体外循环缺血再灌注损伤药物保护研究进展

刘孝洁综述，敖虎山审校

体外循环（ cardiopulmonary bypass，CPB）应用于临床心脏及大血管手术已有半个多世纪的历史。但其对组织器官的损伤仍不可忽视。体外循环后，即使心脏手术成功，仍有脑神经和其他器官如肾脏、肝脏、肠道损伤的风险[1，2]。

1 体外循环引起缺血再灌注损伤的机制

体外循环过程中，血液接触管道表面触发系统性炎症反应。白细胞、单核细胞、内皮细胞、血小板和补体系统激活，促炎因子和细胞因子释放。最终，形成微血栓，消耗凝血因子，引起出血倾向。

在细胞水平缺血再灌注损伤将导致信号级联反应包括转录因子移位，细胞凋亡蛋白酶旁路诱导，基质金属蛋白酶激活，腺苷二磷酸聚合酶（PARP）激活，形成活性氧和氮氧合酶。这些信号级联反应涉及细胞存活和凋亡，最终导致器官功能丧失[3]。

2 缺血再灌注损伤可能的药物保护作用靶点

近些年，许多保护性策略被用来提高体外循环的安全性：排除气泡和过滤器减少栓塞发生；保护性机械通气模式避免呼吸危象综合征的发生；升高氢离子浓度指数（pH）值 、温度；液体管理和搏动性灌注可提高肾功能和脑氧饱和度[4]。但效果有限，通过药物减少器官损伤逐渐成为热点。包括可作用于PARP受体、金属蛋白酶（MMPs）受体、钠离子/氢离子（Na+/H+）交换泵、线粒体通透性转换孔（MPTP）、腺嘌呤核苷三磷酸敏感性钾通道（IKATP）等药物，抗氧化剂，其他如艾司洛尔、维生素、辅酶Q和ω-3多不饱和脂肪酸等。

2.1 腺苷二磷酸聚合酶抑制剂

PARP是一种高度保守的核锌指DNA结合蛋白，能够觉察缺血再灌注损伤时，氧自由基产生增多，活性氧（ROS）和过氧亚硝基阴离子扩散到细胞核并诱导遗传物质破坏。经过PARP探测由此产生的单链DNA缺口。PARP-1以氧化的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD，辅酶i）为底物，合成并转运腺苷二磷酸（ADP）核糖给予染色质构成与脱氧核糖核酸（DNA）代谢有关的受体蛋白，参与DNA修复，同时生成尼克酰胺，每生成1 mol的聚ADP核糖需要1 mol的ADP和4 mol的ATP，因此，PARP1过度耗竭最终将由ATP能量衰竭而致细胞死亡。多聚腺苷二磷酸核糖（PAR）链促使凋亡诱导因子（AIF）从线粒体释放进入细胞质，再被转移到细胞核内，并启动所谓parthanatos（又称PARP-1 dependent cell death，是基于DNA损伤，PARP-1激活的一种新的程序性细胞坏死形式），不可逆地导致细胞死亡[5]。

PARP通路抑制剂（如米诺环素）可防止ATP耗竭，维持细胞内ATP含量。这是一种属于四环素类的广谱抗生素，具有抑菌作用，常用于治疗寻常痤疮或莱姆病。此外，它还具有神经保护和抗炎的特性。Drabek等[6]制作的鼠低温心脏停搏模型证明米诺环素能减少缺血引起的肿瘤坏死因子α（TNF-α）在脑组织和肝脏中的表达。一项研究也发现进行体外循环的幼猪在转流之前和转流过程中给予米诺环素，表现出较少的器官功能障碍（海马、肝、肾）[7]。

在临床接受米诺环素治疗的患者中其血药浓度多在1～2 μmol/L范围内，这个临床浓度范围比实验中抑制PARP从而发挥作用的血药浓度高10倍多。但尚没有研究证实CPB时对患者使用米诺环素的效果。文献表明具有相似化学结构的药物多西环素也具细胞保护作用[8]。

其他如3 -氨基苯甲酰胺，尚缺乏PJ34，或INO-1001对PARP有抑制作用。到目前为止，还没有大规模的临床试验来进行验证。最近研究发现，3 -氨基苯甲酰胺可以引起细胞因子水平显著下降，从而减少活性氧自由基、心肌细胞凋亡和改善心脏收缩功能[9]。研究发现，应用PJ34能够显著降低体外循环后肠系膜血管内皮细胞功能障碍。改善心肌收缩和肺功能[10]。INO-1001预处理显著减少10 kg幼猪体外循环后TNF-α和热休克蛋白70（HSP70）的表达，具有保护心脏和肺、减少肠系膜血管功能障碍的作用[11]。并可降低急性心肌梗死患者接受经皮冠状动脉腔内成形手术恢复期炎症反应，可引起包括肝脏酶活性升高、恶心、呕吐，增加QTc等的不良反应[12]。

2.2 基质金属蛋白酶抑制剂

MMPs附着在胞内蛋白酶上的，参与细胞外基质降解，细胞表面受体的分裂以及细胞增殖，迁移和凋亡过程。激活TNF-α或者白细胞介素-1β（IL-1β），调节白细胞聚集和炎症反应。多种心血管疾病都与MMPs功能丧失有关[13]。其抑制剂是金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）。与伴有三尖瓣、主动脉瓣的胸主动脉瘤患者相比，伴二叶主动脉瓣的胸主动脉瘤患者，其MMPs和TIMPs有不同表达模式。由于MMPs对炎症反应以及炎症细胞因子产生中起作用，其也可能在CPB期间发挥作用。在CPB 24 h后，其MMP-9水平急剧升高到控制水平，白细胞数量增加。这与分流时间或肺功能障碍并没有关联[14]。但是临床试验表明，MMP-8和MMP-9水平升高与氧化受损和体外循环后肺功能障碍相关[15]。

一些四环素类，像二甲胺四环素、强力霉素、土霉素等，都是潜在MMP抑制剂。强力霉素对于降低MMP-9，TNF-α和IL-1β的表达十分有效。在大鼠低温停跳前使用二甲胺四环素可以使TNF-α水平降低[11]。目前尚没有MMP抑制剂的临床研究。强力霉素、二甲胺四环素、盐酸土霉素都属于临床用药，尽管不用于体外循环，但是其在CPB期间的潜在作用仍值得探讨。

2.3 Na+/H+交换泵（NHE）抑制剂

缺血缺氧将导致细胞内酸中毒，细胞内酸化的Na+/H+泵激活，抑制Na+/ K+ATP酶，刺激钠钙交换器，促进Na+/Ca2+交换，细胞内Ca2+浓度增加[16]。哺乳动物心脏的主要同种型Na+/H+交换泵-1（NHE- 1）被抑制后，心脏血流动力学变化变小、心室颤动的发生率降低，细胞内ATP减少降低。cariporide及其家族zoniporide均为Na+/H+交换泵（NHE）抑制剂，对心肌和神经系统的保护十分有效，可以改善预后。cariporid对心脏移植猪复苏有更好作用[17]。一项近3 000例患者接受冠状动脉旁路移植术的临床研究中，使用最高剂量的cariporide后，其死亡和心肌梗死发生率降低25%。CPB期间，在三组使用不同剂量的Cariporide实验组中，均可以显著降低体外循环后血清S-100β的浓度。并且使用Cariporide最高剂量组的患者体外循环后血清S- 100β的浓度最低。因血清S- 100β浓度与颅脑损伤的相关性较好[18]，因此可以推测使用Cariporide最高剂量组患者颅脑损伤最轻。

2.4 线粒体通透性转换孔（MPTP）阻断剂

线粒体通过呼吸链产生能量供应ATP。当组织病变时，线粒体通过打开MPTP而使其具有渗透性[19]。生理情况下，正常开放维持线粒体内外电化学平衡，形成稳定的膜电位，当细胞缺血缺氧损害、自由基，脂肪酸或无机磷酸盐等刺激时，可导致MPTP开放，一些离子和凋亡活性物质释放，膜电位崩溃，呼吸链解偶联，细胞色素C和凋亡因子释放，线粒体肿胀，线粒体外膜受损。心肌梗死时，钙超载，心肌细胞过度收缩和细胞死亡[16]。因此，阻断MPTP可以发挥保护作用。

在经皮冠状动脉介入治疗（PCI）之前应用MPTP阻断剂环孢菌素治疗急性心肌梗死患者，其梗死面积减少20%[20]。在CPB前给予环孢菌素治疗的患者中，肌钙蛋白T水平降低[21]。氨基酸样物质牛磺酸（2-氨基乙磺酸）作为MPTP阻断剂具有抗心律失常、正性肌力和抗氧化作用，预防缺血再灌注损伤后心肌钙超载、抑制线粒体肿胀的作用[22]。临床试验表明在CPB前使用牛磺酸治疗，脂质过氧化物、线粒体损伤和心肌细胞坏死更少。肌酸激酶、脂质过氧化物等生物化学指标降低。与对照组相比，左心室舒张末期压降低[（34.5±6.4）mmHg vs （46.2±5.1）mmHg，1 mmHg=0.133 kPa][23]。

四环素衍生物米诺环素在缺血/再灌注损伤期间抑制线粒体肿胀。证实二甲胺四环素和N-甲基-4-异亮氨酸环孢菌素（NIM811），抑制钙诱导的MPTP开放、线粒体肿胀和去极化，最终抑制氧化磷酸化和细胞坏死。二甲胺四环素显著抑制脑和脊髓的线粒体肿胀和钙摄取[24]。

2.5 ATP敏感性钾通道开放剂

ATP 敏 感 性 钾 通 道 （ATP sensitive K+channels，KATP channels）是由细胞内 ATP 和二磷酸腺苷（ADP）同时调节的一类选择性的非电压依赖性钾离子通道[25]。在心脏，激活IKATP可以导致动作电位时程缩短，缩短L型钙通道开放时间，防止心肌细胞钙超载。并且增加K+传导性，可引起血管平滑肌细胞超极化并导致冠状动脉和外周动脉扩张，增加心脏血液供应。

对5 000多例心绞痛患者应用IKATP开放剂尼可地尔和安慰剂后，心肌梗死发生率分别为13.1%、15.1%[26]。尼可地尔与冷血心肌停跳液联合应用比单纯使用冷高钾晶体停跳液能更好地保护猪心肌细胞功能。

在CPB期间应用尼可地尔可使心肌停跳时间更短，肌钙蛋白水平和心律失常的发生率更低[27]。在心脏骤停期间加入IKATP开放剂可改善心肌细胞收缩功能，减轻钙超载。最近一项研究证实，在849例患者中应用IKATP开放剂左西孟旦能显著增加患者术后心指数（2.86±0.61 vs. 2.68±0.65）[28]。

2.6 抗氧化剂

过氧化物（ROS），细胞能够通过中和ROS来保护自身。氧化应激超过细胞保护机制，导致凋亡[29]。CPB引起炎症和氧化应激，氧自由基生成增多。在主动脉夹层猪体外循环120 min的模型中验证了依布硒啉[2-苯基-1，2-苯并异硒唑-3（2H）- 酮硒烯衍生物]减少了心肌细胞凋亡[30]。多酚化合物[表没食子儿茶-3-没食子酸酯（EGCG），绿茶的主要成分]能减少心肌梗死面积并阻断核转录因子（NF-κB）和转录因子激活蛋白-1（AP-1）的核移位[31]。在幼猪CPB期间EGCG能显著减少肾脏损伤和早期凋亡标志物。并且可以预防肾小球肿胀，小管空泡化，含磷酸盐能量缺失，肌酐和尿素升高，肾和海马细胞损伤增加等有害作用[32]。

N-乙酰基-L-半胱氨酸（NAC）具有抗氧化性质，作为氧自由基清除剂，在缺血和再灌注损伤中发挥作用。研究证实NAC能够减少CPB伴随的肺部改变，如肺泡充血，嗜中性粒细胞浸润，肺泡壁增厚，氧指数降低，丙二醛浓度升高，超氧化物歧化酶活性降低。从而有利于改善肺功能[33]。

在转机前2 h开始应用最大剂量NAC组（150 mg/kg）的嗜中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）和ROS水平低于对照组，急性肾功能衰竭的发生率明显降低（57.1% vs 28.6%，P=0.016）[34]。NAC对心肌氧化应激损伤得到显着改善[35]。

2.7 其他

在CPB后有许多药物也可以减轻器官功能障碍。例如艾司洛尔、ω-3多不饱和脂肪酸、维生素E和C、地塞米松、L-精氨酸等[36]，均提示有心肌保护作用。研究证实乌司他丁有肺保护作用[37,38]。

3 总结

过去，CPB的器官保护作用主要针对心脏，科学家和外科医生尝试了不同的心脏停搏药物解决方案，包括动脉血流方案，冷血和温血动物心脏停搏液。最近，保护脑、肾、肺和肝脏成为新目标，通常针对与CPB相关的缺血再灌注损伤病理生理过程。已经显示CPB导致的肾、肺和脑缺血再灌注损伤可以通过PARP抑制剂、MPTP抑制剂、NHE阻断或抗氧化剂以及抗凋亡策略进行治疗。但在实际临床应用中，仍需要研发新药并进行临床研究验证。