氧自由基与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(CA T)。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