心肌缺血再灌注损伤的发病机制

1、心肌缺血再灌注损伤的发病机制摘要 21世纪是 PCI 的时代, PCI 的发展与推广降低了 ST 段 (STEMI及非 ST 抬高 (NSTEMI性心肌梗死患者死亡率 1,2、缩小 了梗死的面积 3、改善了左室的收缩功能 1,4,但是这种不断进步 发展的 PCI 技术却不能显现出该技术当初刚用于临床时的降低心 肌梗死患者的死亡率。因为研究人员们发现,某些患者就算开通 了梗死的冠状动脉相关血管支配的心肌梗死面积却没有如人所愿 的大大降低,心肌梗死的面积在开通冠脉后仍然在进展。因为研 究人员发现缺血期的心肌在各种因素的作用下已经发生了损伤, 心肌的再灌注有可能加重了缺血期心肌的损伤程度,对细胞或者

2、 细胞器造成了新的损伤,我们称之为再灌注损伤 (reperfusion injury 。本文主要此种损伤的可能发生机制进行综述。关键词 心肌再灌注损伤 心肌缺血 心肌梗死 炎症 自由基 线 粒体 渗透性转换孔一、心肌再灌注损伤病理生理心肌再灌注损伤(myocardial reperfusion injury 指的是缺血 的心肌组织恢复血运后可能对心肌造成的进一步损伤 2,3。但是缺 血再灌注引起的心肌损伤的确切病理生理机制仍没有研究清楚。 其中一个很重要的因素就是目前所建立使用的心肌缺血 -再灌注 模型本身就是一个问题,因为我们知道心肌的缺血分很多种,其 中最常见也是最凶险的一类便是 ST 段

3、抬高型心肌梗死,现流行 的线栓建模法被广泛应用,但心肌梗死的过程却没有线栓法阻断 冠脉引起的心肌组织坏死及再灌注损伤如此简单,根据欧美国家 的指南 4,5,将心肌梗死分为五型,从这五种分型可以发现简单的 结扎、再通冠脉造成的心肌梗死模型也不过是其中分型的一型, 其它四型或者更多的类型心肌在缺血及再灌注时发生的确切变化 仍然没有研究清楚的,因为我们至今没有发现哪一种干预措施可 以非常有效的缩小心肌梗死后心肌坏死的进展。但是自 50多年 前, Jennings 等 6第一次从犬的缺血后再灌注的心脏组织中发现心肌纤维的收缩、肌膜破裂及线粒体内出现钙磷酸盐颗粒等现象 到现代的冠脉介入、溶栓等再灌注手段

4、不断地发展,研究人员发 现了不少新的和再灌注损伤有关的证据和资料,而且结果显示缺 血损伤并非单纯的是因为细胞缺乏营养而饿死那么简单。本文主 要介绍目前研究心肌再灌注损伤的病理变化。(1炎症因素炎症在心肌再灌注损伤中是公认的而且是资料最多的一个发 病因素。心肌再灌注时白细胞浸润并导致存活的心肌细胞损伤并 且死亡是有充分的证据的,因为心肌梗死组织可以发现大量的白 细胞。国外相关的大鼠实验证明白细胞在再灌注开始后的数小时 就已经开始浸润梗死的心肌组织 7,并且在 5小时后大量聚集 8。有一个问题就是,白细胞与心肌梗死的因果关系问题,究竟是 白细胞本能的归巢到坏死组织、清除掉死亡的细胞,还是白细胞 的

5、归巢一定程度上也清除破坏了再灌注的正常的心肌细胞,这两 者的关系有待进一步的探究。 25年前, Engler 等人提出,白细 胞可以通过机械性阻塞微循环导致无复流的产生 9。因此,到底 是白细胞本能的归巢导致的心肌组织死亡,还是死亡的心肌组织 引发了白细胞的趋化作用呢?现代的文献仍然不能明确阐明这个 问题。而且各种各样的抗炎症药物应用于临床,但迄今为止没有 一种药物能很有效的缩小心肌缺血再灌注后心肌组织的坏死面积 或者临床前研究与临床研究之间不一致 10。这种不一致性原因除 心肌再灌注模型比临床情况简单外,还可能与以下几种因素有关 :1. 抗炎药物与患者平时使用的药物产生作用干扰了抗炎作用 (

6、阿 司匹林、 GPIIb/IIIa受体阻断剂、肝素及其衍生物 ;2. 临床上大多 数心肌缺血的病人年纪都比较大,而实验用大鼠普遍年纪较小 ;3. 药物的延迟或不合理使用错失了再灌注早期数分钟出现的时间窗 ;4. 动物实验和临床情况下给药的时机差,再加上临床上患者出现 血栓栓塞及不部分溶解的动态阻塞的存在。(2细胞过度肿胀导致心肌细胞的死亡 20世纪 60年代 Robert Jennigs 使用电镜观察缺血的心肌细 胞,他和相关研究人员观察发现了缺血的心肌细胞发生了肿胀 11, 提出肿胀是由于这些细胞的容量调节失调引起的 12。哺乳动物的 细胞是由对水有高度通透性的细胞膜构成的,细胞的容积平衡必

7、须依靠跨膜的渗透压维持。并且细胞内充满了各种不能随意透过 细胞膜、能产生渗透压的物质,如蛋白质、细胞器、核酸、各种 电解质等物质。我们读高中生物时就已经知道了,如果将一个细 胞放入到清水中的话,该细胞就会发生肿胀,如环境不变的话最 后细胞就会发生破裂。而人体的细胞就是浸泡在细胞外液的水环 境中,为什么它们不会发生破裂?奇妙的人类进化为我们巧妙的 解决了这个问题,也就是通过对细胞内不能随意通过的电解质进 行控制,其中钠离子是关键,细胞膜上存在着无数钠泵 (钠 -钾 ATP 酶 , 此结构通过消耗能量逆浓度梯度降细胞内的钠离子排出 /转入入细胞内 , 保持一个适宜细胞生存的渗透压。跨膜钠离子浓度

8、梯度不仅仅是产生动作电位所需要的,甚至不产生动作电位的细 胞也需要排出钠离子来维持渗透压的平衡。因此,细胞上的钠泵就像是一个不停运作的发动机,不断地 运作以维持细胞的正常形态,假如发动机停止了运作,机器将无 法正常运行。当心肌细胞缺血时亦是如此,心肌缺血时,心肌细 胞的需求增加,氧供的不足引起了钠泵能量供应的不足而运作效 率下降甚至瘫痪,我们知道钠离子是不能随意通过细胞膜的,这 样子大量的钠离子就滞留在细胞内,越来越多的细胞外液就随之 进入细胞内,如果这种情况持续下去,细胞将发生上述情况,不 可避免的发生细胞破裂,并释放出可溶性裂解酶、核酸以及辅助 因子,这种情况可以成为坏死 (necrosi

9、s。这种坏死的观察我们 可以通过剖取心肌组织,辅以四氮唑染色 (tetrazoliumstaining 区 分存活组织及坏死组织 , 因为无色的四氮唑能与脱氢酶及辅因子反 应而变色 13,14,如果坏死的心肌组织两者皆消失,那么坏死组织 将不被染色,就可以确认是死亡心肌组织。除了钠泵瘫痪因素外,其它的缺血因素也可以引起细胞的过 度肿胀坏死。如, ATP 的分解最终代谢产物为一分子的一磷酸腺 苷 (AMP与两分子的无机磷酸盐 , 这些分子亦不能随意透过细胞膜 ,他们产生的渗透压是 ATP 本身的三倍。Kloner 提出了缺血 -再灌注损伤学说的权威学者之一 15。他 们观察到 , 在缺血再灌注是

10、细胞发生了明显的肿胀,并描述这种现 象为在灌注时的 “ 爆炸式肿胀 (explosiveswelling” 。缺血时,钠 离子从组织间隙进入细胞内,由于组织间隙的液体不足以引起心肌细胞的过度肿胀及破裂,但是再灌注时,大量的血液不断的供 应细胞,此时液体快速进入细胞内,引起细胞的迅速肿胀。并且 ,再灌注开始的数分钟内,大量的钠离子通过膜交换进入细胞内 16。这种液体的过快转移亦可以看做是一种再灌注的损伤。有研 究用高渗灌注液进行再灌注以阻止细胞的过度肿胀,结果确实可 以减少心肌细胞的坏死 17。(3自由基自临床研究学者发现心肌再灌注损伤以来,自由基就是一 个不能绕开的物质。什么是自由基?首先我们

11、要知道活性氧 (ROS,20世纪 70年代研究人员在缺血再灌注的心脏组织中发现 了许多各种来源的活性氧 (ROS,包括损伤的线粒体 18、黄嘌呤氧 化酶的活化 19、白细胞 20。而大多数活性氧属于化学分类中的 “ 自由基 ”, 指外层轨道上具有未配对电子的原子 , 原子团或离子的总 称 , 分子外层为配对的电子使它们变得十分活跃 , 能与多种生物分 子反应而改变这些大分子的理化性质。包括了超氧化物 (SOD、 羟自由基 (OH和过氧亚硝酸盐。如上所述机体内产生的活性氧 (ROS的途径很多,但最终 都会对心肌细胞及血管组织产生一定的伤害。它对细胞和组织的 伤害包括:对 DNA 的损伤 ; 脂质

12、过氧化导致细胞膜的损伤及钙的 超载 ; 肌浆网的损伤 , 导致钙稳态的丧失及收缩功能障碍 ; 酶及离子 通道蛋白的变性 ; 血管内皮粘附因子激活 , 由此刺激中性粒细胞粘 附分子增加 21。 ROS 降低了一氧化氮的生物活性 , 进而以有限的 扩散速度形成强效的过氧亚硝酸盐。一氧化氮的生物活性降低对 心脏组织造成了很大的影响,包括一氧化氮的线粒体信号功能遭 到破坏 , 冠脉血管内皮细胞释放的内源性一氧化氮强大的抗炎作用 被削弱,造成了炎症和血凝的作用加强 22,23。(4线粒体渗透性转换孔 线粒体是人体能量的工厂,它能通过氧化磷酸化产生大量 ATP 为人体提供必须要的能量,其密度在心肌细胞尤甚

13、,这是心 肌缺血再灌注损伤难以绕开的一个重要靶细胞器。 Juhasova 及 其研究人员首次在预处理的离体心肌细胞线粒体中发现了线粒体 渗透性转换孔 (mitochondrialpermeability transition pore,mPTP 24。直到 20世纪 90年代, Griffiths 和 Halestrap 25在缺血的心肌再灌注时发现了大量的该转换孔的开放。从那以后 ,线粒体渗透性转换孔便引起了大量的实验与研究。那么线粒体渗透性转换孔 (mPTP究竟是什么?线粒体膜通 透性转换孔 (mPTP为定植于线粒体内膜间的电压门控及钙依赖 性的非选择性多蛋白孔道 26, 水及 1.5kD

14、a 质量的溶质可以通过 27。大多数研究认为该孔由电压依赖的阴离子通道 (VDAC、腺苷 酸转运蛋白 (ANT和环孢素 D 组成的混合体。 mPTP 的开放及关 闭收到体内物质变化的调控,正常情况下 mPTP 是处于关闭状态 的 , 在线粒体膜去极化及 PH 正常情况下出现大量的氧自由基、钙 离子、无机磷酸盐时大量开放 28。 mPTP 的大量开放增加了膜对 各种物质的通透性,进一步加剧了线粒体基质的肿胀,破坏了线 粒体的正常功能,导致 ATP 的耗竭,使电子传递失偶联最终使 ATP 生成障碍。上述的线粒体功能障碍都发生在再灌注早期的数分钟内, 与 mPTP 的关闭与开放时间是一致的。多项的在

15、体及体外的研究 表明 29在再灌注时使用 mPTP 阻断剂 (环孢素 A 、 NIM811、 sanglifehrin A 、或吸入麻醉剂 30 能够减轻致命性再灌注损伤的 心脏保护作用。研究还发现几种保护心脏的机械性处理方法包括 缺血预处理 31及后处理 32亦能够阻断 mPTP 的开放。参考文献:1AndersonJL,Marshall HW,Bray BE,et al.A randomized trial of intracoronarystreptokinase in the treatment of acute myocardial infarction.N Engl J Med.

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