丙酮酸盐液抗休克的实验研究进展

田雨沫 孟祥熙 孙 奎 胡 森（审校）

（1.承德医学院附属医院烧伤整形科，河北 承德 067000；2.解放军总医院医学创新研究部创伤修复与组织再生研究中心，北京 100048）

当突发事件（火灾、战争、创伤等）发生时，机体可能会因严重创伤、大面积烧伤、大量失血（失液）等原因而发生休克。若没有及时而有效的液体补充，低血容量性休克伤员病死率和后期并发症发生率将显著提高[1]。在这类患者的早期救治中，经静脉及时和充分的液体复苏是最简单而有效的方法，常规应用生理盐水和乳酸林格液进行静脉补液，但对于大面积烧伤或大量失血伤员，在大量补充电解质过程中可能引起血氯升高而导致高氯性酸中毒，还能够激活体内的炎症介质，引起白细胞聚集，加剧脂质过氧化，加重细胞和组织损伤[2]。近年来的实验研究表明，丙酮酸盐液对烧伤、失血等原因导致的低血容量性休克显示出良好的保护作用，能够显著改善动物存活率，减轻多脏器功能损伤，纠正缺氧型乳酸性酸中毒（lactic acidosis，LA）等。可见，丙酮酸盐液有潜力成为新一代补液盐而用于缺血、缺氧、休克等急危重症患者的早期救治。虽然丙酮酸盐的抗休克研究已有20年之久，但目前仍局限于动物实验研究阶段，缺乏临床试验的支持，亟需得到临床试验的验证。本文就近年来丙酮酸盐液抗休克的实验研究效果及其相关代谢与分子机制的研究进展综述如下。

1 丙酮酸盐的药理特性和应用历史

丙酮酸是人体内源性的小分子物质，是三大营养物质代谢的中间枢纽，在有氧氧化和无氧糖酵解过程中以及脂质转化和蛋白质的合成与分解过程中均起关键作用。大量实验研究证实，丙酮酸盐液在改善细胞缺氧或无氧的耐受性、纠正缺氧型LA、抗炎和抗氧化、保护线粒体功能等方面具有独特优势[3]，甚至还有学者提出丙酮酸盐液在治疗新型冠状病毒肺炎中也有潜在的治疗效果[4]。丙酮酸盐研发历史已近百年。早在1938年就有人将丙酮酸盐静脉输注到人体中，且未产生临床不良反应[5]。1999年Mongan等[6]将丙酮酸盐应用于小型猪失血性休克实验中，延长了动物的生存时间。21世纪以来，人们对丙酮酸盐进行了大量实验研究，显示出对休克良好的治疗作用，其机制包括扩充血容量，提高组织细胞对缺氧的耐受性，增强糖代谢、脂质转化、蛋白质的合成与分解，纠正LA，抗炎与抗氧化，抑制细胞的凋亡，保护重要脏器和线粒体功能等[7]。因此，丙酮酸盐有潜力成为新一代静脉输液或者口服补液产品。

2 丙酮酸盐液抗休克的实验研究进展

2.1 丙酮酸钠盐液抗烧伤休克的研究 丙酮酸钠盐液可以减轻休克、保护器官功能和改善生存率。犬烧伤动物模型研究证明，烧伤休克动物口服丙酮酸钠盐能有效增加腹腔脏器血流量，改善组织血流灌注，减轻多器官功能损伤，纠正LA，提高生存率[8-9]。口服丙酮酸钠-葡萄糖液改善烧伤休克犬血流动力学和器官功能指标的作用显著优于碳酸氢钠-葡萄糖液[10]。烫伤模型动物给予含丙酮酸钠的口服补液盐（Pyr-ORS）在恢复肠道吸收水、钠方面较世界卫生组织推荐的口服补液盐（WHO-ORS）更具优势，且可以减轻休克导致的肠道损伤，其机制可能与丙酮酸盐激活了肠黏膜Na+-K+-ATP酶和缺氧诱导因子-1（HIF-1）等信号通路有关[11-12]。

2.2 丙酮酸钠盐液抗失血性休克的研究 有学者发现给失血性休克猪模型静脉注射高渗丙酮酸钠，动物平均存活时间比高渗氯化钠对照组延长了近1倍[（151.2±10.0）min比（74.8±8.2）min][6]；且大剂量静脉注射丙酮酸盐还可以改善猪的大脑皮质代谢和功能状态，延缓腺苷、肌苷以及次黄嘌呤的升高，降低大脑皮质ATP和磷酸肌酸的消耗[13]。喻文等[14]在致死性失血大鼠模型的研究中发现，口服一定浓度和剂量的丙酮酸钠盐糖液能较碳酸氢盐糖液显著提高大鼠失血性休克后24 h的生存率，纠正严重代谢性酸中毒，改善了休克后的血流动力学指标。

丙酮酸钠可以有效纠正失血导致的致死性的LA。失血性休克后细胞、组织会发生缺氧，体内出现LA，其病理生理改变是由于细胞不能得到有效氧供给，致使细胞缺氧；因缺血/再灌注损伤导致氧化应激反应和代谢紊乱而促使丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）活性增高，使得丙酮酸脱氢酶（PDH）复合体这一糖的氧化代谢关键酶活性下降，氧化代谢受阻，积聚大量乳酸。而外源性丙酮酸盐是一种PDH激活剂和底物，可以通过改善糖酵解和氧化磷酸化途径，消耗大量氢离子，调节血液的酸碱度，进而部分或完全纠正LA，减轻组织和器官损伤[15]。研究显示，丙酮酸钠腹膜透析液用于大鼠失血性休克模型腹腔复苏，对于减轻休克后肠道病理损害较传统的乳酸钠腹透液更为有效[16]。Yu等[17]也证明,失血性休克大鼠口服Pyr-ORS，在提高平均动脉压和恢复腹腔脏器组织灌流方面较WHO-ORS效果更好。

2.3 丙酮酸钠盐液抗休克治疗中不同给药途径的研究

2.3.1 静脉补液 静脉补液无论何时都是首选的液体复苏方式。静脉补充丙酮酸钠盐液可以避免因大量输注0.9%氯化钠溶液导致的高氯性酸中毒，也可避免输注大量乳酸钠林格液可能导致的血乳酸增加而抑制糖酵解过程，诱发或加重LA及炎症反应[18]。血乳酸水平是衡量危重病预后的独立指标之一。有研究证实，及时静脉补充常规剂量的丙酮酸钠盐液，可有效减少失血性休克大鼠体内的乳酸水平和乳酸/丙酮酸比值，纠正LA，改善血流动力学指标，显著延长动物存活时间[19]。致死性烧伤犬丙酮酸钠补液组伤后24 h平均动脉压、循环血浆容量、血气分析等指标均优于乳酸钠林格液补液组及未补液组，且血乳酸水平于伤后8 h逐渐趋向于正常[20]。将丙酮酸钠盐应用于哺乳动物休克模型中发现，丙酮酸钠盐增强了心肌的收缩功能，维持了细胞内钙离子的稳态，并且其抗氧化作用还使β-肾上腺素能信号恢复[21]。孟祥熙等[22]研究显示，致死性烧伤犬静脉补充丙酮酸钠林格液，烧伤后24 h全部存活，烧伤休克导致的器官损害也较补充乳酸钠林格液组有明显改善。还有研究表明，静脉补充含有丙酮酸钠的胶体液盐（羟乙基淀粉液盐）在保护肾脏功能方面要比生理盐水组和醋酸林格液组都要优越[23]。

2.3.2 口服补液 口服补液在静脉补液出现之前，已经广泛应用于多种低血容量性（烧伤、失血、失液等）休克的治疗。尤其是创伤、烧伤等意外事件发生时，短时间会出现批量休克伤员，且多由于条件的限制造成短期内静脉输液难以实施或延迟实施，此时口服补液可以部分替代静脉补液[24]；由于胃的排空和重吸收能力有限，虽然其在恢复组织灌注方面有一定的滞后性，但抗休克能力与静脉补液效果相当[1]。喻文等[14]证实了经口服Pyr-ORS的失血性休克鼠，血压和腹腔脏器表面血流灌注显著回升，其24 h存活率（45.8%）是碳酸氢盐组（WHO-ORS,20.8%）的2倍。口服丙酮酸钠盐溶液对改善休克大鼠的肝脏、肾脏和肠道等器官血流量指标和脏器功能更为优越，并纠正了因缺氧导致的LA，显著提高了休克鼠存活率[17]。在犬烧伤液体复苏中，Pyr-ORS的治疗效果也明显优于含枸橼酸盐的WHO-ORS[9]。

2.3.3 腹腔补液 21世纪初，有人提出了腹腔补液抗休克的新型给药途径。腹腔注射常规的2.5%乳酸钠腹透液可以抑制血管收缩，使内脏血管扩张，提高内脏器官的血流量，保护肠道功能[25-26]。Hu等[27]发现，在静脉补液复苏后，腹腔注射以丙酮酸钠为基础的腹透液能够保护胃肠道黏膜屏障，逆转内脏器官的低血容量状态，减轻了各脏器因休克导致的损伤，且其作用优于乳酸钠腹透液的作用。Lu等[16]在休克动物模型中证实，腹腔注射含有丙酮酸盐的腹膜透析液纠正缺氧性LA的效果要强于含有乳酸盐的腹膜透析液，并且能够保护肠道中的紧密连接蛋白和血管舒张剂刺激磷蛋白的表达，减轻了黏膜屏障功能的损伤。Zhang等[28]也发现，在失血性休克鼠静脉复苏后，腹腔注射丙酮酸钠腹透液可以使动脉血乳酸水平明显降低，平均动脉压升高，肠黏膜中性粒细胞和淋巴细胞浸润程度较对照组明显减轻，其机制可能与抑制炎症反应、清除氧自由基、减少中性粒细胞浸润、调节肠黏膜血流量和屏障功能有关。

2.4 不同浓度丙酮酸钠盐液抗休克的研究 众多动物实验证实，应用含有丙酮酸钠的不同渗透压溶液抗休克的效果均优于0.9%氯化钠溶液、乳酸钠林格液以及碳酸氢钠/枸橼酸钠口服盐，可以改善休克造成的心、脑、肺、肾、胃肠道等器官的功能障碍，提高生存率和预后。Hu等[27]在丙酮酸钠盐抗休克的研究中发现，不同浓度的丙酮酸钠盐在腹腔复苏中其治疗效果存在差异，应用单纯含2.2%丙酮酸钠的溶液较相同渗透压的丙酮酸钠腹透液在改善内脏器官功能上效果更好。沈会琴等[29]在失血性休克大鼠模型中发现，不同浓度的丙酮酸钠腹透液对于休克大鼠复苏效果不同，在复苏结束后的60～120 min，80 mmol/L丙酮酸钠腹透液（PY2组）较40 mmol/L丙酮酸钠腹透液（PY1组）平均动脉压升高，休克复苏的效果要优于PY1组。Zhang等[30]发现，高浓度的丙酮酸钠盐对休克后大鼠肠道功能的改善作用要优于低浓度的丙酮酸钠盐。在注射不同浓度丙酮酸钠盐的实验中，注射丙酮酸钠浓度在250 mg/kg以上的大鼠在改善肠道缺血上更有优势，但浓度太高可能会影响到内环境的稳态[31]。Liu等[32]发现，烧伤休克大鼠经口灌注低渗Pyr-ORS，无论是对生存率、全身血流动力学、内脏血流量的影响，还是对重要脏器器官的保护都明显优于口服柠檬酸盐(WHO-ORS)组，并且还可以部分逆转乳酸引起的酸中毒。在另一项研究中，50%烧伤犬给予335 mOsm/L的等渗Pyr-ORS在改善血流动力学和多脏器功能方面，明显优于相同渗透压的WHO-ORS[9]。

2.5 丙酮酸钙盐液抗休克的研究 刘翔宇等[33]的研究显示，重度烧伤大鼠口服丙酮酸钙补液盐可以改善烧伤休克指标、减轻脏器的损伤和延长动物存活时间。但因所用口服液体中同时含有WHO-ORS/枸橼酸盐,而没有进行与后者的对照比较，所以究竟是丙酮酸钙的作用还是枸橼酸钠的作用还需要进一步研究确定。丙酮酸钠的研究已经超过半个世纪，大量动物实验研究证实其在抗休克方面有着显著的效果。而丙酮酸钙盐液在抗休克方面研究甚少，缺乏大量动物实验及临床试验证实其复苏效果。但丙酮酸钙已有食品级原料产品，用作医药生产原料和食品添加剂。

3 丙酮酸盐液抗休克机制的研究

3.1 提高细胞无氧/缺氧耐受性 在无氧/缺氧情况下，组织细胞发生无氧糖酵解，生成乳酸和NAD+，并产生少许能量，以维持细胞的基本功能。当外源性丙酮酸盐进入机体后，丙酮酸盐在无氧环境下有助于维持糖酵解过程，生成糖酵解ATP，维持细胞膜的完整性与细胞内环境稳定。无氧/缺氧条件下，丙酮酸盐可以抑制PDK，激活磷酸化PDH。活化后的PDH催化丙酮酸脱羧，氧化生成乙酰辅酶A（CoA），促进三羧酸循环，加快乳酸氧化，提高细胞内pH值，纠正缺氧型LA，并生成线粒体ATP。丙酮酸盐在缺氧环境下还能够直接激活HIF-1和促红细胞生成素（EPO）信号通路，强化糖酵解中相关酶的活性，进而改善细胞代谢[27,34]。犬体外红细胞功能的观察结果表明，在无氧环境中，红细胞能维持ATP生成和ATP酶活性，提示丙酮酸盐在无氧环境下可以保护组织细胞的代谢和功能[35]。此外，缺氧环境下丙酮酸还可以使被抑制的磷酸戊糖通路和山梨醇通路也得到了部分恢复[3]。因此，丙酮酸盐可以提高细胞无氧/缺氧耐受能力。

3.2 纠正缺氧型LA 在休克动物模型的研究中可以观察到，休克早期缺氧常并发LA；给予丙酮酸盐能够纠正酸中毒，此过程并不是化学反应中单纯的酸碱中和反应。在糖酵解过程中，内、外源性的丙酮酸盐在不消耗能量的情况下可与细胞质中的H+结合，通过乳酸脱氢酶(LDH)的作用还原成乳酸盐，并生成NAD+，使NAD+/NADH比例提高，此过程消耗掉了H+，使细胞内酸性降低，同时NAD+在糖酵解过程中被利用。作为PDH的刺激剂，外源性丙酮酸盐能有效恢复氧化磷酸化过程，并消耗H+。此外，丙酮酸盐可碱化细胞内/外液的机制还在于：休克早期，糖原再生反应增强，应用丙酮酸盐可以比乳酸盐在细胞胞浆中的糖原再生过程多消耗一定量的H+；丙酮酸根缓冲系数较低，能更有效地纠正酸中毒。最早于1999年，就曾发现静脉输注丙酮酸盐可以纠正缺氧型LA，提高休克动物的存活率[6]。之后，无论是失血性休克模型还是烧伤性休克模型，研究结果均表明口服Pyr-ORS能够有效改善内脏器官的血流量，并有效纠正缺氧导致的LA[9,11,17]。可见，丙酮酸盐在纠正严重酸中毒、高碳酸血症以及维持酸碱平衡等方面都具有潜在价值，并可改善重要脏器的潜在功能障碍。

3.3 抗炎和抗氧化 丙酮酸盐在抗炎方面具有良好的效果。在正常生理条件下，氧自由基在细胞内的产生与代谢维持着动态平衡。当机体受到损伤时，因体内的活性氧产生增多或代谢途径受阻，导致活性氧含量增多；丙酮酸根通过氧化脱羧与氧自由基发生反应，同时抑制核转录因子等炎症介质的激活，在DNA复制过程中抑制炎症发生，从而起到抗炎效果[7]。丙酮酸根的抗氧化作用机制主要为：①在不需要酶和能量的情况下，可以直接与氧自由基结合；②经体内氧化型辅酶I或辅酶II/还原型辅酶I或辅酶II[NAD（P）+/NAD(P)H]和还原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）的作用而起到抗氧化作用，并且还能通过糖酵解途径，使NAD（P）+/NAD(P)H比值和GSH/GSSG比值均升高，增强抗氧化作用[3]。有研究发现，在休克后缺血/再灌注损伤模型中，丙酮酸盐通过降低氧自由基的含量来抑制中性粒细胞的浸润起到抗炎、抗氧化作用[36]。

3.4 保护线粒体的功能 线粒体是细胞内主要的能量转化器，它可以进行能量转换和生物氧化，其结构及功能的稳定性对于哺乳动物来说极为重要。当线粒体的结构与功能受损时，机体产生的能量将大幅度降低，影响到机体的能量与代谢。丙酮酸盐能够有效地减少线粒体膜孔的通透性，限制其开放，抑制重要物质的丢失，抑制促凋亡基因的表达，维持线粒体能量的产生并防止细胞凋亡[3]。有研究发现，丙酮酸盐通过抑制线粒体内活性氧（ROS）的产生和氧化反应来维持线粒体膜电位的稳定性[37]。Sharma等[38]通过输注高渗丙酮酸盐溶液、高渗盐水、高渗β-羟基丁酸盐对比发现，丙酮酸盐能够有效改善失血性休克模型线粒体的功能，并通过抑制线粒体中细胞色素C向胞内的释放过程，防止多聚聚合酶裂解引起的细胞凋亡。

4 展 望

综上所述，丙酮酸盐通过静脉、口服或者腹腔补液对失血、失液、烧伤等引起的低血容量性休克动物模型均具有良好的治疗效果，能改善血流动力学和组织灌注指标，减轻多脏器功能损害，纠正缺氧型LA，提高动物存活率，相关研究为未来丙酮酸盐成为新型抗休克补液盐提供了大量的实验依据。深入研究表明，丙酮酸盐液抗休克的机制与其增强细胞无氧/缺氧耐受性、纠正缺氧型LA、抗炎和抗氧化、保护线粒体功能有关。由于丙酮酸盐在抗休克方面具有独特的优势，在突发事件发生时（如火灾、地震、战争等），现场通过静脉、口服或者腹腔补充丙酮酸盐液将成为一项较好的选择。尽管丙酮酸钠盐目前仍缺乏食品级原料产品，限制了其临床人体试验，但是，长期以来已有多个临床试验报道大剂量静脉注射和口服丙酮酸钠用于心力衰竭、肝硬化、糖尿病和线粒体病等疾病治疗有效且安全，为丙酮酸钠的新药开发奠定了基础[39]。此外，静脉注射液紧张时口服盐曾在世界一流医院成功推广[40]，因此，Pyr-ORS有望成为休克液体复苏的潜在急救药物之一。