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一、心肌的代謝特點

心臟是一個機械作功的器官,這就決定了它具有高耗能、高耗氧、高代謝率的特點。心肌的氧攝取率高達70%,當心肌耗氧增加時,再提高氧攝取率的潛力很小,需靠擴張冠脈、增加血流量以增加氧的供應。任何造成心臟耗氧增加和/或供氧減少的因素都影響心臟作功。心肌有氧氧化的能力強而耐缺氧能力差。正常情況下,心肌的代謝基本上全是需氧的。代謝物(底物)的氧化不斷地為心肌作功提供高能磷酸鍵;當氧供應受限時,則通過刺激無氧糖酵解產能。產能的場所主要在線粒體,耗能過程主要用于肌動蛋白和肌球蛋白的結合以及各種離子泵的活動。

二、心肌缺血引起的代謝變化

(一)產能減少:心肌缺血使心肌組織氧供減少,線粒體氧化磷酸化減弱,ATP生成減少。盡管無氧糖酵解加強,但產能效率低。心肌的能量代謝狀態與心肌缺血損傷程度有直接關系,當缺血心肌ATP含量在正常的35%以上時,缺血性損傷是可逆的;當ATP含量降至正常的20%,則產生不可逆性缺血性損傷。

(二)細胞內酸中毒:心肌缺血時糖酵解加強,乳酸生成增多;CO2的蓄積可轉化為H2CO3;ATP分解過程中產生H+;Ca2+與線粒體內磷酸根結合釋放H+。這些變化均可使細胞內H+濃度升高。

(三)細胞內鈣超載:下列因素可造成細胞內鈣超載。

1.心肌缺血時氧供和氧化底物均減少,則ATP生成減少,使各離子泵(包括鈣泵)的功能減弱,導致細胞內Ca2+濃度([Ca2+]i)增加。

2.細胞內酸中毒啟動Na+-H+交換,以減輕酸中毒程度;但同時細胞內Na+濃度的升高又激活Na+-Ca2+交換,導致[Ca2+]i升高。

3.缺血時兒茶酚胺釋放增加,通過細胞膜上的a、b受體激活Ca2+通道,使Ca2+內流增加;同時還刺激肌質網釋放Ca2+。二者使[Ca2+]i升高。

(四)自由基生成:缺血、缺氧時ATP代謝產物(AMP和次黃嘌呤)堆積;同時,細胞內鈣超載,激活Ca2+依賴性蛋白水解酶,使黃嘌呤脫氫酶(XD)變構成黃嘌呤氧化酶(XO)。在再灌注恢復血供時,XO就能催化次黃嘌呤產生大量超氧陰離子。在缺血引起心肌損害的因素中,自由基不起主要作用。

(五)細胞膜通透性增加:心肌缺血時,脂肪酸氧化受阻,使游離脂肪酸、脂酰CoA及脂酰肉毒堿等堆積,它們均可使膜通透性異常增加,造成細胞內酶和小分子物質外漏,K+外流、Ca2+內流,膜內外原有的離子濃度差變小。

三、心肌缺血/再灌注損傷

(一)概念:缺血心肌在恢復血流后引起心肌超微結構、功能、代謝及電生理方面的的進一步損害叫做心肌缺血/再灌注損傷(Ischemia/reperfusioninjury,IRI)。

(二)發生機制:

1.能量代謝障礙:缺血造成的細胞膜通透性增加和離子泵的功能減退導致再灌注后細胞內水腫和鈣超載加重。再灌注后使再合成ATP的物質基礎(如腺苷、肌苷、次黃嘌呤等)丟失,ATP合成在短時間內不能恢復。

2.自由基大量生成:

(1)黃嘌呤氧化酶源性氧自由基的形成增多;

(2)中性粒細胞源性氧自由基生成增加;

(3)線粒體源性氧自由基生成增加;

(4)兒茶酚胺分泌增多,兒茶酚胺氧化能產生具有細胞毒性的氧自由基;

(5)體內清除自由基能力下降:正常體內存在抗氧化系統,主要有SOD、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)。這些酶類將正常產生的自由基分解代謝掉。但在IRI時,體內抗氧化酶類和抗氧化劑被大量消耗,使自由基清除不足,最終造成自由基增多。自由基的增多損傷生物膜,使酶活性降低,引起細胞內Ca2+超載,誘導炎性介質產生。IRI時,自由基生成增多和細胞內鈣超載兩者互為因果。

3.鈣超載:

(1)原因:①生物膜受損,細胞膜通透性增加:缺血缺氧時細胞膜的損傷為再灌注時Ca2+的內流創造了條件。缺血缺氧引起的細胞內酸中毒,再灌注時通過H+-Na+交換和Na+-Ca2+交換而使[Ca2+]i增加。②線粒體功能障礙:IRI時產生的氧自由基可破壞線粒體結構和功能,ATP生成減少,肌膜和肌漿網鈣泵功能障礙,造成[Ca2+]i增加。

(2)鈣超載引起IRI的機制:①線粒體ATP生成減少,造成細胞能量供應嚴重不足;②細胞內游離鈣增加,使Ca2+與鈣調蛋白(CaM)結合增多,激活鈣依賴性蛋白水解酶如磷脂酶、蛋白酶、核酸內切酶等,激活的磷脂酶水解生物膜磷脂,導致細胞膜及細胞器膜受損;蛋白水解酶和核酸內切酶的活化可引起細胞骨架和核酸的分解。因此,細胞內游離鈣增加,可使肌纖維攣縮和斷裂,損傷(或破壞)生物膜和細胞骨架。③鈣超載使鈣依賴性蛋白水解酶激活,促使XD轉變為XO,使自由基生成增加,損害心肌。另外,鈣依賴性磷脂酶A2的激活,使花生四烯酸(AA)生成增加,后者通過環氧化酶和脂加氧酶作用產生大量H2O2和羥自由基。

四、心肌缺血預處理及其作用機制

(一)心肌缺血預處理的概念和特點

1986年Murry等人首先報道了心肌缺血預處理(ischemicpreconditioning,IPC)現象。他們在狗實驗中阻斷冠脈左旋支5min,再灌注5min,反復4次,然后再阻斷40min,再灌注3h,心肌壞死面積比對照組(阻斷40min后持續再灌注)明顯減少,心功能改善,心律失常發生率降低,自由基的形成減少,心肌超微結構的損害減輕。1.IPC定義反復多次的短暫心肌缺血對隨后更長時間的心肌缺血/再灌注損傷有保護作用,能提高心肌對缺血的耐受性。因此,預處理是指預先給予某種損傷性刺激,以提高心肌細胞自身抗損傷的耐受性或適應性。

2.IPC保護作用的特點

(1)普遍性:預先給機體或器官、細胞某種損害性刺激,使受損傷的器官(如心臟)產生耐受性或適應性。預處理效應是生物界存在的一種普遍規律。

(2)非特異性:盡管預處理辦法各不相同,但其保護作用及其機制是相似的。

(3)保護作用的時段性:早期IPC持續約1~3h(豬約1h,狗和兔約2h);延遲階段的IPC作用在24h后出現,可持續數小時、數天或者更長;延遲階段多稱作延遲性預處理(delayedpreconditioning),亦稱為“保護作用的第二窗口”。參與這二個階段的機制不同,但彼此間存在一定的聯系;沒有早期階段的保護作用,不可能發生隨后延遲階段的保護作用。早期IPC產生迅速而短暫,此期的機制可能是:①腺苷受體通過蛋白激酶C(PKC)激活KATP通道;②內皮源性一氧化氮合酶(eNOS)表達增加而使cGMP水平上升,后者導致預處理器官反應性充血而發揮其早期保護作用。延遲IPC起效緩慢而持久,此期特點在于有大量基因表達和新蛋白合成如熱休克蛋白(HSPs)和SOD。G蛋白偶聯受體、PKC和ATP敏感性鉀通道(KATP通道)也在此期發揮作用,但機制可能有所不同。(4)有限的記憶性:如果預處理與隨后的長時間缺血的間隔時間由10min增加至1~2h,心肌將不再“記憶”它曾被預處理過,于是保護作用隨之喪失。

(二)心肌缺血預處理的機制

IPC是涉及多種因素參與的復雜過程,釋放的內源性物質通過細胞內信號傳導系統調節心肌功能。一般可分為內源性觸發物的激活、信號傳遞通路的活化及終末效應物形成等三個過程。內源性觸發物質一般包括腺苷、緩激肽、降鈣素基因相關肽(CGRP)等,信號傳遞通路有PKC、酪氨酸激酶和絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)等,終末效應物有KATP通道、HSPs、SOD等。

1.內源性觸發物質

(1)腺苷腺苷A1和A3受體的激活所導致的內源性腺苷釋放增加是啟動和介導IPC的重要環節。在預處理低氧灌流階段,細胞內腺苷釋放驟增。給予外源性腺苷預處理心肌可模擬IPC的保護作用,在IPC前給予腺苷受體阻斷藥則可以阻斷IPC對心肌的保護作用,說明腺苷在預處理中是一重要介質。腺苷轉運抑制劑(如潘生丁、曲氟嗪)能提高血液中的腺苷濃度,有抗心肌缺血的作用。在冠脈成形術(PTCA)前,冠脈內加入潘生丁預處理,病人耐受球囊擴張時間延長。冠脈搭橋手術前滴注腺苷能增加心肌耐受缺血的能力,加快術后心功能的恢復。(2)緩激肽心肌缺血時引起冠脈內皮釋放緩激肽(bradykinin),作用于緩激肽B2受體,誘發某些PKC同構體迅速而短暫地易位,并可觸發NO和前列環素(PGI2)的釋放,NO釋放引起cGMP水平升高,抑制L-鈣通道,抑制心肌收縮和降低能量消耗;NO還有擴張冠脈和抑制血小板黏附作用。外源性緩激肽可模擬IPC樣心肌保護作用,應用NO合酶抑制劑和環氧化酶抑制劑可以阻斷緩激肽對缺血心肌的保護作用。

(3)降鈣素基因相關肽(CGRP):CGRP是心血管肽能神經纖維釋放的一種遞質,廣泛分布于血管壁上,短暫缺血引起CGRP的釋放,應用CGRP灌注離體心臟或用促CGRP釋放劑(辣椒素)均可模擬出IPC效應,其對心肌的保護效應可被其受體拮抗劑CGRP8-37逆轉,證實CGRP介導IPC效應。有研究顯示缺血預處理第一次和第三次缺血末血漿CGRP濃度較對照組顯著增高,并明顯降低室性心律失常發生率和心肌梗死面積,表明CGRP在IPC中發揮作用。(4)類阿片肽:近年來阿片肽在介導IPC中的作用逐漸得到重視。主要激活Gi/o蛋白,后者激活PKC,PKC又可激活線粒體膜上的KATP通道。IPC的保護作用(緩解心絞痛、減小梗塞面積)在給予阿片類藥物后即刻出現,并且在24h后再現。其緩解心絞痛作用不依賴于其鎮痛效應。非特異性拮抗劑納洛酮以及d受體拮抗劑7-benzyli-denaltrexone可抑制IPC。

(5)NO:IPC的延遲效應與NO水平中度升高有關。NO激活鳥苷酸環化酶使cGMP增多,后者激活磷酸二酯酶(PDE)使cAMP水平下降而產生一系列效應。單磷脂A(MIA)誘發的心肌延遲性保護作用依賴于誘生型NO合成酶(iNOS),給予拮抗劑S-meth-ylisothiourea(3mg/kg)可取消MIA的作用,在iNOS基因敲除的動物,MLA根本不能發揮心肌保護作用,因此NO被認為在MIA藥物預處理中起到了樞紐作用。如果NO產生過多,導致氧自由基大量產生則介導了細胞損傷作用。(6)腎上腺素(AD):一般認為在IPC的細胞外信號轉導中AD的A2和A3受體與抑制性Gi/o蛋白偶聯,通過作用于腺苷酸環化酶(AC)產生心肌保護作用(A1和A3在心室肌和血管平滑肌呈優勢分布)。A2受體則與Gs蛋白偶聯而產生擴血管作用(血管平滑肌呈優勢分布)。腎上腺素激動劑誘導IPC的研究已經興起,但還處于初期階段。

2.信號傳遞通路

(1)蛋白激酶C:短時缺血引起體內釋放腺苷、緩激肽、NO等內源性物質,作用于心肌的相應受體偶聯抑制性G蛋白,激活磷脂酶C(PLC),PLC使磷脂酰二磷酸肌醇(PIP2)分解生成三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG),IP3和DAG作為第二信使分別激活Ca2+通道和PKC,使效應蛋白磷酸化,介導了IPC對心肌細胞的保護作用?，F已證明PKC在IPC的細胞內信息傳遞中起關鍵作用,它的激活是IPC所共有的細胞內機制。應用PKC激動劑佛波醇酯(PMA)在大鼠可模擬出IPC效應,該效應可被PKC拮抗劑螯丁二烯消除。PKC在DAG和Ca2+的作用下,從胞漿移位到細胞膜和線粒體膜上,使KATP通道蛋白或其他效應蛋白質磷酸化,呈現出IPC早期的保護作用;PKC也可移位到細胞核中,使基因轉錄因子(NF-kB)磷酸化,加速基因的轉錄,誘導HSPs和SOD的合成,這可能是IPC延遲相保護心肌的物質基礎。

(2)酪氨酸蛋白激酶和絲裂原活化蛋白激酶:二者主要參與延遲性保護機制。觸發因子可以通過G蛋白激活上述激酶,然后使NF-kB磷酸化,后者調節原癌基因和應急蛋白基因的表達。3.終末效應物

(1)KATP通道:KATP通道是PKC介導IPC的重要終末效應器之一。KATP通道不僅存在于細胞膜,也存在于線粒體膜,激活線粒體膜上的KATP通道,復極化時K+外流增加,導致動作電位時程和不應期縮短,平臺期縮短,電壓依賴性Ca2+通道活性下降,Ca2+內流減小,減輕鈣超載引起的損傷;同時心肌收縮力減弱,減少ATP消耗,保護缺血心肌。依據包括:①腺苷及其選擇性A1受體激動劑誘導的IPC可被KATP通道阻斷劑阻斷。②由PKC激動劑所誘導的預處理作用能被KATP通道阻斷劑取消。③同時給予腺苷和PKC激動劑可引起通過KATP通道離子流量的增加。④膜片鉗技術表明,PKC激活顯著加強心肌細胞KATP通道活動。實驗證明KATP通道開放劑二氮嗪模擬IPC時能保存細胞內能量,保護收縮功能,提高細胞生存率。

(2)熱休克蛋白和抗氧化酶:延遲相IPC期間HSPs和SOD明顯增加,推測HSPs和SOD是IPC延遲相保護作用的主要內源性物質。此外,還有谷胱甘肽過氧化酶、觸酶等抗氧化酶的生成。活化的PKC可以激活MAPKs,兩者共同作用于細胞核內的NF-kB,促進保護性蛋白基因的轉錄,以合成具有保護作用的HSPs和SOD等抗氧化酶,增加心肌對缺血、缺氧的耐受力。HSP保護缺血心肌的機制是:①開放KATP通道。應用特異性KATP通道阻斷劑格列本脲后,HSPs縮小心肌梗死范圍的作用就消失;②抗氧化作用。HSPs可引起細胞內諸多變化,使一些酶活性增強,調整[Ca2+]i濃度、pH值、ATP合成、SOD產生以及使氧自由基被代謝等;③HSPs磷酸化發生快速反應,有立即保護細胞的作用。SOD的增加可以清除缺血/再灌注時產生的自由基,拮抗其對膜脂質的過氧化反應,保持細胞的結構完整性和膜表面蛋白質的功能,發揮其保護作用。

五、缺血預處理的臨床應用前景

在研究IPC對人類心肌作用的過程中,發現IPC可對隨后模擬的缺血/再灌注及缺氧/復氧損傷產生顯著的保護作用,展示了IPC在臨床應用方面的誘人前景。IPC保護心肌的機制復雜,如能進一步探明,將可能通過各種方法誘導產生預處理樣保護作用,改善心肌對缺血的耐受性。應用于心臟外科手術,可提高心肌保護水平,擴大某些心臟手術的適應癥,降低心臟手術死亡率,減少術后并發癥,改善術后心臟功能恢復,提高療效;在心臟移植手術中延長供心保存時間,提高供心質量及移植成功率。同時,研究IPC不僅有利于對心肌缺血的病理生理過程的理解,而且為臨床探索防治心肌缺血的方法提供了新的思路和途徑。另外,對心肌缺血后處理和遠程器官預缺血的心肌保護作用的研究也在進行中。