钙超载及其在心肌缺血/再灌注损伤中的作用机制研究现状

程永生　陈宇　李冬

【摘要】 在正常生理状态下，细胞内外游离钙离子浓度的变化程度保持在相对适当的范围。胞内钙离子通过在此范围内的浓度变化产生相应的细胞效应。钙离子作为重要的信号分子参与或调节细胞的分泌、分裂、收缩、兴奋、电转导、凋亡、运动等重要活动。细胞内钙超载是心肌缺血/再灌注损伤的重要因素之一，过量Ca2+与各种相关蛋白结合致细胞凋亡启动、电重构、细胞膜相结构的破坏均为损伤机制。

【关键词】 钙超载； 心肌缺血； 再灌注损伤

探讨心肌细胞内外钙离子的重新分布，尤其在心肌细胞缺血/再灌注（myocardial ichemic/reperfusion，MI/R）时，细胞内钙浓度非生理性的显著升高造成胞内钙超载（Ca2+ overload），并导致细胞功能及代谢障碍，参与心肌缺血/再灌注损伤的作用机制有重要的临床意义。现就该机制的研究现状做一综合介绍。

1 心肌缺血/再灌注条件下钙超载的机制

依据多数动物实验模型，心肌细胞内钙超载主要发生在再灌注期，细胞内钙的高密度分布的原因十分复杂，可能的机制包括如下几个方面。

1.1 心肌细胞膜钙漏 心肌细胞膜在缺血/再灌注（myocardial isochaemic/reperfusion，MI/R）条件下生成多种膜脂质过氧化物发生构相改变，细胞膜磷脂组分中不饱和脂酸减少使膜流动性减弱，通透性增加[1]。而在细胞内游离钙离子的浓度比细胞外钙离子浓度低10 000～100 000倍[2]，膜通透性增加（质膜裂隙和新的Ca2+通道形成）可导致大量胞外钙顺浓度梯度向胞内转移，引起胞内钙浓度升高。

1.2 肌浆网钙泵破坏 MI/R时ATP消耗及大量OFR的破坏使钙泵摄钙功能障碍，致胞内钙离子不能回流钙库。钙库钙通道目前发现的有IP3（三磷酸肌醇）及RyR（ryanodine）受体通道，均为C末端位于内质网上的跨膜区域的跨膜蛋白，即钙贮库调控的钙通道（store-operated calcium channel，SOCC）。而RyR2被证实为心肌细胞钙库调节的重要通道。因RyR2受胞内Ca2+浓度调节，故钙-促钙释放为心肌细胞内钙调节的重要机制。

1.3 缺血、缺氧时引起细胞酸中毒 再灌注时，通过Na/Ca交换使细胞内Ca2+浓度增加。由NCX（Na/Ca交换蛋白）转运。NCX1在心肌中高表达，最早在1990年由犬的心肌中得到克隆。其基因定位于人类染色体的2p21～23，是一种糖基化的跨膜蛋白。缺血时心肌细胞内Na+浓度升高，NCX以反相形式存在引起胞内Ca2+浓度升高[3]。在Imahashi K，Pott C，Goldhaber J I等[4]进行的选择性剔除NCX的大鼠心脏模型实验中，胞内Ca2+超载减轻，再灌注损伤改善。

1.4 Na/H交换蛋白（NHE） 存在于心肌细胞的主要是NHE1。当心肌缺血时，糖酵解增加，胞内酸度升高，NHE1激活；再灌注时，胞外H+迅速降低，造成胞内外H+浓度增大，使NHE1再度激活，大量Na+内流，Na+跨膜梯度降低，胞膜上Na+-K+-ATP酶和Na+/Ca2+交换通道激活，而此时ATP供应减少，Na+/K+交换受抑，Na+/Ca2+交换活跃，导致Ca2+内流增加。我国已有人进行实验，应用大鼠心肌建立缺血再灌注模型，证实心肌缺血再灌注可负性影响Na+-K+-ATP酶α1，α2，α3，β1亚基mRNA及蛋白基因表达，抑制Na+-K+-ATP酶活性。从而在基因表达层面上探讨了心肌缺血再灌注条件下Na+/K+交换受抑的机制[5]。

2 钙超载在心肌缺血/再灌注损伤（myocardial isochaemic/reperfusion injury，MIRI）中的作用机制

2.1 高浓度的细胞内钙可以激活PLA2（磷脂酶A2）和钙敏感性蛋白 两者的激活可导致花生四烯酸的生成，后者不仅干扰细胞膜还是环氧化酶的底物。其中一种重要的钙激活酶就是PLC，它能催化磷酸肌醇水解为三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），而前者与内质网上的受体结合使钙库钙通道开放；后者（DG）在有Ca2+、磷脂酰丝氨酸存在的情况下激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），PKC可激活多种蛋白，包括Na+/Ca2+交换蛋白（NCX）、Na+/H+交换蛋白（NHE），使其磷酸化，进一步导致钙离子分布的紊乱；Ca2+激活的磷脂酶可促进膜磷脂分解，与氧自由基（OFR）协同作用破坏生物膜。另外，国外有实验利用鼠建立压力超载诱导心肌肥厚致心衰的动物模型研究钙依赖激酶Ⅱ（Ca2+/calmodulin-dependent kineaseⅡ）的转化条件，发现选择性剔除CaMKⅡδ的小鼠（KO mice）心肌受损进程得以限制，而CaMKⅡδ对心肌耗竭的作用主要通过扩增RyR2调节的肌质网钙漏形成大量的瞬时钙流相关[6]。

2.2 有研究发现钙超载对心肌的损害主要来自于线粒体功能的障碍，即线粒体钙超载是心肌再灌注损伤的主要原因。实验发现，再灌注时肌浆网（sarcoplasmi reticulum，Sr）和肌膜Ca2+的减少与胞浆及线粒体Ca2+增呈负线性相关，而胞浆与线粒体Ca2+呈正线性相关。线粒体上膜转运蛋白受损，能量供应障碍及Na+超载。Ca2+可在线粒体内形成磷酸钙盐沉积破坏线粒体结构和功能，干扰线粒体氧化磷酸化，使能量代谢障碍，ATP生成减少[7-8]。

2.3 钙离子/钙调蛋白信使体系过度激活 胞内Ca2+与钙调蛋白（calmodulin，CaM）复合体增加。当细胞中Ca2+浓度超过1/100 mmol/L时无活性的CaM即可与Ca2+结合，因其构象改变而被活化，由此可激活的酶主要包括PhK、MLCK、CaM-PK三种类型。目前研究比较清楚的是CaM-PK。它可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类型，其中已证明CaM-PKⅡ可使微管连接蛋白（MAP）迅速磷酸化，磷酸化的MAP能抑制微管的组装，进而促进微管的解体。这个机制也可能在心肌再灌注损伤中通过对细胞骨架破坏起作用。

2.4 胞内高钙环境与细胞凋亡启动 目前，有证据的凋亡诱导因子就包括Ca2+，在正常生理情况下，诱导与抑制因子处在一个相对平衡的状态。国外曾有实验研究应用长效钙通道拮抗剂（benidipine）作用于缺血再灌注心肌，观察抗心肌细胞凋亡的效果[9]。结果发现benidipine可以减小心肌死亡的范围（MI Size）。其可能的机制线粒体结构被高钙环境破坏后（MPTP，线粒体渗透性转运孔道持续开放），细胞色素C释放，激活半胱氨酸蛋白酶，诱导心肌凋亡。如ICE就是一种半胱氨酸蛋白酶，同时它也是细胞凋亡的关键酶。另外，由心肌细胞凋亡的生化特性也可见凋亡细胞表现出特征性的DNA梯条带（DNA ladders），形成酶切效果[10]。现在可知催化DNA降解的多是依赖Ca2+/Mg2+的核酸内切酶。有研究认为CA2+能通过两条途径诱导细胞凋亡。一是细胞内钙浓度持续升高，作为凋亡信号启动凋亡；二是Ca2+的释放打破了细胞内结构的稳定，是细胞凋亡系统的关键成分与正常时不能接触到的基质发生反应，从而促发凋亡。

总之，钙超载在心肌缺血再灌注损伤中的作用十分复杂，两者形成恶性循环的相关关系。也有人认为钙超载在再灌注损伤中是氧自由基损伤和能量代谢障碍的一部分[11]。新近的研究还发现在心肌梗死早期以细胞凋亡为主要表现，并且决定了梗死严重程度和预后。而依据2007年AHA/ACC发布STEMI住院治疗指南中提出，钙拮抗剂在AMI治疗中不作为一线用药。临床试验显示，无论是AMI早期或晚期，Q波或非Q波心肌梗死，是否合用β recepter blocker，给予速效硝苯地平均不能降低再梗死率和病死率，对部分患者甚至有害[12]。指南对非二氢吡啶类的CCB也未作Ⅰ类推荐。因此，钙超载在心肌缺血/在灌注损伤中的地位和可能的作用机制尚需进一步研究，以更好的应用于临床治疗。

参考文献

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（收稿日期：2012-10-10） （本文编辑：李静）