心肌缺血再灌注损伤和心肌缺血预处理

1、心肌缺血再灌注损伤和心肌缺血预处理心脏是一个机械作功的器官 , 这就决定了它具有高耗能、高耗氧、高代 谢率的特点。心肌的氧摄取率高达 70%,当心肌耗氧增加时 , 再提升氧摄 取率的潜力很小 , 需靠扩张冠脉、增加血流量以增加氧的供应。任何造 成心脏耗氧增加和 / 或供氧减少的因素都影响心脏作功。心肌有氧氧化 的水平强而耐缺氧水平差。正常情况下 , 心肌的代谢基本上全是需氧的。 代谢物（底物）的氧化持续地为心肌作功提供高能磷酸键 ; 当氧供应受限 时,则通过刺激无氧糖酵解产能。产能的场所主要在线粒体 , 耗能过程 主要用于肌动蛋白和肌球蛋白的结合以及各种离子泵的活动。（ 一 ） 产能减少：心肌

2、缺血使心肌组织氧供减少 , 线粒体氧化磷酸化减 弱,ATP生成减少。即使无氧糖酵解增强，但产能效率低。心肌的能量代 谢状态与心肌缺血损伤水准有直接关系，当缺血心肌ATP含量在正常的 35%以上时，缺血性损伤是可逆的；当ATP含量降至正常的20%则产生不 可逆性缺血性损伤。（二）细胞内酸中毒：心肌缺血时糖酵解增强，乳酸生成增多；C02的蓄 积可转化为H2CO3;ATP分解过程中产生H+;Ca2+与线粒体内磷酸根结合 释放H+。这些变化均可使细胞内H+浓度升高。（ 三）细胞内钙超载：下列因素可造成细胞内钙超载。1心肌缺血时氧供和氧化底物均减少，则ATP生成减少,使各离子泵（包括钙泵）的功能减弱，导

3、致细胞内Ca2+浓度（Ca2+i）增加。2. 细胞内酸中毒启动Na+-H+交换，以减轻酸中毒水准；但同时细胞内Na+浓度的升高又激活Na+-Ca2 +交换，导致Ca2+i升高。3. 缺血时儿茶酚胺释放增加，通过细胞膜上的a、b受体激活Ca2+S道, 使Ca2吶流增加；同时还刺激肌质网释放 Ca2+二者使Ca2+i升高。（四）自由基生成：缺血、缺氧时 ATP代谢产物（AMP和次黄嘌呤）堆积； 同时,细胞内钙超载，激活Ca2+依赖性蛋白水解酶，使黄嘌呤脱氢酶（XD） 变构成黄嘌呤氧化酶(X0)。在再灌注恢复血供时,XO就能催化次黄嘌呤 产生大量超氧阴离子。在缺血引起心肌损害的因素中 , 自由基不起

4、主要 作用。( 五) 细胞膜通透性增加：心肌缺血时 , 脂肪酸氧化受阻 , 使游离脂肪酸、 脂酰CoA及脂酰肉毒碱等堆积，它们均可使膜通透性异常增加，造成细 胞内酶和小分子物质外漏，K+外流、Ca2+内流,膜内外原有的离子浓度 差变小。三、心肌缺血 / 再灌注损伤( 一) 概念：缺血心肌在恢复血流后引起心肌超微结构、功能、代谢及 电生理方面的的进一步损害叫做心肌缺血 / 再灌注损伤 (Ischemia/reperfusioninjury,IRI)。( 二 ) 发生机制：1. 能量代谢障碍：缺血造成的细胞膜通透性增加和离子泵的功能减退导致再灌注后细胞内水肿和钙超载加重。再灌注后使再合成ATP的物

5、质基础(如腺苷、肌苷、次黄嘌呤等)丢失,ATP合成在短时间内不能恢 复。2. 自由基大量生成：(1) 黄嘌呤氧化酶源性氧自由基的形成增多 ;(2) 中性粒细胞源性氧自由基生成增加 ;(3) 线粒体源性氧自由基生成增加 ;(4) 儿茶酚胺分泌增多 , 儿茶酚胺氧化能产生具有细胞毒性的氧自由基 ;(5) 体内清除自由基水平下降：正常体内存有抗氧化系统 , 主要有 SOD、 过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PXK这些酶类将正常产 生的自由基分解代谢掉。但在 IRI 时, 体内抗氧化酶类和抗氧化剂被大 量消耗 , 使自由基清除不足 , 最终造成自由基增多。自由基的增多损伤生物膜，使酶

6、活性降低，引起细胞内Ca2+超载，诱导炎性介质产生。IRI 时, 自由基生成增多和细胞内钙超载两者互为因果。3. 钙超载：（1）原因：生物膜受损，细胞膜通透性增加：缺血缺氧时细胞膜的损 伤为再灌注时Ca2啲内流创造了条件。缺血缺氧引起的细胞内酸中毒 再灌注时通过H+-Na咬换和Na+-Ca2咬换而使Ca2+i增加。线粒体 功能障碍： IRI 时产生的氧自由基可破坏线粒体结构和功能 ,ATP 生成 减少 , 肌膜和肌浆网钙泵功能障碍 , 造成 Ca2+i 增加。 钙超载引起IRI的机制：线粒体ATP生成减少，造成细胞能量供 应严重不足;细胞内游离钙增加，使Ca2+与钙调蛋白（CaM）结合增多,

7、激活钙依赖性蛋白水解酶如磷脂酶、蛋白酶、核酸内切酶等 , 激活的磷 脂酶水解生物膜磷脂 , 导致细胞膜及细胞器膜受损 ; 蛋白水解酶和核酸 内切酶的活化可引起细胞骨架和核酸的分解。所以 , 细胞内游离钙增加 可使肌纤维挛缩和断裂，损伤（或破坏）生物膜和细胞骨架。钙超载使 钙依赖性蛋白水解酶激活，促使XD转变为X0使自由基生成增加，损害 心肌。另外，钙依赖性磷脂酶A2的激活，使花生四烯酸（AA）生成增加， 后者通过环氧化酶和脂加氧酶作用产生大量H2O2和羟自由基。四、心肌缺血预处理及其作用机制（ 一） 心肌缺血预处理的概念和特点1986 年 Murry 等人首先报道了心肌缺血预处理 （ische

8、micpreconditioning,IPC） 现象。他们在狗实验中阻断冠脉左旋 支 5min, 再灌注 5min, 反复 4 次, 然后再阻断 40min, 再灌注 3h, 心肌坏 死面积比对照组（阻断40min后持续再灌注）明显减少，心功能改善，心 律失常发生率降低 ,自由基的形成减少 ,心肌超微结构的损害减轻。1.IPC 定义反复多次的短暂心肌缺血对随后更长时间的心肌缺血 / 再灌 注损伤有保护作用 , 能提升心肌对缺血的耐受性。所以 , 预处理是指预 先给予某种损伤性刺激 , 以提升心肌细胞自身抗损伤的耐受性或适合性。2.IPC 保护作用的特点 (1) 普遍性：预先给机体或器官、细胞某

9、种损害性刺激 , 使受损伤的器 官(如心脏) 产生耐受性或适合性。预处理效应是生物界存有的一种普 遍规律。(2) 非特异性：即使预处理办法各不相同 , 但其保护作用及其机制是相 似的。 保护作用的时段性：早期IPC持续约13h(猪约1h,狗和兔约2h); 延迟阶段的IPC作用在24h后出现,可持续数小时、数天或者更长；延 迟阶段多称作延迟性预处理 (delayedpreconditioning), 亦称为“保护 作用的第二窗口”。参与这二个阶段的机制不同 , 但彼此间存有一定的 联系; 没有早期阶段的保护作用 , 不可能发生随后延迟阶段的保护作用。 早期IPC产生迅速而短暂，此期的机制可能是：

10、腺苷受体通过蛋白激 酶C(PKC激活KATP通道;内皮源性一氧化氮合酶(eNOS表达增加而 使cGMP水平上升，后者导致预处理器官反应性充血而发挥其早期保护 作用。延迟IPC起效缓慢而持久，此期特点在于有大量基因表达和新蛋 白合成如热休克蛋白(HSPs)和SOD G蛋白偶联受体、PKC和ATP敏感 性钾通道(KATP通道)也在此期发挥作用，但机制可能有所不同。(4)有 限的记忆性：如果预处理与随后的长时间缺血的间隔时间由10min增加至12h,心肌将不再“记忆”它曾被预处理过，于是保护作用随之丧 失。( 二) 心肌缺血预处理的机制IPC 是涉及多种因素参与的复杂过程 , 释放的内源性物质通过细

11、胞内信 号传导系统调节心肌功能。一般可分为内源性触发物的激活、信号传 递通路的活化及终末效应物形成等三个过程。内源性触发物质一般包 括腺苷、缓激肽、降钙素基因相关肽(CGRP等，信号传递通路有PKC 酪氨酸激酶和丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs等,终末效应物有KATP通道、 HSPs SOD等。1. 内源性触发物质(1)腺苷腺苷A1和A3受体的激活所导致的内源性腺苷释放增加是启 动和介导 IPC 的重要环节。在预处理低氧灌流阶段 , 细胞内腺苷释放骤 增。给予外源性腺苷预处理心肌可模拟IPC的保护作用，在IPC前给予 腺苷受体阻断药则能够阻断 IPC 对心肌的保护作用 , 说明腺苷在预处理 中是

12、一重要介质。腺苷转运抑制剂 ( 如潘生丁、曲氟嗪 ) 能提升血液中 的腺苷浓度，有抗心肌缺血的作用。在冠脉成形术(PTCA)前,冠脉内加 入潘生丁预处理 , 病人耐受球囊扩张时间延长。冠脉搭桥手术前滴注腺 苷能增加心肌耐受缺血的水平 , 加快术后心功能的恢复。 (2) 缓激肽心 肌缺血时引起冠脉内皮释放缓激肽 (bradykinin), 作用于缓激肽 B2 受 体,诱发某些PKC同构体迅速而短暂地易位，并可触发NO和前列环素 (PGI2)的释放,NO释放引起cGMP水平升高，抑制L-钙通道，抑制心肌收 缩和降低能量消耗；NO还有扩张冠脉和抑制血小板黏附作用。外源性缓 激肽可模拟IPC样心肌保护

13、作用，应用NO合酶抑制剂和环氧化酶抑制 剂能够阻断缓激肽对缺血心肌的保护作用。 降钙素基因相关肽(CGRP) CGR是心血管肽能神经纤维释放的一 种递质,广泛分布于血管壁上，短暂缺血引起CGRP勺释放,应用CGR灌 注离体心脏或用促CGRP!放剂(辣椒素)均可模拟出IPC效应,其对心 肌的保护效应可被其受体拮抗剂 CGRP8-37逆转，证实CGR介导IPC效 应。有研究显示缺血预处理第一次和第三次缺血末血浆CGR浓度较对照组显着增高 , 并明显降低室性心律失常发生率和心肌梗死面积 , 表明 CGR在IPC中发挥作用。 类阿片肽：近年来阿片肽在介导IPC中的 作用逐渐得到重视。主要激活 Gi/o

14、蛋白,后者激活PKC,PKC又可激活 线粒体膜上的KATP通道。IPC的保护作用(缓解心绞痛、减小梗塞面积) 在给予阿片类药物后即刻出现 , 并且在 24h 后再现。其缓解心绞痛作用 不依赖于其镇痛效应。非特异性拮抗剂纳洛酮以及 d 受体拮抗剂 7- benzyli-denaltrexone 可抑制 IPC。(5)N0 : IPC的延迟效应与NO水平中度升高相关。NO激活鸟苷酸环化 酶使cGMf增多，后者激活磷酸二酯酶(PDE)使CAMP水平下降而产生一 系列效应。单磷脂A(MIA)诱发的心肌延迟性保护作用依赖于诱生型 NO 合成酶 (iNOS), 给予拮抗剂 S-meth-ylisothio

15、urea(3mg/kg) 可取消 MIA 的作用，在iNOS基因敲除的动物，MLA根本不能发挥心肌保护作用，所以 NC被认为在MIA药物预处理中起到了枢纽作用。如果 NO产生过多，导 致氧自由基大量产生则介导了细胞损伤作用。(6)肾上腺素(AD):般 认为在IPC的细胞外信号转导中AD的A2和A3受体与抑制性Gi/o蛋 白偶联,通过作用于腺苷酸环化酶(AC)产生心肌保护作用(A1和A3在心 室肌和血管平滑肌呈优势分布)。A2受体则与Gs蛋白偶联而产生扩血 管作用 (血管平滑肌呈优势分布 ) 。肾上腺素激动剂诱导 IPC 的研究已 经兴起 , 但还处于初期阶段。2. 信号传递通路(1) 蛋白激酶

16、C:短时缺血引起体内释放腺苷、缓激肽、NO等内源性物质，作用于心肌的相对应受体偶联抑制性 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乍为第二信使分别激活 Ca2+!道和PKC使效 应蛋白磷酸化，介导了 IPC对心肌细胞的保护作用。现已证明 PKC在 IPC的细胞内信息传递中起关键作用，它的激活是IPC所共有的细胞内 机制。应用PKC激动剂佛波醇酯(PMA)在大鼠可模拟出IPC效应，该效 应可被PKC拮抗剂螯丁二烯消除。PKC在 DAG和 Ca2啲作用下，从胞浆 移位到细胞膜和线粒体膜上，使KATP通道

17、蛋白或其他效应蛋白质磷酸化，表现出IPC早期的保护作用;PKC也可移位到细胞核中，使基因转录 因子(NF-kB)磷酸化，加速基因的转录，诱导HSPs和SOD勺合成，这可能 是 IPC 延迟相保护心肌的物质基础。(2) 酪氨酸蛋白激酶和丝裂原活化蛋白激酶:二者主要参与延迟性保 护机制。触发因子能够通过 G蛋白激活上述激酶，然后使NF-kB磷酸化, 后者调节原癌基因和应急蛋白基因的表达。 3. 终末效应物(1)KATP通道：KATP通道是PKC介导IPC的重要终末效应器之一。KATP通道不但存有于细胞膜，也存有于线粒体膜，激活线粒体膜上的 KATP通道,复极化时K+外流增加,导致动作电位时程和不应

18、期缩短，平 台期缩短，电压依赖性Ca2+S道活性下降,Ca2+内流减小，减轻钙超载引 起的损伤；同时心肌收缩力减弱，减少ATP消耗,保护缺血心肌。依据包 括：腺苷及其选择性 A1受体激动剂诱导的IPC可被KATP道阻断 剂阻断。由PKC激动剂所诱导的预处理作用能被 KATP通道阻断剂取 消。同时给予腺苷和PKC激动剂可引起通过KATP通道离子流量的增 加。膜片钳技术表明,PKC激活显着增强心肌细胞KATP通道活动。实 验证明KATP通道开放剂二氮嗪模拟IPC时能保存细胞内能量，保护收 缩功能 , 提升细胞生存率。 热休克蛋白和抗氧化酶：延迟相IPC期间HSPs和SOD明显增加， 推测HSPs和SOD是 IPC延迟相保护作用的主要内源性物质。此外，还 有谷胱甘肽过氧化酶、触酶等抗氧化酶的生成。活化的PKC能够激活MAPKs两者共同作用于细胞核内的 NF-kB,促动保护性蛋白基因的转录， 以合成具有保护作用的HSPs和SOD等抗氧化酶，增加心肌对缺血、缺