氧自由基与心肌缺血再灌注损伤

　　作者：郭健,刘义,李延平　　作者单位：524001湛江，广东医学院附属医院心血管内科(郭健、梁伟钧);广东天然药物研究与开发重点实验室(刘义、李延平)

　　【关键词】 氧自由基,心肌缺血,再灌注,损伤

　　缺血性心脏病是导致人类死亡的主要原因，在治疗上，早期成功恢复心肌再灌注是改善临床转归的最有效方法。但缺血心肌恢复血流的过程可造成损伤，这一现象称为心肌缺血/再灌注损伤(myocardial ischemia/reperfusion injury,MI/RI)[12]。而氧自由基(oxygen free radical,OFR)也是心血管疾病时诱导心肌细胞死亡的重要因素之一[3]。在正常生理条件下，细胞内存在抗氧化物质可以及时清除OFR，使自由基的生成与降解处于动态平衡，对机体无害，而在心肌缺血再灌注损伤情况下，由于OFR生成过多或机体抗氧化能力不足，引发氧化应激反应，介导心肌损伤[45]。本研究重点阐述OFR与心肌缺血再灌注损伤之间的关系。

　　1 OFR合成、清除及生物学作用

　　自由基(free radical)是指具有一个不配对电子的原子和原子团的总称。由氧诱发的自由基称为OFR，主要包括超氧阴离子(O-2)、过氧化氢(H2O2)和羟自由基(OH)[6]。H2O2本身并非自由基而是一种活性氧(reactive oxygen species,ROS)，但它与OFR的产生有密切关系，易接收一个电子生成羟自由基(OH)。正常情况下OH不能形成，因为OH的形成要求O-2及H2O2同时存在。当O-2及H2O2在组织中过剩, O-2及H2O2在金属离子及金属离子复合物的催化下发生HaberWeiss反应，生成氧化性更强的OH。OH是十分不稳定的氧化物，几乎与细胞内所有的有机物反应，破坏核酸、蛋白质、氨基酸和脂类化合物，从而损害细胞功能[7]。在生理情况下，氧通常是通过细胞色素氧化酶系统接收4个电子还原生成H2O，同时释放能量，但也有1%～2%的氧接收1个电子生成O-2，或再接收1个电子生成H2O2。O-2寿命极短，可通过连锁反应产生OH，H2O2能直接或间接促进细胞膜脂质过氧化。

　　自由基反应的扩展较广，但生物体内存在一套完整的抗氧化酶和抗氧化剂系统，可以及时清除它们，所以对机体无害。抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPX)和过氧化氢酶(CAT)。它们存在于胞浆和线粒体中，其重要意义在于降低H2O2浓度，保护细胞不受强毒性OFR OH的损伤。抗氧化剂包括存在于细胞质的维生素E和维生素A;细胞外液中的半胱氨酸、抗坏血酸、谷胱甘肽;存在胞浆中的还原型谷胱甘肽(GSH)和还原型病理辅酶Ⅱ(NADPH)等。在OFR清除系统功能降低或丧失,生成系统活性增强，一旦恢复组织血液供应和氧供,OFR便大量产生与急剧堆积，从而造成心肌细胞急性或慢性损伤[8]。特异靶向抑制NADPH氧化酶可以减弱心血管氧化应激[9]。

　　2 OFR在心肌缺血再灌注损伤中的作用及地位

　　目前关于心肌缺血再灌注损伤的发病机制有许多假设和报道，主要与心肌再灌注时与OFR损伤、细胞内Ca2+超载、心肌细胞能量代谢障碍[10]、微血管损伤和粒细胞浸润以及心肌细胞的凋亡等作用有关。MI/RI时OFR合成增多主要与线粒体单电子还原、黄嘌呤氧化酶形成增多、儿茶酚胺自氧化增强、细胞内钙超载以及中性粒细胞呼吸暴发等有关[11] 。由于OFR产生过多以及抗氧化酶类活性下降，引发链式脂质过氧化反应，损伤细胞膜、细胞器乃至细胞核酸，导致细胞坏死凋亡。应用外源性OFR清除剂及抗氧化剂则能降低组织中OFR浓度，促进心功能恢复，表明OFR在心肌缺血再灌注损伤中起着重要作用。

　　3 OFR与脂质生物膜

　　心肌缺血再灌注损伤时，通过黄嘌呤氧化酶系统、激活的中性粒细胞、线粒体呼吸链功能异常产生大量OFR。膜流动性降低，通透性增加, 膜上蛋白质或酶损伤、失活以及脂质过氧化作用的有毒产物对细胞与亚细胞膜，细胞器产生毒性效应等[12]，表明由OFR介导的脂质过氧化物的过度激活是造成缺血再灌注损伤的关键因素。

　　3.1 生物膜脂质过氧化降低脂膜流动性

　　膜流动性是生物膜结构的基本特征，细胞膜的各种重要功能如能量转换、信息传递、细胞识别都与膜的流动性密切相关，膜流动性是细胞维持正常生理功能的必要条件 [13]。由于生物体内不饱和脂肪酸主要存在于细胞膜的类脂中，所以质膜和亚细胞器是脂质过氧化损伤的主要部位。亚细胞器的磷质比质膜所含的多价不饱和脂肪酸多，因此亚细胞器对过氧化更敏感，其中线粒体膜中的心肌磷脂的氧化可能是导致心肌能量代谢障碍重要的原因[14]，随着脂质过氧化含量增多细胞膜多价不饱和脂肪酸明显减少，生物膜PUFA/蛋白质比例失常，从而导致膜流动性发生改变。

　　3.2 脂质生物膜过氧化改变膜酶、离子通道的脂质微环境

　　脂质微环境的改变使膜通透性增高，引起细胞内离子失调(Na+、Ca2+等失调)，细胞外钙内流。钙内流和钙分隔机制的失调导致了缺血再灌注心肌细胞内钙超载，而钙也会加速OFR形成，导致脂质膜损伤，加剧恶性循环[15]。Ling等[16]研究证明，OFR与不饱和脂肪酸反应形成的丙二醛能使膜蛋白和磷脂之间形成胶联聚合，直接破坏膜的磷脂双层，导致蛋白质不可逆性失活，进一步使膜的基本特征如变构、离子传递、酶活性等发生改变，干扰细胞正常过程，使细胞膜损伤加重，这可能是细胞由可逆损伤变为不可逆损伤的基础。

　　3.3 生物膜脂质过氧化使呼吸链活性受损

　　线粒体富含心磷脂，它具有高度不饱和性，对氧化应激敏感性高。线粒体呼吸链通过“渗漏机制”产生OFR[17]，当OFR浓度过高时，可能导致线粒体细胞色素C氧化、ATP合成酶的活性降低。同时OFR可能激活磷脂酶A2降解膜脂质，使线粒体结构受损。受损的线粒体膜引起线粒体膜通透性的改变，使线粒体质子浓度梯度下降，致凋亡因子释放介导心肌细胞凋亡。

　　4 OFR与心肌细胞凋亡

　　有研究表明，MI/RI的发生与细胞凋亡密切相关。正常情况下，在生物体内，氧化与抗氧化处于平衡状态，细胞代谢需要OFR，如低浓度的OFR能促进细胞增生。但当某些因素一旦打破这种平衡，使OFR产生增多，即可导致细胞凋亡[18]，甚至细胞损伤致死。细胞凋亡与OFR有着复杂的关系，细胞培养实验证实，10-9mol/L水平的OFR促进细胞增殖，10-6mol/L水平的OFR引起细胞凋亡，10-3 mol/L水平的OFR引起细胞的损伤死亡[19]。

　　近年来随着分子心血管病学研究的不断发展，心肌细胞凋亡在心肌缺血再灌注损伤的病理生理过程中发挥着重要作用[20]。多项研究显示，OFR是启动凋亡的重要因子之一，采用抗氧化剂和自由基清除剂可有效抑制细胞凋亡的发生。OFR诱发凋亡的机制尚未完全阐明，其可能机制为：(1)直接损伤DNA诱导凋亡。有研究表明，心肌再灌注损伤中NO与活性氧中间物(reactive oxygen intermediate，ROI)生成ONOO-氧化损害蛋白质、脂类和核酸，通过半胱天冬酶途径诱导心肌细胞凋亡[21]。(2)诱发脂质过氧化来影响细胞信号转导系统，激发相关调控基因导致凋亡，其中线粒体起着重要的作用。大量的活性氧选择性地使离子通透性丧失或使线粒体膜通透性发生改变，线粒体膜势能改变进而引起线粒体释放细胞凋亡起始因子或细胞凋亡蛋白酶激活因子1，进一步激活天冬氨酸特异性的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶，从而诱导凋亡的发生[22]。(3)激活转录因子激活蛋白1(activating protein,AP1)和细胞核因子κB(NFκB)，后者可通过上调肿瘤坏死因子α和白介素6而诱导心肌细胞凋亡的发生[20]。细胞凋亡时线粒体结构和功能发生亚结构水平上的重构，并将凋亡基因调节蛋白释放人细胞质中，这些蛋白包括细胞色素C等，能进一步诱导细胞凋亡的发生[23]。

　　5 OFR与钙超载

　　1972年Shen和Jennings等[24]发现犬心脏冠状动脉短暂闭塞后复灌可加速细胞内Ca2+的积聚，并首次提出钙超载学说。大量实验研究表明，在心肌缺血再灌注过程中，OFR的过量产生和细胞内钙超载是同一病理过程中的两种不同现象，且互为因果关系。首先，细胞内Ca2+的增多可能是细胞黏附蛋白介导中性粒细胞(PMN)释放的磷脂酶及OFR对细胞膜结构及肌浆网Ca2+泵功能破坏的结果，因而认为Ca2+负荷过重是OFR及PMN作用机制的一部分[25]。高浓度的细胞内Ca2+很容易激活磷脂酶A和钙敏感性蛋白酶磷脂酶A，及蛋白激酶C的活化可导致花生四烯酸形成，花生四烯酸不仅通过其清洁剂样性能干扰细胞膜，它还是环氧化酶的重要底物。花生四烯酸的活化可导致前列腺素和血栓素A 的形成，前者是OFR产生的底物。磷脂酶C催化磷酸肌醇水解能产生三磷酸肌醇(IP)和二酰基甘油(DG)，前者可动员细胞内Ca2+，后者能激活蛋白激酶C，间接地通过Ca2+和Na+/H+交换加剧Ca2+超载[26]。其次，钙超载又可激活钙离子依赖性蛋白酶，后者可催化黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，而黄嘌呤氧化酶在有氧条件下能促进黄嘌呤分解为尿酸的同时产生大量的OFR。在再灌注时大量氧进入的情况下，黄嘌呤氧化酶作用于次黄嘌呤，产生大量超氧阴离子自由基O-2，后者在Fe3+的催化下与H2O生成过氧化氢，后经HaberWeiss反应而生成毒性更强的OH，从而产生更多OFR，能直接作用于肌浆网上的Ca2+泵和Na+/Ca2+交换体，造成两者功能下降，促进Ca2+超载[27] 。此外OFR也可通过线粒体损伤导致钙超载。OFR作用于线粒体膜，造成Ca2+顺浓度梯度进入线粒体，通过与线粒体内含磷酸根的化合物结合生成大量不溶性的磷酸钙沉积于线粒体内膜，使得氧化磷酸化障碍，能量生成减少而自由基生成增多。ATP合成障碍，使得心肌膜上ATP依赖的Na+泵和Ca2+泵活性下降，使细胞内Na+升高，Na+ Ca2+交换增强，使胞内Ca2+增多，肌浆中更多的Ca2+不能泵出而加剧钙超载[28]。OFR和Ca2+超载，两者相互联系，协同作用，形成恶性循环，最终导致心肌细胞不可逆损伤，两者之间的关系有待进一步研究。

　　6 OFR与线粒体

　　一般认为心肌缺血再灌注时ROS的产生主要有两个主要源泉：即黄嘌呤氧化酶和线粒体呼吸链。但黄嘌呤脱氢酶的活性在缺血或再灌注时是非常不稳定的，而且也不总是与再灌注损伤联系在一起，因此，ROS产生的第二个源泉，线粒体呼吸链可能更为重要的。应用电子传递链复合物抑制剂，可损害线粒体的电子传递链酶的活化，进而引起大量的OFR生成[29]。线粒体的呼吸链是以电子传递的方式进行能量代谢，以电子漏的方式进行超OFR代谢，线粒体中OFR的水平是呼吸链底物饱和氧端电子漏动态平衡的结果。在病理条件下(如心肌缺血和缺血再灌注、细胞氧化胁迫等)，线粒体呼吸链是产生OFR的主要源泉，OFR是线粒体调节电子传递的副产品。

　　线粒体是OFR产生的源泉，也是OFR的作用靶点。过量的OFR可造成细胞的损伤和细胞凋亡[30]。OFR对线粒体呼吸链组分尤其是复合物Ⅰ和复合物Ⅲ、ATPase、腺嘌呤核苷酸载体有直接的影响。研究结果显示，线粒体呼吸链的复合物Ⅰ和Ⅲ是OFR产生的主要部位，线粒体心肌磷脂含量减少使得线粒体复合物Ⅰ，复合物Ⅲ功能降低，是导致OFR大量产生的原因，使用外源心肌磷脂恢复到正常含量时可恢复线粒体复合物Ⅰ，复合物Ⅲ功能而减少OFR生成作用[12]。而Tompkins等[31]研究利用巯基探针及蛋白质组学工具检测到线粒体复合物Ⅰ巯基亚单位改变的同时伴有OFR的产生而与复合物Ⅲ无关。氧应激损伤可致线粒体脂质过氧化，呼吸链细胞色素明显丢失，复合物Ⅳ 活性降低。生物膜上含有多种脂质，脂质中又含有各种不饱和脂肪酸，脂肪酸可与自由基发生过氧化作用，使膜流动性降低、膜蛋白变性、膜脆性增加，膜结构发生改变[32]，使膜的运输功能紊乱以致丧失。心肌缺血再灌注时，当OFR分子增多时，线粒体的膜系统可受到损害，从而影响跨越线粒体膜的质子梯度，使线粒体合成ATP的功能发生障碍，同时，线粒体的功能障碍又可导致自由基产生增多，过多的OFR不能被及时清除，又可引起生物膜结构蛋白质和脂质过氧化，损害线粒体膜的通透性，引起电子传递链活性的进一步下降，进而形成恶性循环，使OFR生成进一步增加，最终造成细胞及组织的凋亡和坏死[33]。

　　7 OFR与心肌缺血预适应

　　心肌缺血预适应(ischemic preconditioning)是一种内源性的保护机制，OFR可能参与预适应延迟相的触发机制，给予抗氧化剂可消除OFR对24～48 h后心肌顿抑的保护作用。有研究证实血管紧张素Ⅱ预处理作用是通过活性氧的产生及信号调节等作用在再灌注损伤时调节机体氧化还原状态而发挥预适应作用[34]。预适应机制也可通过减轻再灌注过程中的氧化应激对心肌细胞起保护作用[35]。Gozal等[36]通过实验证实心肌的缺血预处理可明显减少缺血后OFR的产生。

　　综上所述，OFR是造成心肌缺血再灌注损伤的直接原因之一。由于OFR在缺血再灌注损伤中的作用非常复杂，除发挥自身作用外，还参与、介导多种物质在心肌缺血再灌注损伤中的作用。近年来研究结果表明OFR在缺血再灌注损伤中不仅有损伤作用,而且也有有益的作用, 如信号预处理保护机制以及诱导应急反应等。目前再灌注损伤中不同细胞来源的OFR产生机制仍未完全阐明，此外OFR及细胞氧化还原状态亦参与调控能量代谢、应急反应、凋亡、炎性反应等复杂过程。这也许就是为什么某些单一抗氧化药物对临床病例无效的原因。因此，今后的抗氧化作用的研究应更精确、更深入的研究OFR在再灌注损伤各个关键时段及靶点的作用, 确定靶点, 在适宜时间内进行临床干预而不影响其他正常生理功能，这是研究OFR对心肌缺血再灌注损伤作用的发展方向。

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