鈣超載與心肌缺血再灌注損傷

1、    鈣超載與心肌缺血再灌注損傷        中分類號(hào)：R541.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3934（2000）04-0227-04Calcium Overload and Ischemic-Reperfusion Injury in MyocardiumXu Xin-chun(The Shanghai Xuhui District Central Hospital,Shanghai200031）WANG Wen-jian（Combination of Chin

2、ese Traditional and Western medicine Institute,Huashan Hospital of Shanghai Medical Universtity,Shanghai200040)Abstract:The myocardial ischemia occurs when the blood supply of coronary artery cannot meet the energy needs of myocardium.Certain time and certain extent ischmia can give rise to cell inj

3、ury.Reperfusion is the essential measure to prevent the injury,but it was found recently that reperfusion could aggravate the injury.The pathogeny mechanism of ischemia-reperfusion(I-RI) injury remains incompletely elucidated.The thesis summarize the mechanism of I-RI only from calcium overload.Key

4、word:calcium overload;ischemia-reperfusion injury;myocardium冠脈供血量不能滿足心肌對(duì)能量的需要時(shí)即發(fā)生心肌缺血，缺血一定時(shí)間一定程度，會(huì)引起組織細(xì)胞的損傷，這是眾所周知的。血液的重新灌注是防止損傷，使組織細(xì)胞存活下來的必要措施。但近年來人們開始意識(shí)到，再灌注不一定使缺血損傷的組織細(xì)胞得到恢復(fù)，在一定條件下反而加重了損傷，由此逐漸形成了缺血-再灌注損傷概念（ischemia-reperfusion injury,I-RI）。1977年Hearse首次提出再灌注損傷概念以來，有關(guān)這方面的報(bào)道很多，但關(guān)于I-RI的發(fā)病機(jī)制目前仍未徹底闡明，

5、本文僅從鈣超載方面對(duì)I-RI的發(fā)生機(jī)制及防治作一綜述。1研究現(xiàn)狀1.11972年Shen和Jennings1發(fā)現(xiàn)犬心臟冠狀動(dòng)脈短暫閉塞后復(fù)灌可加速細(xì)胞內(nèi)Ca2+的積聚，并首次提出鈣超載之說，從而，Ca2+在再灌注損傷中的作用-直成為人們研究的重點(diǎn)。正常心肌細(xì)胞中，細(xì)胞外Ca2+濃度比細(xì)胞內(nèi)高出4 000倍以上。在靜息時(shí)心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+是通過以下3個(gè)不同的機(jī)制來維持這種濃度差的：（1）限制Ca2+滲入；（2）將細(xì)胞內(nèi)Ca2+分隔；（3）逆濃度差將Ca2+排出細(xì)胞。Ca2+作為細(xì)胞內(nèi)第二信使，其主要作用是調(diào)節(jié)大量的細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)以維持細(xì)胞正常的功能。細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡狀態(tài)紊亂后引起的Ca2+內(nèi)流和C

6、a2+分隔機(jī)制的失調(diào)導(dǎo)致缺血再灌注心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載。有研究表明再灌注時(shí)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載是通過Na+/Ca2+交換或Ca2+調(diào)蛋白激酶依賴的途徑實(shí)現(xiàn)的。以往關(guān)于Ca2+超載的文獻(xiàn)主要是從電鏡和微量灰化法中得出的形態(tài)學(xué)資料。大多內(nèi)流的Ca2+都局限于線粒體基質(zhì)內(nèi)的致密體內(nèi)，這些致密體是細(xì)胞Ca2+超載的顯示器，因?yàn)樗鼈兣c線粒體保持形態(tài)學(xué)的一致性。這些觀察不久就被許多研究人員所支持2?，F(xiàn)已知道線粒體內(nèi)Ca2+的大量?jī)?nèi)流是再灌注收縮早期的特征現(xiàn)象。當(dāng)心肌細(xì)胞缺血40分鐘時(shí)，發(fā)生了一些形態(tài)學(xué)變化，包括肌纖維水腫、線粒體腫脹和I型帶心肌纖維松弛。這時(shí)并沒有Ca2+流入線粒體的跡象。然而當(dāng)再灌注發(fā)生

7、時(shí)，心肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)突然發(fā)生，包括收縮帶的發(fā)展、心肌纖維的斷裂和肌纖維膜的破壞，細(xì)胞急劇腫脹，并出現(xiàn)線粒體內(nèi)致密體，后者是細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載的信號(hào)。放射性Ca2+的研究也支持形態(tài)學(xué)資料。缺血60分鐘45Ca2+明顯吸收，而缺血40分鐘加10分鐘再灌注后發(fā)現(xiàn)45Ca2+的吸收增加18倍3。用47Ca2+測(cè)量Ca2+的吸收也證明了再灌注心肌內(nèi)有大量Ca2+的獲得4。同位素Ca2+資料表明，大量Ca2+超載是由于Ca2+內(nèi)流增加而不是流出減少。運(yùn)用現(xiàn)代高科技已經(jīng)知道，Ca2+超載在心肌細(xì)胞發(fā)生致命損傷前也能發(fā)生。例如用Ca2+熒光探針表明，早在心肌缺血90秒時(shí)就已發(fā)生細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加5。短

8、暫缺血后再灌注早期，可見細(xì)胞內(nèi)Ca2+暫時(shí)升高，而缺血30分鐘后復(fù)灌則表現(xiàn)為漸進(jìn)的穩(wěn)定的Ca2+增加6。1.2應(yīng)注意的是，細(xì)胞內(nèi)Ca2+檢測(cè)與形態(tài)學(xué)研究結(jié)構(gòu)有矛盾之處，后者在缺血早期并無Ca2+i升高的證據(jù)，提示缺血期與再灌注期Ca2+超載的機(jī)制有所不同。目前關(guān)于Ca2+超載的機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)：1.2.1電壓依賴性Ca2+通道：缺血時(shí)，在特殊中樞遞質(zhì)（如去甲腎上腺素）或特殊細(xì)胞表面受體作用下Ca2+通過電壓敏感性（慢）通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)7，這些慢鈣通道在心肌興奮收縮耦聯(lián)中起著重要作用。在動(dòng)作電位的高相早期，Ca2+進(jìn)入慢通道，觸發(fā)Ca2+從肌漿網(wǎng)釋放，這就是眾所周知的Ca2+誘導(dǎo)的Ca2+釋放。

9、Ca2+通道阻滯劑可降低心肌缺血再灌注損傷的證據(jù)支持Ca2+通道在再灌注損傷中的作用8。但有研究表明，Ca2+拮抗劑不能阻止再灌注期Ca2+超載9。大多用Ca2+拮抗劑的研究表明，在缺血前給藥才有效，發(fā)生缺血損傷后給藥未發(fā)現(xiàn)有阻止Ca2+超載的作用。很明顯，Ca2+拮抗劑的心肌保護(hù)作用主要是由于在缺血時(shí)快速中止電活動(dòng)和收縮活動(dòng)，為缺血后細(xì)胞的修復(fù)過程保存能量。1.2.2Na+/Ca2+交換：大量的資料支持Na+/Ca2+交換在再灌注期間起重要作用1012。25年前，Glitsch等13就承認(rèn)Na+/Ca2+交換是Ca2+進(jìn)入細(xì)胞的一個(gè)重要途徑。研究表明，在這種交換系統(tǒng)中每3個(gè)Na+與1個(gè)Ca2

10、+交換。心肌缺血和再灌注可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Na+濃度的增加14，與缺血再灌注有關(guān)的室性心動(dòng)過速和室顫可以導(dǎo)致Na+積聚，能量消耗引起的鈉、鉀三磷酸腺苷酶（Na+-K+-ATPase）活性抑制也會(huì)引起Na+內(nèi)流積聚。Na+滲入的另一個(gè)也許更重要的途徑是Na+與H+交換。缺血時(shí)糖元的生成和三磷酸腺苷（ATP）的分解導(dǎo)致乳酸積聚，均可引起細(xì)胞內(nèi)酸中毒。再灌注一開始，當(dāng)適當(dāng)?shù)墓诿}流量建成后，細(xì)胞外pH值變?yōu)檎?，引起一個(gè)跨膜pH梯度，因而為Na+通過Na+/H+交換而內(nèi)流提供了一個(gè)最佳環(huán)境。不少研究已著手通過抑制Na+/Ca2+交換來達(dá)到降低心肌缺血再灌注損傷的目的。最有效的藥物是阿米洛利，一種抑制鈣內(nèi)流

11、的保鉀利尿劑。阿米洛利可以同時(shí)提高低氧復(fù)氧鼠心臟的收縮和舒張功能，降低Ca2+內(nèi)流超載，抑制激酶釋放和促進(jìn)心肌肌節(jié)收縮15，16。最近的研究顯示，對(duì)心肌缺血再灌注損傷起作用的是對(duì)Na+/H+交換的抑制。有人推測(cè)，將生理性pH轉(zhuǎn)變?yōu)樵俟嘧r(shí)的pH時(shí)，可以刺激Na+/Ca2+交換引起Ca2+積聚17。用Na+/H+交換抑制劑再灌注心肌，能抑制細(xì)胞外液pH的升高，同時(shí)減輕再灌注損傷的現(xiàn)象支持了上述假設(shè)。與此相比，Na+/Ca2+交換抑制劑雖可降低再灌注時(shí)Ca2+濃度，但不能防止再灌注損傷。也許在再灌注損傷中，pH值較之Ca2+起著重要的作用。1.2.3鈣調(diào)蛋白：線粒體中產(chǎn)生的ATP有助于再灌注時(shí)細(xì)胞

12、內(nèi)Ca2+積聚。推測(cè)，某種蛋白激酶在需能階段引起的Ca2+內(nèi)流中起作用。缺血期間，蛋白激酶C從細(xì)胞內(nèi)移到細(xì)胞膜上，當(dāng)形成磷脂-甘油-鈣的復(fù)合物時(shí)蛋白激酶C被活化18?；罨牡鞍准っ窩可以通過刺激Na+/H+交換機(jī)制而引起Ca2+流入細(xì)胞內(nèi)19。蛋白激酶C也可通過Ca2+通道途徑改變Ca2+內(nèi)流。現(xiàn)已知有兩種不同的蛋白激酶依賴Ca2+而存在：蛋白激酶C和Ca2+調(diào)節(jié)依賴性蛋白激酶（鈣調(diào)蛋白）。鈣調(diào)蛋白在心臟中很豐富。因此人們普遍認(rèn)為許多細(xì)胞內(nèi)鈣活性是由這種鈣受體蛋白調(diào)節(jié)的，這種假設(shè)被拮鈣調(diào)蛋白有利于心肌保護(hù)的事實(shí)所支持。例如在離體豬心中，用一種高度特異的鈣調(diào)蛋白阻止劑CGS9343B，可以加強(qiáng)缺

13、血后心肌的恢復(fù)，提高局部和整體心肌功能，保存高能磷酸化合物，降低激酶的釋放20。1.2.4NO與Ca2+：一氧化氮（NO）是近年來引起人們注意的無機(jī)氣體自由基具有獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物學(xué)活性，幾乎對(duì)全身各系統(tǒng)都有影響。因其含有1個(gè)不配對(duì)電子，故屬自由基。NO脂溶性極強(qiáng)，易擴(kuò)散到鄰近組織細(xì)胞中與靶物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生一系列生物學(xué)效應(yīng)。最近有報(bào)道推測(cè)，NO在心肌收縮性蛋白調(diào)節(jié)中可能起重要作用，如NO可以降低離體心肌的收縮力21。在鈣調(diào)蛋白參與下，細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)NO合成酶的激活起重要作用22，在這種環(huán)境下，內(nèi)皮細(xì)胞中Ca2+的增加可能誘導(dǎo)自L-精氨酸至NO的產(chǎn)生并導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈的松弛通過環(huán)磷酸

14、腺苷（cAMP）水平的增加。最近有人推測(cè)NO和環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）在Ca2+內(nèi)流中可能起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用23。利用NOS（NO合成酶）和鳥甘酸環(huán)化酶的（GC）抑制劑，有人證實(shí)細(xì)胞內(nèi)貯存的Ca2+在NOS產(chǎn)生NO的過程中有顯著的調(diào)節(jié)作用，NO激活GC形成cGMP。而當(dāng)cGMP被NOS/GC抑制劑阻斷后，則表現(xiàn)出恢復(fù)Ca2+內(nèi)流的能力。另外，NO可以不依賴cGMP機(jī)制降低細(xì)胞內(nèi)Ca2+，從而對(duì)細(xì)胞有保護(hù)作用24。一般認(rèn)為，NOS可以通過黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黃素核苷酸（FMN），在Ca2+參與下將還原型輔酶（NADPH）的電子轉(zhuǎn)移到分子氧上，形成超氧離子或H2O225。各種鈣調(diào)蛋白拮抗劑或

15、鈣調(diào)蛋白約束蛋白可以抑制NOS的催化活性26。最近研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+可以在mRNA水平上調(diào)節(jié)NO的產(chǎn)生。另一研究顯示，在水溶液中能產(chǎn)生NO的NO供體化合物能抑制肌漿網(wǎng)中Ca2+的釋放27。在骨骼肌中，當(dāng)培養(yǎng)基中加入L-精氨酸時(shí)，Ca2+釋放降低。這種效果可以被L-NAME一種NOS抑制劑中止。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，NO直接影響肌漿網(wǎng)Ca2+的釋放機(jī)制，因?yàn)橥庠葱詂GMP不能阻止Ca2+的釋放。最近幾年的研究表明，NO是由內(nèi)皮細(xì)胞合成的，是一種“內(nèi)源行硝基類血管擴(kuò)張劑”，具有重要的生理及病理生理意義。大量的實(shí)驗(yàn)證明內(nèi)皮細(xì)胞衍生的舒張因子（EDRF）就是NO或亞硝基復(fù)合物（R-O-NO）28，29。

16、以上可知，細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載在心肌缺血再灌注損傷發(fā)病機(jī)理中起中心作用。缺血期由于缺血細(xì)胞膜去極化以及電壓敏感性和配位體把守的慢鈣通道的開放，一部分Ca2+會(huì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。這些內(nèi)流的Ca2+能否增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平，在很大程度上依賴于內(nèi)流的Ca2+量與細(xì)胞內(nèi)隔離室分隔Ca2+和將Ca2+排出細(xì)胞外能力的平衡。然而，即使是少量的Ca2+也可作為一種信號(hào)激發(fā)一些代謝活動(dòng)，并能影響再灌注損傷的最終嚴(yán)重程度。2問題與展望缺血再灌注期，Ca2+確切的細(xì)胞內(nèi)機(jī)制至今仍未完全明了。高水平的細(xì)胞內(nèi)Ca2+很容易激活一些細(xì)胞內(nèi)酶，包括鈣敏感性蛋白酶和磷脂酶。磷脂酶A2和蛋白激酶C的活化可致脂肪酸（重要的花生四烯酸

17、）的形成?；ㄉ南┧岵粌H通過其清潔劑樣性能干擾細(xì)胞膜，而且作為一種電離劑吸引更多的Ca2+。另外，花生四烯酸還是環(huán)氧化酶的重要底物。花生四烯酸的活化可導(dǎo)致前列腺素和血栓素的形成，前者是氧自由基產(chǎn)生的底物。另一方面，磷脂酶C催化的磷酸肌醇的水解能產(chǎn)生1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG），前者可動(dòng)員細(xì)胞內(nèi)Ca2+，后者能激活蛋白激酶C，間接地通過Ca2+通道和Na+/H+交換加劇Ca2+超載。有假說認(rèn)為，這種蛋白酶可導(dǎo)致黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)化為黃嘌呤氧化酶，然后催化形成次黃嘌呤和黃嘌呤。這兩種嘌呤都是心肌缺血再灌注期氧自由基形成的必需底物。因此，Ca2+可能有助于氧自由基的形成導(dǎo)致再灌

18、注損傷。通過對(duì)鈣超載和氧自由基作用-缺血再灌注損傷兩大發(fā)病機(jī)制的深入研究，人們已發(fā)現(xiàn)兩者之間可能存在密切聯(lián)系。Ca2+超載可能首先發(fā)生，然后導(dǎo)致自由基產(chǎn)生；也有人認(rèn)為，氧自由基的產(chǎn)生可早于Ca2+超載并為細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流做準(zhǔn)備。例如氧自由基可能通過改變細(xì)胞膜的氧化還原狀態(tài)而影響細(xì)胞內(nèi)外鈣離子的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子超負(fù)荷30。另外，氧自由基可通過使收縮蛋白變性，降低其對(duì)鈣的敏感性；Na+-K+-ATPase對(duì)自由基非常敏感，此酶失活可以成為Ca2+內(nèi)侵的主要因素31。而心肌內(nèi)過多的鈣也可通過鈣依賴性酶（如Na+-K+-ATPase）活性的改變，增加氧自由基的產(chǎn)生。隨著對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣超負(fù)荷理論

19、以及再灌注損傷另一可能機(jī)制氧自由基理論的深入研究，氧自由基損傷理論與鈣超負(fù)荷理論有可能最終有機(jī)地聯(lián)系在一起。目前對(duì)缺血（缺氧）再灌注（再給氧）損傷的防治主要是針對(duì)上述發(fā)病機(jī)制從拮抗Ca2+、清除自由基、抗中性粒細(xì)胞以及穩(wěn)定（保護(hù)）細(xì)胞膜等方面著手；中草藥對(duì)I-RI或（A-RI）的保護(hù)作用也受到注意和重視，而且對(duì)其有效成分也進(jìn)行研究。如紅景天、丹參、黃芪、甘草、黨參等對(duì)I-RI或A-RI均具有一定的保護(hù)作用。有資料表明黃芪有效成分清除超氧自由基的效能順序依次為總黃酮、皂甙類化合物和多糖化合物，而紅景天甙清除氧自由基的作用優(yōu)于酮類32，且紅景天甙具有較好的抑制Ca2+超載和抗氧自由基的作用。鑒于I

20、-RI或A-RI的發(fā)生機(jī)制尚未完全弄清，因此對(duì)其防治措施仍在探索過程中，現(xiàn)在仍不能說已有了肯定的行之有效的防治措施。徐新春（上海市徐匯區(qū)中心醫(yī)院，上海200031）王文?。ㄉ虾ａt(yī)科大學(xué)附屬華山醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合研究所，上海200040） 參 考 文 獻(xiàn) 1Shen AC,Jennings RB.Kinetics of calcium accumulation in acute myocardial ischemic injuryJ.Am J Pathol,1972,67:441-4472Kloner RA,Ganote CE,Whalen DA,et al.Effect of transient

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