自主神经与心肌缺血/再灌注损伤

屈园园(综述),余锂镭,江　洪(审校)

(武汉大学人民医院心内科,武汉 430060)



自主神经与心肌缺血/再灌注损伤

屈园园△(综述),余锂镭,江洪※(审校)

(武汉大学人民医院心内科,武汉 430060)

摘要：心肌缺血/再灌注损伤(IRI)的发生、发展是多种因素相互作用，导致心肌细胞受损、坏死，心功能障碍的结果。IRI与自主神经的激活关系密不可分。IRI中产生的各种理化因子激活交感神经传入纤维，而交感过度兴奋反过来也能加剧IRI，如此恶性循环。近年来多项研究发现，迷走神经刺激能保护心脏，减轻IRI。日后有望将迷走神经刺激作为常规治疗手段以减轻IRI的发生。

关键词:缺血再灌注损伤;心肌细胞;交感神经系统;迷走神经刺激

stimulation

患者一旦发生急性ST段抬高型心肌梗死，只要及时行经皮冠状动脉介入术恢复心肌血运，就能抢救尚存活的心肌细胞，缩小梗死面积，并保护左心室功能，防止心力衰竭发生。然而急性缺血的心肌突然恢复血流可引起心肌细胞发生死亡[1]。缺血心肌恢复再灌注后，病情反而恶化，引起超微结构、功能、代谢及电生理方面发生进一步的损伤,称为缺血/再灌注损伤(ischemia/reperfusion injury，IRI)。目前认为IRI存在4种损伤形式：再灌注引起的心律失常，心肌抑顿，微血管闭塞，致死性心肌再灌注损伤。这4种损伤均与自主神经相关，并可受其调控。现对自主神经与心肌IRI的关系综述如下。

1IRI发生机制

1.1活性氧类(reactive oxygen species,ROS)生成再灌注发生的最初几分钟内，氧化应激水平达到高峰。恢复血运时激活电子传递链，ROS生成增多。血管内皮细胞内代谢异常，经黄嘌呤氧化酶诱导生成ROS。再灌注发生后数小时，中性粒细胞聚集于梗死处，也可产生ROS。ROS调节线粒体通透性转换孔(permiability transition pore,PTP)开放，并能直接损伤生物膜，引起Ca2+超载[2]。

1.2代谢障碍冠状动脉闭塞后的15～20 s，无氧酵解成为新生成的高能磷酸键的主要来源。这时ATP能够满足心肌细胞基本的能量代谢。还原型辅酶1、ATP和丙酮酸是糖酵解的3个中间产物。有氧条件下，还原型辅酶1在线粒体中氧化，生成水，重新恢复为辅酶1。但缺氧时该循环无法正常进行，还原型辅酶1堆积，抑制无氧酵解，ATP无法继续产生。持续处于缺氧状态不到5 min，储存的ATP就会被耗尽，心肌开始挛缩。缺血60～90 min后，受损心肌严重挛缩。动物研究证明，心肌再灌注过程中，大量脂肪酸被氧化，加剧无氧酵解，并抑制葡萄糖有氧氧化，最终导致葡萄糖有氧氧化和无氧酵解严重不平衡。这种“不平衡”可能是心肌细胞胞质内H+的主要来源。如果糖酵解和有氧氧化处于平衡状态，H+产量应当为0。在不平衡状态下，糖酵解生成的丙酮酸转化为乳酸，1分子葡萄糖最终生成2分子H+。代谢异常对组织的炎症反应产生直接影响。

1.3Ca2+超载缺血时，细胞内H+积聚，pH降至7.0以下。心脏一旦恢复血运，细胞内乳酸迅速被清除，pH升高激活Na+-H+交换体及Na+-HCO3-同向转运体，细胞内H+通过Na+-H+交换转移到细胞外，细胞内pH迅速恢复至正常水平。与此同时，胞质内Na+量剧增，激活细胞膜上2Na+/Ca2+通道。大量的2Na+-Ca2+交换增加细胞内Ca2+浓度，导致Ca2+超载，最终细胞死亡。

1.4炎症反应缺血和再灌注时细胞内Ca2+超载，H+堆积，线粒体膜电位降低，这些都有利于生成ROS。ROS聚积后能激活促炎通路，这对IRI的发生至关重要。氧自由基是IRI中一个很重要的介质[3]。活性氧中间产物直接损伤细胞蛋白质、脂质和DNA，应激反应通路也被激活。细胞因子介导的级联反应会被这种非特异性损伤激活，反应中产生肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)。TNF-α过表达刺激TNF-Ⅰ型受体，引起心肌细胞肥大、纤维化、死亡，发生收缩功能障碍[4]。细胞内Ca2+浓度增加，引起胞内尿酸和磷酸化合物产量增加，这两者都能诱发炎症反应。尿酸和磷酸钙均属于“危险信号”，能结合细胞内蛋白质，生成炎性小体[5]。炎性小体包括各种受体分子，它们可以调控白细胞介素1的生成和分泌。另外，“危险信号”可刺激Toll样受体家族，并最终促进促炎性细胞因子和趋化因子的释放。

1.5线粒体PTP开放PTP是一种非选择性通道，位于线粒体内膜上，线粒体PTP开放引起线粒体膜去极化、氧化磷酸化解偶联[6]。心肌缺血时线粒体内已存在钙超载现象，再灌注阶段，由于细胞膜完整性破坏，氧化应激引起肌质网损伤，线粒体膜去极化，钙超载加剧。线粒体膜电位差恢复，激活线粒体膜上的Ca2+单向转运体。Ca2+进入线粒体内，引起PTP开放。急性心肌缺血发生时，线粒体PTP维持闭合状态，再灌注瞬间，由于线粒体氧化应激、钙超载、ATP相对不足、pH迅速回升，线粒体PTP大量开放。再灌注过程中，线粒体通透性决定细胞存亡。若通透性小，受损的心肌细胞可以恢复；若通透性适中，细胞凋亡；若过大，细胞由于产能不足发生坏死。因此，线粒体PTP是再灌注心肌保护的重要新靶点[7]。

2自主神经与心脏IRI的相互作用

2.1交感神经与心肌IRI

2.1.1乳酸刺激交感末梢研究表明，外源性乳酸可刺激心交感传入神经的有髓纤维和无髓纤维[8]。心交感传入神经末梢通常位于心脏表面，将pH敏感的电极针置于心脏表面，测得在缺血早期(5 min内)，心脏表面的pH逐渐降低。心肌缺血时，心肌细胞内的乳酸是H+的主要来源。H+可以直接刺激交感传入纤维末梢，也能介导其他介质的产生，如缓激肽。酸性环境也有助于激肽释放酶的活化，生成缓激肽。

2.1.2缓激肽刺激交感神经缓激肽是刺激交感传入纤维末梢的一个重要化学因子。结扎冠状动脉左前降支2～5 min后，冠状动脉窦处的缓激肽水平迅速升高。缓激肽可调节缺血心肌的心血管反射，增加前列腺素生成，而前列腺素又能增强缓激肽引起的心血管反射。缓激肽在心表诱导这种交感反射，而B2激肽受体阻滞剂可减少甚至终止这种反射。因此，缓激肽通过激活B2激肽受体来刺激缺血区域的心交感传入纤维。

2.1.3ROS刺激交感神经缺血时ATP被大量分解，包括次黄嘌呤和黄嘌呤在内的嘌呤代谢产物在细胞内积聚。别嘌呤二醇能降低缺血时心交感传入纤维的活性，是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂，表明嘌呤分解是ROS的重要来源，ATP的分解产物能在缺血和再灌注阶段刺激心交感传入神经。多型核白细胞是缺血/再灌注时，ROS的另一来源。缺血发生后 1 min 内就有酪氨酸及其异构体产生，再灌注阶段也会生成酪氨酸。1个酪氨酸分子含1个自由羟基，由此证明缺血/再灌注时细胞内会生成ROS。另有研究表明，缺血/再灌注时，自由羟基能刺激交感传入纤维[9]。

2.1.4血小板活化兴奋交感神经5-羟色胺是血小板致密颗粒释放的一种介质。心肌梗死的患者血小板被活化,冠状动脉狭窄处和冠状动脉窦处的5-羟色胺水平升高至原先的18～27倍。研究表明，外源性5-羟色胺能刺激心交感传入神经的Aδ纤维[10]，提示5-羟色胺能在缺血时提高心交感传入纤维的活性。而特异性5-羟色胺3受体拮抗剂能在心肌缺血初期降低心交感传入纤维的活性。以上实验可证明，活化的血小板通过5-羟色胺3受体兴奋交感传入纤维。

2.1.5无氧呼吸引起交感过度兴奋心肌细胞缺血同时也会缺氧，氧供不足，细胞ATP水平低下，心肌细胞代谢由有氧呼吸转变为无氧呼吸。心肌缺血可以刺激控制心脏的交感神经传出纤维活动，加速糖原分解，增加心肌ATP产量。因此，在缺血初期，交感兴奋有利于心脏产能。但如果缺血情况在短时间内未得到改善，交感过度兴奋会对心脏产生不可逆的损伤作用[10]。

2.1.6交感末梢释放过量去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)损伤心肌心肌缺血引起交感神经末梢释放NE，NE的释放有两种不同机制：胞吐作用释放和载体介导的释放过程[11]。缺血早期(缺血发生10 min内)，缺血区域刺激相应的心交感传入纤维，引起交感神经传出纤维活动增加，NE通过胞吐作用释放入血。NE通过轴突膜运送出突触小体需要消耗高能磷酸键，因此随着缺血的进展，交感神经的胞吐作用逐渐减弱。如果缺血未得到改善，继续发展(10～40 min后)，大量NE会以另一种方式从交感神经末梢释放入血——囊泡内储存的NE首先释放入神经突触小体，随后又通过NE转运体跨过轴突膜至神经外[11]，此释放过程不依赖于交感活动。心肌缺血时，轴突膜上的NE转运体停止从神经末梢外摄取NE至神经纤维内，大量NE从交感末梢涌出，因此过量的NE聚集在心肌细胞与神经末梢间隙处，损伤心肌细胞引起心律失常和细胞坏死。

心肌细胞膜上存在α和β肾上腺素能受体。刺激β受体能激活鸟嘌呤腺苷酸结合蛋白，以提高腺苷酸环化酶活性，同时增加环磷酸腺苷水平，最终环磷酸腺苷依赖性蛋白激酶活性增高。另一方面，刺激α1受体可激活磷脂酶C，磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸被磷脂酶C水解，生成1,2-二酰基甘油和1,4,5-三磷酸肌醇。1,2-二酰基甘油激活蛋白激酶C，1,4,5-三磷酸肌醇刺激Ca2+从肌质网释放入细胞质，细胞质内Ca2+增高。这些信号转导在调节细胞代谢和血流动力学中发挥重要作用。儿茶酚胺持续刺激肾上腺素能受体会使受体脱敏，产生适应作用。而心肌缺血有去脱敏作用，甚至能提高肾上腺素能受体对NE的敏感性。

2.2迷走神经对心脏的保护作用

2.2.1迷走神经刺激激活抗炎通路Borovikova等[12]在2000年对内毒素休克的大鼠模型和人外周血巨噬细胞进行研究时发现，刺激外周迷走神经、应用乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)或拟胆碱药物能够推迟内毒素引起低血压性休克的发生，抑制内毒素血症诱导的全身炎症反应综合征，明显减少细胞因子的释放。Tracey[13]将迷走神经及Ach构成的这种抗炎通路称为“胆碱能抗炎通路”。发生全身炎症反应时，Ach可以激活巨噬细胞的α7-N型受体，通过阻断炎性因子的翻译及翻译后水平，抑制炎症反应的发生。胆碱能抗炎通路依赖巨噬细胞表面的α-7nAchR发挥作用[14]。胆碱能抗炎通路可以双向调节脑部神经信号和免疫系统，胆碱能神经元发放冲动抑制急性炎症反应，反之外周组织炎症也能改变丘脑神经信号的释放。

2.2.2迷走神经刺激抑制促炎细胞因子产生迷走神经刺激可减少心肌巨噬细胞、多形核白细胞和凋亡细胞的数量，并降低循环血液中的促炎细胞因子，缩小缺血心肌的梗死面积。再灌注发生时，含有白细胞的血液流入缺血区域，而该区域富含趋化因子和炎性介质。白细胞介素8和Chemokine (C-C motif) ligand 2(CCL2)是该过程中的两个重要因子，迷走神经刺激可以抑制这两个因子的产生，同时还能抑制多形核白细胞和巨噬细胞浸润受损心肌，从而影响机体的固有免疫反应。白细胞介素8诱导多形核白细胞浸润缺血心肌组织，激活髓过氧化物酶。髓过氧化物酶是存在多形核白细胞内的一种过氧化物酶，再灌注发生时可损伤心肌细胞。CCL2是一种具有纤溶作用的细胞因子，能够招募单核细胞、记忆T细胞及树突状细胞定位于受损组织。IRI中CCL2可使纤维组织沉积于心肌受损处，并在心肌细胞恢复过程中招募并激活单核细胞。对大量急性冠状动脉综合征患者调查发现，随着患者血清膜辅蛋白1(membrane cofactor protein-1,MCP-1)水平升高，心肌梗死的死亡风险也相应增高。而充血性心力衰竭患者的MCP-1水平与左心室射血分数呈负相关，并且MCP-1水平在衰竭心脏的缺血区域更高[15]。

炎性细胞因子还能介导心肌梗死后的左心室重构[16]。心肌梗死发生后，梗死区的心肌细胞内生成大量TNF-α，引起强烈的炎症反应，激活基质金属蛋白酶，降解基质，导致左心室重构。迷走神经刺激还能诱导组织表达金属蛋白酶组织抑制剂，并降低缺血心肌细胞基质金属蛋白酶9的活性，其中金属蛋白酶组织抑制剂对基质金属蛋白酶有抑制作用。研究发现[17]，迷走神经刺激能在缺血/再灌注的急性炎症期降低TNF-α水平，抑制中性粒细胞浸润梗死心肌；在慢性炎症期，改善左心室功能及重构。迷走神经刺激还能上调缺氧诱导因子1α来保护心肌细胞。Ach通过毒蕈碱样受体直接保护心肌。已知TNF-α增多在缺血/再灌注时可以促进中性粒细胞对受损心肌的浸润过程。缺血心肌中肥大细胞是TNF-α的主要来源，肥大细胞表达烟碱样受体。Ach通过烟碱样受体通路直接抑制TNF-α的表达和释放[17]。

2.2.3迷走神经刺激抑制线粒体PTP开放线粒体通透性增大可导致细胞死亡，线粒体PTP可调控线粒体膜的通透性。刺激迷走神经可抑制线粒体PTP的开放，在恢复缺血心肌的血流时，控制线粒体通透性，保护心肌细胞。细胞凋亡分3个步骤：线粒体前阶段——激活转导级联信号；线粒体阶段——PTP通透性增加；线粒体后阶段——线粒体蛋白释放入胞质，激活凋亡级联反应。迷走神经刺激可在线粒体前阶段诱导Akt和Bad磷酸化，Akt和Bad均为细胞存活级联反应中的重要因子。Bad磷酸化后无法转位于线粒体与Bcl-2结合，因此线粒体PTP保持关闭状态。迷走神经刺激还能在线粒体后阶段发挥作用，抑制线粒体内细胞色素C释放入胞质，细胞色素C可激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3。因此，凋亡发生的3个阶段均可被迷走神经刺激抑制，从而达到保护心肌的目的。

2.2.4迷走神经刺激降低心律失常发生迷走神经刺激可以在心肌再灌注早期预防室性心律失常的发生，而阿托品可以阻断这种保护作用。迷走神经刺激可能抑制交感传出纤维末端NE的释放，并促进Ach释放，起到保护心室率的作用。低强度电刺激颈迷走神经还能抑制星状神经节活动[18]。

心肌缝隙连接蛋白通道是存在于心肌细胞间的一种特殊蛋白通道，主要用于维持心肌细胞的电偶联，是维持心脏正常电生理搏动的结构基础。缺血/再灌注时，迷走神经刺激降低室性心律失常发生率[19]，心肌缝隙连接蛋白的去磷酸化水平也同时降低。缺血使心肌电偶联丧失，并伴有心肌缝隙连接蛋白43去磷酸化增高，增加了心电异常活动的发生风险[20]。

3展望

行冠状动脉旁路移植术的患者，由于种种原因很容易导致急性心肌损伤，包括心肺分流术起始引起的全心性IRI。对急性心肌梗死的患者行经皮冠状动脉介入术，或给予溶栓治疗，也会导致再灌注损伤。随着心肌IRI的发生增多，自主神经与IRI之间的关系逐渐受到医学界的重视，并加以利用。已有多项试验证明，迷走神经刺激能缩小心肌梗死范围，减轻IRI。若刺激颈部迷走神经，需要在患者颈部开创，额外增加创口，并存在术后感染问题。因此，对迷走神经刺激的术式及神经的刺激方法进行研究，将迷走神经刺激作为减轻IRI的常规治疗手段将是未来研究的重要方向。

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Autonomic Nervous System and Myocardial Ischemia/Reperfusion InjuryQUYuan-yuan,YULi-lei,JIANGHong.(DepartmentofCardiology,RenminHospitalofWuhanUniversity,Wuhan430060,China)

Abstract:The development and progression of myocardial ischemia/reperfusion injury(IRI) results from impairment and necrosis of myocardial cells and cardiac dysfunction caused by interaction of multiple factors.IRI relates to activation of autonomic nervous system inseparably.Various physical factors and chemical factors generated during IRI activate sympathetic afferent fibers,and the over-excitement of sympathetic nervous system exacerbates IRI in turn,which forms a vicious circle.In recent years,numbers of studies found that vagal nerve stimulation can protect heart as well as prevent IRI.We are hopeful that vagal stimulation may act as a conventional therapy to attenuate IRI in the future.

Key words:Ischemia/reperfusion injury; Myochardium; Sympathetic nervous system; Vagal nerve

收稿日期：2014-08-04修回日期：2014-12-02编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.13.015

中图分类号：R541.4; R543.31

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)13-2343-04