三氧在缺血再灌注損傷中的研究進展

張琳,曹倩倩,孫麗娜,王壽世

(1 濰坊醫學院麻醉學院,山東 濰坊 261053; 2 青島大學附屬青島市中心醫院麻醉科)

缺血再灌注(I/R)損傷是一個復雜的過程,其中氧化應激是體內抗氧化防御系統失衡的結果。大量動物實驗表明,三氧(O3)通過誘導機體產生輕度氧化應激來激活抗氧化系統和促進氧釋放,以對不同器官的I/R損傷起保護作用。O3在I/R損傷模型中的應用包括預處理和后處理。回顧近年來O3在各器官I/R損傷方面的研究進展,對其作用特點及機制予以綜述,為基礎研究和臨床應用提供參考。

1 O3及其臨床應用

O3也稱臭氧,由3個氧原子所組成,是一種動態不穩定的氣體分子,具有刺激性氣味。在20 ℃時O3的半衰期為40 min,而在0 ℃時約為140 min[1]。O3在20世紀初用于醫學,在第一次世界大戰期間首次用來消毒傷口及治療壞疽。后被應用于愈合傷口及治療肝炎、關節炎、腰椎間盤突出癥等疾病[2-5]。醫用的O3是由O3和氧氣(O2)組成的混合氣體,在過去40年中,因其方便、成本低等優點,采用O3療法治療疾病已在歐洲成為一種非傳統的治療方法。本文提到的O3均指醫用O3。

O3在臨床應用中受到限制主要是因為其毒性作用。O3的毒性劑量和治療劑量之間的界限與引起機體產生氧化應激的強度有關。嚴重的氧化應激會激活核轉錄因子-κB(NF-κB),產生前列腺素E2、環氧化酶-2和細胞因子,從而導致炎癥反應和組織損傷。但輕度氧化應激會激活核轉錄因子 E2 相關因子2 (Nrf2),Nrf2啟動下游的抗氧化酶基因的轉錄,使得抗氧化酶如過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等過表達,減輕細胞的炎癥和氧化損傷,也會降低組織氧化應激反應,如脂質過氧化、蛋白質氧化等。此外,它還影響促炎細胞因子的產生和釋放,并通過促進氧氣和血液循環激活免疫和神經內分泌系統。O3的治療潛力正是通過誘導生物體內產生輕度氧化應激起作用[6-10]。當O3的濃度范圍在10～80 mg/L之間時,可確保產生小而精確的氧化應激,從而起到無毒性的醫療作用[11-14],此濃度范圍被定義為O3的“治療窗口”。在動物模型中,常采用尾靜脈注射、直腸吹入、腹腔注射等給藥方式;在臨床中,O3療法可通過局部沖洗、肌注、灌腸、皮下和關節內給藥等途徑應用于疼痛醫學等相關治療[15-16]。

2 O3在不同器官I/R損傷性疾病中的保護作用

I/R損傷是一個復雜的過程,涉及氧化應激、炎癥、細胞內鈣超載、凋亡和細胞壞死。其中氧化應激是體內抗氧化防御系統失衡的結果[17]。O3則通過誘導輕度氧化應激以激活抗氧化系統[18-19],在不同器官的I/R損傷中起到保護作用。此外,O3也能夠在I/R損傷模型中發揮抗炎、抗凋亡的作用。O3在I/R損傷中的研究以動物實驗為主,目前相關臨床研究比較少見。這些研究涉及多個器官。

2.1 心臟I/R損傷

心血管手術、心臟移植和體外循環過程中常因I/R損傷導致心功能障礙[20]。YU等[21]用10和20 mg/L的O3氣體分別預處理30 min進行體外實驗,證明O3預處理可增強細胞活力,降低肌酸激酶、乳酸脫氫酶的釋放和心肌細胞凋亡;還可以上調熱休克蛋白70的表達。提示O3保護了I/R損傷中的心肌細胞。XU等[22]建立心肌氧葡萄糖剝奪/再灌注(OGD/R)損傷細胞模型,在再灌注期間,將細胞與不同濃度的O3氣體 (10～60 mg/L) 一起孵育。結果顯示,O3能顯著降低OGD/R條件下心肌細胞的氧化應激,其原因可能通過阻斷氧化應激使心肌細胞產生抗自噬作用。因此,自噬可能是O3治療心肌損傷的主要靶點。

2.2 腦I/R損傷

關于O3在腦I/R損傷方面的研究相對較少。近年來CAI等[23]通過把SH-SY5Y細胞與濃度為20 mg/L的O3氣體混合10 min后,分析得出O3通過調節相關抗氧化酶的活性來維持氧化還原穩態,使SH-SY5Y細胞中損傷的線粒體數目減少,胱天冬酶信號通路以及細胞凋亡受到抑制,SH-SY5Y細胞的I/R損傷得到緩解。提示O3在減輕腦I/R損傷中具有重要作用,它可能是未來腦I/R損傷病人一種有前途的新預防策略。

2.3 肺臟I/R損傷

I/R損傷在心血管手術、心臟移植以及體外循環過程中不僅是心功能障礙的主要原因,也是肺功能不全的主要原因[24]。近年來,WANG等[25]發現O3預處理通過減輕氧化應激、炎癥誘導的損傷和肺細胞凋亡,顯著改善肺形態變化,保護肺免受I/R損傷。其機制可能是通過增加Nrf2的表達增強抗氧化活性,降低NOD樣受體家族3(NLRP3)的水平而抑制細胞凋亡。BAKKAL等[26]在肺I/R損傷模型的研究中證明,O3預處理通過抑制血清中IL-1β的釋放對大鼠肺I/R損傷起到明顯的保護作用。在COVID-19肺炎爆發后,有研究者提出O3治療可能是調節病人對SARS-19-2免疫應答的潛在資源,其有助于抑制COVID-19肺炎的細胞氧化應激,并打破嚴重疾病中觀察到的細胞因子風暴的周期性[27]。因此,O3治療也可作為早期COVID-19肺炎病人的有益補充治療,以防止進展為危及生命的疾病[28]。

2.4 腎臟I/R損傷

腎I/R損傷可導致嚴重的腎損傷,如急性主動脈損傷、慢性纖維化等[29]。SANCAK等[30]發現,O3自血療法可以通過減少炎癥反應和調節活性氧(ROS)來減輕腎臟I/R損傷中的組織損傷。JIANG等[31]研究持續10 d的O3氣體(濃度為50 mg/L)后處理對大鼠腎I/R損傷后腎小管間質纖維化的作用,結果表明,O3后處理可通過抑制早期的氧化應激和炎癥,防止肌成纖維細胞活化和凋亡,減輕I/R損傷大鼠模型中的腎損傷腎間質纖維化的進展;而持續15 d的O3氣體預處理(濃度為50 mg/L)則是通過調節Toll樣受體4-核轉錄因子-κB(TLR4-NF-κB)途徑在腎I/R損傷中起保護作用,同時也降低了這些大鼠腎臟中促炎細胞因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、ICAM-1等)和巨噬細胞趨化因子的表達[32]。此外,O3療法在慢性腎病大鼠模型中可以通過降低腎臟中NLRP3和caspase-1-p10的表達,調節NLRP3流入量來減少無菌性腎水腫并延緩慢性腎病的進展[33]。

2.5 腸道I/R損傷

ONAL等[34]建立腸I/R損傷模型,O3預處理組給予濃度為60 mg/L的O3氣體5 d,通過分析組織中超氧化物歧化酶(SOD)、CAT、GSH-Px、丙二醛(MDA)和蛋白羰基的含量,以及血總氧化狀態和總抗氧化能力,發現O3可改善I/R相關組織損傷。提示O3治療可以預防腸I/R損傷。ISIK等[35]在缺血后15 min,腹腔注射O3水(O3濃度為25 mg/L,劑量為0.5 mg/kg)后也得出了O3可改善腸道I/R損傷的相似結果。但GUNAL等[36]研究結果顯示,單劑量O3治療不能減輕大鼠腸I/R損傷的氧化應激或改善缺血損傷,該研究探索了單劑量O3在腸I/R損傷急性期的作用,并沒有涉及重復劑量O3治療的長期影響。

2.6 肝臟I/R損傷

TEZCAN等[37]在肝毒性模型中每天2次給予40 mg/L 的O3氣體,14 d后可減輕肝毒性,提示O3可作為對乙酰氨基酚誘導產生的急性肝毒性的常規補充療法。DEMIRATS等[38]建立肝臟I/R損傷模型,于再灌注前腹腔注射O3水(濃度25 mg/L,劑量0.5 mg/kg),結果顯示,肺和腎組織中MDA水平升高,CAT和SOD水平降低。提示O3治療可減輕肝缺血引起的肺和腎損傷。

2.7 生殖器官I/R損傷

當生殖器官如卵巢、睪丸發生扭轉時,可能會發生動脈、靜脈或淋巴管等阻塞,阻斷血流可導致缺血低氧。SAYAR等[39]建立卵巢I/R損傷模型,在卵巢扭轉75 min后給予濃度25 mg/L的O3水治療,通過分析谷胱甘肽還原酶、CAT、SOD和MDA等表達水平及組織病理學參數評估組織損傷,結果表明,O3治療對卵巢I/R損傷有一定效果。在向急性I/R損傷模型大鼠的盆腔內連續注入O3(濃度分別為45和60 mg/L)7 d后,結果顯示,TNF-α和IL-6含量明顯下降,IL-2含量明顯升高,免疫球蛋白含量和免疫功能明顯改善,大鼠子宮內膜損傷明顯減輕。提示O3可能有助于盆腔炎的治療,其機制可能是通過抑制子宮內膜上皮細胞壞死和減輕炎癥反應,這或許是一種有前途的研制治療炎癥疾病藥物的新途徑[40]。

睪丸扭轉-去扭轉引起睪丸I/R損傷可導致組織MDA增加,血漿中總巰基和谷胱甘肽水平降低。而在去扭轉前15 min通過腹腔注射O3氣體(濃度為50 mg/L)治療的大鼠中血漿總巰基和谷胱甘肽水平提高,MDA水平降低,提示O3可保護睪丸免受I/R損傷[41]。METE等[42]比較了腹腔內和睪丸內O3治療對大鼠睪丸I/R損傷的影響,發現局部O3治療在改善睪丸扭轉引起的I/R損傷方面比全身O3治療更有效。

2.8 其他器官I/R損傷

耳蝸I/R損傷是人類突發性感音神經性聽力損失的重要原因之一[43]。ONAL等[44]通過在I/R損傷前的7 d開始經腹腔注射O3氣體(濃度為60 mg/L,劑量為1 mg/kg),來探討O3對耳蝸I/R損傷的療效,結果顯示,O3預處理可通過激活GSH-Px、SOD和CAT及抑制MDA和ROS而發揮其對耳蝸I/R損傷的作用。

肌皮瓣轉移是重建手術中常用的一種方法,但術后皮瓣I/R損傷的發生率是影響手術結果的重要因素,是皮瓣轉移后存活的重要因素。ELSURER等[45]在胸肌皮瓣術后7 d內給予濃度為60 mg/L的O3氣體,結果發現O3減輕了I/R引起的肌瓣損傷。這可能與O3減少I/R損傷后的中性粒細胞浸潤、纖維化組織形成、肌皮瓣血管生成和自由基產生等密切相關。

3 小結和展望

醫用O3在I/R損傷疾病中的保護效應已在多個器官的基礎研究中得到證實。其抗氧化、抗凋亡、抗炎癥的作用也被陸續證實報道,但其具體的分子機制還需深入研究,而且在不同時間段 (包括缺血和/或再灌注期) 使用不同劑量的問題也需進一步評估,以達到用于臨床目的。隨著深入的研究,醫用O3在防治器官I/R損傷方面或許將擁有十分廣闊的臨床應用前景。