缺血再灌注诱导内皮细胞损伤相关机制与治疗的研究进展

王乃赓，郝建红，罗振国

(1.陕西中医药大学，陕西 咸阳 712046； 2.西安交通大学附属红会医院麻醉科，西安 710054)

缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury，IRI)是指器官或组织缺血一段时间后，当血流重新恢复，组织的损伤程度较缺血时进一步加重，器官功能进一步恶化的综合征[1]，可见于心、脑、肝、肺、肾等重要器官，临床中常见于缺血性脑卒中、失血性休克、器官移植术后及心肺复苏后等。内皮细胞是一层连续内衬于血管内壁的扁平细胞，与血管平滑肌细胞构成血管壁机械性屏障[2]，并参与血脑屏障和血脊髓屏障的构成[3]。此外，血管内皮细胞在调控血管通透性及血管张力中也发挥重要作用，并且可以分泌多种炎症介质调节炎症反应[4]。

IRI涉及氧化应激、能量代谢、炎症反应和细胞凋亡等过程，这些过程均有内皮细胞参与[5-6]。内皮细胞作为血管壁的最内层结构，在体内广泛分布[7]。目前，IRI的研究多局限于单一器官，而IRI常累及多个器官，且各器官发生的IRI均可诱导内皮细胞损伤。因此，研究内皮细胞在IRI中的作用及将其作为新的治疗靶点具有重要意义。现已有将内皮细胞作为治疗靶点，改善器官IRI的药物研究，核心主要集中于抗氧化应激和抑制炎症反应[8-9]，但未见系统报道。现就缺血再灌注诱导内皮细胞损伤的机制和治疗药物进展进行综述，旨在为IRI的治疗提供新的思路和依据。

1 缺血再灌注导致内皮细胞损伤机制

缺血再灌注通过多种机制诱导内皮细胞损伤，包括氧化应激、能量代谢、炎症反应等。内皮细胞损伤后的功能障碍导致血管舒张能力降低、微血管血栓形成、炎症介质释放以及凋亡蛋白产生，进一步损伤组织器官。

1.1能量代谢 在缺血期，伴随缺血而来的缺氧和糖原不足会损害线粒体呼吸链腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的合成，导致ATP剥夺[10]。肌动蛋白聚合需要ATP，ATP剥夺可引起肌动蛋白细肌丝解聚，导致微血管通透性增高和器官功能障碍。伴随着ATP的耗竭，细胞中Na+，K+-ATP酶发生功能障碍，细胞内钠离子堆积，内皮细胞肿胀。缺血缺氧导致的酸中毒使机体pH值下降，钠氢交换代偿途径障碍，从而激活钠钙交换，使得胞外钙离子进入细胞内，最终导致胞内钙超载[11]，加重自由基生成和细胞肿胀，导致内皮细胞损伤。线粒体是体内能量合成的重要细胞器，缺血缺氧导致线粒体损伤可以使机体能量代谢障碍。Zhu等[12]已经证明高浓度钙离子可以激活线粒体通透性转换孔，导致线粒体结构和功能的损伤，从而使ATP合成障碍。推测线粒体可能成为治疗IRI的靶点。目前，仅有少数研究以线粒体作为内皮细胞损伤后的治疗靶点。Zhu等[13]的实验发现，褪黑素可以降低线粒体内钙超载，维持线粒体膜电位并减少线粒体通透性转换孔的开放，从而提高氧化应激导致的微血管内皮细胞成活率。另一项研究发现，减轻钙超载可以保护IRI后心脏微血管内皮细胞[14]。由此可知，IRI可以通过氧化应激-钙超载-线粒体途径导致内皮细胞损伤，这也为下一步针对此靶点药物的开发提供了理论依据。

1.2炎症反应 缺血再灌注期间，机体通过内皮素受体、补体受体等途径激活肥大细胞，导致肥大细胞脱颗粒，从而促进损伤部位炎症介质的释放，进一步减少内皮细胞间的连接，增加血管通透性，使白细胞进入组织成为可能。细胞间黏附分子是介导细胞间或细胞与细胞外基质结合的分子总称，在炎症反应中介导白细胞与内皮细胞黏附。IRI后多种细胞因子(如肿瘤坏死因子-α)和内毒素可上调细胞间黏附分子-1的表达，促进淋巴细胞、中性粒细胞、嗜酸粒细胞和单核细胞与内皮细胞的强烈黏附和激活。激活的白细胞释放活性氧，通过刺激细胞因子和黏附分子的表达，促进中性粒细胞和其他炎症细胞的迁移，导致内皮功能障碍并加重再灌注损伤[15]。同时，实验发现细胞黏附分子家族的另一成员β2整合素与细胞间黏附分子-1一起介导炎症细胞迁移与内皮细胞结合，导致内皮细胞损伤[16]。核因子κB是炎症和免疫稳态的主要调节因子,其在中性粒细胞产生、成活以及单核细胞分化和激活中发挥重要作用[17]。核因子κB信号分子均存在于内皮细胞中，核因子κB信号级联在内皮细胞应对应激环境中起关键作用。发生再灌注损伤后Toll样受体激活内皮细胞中核因子κB,使其释放白细胞介素-1β、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子-α等炎症介质并增加黏附分子的表达,造成内皮细胞损伤。综上，缺血再灌注导致肥大细胞脱颗粒、黏附分子和核因子κB表达提高，从而损伤内皮细胞。最新研究发现，在大鼠心肌缺血27 min后给予2.5%七氟烷，内皮细胞分泌的细胞间黏附分子-1等炎症介质的表达降低[18]，证明受损的内皮细胞能反馈性造成炎症级联反应。

1.3氧化应激 氧化应激的核心是活性氧的产生与释放，活性氧可以引起脂质过氧化并产生活性醛，包括丙二醛、丙烯醛等。丙二醛是氧化应激的重要标志，可以破坏生物膜或细胞器中的脂质和核酸，消耗抗氧化酶，从而加重氧化应激损伤。IRI通过多因素多途径产生活性氧,包括线粒体呼吸链、黄嘌呤氧化还原酶、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH)氧化酶、一氧化氮合酶等的损伤[19]。线粒体电子传递链是IRI过程中活性氧的重要来源，其中复合体Ⅰ途径为核心来源[20]。缺血时，复合体Ⅰ正向作用产生的泛醇被复合体Ⅱ反向氧化，导致琥珀酸的堆积。再灌注后，由于缺氧环境得到改善，琥珀酸被大量消耗，产生泛醇，同时缺血缺氧导致的pH下降，两者驱动复合体Ⅰ反向转运电子，产生活性氧。在缺血状态下，ATP耗竭导致黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化还原酶。当血流再通后，次黄嘌呤转化为黄嘌呤和尿酸，同时释放超氧化物和过氧化氢，进而形成正向循环过程，加剧氧化应激。黄嘌呤氧化还原酶产生的活性氧通过表达P-选择素，导致细胞因子级联反应和病理改变，加重内皮细胞凋亡和损伤。NADPH氧化酶的过表达和活性增加导致活性氧的产生[21]。NADPH氧化酶可产生超氧化物，超氧化物可在酶的作用下变成过氧化氢,并穿过膜使酪氨酸磷酸酶和丝氨酸/苏氨酸磷酸酶失活，与过氧化物酶反应，造成细胞毒性。一氧化氮合酶在机体氧化应激中起重要作用，包括神经型一氧化氮合酶、内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)。作为急性炎症级联反应的前哨事件，iNOS在激活的巨噬细胞中被诱导产生，并通过下游活性氧的产生和释放对机体组织和细胞造成显著损害。iNOS产生的一氧化氮可能会与超氧化物相互作用，产生过氧亚硝酸盐，从而导致线粒体细胞色素C的释放和凋亡蛋白的激活，使得内皮细胞凋亡。Liu等[22]研究发现，iNOS可以使内皮细胞中凋亡蛋白含量增加，证明iNOS在内皮细胞损伤中的作用。综上所述，多种途径产生的活性氧导致内皮细胞损伤，加重组织再灌注损伤。

2 治 疗

对于缺血再灌注导致内皮细胞损伤的治疗目前仍以药物为主。药物治疗的核心机制在于改善内皮细胞的氧化应激、抑制过度炎症反应、抗凋亡等。

2.1多酚类药物 多酚是植物衍生物中含有的或作为次生代谢产物产生的生物活性物质，是一种中等水溶性化合物,分子量为300～4 000。既往研究表明，多酚具有促凋亡和抗血管生成作用，可减轻炎症、抑制水肿、阻止肿瘤进展。此外，其还可调节免疫系统，通过作用于血管成分增加毛细血管阻力，保护心血管系统等[23]。根据结构可将其分为黄酮类和非黄酮类。

2.1.1黄酮类药物 作为多酚类化合物的一种，黄酮类药物可以通过抑制过度的炎症反应和氧化应激发挥内皮保护作用。黄酮类化合物存在于巧克力、茶和葡萄酒中。其化学结构含有1个15碳骨架，该骨架由2个苯环和1个杂环组成，根据化学结构可分为黄芩苷和槲皮素等。黄芩苷是黄芩的有效成分，具有抗炎、降脂和抗凋亡的作用。在体外模型中，黄芩苷可以降低再灌注损伤后的内皮细胞凋亡[24]。近年的研究发现黄芩苷还具有抗氧化作用，通过增加一氧化氮的产生而减轻再灌注诱导的内皮细胞损伤[25]。槲皮素存在于多种中草药、甘蓝、洋葱、浆果、苹果、红葡萄、花椰菜、樱桃、茶和红酒中，占饮食中总黄酮摄入量的60%～70%[26]。槲皮素化学结构式中含有3个苯环样结构以及5个羟基，A环含有2个羟基，属于间二酚结构；B环含有2个羟基，属于邻二酚结构；C环含有1个羟基，属于烯醇式结构，具有抗炎、神经保护等活性。在刘振华等[27]的研究中，实验组大鼠在缺血再灌注后静脉注射10 mg/kg槲皮素，可以降低内皮通透性，并降低核因子κB通路介导的炎症反应。目前，在IRI诱导内皮细胞损伤的模型中，极少有研究证明槲皮素的保护作用。因此推测，槲皮素可以作为IRI诱导内皮细胞损伤的治疗药物，为后续研究提供理论依据和思路。

2.1.2非黄酮类药物 非黄酮类化合物存在于不同种类的柑橘类水果、咖啡、橄榄油、芝麻油、谷类食品和红酒中。根据化学结构可分为姜黄素、白藜芦醇、紫檀芪等。姜黄素是姜科的一员，可以从姜黄中提取，在中国传统医药中有很长的使用史。姜黄素具有优异的药理活性，包括抗氧化、抗炎、抗血管生成等。体外实验证明，20 μmol/L的姜黄素可以抑制内皮细胞的氧化应激[28]。腹腔注射40 mg/kg姜黄素可以降低炎症介质的表达，从而保护血脑屏障[29]。研究发现，姜黄素还可以通过增加线粒体中B细胞淋巴瘤/白血病-2基因的表达，降低细胞色素C的释放[30]。而B细胞淋巴瘤/白血病-2基因被激活后抑制线粒体膜电位，细胞色素C以及胱天蛋白酶的释放减少，进一步抑制细胞凋亡。白藜芦醇存在于葡萄和花生中，与延长寿命有关，在癌症和心血管疾病的治疗中显示出积极的作用。eNOS可以刺激血管内皮细胞产生一氧化氮而发挥保护作用。0.1 μmol/L的白藜芦醇能明显增加IRI后人脐静脉内皮细胞中eNOS的表达[31]。而在另一研究中，40～160 μmol/L的白藜芦醇能明显抑制丙二醛的产生[32]。由此推测，白藜芦醇抗氧化应激的作用呈剂量依赖性，最佳治疗剂量目前仍有争议，需要后续研究进一步探讨。因此，白藜芦醇抗氧化应激作用的机制主要是通过刺激eNOS活性，增加内皮细胞一氧化氮的生成。但关于白藜芦醇对IRI后内皮细胞炎症反应作用的研究较少。因此，可以为后续研究提供思路。紫檀芪作为白藜芦醇的同系衍生物，具有和白藜芦醇相同的生物学活性。在氧糖剥夺/复氧模型中，紫檀芪可降低白细胞介素-1β、白细胞介素-6基因的表达，从而降低内皮细胞的炎症反应[33]。此外，紫檀芪还可以调节 B细胞淋巴瘤/白血病-2基因相关X蛋白与B细胞淋巴瘤/白血病-2基因的比例，发挥抗凋亡作用[34]。B细胞淋巴瘤/白血病-2基因相关X蛋白与凋亡有关，可使线粒体膜通透性转换孔开放，细胞色素C和胱天蛋白酶的释放。

综上所述，多酚类化合物有多个分子靶点，通过不同途径发挥保护作用。体外实验、活体研究已经证明多酚类化合物可以抑制氧化应激与炎症反应，但需要进一步探究其在临床中的最佳治疗剂量与给药方式。多酚类化合物在治疗内皮细胞损伤中具有巨大潜力，有望在未来临床治疗中发挥更大作用。

2.2其他类药物 辛伐他汀可促进一氧化氮的产生，并且降低白细胞介素-1β、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子-α的表达[35]。与辛伐他汀相比，阿托伐他汀的治疗效果更明显，药物作用时间更久，可能机制是其激活eNOS活性，降低黏附分子的释放，增加一氧化氮的合成[36]。在氧糖剥夺/复氧模型中，瑞舒伐他汀可抑制脑微血管内皮细胞凋亡相关蛋白的释放并激活核因子κB，从而减轻血脑屏障的破坏[37]。其他类型他汀类药物是否也能发挥内皮细胞保护作用尚未见报道，需要后续进一步探究。摄入富含硝酸盐的饮食或药物可以发挥内皮细胞保护作用。研究表明，摄入硝酸盐可以改善高血压患者的内皮功能并降低血压[38]。张姝等[39]认为10 μmol/L硝酸盐具有内皮细胞保护作用，可以提高人血管内皮细胞缺氧复氧后的细胞活性。但在另一项研究中，5～10 μmol/L亚硝酸盐抑制内皮细胞损伤的主要机制为减弱线粒体复合体Ⅰ的活性，降低活性氧的产生以及改变线粒体的氧化呼吸[40]。综上所述，关于不同浓度硝酸盐的治疗作用及具体机制仍需进一步探究。

3 小 结

组织器官缺血常引起不可逆的损伤，血流恢复加剧其病理过程。内皮细胞受损是缺血再灌注的特征性改变，缺血再灌注诱导内皮细胞损伤的机制复杂多样，深入研究其机制可为精准医疗提供依据。以上综述了3类治疗药物，包括多酚类、他汀类药物以及硝酸盐。针对缺血再灌注诱导内皮细胞损伤治疗的研究仍处在初级阶段，缺少临床研究。中草药种类众多，具有多种药理学作用，在治疗缺血再灌注诱导内皮细胞损伤中前景广阔。