臨床應用心肌缺血預適應與后適應的哲學理論

劉 俊,趙燕凌,陳 敏

·理論探索·

臨床應用心肌缺血預適應與后適應的哲學理論

劉 俊,趙燕凌,陳 敏

及時恢復缺血區的血液灌注即再灌注是臨床上挽救缺血心肌的最有效措施,但再灌注會引起嚴重的再灌注損傷。心肌缺血預適應和后適應可以減輕缺血再灌注損傷后心肌的壞死與心肌功能障礙,減少惡性心律失常的發生,是減輕缺血再灌注損傷的有效內源性保護手段。心肌缺血預適應和后適應的機制主要是通過誘導觸發因子釋放,經多條細胞內信號轉導途徑的介導,作用于多種效應器,影響缺血再灌注損傷的關鍵環節而發揮心肌細胞保護作用。心肌缺血預適應和后適應是內因和外因的辯證統一,也蘊含矛盾雙方互相轉化的規律。

心肌缺血預適應;缺血后適應;矛盾分析

缺血性心臟病是臨床上的常見病和多發病,如果不及時恢復缺血區的血液灌注,缺血將最終導致心肌細胞死亡。因此,一旦發生心肌缺血,采用溶栓治療或其他方法盡快恢復缺血區供血,以搶救盡可能多的心肌細胞,減小梗死面積,是目前醫學界公認的治療措施。但是人們在臨床實踐及醫學實驗中發現,缺血心肌在恢復血流后引起心肌超微結構、功能、代謝及電生理方面的進一步損害,即心肌缺血/再灌注損傷(myocardial ischemia/reperfusion injury,MI/RI)。因此,如何減輕MI/RI是醫學界研究的熱點。20世紀八十年代,心外科的臨床研究顯示控制再灌注條件可減輕MI/ RI,但不能從根本上控制MI/RI的發生和發展。隨后針對MI/RI損傷機制,采用外源性自由基清除劑、鈣拮抗劑、細胞保護劑等能有效防治MI/RI。但是,藥物和細胞保護劑的作用依賴有效的再灌注,因此,外源性的干預措施具有一定的局限性。

1 內源性心臟保護的發現歷程

1986年Murry等首先報道了心肌缺血預適應(ischemic preconditioning,IPC)現象。在狗實驗中阻斷冠狀動脈左旋支5 min,再灌注5 min,反復4次,然后阻斷40 min,再灌注3 h,心肌梗死面積比對照組(阻斷40 min后持續再灌注3 h)明顯減少,心功能改善,心律失常發生率降低,自由基的形成減少,心肌超微結構的損害減輕。認為這是因為短暫的缺血和再灌注提高了心肌對隨后而來的較長時程的缺血耐受力,并把這種現象稱為缺血預適應作用(ischemia preconditioning,IPC)[1]。IPC的提出,打破了醫學界對心肌缺血損傷的傳統認識,IPC比當時所知的任何藥物具有更有效的非同尋常的心肌保護作用。隨后,研究者發現缺血預適應現象也存在于其他物種,如兔[2],豬[3],大鼠[4]。人類也可進行缺血預適應[5],將缺血預適應應用于臨床[6],先后采用機械性預適應(如心外科手術時間歇阻斷主動脈、改變體外循環模式、再灌注壓力、再灌注搏動等)和藥物性預適應等手段減輕再灌注損傷。但是臨床上患者往往是出現了心肌缺血的情況才會到醫院就診治療,錯過了進行預適應的最佳時機,再者由于倫理方面的原因[7],限制了預適應的臨床應用。所以Murry等發現的這種經典缺血預適應只適合用于缺血事件可以預先估計的情況,比如心臟外科手術。

2003年,Zhao等通過動物實驗發現,在狗心肌缺血后再灌注前對其心臟實施反復短暫的再缺血和再灌注,具有顯著的心肌保護作用,這一現象稱為心肌缺血后適應(ischemic postconditioning,IPost)[8]。由于缺血后適應比預適應在實施上有更好的可預測性及臨床可控性,在預防缺血再灌注損傷方面開啟了一個新的治療前景。顯示出了較好的臨床應用前景[9]。

雖然IPC和IPost都可以減輕心臟缺血再灌注損傷,但是這二者都需要直接在心臟上進行操作以達到保護的效果,這對于某些臨床情況很顯然不實際并且是有害的。1993年,Prayklenk發現了這樣的現象:如果對狗的冠狀動脈回旋支實施預適應,即缺血5 min,再灌注5 min,4個循環,可以減輕由于左冠狀動脈前降支缺血1 h,再灌注4.5 h所造成的心肌的損害,即在一個血管支配區進行短暫的缺血預適應,可以減輕較遠處其他血管所支配區域的缺血再灌注損傷[10]。隨后的研究發現,其他遠離心臟的器官,如腎臟[11],小腸[12]接受預適應之后,同樣可以減少冠脈阻塞導致的心肌梗死。1997年,Birnbaum等[13]和Oxman等[14]分別發現如果阻斷后肢骨骼肌的血液供應,進行缺血預適應,也可以顯著減輕心臟的缺血再灌注損傷,減小心肌梗死面積,減輕再灌注之后的心律失常,這種現象被稱為遠隔預適應(remote ischaemic preconditioning,RIPC)。這種肢體缺血預適應可以最大程度的減少創傷,只需要像測量血壓一樣,用血壓計或類似的方法,加壓并維持一定壓力(如200 mmHg)以阻斷肢體的血液供應使其缺血,減壓即可恢復血流即再灌注。事實證明,RIPC可以更方便的應用于臨床外科手術,減少患者痛苦[15,16]。RIPC的概念現在已經擴展到了不同器官組織之間的用來抵抗急性缺血再灌注損傷的一種內源性保護。

2005,研究者發現遠隔缺血后適應現象[17](remote ischaemic postconditioning,RIPost),這使缺血后適應應用于急性心肌梗死患者的可能性大大增加。

2 內源性心臟保護機制

迄今為止,最有效的內源性心臟保護方法,研究者對預適應和后適應機制進行了深入研究。IPC和IPost是涉及多種因素參與的復雜過程,具有許多共同之處:均誘導觸發因子(triggers)釋放,經多條細胞內信號轉導途徑的介導,作用于多種效應器,影響MI/RI損傷的關鍵環節而發揮心肌細胞保護作用。

2.1 內源性觸發物質 目前證實IPC和IPost共有的觸發因子包括腺苷、乙酰膽堿、阿片肽等。IPC相關的內源性觸發因子還有一氧化氮(nitric oxide,NO)、兒茶酚胺、血管緊張素Ⅱ、內皮素等。

2.1.1 腺苷 在預適應低氧階段,細胞內腺苷釋放驟增,激活腺苷A1受體,是啟動和介導IPC的重要環節。給予外源性腺苷預處理,可模擬IPC的保護作用[18],在IPC前給予腺苷受體阻斷藥則可以阻斷IPC對心肌的保護作用[19]。同樣,腺苷也參與IPost,但是主要激活的是A2和A3受體[20]。

2.1.2 緩激肽 心肌缺血時引起冠脈內皮釋放緩激肽(bradykinin),作用于緩激肽B2受體,誘發某些蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)同構體迅速而短暫地易位,并可觸發NO和前列環素(PGI2)的釋放,NO釋放引起cGMP水平升高,抑制L-鈣通道,抑制心肌收縮和降低能量消耗;NO還有擴張冠脈和抑制血小板黏附作用。外源性緩激肽可模擬IPC樣心肌保護作用[21]。緩激肽也參與后適應過程[22]。

2.1.3 阿片肽 阿片肽和阿片肽受體在介導IPC和IPost中的作用逐漸得到重視。給予阿片受體激動劑,可緩解心絞痛、減小梗死面積。這與IPC和IPost的保護效應相似[23,24],非特異性阿片受體拮抗劑納洛酮可抑制IPC[25]。

采用外源性的非致命性措施,即心肌缺血預適應和后適應,刺激機體細胞釋放若干細胞因子,這些細胞因子作為配體與相應受體結合或細胞因子本身直接活化相關的細胞內信號轉導通路而觸發內源性心臟保護,從而實現外因與內因相互結合的關鍵步驟。

2.2 信號轉導通路

2.2.1 蛋白激酶C 短時缺血引起體內釋放腺苷、緩激肽等內源性物質,作用于心肌的相應受體所偶聯的抑制性G蛋白,激活磷脂酶C(PLC),PLC使磷脂酰二磷酸肌醇(PIP2)分解生成三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG),IP3和DAG作為第二信使分別激活Ca2+通道和PKC,使效應蛋白磷酸化,介導了IPC對心肌細胞的保護作用。現已證明PKC在IPC的細胞內信息傳遞中起關鍵作用,它的激活是IPC所共有的細胞內機制。目前證實大鼠心臟IPC與PKCα、PKCδ和PKCε有關,而兔心臟IPC則涉及PKCε和PKCη,IPC中PKC的心臟保護作用是通過對下游蛋白質的磷酸化而實現的[26]。Zatta等[27]的實驗顯示IPost對大鼠I/R心肌的保護作用與誘導PKCε表達和轉位有關。

2.2.2 絲裂素活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPKs) MAPKs是細胞外信號引起細胞核反應的共同通路。主要包括細胞外信號調節蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinases, ERKs),應激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase,SAPK)和蛋白激酶p38(p38 MAPK)。其中, ERKs介導IPC心臟保護[28],而IPC通過抑制SAPK的活化發揮心臟保護作用[29]。Darling等[30]在兔離體心臟I/R模型上證實,IPost可以激活ERK1/2并限制心肌梗死范圍,再灌注前給予ERK1/2上游激酶抑制劑PD98059,消除IPost的上述心臟保護作用;與Yang等[31]在整體兔心臟I/R模型上的實驗結果一致。這些研究提示ERK1/2是內源性心臟保護的重要細胞內信號途徑。

除此之外,心臟內源性保護機制細胞內信號轉導途徑還涉及包括磷脂酰肌醇3激酶/(phosphoinositide-3 kinase,PI3K/AKT)[32]等。

觸發細胞內信號轉導通路后,引起一系列瀑布式的細胞內反應,每條通路之間又存在復雜的聯系,從而組成更為廣泛的網絡系統,最終啟動終末效應物,完成外因啟動內因。

2.3 終末效應物

2.3.1 KATP通道 KATP通道不僅存在于細胞膜,也存在于線粒體膜,Parra等在犬模型上的研究也證實線粒體KATP通道參與預適應的保護作用[33]。激活線粒體膜上的KATP通道,復極化時K+外流增加,導致動作電位時程和不應期縮短,平臺期縮短,電壓依賴性Ca2+通道活性下降,Ca2+內流減小,減輕鈣超載引起的損傷;同時心肌收縮力減弱,減少ATP消耗,保護缺血心肌。

再灌注早期線粒體膜通透性轉換孔(mitochondr-i al permeability transition pore,mPTP)開放是MI/RI致細胞死亡的重要環節。mPTP的抑制劑環孢霉素A可以發揮類似后適應的作用[34]。IPC和IPost通過開放線粒體膜KATP通道、抑制mPTP開放,抑制氧自由基產生和鈣超載而發揮心臟保護作用[35]。

2.3.2 內源性保護蛋白 已經證實與內源性心臟保護有關的內源性保護性蛋白質包括熱休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)、氧自由基清除酶、金屬硫蛋白等。活化的PKC可以激活MAPKs,兩者共同作用于細胞核因子NF-kB(nuclear factor kB),促進保護性蛋白基因的轉錄,以合成具有保護作用的HSPs和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等抗氧化酶,增加心肌對缺血、缺氧的耐受力。HSPs保護缺血心肌的機制是:①開放KATP通道。應用特異性KATP通道阻斷劑格列本脲后,HSPs縮小心肌梗死范圍的作用就消失;②抗氧化作用。HSPs可引起細胞內諸多變化,使一些酶活性增強,調整細胞內Ca2+濃度、pH值、ATP合成、SOD產生等;③HSPs磷酸化發生快速反應,有立即保護細胞的作用。SOD的增加可以清除缺血/再灌注時產生的自由基,拮抗其對膜脂質的過氧化反應,保持細胞的結構完整性和膜表面蛋白質的功能,發揮其保護作用。

從預適應和后適應的產生機制中,不難看出,非致命的損傷性刺激作為適應性手段,是誘發心肌細胞保護的外因條件。機體細胞本身所具有的內源性抗損傷機制則是內因。預適應或后適應(外因)通過激動細胞內源性途徑(內因)達到保護作用,體現了內因和外因相互統一的辯證觀。

作為研究者或臨床工作者,無疑愿意看到機體內源性保護的共同最后通路,探究出這條通路的開關或啟動條件,這對開發細胞保護的效應將帶來無限光明的前景。但事物往往是錯綜復雜的。通過對心臟內源性保護的機制研究,人們發現了上述的多種物質及多條通路都參與其中,無論是哪種物質哪條途徑都有大量的文獻支持,面對眾多的實驗數據,我們不得不承認,無法用一種共有的產生機制來解釋所有的現象。不論是缺血預適應還是缺血后適應,都可能啟動了細胞內復雜的信號轉導網絡,從而起到了保護性作用。

但是,缺血預適應和缺血后適應保護作用一定的相對性,這種保護作用不是無限制的。目前研究認為,一般不超過5個循環效果較好。我們假設,一次缺血預適應或后適應能夠引起某樣或某些內源性物質釋放,但數量很少,多次缺血預適應或后適應后,釋放的內源性物質增多,因此保護效果比一次缺血預適應或后適應保護效果要好,隨著內源性物質合成底物的消耗或其合成酶的消耗,再多的缺血預適應或后適應刺激也不能夠產生更多的保護性的內源性物質的合成,因此出現了缺血預適應或后適應的飽和效應。有研究發現缺血后適應不能給已經進行過預適應的心臟提供另外的保護[36]。預適應和后適應對細胞是一種損傷因素,若超過一定的限度,非但起不到保護作用,反而有可能加速細胞的損傷和死亡。所以我們應該正確分析預適應和后適應中的損害和抗損害的矛盾斗爭,掌握矛盾轉化規律,使抗損害成為矛盾的主要方面,以達到更好的治療與轉歸的目的。

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The Philosophy Theory of Myocardial Ischemic Preconditioning and Postconditioning Applicied in Clinic

Liu Jun,Zhao Yanling,Chen Min//Shanxi Medical University,Taiyuan 030001,Shanxi,China

Restoration of blood flow is the definitive therapy to salvage myocardium ischemic injury.Sudden restoration of blood flow to the ischemic myocardium,however,also cause reperfusion injury.Myocardium ischemic preconditioning and ischemic postcond-i tioning are endogenous protective mechanisms capable of protecting the myocardium from myocardial infarction,stunning,and ventricular arrhythmia induced by ischemia/reperfusion injury.The mechanisms involve induction of triggers,activation of signaling pathways,and end-effectors,which affect critical link induced by ischemia/reperfusion injury.Ischemic preconditioning and ischemic postconditioning is the dialectical unity of external cause and internal cause.

myocardial ischemic preconditioning;ischemic postconditioning;conflict analysis

R541 R256

:Adoi:10.3969/j.issn.1672-1349.2015.03.040

:1672-1349(2015)03-0375-04

2014-07-10)

(本文編輯王雅潔)

山西醫科大學(太原030001),E-mail:347642818@qq.com