心肌缺血再灌注损伤的机制和治疗

乔钰惠，孟增慧，郭丽君，李子健

(北京大学第三医院 心内科 血管医学研究所 卫生部心血管分子生物学与调节肽重点实验室分子心血管学教育部重点实验室 心血管受体研究北京市重点实验室， 北京 100191)



短篇综述

心肌缺血再灌注损伤的机制和治疗

乔钰惠，孟增慧，郭丽君，李子健*

(北京大学第三医院 心内科 血管医学研究所 卫生部心血管分子生物学与调节肽重点实验室分子心血管学教育部重点实验室 心血管受体研究北京市重点实验室， 北京 100191)

心肌缺血再灌注损伤(MIRI)常见的机制有Ca2+超载、氧化应激、凋亡与自噬等，一些微小RNA及TLRs等也参与其中，这些机制相互联系，相互作用。MIRI的防治措施也不再是单一的药物治疗，缺血预处理和针对一些小分子的新药及基因治疗等新手段也逐渐开始从基础走向临床。

心肌缺血再灌注损伤；机制；治疗

冠心病是导致人类死亡的主要疾病之一，WHO报道2008年全世界死于冠心病的人数为7 254 000，占全部死亡人数的12.8%。溶栓疗法，经皮腔内冠脉血管成形术及冠脉搭桥术等治疗手段可以使缺血心肌很快重新恢复血液灌流及氧供应。再灌注是一把“双刃剑”，它在恢复心肌供血及供氧的同时也使其超微结构、代谢及功能的损伤更加严重，甚至出现不可逆的心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)[1]。MIRI减弱了积极再灌注带来的效益，成为冠心病治疗亟待解决的关键问题之一，本文从MIRI的机制及防治措施探讨如何进一步降低MIRI的危害。

1 心肌缺血再灌注损伤机制

MIRI的机制尚未完全被阐明，Ca2+超载与氧化应激是主要因素，但炎性反应、免疫反应及凋亡自噬

等也参与其中。随着研究的深入，发现一些小分子，如线粒体通透性转换孔(mPTP)，Toll样受体及microRNA 也与MIRI有关(图1)。

1.1 Ca2+超载

缺血时Na+、H+和Ca2+积聚，而再灌注会引起离子流的快速改变，快速的pH重整化会加重细胞毒性。同时，钠依赖的pH调节机制(包括Na+-H+交换器和 Na+-HCO3-转运体)被激活，引起细胞内Na+积聚，胞内高钠通过Na+-Ca2+转运体引起肌质网内Ca2+增加，再通过肌质网L型Ca2+通道和肌质网/内质网钙泵，进一步加重Ca2+超载。再灌注早期，细胞内高钙可以导致心肌的持续收缩和硬化，其结果是肌原纤维强收缩，ATP被消耗，还可使线粒体超微结构损害，进一步阻碍ATP的合成，造成能量代谢障碍，而细胞内的ATP水平是决定细胞发生凋亡或坏死的主要因素[2]。

1.2 氧化应激与线粒体通透性转换孔(mPTP)开放

缺血再灌注后，黄嘌呤氧化酶增多、中性粒细胞呼吸爆发、线粒体功能受损、儿茶酚胺增加和氧化，产生大量线粒体自由基(ROS)引发更多的ROS释放，即“ROS诱导ROS释放”。一方面，ROS对细胞有直接毒性，造成细胞内染色体畸变、核酸碱基改变或DNA断裂。另一方面，ROS使膜脂质过氧化，细胞膜及细胞器膜流动性降低、通透性升高，引起膜蛋白及膜受体功能障碍，加重Ca2+超载并激活mPTP开放, 导致质子梯度破坏，线粒体肿胀及破裂，促使凋亡物质释放到胞质中。早期mPTP的开放是再灌注损伤的关键因素，很大程度上决定最终梗死的面积[3]。

1.3 自噬与凋亡

心肌缺血再灌注时自噬体数量增加，而自噬在缺血期和再灌注期扮演不同的角色：缺血期的自噬作用通过AMPK依赖途径，可以提供心肌代谢能量，维持心肌收缩，对心脏发挥保护作用；而再灌注期所诱发的自噬作用则是通过Beclin- 1依赖途径，Beclin- 1通过结合Bcl- 2家族的保守区域，激活caspase级联反应，产生凋亡性的程序性死亡，此时自噬则对心脏有负性作用。另外，氧自由基、钙超载和mPTP开放等导致线粒体肿胀和破裂，释放凋亡诱导因子和细胞色素C等凋亡相关蛋白，进一步启动Caspase级联反应，诱导程序性凋亡[4- 5]。

1.4 内皮细胞与NO

正常情况下，内皮是挥发性分子NO的主要来源，而缺血再灌注时NO的作用是双重的，既可以引起保护性的血管舒张，又能通过增加高反应性物质(如亚硝酸盐)增强活性氧介导的细胞毒性。

内皮的激活和损伤，增加了血管通透性和炎性细胞的募集，内皮分泌的细胞黏附分子通过炎性反应增加了对组织的侵袭。这些炎性细胞，特别是中性粒细胞，通过分泌蛋白酶和产生活性氧阻塞微血管系统，对心肌细胞直接造成损害。

图1 MIRI(myocardial ischemia reperfusion injury)的机制

内皮又可作为一种血管活性物质，通过表达细胞因子、趋化因子和黏附分子激活免疫系统。其他的固有免疫系统组分，如Toll样受体(TLRs)、甘露糖结合凝集素和补体的级联效应也参与了缺血再灌注损伤,TLR4在MIRI中介导有害作用已明确，而TLR2的作用尚不清楚[6]。

1.5 microRNA的作用

MIRI中有microRNA的参与，如 miR- 1、miR- 21、miR- 133和miR- 320等。miRNAs通过调控一些关键的信号分子参与MIRI，MIRI中也会有microRNA表达量的变化。氧化应激会增加miR- 1的表达水平，miR- 1的过表达会促进H2O2引起的凋亡，而 miR- 21可以保护心肌细胞，减少H2O2引起的细胞死亡。 miR- 133在心肌梗死区是减少的，miR- 133可以通过降低caspase- 9的表达水平与表达活性起到抗凋亡的作用。小鼠在体模型中，心肌缺血30 min后再灌注24 h发现miR- 320减少，miR- 320下调HSP20的表达，而HSP20是一种在MIRI中起保护作用的蛋白[7- 8]。

2 心肌缺血再灌注损伤的防治策略

现在用于临床的主要有药物和各种缺血预处理手段。大部分药物的作用较为明确。各种缺血预处理手段的安全性已得到证实，但其临床效果各不同，还需进一步临床试验[9]。

2.1 缺血预处理

2.1.1 心肌缺血预适应:缺血预适应(ischemic preconditioning，IPC)可能是通过刺激心脏合成并释放内源性心肌保护物质(如腺苷和缓激肽等)，激活胞膜相应受体(G蛋白耦联受体等)并启动信号传导的级联反应，序贯激活下游信号系统，如蛋白激酶C(PKC)，诱导内源性保护蛋白(热休克蛋白和自由基清除酶等)实现对心脏的保护。此外，IPC使线粒体内膜ATP敏感K+通道开放，K+内流使线粒体基质容积增加，促进线粒体呼吸，ATP合成增加，同时促使部分Ca2+从线粒体进入胞质，减轻了线粒体Ca2+超载，从而发挥心脏保护作用。

IPC因其临床不可预测性与较差的可控性，逐渐被淘汰。

2.1.2 心肌缺血后适应:缺血后适应(ischemic post-conditioning,I-postC)与 IPC在心脏保护作用及机制方面有许多相似之处：通过刺激心脏释放G蛋白耦联受体激动剂，激活再灌注损伤救援激酶(RISK)通路(包括 PI3K/Akt、PKC、MAPKs 、ERK1/2和P38)，抑制促凋亡通路GSK3，并调节ATP敏感的K+通道及mPTP功能，发挥细胞保护效应[10]。

与IPC相比，I-postC具有更强的可预测性和临床可控性。在PCI术中应用缺血后适应处理，在减少心肌梗死面积、降低肌酸激酶/肌钙蛋白水平、改善ST段回落和改善左心室功能等方面有着积极的作用。60 s后适应比30 s后适应具有更大的临床收益[11- 14]。一些临床试验也表明，I-postC在短期内可以降低ST段抬高型心肌梗死患者的梗死面积，而长期则无显著影响[15- 16](表1)。

表1 缺血后适应临床试验

表2 远程缺血临床试验

2.1.3 远程缺血预适应:远程缺血预适应(remote ischemic preconditioning,RIPC)可以通过神经和体液两种途径传递生物信号，通过释放腺苷、缓激肽或者阿片类物质刺激局部的传入神经，作用于以心脏为终端的传出神经，使心脏对缺血产生耐受效应。

针对RIPC，有大量的临床试验[17- 23]，已证明利用自动充气式袖带200 mmHg，5 min缺血/5 min再灌注，重复数个循环可以起到心肌保护作用。值得注意的是，RIPC的临床试验结果并不完全一致。 因此，RIPC对心脏的保护作用，尚需更多临床试验证据(表2)。

2.2 药物预适应

现在临床上使用的药物主要针对MIRI的机制，从减轻炎性反应，减少氧自由基、自噬与凋亡及改善内皮功能的目的出发。

为评价DELTA机器人轨迹性能，本文引入具有普适性的电机输入电能与机器人机械功两种能量指标，对具有3种不同速度规划方式的Lamé，Clothoid，分段多项式曲线进行参数优化仿真和实验，最后通过9种具有最优参数的拾放轨迹比较得出最优轨迹。

2.2.1 针对氧化应激的药物:腺苷与别嘌呤醇可减少中性粒细胞的激活，减少超氧阴离子的产生和促炎性因子的释放。腺苷也可以抑制血管内皮组织的激活，从而抑制白细胞-内皮细胞相互作用引起缺血后损伤。

低氧诱导因子- 1(HIF- 1)可降低线粒体氧化应激，促进有氧糖酵解，抑制MPTP的开放，保护心脏[24]。

2.2.2 针对自噬与凋亡的药物:环孢霉素A(CsA)与心房利钠肽能抑制T细胞的功能及中性粒细胞的活化，减轻炎性反应。更重要的是，CsA可以阻断Cyclophilin D与腺嘌呤核苷转位酶的结合，从而抑制mPTP的开放,减少凋亡物质的释放。

除了以上较传统的药物，一些新的药物如他汀类和促红细胞生成素(EPO)等也逐渐被用于临床治疗。他汀类药物除了降低血脂，还可以改善血管内皮功能、抑制血小板聚集和血栓形成、抗感染，稳定斑块，并可以抑制mPTP的开放。而EPO可以抑制心肌细胞凋亡及保护缺血心肌[25- 26]。一些小分子气体，如NO具有扩张血管、抗氧化、抗血小板和抗中性粒细胞的功能，是一种重要的心脏保护分子，吸入治疗剂量的CO可以减轻炎性反应与组织损伤，而吸入微量H2S可以减轻MIRI中ROS的聚集并保护线粒体功能[27]。

3 展望

近年来对miRNAs及线粒体代谢等的基础研究逐渐深入，包括对其调控机制和信号分子改变的探索都有可能提供新的治疗靶点，还有干细胞移植、基因治疗等方向的探索也可能成为MIRI治疗的新方向。对MIRI机制的研究及临床防治策略也都有了较大的进展，但各种防治MIRI的策略如何选择最佳时程取得更好的疗效，是一个还未解决的难题，而基础研究可为实现更安全有效的临床治疗提供新的思路和途径。

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The mechanism and management of myocardical ischemia reperfusion injury

QIAO Yu-hui,MENG Zeng-hui,GUO Li-jun,LI Zi-jian*

(Dept. of Cardiology, Peking University Third Hospital, Key Laboratory of Cardiovascular Molecular Biology and Regulatory Peptides, Ministry of Health, Key Laboratory of Molecular Cardiovascular Sciences, Ministry of Education and Beijing Key Laboratory of Cardiovascular Receptors Research Institute of Vascular Medicine, Institue of Vascular Medicine, Beijing 100191, China)

Calcium overload, oxidative stress, apoptosis and autophagy can induce myocardial ischemia reperfusion injury(MIRI).In addition, microRNAs, TLRs and other molecules also play an important role in MIRI. These mechanisms function and interact with each other. The treatment of MIRI is no longer rely on medication only. Ischemic preconditioning, new drugs targeted small molecules, gene therapy and other new measures gradually transfer from bench to bedside.

myocardial ischemia reperfusion injury; mechanism; therapy

2015- 03- 23

2015- 07- 07

国家重点基础研究发展规划项目(973)计划(2014CBA02000, 2011CB503903); 国家自然科学基金(81471893,81270157,81070078)

1001-6325(2015)12-1666-06

R54

A

*通信作者(corresponding author)：lizijian@bjmu.edu.cn