心肌缺血再灌注损伤的研究进展

夏君彦，李 冬

心肌缺血是指心脏血液灌注减少，导致心脏供氧减少，心肌能量代谢不正常，不能支持心脏正常工作的一种病理状态[1]。冠心病是临床常见的缺血性心脏病，是指冠状动脉发生粥样硬化引起管腔狭窄或闭塞，导致心肌缺血缺氧或坏死而引起的心脏病[2]，临床以血运重建治疗为主。然而，目前大量研究结果显示，缺血心肌组织恢复血流供应后，心肌受损程度仍可能进一步加重，对心肌造成二次损害，缺血再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)损伤心肌可占全部梗死心肌面积的50%[3]。1960 年 Jennings等[4]首次提出了I/R损伤概念：当组织细胞低灌流缺血后获得血液再供应时，不但未使组织细胞缺血性损害减轻或恢复，反而加重了缺血性损伤。探索如何减少心肌I/R损伤具有重要的临床意义。

1 心肌I/R损伤的发病机制

1.1 氧自由基(oxygen free radical，OFR)生成过多 OFR是一类在氧原子的外层电子轨道含有不配对电子的化合物，是机体需氧代谢的中间产物[5]，主要包括超氧阴离子(O2·)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH·)、单线态氧(O2)等具有高度活性的氧分子或原子团，这些统称为OFR。生理状态下，OFR可被超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽、谷胱甘肽氧化酶(GSH-PX)、过氧化氢酶(CAT)及维生素C、维生素E等清除，以维持OFR生成与清除平衡。心肌I/R时，氧化能力极强的OFR通过攻击膜成分中的未饱和脂肪酸，生成脂质过氧化物，引起细胞膜功能单位结构和功能的障碍。OFR损伤细胞的表现包括细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜完整性的破坏及膜的流动性、通透性增高，使细胞水肿、细胞质疏松，细胞顺应性降低。在心肌缺血后，心肌组织中便能观察到OFR的少量产生，而OFR数量的快速增长则发生在再灌注后数秒钟至1 min以后[6]。活化的中性粒细胞、心肌细胞和血管内皮细胞均可产生并释放OFR[7]，过多OFR的生成可能与心肌细胞的坏死及功能障碍有重要关系。

1.2 细胞内钙超载 钙超载是指细胞内钙离子过度蓄积的现象。心肌缺血时，心肌膜结构损伤，Na+/ Ca2+、Na+/ H+等离子通道异常，钙离子通透性增加，造成细胞外钙离子呈浓度梯度进入细胞内，引起心肌钙超载，并在心肌再灌注时加重。钙超载加重主因细胞膜破裂、氧化应激诱发的内质网损伤和线粒体膜电位(mitochondrial transmembrane potential，ΔΨm) 异常。ΔΨm异常驱使钙离子通过线粒体钙单向转运体进入线粒体，然后诱发线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)打开。再灌注时，钙离子向线粒体转移，导致线粒体功能障碍；钙离子浓度升高，可激活多种酶，同时促使心肌纤维过度收缩；通过Na+/Ca2+交换形成一过性内向电流，在心肌动作电位后形成延迟后除极，引起心律失常。研究表明，钙超载后，mPTP开放，线粒体膜电位异常、三磷酸腺苷(ATP) 大量消耗、促凋亡因子释放等过程发生，最终导致心肌细胞死亡[8]。但并非所有实验都得到阳性结果，临床研究在心肌再灌注时给予钙离子拮抗剂未取得有益的效果[9]。

1.3 生理pH值快速恢复 急性心肌缺血期，细胞内的pH值会减少至7.0，甚至小于7.0，当再灌注时，由于乳酸含量迅速降低，Na+-H+交换通道被激活，Na+-HCO-开始同向转运，使生理pH值迅速恢复。再灌注开始时，这种pH值的变化会因为mPTP打开和心肌细胞痉挛而引起致命的心肌I/R损伤，造成心肌细胞死亡[10]。但I/R时心肌细胞对细胞内酸的缓冲可减少心肌梗死面积[11]，因此，也许能通过抑制Na+-H+交换通道减缓细胞内pH值正常化速度，减少心肌再灌注损伤[12]。

1.4 mPTP开放 mPTP是一个横跨在线粒体内、外膜之间，具有高导电性的蛋白复合通道，主要由电压依赖性阴离子通道、腺苷酸转位蛋白和亲环蛋白D组成[13]。正常情况下，线粒体内膜仅允许相对分子质量<1.5 kD的物质通过，即仅能选择性地通透某些代谢底物和离子。心肌I/R发生时，Ca2+超载、大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生、酸中毒、磷酸盐浓度增高等都会造成mPTP不可逆开放，大量分子质量>1.5 kD的物质通过线粒体内膜，使离子平衡失调、电化学梯度耗散，横跨于线粒体内外膜间的ΔΨm迅速降低，造成线粒体肿胀、ATP水解，甚至细胞死亡[14]。在心肌I/R损伤过程中，受损线粒体产生的ROS数量是正常线粒体的十余倍，大量ROS可直接损伤线粒体蛋白质和DNA，启动氧化应激，加重线粒体功能障碍，而损伤的线粒体则会产生更多ROS，诱发mPTP开放。mPTP的持续开放会导致细胞色素C(cytochrome C，Cyt-C)从线粒体释放入胞浆，与凋亡蛋白酶活化因子1 (apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1)、半胱氨酸蛋白酶9 (caspase-9) 的蛋白前体形成凋亡小体，在脱氧核糖核苷三磷酸(dATP)的辅助下激活caspase-9，启动下游caspase-3级联凋亡反应，从而激活线粒体凋亡通路，进一步加剧心肌I/R损伤[15]。故及时清除受损线粒体，抑制mPTP开放，对减少再灌注心肌细胞凋亡，减轻再灌注治疗后的心肌损伤具有重要意义[16]。

1.5 炎性反应 目前尚不明确急性心肌梗死时心肌细胞发生的炎性反应是参与了心肌I/R损伤的病理过程，或是参与了对急性心肌损害的应激反应[17]。心肌I/R损伤时，ROS增多促使中性粒细胞被激活，中性粒细胞促进血管内皮细胞释放大量炎性因子，如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)等[18]，中性粒细胞与血小板进一步聚集并黏附在血管内皮表面，加重血管内皮损伤，出现再灌注无复流[19]。有实验研究表明，心肌I/R时进行干预减少炎症因子的释放及炎性细胞的表达[20]，能显着缩小心肌梗死面积，但临床实验却未得到证实[21]。

2 减少心肌I/R损伤的干预方法

2.1 缺血预适应(ischemic preconditioning，IPC) IPC于1986年由Murry等[22]首次提出，指在冠状动脉经过短暂多次I/R后能激活机体内在保护机制，增强随后长时间缺血的耐受性，减轻心肌I/R损伤。目前已有研究证实IPC是一种缩小心肌梗死面积的有效方法[23]。其心肌保护机制与分泌释放内源性物质，与细胞表面受体结合，开启一系列级联信号转导通路，激活保护性激酶，如再灌注损伤补救激酶、活性氧族、线粒体成分等相关[24]。但因IPC需用于缺血事件发生之前，故很难应用于临床急性心肌梗死的病人。在心脏手术和择期经皮冠状动脉介入治疗中，虽然心肌缺血可以预见，但治疗时间窗较短，且冠状动脉破裂和动脉粥样硬化斑块脱落等也是IPC过程中可能引起的不良反应，因此IPC在临床应用仍受限制[25]。

2.2 药物性预适应 在IPC研究过程中，人们开启了心肌保护措施的新思路，即用生物活性物质模拟IPC，诱导缺血耐受性，被称为药理性预适应。实验研究表明通过腺苷预处理可明显减轻犬I/R后心肌的坏死程度，改善心功能[26]，其机制是通过激活腺苷受体模拟预处理效应。去甲肾上腺素(NE)预处理后可增强心脏的收缩和舒张功能，增加生成热休克蛋白(HSP) 70产生延迟保护作用，且能改善心功能、减少膜破坏、减少心肌梗死面积，抑制心肌细胞凋亡[27]。但目前临床应用受限，主要在基础实验方面进行研究，以探索该类药物的治疗前景。

2.3 缺血后适应(ischemic postconditioning，IPOC) 2003年Zhao等[28]在犬心肌I/R模型中首次实现IPOC，于心肌缺血发生后、再灌注开始前，实施多次短时间的I/R处理，后持续性复流，发现后处理组与缺血预适应组保护效应相当，差异无统计学意义。目前有临床试验研究发现，采用缺血后处理后，第3个月随访，采用心脏磁共振成像评估发现，可减少心肌梗死面积达19%[29]。但并非所有的临床试验都得到阳性结果，Tarantini等[30]在支架内实施缺血后处理后，发现有增加心肌梗死面积及不良心血管事件的趋势。其主要原因可能是在血管成形术中，对球囊进行反复的充气和放气可导致冠状动脉内皮受损、斑块破裂和栓塞事件发生[31]。目前临床仅在经皮冠状动脉介入术(PCI)过程中才能进行IPOC，且因涉及伦理问题，开展受到限制。

2.4 药物后处理 为排除有创操作对冠状动脉血管的物理性损伤，减少心血管事件的发生，目前有研究人员关注是否可通过生物活性物质模拟缺血后适应以达到缺血再灌注损伤的心肌保护作用。药物后处理较缺血后处理在临床上应用的可行性大，且具有可预测性、可控性、安全性和操作方便等特点[32]。有实验研究证实，用丹参酮ⅡA进行后处理，发现其具有抗心肌I/R损伤的作用[33]。

2.5 远程缺血处理 远程缺血处理是指通过远端的组织或器官(如肠、肾、肌肉组织等)经过多个短暂的非致命性的I/R循环，在随后更长时间的缺血损伤中能保护心肌细胞[34]。在临床上可对血压袖带充气、放气以完成3个5 min的I/R循环，可实现非侵入性远程缺血处理[35]。据报道，此措施非常有益于拟接受心脏手术的病人和择期PCI治疗的病人[36]。有临床试验证实，对急性ST段抬高型心肌梗死病人在转运途中实施远程缺血处理，与对照组相比可明显提高心肌存活率，受益最明显的是单支病变的急性前壁ST段抬高型心肌梗死病人[37]。

2.6 药物干预

2.6.1 抗氧自由基 相关研究表明，OFR清除剂可明显改善心肌收缩力、心功能及再灌注心律失常、暂时性心肌顿抑[38]。主要包括两大类：一是酶类，如SOD、CAT、GSH-PX等；二是非酶类，如维生素A、维生素E、还原型谷胱甘肽(GSH)、还原型病理辅酶Ⅱ(NADPH)等。别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的抑制剂，通过抑制黄嘌呤氧化酶而减少氧自由基产生。有临床研究表明，别嘌呤醇可降低急性ST段抬高心肌梗死病人PCI术后肌钙蛋白的峰值，1个月后随访，不良心脏事件发病率较对照组降低13%[39]。依达拉奉是OFR清除剂之一，可通过抑制花生四烯酸酯氧合酶和清除羟自由基的功能，实现对心肌的强效保护作用。卡维地洛预处理能明显减少缺血再灌注心肌丙二醛的产生，增加心肌SOD和GSH-PX活性[40]，抑制OFR介导的脂质过氧化和细胞毒性，产生明显的抗氧化损伤作用，对缺血心肌提供保护。黄文东等[41]通过对大鼠离体心脏灌流不同剂量受试药丹参川芎嗪(SLI)研究发现，SLI能减轻离体心肌I/R诱导的冠状动脉损伤，对心脏功能恢复具有促进作用，其机制可能与改善心肌舒缩功能、清除OFR有关。李承平等[42]研究益母草主要有效成分盐酸水苏碱和盐酸益母草碱不同比例配伍后对大鼠心肌I/R损伤的协同作用，结果显示联合用药对心肌I/R损伤大鼠的心脏收缩和舒张功能有较好的改善作用，能保护I/R心肌，其作用机制可能与减少心肌酶漏出、改善心功能和抗氧化有关。

2.6.2 减轻钙超载 减轻钙超载机制主要有两种：一是抑制钠离子/钙离子的交换蛋白(NCX)，二是抑制钠离子/氢离子交换蛋白(NHE)。抑制NCX有两种不同模式：抑制前向模式使钙的外流减少，会产生强心效应和高血压效应；而抑制其反向模式则使钙离子内流减少，钙超载程度减轻，心肌缺血再灌注损伤得以减轻。研究证实，雷帕霉素可通过激活NCX的正向转运，可以抵抗心肌细胞缺氧/复氧损伤[43]。实验证明，硝苯吡啶对离体大鼠心肌有保护作用，硝苯吡啶组心肌梗死面积较模型组明显缩小，硝苯吡啶组钠钙交换体的mRNA的表达水平较模型组降低[44]。谷思洋等[45]研究表明，于心脏术前10 min注射腺苷能抑制 Ca2+内流，减轻Ca2+超载，具有心肌保护作用。李美平等[46]观察甘草汤对大鼠心肌I/R损伤的影响，发现甘草汤可提高 Ca2+-Mg2+-ATPase活性，使静息电位升高，动作电位时程均延长，改善心肌细胞电活动，发挥抗心肌I/R损伤作用。王万丹等[47]发现银丹心脑通能提高SOD活力，减少丙二醛含量，减轻 Ca2+超载，进而延长心脏停搏时间，缩短复跳时间、正常律动时间及心律失常持续时间，降低心律失常的发生率。刘齐等[48]观察心安颗粒预处理对心肌I/R心律失常的作用，发现心安颗粒对QRS时限、PR间期有稳定的作用，对抬高的ST段有降低作用，能降低心肌Ca2+超载，说明其有可能是通过抑制心肌Ca2+超载实现抗心律失常作用。

2.6.3 改善能量代谢障碍 心肌I/R时，血液复流可带走缺血时无氧酵解生成的氢离子，使pH值迅速回升，细胞内外pH值显着梯度差激活了细胞膜NHE，大量钠离子流入细胞内，从而激活NCX反向转运，导致细胞内钙超载。且因再灌注时ATP生成不足导致细胞膜上Ca2+-ATP酶活性降低，加重钙超载。常用的细胞代谢调节剂有曲美他嗪、极化液(葡萄糖-胰岛素-氯化钾)等。曲美他嗪通过改变心肌的能量代谢产物，使脂肪酸转变为葡萄糖，葡萄糖代谢增加，减少H+释放，促进ATP的生成，预防因心肌缺血导致的不良后果[49]，并减轻心肌缺血再灌注损伤[50]，且保护作用随剂量的增加而增加[51]。吡格列酮可以增加Bcl-2的表达，抑制凋亡相关蛋白Bax的表达，与剂量依赖性相关，从而减少缺血再灌注心肌细胞凋亡[52]。金丽燕[53]研究发现黄芪甲苷、总皂苷及总黄酮或可通过改善能量代谢、抑制自由基生成及促进自由基清除等途径对小鼠心肌I/R所致心功能损伤发挥保护作用。

2.6.4 减轻线粒体损伤 心肌I/R时，mPTP过度开放，引起心肌细胞线粒体损伤及功能障碍，引起细胞能量和氧代谢紊乱、ROS增多、ΔΨm降低、Ca2+超载、线粒体DNA受损等[54]，细胞的死亡方式由线粒体决定，提供给心肌I/R损伤各种保护的通路和途径。减少mPTP开放可有效维持线粒体功能，保护心肌细胞。范宗静等[55]研究结果表明黄芪多糖后处理可通过减轻钙超载，保护膜电位水平而抑制mPTP的过度开放，从而减轻I/R损伤对线粒体膜结构的破坏，保护线粒体功能。高俊杰等[56]研究发现丹参饮预处理对I/R损伤具有一定的心脏保护作用，其机制可能与抑制大鼠心肌细胞mPTP开放、减少心肌线粒体肿胀相关。马春香等[57]研究发现丹参酮ⅡA预处理5 d心肌I/R模型大鼠，能够减轻心肌梗死面积、减少肌钙蛋白表达，通过抑制mPTP开放、减少心肌细胞凋亡发挥心肌保护作用。孙彬等[58]研究发现姜黄素预处理可通过抑制ROS介导的线粒体凋亡信号通路途径减轻心肌I/R损伤。

2.6.5 减轻炎症浸润 炎性因子升高是心肌细胞损伤的标志之一，通过抑制细胞炎症反应，阻断炎性通路的激活，以减少心肌细胞损伤。尹佳等[59]研究发现广枣叶总黄酮可减轻心肌I/R损伤所致的大鼠缺血性心律失常，减轻心肌组织损伤程度，减少炎症因子释放，促进心肌和内皮细胞功能的恢复，并缩小心肌梗死范围。张会超等[60]研究结果表明，苦豆碱可通过激活PI3K/AKT信号通路对抗心肌细胞I/R引起的损伤及炎症应答，具有抗心肌I/R损伤的潜在应用价值。张丽萍[61]观察人参皂苷Rg3对大鼠心肌I/R损伤后心功能的影响，结果表明能有效改善心肌I/R损伤所致的心功能损害，其作用机制与抗细胞凋亡及抗炎性反应作用有关。

3 结 语

如何有效减轻心肌I/R损伤具有重要的临床意义，也是当前研究的热点之一。对心肌I/R损伤病理机制研究的不断完善，有助于对相关治疗靶点的深入探索，但目前大部分研究还局限在基础实验阶段，其临床效果还有待进一步验证。和西医再灌注治疗的局限性相比，中医药多途径、多靶点等优势尤为突出，现有研究已证实，中药复方制剂及相关成分能通过多种机制减轻心肌I/R损伤，且远程缺血处理相较于IPC和IPOC的冠状动脉物理损伤可能具有较高的临床使用价值。在后续的研究工作中，应思考和解决的问题有：①如何在中医理论指导下，进行辨证分析及用药，而不是照搬西药的研究模式；②把握好中药复方及单味中药对心肌I/R损伤干预研究的侧重点；③深入研究相关蛋白信号通道及基因等，体现中医药作用机制的多靶点、多环节，并不断完善心肌I/R损伤的病理机制认识；④加大临床研究力度，并将基础实验结果更好地与临床实际相结合，以期为临床治疗心肌I/R损伤提供治疗策略和理论依据。