三氧在缺血再灌注損傷中的研究進(jìn)展

張琳,曹倩倩,孫麗娜,王壽世

(1 濰坊醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)院,山東 濰坊 261053; 2 青島大學(xué)附屬青島市中心醫(yī)院麻醉科)

缺血再灌注(I/R)損傷是一個復(fù)雜的過程,其中氧化應(yīng)激是體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)失衡的結(jié)果。大量動物實驗表明,三氧(O3)通過誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生輕度氧化應(yīng)激來激活抗氧化系統(tǒng)和促進(jìn)氧釋放,以對不同器官的I/R損傷起保護(hù)作用。O3在I/R損傷模型中的應(yīng)用包括預(yù)處理和后處理?；仡櫧陙鞳3在各器官I/R損傷方面的研究進(jìn)展,對其作用特點及機(jī)制予以綜述,為基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用提供參考。

1 O3及其臨床應(yīng)用

O3也稱臭氧,由3個氧原子所組成,是一種動態(tài)不穩(wěn)定的氣體分子,具有刺激性氣味。在20 ℃時O3的半衰期為40 min,而在0 ℃時約為140 min[1]。O3在20世紀(jì)初用于醫(yī)學(xué),在第一次世界大戰(zhàn)期間首次用來消毒傷口及治療壞疽。后被應(yīng)用于愈合傷口及治療肝炎、關(guān)節(jié)炎、腰椎間盤突出癥等疾病[2-5]。醫(yī)用的O3是由O3和氧氣(O2)組成的混合氣體,在過去40年中,因其方便、成本低等優(yōu)點,采用O3療法治療疾病已在歐洲成為一種非傳統(tǒng)的治療方法。本文提到的O3均指醫(yī)用O3。

O3在臨床應(yīng)用中受到限制主要是因為其毒性作用。O3的毒性劑量和治療劑量之間的界限與引起機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激的強度有關(guān)。嚴(yán)重的氧化應(yīng)激會激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB),產(chǎn)生前列腺素E2、環(huán)氧化酶-2和細(xì)胞因子,從而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和組織損傷。但輕度氧化應(yīng)激會激活核轉(zhuǎn)錄因子 E2 相關(guān)因子2 (Nrf2),Nrf2啟動下游的抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄,使得抗氧化酶如過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等過表達(dá),減輕細(xì)胞的炎癥和氧化損傷,也會降低組織氧化應(yīng)激反應(yīng),如脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化等。此外,它還影響促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和釋放,并通過促進(jìn)氧氣和血液循環(huán)激活免疫和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)。O3的治療潛力正是通過誘導(dǎo)生物體內(nèi)產(chǎn)生輕度氧化應(yīng)激起作用[6-10]。當(dāng)O3的濃度范圍在10～80 mg/L之間時,可確保產(chǎn)生小而精確的氧化應(yīng)激,從而起到無毒性的醫(yī)療作用[11-14],此濃度范圍被定義為O3的“治療窗口”。在動物模型中,常采用尾靜脈注射、直腸吹入、腹腔注射等給藥方式;在臨床中,O3療法可通過局部沖洗、肌注、灌腸、皮下和關(guān)節(jié)內(nèi)給藥等途徑應(yīng)用于疼痛醫(yī)學(xué)等相關(guān)治療[15-16]。

2 O3在不同器官I/R損傷性疾病中的保護(hù)作用

I/R損傷是一個復(fù)雜的過程,涉及氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞內(nèi)鈣超載、凋亡和細(xì)胞壞死。其中氧化應(yīng)激是體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)失衡的結(jié)果[17]。O3則通過誘導(dǎo)輕度氧化應(yīng)激以激活抗氧化系統(tǒng)[18-19],在不同器官的I/R損傷中起到保護(hù)作用。此外,O3也能夠在I/R損傷模型中發(fā)揮抗炎、抗凋亡的作用。O3在I/R損傷中的研究以動物實驗為主,目前相關(guān)臨床研究比較少見。這些研究涉及多個器官。

2.1 心臟I/R損傷

心血管手術(shù)、心臟移植和體外循環(huán)過程中常因I/R損傷導(dǎo)致心功能障礙[20]。YU等[21]用10和20 mg/L的O3氣體分別預(yù)處理30 min進(jìn)行體外實驗,證明O3預(yù)處理可增強細(xì)胞活力,降低肌酸激酶、乳酸脫氫酶的釋放和心肌細(xì)胞凋亡;還可以上調(diào)熱休克蛋白70的表達(dá)。提示O3保護(hù)了I/R損傷中的心肌細(xì)胞。XU等[22]建立心肌氧葡萄糖剝奪/再灌注(OGD/R)損傷細(xì)胞模型,在再灌注期間,將細(xì)胞與不同濃度的O3氣體 (10～60 mg/L) 一起孵育。結(jié)果顯示,O3能顯著降低OGD/R條件下心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激,其原因可能通過阻斷氧化應(yīng)激使心肌細(xì)胞產(chǎn)生抗自噬作用。因此,自噬可能是O3治療心肌損傷的主要靶點。

2.2 腦I/R損傷

關(guān)于O3在腦I/R損傷方面的研究相對較少。近年來CAI等[23]通過把SH-SY5Y細(xì)胞與濃度為20 mg/L的O3氣體混合10 min后,分析得出O3通過調(diào)節(jié)相關(guān)抗氧化酶的活性來維持氧化還原穩(wěn)態(tài),使SH-SY5Y細(xì)胞中損傷的線粒體數(shù)目減少,胱天冬酶信號通路以及細(xì)胞凋亡受到抑制,SH-SY5Y細(xì)胞的I/R損傷得到緩解。提示O3在減輕腦I/R損傷中具有重要作用,它可能是未來腦I/R損傷病人一種有前途的新預(yù)防策略。

2.3 肺臟I/R損傷

I/R損傷在心血管手術(shù)、心臟移植以及體外循環(huán)過程中不僅是心功能障礙的主要原因,也是肺功能不全的主要原因[24]。近年來,WANG等[25]發(fā)現(xiàn)O3預(yù)處理通過減輕氧化應(yīng)激、炎癥誘導(dǎo)的損傷和肺細(xì)胞凋亡,顯著改善肺形態(tài)變化,保護(hù)肺免受I/R損傷。其機(jī)制可能是通過增加Nrf2的表達(dá)增強抗氧化活性,降低NOD樣受體家族3(NLRP3)的水平而抑制細(xì)胞凋亡。BAKKAL等[26]在肺I/R損傷模型的研究中證明,O3預(yù)處理通過抑制血清中IL-1β的釋放對大鼠肺I/R損傷起到明顯的保護(hù)作用。在COVID-19肺炎爆發(fā)后,有研究者提出O3治療可能是調(diào)節(jié)病人對SARS-19-2免疫應(yīng)答的潛在資源,其有助于抑制COVID-19肺炎的細(xì)胞氧化應(yīng)激,并打破嚴(yán)重疾病中觀察到的細(xì)胞因子風(fēng)暴的周期性[27]。因此,O3治療也可作為早期COVID-19肺炎病人的有益補充治療,以防止進(jìn)展為危及生命的疾病[28]。

2.4 腎臟I/R損傷

腎I/R損傷可導(dǎo)致嚴(yán)重的腎損傷,如急性主動脈損傷、慢性纖維化等[29]。SANCAK等[30]發(fā)現(xiàn),O3自血療法可以通過減少炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)活性氧(ROS)來減輕腎臟I/R損傷中的組織損傷。JIANG等[31]研究持續(xù)10 d的O3氣體(濃度為50 mg/L)后處理對大鼠腎I/R損傷后腎小管間質(zhì)纖維化的作用,結(jié)果表明,O3后處理可通過抑制早期的氧化應(yīng)激和炎癥,防止肌成纖維細(xì)胞活化和凋亡,減輕I/R損傷大鼠模型中的腎損傷腎間質(zhì)纖維化的進(jìn)展;而持續(xù)15 d的O3氣體預(yù)處理(濃度為50 mg/L)則是通過調(diào)節(jié)Toll樣受體4-核轉(zhuǎn)錄因子-κB(TLR4-NF-κB)途徑在腎I/R損傷中起保護(hù)作用,同時也降低了這些大鼠腎臟中促炎細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、ICAM-1等)和巨噬細(xì)胞趨化因子的表達(dá)[32]。此外,O3療法在慢性腎病大鼠模型中可以通過降低腎臟中NLRP3和caspase-1-p10的表達(dá),調(diào)節(jié)NLRP3流入量來減少無菌性腎水腫并延緩慢性腎病的進(jìn)展[33]。

2.5 腸道I/R損傷

ONAL等[34]建立腸I/R損傷模型,O3預(yù)處理組給予濃度為60 mg/L的O3氣體5 d,通過分析組織中超氧化物歧化酶(SOD)、CAT、GSH-Px、丙二醛(MDA)和蛋白羰基的含量,以及血總氧化狀態(tài)和總抗氧化能力,發(fā)現(xiàn)O3可改善I/R相關(guān)組織損傷。提示O3治療可以預(yù)防腸I/R損傷。ISIK等[35]在缺血后15 min,腹腔注射O3水(O3濃度為25 mg/L,劑量為0.5 mg/kg)后也得出了O3可改善腸道I/R損傷的相似結(jié)果。但GUNAL等[36]研究結(jié)果顯示,單劑量O3治療不能減輕大鼠腸I/R損傷的氧化應(yīng)激或改善缺血損傷,該研究探索了單劑量O3在腸I/R損傷急性期的作用,并沒有涉及重復(fù)劑量O3治療的長期影響。

2.6 肝臟I/R損傷

TEZCAN等[37]在肝毒性模型中每天2次給予40 mg/L 的O3氣體,14 d后可減輕肝毒性,提示O3可作為對乙酰氨基酚誘導(dǎo)產(chǎn)生的急性肝毒性的常規(guī)補充療法。DEMIRATS等[38]建立肝臟I/R損傷模型,于再灌注前腹腔注射O3水(濃度25 mg/L,劑量0.5 mg/kg),結(jié)果顯示,肺和腎組織中MDA水平升高,CAT和SOD水平降低。提示O3治療可減輕肝缺血引起的肺和腎損傷。

2.7 生殖器官I/R損傷

當(dāng)生殖器官如卵巢、睪丸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時,可能會發(fā)生動脈、靜脈或淋巴管等阻塞,阻斷血流可導(dǎo)致缺血低氧。SAYAR等[39]建立卵巢I/R損傷模型,在卵巢扭轉(zhuǎn)75 min后給予濃度25 mg/L的O3水治療,通過分析谷胱甘肽還原酶、CAT、SOD和MDA等表達(dá)水平及組織病理學(xué)參數(shù)評估組織損傷,結(jié)果表明,O3治療對卵巢I/R損傷有一定效果。在向急性I/R損傷模型大鼠的盆腔內(nèi)連續(xù)注入O3(濃度分別為45和60 mg/L)7 d后,結(jié)果顯示,TNF-α和IL-6含量明顯下降,IL-2含量明顯升高,免疫球蛋白含量和免疫功能明顯改善,大鼠子宮內(nèi)膜損傷明顯減輕。提示O3可能有助于盆腔炎的治療,其機(jī)制可能是通過抑制子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞壞死和減輕炎癥反應(yīng),這或許是一種有前途的研制治療炎癥疾病藥物的新途徑[40]。

睪丸扭轉(zhuǎn)-去扭轉(zhuǎn)引起睪丸I/R損傷可導(dǎo)致組織MDA增加,血漿中總巰基和谷胱甘肽水平降低。而在去扭轉(zhuǎn)前15 min通過腹腔注射O3氣體(濃度為50 mg/L)治療的大鼠中血漿總巰基和谷胱甘肽水平提高,MDA水平降低,提示O3可保護(hù)睪丸免受I/R損傷[41]。METE等[42]比較了腹腔內(nèi)和睪丸內(nèi)O3治療對大鼠睪丸I/R損傷的影響,發(fā)現(xiàn)局部O3治療在改善睪丸扭轉(zhuǎn)引起的I/R損傷方面比全身O3治療更有效。

2.8 其他器官I/R損傷

耳蝸I/R損傷是人類突發(fā)性感音神經(jīng)性聽力損失的重要原因之一[43]。ONAL等[44]通過在I/R損傷前的7 d開始經(jīng)腹腔注射O3氣體(濃度為60 mg/L,劑量為1 mg/kg),來探討O3對耳蝸I/R損傷的療效,結(jié)果顯示,O3預(yù)處理可通過激活GSH-Px、SOD和CAT及抑制MDA和ROS而發(fā)揮其對耳蝸I/R損傷的作用。

肌皮瓣轉(zhuǎn)移是重建手術(shù)中常用的一種方法,但術(shù)后皮瓣I/R損傷的發(fā)生率是影響手術(shù)結(jié)果的重要因素,是皮瓣轉(zhuǎn)移后存活的重要因素。ELSURER等[45]在胸肌皮瓣術(shù)后7 d內(nèi)給予濃度為60 mg/L的O3氣體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)O3減輕了I/R引起的肌瓣損傷。這可能與O3減少I/R損傷后的中性粒細(xì)胞浸潤、纖維化組織形成、肌皮瓣血管生成和自由基產(chǎn)生等密切相關(guān)。

3 小結(jié)和展望

醫(yī)用O3在I/R損傷疾病中的保護(hù)效應(yīng)已在多個器官的基礎(chǔ)研究中得到證實。其抗氧化、抗凋亡、抗炎癥的作用也被陸續(xù)證實報道,但其具體的分子機(jī)制還需深入研究,而且在不同時間段 (包括缺血和/或再灌注期) 使用不同劑量的問題也需進(jìn)一步評估,以達(dá)到用于臨床目的。隨著深入的研究,醫(yī)用O3在防治器官I/R損傷方面或許將擁有十分廣闊的臨床應(yīng)用前景。