體外循環(huán)缺血再灌注損傷藥物保護(hù)研究進(jìn)展

劉孝潔綜述，敖虎山審校

體外循環(huán)（ cardiopulmonary bypass，CPB）應(yīng)用于臨床心臟及大血管手術(shù)已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。但其對(duì)組織器官的損傷仍不可忽視。體外循環(huán)后，即使心臟手術(shù)成功，仍有腦神經(jīng)和其他器官如腎臟、肝臟、腸道損傷的風(fēng)險(xiǎn)[1，2]。

1 體外循環(huán)引起缺血再灌注損傷的機(jī)制

體外循環(huán)過程中，血液接觸管道表面觸發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。白細(xì)胞、單核細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血小板和補(bǔ)體系統(tǒng)激活，促炎因子和細(xì)胞因子釋放。最終，形成微血栓，消耗凝血因子，引起出血傾向。

在細(xì)胞水平缺血再灌注損傷將導(dǎo)致信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)包括轉(zhuǎn)錄因子移位，細(xì)胞凋亡蛋白酶旁路誘導(dǎo)，基質(zhì)金屬蛋白酶激活，腺苷二磷酸聚合酶（PARP）激活，形成活性氧和氮氧合酶。這些信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)涉及細(xì)胞存活和凋亡，最終導(dǎo)致器官功能喪失[3]。

2 缺血再灌注損傷可能的藥物保護(hù)作用靶點(diǎn)

近些年，許多保護(hù)性策略被用來提高體外循環(huán)的安全性：排除氣泡和過濾器減少栓塞發(fā)生；保護(hù)性機(jī)械通氣模式避免呼吸危象綜合征的發(fā)生；升高氫離子濃度指數(shù)（pH）值 、溫度；液體管理和搏動(dòng)性灌注可提高腎功能和腦氧飽和度[4]。但效果有限，通過藥物減少器官損傷逐漸成為熱點(diǎn)。包括可作用于PARP受體、金屬蛋白酶（MMPs）受體、鈉離子/氫離子（Na+/H+）交換泵、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）、腺嘌呤核苷三磷酸敏感性鉀通道（IKATP）等藥物，抗氧化劑，其他如艾司洛爾、維生素、輔酶Q和ω-3多不飽和脂肪酸等。

2.1 腺苷二磷酸聚合酶抑制劑

PARP是一種高度保守的核鋅指DNA結(jié)合蛋白，能夠覺察缺血再灌注損傷時(shí)，氧自由基產(chǎn)生增多，活性氧（ROS）和過氧亞硝基陰離子擴(kuò)散到細(xì)胞核并誘導(dǎo)遺傳物質(zhì)破壞。經(jīng)過PARP探測(cè)由此產(chǎn)生的單鏈DNA缺口。PARP-1以氧化的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD，輔酶i）為底物，合成并轉(zhuǎn)運(yùn)腺苷二磷酸（ADP）核糖給予染色質(zhì)構(gòu)成與脫氧核糖核酸（DNA）代謝有關(guān)的受體蛋白，參與DNA修復(fù)，同時(shí)生成尼克酰胺，每生成1 mol的聚ADP核糖需要1 mol的ADP和4 mol的ATP，因此，PARP1過度耗竭最終將由ATP能量衰竭而致細(xì)胞死亡。多聚腺苷二磷酸核糖（PAR）鏈促使凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）從線粒體釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，再被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，并啟動(dòng)所謂parthanatos（又稱PARP-1 dependent cell death，是基于DNA損傷，PARP-1激活的一種新的程序性細(xì)胞壞死形式），不可逆地導(dǎo)致細(xì)胞死亡[5]。

PARP通路抑制劑（如米諾環(huán)素）可防止ATP耗竭，維持細(xì)胞內(nèi)ATP含量。這是一種屬于四環(huán)素類的廣譜抗生素，具有抑菌作用，常用于治療尋常痤瘡或萊姆病。此外，它還具有神經(jīng)保護(hù)和抗炎的特性。Drabek等[6]制作的鼠低溫心臟停搏模型證明米諾環(huán)素能減少缺血引起的腫瘤壞死因子α（TNF-α）在腦組織和肝臟中的表達(dá)。一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)進(jìn)行體外循環(huán)的幼豬在轉(zhuǎn)流之前和轉(zhuǎn)流過程中給予米諾環(huán)素，表現(xiàn)出較少的器官功能障礙（海馬、肝、腎）[7]。

在臨床接受米諾環(huán)素治療的患者中其血藥濃度多在1～2 μmol/L范圍內(nèi)，這個(gè)臨床濃度范圍比實(shí)驗(yàn)中抑制PARP從而發(fā)揮作用的血藥濃度高10倍多。但尚沒有研究證實(shí)CPB時(shí)對(duì)患者使用米諾環(huán)素的效果。文獻(xiàn)表明具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的藥物多西環(huán)素也具細(xì)胞保護(hù)作用[8]。

其他如3 -氨基苯甲酰胺，尚缺乏PJ34，或INO-1001對(duì)PARP有抑制作用。到目前為止，還沒有大規(guī)模的臨床試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。最近研究發(fā)現(xiàn)，3 -氨基苯甲酰胺可以引起細(xì)胞因子水平顯著下降，從而減少活性氧自由基、心肌細(xì)胞凋亡和改善心臟收縮功能[9]。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用PJ34能夠顯著降低體外循環(huán)后腸系膜血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙。改善心肌收縮和肺功能[10]。INO-1001預(yù)處理顯著減少10 kg幼豬體外循環(huán)后TNF-α和熱休克蛋白70（HSP70）的表達(dá)，具有保護(hù)心臟和肺、減少腸系膜血管功能障礙的作用[11]。并可降低急性心肌梗死患者接受經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈腔內(nèi)成形手術(shù)恢復(fù)期炎癥反應(yīng)，可引起包括肝臟酶活性升高、惡心、嘔吐，增加QTc等的不良反應(yīng)[12]。

2.2 基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑

MMPs附著在胞內(nèi)蛋白酶上的，參與細(xì)胞外基質(zhì)降解，細(xì)胞表面受體的分裂以及細(xì)胞增殖，遷移和凋亡過程。激活TNF-α或者白細(xì)胞介素-1β（IL-1β），調(diào)節(jié)白細(xì)胞聚集和炎癥反應(yīng)。多種心血管疾病都與MMPs功能喪失有關(guān)[13]。其抑制劑是金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMPs）。與伴有三尖瓣、主動(dòng)脈瓣的胸主動(dòng)脈瘤患者相比，伴二葉主動(dòng)脈瓣的胸主動(dòng)脈瘤患者，其MMPs和TIMPs有不同表達(dá)模式。由于MMPs對(duì)炎癥反應(yīng)以及炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生中起作用，其也可能在CPB期間發(fā)揮作用。在CPB 24 h后，其MMP-9水平急劇升高到控制水平，白細(xì)胞數(shù)量增加。這與分流時(shí)間或肺功能障礙并沒有關(guān)聯(lián)[14]。但是臨床試驗(yàn)表明，MMP-8和MMP-9水平升高與氧化受損和體外循環(huán)后肺功能障礙相關(guān)[15]。

一些四環(huán)素類，像二甲胺四環(huán)素、強(qiáng)力霉素、土霉素等，都是潛在MMP抑制劑。強(qiáng)力霉素對(duì)于降低MMP-9，TNF-α和IL-1β的表達(dá)十分有效。在大鼠低溫停跳前使用二甲胺四環(huán)素可以使TNF-α水平降低[11]。目前尚沒有MMP抑制劑的臨床研究。強(qiáng)力霉素、二甲胺四環(huán)素、鹽酸土霉素都屬于臨床用藥，盡管不用于體外循環(huán)，但是其在CPB期間的潛在作用仍值得探討。

2.3 Na+/H+交換泵（NHE）抑制劑

缺血缺氧將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)酸中毒，細(xì)胞內(nèi)酸化的Na+/H+泵激活，抑制Na+/ K+ATP酶，刺激鈉鈣交換器，促進(jìn)Na+/Ca2+交換，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加[16]。哺乳動(dòng)物心臟的主要同種型Na+/H+交換泵-1（NHE- 1）被抑制后，心臟血流動(dòng)力學(xué)變化變小、心室顫動(dòng)的發(fā)生率降低，細(xì)胞內(nèi)ATP減少降低。cariporide及其家族zoniporide均為Na+/H+交換泵（NHE）抑制劑，對(duì)心肌和神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)十分有效，可以改善預(yù)后。cariporid對(duì)心臟移植豬復(fù)蘇有更好作用[17]。一項(xiàng)近3 000例患者接受冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)的臨床研究中，使用最高劑量的cariporide后，其死亡和心肌梗死發(fā)生率降低25%。CPB期間，在三組使用不同劑量的Cariporide實(shí)驗(yàn)組中，均可以顯著降低體外循環(huán)后血清S-100β的濃度。并且使用Cariporide最高劑量組的患者體外循環(huán)后血清S- 100β的濃度最低。因血清S- 100β濃度與顱腦損傷的相關(guān)性較好[18]，因此可以推測(cè)使用Cariporide最高劑量組患者顱腦損傷最輕。

2.4 線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）阻斷劑

線粒體通過呼吸鏈產(chǎn)生能量供應(yīng)ATP。當(dāng)組織病變時(shí)，線粒體通過打開MPTP而使其具有滲透性[19]。生理情況下，正常開放維持線粒體內(nèi)外電化學(xué)平衡，形成穩(wěn)定的膜電位，當(dāng)細(xì)胞缺血缺氧損害、自由基，脂肪酸或無(wú)機(jī)磷酸鹽等刺激時(shí)，可導(dǎo)致MPTP開放，一些離子和凋亡活性物質(zhì)釋放，膜電位崩潰，呼吸鏈解偶聯(lián)，細(xì)胞色素C和凋亡因子釋放，線粒體腫脹，線粒體外膜受損。心肌梗死時(shí)，鈣超載，心肌細(xì)胞過度收縮和細(xì)胞死亡[16]。因此，阻斷MPTP可以發(fā)揮保護(hù)作用。

在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（PCI）之前應(yīng)用MPTP阻斷劑環(huán)孢菌素治療急性心肌梗死患者，其梗死面積減少20%[20]。在CPB前給予環(huán)孢菌素治療的患者中，肌鈣蛋白T水平降低[21]。氨基酸樣物質(zhì)牛磺酸（2-氨基乙磺酸）作為MPTP阻斷劑具有抗心律失常、正性肌力和抗氧化作用，預(yù)防缺血再灌注損傷后心肌鈣超載、抑制線粒體腫脹的作用[22]。臨床試驗(yàn)表明在CPB前使用?；撬嶂委煟|(zhì)過氧化物、線粒體損傷和心肌細(xì)胞壞死更少。肌酸激酶、脂質(zhì)過氧化物等生物化學(xué)指標(biāo)降低。與對(duì)照組相比，左心室舒張末期壓降低[（34.5±6.4）mmHg vs （46.2±5.1）mmHg，1 mmHg=0.133 kPa][23]。

四環(huán)素衍生物米諾環(huán)素在缺血/再灌注損傷期間抑制線粒體腫脹。證實(shí)二甲胺四環(huán)素和N-甲基-4-異亮氨酸環(huán)孢菌素（NIM811），抑制鈣誘導(dǎo)的MPTP開放、線粒體腫脹和去極化，最終抑制氧化磷酸化和細(xì)胞壞死。二甲胺四環(huán)素顯著抑制腦和脊髓的線粒體腫脹和鈣攝取[24]。

2.5 ATP敏感性鉀通道開放劑

ATP 敏 感 性 鉀 通 道 （ATP sensitive K+channels，KATP channels）是由細(xì)胞內(nèi) ATP 和二磷酸腺苷（ADP）同時(shí)調(diào)節(jié)的一類選擇性的非電壓依賴性鉀離子通道[25]。在心臟，激活I(lǐng)KATP可以導(dǎo)致動(dòng)作電位時(shí)程縮短，縮短L型鈣通道開放時(shí)間，防止心肌細(xì)胞鈣超載。并且增加K+傳導(dǎo)性，可引起血管平滑肌細(xì)胞超極化并導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈和外周動(dòng)脈擴(kuò)張，增加心臟血液供應(yīng)。

對(duì)5 000多例心絞痛患者應(yīng)用IKATP開放劑尼可地爾和安慰劑后，心肌梗死發(fā)生率分別為13.1%、15.1%[26]。尼可地爾與冷血心肌停跳液聯(lián)合應(yīng)用比單純使用冷高鉀晶體停跳液能更好地保護(hù)豬心肌細(xì)胞功能。

在CPB期間應(yīng)用尼可地爾可使心肌停跳時(shí)間更短，肌鈣蛋白水平和心律失常的發(fā)生率更低[27]。在心臟驟停期間加入IKATP開放劑可改善心肌細(xì)胞收縮功能，減輕鈣超載。最近一項(xiàng)研究證實(shí)，在849例患者中應(yīng)用IKATP開放劑左西孟旦能顯著增加患者術(shù)后心指數(shù)（2.86±0.61 vs. 2.68±0.65）[28]。

2.6 抗氧化劑

過氧化物（ROS），細(xì)胞能夠通過中和ROS來保護(hù)自身。氧化應(yīng)激超過細(xì)胞保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致凋亡[29]。CPB引起炎癥和氧化應(yīng)激，氧自由基生成增多。在主動(dòng)脈夾層豬體外循環(huán)120 min的模型中驗(yàn)證了依布硒啉[2-苯基-1，2-苯并異硒唑-3（2H）- 酮硒烯衍生物]減少了心肌細(xì)胞凋亡[30]。多酚化合物[表沒食子兒茶-3-沒食子酸酯（EGCG），綠茶的主要成分]能減少心肌梗死面積并阻斷核轉(zhuǎn)錄因子（NF-κB）和轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白-1（AP-1）的核移位[31]。在幼豬CPB期間EGCG能顯著減少腎臟損傷和早期凋亡標(biāo)志物。并且可以預(yù)防腎小球腫脹，小管空泡化，含磷酸鹽能量缺失，肌酐和尿素升高，腎和海馬細(xì)胞損傷增加等有害作用[32]。

N-乙?；?L-半胱氨酸（NAC）具有抗氧化性質(zhì)，作為氧自由基清除劑，在缺血和再灌注損傷中發(fā)揮作用。研究證實(shí)NAC能夠減少CPB伴隨的肺部改變，如肺泡充血，嗜中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，肺泡壁增厚，氧指數(shù)降低，丙二醛濃度升高，超氧化物歧化酶活性降低。從而有利于改善肺功能[33]。

在轉(zhuǎn)機(jī)前2 h開始應(yīng)用最大劑量NAC組（150 mg/kg）的嗜中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白（NGAL）和ROS水平低于對(duì)照組，急性腎功能衰竭的發(fā)生率明顯降低（57.1% vs 28.6%，P=0.016）[34]。NAC對(duì)心肌氧化應(yīng)激損傷得到顯著改善[35]。

2.7 其他

在CPB后有許多藥物也可以減輕器官功能障礙。例如艾司洛爾、ω-3多不飽和脂肪酸、維生素E和C、地塞米松、L-精氨酸等[36]，均提示有心肌保護(hù)作用。研究證實(shí)烏司他丁有肺保護(hù)作用[37,38]。

3 總結(jié)

過去，CPB的器官保護(hù)作用主要針對(duì)心臟，科學(xué)家和外科醫(yī)生嘗試了不同的心臟停搏藥物解決方案，包括動(dòng)脈血流方案，冷血和溫血?jiǎng)游镄呐K停搏液。最近，保護(hù)腦、腎、肺和肝臟成為新目標(biāo)，通常針對(duì)與CPB相關(guān)的缺血再灌注損傷病理生理過程。已經(jīng)顯示CPB導(dǎo)致的腎、肺和腦缺血再灌注損傷可以通過PARP抑制劑、MPTP抑制劑、NHE阻斷或抗氧化劑以及抗凋亡策略進(jìn)行治療。但在實(shí)際臨床應(yīng)用中，仍需要研發(fā)新藥并進(jìn)行臨床研究驗(yàn)證。