心肌缺血再灌注损伤的发病机制.

心肌缺血再灌注损伤的发病机制摘要21世纪是PCI的时代，PCI的发展与推广降低了ST段(STEMI)及非ST抬高(NSTEMI)性心肌梗死患者死亡率[1,2]、缩小了梗死的面积[3]、改善了左室的收缩功能[1,4]，但是这种不断进步发展的PCI技术却不能显现出该技术当初刚用于临床时的降低心肌梗死患者的死亡率。

因为研究人员们发现，某些患者就算开通了梗死的冠状动脉相关血管支配的心肌梗死面积却没有如人所愿的大大降低，心肌梗死的面积在开通冠脉后仍然在进展。

因为研究人员发现缺血期的心肌在各种因素的作用下已经发生了损伤，心肌的再灌注有可能加重了缺血期心肌的损伤程度，对细胞或者细胞器造成了新的损伤，我们称之为再灌注损伤(reperfusion injury)。

本文主要此种损伤的可能发生机制进行综述。

关键词心肌再灌注损伤心肌缺血心肌梗死炎症自由基线粒体渗透性转换孔一、心肌再灌注损伤病理生理心肌再灌注损伤（myocardial reperfusion injury）指的是缺血的心肌组织恢复血运后可能对心肌造成的进一步损伤[2,3]。

但是缺血再灌注引起的心肌损伤的确切病理生理机制仍没有研究清楚。

其中一个很重要的因素就是目前所建立使用的心肌缺血-再灌注模型本身就是一个问题，因为我们知道心肌的缺血分很多种，其中最常见也是最凶险的一类便是ST段抬高型心肌梗死，现流行的线栓建模法被广泛应用，但心肌梗死的过程却没有线栓法阻断冠脉引起的心肌组织坏死及再灌注损伤如此简单，根据欧美国家的指南[4,5]，将心肌梗死分为五型，从这五种分型可以发现简单的结扎、再通冠脉造成的心肌梗死模型也不过是其中分型的一型，其它四型或者更多的类型心肌在缺血及再灌注时发生的确切变化仍然没有研究清楚的，因为我们至今没有发现哪一种干预措施可以非常有效的缩小心肌梗死后心肌坏死的进展。

但是自50多年前，Jennings等[6]第一次从犬的缺血后再灌注的心脏组织中发现心肌纤维的收缩、肌膜破裂及线粒体内出现钙磷酸盐颗粒等现象到现代的冠脉介入、溶栓等再灌注手段不断地发展，研究人员发现了不少新的和再灌注损伤有关的证据和资料，而且结果显示缺血损伤并非单纯的是因为细胞缺乏营养而饿死那么简单。

本文主要介绍目前研究心肌再灌注损伤的病理变化。

(1)炎症因素炎症在心肌再灌注损伤中是公认的而且是资料最多的一个发病因素。

心肌再灌注时白细胞浸润并导致存活的心肌细胞损伤并且死亡是有充分的证据的，因为心肌梗死组织可以发现大量的白细胞。

国外相关的大鼠实验证明白细胞在再灌注开始后的数小时就已经开始浸润梗死的心肌组织[7]，并且在5小时后大量聚集[8]。

有一个问题就是，白细胞与心肌梗死的因果关系问题，究竟是白细胞本能的归巢到坏死组织、清除掉死亡的细胞，还是白细胞的归巢一定程度上也清除破坏了再灌注的正常的心肌细胞，这两者的关系有待进一步的探究。

25年前，Engler等人提出，白细胞可以通过机械性阻塞微循环导致无复流的产生[9]。

因此，到底是白细胞本能的归巢导致的心肌组织死亡，还是死亡的心肌组织引发了白细胞的趋化作用呢？现代的文献仍然不能明确阐明这个问题。

而且各种各样的抗炎症药物应用于临床，但迄今为止没有一种药物能很有效的缩小心肌缺血再灌注后心肌组织的坏死面积或者临床前研究与临床研究之间不一致[10]。

这种不一致性原因除心肌再灌注模型比临床情况简单外，还可能与以下几种因素有关：1.抗炎药物与患者平时使用的药物产生作用干扰了抗炎作用(阿司匹林、GPIIb/IIIa受体阻断剂、肝素及其衍生物);2.临床上大多数心肌缺血的病人年纪都比较大，而实验用大鼠普遍年纪较小;3.药物的延迟或不合理使用错失了再灌注早期数分钟出现的时间窗;4.动物实验和临床情况下给药的时机差，再加上临床上患者出现血栓栓塞及不部分溶解的动态阻塞的存在。

(2)细胞过度肿胀导致心肌细胞的死亡20世纪60年代Robert Jennigs使用电镜观察缺血的心肌细胞，他和相关研究人员观察发现了缺血的心肌细胞发生了肿胀[11],提出肿胀是由于这些细胞的容量调节失调引起的[12]。

哺乳动物的细胞是由对水有高度通透性的细胞膜构成的，细胞的容积平衡必须依靠跨膜的渗透压维持。

并且细胞内充满了各种不能随意透过细胞膜、能产生渗透压的物质，如蛋白质、细胞器、核酸、各种电解质等物质。

我们读高中生物时就已经知道了，如果将一个细胞放入到清水中的话，该细胞就会发生肿胀，如环境不变的话最后细胞就会发生破裂。

而人体的细胞就是浸泡在细胞外液的水环境中，为什么它们不会发生破裂？奇妙的人类进化为我们巧妙的解决了这个问题，也就是通过对细胞内不能随意通过的电解质进行控制，其中钠离子是关键，细胞膜上存在着无数钠泵(钠-钾ATP酶),此结构通过消耗能量逆浓度梯度降细胞内的钠离子排出/转入入细胞内,保持一个适宜细胞生存的渗透压。

跨膜钠离子浓度梯度不仅仅是产生动作电位所需要的，甚至不产生动作电位的细胞也需要排出钠离子来维持渗透压的平衡。

因此，细胞上的钠泵就像是一个不停运作的发动机，不断地运作以维持细胞的正常形态，假如发动机停止了运作，机器将无法正常运行。

当心肌细胞缺血时亦是如此，心肌缺血时，心肌细胞的需求增加，氧供的不足引起了钠泵能量供应的不足而运作效率下降甚至瘫痪，我们知道钠离子是不能随意通过细胞膜的，这样子大量的钠离子就滞留在细胞内，越来越多的细胞外液就随之进入细胞内，如果这种情况持续下去，细胞将发生上述情况，不可避免的发生细胞破裂，并释放出可溶性裂解酶、核酸以及辅助因子，这种情况可以成为坏死(necrosis)。

这种坏死的观察我们可以通过剖取心肌组织，辅以四氮唑染色(tetrazolium staining)区分存活组织及坏死组织,因为无色的四氮唑能与脱氢酶及辅因子反应而变色[13,14]，如果坏死的心肌组织两者皆消失，那么坏死组织将不被染色，就可以确认是死亡心肌组织。

除了钠泵瘫痪因素外，其它的缺血因素也可以引起细胞的过度肿胀坏死。

如，ATP的分解最终代谢产物为一分子的一磷酸腺苷(AMP)与两分子的无机磷酸盐,这些分子亦不能随意透过细胞膜，他们产生的渗透压是ATP本身的三倍。

Kloner提出了缺血-再灌注损伤学说的权威学者之一[15]。

他们观察到,在缺血再灌注是细胞发生了明显的肿胀，并描述这种现象为在灌注时的“爆炸式肿胀(explosive swelling)”。

缺血时，钠离子从组织间隙进入细胞内，由于组织间隙的液体不足以引起心肌细胞的过度肿胀及破裂，但是再灌注时，大量的血液不断的供应细胞，此时液体快速进入细胞内，引起细胞的迅速肿胀。

并且，再灌注开始的数分钟内，大量的钠离子通过膜交换进入细胞内[16]。

这种液体的过快转移亦可以看做是一种再灌注的损伤。

有研究用高渗灌注液进行再灌注以阻止细胞的过度肿胀，结果确实可以减少心肌细胞的坏死[17]。

(3)自由基自临床研究学者发现心肌再灌注损伤以来，自由基就是一个不能绕开的物质。

什么是自由基？首先我们要知道活性氧(ROS),20世纪70年代研究人员在缺血再灌注的心脏组织中发现了许多各种来源的活性氧(ROS),包括损伤的线粒体[18]、黄嘌呤氧化酶的活化[19]、白细胞[20]。

而大多数活性氧属于化学分类中的“自由基”,指外层轨道上具有未配对电子的原子,原子团或离子的总称,分子外层为配对的电子使它们变得十分活跃,能与多种生物分子反应而改变这些大分子的理化性质。

包括了超氧化物(SOD)、羟自由基(·OH)和过氧亚硝酸盐。

如上所述机体内产生的活性氧(ROS)的途径很多，但最终都会对心肌细胞及血管组织产生一定的伤害。

它对细胞和组织的伤害包括：对DNA的损伤;脂质过氧化导致细胞膜的损伤及钙的超载;肌浆网的损伤,导致钙稳态的丧失及收缩功能障碍;酶及离子通道蛋白的变性;血管内皮粘附因子激活,由此刺激中性粒细胞粘附分子增加[21]。

ROS降低了一氧化氮的生物活性,进而以有限的扩散速度形成强效的过氧亚硝酸盐。

一氧化氮的生物活性降低对心脏组织造成了很大的影响，包括一氧化氮的线粒体信号功能遭到破坏,冠脉血管内皮细胞释放的内源性一氧化氮强大的抗炎作用被削弱，造成了炎症和血凝的作用加强[22,23]。

(4)线粒体渗透性转换孔线粒体是人体能量的工厂，它能通过氧化磷酸化产生大量ATP为人体提供必须要的能量，其密度在心肌细胞尤甚，这是心肌缺血再灌注损伤难以绕开的一个重要靶细胞器。

Juhasova及其研究人员首次在预处理的离体心肌细胞线粒体中发现了线粒体渗透性转换孔(mitochondrial permeability transitionpore,mPTP)[24]。

直到20世纪90年代，Griffiths和Halestrap[25]在缺血的心肌再灌注时发现了大量的该转换孔的开放。

从那以后，线粒体渗透性转换孔便引起了大量的实验与研究。

那么线粒体渗透性转换孔(mPTP)究竟是什么？线粒体膜通透性转换孔(mPTP)为定植于线粒体内膜间的电压门控及钙依赖性的非选择性多蛋白孔道[26],水及1.5kDa质量的溶质可以通过[27]。

大多数研究认为该孔由电压依赖的阴离子通道(VDAC)、腺苷酸转运蛋白(ANT)和环孢素D组成的混合体。

mPTP的开放及关闭收到体内物质变化的调控，正常情况下mPTP是处于关闭状态的,在线粒体膜去极化及PH正常情况下出现大量的氧自由基、钙离子、无机磷酸盐时大量开放[28]。

mPTP的大量开放增加了膜对各种物质的通透性，进一步加剧了线粒体基质的肿胀，破坏了线粒体的正常功能，导致ATP的耗竭，使电子传递失偶联最终使ATP生成障碍。

上述的线粒体功能障碍都发生在再灌注早期的数分钟内，与mPTP的关闭与开放时间是一致的。

多项的在体及体外的研究表明[29]在再灌注时使用mPTP阻断剂(环孢素A、NIM811、sanglifehrin A、或吸入麻醉剂[30])能够减轻致命性再灌注损伤的心脏保护作用。

研究还发现几种保护心脏的机械性处理方法包括缺血预处理[31]及后处理[32]亦能够阻断mPTP的开放。

参考文献：[1]Anderson JL,Marshall HW,Bray BE,et al.A randomized trial of intracoronarystreptokinase in the treatment of acute myocardial infarction.N Engl J Med. 1983;308(22):1312-8.[2]Markis JE,Malagold M,Parker JA,et al.Myocardial salvage after intracoro-nary thrombolysis with streptokinase in acute myocadial infarction.N EnglJ Med.1981;305(14):777-82.[3]Kennedy JW,Ritchie JL,Davis KB,et al.The western Washington randomizedtrial of intracoronary streptokinase in acute myocadial infarction.N Engl J Med.1985;312(17):1073-8.[4]Patel B,Kloner RA.Analysis of reported randomized trial of streptokinase therapy for acute myocardial-infarction in the1980s.Am J Cardio.1987;59(6):501-5.[6]郭姣,李楚源,雷燕,贝伟剑,荣向路,苏政权,王德勤,唐富天,唐春萍,何伟.调肝启枢化浊法防治糖脂代谢紊乱性疾病基础与应用研究[J].中国科技成果,2015(1).[7]Prasan AM,McCarron HC,Zhang Y,Jeremy RW.Myocardial release of nitric oxide during ischemia and reperfusion:effects of L-arginine and hypercholeste-rolaemia[J].Heart, lung&circulation,2007,16(4):274-281.[8]Han HG,Wang ZW,Zhang NB,Zhu HY.Role of nitric oxide during early phase myocardial[J].中华医学杂志(英文版),2008,121(13):1214-1214.[9]Jaffe AS.Third universal definition of myocardalinfarction[J].CLin Biochem,2013,46(1-2):1-4.[10]White HD,Thygesen K,ALpert JS,et al.ESC guidelines for the management of acute myocardial infarction[J].Heart,2014,100(;)：424-432.[11]Fedak PW,Rao V,Verma S,Ramzy D,Tumiati L,Miriuka S,BoylenP,Weisel RD,bined endothelial and myocardial protection by endothelin antagonism enhances transplant allograft preservation[J].The Journal of thoracic and cardiovascular surgery,2005,129(2):407-415.[12]Go LO,Murry CE,Richard VJ,Weischedel GR,Jennings RB,ReimerKA.Myocardial neutrophil accumulation during repercussion afterreversible or inreversible ischemic injury.Am JPhysiol.1988;255(5):H1188-98.[13]Mullane KM,Read N,Salmon JA,Moncada S.Role of leukocytes in acutemyocardial infarction in anesthetized dogs.relationship to myocardialsalvage by anti-inflammatory drugs.J Pharmacol EXPTher.1984;228(2):510-22[14]Pei-Yu LIU,Yi TIAN,Shi-Yuan XU.miR-214mediates the protective effect of electroacupuncture pretreatment on myocardial ischemia/reperfusion injury[J].Journal of Geriatric Cardiology,2014,11(4):303-310.[15]Lizelle Hanekom,Goo-Yeong Cho,Rodel Leano,Leanne Jeffriess,ThomasH parison of two-dimensional speckle and tissue Dopp；er strain measurement during dobutamine stress echocardiography:an angiographic correlation[J].European Heart Journal,2007,28(14):1765-1772.[16]Morgan,Thomas M.;Krumholz,Harlan M.;Lifton,Richard P.;Spertus, John A.Nonvalidation of Reported Genetic Risk Factors for Acute Coronary Syndrome in a Large-Scale Replication Study.[J].The Journal of the American Medical Association,2007,297(14):1551-1561.[17]Kloner RA,Ganote CE,Whalen Jr DA,Jennings RB.Effect ofa transient period of ischemia on myocardialcells.II.Fine structure during the first few mintues of reflow.Am J Pathol.1974;74(3):399-422.[18]Piercarlo Minoretti,Colomba Falcone,Margherita Calcagnino,Enzo Emanuele,Maria P Buzzi,Enrico Coen,Diego Geroldi.Prognostic significance of plasma osteopontin levels in patients with chronic stable angina[J].European Heart Journal,2006,27(7):802-807[19]Modi P,Suleiman MS,Reeves B,Pawade A,Parry AJ,Angelini GD,Caputo M.Myocardial metabolic changes during pediatric cardiac surgery:a randomized study of3cardioplegic techniques[J].The Journal of thoracic and cardiovascular surgery,2004,128(1):67-75.[20]Kloner RA,Ganote CE,Whalen Jr DA,Jennings RB.Effect ofa transient period of ischemia on myocardial cells.II.Fine structure during the first fewmintues of reflow.Am J Pathol.1974;74(3):399-422.[16]Braunwald E,Kloner RA.The stunned myocardium:prolonged,postischemic ventricular dysfunction.Circulation.1982;66(6):1146-9.[21]Muhammedullah Aryan,Alper Kepez,Enver Atalar,Tuncay Hazirolan,İbrahim Haznedaroglu,Deniz Akata,Necla Ozer,Serdar Aksoyek,Kanan Ovunc and Ferhan Ozmen.Association of plasma osteopontin levels with coronary calcification evaluated by tomographic coronary calciumscoring[J].Journal of Bone and Mineral Metabolism,2009,27(5):591-597.[22]Turrens JF,Beconi M,Barilla J,Chaves UB,McCordJM.Mitochondrialgeneration of oxyen radicals during reoxygenation of ischemic tissues.FreeRadic Res Commun.1991;12-13(Pt2):681-9.[23]McCord JM,Roy RS,Schaffer SW.Free radicals and myocardial ischemia:the role of xanthine oxidase.Adv Myocardial.1985;5:183-9.[24]Tousoulis D,Siasos G,Maniatis K,Oikonomou E,Vlasis K,Papavassiliou AG,Stefanadis C.Novel biomarkers assessing the calcium deposition in coronary artery disease[J].Current medicinal chemistry,2012,19(6):901-920.[25]Serrano Jr CV,Mikhail EA,Wang P,et al.superoxide and hydrogen peroxide induce CD18-mediated adhesion in the postischemic heart.Biochim Biophvs Acta.1996;1316(3):191-202. [26,27]Braunwald E.Reducing myocardial injury by minimizing imbalance between oxygen supply and demand[J].Anesthesiology,2007,107(1):161-163.[28]Halestrap AP.A pore way to die:the role of mitochondria in reperfusion injury and cardioprotection.Biochem Soc Trans38:841–860,2010.[29]Zu L,Bedja D,Fox-Talbot K,Gabrielson KL,Van Kaer L,Becker LC, Cai ZP.Evidence for a role of immunoproteasomes in regulating cardiac muscle mass in diabetic mice.J Mol Cell Cardiol49:5–15,2010.[30]Griffiths EJ,Halestrap AP.Miochondrial non-specific pores remain closed during cardiac ischemia,but open upon reperfusion.Biochem J.1995;307(1):93-8.。