缺血預(yù)處理對老年心肌的保護(hù)作用不敏感甚至不起作用。如一系列在老年小鼠和大鼠等小動(dòng)物的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明缺血預(yù)處理不能減小由于缺氧/復(fù)氧造成的心肌梗死面積，與不做處理組相比也不會(huì)增強(qiáng)心肌的收縮功能，這些研究表明缺血預(yù)處理的保護(hù)作用對老年心肌不再有效[30]。

4 老年人血管功能減弱

如前所述，缺血再灌注時(shí)活性氧自由基（ROS）的爆發(fā)性生成和異常蓄積，以及心臟微循環(huán)系統(tǒng)受到破壞是造成心肌損傷的關(guān)鍵因素。微循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞是組織和血液之間的重要屏障，同時(shí)這些細(xì)胞對缺氧缺血高度敏感。心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能決定了心肌組織的完整性并直接影響其供氧功能[31]。而在發(fā)生缺血再灌注時(shí)，微循環(huán)結(jié)構(gòu)被打破，進(jìn)而形成微血栓，同時(shí)出現(xiàn)血管收縮/舒張功能障礙以及氧自由基爆發(fā)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致血栓周圍的組織和心肌細(xì)胞發(fā)生凋亡和壞死，造成周圍心肌組織的梗死面積擴(kuò)大。而老年心肌微血管的功能不全以及血管彈性減弱會(huì)進(jìn)一步加大對微循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，并進(jìn)一步造成心肌組織的損傷[32]。心肌細(xì)胞是永久細(xì)胞，其再生潛力有限，通過干細(xì)胞移植對心血管疾病進(jìn)行治療是目前心血管疾病研究的熱點(diǎn)之一。為了提高干細(xì)胞療法的效果，增強(qiáng)干細(xì)胞在缺血再灌注損傷后產(chǎn)生的炎性和纖維化環(huán)境中的生存能力是必要的。分泌型卷曲相關(guān)蛋白2（sFRP2）能夠改善人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）在氧化應(yīng)激下的生存能力，提高干細(xì)胞移植的治療效果，同時(shí)又不影響hMSC 的細(xì)胞形態(tài)、表面標(biāo)志物表達(dá)以及分化潛能。其作用機(jī)制可能是sFRP2 加強(qiáng)了Wnt/β-catenin信號，進(jìn)而提高細(xì)胞存活率。

5 總結(jié)

心肌缺血再灌注損傷是臨床手術(shù)對心肌造成損傷的主要原因。目前普遍認(rèn)為心肌缺血再灌注損傷有4種形式：（1）微血管阻塞；（2）心肌頓抑；（3）再灌注誘發(fā)的心律失常；（4）致死性心肌再灌注損傷。同時(shí)衰老會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞和線粒體功能衰退，導(dǎo)致組織的老化并誘發(fā)各種心血管疾病。隨著人口老齡化的加劇，衰老及相關(guān)疾病將變成一個(gè)重要的公共問題，尤其老年人細(xì)胞和組織活力低以及功能不全，對損傷的抵抗和修復(fù)能力差，不但在缺血再灌注過程中受到的損傷更大，而且損傷造成的并發(fā)癥更嚴(yán)重。臨床上通過缺血預(yù)處理、后處理及藥物預(yù)處理等可以減少對器官的損傷。上述方法在老年心肌的保護(hù)作用并未得到證實(shí)。隨著對心肌缺血再灌注損傷機(jī)制的深入研究，亟待找到可有效預(yù)防老年心肌缺血再灌注損傷的方法來減少缺血再灌注對老年器官的損傷及改善患者的預(yù)后。