丙泊酚抗心肌缺血/再灌注損傷相關機制的研究進展*

黃孔申,王白云,王 蒙 綜述,鐘煥暉 審校

南華大學衡陽醫(yī)學院附屬南華醫(yī)院麻醉科,湖南衡陽 421001

急性心肌損傷發(fā)生后,早期恢復冠狀動脈血流進行再灌注是挽救缺血心肌、改善預后和降低病死率的關鍵,然而,再灌流后由于氧化應激損傷、鈣超載、線粒體通透性轉換孔的開放、炎癥反應、心肌細胞凋亡等機制,心肌損傷反而加重,這種現(xiàn)象被稱為心肌缺血/再灌注損傷(MIRI)[1]。我國的心血管疾病發(fā)病率處于持續(xù)上升階段[2],隨著人口老齡化程度加深、心臟病日趨年輕化及醫(yī)療水平的不斷提高,伴發(fā)心臟病接受心臟及非心臟手術的患者數(shù)量呈逐年增多趨勢[3]。MIRI不僅嚴重影響患者預后,還帶來了巨大的社會、經濟負擔。丙泊酚是目前臨床應用廣泛的靜脈全麻藥物之一,在心臟介入、開胸、移植等手術中均能提供良好的麻醉效果。目前,許多研究發(fā)現(xiàn)丙泊酚對MIRI有一定的保護作用,但具體作用機制仍在不斷探索中。本文針對丙泊酚抗MIRI的相關機制,尤其是近年來的研究發(fā)現(xiàn)進行總結,為后續(xù)的相關研究提供參考。

1 抗氧化應激、減少鈣超載、抑制線粒體通透性轉換、減輕炎癥反應

丙泊酚對MIRI保護作用的此部分機制在較早時間研究相對較多,且互有聯(lián)系,故一同進行簡要敘述。事實上,MIRI的機制是十分復雜的,并不是某一機制單獨造成了某些損傷,而是眾多機制相互交織、共同作用的結果;比如,氧化應激是心肌細胞損傷后鈣超載的原因之一,細胞內及線粒體內的鈣離子升高后,過高濃度鈣離子又可以導致線粒體氧化應激狀態(tài)、釋放大量活性氧(ROS)反過來加重氧化應激損傷。在信號通路調節(jié)方面,目前磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/p53(PI3K/Akt/p53)、絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)、核因子-κB(NF-κB)、核因子E2相關因子2(Nrf2)通路被發(fā)現(xiàn)是丙泊酚發(fā)揮抗MIRI作用的重要信號調節(jié)通路[4-6]。

在心肌細胞受到缺血再灌注損傷后,自由基水平驟增并攻擊細胞的膜結構,與膜結構上的磷脂、酶和膜受體相關的大分子物質發(fā)生鏈式氧化反應產生丙二醛(MDA)、異前列腺素等脂質過氧化產物,繼而使心肌細胞的結構與功能受到損傷。丙泊酚特異的化學結構使其具備抗氧化性,可以直接與自由基發(fā)生反應生成活性較低的苯氧自由基來減輕氧化應激損傷。此外,自由基從脂類中提取氫原子,生成中間體脂基,中間體脂基與氧結合形成的脂質過氧基能繼續(xù)從另一個脂質分子中提取氫原子,形成了脂質過氧化的鏈式反應,丙泊酚可以干擾脂質過氧基的攝氫過程從而中斷脂質過氧化來減輕細胞的氧化損傷。XIA等[7]利用離體大鼠心臟制作MIRI模型,以15-F2t-異前列腺素為評估心肌氧化損傷的指標,發(fā)現(xiàn)心肌缺血時15-F2t-異前列腺素水平越低,缺血后心肌功能的恢復越好,在缺血前、缺血中及再灌流早期應用丙泊酚,可顯著減少15-F2t-異前列腺素的生成,保護心肌功能。在結扎大鼠冠狀動脈左前降支模擬MIRI的模型中,丙泊酚預處理可明顯降低MDA、乳酸脫氫酶(LDH)、肌酸激酶(CK)水平并呈劑量依賴性地減小心肌梗死的面積[4]。另外,丙泊酚良好的脂溶性使它易于分布在細胞的膜結構上,也促進了其抗氧化性能的發(fā)揮。

心肌細胞缺血缺氧后由于鈉離子/鈣離子交換增加、細胞膜結構被破壞等原因,心肌細胞內的鈣離子迅速升高,導致細胞質和線粒體內鈣超載,過高的鈣離子水平不僅激活相關酶類產生有毒物質、促進炎癥反應的發(fā)生,還能誘發(fā)心律失常,對心肌造成損傷。研究證實丙泊酚能抑制L型鈣通道和T型鈣通道的鈣內流,可減輕鈣離子超載而保護心肌細胞。另外,WANG等[8]還發(fā)現(xiàn)丙泊酚能夠直接抑制通過非選擇性陽離子通道瞬時感受器電位香草醛受體亞型4(TRPV4)的鈣內流而產生心肌保護效應。

在氧化應激損傷、細胞內高鈣等因素的刺激下,心肌細胞在恢復血流灌注期間線粒體通透性發(fā)生轉變、通透性轉換孔mPTP開放,導致線粒體膜電位喪失、氧化磷酸化解偶聯(lián)、線粒體內小分子物質進入細胞質而水涌入線粒體,基質腫脹,無法維持修復細胞損傷所需要的能量,最終線粒體破裂死亡。mPTP開放的程度可以決定心肌細胞最終是恢復還是壞死或者凋亡。研究證實,丙泊酚可以減少mPTP的開放,在JAVADOV等[9]的實驗中,丙泊酚可以減少離體大鼠心臟缺血再灌注后心肌細胞線粒體通透性轉換孔的開放,但對于單獨分離的線粒體卻沒有作用,故推測丙泊酚抑制mPTP開放的作用不是直接作用于線粒體實現(xiàn)的,而是通過丙泊酚的抗氧化性、減少鈣超載等其他作用機制而間接實現(xiàn)的。

炎癥損傷也是MIRI的重要機制之一。心臟受到缺血再灌注損傷后,一方面,循環(huán)中的白細胞很容易通過受損的血管內皮細胞進入間質組織;另一方面,受損的心肌細胞釋放高遷移率族蛋白1(HMGB1)、白細胞介素(IL)-1α、熱休克蛋白、低分子透明質酸、補體因子等物質,這些物質與進入間質后的白細胞上的模式識別受體(PRRs)結合,進而激活MAPK、NF-κB等通路使大量致炎因子表達,包括炎癥細胞因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-1β、IL-6、IL-18和中性粒細胞趨化因子等,造成進一步損傷[10]。炎癥反應持續(xù)時間延長最終可能導致心肌細胞死亡、心臟收縮功能受損、心臟破裂和纖維化等嚴重后果。丙泊酚可以抑制中性粒細胞引起的炎癥反應,使大鼠血清中促炎因子TNF-α、IL-6的水平降低,抗炎因子IL-10水平升高[11]。趙松等[12]研究發(fā)現(xiàn)丙泊酚可降低MIRI大鼠心肌組織中NF-κB的表達及活化從而減輕炎癥反應,還能下調促凋亡基因Caspase-3的表達、抑制心肌細胞凋亡。在另一項研究中,大鼠在結扎冠狀動脈左前降支前以丙泊酚靜脈注射,結果顯示丙泊酚組較缺血再灌注組血清中TNF-α、IL-6和單核細胞趨化蛋白(MCP)水平更低,心肌梗死的面積更小[13]。

另外,一些研究在探索丙泊酚對MIRI保護作用的同時,也常常能發(fā)現(xiàn)促凋亡基因Caspase-3、Caspase-12的活性降低,Bcl-2等抑凋亡基因活性升高[13-14],故推測丙泊酚也有抑制心肌細胞凋亡的作用,這也從側面印證了丙泊酚發(fā)揮抗MIRI效應的各種機制之間是存在緊密聯(lián)系的。在未來研究丙泊酚發(fā)揮保護作用機制的同時,探索各機制之間的相互關系也許對于闡明丙泊酚對于MIRI的保護機制更有幫助。

2 抑制鐵死亡

鐵死亡是一種全新的細胞死亡方式,在形態(tài)學、生物化學、遺傳學上與凋亡、焦亡、自噬等有著明顯的區(qū)別,它主要由細胞內氧化還原反應失衡引起,依賴于細胞內富含可利用的鐵及細胞內脂質過氧化反應的驅動,細胞內谷胱甘肽耗竭、谷胱甘肽過氧化物酶4(GPX4)活性下降是鐵死亡發(fā)展過程中的重要因素。一些研究已經證實鐵死亡參與了MIRI的病理生理進程[15]。GAO等[16]在離體小鼠心臟缺血前10 min分別應用去鐵胺(鐵螯合劑)及化合物968(谷氨酰胺酶抑制劑),再灌注后去鐵胺組、化合物968組較對照組的左室舒張壓恢復更好、心肌梗死面積更小,再灌流期間LDH的水平也更低,提示抑制心肌細胞鐵死亡可以減輕MIRI。近期的一項研究中,LI等[5]用鐵死亡誘導劑erastin刺激H9C2細胞(大鼠心肌細胞)后,ROS、MDA、鐵水平升高,抗鐵死亡酶GPX4水平降低,丙泊酚預處理可以通過AKT/p53信號通路明顯減輕上述效應,并且在離體大鼠MIRI模型中也獲得了類似的結果。

以上實驗結果表明,丙泊酚可以通過抑制鐵死亡來減輕小鼠/大鼠MIRI。目前,以鐵死亡為靶點來實現(xiàn)器官保護是研究的熱點。鑒于細胞內氧化還原反應失衡在鐵死亡病理過程中的重要地位,丙泊酚發(fā)揮抑制鐵死亡的效應也許與其本身的抗氧化性有關。后續(xù)研究丙泊酚在心肌細胞鐵死亡中發(fā)揮作用的具體機制或許也可以為其他器官的保護提供研究思路。

3 減輕心肌細胞自噬

細胞自噬是將細胞內異常的蛋白質及破損的細胞器運輸?shù)饺苊阁w內進行消化、降解的過程,使有效成分得以循環(huán)利用,目前研究表明細胞自噬參與了MIRI病理生理進程,微管相關蛋白1輕鏈3(LC3)的加工修飾、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路的調節(jié)及Beclin1基因表達增強在其中發(fā)揮了重要作用。在MIRI中,缺血早期的自噬可以發(fā)揮保護作用,而再灌注期間過度的自噬會加重心肌損傷。NOH等[17]研究發(fā)現(xiàn),丙泊酚可以顯著減少缺血再灌注后大鼠心肌細胞中自噬空泡、LC3的生成,降低了Beclin1的表達及mTOR磷酸化水平。王平等[18]在SD大鼠心肌缺血前10 min至再灌注結束前20 min通過大鼠的股靜脈靜注丙泊酚,Western blotting檢測發(fā)現(xiàn)丙泊酚組較缺血再灌注組LCⅡ/LCⅠ的比值降低,并且LCⅡ/LCⅠ比值與心肌梗死面積存在顯著正相關。以上研究表明,丙泊酚可減少心肌細胞的過度自噬從而減輕MIRI。

4 抑制肥大細胞的活化

肥大細胞是起源于骨髓的一種多分化細胞,它們的前體會遷移到富含結締組織的器官并分化為常駐的成熟肥大細胞。肥大細胞激活后脫顆粒釋放的組胺、5-羥色胺、過氧化物酶、類胰蛋白酶、糜蛋白酶、腎素等有毒介質參與了MIRI的病理過程[19]。YU等[20]發(fā)現(xiàn)離體大鼠心臟在缺血前灌注丙泊酚可減少化合物48/80(肥大細胞促泌劑)導致的肥大細胞脫顆粒,同時,心肌損傷標志物LDH、肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌鈣蛋白I(cTnI)的水平升高、心肌梗死面積增大等負面效應也被丙泊酚部分逆轉。在最近的一項研究中,LI等[21]發(fā)現(xiàn)盡管丙泊酚對MIRI后肥大細胞的數(shù)量沒有明顯影響,但是抑制了肥大細胞的脫顆粒現(xiàn)象,使特異性產物類胰蛋白酶的表達降低,從而減輕MIRI,推測丙泊酚的上述效應是通過抑制鈣庫操控性鈣通道而實現(xiàn)的。

因此,丙泊酚可通過抑制肥大細胞的活化來發(fā)揮抗MIRI作用。另外,由于肥大細胞釋放的眾多毒性介質參與了多種疾病的病理過程,丙泊酚的抗肥大細胞激活作用也為其在麻醉鎮(zhèn)靜之外的應用提供了新的可能性。

5 影響長鏈非編碼RNA(lncRNA)和微小RNA(miRNA)的表達

lncRNA和miRNA都屬于非編碼RNA的一種,隨著研究者們對缺血再灌注損傷機制研究的深入,它們在其中扮演的角色也逐漸引起關注。研究表明,丙泊酚可影響心血管系統(tǒng)miRNA的表達,可通過上調miRNA-181a的表達減輕蒽環(huán)類藥物誘導的大鼠心肌損傷[22]。LI等[14]在研究中發(fā)現(xiàn),大鼠心臟在缺血再灌注損傷后,心肌組織中miRNA-451表達下降、HMGB1表達升高,丙泊酚預處理減輕心肌損傷的同時也上調了miRNA-451表達、下調HMGB1的表達,使用miRNA-451抑制劑可部分逆轉丙泊酚的保護作用,在miRNA-451基因敲除的大鼠中,丙泊酚的相關保護效應也被減弱。CHEN等[23]的研究也證實,丙泊酚可以通過上調HOX轉錄反義RNA(lncRNA HOTAIR)的表達,下調miRNA-17-5p的表達減輕大鼠MIRI及缺氧/復氧誘導的H9C2細胞損傷。此外,還有研究發(fā)現(xiàn)丙泊酚通過調節(jié)肺腺癌轉移相關轉錄本1(lncRNA MALAT1)和miRNA-206的表達減輕MIRI[24]。

6 小 結

丙泊酚有著起效快、蘇醒迅速、并發(fā)癥少、安全性高等特點,是目前臨床應用最廣泛的靜脈全身麻醉藥物之一,它的器官保護作用也受到研究者們的持續(xù)關注。闡明丙泊酚對于MIRI的保護作用及其機制,可以為相關手術圍術期應用丙泊酚提供確切依據(jù)的同時,也為臨床防治MIRI提供新的方向和思路。然而,對于各種相關機制的研究,最終要回歸到疾病治療本身才能使廣大患者真正受益。目前,丙泊酚對MIRI保護效應的相關探索還主要集中在體外和動物實驗,在符合倫理學要求的情況下,有必要進行人體和臨床的相關實驗,做更進一步的驗證和探索。