缺血再灌注誘導內皮細胞損傷相關機制與治療的研究進展

王乃賡，郝建紅，羅振國

(1.陜西中醫(yī)藥大學，陜西 咸陽 712046； 2.西安交通大學附屬紅會醫(yī)院麻醉科，西安 710054)

缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)是指器官或組織缺血一段時間后，當血流重新恢復，組織的損傷程度較缺血時進一步加重，器官功能進一步惡化的綜合征[1]，可見于心、腦、肝、肺、腎等重要器官，臨床中常見于缺血性腦卒中、失血性休克、器官移植術后及心肺復蘇后等。內皮細胞是一層連續(xù)內襯于血管內壁的扁平細胞，與血管平滑肌細胞構成血管壁機械性屏障[2]，并參與血腦屏障和血脊髓屏障的構成[3]。此外，血管內皮細胞在調控血管通透性及血管張力中也發(fā)揮重要作用，并且可以分泌多種炎癥介質調節(jié)炎癥反應[4]。

IRI涉及氧化應激、能量代謝、炎癥反應和細胞凋亡等過程，這些過程均有內皮細胞參與[5-6]。內皮細胞作為血管壁的最內層結構，在體內廣泛分布[7]。目前，IRI的研究多局限于單一器官，而IRI常累及多個器官，且各器官發(fā)生的IRI均可誘導內皮細胞損傷。因此，研究內皮細胞在IRI中的作用及將其作為新的治療靶點具有重要意義。現(xiàn)已有將內皮細胞作為治療靶點，改善器官IRI的藥物研究，核心主要集中于抗氧化應激和抑制炎癥反應[8-9]，但未見系統(tǒng)報道。現(xiàn)就缺血再灌注誘導內皮細胞損傷的機制和治療藥物進展進行綜述，旨在為IRI的治療提供新的思路和依據(jù)。

1 缺血再灌注導致內皮細胞損傷機制

缺血再灌注通過多種機制誘導內皮細胞損傷，包括氧化應激、能量代謝、炎癥反應等。內皮細胞損傷后的功能障礙導致血管舒張能力降低、微血管血栓形成、炎癥介質釋放以及凋亡蛋白產生，進一步損傷組織器官。

1.1能量代謝 在缺血期，伴隨缺血而來的缺氧和糖原不足會損害線粒體呼吸鏈腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的合成，導致ATP剝奪[10]。肌動蛋白聚合需要ATP，ATP剝奪可引起肌動蛋白細肌絲解聚，導致微血管通透性增高和器官功能障礙。伴隨著ATP的耗竭，細胞中Na+，K+-ATP酶發(fā)生功能障礙，細胞內鈉離子堆積，內皮細胞腫脹。缺血缺氧導致的酸中毒使機體pH值下降，鈉氫交換代償途徑障礙，從而激活鈉鈣交換，使得胞外鈣離子進入細胞內，最終導致胞內鈣超載[11]，加重自由基生成和細胞腫脹，導致內皮細胞損傷。線粒體是體內能量合成的重要細胞器，缺血缺氧導致線粒體損傷可以使機體能量代謝障礙。Zhu等[12]已經證明高濃度鈣離子可以激活線粒體通透性轉換孔，導致線粒體結構和功能的損傷，從而使ATP合成障礙。推測線粒體可能成為治療IRI的靶點。目前，僅有少數(shù)研究以線粒體作為內皮細胞損傷后的治療靶點。Zhu等[13]的實驗發(fā)現(xiàn)，褪黑素可以降低線粒體內鈣超載，維持線粒體膜電位并減少線粒體通透性轉換孔的開放，從而提高氧化應激導致的微血管內皮細胞成活率。另一項研究發(fā)現(xiàn)，減輕鈣超載可以保護IRI后心臟微血管內皮細胞[14]。由此可知，IRI可以通過氧化應激-鈣超載-線粒體途徑導致內皮細胞損傷，這也為下一步針對此靶點藥物的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1.2炎癥反應 缺血再灌注期間，機體通過內皮素受體、補體受體等途徑激活肥大細胞，導致肥大細胞脫顆粒，從而促進損傷部位炎癥介質的釋放，進一步減少內皮細胞間的連接，增加血管通透性，使白細胞進入組織成為可能。細胞間黏附分子是介導細胞間或細胞與細胞外基質結合的分子總稱，在炎癥反應中介導白細胞與內皮細胞黏附。IRI后多種細胞因子(如腫瘤壞死因子-α)和內毒素可上調細胞間黏附分子-1的表達，促進淋巴細胞、中性粒細胞、嗜酸粒細胞和單核細胞與內皮細胞的強烈黏附和激活。激活的白細胞釋放活性氧，通過刺激細胞因子和黏附分子的表達，促進中性粒細胞和其他炎癥細胞的遷移，導致內皮功能障礙并加重再灌注損傷[15]。同時，實驗發(fā)現(xiàn)細胞黏附分子家族的另一成員β2整合素與細胞間黏附分子-1一起介導炎癥細胞遷移與內皮細胞結合，導致內皮細胞損傷[16]。核因子κB是炎癥和免疫穩(wěn)態(tài)的主要調節(jié)因子,其在中性粒細胞產生、成活以及單核細胞分化和激活中發(fā)揮重要作用[17]。核因子κB信號分子均存在于內皮細胞中，核因子κB信號級聯(lián)在內皮細胞應對應激環(huán)境中起關鍵作用。發(fā)生再灌注損傷后Toll樣受體激活內皮細胞中核因子κB,使其釋放白細胞介素-1β、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α等炎癥介質并增加黏附分子的表達,造成內皮細胞損傷。綜上，缺血再灌注導致肥大細胞脫顆粒、黏附分子和核因子κB表達提高，從而損傷內皮細胞。最新研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠心肌缺血27 min后給予2.5%七氟烷，內皮細胞分泌的細胞間黏附分子-1等炎癥介質的表達降低[18]，證明受損的內皮細胞能反饋性造成炎癥級聯(lián)反應。

1.3氧化應激 氧化應激的核心是活性氧的產生與釋放，活性氧可以引起脂質過氧化并產生活性醛，包括丙二醛、丙烯醛等。丙二醛是氧化應激的重要標志，可以破壞生物膜或細胞器中的脂質和核酸，消耗抗氧化酶，從而加重氧化應激損傷。IRI通過多因素多途徑產生活性氧,包括線粒體呼吸鏈、黃嘌呤氧化還原酶、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NADPH)氧化酶、一氧化氮合酶等的損傷[19]。線粒體電子傳遞鏈是IRI過程中活性氧的重要來源，其中復合體Ⅰ途徑為核心來源[20]。缺血時，復合體Ⅰ正向作用產生的泛醇被復合體Ⅱ反向氧化，導致琥珀酸的堆積。再灌注后，由于缺氧環(huán)境得到改善，琥珀酸被大量消耗，產生泛醇，同時缺血缺氧導致的pH下降，兩者驅動復合體Ⅰ反向轉運電子，產生活性氧。在缺血狀態(tài)下，ATP耗竭導致黃嘌呤脫氫酶轉變?yōu)辄S嘌呤氧化還原酶。當血流再通后，次黃嘌呤轉化為黃嘌呤和尿酸，同時釋放超氧化物和過氧化氫，進而形成正向循環(huán)過程，加劇氧化應激。黃嘌呤氧化還原酶產生的活性氧通過表達P-選擇素，導致細胞因子級聯(lián)反應和病理改變，加重內皮細胞凋亡和損傷。NADPH氧化酶的過表達和活性增加導致活性氧的產生[21]。NADPH氧化酶可產生超氧化物，超氧化物可在酶的作用下變成過氧化氫,并穿過膜使酪氨酸磷酸酶和絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶失活，與過氧化物酶反應，造成細胞毒性。一氧化氮合酶在機體氧化應激中起重要作用，包括神經型一氧化氮合酶、內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)。作為急性炎癥級聯(lián)反應的前哨事件，iNOS在激活的巨噬細胞中被誘導產生，并通過下游活性氧的產生和釋放對機體組織和細胞造成顯著損害。iNOS產生的一氧化氮可能會與超氧化物相互作用，產生過氧亞硝酸鹽，從而導致線粒體細胞色素C的釋放和凋亡蛋白的激活，使得內皮細胞凋亡。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，iNOS可以使內皮細胞中凋亡蛋白含量增加，證明iNOS在內皮細胞損傷中的作用。綜上所述，多種途徑產生的活性氧導致內皮細胞損傷，加重組織再灌注損傷。

2 治 療

對于缺血再灌注導致內皮細胞損傷的治療目前仍以藥物為主。藥物治療的核心機制在于改善內皮細胞的氧化應激、抑制過度炎癥反應、抗凋亡等。

2.1多酚類藥物 多酚是植物衍生物中含有的或作為次生代謝產物產生的生物活性物質，是一種中等水溶性化合物,分子量為300～4 000。既往研究表明，多酚具有促凋亡和抗血管生成作用，可減輕炎癥、抑制水腫、阻止腫瘤進展。此外，其還可調節(jié)免疫系統(tǒng)，通過作用于血管成分增加毛細血管阻力，保護心血管系統(tǒng)等[23]。根據(jù)結構可將其分為黃酮類和非黃酮類。

2.1.1黃酮類藥物 作為多酚類化合物的一種，黃酮類藥物可以通過抑制過度的炎癥反應和氧化應激發(fā)揮內皮保護作用。黃酮類化合物存在于巧克力、茶和葡萄酒中。其化學結構含有1個15碳骨架，該骨架由2個苯環(huán)和1個雜環(huán)組成，根據(jù)化學結構可分為黃芩苷和槲皮素等。黃芩苷是黃芩的有效成分，具有抗炎、降脂和抗凋亡的作用。在體外模型中，黃芩苷可以降低再灌注損傷后的內皮細胞凋亡[24]。近年的研究發(fā)現(xiàn)黃芩苷還具有抗氧化作用，通過增加一氧化氮的產生而減輕再灌注誘導的內皮細胞損傷[25]。槲皮素存在于多種中草藥、甘藍、洋蔥、漿果、蘋果、紅葡萄、花椰菜、櫻桃、茶和紅酒中，占飲食中總黃酮攝入量的60%～70%[26]。槲皮素化學結構式中含有3個苯環(huán)樣結構以及5個羥基，A環(huán)含有2個羥基，屬于間二酚結構；B環(huán)含有2個羥基，屬于鄰二酚結構；C環(huán)含有1個羥基，屬于烯醇式結構，具有抗炎、神經保護等活性。在劉振華等[27]的研究中，實驗組大鼠在缺血再灌注后靜脈注射10 mg/kg槲皮素，可以降低內皮通透性，并降低核因子κB通路介導的炎癥反應。目前，在IRI誘導內皮細胞損傷的模型中，極少有研究證明槲皮素的保護作用。因此推測，槲皮素可以作為IRI誘導內皮細胞損傷的治療藥物，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)和思路。

2.1.2非黃酮類藥物 非黃酮類化合物存在于不同種類的柑橘類水果、咖啡、橄欖油、芝麻油、谷類食品和紅酒中。根據(jù)化學結構可分為姜黃素、白藜蘆醇、紫檀芪等。姜黃素是姜科的一員，可以從姜黃中提取，在中國傳統(tǒng)醫(yī)藥中有很長的使用史。姜黃素具有優(yōu)異的藥理活性，包括抗氧化、抗炎、抗血管生成等。體外實驗證明，20 μmol/L的姜黃素可以抑制內皮細胞的氧化應激[28]。腹腔注射40 mg/kg姜黃素可以降低炎癥介質的表達，從而保護血腦屏障[29]。研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素還可以通過增加線粒體中B細胞淋巴瘤/白血病-2基因的表達，降低細胞色素C的釋放[30]。而B細胞淋巴瘤/白血病-2基因被激活后抑制線粒體膜電位，細胞色素C以及胱天蛋白酶的釋放減少，進一步抑制細胞凋亡。白藜蘆醇存在于葡萄和花生中，與延長壽命有關，在癌癥和心血管疾病的治療中顯示出積極的作用。eNOS可以刺激血管內皮細胞產生一氧化氮而發(fā)揮保護作用。0.1 μmol/L的白藜蘆醇能明顯增加IRI后人臍靜脈內皮細胞中eNOS的表達[31]。而在另一研究中，40～160 μmol/L的白藜蘆醇能明顯抑制丙二醛的產生[32]。由此推測，白藜蘆醇抗氧化應激的作用呈劑量依賴性，最佳治療劑量目前仍有爭議，需要后續(xù)研究進一步探討。因此，白藜蘆醇抗氧化應激作用的機制主要是通過刺激eNOS活性，增加內皮細胞一氧化氮的生成。但關于白藜蘆醇對IRI后內皮細胞炎癥反應作用的研究較少。因此，可以為后續(xù)研究提供思路。紫檀芪作為白藜蘆醇的同系衍生物，具有和白藜蘆醇相同的生物學活性。在氧糖剝奪/復氧模型中，紫檀芪可降低白細胞介素-1β、白細胞介素-6基因的表達，從而降低內皮細胞的炎癥反應[33]。此外，紫檀芪還可以調節(jié) B細胞淋巴瘤/白血病-2基因相關X蛋白與B細胞淋巴瘤/白血病-2基因的比例，發(fā)揮抗凋亡作用[34]。B細胞淋巴瘤/白血病-2基因相關X蛋白與凋亡有關，可使線粒體膜通透性轉換孔開放，細胞色素C和胱天蛋白酶的釋放。

綜上所述，多酚類化合物有多個分子靶點，通過不同途徑發(fā)揮保護作用。體外實驗、活體研究已經證明多酚類化合物可以抑制氧化應激與炎癥反應，但需要進一步探究其在臨床中的最佳治療劑量與給藥方式。多酚類化合物在治療內皮細胞損傷中具有巨大潛力，有望在未來臨床治療中發(fā)揮更大作用。

2.2其他類藥物 辛伐他汀可促進一氧化氮的產生，并且降低白細胞介素-1β、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α的表達[35]。與辛伐他汀相比，阿托伐他汀的治療效果更明顯，藥物作用時間更久，可能機制是其激活eNOS活性，降低黏附分子的釋放，增加一氧化氮的合成[36]。在氧糖剝奪/復氧模型中，瑞舒伐他汀可抑制腦微血管內皮細胞凋亡相關蛋白的釋放并激活核因子κB，從而減輕血腦屏障的破壞[37]。其他類型他汀類藥物是否也能發(fā)揮內皮細胞保護作用尚未見報道，需要后續(xù)進一步探究。攝入富含硝酸鹽的飲食或藥物可以發(fā)揮內皮細胞保護作用。研究表明，攝入硝酸鹽可以改善高血壓患者的內皮功能并降低血壓[38]。張姝等[39]認為10 μmol/L硝酸鹽具有內皮細胞保護作用，可以提高人血管內皮細胞缺氧復氧后的細胞活性。但在另一項研究中，5～10 μmol/L亞硝酸鹽抑制內皮細胞損傷的主要機制為減弱線粒體復合體Ⅰ的活性，降低活性氧的產生以及改變線粒體的氧化呼吸[40]。綜上所述，關于不同濃度硝酸鹽的治療作用及具體機制仍需進一步探究。

3 小 結

組織器官缺血常引起不可逆的損傷，血流恢復加劇其病理過程。內皮細胞受損是缺血再灌注的特征性改變，缺血再灌注誘導內皮細胞損傷的機制復雜多樣，深入研究其機制可為精準醫(yī)療提供依據(jù)。以上綜述了3類治療藥物，包括多酚類、他汀類藥物以及硝酸鹽。針對缺血再灌注誘導內皮細胞損傷治療的研究仍處在初級階段，缺少臨床研究。中草藥種類眾多，具有多種藥理學作用，在治療缺血再灌注誘導內皮細胞損傷中前景廣闊。