心肌缺血再灌注损伤的发生机制及其防治策略

国科　刘达兴　容松

[摘要] 心肌缺血再灌注损伤指的是由于各种原因导致的心肌细胞缺血性损伤，以及在恢复血液供应后心肌细胞损伤进一步加重的现象。近年来，由于缺血性心肌病以及临床上各种心脏手术量的增多，有关心肌细胞缺血再灌注损伤的研究越来越多，已经成为研究的热点之一，而参与心肌细胞缺血再灌注损伤的机制复杂，涉及的信号通路众多，为方便了解目前各个通路的研究状况，现就此各种通路的研究作一综述。

[关键词] 缺血再灌注损伤；心肌；信号通路；机制

[中图分类号] R542.2 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2016）10（b）-0037-04

[Abstract] Myocardial ischemia reperfusion injury means that cardiac muscle cells are leading to ischemic injury due to lacking of blood and oxygen for different kinds of reasons， and the damage aggravates after the blood reperfusion. In recent years， due to the increasing of ischemic cardiomyopathy and various heart operations， there are more and more researches on myocardial ischemia reperfusion injury， which have become one of the research hotspots. And numerous signal pathways that participate in the mechanism of myocardial ischemia reperfusion injury are complicated， to facilitate understanding of the current status of each study path， now this paper is a review on the study of various pathways.

[Key words] Ischemia reperfusion injury； Myocardium； Signal pathway； Mechanism

Sewell等[1]在1955年发现突然解除狗冠状动脉结扎并恢复血流，狗会因为室颤而死亡。Jennings等[2]在1960年首次提出了再灌注损伤概念。近几年，随着药物溶栓治疗、介入治疗、旁路移植等方法的广泛应用，心肌得到及时灌注，急性心梗的病死率明显降低。但经常看到，缺血的心肌进行再灌注时，会有一系列的不良事件，如心律失常、心肌舒缩功能障碍等发生。这种现象就是缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，IRI），心肌IRI（MIRI）是影响急性心梗预后的主要原因。

心肌细胞发生缺血再灌注期间，会发生多种急剧改变[3]加重损伤，导致细胞死亡，其病理变化主要包括氧自由基（oxygen free radical，OFR）生成增多、炎细胞浸润、钙超载、微循环障碍、凋亡紊乱和能量代谢障碍等。理解IRI的病理变化及发生机制，有助于更好地做出预防措施。

1 IRI的病理变化

1.1 OFR生成增多

细胞在缺血缺氧时，会激活补体系统，导致细胞膜分解，产生多种炎症介质，激活中性粒细胞。再灌注后，细胞重新获得供氧，激活的中性粒细胞耗氧增加，产生大量OFR，造成细胞损伤。同时，线粒体功能受损，OFR增多。另一方面，钙超载损害线粒体功能，抑制细胞色素氧化酶系统，最终使活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）增多。当心脏应激时，循环中的单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）增多，可以催化儿茶酚胺类物质生成过氧化氢（H2O2）[4]，是ROS的主要来源。因此，MAO对心血管系统疾病的发生也具有重要作用。

MIRI时，5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）释放增多[5]。Bianchi等[6]发现低浓度5-HT以MAO-A依赖的方式激活胞外信号调节激酶促进细胞增殖与肥大，而Bianchi等[7]发现高浓度5-HT能导致细胞凋亡。国外有报道[8]，在MIRI中使用5-HT摄取抑制剂，使线粒体通透性转换孔关闭，阻止了因钙超载而导致的凋亡发生，从侧面说明5-HT的诱导凋亡作用。另有研究[9]证实，5-HT诱导的细胞凋亡，主要由MAO-A介导，使用MAO抑制剂可明显减少心梗面积。然而，另有研究[10]显示，应用MAO抑制剂，即使没有5-HT，同样可减弱MIRI，所以在IRI时，作为MAO的重要底物，5-HT重要性仍需进一步研究。MIRI时MAO-A介导生成的ROS，可抑制与降解细胞内多种酶，进而导致细胞凋亡[11]。MAO-A能控制“鞘磷脂变阻器”[12]，并调节细胞信号出现相反结局，发生增殖或凋亡。MAO-A可作用于鞘氨醇激酶，控制有促凋亡作用的神经酰胺和抗凋亡作用的1-磷酸鞘氨醇的平衡。MAO在应激时可导致OFR增多，并且MAO可以调节5-HT氧化，发生增殖或者凋亡，因此MAO-A可能成为调节MIRI的重要靶点[13]。而OFR和5-HT的关系研究也需深入。

1.2 钙超载

在静息状态，细胞外的钙离子浓度远高于细胞内，细胞内的钙离子主要存在于肌浆网和线粒体。由于细胞缺氧导致细胞膜结构的破坏，胞外及胞内钙离子涌入胞浆；再灌注后，由于细胞外的钙离子增多以及OFR破坏膜结构等原因，造成细胞内钙急剧增多，最终导致钙超载的发生[14]。细胞内钙离子的异常反过来又导致线粒体损害，致使能量代谢障碍，加重钙超载，激活多种信号系统，最终导致细胞凋亡[15]。

1.3 微循环障碍

缺血再灌注后，血管内皮细胞受到OFR的损害，导致细胞膜损伤，线粒体功能障碍，内皮细胞合成与释放的舒张因子减少，导致微血管功能异常；血管内膜通透性升高及细胞间隙水肿，限制了微血管扩张；生物膜受损后，膜表面与白细胞的相互作用增加，白细胞黏附，导致毛细血管堵塞。

1.4 细胞凋亡

目前多数的研究者认为，除了细胞坏死外，心肌细胞的凋亡是IRI发生后细胞死亡的主要形式[16]。虽然细胞凋亡的发生机制，目前尚未明了，但多数认为MIRI时产生的钙超载、OFR增多等改变，以及线粒体功能障碍，三者单独或共同作用，是多种凋亡途径的共同通道，激活生存或凋亡相关基因，执行相应功能。目前已知的是，各种凋亡刺激最终会作用到Bcl-2上。Bcl-2家族蛋白，按照结构功能的差异，分为抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白，前者主要是Bcl-2、Bcl-w、Bcl-xL等，后者有Bad、Bax、Bid等，各蛋白之间相互作用，形成复杂的调控网。细胞内Bcl-2/Bax比值，决定了细胞接受刺激时，是否发生凋亡。

2 心肌缺血再灌注损伤的信号通路

参与MIRI和细胞凋亡的信号通路很多，目前的相关研究，主要集中在以下几种：磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）通路、腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通路、细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）通路、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）通路、蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）通路、信号转导与转录活化因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）通路、Fas及其配体（Fas/FasL）转导通路，Janus激酶（Janus kinase，JAK）、激活转录因子（activating transcription factor，ATF）、NF-E2相关因子2（Nrf2）抗氧化反应元件（ARE）信号通路、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）、Toll样受体等信号系统。各通路间互有联系，现将各通路目前研究结果叙述如下：

2.1 PI3K与PKB/Akt通路

对于PI3K与PKB/Akt信号通路的研究很多，有学者通过研究大鼠心肌缺血模型，发现右旋美托咪啶对大鼠MIRI的保护，主要通过PI3K/Akt信号通路激活糖原合酶激酶-3（GSK-3β）起作用[17]。药物干预会降低血清心肌肌钙蛋白I（cTnI）、肌酸激酶同工酶（CK-MB）和丙二醛（MDA）水平，减少Caspase-3的表达，在mRNA水平上增加Bcl-2/Bax比例，降低Bax水平，发挥对MIRI的保护。有学者研究大鼠MIRI模型，证实七氟醚干预，能够改善IRI后的心功能，减少心梗面积，并改善心肌重塑，发挥对MIRI的保护作用，主要是通过激活PI3K/AKT/GSK3β通路起作用[18]。

2.2 AMPK及ERK通路

AMPK是生物能量调节的关键分子。有学者[19]研究大鼠MIRI，用七氟烷处理，可有效保护心肌，减少梗死范围，p-AMPK/t-AMPK蛋白表达上调，说明AMPK信号通路参与了对MIRI的保护。同时，自噬体标志性蛋白LC3，以及溶酶体功能损伤的标志性蛋白P62表达减少，说明AMPK信号通路参与并调节细胞自噬流。抑制AMPK信号通路会增加LC3蛋白的表达，增强自噬，不利于心肌保护。也有研究发现，用药物曲美他嗪干预MIRI模型，可调节脂肪酸代谢，改变心肌AMP/ATP比率，触发AMPK瀑布，最终减少脂肪酸的氧化，刺激葡萄糖利用，有助于心肌保护[20]。同时发现曲美他嗪可以激活AMPK和ERK信号通路，在再灌注期间调节底物代谢由脂肪酸转为葡萄糖代谢，进而减弱应激，减少心梗，使用ERK抑制剂则会减弱这种作用。但有学者研究小鼠MIRI模型，却发现ERK抑制剂可以保护心肌，抑制凋亡和细胞自噬，明显降低LC3并增加p62表达水平，主要是抑制了ERK通路[21]。不同研究结果略有差别，原因仍亟需阐明。

2.3 MAPK通路

在MIRI中，白细胞介素33（interleukin-33，IL-33）具有保护作用，研究发现[22]，它通过上调心肌细胞p38的表达，激活MAPK信号通路，提高Bcl-2/Bax比率，降低Caspase-3表达，降低炎症因子水平，从而减少梗死范围，抑制炎症，减少细胞凋亡。有研究[23]发现七叶皂苷可抑制核因子κB（nuclear transcription factor-B，NF-κB）转位到细胞核，减弱大鼠心脏结构和功能的损害，从而保护心肌，主要是抑制了MAPK/NF-κB通路。同时，七叶皂苷和MAPK抑制剂均可减少ERK、JNK和p38的磷酸化，并且使用特定的抑制剂可以提高受损心肌的细胞活性。

2.4 Fas及其配体（Fas/FasL）通路

有研究通过Langendorff灌注大鼠心肌[24]，长时间低温保存，用氯甲苯噻嗪处理后，发现心肌再灌注期间的心率血压乘积增加，凋亡百分比降低，Fas/FasL的表达减少。而ATP敏感性钾通道抑制剂会减弱这些指标变化。说明氯甲苯噻嗪处理，可以开放ATP敏感性钾通道减少Fas/FasL的表达，从而减弱MIRI，说明抑制Fas/FasL信号通路，有助于心肌保护。另有学者[25]在基因水平研究大鼠MIRI，结果发现吗啡预处理通过抑制Fas靶向基因表达，抑制Fas/FasL通路，有助于心肌保护。

2.5 Janus激酶、信号转导与转录活化因子

有学者研究褪黑素预处理心肌IRI模型，发现乳酸脱氢酶水平降低，抗凋亡蛋白Bcl-2上调而促凋亡蛋白Bax下调，提高了线粒体超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，减少H2O2以及MDA的产生，主要是激活了JAK2/STAT3通路，从而保护心肌细胞[26]。

2.6 激活转录因子与Toll样受体

有研究[27]通过制造大鼠体外心肌缺血再灌注模型发现，缺血后处理通过调节ROS的水平，激活Nrf2-ARE信号通路，减轻大鼠MIRI。研究发现，对大鼠心脏进行缺血后处理，心肌组织ROS含量降低，Nrf2、SOD及其mRNA的表达增加，MIRI减轻；给予ROS清除剂后，ROS含量先降低后升高，Nrf2、SOD及其mRNA的表达减少，说明缺血后处理期间，低水平的ROS激活了Nrf2-ARE通路，其下游的抗氧化蛋白表达增多，使再灌注过程中产生的大量ROS得以清除，最终保护心肌细胞。另有学者研究小鼠MIRI发现[28]，胃饥饿素可抑制TLR4和NF-κB的表达，进而调节抑制高迁移率族蛋白B1（HMGB1）/TLR4/NF-κB通路，起到抗氧化应激、降低一氧化氮合酶水平、抗炎的作用，说明了HMGB1/TLR4/NF-κB通路抑制可以保护心肌。

2.7 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶信号系统

Caspase激活是许多凋亡通路的核心[29]，Caspase与许多凋亡相关基因比如bcl-2家族、p53基因都有关联，经过精细调节激活特定的系统，导致核固缩，最终使细胞发生死亡。有研究制造大鼠MIRI并用药物干预[30]，发现黄芝口服液可抑制缺血再灌注后的心律不齐，改善心功能，尤其4 h时的效果更好。这可能与减少Caspase-3、p53的表达，增加Bcl-2/Bax比值有关。

3 小结与展望

为减轻MIRI，应尽量保护细胞膜及线粒体功能，抑制炎症，稳定细胞内外离子水平，把握操作时间，做到最大程度降低缺血再灌注期间的OFR生成。在缺血再灌注期间，MAO具有重要作用，所以抑制其功能对心血管疾病的防治具有重要意义。目前对心肌IRI保护的药物研究较多，有学者使用EPO作用于大鼠，发现EPO能够显著降低心肌IRI并缩小梗死范围，显著改善心脏功能，对心肌IRI有保护作用[31-32]。但其机制仍需深入研究。细胞凋亡比重较大，因此对其机制及相关通路的干预研究也要继续[33]。参与MIRI的机制和通路很多，各通路间也互有交叉，研究起来有难度，需考虑诸多因素才能科学严谨地设计实验。相信随着各通路的深入研究与阐明，在不久的将来，对于临床上MIRI的保护会做到更好。

[参考文献]

[1] Sewell WH，Koth DR，Huggins CE. Ventricular fibrillation in dogs after sudden return of flow to the coronary artery [J]. Surgery，1955，38（6）：1050-1053.

[2] Jennings RB，Sommers HM，Smyth GA，et al. Myocardial necrosis induced by temporary occlusion of a coronary artery in the dog [J]. Arch Pathol，1960，70（1）：68-78.

[3] Roberta A. Gottlieb MD. Cell death pathways in acute I/R injury [J]. J Cardiovasc Pharmacol Ther，2011，16（3/4）：233-238.

[4] Santin Y，Sicard P，Vigneron F，et al. Oxidative stress by monoamine oxidase-A impairs transcription factor EB activation and autophagosome clearance，leading to cardiomyocyte necrosis and heart failure [J]. Antioxid Redox Signal，2016，25（1）：10-27.

[5] Shimizu Y，Minatoguchi S，Hashimoto K，et al. The role of serotonin in ischemic cellular damage and the infarct size-reducing effect of sarpogrelate，a 5-hydroxytryptamine-2 receptor blocker，in rabbit hearts [J]. J Am Coll Cardiol，2002，40（7）：1347-1355.

[6] Bianchi P，Pimentel DR，Murphy MP，et al. A new hypertrophic mechanism of serotonin in cardiac myocytes：receptor-independent ROS generation [J]. The FASEB Journal，2005，19（6）：641-643.

[7] Bianchi P，Kunduzova O，Masini E，et al. Oxidative stress by monoamine oxidase mediates receptor-independent cardiomyocyte apoptosis by serotonin and postischemic myocardial injury [J]. Circulation，2005，112（21）：3297-3305.

[8] Muto T，Usuda H，Yamamura A，et al. Protective effects of fluvoxamine against ischemia/reperfusion injury in isolated，perfused guinea-pig hearts [J]. Biol Pharm Bull，2014， 37（5）：731-739.

[9] 王国振，严玉平，朱长福.丹酚酸A/丹酚酸B不同配比对大鼠心肌缺血再灌注性损伤的保护作用[J].河北中医药学报，2006，21（2）：4-5.

[10] Carpi A，Menabò R，Kaludercic N，et al. The cardioprotective effects elicited by p66（Shc）ablation demonstrate the crucial role of mitochondrial ROS formation in ischemia/reperfusion injury [J]. Biochim Biophys Acta，2009， 1787（7）：774-780.

[11] Pchejetski D，Kunduzova O，Dayon A，et al. Oxidative stress-dependent sphingosine kinase-1 inhibition mediates monoamine oxidase A-associated cardiac cell apoptosis [J]. Circ Res，2007，100（1）：41-49.

[12] Boslemab E，Meiklec PJ，Bidenab TJ. Roles of ceramide and sphingolipids in pancreatic β-cell function and dysfunction [J]. Islets，2012，4（3）：177-187.

[13] Umbarkar P，Singh S，Arkat S，et al. Monoamine oxidase-A is an important source of oxidative stress and promotes cardiac dysfunction，apoptosis，and fibrosis in diabetic cardiomyopathy [J]. Free Radic Biol Med，2015，87：263-273.

[14] Bompotis GC，Deftereos S，Angelidis C，et al. Altered calcium handling in reperfusion injury [J]. Med Chem，2016， 12（2）：114-130.

[15] Garcia-Dorado D，Ruiz-Meana M，Inserte J，et al. Calcium-mediated cell death during myocardial reperfusion [J]. Cardiovasc Res，2012，94（2）：168-180.

[16] Marunouchi T，Tanonaka K. Cell death in the cardiac myocyte [J]. Biological and Pharmaceutical Bulletin，2015，38（8）：1094-1097.

[17] Cheng XY，Gu XY，Gao Q，et al. Effects of dexmedetomidine postconditioning on myocardial ischemia and the role of the PI3K/Akt-dependent signaling pathway in reperfusion injury [J]. Mol Med Rep，2016，14（1）：797-803.

[18] 张静，余鹏，周志东，等.七氟醚后处理对大鼠心肌缺血-再灌注时AKT/GSK3β/mTOR表达的影响[J].临床麻醉学杂志，2015，31（12）：1215-1220.

[19] 覃琴，王琛，乔世刚，等.AMPK信号通路调控的自噬在七氟烷后处理保护大鼠心肌缺血再灌注损伤中的机制研究[J].生物医学工程研究，2016，35（1）：36-40.

[20] Liu Z，Chen JM，Huang H，et al. The protective effect of trimetazidine on myocardial ischemia/reperfusion injury through activating AMPK and ERK signaling pathway [J]. Metabolism，2016，65（3）：122-130.

[21] Wang A，Zhang H，Liang Z，et al. U0126 attenuates ischemia/reperfusion-induced apoptosis and autophagy in myocardium through MEK/ERK/EGR-1 pathway [J]. Eur J Pharmacol，2016，788：280-285.

[22] Ruisong M，Xiaorong H，Gangying H，et al. The Protective role of interleukin-33 in myocardial ischemia and reperfusion is associated with decreased hmgb1 expression and up-regulation of the P38 MAPK signaling pathway [J]. PLoS One，2015，10（11）：e0143064.

[23] Yu H，Shi L，Qi G，et al. Gypenoside protects cardiomyocytes against ischemia-reperfusion injury via the inhibition of mitogen-activated protein kinase mediated nuclear factor kappa B pathway in vitro and in vivo [J]. Front Pharmacol，2016，7（1）：148.

[24] Fan Y，Zheng MZ，Guo W，et al. Effects of diazoxide on Fas/FasL protein expressions in rat myocardium suffered from long-term hypothermic preservation [J]. Sheng Li Xue Bao，2008，60（1）：11-16.

[25] He SF，Zhu HJ，Han ZY，et al. MicroRNA-133b-5p is involved in cardioprotection of morphine preconditioning in rat cardiomyocytes by targeting Fas [J]. Can J Cardiol，2016，32（8）：996-1007.

[26] Yang Y，Duan W，Jin Z，et al. JAK2/STAT3 activation by melatonin attenuates the mitochondrial oxidative damage induced by myocardial ischemia/reperfusion injury [J]. J Pineal Res，2013，55（3）：275-286.

[27] 陈伟.缺血后处理激活大鼠心肌缺血再灌注时Nrf2-ARE信号通路的机制与ROS的关系[J].中华麻醉学杂志，2015，35（8）：998-1002.

[28] Sun N，Wang H，Wang L. Protective effects of ghrelin against oxidative stress，inducible nitric oxide synthase and inflammation in a mouse model of myocardial ischemia/reperfusion injury via the HMGB1 and TLR4/NF-κB pathway [J]. Mol Med Rep，2016，14（3）：2764-2770.

[29] Fan TJ，Han LH，Cong RS，et al. Caspase family proteases and apoptosis [J]. Acta Biochim Biophys Sin：Shanghai，2005，37（11）：719-727.

[30] Ran X，Diao JX，Sun XG，et al. Huangzhi oral liquid prevents arrhythmias by upregulating Caspase-3 and apoptosis network proteins in myocardial ischemia-reperfusion injury in rats [J]. Evid Based Complement Alternat Med，2015，2015：1-11.

[31] 曾鸿鑫，刘达兴，梁贵友，等.大鼠心肌缺血性损伤时促红细胞生成素对蛋白激酶C的调控[J].中华实验外科杂志，2016，33（3）：837-838.

[32] 胡婷婷，刘达兴，容松.促红细胞生成素通过减少细胞浸润减轻小鼠心肌缺血再灌注损伤[J].中华实验外科杂志，2013，30（10）：2230.

[33] Biala AK，Kirshenbaum LA. The interplay between cell death signaling pathways in the heart [J]. Trends Cardiovasc Med，2014，24（8）：325-331.

（收稿日期：2016-07-02 本文编辑：张瑜杰）