心肌保护的有关进展

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心肌保护的有关进展
第三军医大学新桥医院麻醉科(重庆400037)
杨天德
引言
心肌缺血再灌注损伤的病理生理机制包括自由基损伤、钙超载、能量代谢、细胞因子、细胞凋亡等。

广义的心肌保护指所有疾病或病理过程的心肌保护,而狭义的心肌保护常指体外循环心内直视术中的心肌保护。

有关心肌保护的研究文章“浩如烟海”,谈进展的话题也是“多如牛毛”。

今天尽就心肌缺血再灌注损伤的机制中相关基因的变化、内源性保护机制的激活和现行临床应用技术等问题与各位共同学习。

1、心肌缺血再灌注相关基因的研究
凋亡相关基因(relation apoptosis gene)
•抗调亡基因抗调亡的基因包括Bcl-2, Bcl-x,lBcl-w, Mcl-1等。

在心肌缺血再灌注中明显上调,减少了凋亡细胞的数目。

有研究发现,一种早立基因(early growth response gene-1,Egr-1)在心肌缺血早期表达上调,可减轻心肌缺血再灌注后组织和细胞的损伤程度,减少心肌梗死的面积, Egr-1可能发挥了抗细胞调亡作用。

•促调亡基因:研究表明,促调亡基因Caspase、P53和Bcl-2三者之间形成一种网络调控构象,调控细胞凋亡,影响心肌结构。

三者之间的动态演变,为临床上防治心肌梗死提供了一个时间表。

有研究发现,在鼠心肌缺血模型中Caspase-1表达上调,并且当Caspase-1缺乏心肌缺血再灌注的细胞凋亡减少, Caspase-1主要通过Caspase-3和Caspase-9的激活而发挥诱导作用。

•肿瘤坏死因子-α(tumour necrosis factor-
α,TNF-α)也是一种促凋亡因子,它是心肌缺血过程中持续表达的一种重要参与免疫应答的病理因素,心肌缺血时过氧化物酶体增殖激活受体(PPAR)被激活,并通过核转录因子-κB 信号通路表达.
•此外,凋亡促进基因Fas、Bax、Bak在心肌缺血再灌注损伤、缺血预适应心肌细胞中的表达也有明显的上调趋势,引起缺血再灌注心肌细胞的损伤。

C-fos和C-myc基因作为刺激细胞内第二信使与靶基因表达之间的信息传递中介物第三信使,起着双向调控的作用
•转录相关因子(relation transcription factor)
•转录因子是心肌细胞缺血早期表达的一种因子,能够促进体内许多基因的转录。

作为应答的全局性调控因子,目前研究发现核转录因子(nuclear factor -kappaB,NF-κB)它的快速活化是心肌缺血再灌注早期众多细胞因子表达的始动因素。

•转录激活因子(activation transcription factor,ATF)其作用机制可能影响内质网的完整性,而内质网是许多蛋白质合成和折叠的场所。

因此心肌缺血可能引起非折叠蛋白反应(UPR),UPR诱导ATF抵抗心肌缺血再灌注的损伤,对心肌缺血再灌注损伤的细胞起保护作用。

•抗氧化酶(antioxidant enzyme)
•活性氧是导致缺血再灌注损伤的重要机制之一,而抗氧化酶可清除机体内的活性氧,其中重要的抗氧化酶从而发挥保护作用。

现研究主要有超氧化物歧化酶( SOD )、一氧化氮合酶( nitric oxide synthase,NOS)、环氧合酶-2( cyclooxygenase-2, COX-2)和髓过氧化物酶(myeloperxidase,MPO)在缺血再灌注损伤组织中的含量均增加,因此抗氧化酶活性的测定可以定量反映心肌缺血再灌注损伤的程度。

•生长因子(growth factor)
•长时间的缺血可引起心肌代偿性肥大,这与一些生长因子的表达增加有关。

短时间的缺血再灌注虽不至于引起心肌肥大,但也可导致许多生长因子的表达增加,这些生长因子的表达增加大多具有适应代偿意义。

其中,胰岛素样生长因子-1( intraepithelial growth factor, IGF-1)可提高抗凋亡蛋白Bcl-2, Bcl-xl水平,而降低促凋亡蛋白Bax水平,从而发挥抗凋亡作用。

•血管内皮生长因子(vascular endothelial growthfactor,VEGF)和缺氧诱导因子-1(hypoxia inducement factor,HIF-1)的表达有助于缺血心肌组织中微血管的新生及侧支循环的建立,在心肌缺血时表达增加,能减轻心肌缺血再灌注损伤;
•酸性成纤维细胞生长因子( acidity fibroblast growth factor, aFGF)基因的表达能明显促进心功能改善,减轻心肌缺血损伤。

实验证实,Ad. aFGF转染慢性缺血心肌后能明显促进心功能改善;
•心血管活性物质(heart vasoactive substabces)
•心脏冠状动脉内皮细胞和心内膜内皮细胞均能分泌心血管活性物质,内皮分泌的心血管物质对心血管系统具有重要的调节作用,并参与心肌缺血再灌注的过程。

•心肌内皮素( endothelin,ET)和血管紧张素转换酶抑制剂基因(angiotensinconverting enzyme gene,ACE基因),能使局部血管张力增高外,还能促进血管平滑肌细胞的增殖,在心肌缺血早期具有代偿保护作用。

•降钙素基因相关肽(calcitonin gene related peptide, CGRP)为支配心血管系统的神经末梢释放的强舒血管物质。

动物实验证明,在缺血再灌注后CGRP含量明显降低,提示CGRP参与了心肌缺血再灌注损伤的病理过程.
•其他心肌缺血再灌注的相关基因
•巨嗜细胞炎症蛋白(macrophage inflammatory pro-tein,Mip)基因在心、脑等耗氧量高的组织中表达量最高,而其他组织表达较少或无表达,在心肌缺血预适应时Mip1、Mip5表达均上调,提示Mip为心肌缺血再灌注的相关基因。

•葡萄糖相关蛋白( glucose -regulated protein,GRP)和热休克基因(Heat-shock gene)在心肌缺血再灌注时明显上调,对心肌缺血早期具有保护作用。

内源性保护机制的激活
1.预处理(缺血/缺氧,药物)
预处理保护作用的机制尚未完全阐明,但可以将其机制归为两大类:一是预处理增强了神经元自身潜在的对抗缺血的细胞防御机能;二是细胞的应激应答和应激蛋白的合成。

其保护机制的产生经历了触发—信号转导—效应三个环节。

•触发环节主要是各种预处理引起大量内源性活性物质释放,作用于相应的细胞膜受体水平或直接细胞信号转导的某些环节。

信号转导以受体后多种蛋白激酶为主。

效应环节主要包括细胞保护蛋白和离子通道。

•缺血预处理引起的心肌保护作用表现为即时效应(数分钟内发生,作用持续2 h左右)和迟缓效应(即第二窗口效应,24h后重现保护作用,并持续72 h以上)
•随着缺血预处理(Ischemic preconditioning, IPC )的发现,多种预处理药物预处理(吸入麻醉剂、阿片类药物、线粒体ATP依赖的钾通道开放剂等)、针刺预处理、缺氧/高氧预处理的研究等相继出现。

•经典缺血预处理(Ischemic preconditioning, IPC)的细胞机制触发机制:包括受体依赖和非受体依赖的触发机制。

•受体依赖的触发机制:与Gi蛋白耦联的受体均可触发缺血预处理的即时效应,触发物质包括腺苷、阿片肽和缓激肽等。

腺苷的不同受体在预处理中的作用不同,阻断腺苷的A1和A3受体(不是A2受体)可完全取消预处理的心肌保护作用。

在阿片受体中,δ阿片受体参与预处理的保护机制已有共识,但κ阿片受体是否参与其中各家报道不一致。

缓激肽的触发效应可能只发生在单次的缺血预处理中,在延长的预处理中,腺苷和缓激肽发挥协同的保护效应。

另外,前列腺素、去甲肾上腺素、血管紧张素和内皮缩血管肽也可发挥触发作用,但尚存在争议。

•非受体依赖的触发机制:一氧化氮(NO)、自由基的释放(自由基可激活G蛋白、蛋白激酶和ATP敏感性钾通道)、钙的释放均参与缺血预处理的保护作用,但机制不完全清楚。

•缺血预处理的介质:
指参与缺血预处理心肌保护作用的信号转导途径成分,包括ATP敏感性钾通道、蛋白激酶C(PKC)、酪氨酸激酶(TK)、丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)和三磷酸肌醇(IP3)等。

•缺血预处理可能的终末效应器:
•缺血预处理引起的心肌保护作用的终末效应器包括代谢效应、肌膜和线粒体ATP敏感性钾通道、线粒体通透性转换孔(MPTP)、
Na+-H+交换器、凋亡、缝隙连接(CX43)、自由基、肿瘤坏死因子-α等。

•缺血预处理第二保护窗的机制:
•缺血预处理的第二保护窗是指缺血预处理心肌保护作用的迟缓效应(即第二保护窗口效应)。

其机制与经典的缺血预处理有所不同。

•①触发机制:包括腺苷、NO、缓激肽、阿片肽、前列腺素类、儿茶酚胺类等。

•②介质:缺血预处理第二保护窗的信号转导途径包括PKC、TK和MAPK等。

•③可能的终末效应器:包括热应激蛋白(如HSP72)、抗氧化酶系统(SOD、catalase、glutathioneperoxidase)、环加氧酶(COX-2)、线粒体ATP敏感性钾通道和NO。

另外,近年来提出复灌损伤抢救激酶(reperfusion injury salvage kinase,RISK)途径参与预处理、心肌缺血及心肌复灌的整个过程。

•远距离/遥控缺血预处理(remote preconditioning)•1993年Przyklenk首次阐述其概念,是一种类似于心肌缺血预处理的处理方法,目前发现多处组织器官短暂缺血可增强其自身及其它器官对缺血的耐受程度。

•参与因素:降钙素基因相关肽(CGRP)、δ1阿片受体与自由基、NFκB及诱导型一氧化氮合酶、前列腺素与感觉神经(释放CGRP)、PKCε(PKCε可能是远端缺血预处理保护机制的共同通路)和相关基因表达(氧化应激对抗基因,如Hadhsc、Prdx4、Fabp4及细胞保护基因Hsp73表达上调,而许多促炎性因子Egr-1、Dusp 1及6表达下调)。

其它如腺苷、缓激肽及ATP敏感性钾通道等也被证实是远距离缺血预处理的相关分子。

•缺血后处理(ischemic Postconditioning)
•触发机制:包括腺苷、缓激肽或阿片类物质。

缺血后处理发挥的心肌保护作用与腺苷A2和A3受体的激活有关,而与A1受体无关。

δ和κ阿片受体可能参与了缺血后处理的心肌保护作用;
•介质:ATP敏感性钾通道、NO 、RISK
•可能的终末效应器:线粒体渗透性转换孔(MPTP)
•“药物学后处理”可能会是后处理临床应用的一个方向,即通过使用模拟内源性机制的药物来发挥后处理的保护作用。

这一类药物有胰岛素、缓激肽、阿托伐他汀、吸入性麻醉剂异氟烷、腺苷及KATP通道激活剂尼可地尔等,针对缺血再灌注损伤的病因,使用自由基清除剂或钙通道拮抗剂也可能会起到类似的保护效应.
我科几位医师在缺血预处理和KATP开放剂方面的研究结果:
1、李洪在探讨MitoKATP通道特异性开放剂二氮嗪(DZ)预处理时发现,MitoKATP通道开放能
够激活PKCε向肌丝样结构转位,MitoKATP通道开放过程中生成的ROS是引起PKCε转位激活的重要原因;
2、李洪采用蛋白质组方法来研究二氮嗪预处理后心肌细胞内的磷酸化蛋白质组的表达变化,得
到了8个表达有差异的磷酸化蛋白质,并且鉴定了其中的6个蛋白质。

发现DZ预处理后,心肌细胞内的一些蛋白质发生了磷酸化修饰改变,它们可能介导Mi—toKTP通道开放后预处理心肌保护效应的发挥。

其中分子伴侣包含蛋白TCP一1和假拟蛋白XP346548的磷酸化程度增加;而糖调节蛋白94kD、依钙(结合)蛋白I和铁蛋白的磷酸化程度减弱;
3、黄河的研究发现,线粒体ATP敏感性钾通道开放剂二氮嗪能增强心肌细胞线粒体酶活性,产
生预处理心肌细胞线粒体保护效应;
4、黄河的研究发现,长时间使用线粒体ATP敏感性钾通道开放剂二氮嗪,取消其保护作用;
5、未能找到新的代表损伤或保护的蛋白质。

心肌保护的技术
1.心肌保护液与停搏液
1)心肌保护液:目前临床无理想的供心心肌保护液,正在使用的有100多种,如细胞内液型有标准UW液、Euro-Collins液、HTK液等。

细胞外液型有:Celsior液、S.t Thomas’液、Stanford液等。

2)停搏液:冷晶体停搏液(cold crystalloid cardioplegia)是发明最早也是应用最广泛的停搏液
,以后又相继研制出了充氧冷晶体停搏液(oxygenated cold crystalloid cardioplegia),冷血停搏液(cold blood cardioplegia)及温血停搏液(warm blood cardioplegia)。

含血心肌保护液的效果优于晶体液。

血与晶体液的比例一般是4:1,也有高达8:1的,其优点为:(1)保证良好的运送O2和降低CO2功能。

(2)通过血流变效应改变血液分布。

(3)通过组氨酸和碳酸酐酶加强血液缓冲功能。

(4)通过红细胞产生大量的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(Q)和谷胱甘肽等内源性氧自由基清除剂。

(5)提高能量储备。

(6)胶体渗透压较高,可防止心肌水肿,并能产生较高的灌注压,有利于灌注梗阻远端的心肌。

•去极化停搏:升高心肌细胞外K+浓度来诱导的心脏去极化停搏,是目前心脏外科领域中应用最广泛的心脏停搏技术,但是去极化停搏后伴随Na+、Ca2+超载的离子平衡紊乱,将不可避免地导致心肌损伤;
•极化停搏:作为一种心脏高K+去极化停搏的替代技术,维持心肌细胞Em在极化状态,接近于静息Em。

心脏极化停搏具有以下一些优点:①由于极化停搏下的Em不能达到激活离子通道的阈电位,将减少离子运动,尤其是Na+和Ca2+;②Na+、Ca2+窗口电流不会被激活;③这种离子失衡程度的减轻,反过来将减少心肌细胞离子运动和维持离子梯度所需要的能量耗损。

Na+通道阻滞剂能够诱导心脏极化停搏;
•超极化停搏,作为一种心脏高K+去极化停搏的替代技术,维持心肌细胞Em在超极化状态,即低于静息Em。

其理论上的优点为:①在超极化停搏状态下,心肌细胞质膜中的离子通道或泵极少被激活,可减少心肌高能磷酸盐的消耗;②心肌细胞Em处于超极化状态,Na+和Ca2+通道关闭,减少缺血心肌细胞Na+和Ca2+超载,进而减轻心肌缺血/再灌注损伤。

研究表明,ATP敏感的K+通道开放剂和腺苷能诱导心脏超极化停搏。

目前常用的超极化停搏钾通道开放剂有nicorandil、pinacidil、oprikclim、cuomakalim等。

3)保护液或灌注液添加剂:
①氧自由基清除剂:常用的有SOD、CAT,而别嘌呤醇、二甲基亚枫
、甘露醇、还原型谷胱甘肽、辅酶Q10、维生素E等均作为清除氧自由基酶类的辅酶发挥作用。

②氨基酸:富含天冬氨酸和谷氨酸及磷酸肌酸的保护液,同时补充缺
血期被消耗的三羧酸循环路径上的中间产物,有利于增进氧化代谢的恢复和ATP的产生。

③去白细胞心肌保护液:应用细胞粘附抑制剂和细胞内粘附分子
(ICAM 1)的单克隆抗体,可减少白细胞聚集和由此引起的心室收缩和舒张功能的损害。

④Na+一H +交换抑制剂:HOE642(甲磺酸苯甲酰胍类化合物)是一种特
异的Na一H交换抑制剂。

⑤1,6-二磷酸果糖(FDP):外源性FDP能促进细胞内FDP成倍增加,从分子
水平改善心肌细胞的能量代谢。

4)灌注方法的改进:采用温血诱导(warm blood induction)停搏和/或终末再灌注(terminal reperfusion),冷晶体或冷血停搏液间断灌注维持停搏的方法可使心脏在有氧代谢下停搏,增加心脏能量的储备,减少心肌储能的消耗,并可控制复灌时的流量,使心脏又在静息状态下获得氧和能量,减轻或避免心肌的缺血和再灌注损伤,对已有损害的心肌起到主动复苏作用。

2.改善心肌代谢
以促进糖代谢和抑制脂肪酸代谢为主,这些药物大部分尚处在实验阶段,有的已进行了大规模的临床实验。

其次是能量代谢辅助因子,如辅酶
和镁等及补充天然营养素,包括氨基酸类,维生素类、ATP和腺苷等物质。

抗心肌缺血代谢药物治疗的策略
①增加心肌葡萄糖供应,促进葡萄糖摄取和糖原合成,如葡萄糖-胰岛素-钾(GIK);
②降低心肌脂肪酸供应(GIK、烟酸、β阻滞剂),抑制脂肪细胞释放脂肪酸,促进
脂肪细胞贮备脂肪酸;
③刺激葡萄糖氧化(二氯乙酰L、肉碱/丙酰L-肉碱),L-卡尼汀与细胞内不透过心
肌细胞膜形成酰基卡尼汀的酰基COA反应,使有害物质经肌浆网扩散进
入血液和尿中,排出体
④抑制脂肪酸氧化(曲美他嗪),其机制是增加丙酮酸脱氢酶(PDH)活性,降低线粒
体乙酰辅酶A,抑制β氧化;
⑤抑制CPT1(肉毒碱棕榈酰基转移酶);
⑥提高细胞对电解质的缓冲能力,减少氧自由基的产生,增加细胞膜的稳定性。

3.逐渐再灌注(gradual reperfusion)
又称温和再灌注(gentle reperfusion)或阶段性再灌注(staged reperfusion),是指再灌注时从零开始逐渐增加冠脉血流到不加以控制。

4.蛋白酶抑制剂的应用
蛋白酶抑制剂具有抑制水解酶、稳定溶酶体膜,抗炎、抗休克作用,免疫调节等作用。

抑肽酶停用(肾、心脑血管副作用)
有研究表明:乌司他丁能①降低血浆心肌酶水平,缩短心肌酶恢复时间;②抑制血浆心肌型脂肪酸结合蛋白(H.FABP)和肌酸激酶同工酶(CK-MB)释放;③降低血浆CK—MB、CK活性及cTnI浓度,而具有心肌保护作用。

5.浅低温心脏不停跳心内直视手术
CPB心脏不停跳方法:心肺转流前预充液加温,建立CPB后先缓慢灌注预充液100~200ml,开始上下腔静脉引流,然后逐渐使灌注流量达到拟定水平。

在鼻咽温度32℃左右阻断上下腔静脉。

若单独施行二尖瓣置换术,则不阻断升主动脉。

若施行主动脉置换术或双瓣置换术则需阻断升主动脉,同时进行机内氧合血冠状动脉窦逆行持续灌注,灌注压维持在35~60mmHg。

停机同停跳方法。

维持冠脉血液循环通常采用三种灌注方法:
(l)并循环法(非置管性顺行灌注法)不阻断升主动脉,由主脉灌注的氧合血经冠状动脉顺行灌注,术中冠状动脉流无中断,维持平均动脉压在8.1一10.7kPa(60~80mmHg),此种方法适合大部分的常规手术,如房,室间缺损修补,双腔右心室矫正术,Ebstein崎形矫正术。

(2)逆行灌注法:建立CPB灌注平稳后切开右房,经状静脉窦插人逆灌
管,利用CPB机的专用逆灌泵,输氧合血,阻断升主动脉同时作连续逆行灌注,灌注流量在200~250ml/min,灌注压5.6~6.7kPa
(42~50mHg),心内操作完毕后开放升主动脉恢复正常冠状动顺行灌注,此法适用于主动脉及其根部病变,室间隔损,二尖瓣病变等合并主动脉瓣关闭不全患者。

逆行注法不适用于合并有冠状动脉窦畸形,永存左上腔静,以及年龄较小的儿童。

(3)联合灌注法:在一些病变如多瓣膜病变,主动脉瓣病变合并其他畸形
等手术时结合利用上述两种灌注法,先用逆行灌注法完成主动瓣替换,再应用顺灌法完成其它手术操作。

优越性
并有如下几点良好的效果:(l)房缺、小室缺,法络氏三联症,肺动脉瓣口狭窄等的手术时间明显缩短,手术成功率近乎百分之百;(2)由于心脏不停跳,术中易发现心内畸形和手术操作效果。

一旦发现有畸形矫正不完全和有不足之处可即时纠正;(3)心胸比>0.70,心功能IV级,有肝肿大、腹水、病史长等高危病人,手术后无低心排综合征及严重心律失;(4)减少术中对心脏传导组织的损伤。

小结或展望
1、心肌缺血再灌注损伤的再认识;
2、心肌损伤早期标志物的筛选;
3、心肌肽的保护作用;
4、新的药物和技术的产生。

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