心肌缺血再灌注损伤的主要机制与相关药物治疗的研究进展

徐 盟

0 引言

近年来，缺血性心肌病的发病率在不断上升，该病发病原因主要是多种原因引起冠状动脉血流量减低，进而心肌血液供应受阻，营养物质供应不足和代谢产物清除减少，导致心肌细胞损伤甚至死亡。多数情况下，缺血后再灌注可以恢复受损心肌的正常结构并改善心脏功能，但也有试验表明，一些研究者在通过以上治疗手段使心肌获得血液的再灌注以后，受损心肌的功能并未得到恢复，反而损伤程度加重，甚至出现梗死面积扩大等不可逆损伤，这种现象即心肌的缺血再灌注损伤(Myocardial ischemia-reprefusion injury,MIRI)。大量研究表明，MIRI的发生可能与钙超载、氧自由基增多、心肌纤维能量代谢障碍、炎症反应、酸中毒等机制有关[1]。

随着心肌缺血的治疗技术手段的提高和应用的广泛，心肌病的治疗已进入再灌注时期，探索防治MIRI的药物已成为重要研究方向。本文将按照药物的不同作用机制分类，对几种重要机制的发生发展过程及相关药物的研究进展进行综述。

1 减轻钙超载

1.1 钙超载与MIRI 钙离子作为细胞内的第二信使，在维持细胞增殖、分裂和能量代谢等方面具有重要作用，正常情况下细胞外钙离子数是细胞内的数万倍，用以维持细胞正常生理功能。钙超载是指细胞内钙离子过度蓄积的现象。研究表明，钙超载后，线粒体膜通透性转换孔开放，线粒体膜电位异常、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[2]。因此，钙超载是引起MIRI的重要原因之一。该现象的产生与多种机制有关。

心肌发生缺血时，心肌膜结构损伤，对钙离子的通透性增加，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。钙超载还可能与钠离子/钙离子的交换逆转有关。正常生理情况下，钠离子/钙离子交换蛋白(NCX)将细胞内钙离子转运至细胞外，NCX、肌浆网、肌膜钙泵共同维持细胞静息状态下的正常钙浓度。当发生心肌缺血时，ATP含量生成减少，钠泵活性降低，细胞内钠离子浓度明显升高；当缺血再灌注时，细胞外pH值快速恢复，细胞内外pH值形成显著梯度，从而激活了钠离子/氢离子交换蛋白(NHE)，使钠离子大量内流。细胞内钠离子的大量增多将激活NCX的反向过程，大量钙离子进入细胞，引起心肌钙超载的发生。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,CaMKⅡ)的转化条件，发现选择性剔除 CaMK Ⅱ δ 的小鼠(KO mice)心肌受损进程得以限制，而 CaMK Ⅱ δ 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[3]。其他引起钙超载的可能机制还包括：L型钙通道异常开放，钙转运蛋白或线粒体功能障碍，钙离子、钙调蛋白信使体系过度激活等。

1.2 减轻钙超载机制与相关药物

1.2.1 抑制NCX NCX是一种非ATP依赖的双向转运蛋白，以3个钠离子交换1个钙离子，将细胞内钙离子转移至细胞外。在心肌缺血时，心肌细胞胞浆内酸中毒刺激了NHE，细胞内钠离子浓度升高，继而引起NCX的反向转运，细胞外钙离子摄入细胞，导致细胞内钙超载。在心肌中，抑制NCX的不同模式会有不同的效应：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，MIRI得以减轻。目前认为，抑制NCX的反向转运是降低钙超载的理想方法，具有一定的研究和应用前景，但要将NCX抑制剂应用于临床心肌缺血再灌注损伤的治疗还需经过更长时间的研究和论证。El-Ani等[4]研究证明，雷帕霉素通过激活NCX的正向转运，可以抵抗心肌细胞缺氧/复氧损伤。另外，抑制NCX也可明显减轻MIRI。选择性NCX抑制剂SEA0400可通过降低钙超载有效减轻心肌损伤，达到保护心肌的目的[5]。目前对NCX抑制剂的研究多集中在动物实验，临床应用的有效性和安全性方面还需进一步在人体研究和临床试验中被证明和完善。

1.2.2 抑制NHE NHE是一种与NCX类似的转运蛋白，NHE每排出一个氢离子，就有一个钠离子进入细胞。缺血时，无氧酵解使氢离子生成增多，pH值降低导致酸中毒；再灌注时，血液复流使细胞外液氢离子浓度迅速下降，造成细胞内外显著的pH梯度差，激活了细胞膜NHE，大量钠离子流入细胞内，进而激活NCX反向转运，导致细胞内钙超载。Liu等[6]研究显示，特异性NHE抑制剂HOE694可抑制缺血诱导的钠离子浓度升高，进而降低细胞内钙离子浓度，从而减轻MIRI。Jung等[7]也报道了NHE抑制剂KR-32570在大鼠MIRI模型中具有保护作用。Inserte等[8]研究表明，缺血后适应可能通过cGMP/PKG通路抑制NHE，从而发挥心脏保护效应。因此，NHE在MIRI钙超载中发挥着重要的作用。

2 抗氧自由基

2.1 氧自由基增多与MIRI 氧自由基是生物体内随物质氧化代谢活动不断产生的活性物质。在生物体内，约5%的氧分子经加单氧反应，逐步还原成多种氧中间产物，主要包括：超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基、单线态氧，这些统称为氧自由基(OFR)。OFR具有未配对的电子，因此OFR的性质不稳定、氧化能力强，易对细胞造成损伤。正常情况下的OFR出现后可以被快速清除。但当MIRI时，OFR不能被及时清除而不断堆积，造成细胞急性或慢性损伤。

MIRI时的OFR可能来自多种途径，包括：黄嘌呤-黄嘌呤氧化酶途径、中性粒细胞途径、线粒体途径、儿茶酚胺氧化途径等。OFR产生过多而堆积，伴以抗氧化酶类活性下降，会引发链式脂质过氧化反应，损伤细胞膜、细胞器甚至胞内核酸，最终导致细胞损伤或凋亡。

2.2 抗氧自由基机制与相关药物 有临床试验表明，OFR清除剂可以对心肌收缩力和心功能有明显改善。常用的OFR清除剂包括以下两大类：①酶类[SOD、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化酶(GSH-PX)等]存在于胞浆和线粒体中，可降低过氧化氢浓度，避免细胞受到损伤。②非酶类抗氧化剂(维生素A、E等)，存在于细胞质中。其他还有存在于胞浆中的还原型谷胱甘肽(GSH)和还原型病理辅酶Ⅱ(NADPH)等。这些物质对过氧化脂质有阻止作用，减弱心脏内组织的氧化应激反应。MIRI发生时，OFR堆积过多，外源性OFR清除剂和抗氧化剂可以有效清除组织中过多的OFR，减少组织损伤，促进心功能的恢复。

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。别嘌呤醇可改善心衰时心肌钙分布的不平衡状态，使细胞内钙水平恢复，增加心肌收缩力。临床研究表明，别嘌呤醇可降低经皮冠状动脉介入治疗的急性ST段抬高MI患者肌钙蛋白的峰值，使ST 段恢复更快，随访1个月后，别嘌呤醇组较对照组降低 13%的不良心脏事件发病率[9]。N-乙酰半胱氨酸(NAC)是细胞内GSH的前体，有一定抗氧化作用，对过氧化损伤也有改善作用。其药理作用多样，还需临床进一步研究和探讨。

依达拉奉(Edaravone，MCI-186)是一种新型OFR清除剂，具有抑制OFR生成和细胞膜脂质过氧化反应的作用。它通过抑制花生四烯酸脂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。已有研究表明，应用MCI-186治疗患者，可减少其心肌的梗死面积并改善心脏功能。

还有试验证实，卡维地洛对缺血再灌注过程中氧自由基损伤有明显保护作用。并且对缺血再灌注所致的严重心肌病理损伤亦似有较好的保护作用。卡维地洛预处理能明显减少缺血再灌注心肌MDA的产生，增加心肌SOD和GSH-PX活性[10]。这种保护作用与其本身及其在体内的代谢产物SB209995及SB211475有关。有研究已表明，SB209995及SB211475是强大的抗氧化剂和自由基清除剂，能抑制氧自由基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。但该实验的缺陷在于其样本含量较小且是动物试验，因此，试验结果还有待进一步的研究与完善。在两项兔缺血再灌注损伤实验研究中，卡维地洛除了抗氧化作用外，还具有明确的抗中性粒细胞浸润作用。

3 改善能量代谢障碍

3.1 能量代谢障碍与MIRI 心肌缺血时，由于糖酵解作用增强引起细胞内酸中毒，随着血流再灌注的进行，细胞外pH值逐渐正常，细胞内外则形成一个跨膜pH梯度，氢钠交换作用增强，细胞内钠离子数增加。同时在再灌注的开始时期，心肌细胞能量代谢仍有异常，ATP生成仍不能满足心肌细胞的正常需要，Na+-K+-ATP酶活性受到抑制，心肌细胞内钠离子不能及时被排出，导致细胞内钠离子超载。细胞内钠离子超载会激活钠钙交换机制，大量钙离子内流，引起钙超载。

此外，缺血再灌注时ATP生成不足导致细胞膜上Ca2+-ATP酶活性降低也加重了细胞内钙超载。细胞内钙超载可引起肌原纤维挛缩，引发生物膜机械损伤和细胞骨架破坏，还可激活内皮细胞中黄嘌呤脱氢酶(XDH)向黄嘌呤氧化酶的转化，促进OFR的生成。最终可产生严重的心肌细胞损伤，严重者甚至发生细胞凋亡。

3.2 改善能量代谢障碍机制与相关药物 改善心肌能量代谢障碍的机制主要是将脂肪酸转换为葡萄糖，使葡萄糖代谢增加，从而增加ATP的生成，改善MIRI时的心肌损伤情况。曲美他嗪(TMZ)通过改变心肌的能量代谢产物，使脂肪酸转变为葡萄糖，预防因心肌缺血导致的不良后果[11]，并减轻MIRI[12]。最近有试验表明，在应用高剂量TMZ以后，MIRI模型的左心室舒张末压明显降低，左心室内压最大上升速率和最大下降速率明显增加，低剂量未见上述差异。这提示TMZ对急性MIRI具有保护作用，且保护作用随剂量的增加而增加[13]。还有研究认为，TMZ在MIRI时通过抑制MIRI后炎性因子的过度激活，而保护心肌，减轻心肌损伤[14]。总之，TMZ对MIRI有一定保护作用，但其机制还有待进一步研究明确。

4 抗炎性反应

4.1 炎性反应与MIRI 炎症细胞因子的过度表达是再灌注早期的特征表现之一。MIRI不仅促进炎症细胞因子的产生，还促进炎症细胞的组织浸润。炎症细胞产生的细胞因子是导致心肌细胞死亡的主要原因。主要参与的炎症细胞因子有：核转录因子κB(Nuclear factor-κB，NF-κB)、TNF-α、高迁移率族蛋白1(High mobile group box 1 protein,HNGB1)、IL-6等。以常见的炎症细胞因子TNF-α为例，MIRI过程中的NF-κB作为一种重要的心肌应激表达基因，可被氧化应激反应激活，被激活的NF-κB刺激心肌细胞和巨噬细胞产生并释放TNF-α。TNF-α是一个多功能性炎症细胞因子，在炎症反应、免疫调节和血管再生过程中发挥复杂而又重要的作用。研究发现，由MIRI诱发产生的TNF-α可通过激活黄嘌呤氧化酶而产生ROS并导致血管内皮细胞功能障碍。最近研究发现，TNF-α与AMI后的并发症—室性心律失常有很大联系，可通过增加心肌细胞内钙离子浓度而诱发室性心律失常的发生[15]。还有试验表明，MIRI诱发产生的TNF-α可导致心室重塑，诱导左室功能障碍和扩张[16]。在大鼠MIRI 8 d后，TNF-α的表达出现高峰，同时出现了心功能和心室顺应性的最大降低值，这间接反映了TNF-α参与心室重塑。但除了损伤作用之外，TNF-α对MIRI还有一定积极的正面作用，例如：有研究发现，TNF-α可产生缺血预处理样的心肌保护作用[17]。

多数炎症细胞和细胞因子所发挥的作用十分复杂，它们不仅与心肌缺血再灌注造成的损伤有关，而且还与损伤后的心肌修复有关。在缺血早期，由炎症细胞产生的细胞因子也参与心肌的自然修复过程。因此，过早地抑制这些炎症细胞因子不一定有好的效果，反而可能影响它们发挥积极的保护作用而使预后效果降低甚至恶化。

4.2 抗炎性反应机制与相关药物 在MIRI过程中，针对炎症反应开展治疗时，必须充分考虑其利弊，只有恢复两者之间的平衡，才能更好地发挥其心肌保护作用。

利多卡因在临床上常用于局部麻醉和抗心律失常，然而最近大量的研究表明，利多卡因在抗炎反应方面有很重要的作用，其对多种炎性因子的抑制作用已在各种疾病模型中得到证实。有实验研究表明：利多卡因处理后可提高心脏的收缩功能，减少炎症介质IL-6的表达，进而减轻心肌的中性粒细胞浸润程度[18]。因此，利多卡因可以被应用在减轻心肌缺血再灌注的炎性损伤。然而在其他方面，例如抑制中性粒细胞激活、浸润方面的机制还有待深入研究。

近期有试验表明：罗格列酮能够降低心肌缺血再灌注时血浆及心肌血管紧张素Ⅱ的水平。心肌局部RAAS，特别是血管紧张素Ⅱ与缺血再灌注损伤有密切的关系[19]。心肌缺血再灌注时心肌局部RAAS激活，血管紧张素Ⅱ生成增多。血管紧张素Ⅱ可促进血管收缩及痉挛，加重心肌缺血和心功能损害，抑制心肌能量代谢等。罗格列酮抑制醛固酮的合成，可能对心室重塑有潜在的正面作用，但确切机制还不明确，有待进一步研究。

5 结语与展望

随着对MIRI的发病机制研究的不断深入，相关治疗药物的研发也会有新的突破与进展。除了以上提到的曲美他嗪、利多卡因、雷帕霉素等，还有许多针对不同病理机制的药物对MIRI具有一定减轻作用，例如：丹参及其提取物丹参酮、保元汤等中药；p38MAPK 相关药物抗生素磺胺苯吡唑；由葡萄糖、胰岛素和钾构成的极化液等。这些药物通过多种不同机制对抗MIRI，最终达到一个相同的目的：减轻心肌损伤，恢复心脏功能。但在研发药物的过程中值得注意的是，其中一些药物具有双重调节作用，其在MIRI的不同进程时具有不同甚至相反的作用效果，其具体机制也有待进一步研究。

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