药物后适应对心肌缺血再灌注损伤的研究进展

吴 韦(综述),姜醒华(审校)

(南昌大学第二附属医院心内科,南昌 330006)

尽管最佳的治疗,冠心病(coronary heart disease,CHD)的发病率和死亡率仍然很高,特别是伴有糖尿病或代谢综合征患者。因此改善冠心病临床结果需要新的心肌保护策略[1]。心肌缺血再灌注时期,缺血预适应(ischemic preconditioning,IPC)诱导的保护部分是通过信号转导通路介导的,并使对心脏进行干预治疗成为可能。在这方面,缺血后适应(ischaemic postconditioning,Ipost)近来所描述的现象引起人们极大的兴趣。IPost提供了另一干预措施,在缺血发生后或再灌注的同时对再灌注损伤进行干预,这一措施可以应用于临床接受经皮冠状动脉介入(percutaneous coronary intervention,PCI)治疗的急性心肌梗死(AMI)患者[2]。本文从人类对心肌损伤和心肌保护的认识过程即“缺血缺氧-缺血再灌注-心肌顿抑-心肌冬眠-缺血预适应保护-缺血后适应保护”对有关药物后适应的研究背景和研究进展进行综述。

1 心肌损伤与保护

1.1 缺血/再灌注

心脏外科手术,如瓣膜置换术和冠状动脉搭桥术的操作中,为了阻止血液流经冠状动脉,心脏总的血流量会减少即缺血。如果缺血时间较长,缺血组织将坏死。因此为了避免心脏缺血坏死就必须尽快恢复血流。然而,再灌注会加剧缺血期心脏的损伤,使功能障碍和结构损伤进一步加重,这种现象叫做“再灌注损伤”[3]并且以细胞死亡为特征,即梗死,梗死的大小又可反映被阻断冠状动脉的供血区域大小和缺血时间长短。为了使冠脉成形术或心脏外科术后心脏恢复较好,最重要的是把再灌注损伤的程度降到最低。AMI患者的死亡率可以通过再灌注过程减半,如PCI和溶栓治疗。Murry C.E.等[4]提出了再灌注对心肌缺血的保护是必要的,之后不久广泛使用溶栓治疗。通过修饰再灌注条件和限制致死性再灌注损伤的心脏保护策略对AMI的研究有重要的临床潜能。

1.2 心肌顿抑与心肌冬眠

心肌顿抑是指伴随亚致死性心肌缺血后发生的并可以减少心脏收缩损失的一种状态[5]。由于短时间的心肌缺血,心肌细胞尚未发生坏死前,恢复冠脉血流,可挽救缺血心肌,但可能造成再灌注损伤和可逆性左室功能异常。和梗死的心脏不同,顿抑的心肌完全恢复需要1～2 d。在大多数物种,心脏缺血少于或等于15 min会出现顿抑而不会导致梗死。若慢性持续性心肌缺血,心肌细胞通过降低其耗氧量和代谢功能等代偿性调节,使心肌细胞仍保持存活状态,但区域性心肌收缩功能部分丧失,这时若使冠脉再通改善心肌缺血,心肌功能可部分或全部恢复,这种现象叫做心肌冬眠[5]。心肌顿抑和心肌冬眠与心肌缺血关系密切,心肌缺血尤其是无症状性心肌缺血与心肌顿抑及心肌冬眠可分别存在,也可同时存在于同一冠心病患者。

1.3 缺血预适应

缺血预适应现象是反复的短暂的缺血和再灌注诱导了内源性心肌保护物质生成,从而对抗随之而来的强大损伤。1986年Murry C.E.等[4]发现了细胞生存机制-缺血预适应-内在的深远保护机制,研究表明:每5分钟缺血并间歇再灌注共循环4次减少了75%的梗死面积。心肌预适应和心肌顿抑是心脏短暂的可逆性缺血和随后的动脉再灌注主要的适应性改变。在狗的心脏,至少20 min的再灌注后两者共同存在,但是120 min后,预适应大量下降而心肌顿抑表现突出。现在又令人信服的证据表明预适应在人类也存在。其证据来自体外实验,如人动脉小梁、心室小梁和培养的心肌细胞[6]。

1.4 药物预适应

药物预适应(pharmacological preconditioning,PPC)是建立在IPC机制信号通路研究的基础上,通过药物激发或模拟机体内源性物质而减弱缺血再灌注损伤[7]。已有一些药物可通过激发内源性活性物质释放或直接激发体内内源性抗损伤机制而产生心肌缺血预适应保护作用。

1.5 缺血后适应

2003年,Zhao Z.Q.等[8]进行犬实验提出了缺血后适应,在冠状动脉再灌注开始时行短暂重复的开放闭塞,接着恢复冠脉血流,可以减少大约40%的心肌梗死面积,并减少心肌水肿、嗜中性粒细胞的聚集、细胞凋亡、心律失常并改善内皮功能。Vinten Johansen J.[9]报道了犬心脏再灌注期的后适应应用于冠状动脉再闭塞期(每30秒的闭塞接着30 s的再通连续3次),60 min后会大大减少左冠状动脉前降支闭塞的面积;并报道了短暂地控制再灌注时期的后适应可以防止再灌注损伤。

1.6 药物后适应

药物后适应(pharmacological postconditioning,PPost)是指心肌再灌注时,某些药物通路模拟机体自身内源性保护物质对心肌缺血再灌注损伤产生了保护作用[10]。这对缺血后适应的临床研究有一定的价值,已经引起人们的广泛关注。药物后适应是对再灌注的干预,由于再灌注比心肌缺血更易预测,也可在临床上被控制,因此更易实施对心脏的保护策略。

2 药物后适应靶点

2.1 腺苷和腺苷受体

1987年,Olafsson B.等[11]报道了将腺苷直接注入犬再灌注期的左前降支冠状动脉可以减少梗死面积。腺苷受体有A1、A2、A3三种亚型,是许多跨膜信号的转导蛋白。Donato M.等[12]使用兔子心脏,发现用A1受体拮抗剂DPCPX可以取消后适应。Philipp S.等[13-14]研究表明非选择性腺苷受体拮抗剂取消了后适应的保护,并且是非选择性A2B拮抗剂而不是A1和A2A拮抗剂。再者,NECA-混合性A1和A2B激动剂模拟了再灌注的后适应效应。在大鼠心脏,Morrison R.R.等[15]观察到选择性A2A受体拮抗剂ZM-241385在功能恢复中取消了后适应诱导。这些都提示内源性腺苷和腺苷受体激动剂是心肌缺血后适应保护必须的。

2.2 一氧化氮

一氧化氮(NO)通过激活KA TP通道和调节呼吸链对线粒体的保护作用两个机制触发具有保护作用的活性氧信号释放[16]。其活性氧分子对内皮细胞具有保护作用,并且在某些条件下NO有抗氧化作用。NO是通过激活鸟苷酸环化酶形成鸟嘌呤核苷酸循环对后适应起保护作用的。有研究证明,在再灌注期给予NO合酶(NOS)抑制剂会减弱后适应的保护效应。

2.3 信号转导目标:再灌注损伤营救激酶

2.3.1 ERK1/2和PI3K/Akt的激活

抗凋亡刺激性生长因子存活信号(主要是PI3K/Akt和MEK/ERK通路)的激活被看成是后适应减少再灌注损伤的一种方式。Hausenloy D.J.等[17]首次提出了后处理的心脏在再灌注早期,PI3K抑制剂的激活取消了后适应,而增强的Akt磷酸化作用增强了后适应。许多内分泌物、激素类和药物制剂被特定用于再灌注期并激活了ERK1/2或PI3K/Akt。这些包括促红细胞生成素、他汀类药、A1/A2受腺苷体激动剂'NECA、肾上腺髓质素、吸入性麻醉剂、脂肪素和瘦素、二甲双胍、PAR-2激肽。再者,再灌注早期再灌注损伤营救激酶(reoerfusion injury salvage kinase,RISK)通路的激活是心肌保护状态的特征。因此,在再灌注早期,通过抑制RISK通路消除了缺血性、内分泌物诱导的或药理性等各种形式的预适应。有报道认为再灌注时RISK通路在预适应和后适应具有相同的保护机制[18]。

2.3.2 RISK通路的末梢信号因子

1) NO/cGMP/PKG:有大量的 ERK1/2和PI3K/Akt潜在下游酶作用物。Akt磷酸化内皮一氧化氮合酶(eNOS)(丝磷酸1177)催化NO产生。在缺血后适应,NO的产生起了重要作用,NOS抑制剂如LNAME和再灌注心肌中后适应相关的丝磷酸1177增强的磷酸化作用消除了其保护效应[1]。许多内分泌素和药理后适应机制是NO依赖性的。通过可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的激活,NO导致细胞内cGMP的积累和PKG的激活。药理抑制剂sGC或PKG消除了缺血后适应和药理后适应的保护机制。尽管细节不是很清楚,但是活化的 PKG可以通过磷蛋白的磷酸化作用产生保护作用,也影响了心肌SRCa2+的摄入。通过PKC3、PKG可以调节 m KATP的功能[19]。NO也可能有单独的cGMP作用。目前,这些机制还不清楚,但是有证据表明NO被亚硝基化作用后可以抑制线粒体功能,包括 mPTP的开放,对缺血后适应起保护作用[20-21]。

2) 糖原合成激酶-3β(GSK-3β):GSK-3β是抑制mPTP的调节因子,激酶(未被磷酸化形式)的激活促使mPT P的开放;AKt和ERKs的丝氨酸9磷酸化作用使其失活。在各种心肌保护策略机制中,对后适应GSK-3β失活的研究广泛。其过程依赖于GSK-3β化合物抑制剂的作用[22]。然而最近,Marber实验室对GSK-3β抑制剂的功能做了进一步研究。敲击小鼠缺少丝氨酸9磷酸化位点(丝氨酸-丙氨酸突变),导致Akt磷酸化失活的GSK-3β的缺失,最终抑制了预适应和后适应效应[23]。

3) 细胞凋亡调节蛋白:心肌缺血和再灌注均可引起缺血区域的细胞凋亡,但缺血预适应可减轻细胞凋亡。bc-l 2家族成员既有促凋亡又有抗凋亡效应。bc-l 2家族促凋亡成员(bax、bid、bad、bik 和bak)活化,移到线粒体上并与线粒体膜抗凋亡成员(bc-l 2和bc-l XL)相互作用,使电压依赖性线粒体通道去极化并释放线粒体凋亡介质,如细胞色素C和Smac/DIABLO,两者均能促进细胞凋亡。Akt磷酸化一些Blc-2家族蛋白成员。其中包括前凋亡蛋白Bax和Bad,它们被Akt磷酸化灭活,发挥了抗凋亡作用[24]。

2.4 线粒体渗透性转换孔

线粒体渗透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)是一个跨线粒体膜的非特异性通道,线粒体通透性的增加会导致细胞死亡。mPT P是由外膜上电压依赖性阴离子通道(VDAC),内膜上腺嘌呤核甘酸(ANT)和基质中环孢素D(CypD)共同组成的[25]。胞浆溶质通过渗透载体进入线粒体基质,导致了细胞器膨胀,伴随着呼吸偶联,最终不能持续产生ATP。m PT P的持续开放将导致ATP大量消耗,离子稳态失衡和细胞死亡。有足够的证据表明mPTP的形成发生在再灌注期,但是m PT P形成的概率是由先前缺血的严重程度决定的[26-29]。mPTP形成的触发因子有ROS和(或)Ca2+超载。抑制mPT P的开放可减轻再灌注损伤,Zhao Z.Q.等[8]发现,mPTP抑制剂环孢素A对减小心肌梗死范围有重要作用。

2.5 线粒体ATP敏感性钾通道

大量研究表明在心肌缺血初,若给予线粒体ATP敏感性钾通道(mito chondrial KAT P channel,mitoKATP)通道开放的激活物(如吡那地尔,克罗卡林,二氮嗪,尼克地尔)可减少梗死范围[30]。Yang X.M.等[31]发现,在兔的完整心脏中,非选择性mKAT P通道抑制剂格列本脲和选择性 mKAT P通道抑制剂5-hydroxydecanoate都可以消除后适应的保护效应,这说明m KATP通道开放在缺血后适应和药理性后适中都有重要的作用。再灌注期间mKAT P的开放是通过降低线粒体膜电位,减轻Ca2+超载,抑制m PT P的开放,对心肌细胞起保护作用的[32]。

3 相关药物

许多研究表明,再灌注时期,用一些药物如腺苷,脂肪细胞因子,促红细胞生成素,缓激肽,鸦片肽,胰岛素,钠尿肽,他汀类和挥发性麻醉剂可以通过RISK通路的激活减少心肌梗死的面积[33]。最终这些不同的传导通路都抑制了mPT P(线粒体膜上一个非特异性孔,如果在心肌缺血再灌注最初几分钟开放会促进细胞死亡)的开放。实际上,mPTP阻断剂环孢素A同样可以作为后适应的药理模仿用于心肌再灌注期。

4 展望

目前,对药物后适应的研究主要见于动物实验,临床研究尚少。但因药物后适应能在心肌缺血后、再灌注前施行,可操作性大,适合于在心脏介入治疗术中使用。在确定药物后适应在临床上的实用价值之前,药物后适应的机制、有效的时间窗以及对心肌保护的近期和远期效果等都还有待于有进一步地了解和确认。然而,对于临床上那些不能进行溶栓和介入治疗的心肌缺血患者,能否采用有效的药物后适应来保护其心脏,是关乎其生死的问题,因此,药物后适应的研究有可能成为国内、外医药研究领域的一个重要课题,在新药开发或老药新用方面都极具价值。

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