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防护心肌再灌注损伤的药理学研究
原作者: 王 钧 发布日期:2005-12-04
美国纽约州立大学州南医学中心麻醉系 中国徐州医学院麻醉医学研究所   再灌注损伤的表现包括心律不齐、可逆性收缩功能障碍——心肌顿抑、内皮功能障碍以及细胞死亡。可能的机制为氧自由基形成、钙超载、中性粒细胞介导的心肌及内皮损伤、流向再灌注心肌的微循环血流进一步下降、高能磷酸储备的耗竭等。本综述的目的是总结过去实验研究来阐明用药物减少再灌注损伤的可能性。已经研究了许多种药物,特别是氧自由基清除剂、抗氧化物、钙通道阻滞剂、中性粒细胞抑制剂、一氧化氮、腺苷相关制剂、肾素-血管紧张素抑制剂、内皮受体抑制剂、Na+/H+交换抑制剂、麻醉药及抗凋亡药物。在这些研究中,只有一部分药物被证明有确切的作用。有些研究结果甚至相互矛盾可能与以下几个因素相关:动物种类、侧枝血流的程度、缺血时间、给药时间、药物浓度、给药方法以及心脏保护作用最终的不同判断标准(梗死面积、心肌功能、内皮功能或心律不齐)。   1. 氧自由基清除剂/抗氧化剂   再灌注损伤发展的关键过程是氧自由基(包括超氧阴离子、过氧化氢、过氧亚硝酸盐以及次氯酸)的产生。自由基包含一个不成对的电子并且高度活化,在再灌注一开始大量氧恢复供应时在实验条件下引起自由基爆发性的产生,同样在临床急性心梗的病人进行血栓溶解或PTCA时和进行开心手术时都可发生。自由基的释放,并且缺血引起抗氧化活性降低导致心肌脆弱易损。氧原子易与细胞磷脂及蛋白发生反应,引起脂类过氧化作用及巯基团氧化作用,随后导致膜超微结构的改变和各种细胞蛋白的功能障碍。   氧自由基清除剂或抗氧化剂被证实包括超氧歧化酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌呤醇、铁螯合物去铁胺。抗氧化剂包括维生素E及维生素C,在一研究中,给以冠脉左旋支阻断90分钟,接着24小时复灌,缺血前或复灌前15分钟左房给以超氧歧化酶及过氧化氢酶能减少最终的梗死面积,而在复灌后40分钟给药没有明显效果。说明氧自由基损害是一早期事件。此研究说明合适的给药时间非常关键。在另一研究中,予以猪冠脉左前降支阻断缺血,超氧歧化酶逆行性地通过大的心脏静脉进入心肌组织,可使心肌梗死面积下降。而同样剂量的超氧歧化酶通过左心房给药则无效,这说明了侧枝循环的重要性。猪缺乏冠脉侧枝,使得在持续冠脉左前降支阻断期间给予氧自由基清除剂无效。氧化应激反应的有害作用已通过抗氧化剂如维生素E类似物和脂类过氧化作用抑制剂具有心脏保护作用得到证实,由于维生素E高亲脂性而且进入组织慢,所以在急性情况下维生素E的作用有限。相反,维生素E类似物有更高的亲水性,能有效的减少缺血/再灌注损伤。在45分钟冠脉阻断接着5小时复灌的大鼠模型上,IRFI042,一种新的维生素E类似物,在再灌注开始后5分钟给药能剂量依赖性减少梗死面积。脂类过氧化作用是氧自由基介导损伤的主要机制,再灌注前短时间逆行性地通过冠状静脉给予脂类过氧化作用抑制剂H290/51能降低45分钟左前降支阻断、4小时再灌注猪的心肌梗死面积。   再灌注心律失常和心肌顿抑能被氧自由基清除剂或抗氧化剂所改善。在90分钟冠脉阻断,接着1周再灌注狗模型上,再灌注前和再灌注1小时后给予重组体超氧歧化酶能减少再灌注心律失常。急性冠脉血栓在给血栓溶解剂前给予超氧歧化酶能减少再灌注心律失常及保护心肌功能。超氧歧化酶、过氧化氢酶和其他抗氧化剂还能提高缺血后心肌收缩功能。在缺血前或再灌注前1分钟而不是再灌注后1分钟给药也能改善心肌顿抑,这说明再灌注后立刻产生的自由基对心肌顿抑起关键作用。[NextPage]   2、钙拮抗剂   钙离子超载可能通过几种途径导致缺血/再灌损伤:(1)在复氧时诱导过量的肌丝激活。(2)细胞内钙的升高引起线粒体钙的提高,这导致线粒体产生ATP的能力下降,限制了肌细胞的代谢恢复。(3)大量钙-激活的蛋白酶可能破坏重要的胞内结构,在缺血前或在复灌时短时的低钙灌注有效地保持缺血后的心肌机械功能,钠离子/钙离子交换和电压门控钙通道是钙内流的最可能通路。   心肌缺血诱导前应用钙离子拮抗剂在心肌缺血/再灌注中有心肌保护作用。钙拮抗剂的有效作用和减弱收缩力和/或变时能量储备作用,以及抗氧化剂或一氧化氮合酶的调节有关,钙拮抗剂不仅有抗缺血作用,也对由再灌注引起的心肌损伤有保护作用。钙拮抗剂在复灌前或开始时应用有保护作用表明其有抗再灌注损伤作用,在复灌早期通过LAD给予低剂量的硫氮唑酮能减少猪心脏的心梗面积,在复灌开始时12分钟内是最关键的时间点。其表明在复灌前5分钟开始逆行冠状静脉输注钙拮抗剂硫氮唑酮30分钟能减少最终的心梗面积,当复灌时间延长到24小时能观察到非浴地平(felodipine)的相似有效的作用,钙拮抗剂已被证明能减少复灌心律失常和减轻心脏顿抑,维拉帕米减少大鼠和猪的复灌心律失常,在遭受冠状动脉阻断的狗随后给予3小时复灌,从复灌前2分钟到复灌后5分钟冠脉内输注硝苯地平能显著提高缺血后收缩功能和减少复灌期间的室颤,而从复灌一开始到复灌30分钟后给药不能改变收缩功能或室颤。   3、中性粒细胞抑制剂   中性粒细胞对于复灌损伤的发展很重要,其通过释放氧自由基、蛋白酶和前致炎介质增加中性粒细胞渗入受损的心肌,减少中性粒细胞的损伤方法包括中性粒细胞的耗竭、中性粒细胞的直接抑制和在内皮细胞和中性粒细胞上细胞粘附分子的抑制,应用中性粒细胞的抗体或中性粒细胞滤过清除,可减少无复流区域和梗死面积;相反,在复灌开始将中性粒细胞加入用缓冲液灌注的心脏能明显增加心肌功能障碍。   在复灌期间,在中性粒细胞和内皮细胞上的粘附分子之间的相互作用对于中性粒细胞的聚集是一个关键,这相互作用导致中性粒细胞的滚动、粘附、游出。粘附分子分为三个家族:选择素家族、整合素2、免疫球蛋白超家族。几个研究已经评估了阻滞粘附分子抑制中性粒细胞介导的损伤,因而减少再灌注损伤的效果,给予狗静脉应用抗CD11b/CD18单克隆抗体45分钟,随后冠状动脉结扎90分钟,或72h复灌,可明显减少梗死面积,这和减少受损心肌中性粒细胞的聚集相关,另外,在复灌前10分钟,静脉应用抗ICAM-1,P选择素,L-选择素和PECAM-1抗体减少中性粒细胞的粘附或游出,并能减少大于50%的心梗面积,这些研究支持这个概念:中性粒细胞的渗入在再灌注损伤的发展中起了重要作用。 [NextPage]   4、腺苷   腺苷在正常心肌呈现低浓度,而在缺血和复灌期间通过诸如ATP、ADP、AMP高能磷酸键的水解作用提高其浓度,腺苷通过肌细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞、中性粒细胞上的特殊受体介导一系列反应,腺苷还被表明在缺血预处理中能介导抗再灌注损伤的保护作用。冠状动脉结扎后在复灌开始时冠脉内给予腺苷能保持内皮结构,减少中性粒细胞聚集,提高局部心室功能和减少梗死面积,腺苷A1、A2、A3受体亚型的特异激动剂减少梗死面积。   5. 补体系统抑制剂 在缺血和再灌注期间补体系统的激活会导致过敏毒素C3α,C4α和C5α,以及末端补体复合物和定位在细胞膜上的膜攻击复合体的形成。补体因子可以通过增加细胞通透性、组胺释放和血小板激活因子直接诱导细胞损伤。补体因子,特别是C5α也可以刺激中性粒细胞粘附和过氧化物的产生。磷脂酶C1、抗C5α的单克隆抗体、C5α受体拮抗剂可以抑制补体系统级联反应,从而减少心肌缺血和再灌注导致的梗死面积。   6. 一氧化氮(NO)   内皮源性NO产生多种生物学作用,它在心肌缺血再灌注期间有保护作用。NO是一种有力的血管扩张剂,在再灌注时可以改善血流。NO抑制中性粒细胞粘附血管内皮,并能清除再灌注期间大量生成的过氧化物。缺血期后的再灌注期间NO生物利用度降低,因超氧化物增多导致NO失活增多而且产量也比平时降低。内皮功能紊乱发展迅速,在再灌注开始后的最初几分钟即可观察到。全心缺血后再灌注的大鼠心脏中,钙依赖性NO合酶活性显著下降,这表明NO产量的降低是通过抑制内皮组成型NO合酶。基于再灌注期间NO生物利用度的降低,使已形成的NO更多地到达作用部位或给予外源性NO可能会对缺血再灌注所造成的损伤起到保护作用。在猫和狗的多种缺血再灌注模型上,给予融于水中的NO或NO供体可以减少梗死面积。使用NO的供体精氨酸在在体实验中可以减少梗死面积,在离体实验中可以促进心肌功能恢复。精氨酸的心肌保护作用不能重复,并且可以被NO合酶抑制剂阻滞,这就支持精氨酸是通过促进NO合成来发挥作用的观点。当精氨酸和NO供体在再灌注之前或刚开始时给予就可以减轻心肌损伤,表明起心肌保护作用的有效成分是NO。在比野生型大鼠缺少合成NO合酶基因的老鼠中,梗死面积更大而且缺血后心肌功能恢复下降,这就证实了这一观点:内源性NO可以保护心肌缺血再灌注损伤。NO在缺血再灌注期间可以发挥抗心律失常作用。有一种NO供体已被表明可以抑制猪冠状动脉阻塞时发生的心律失常,抑制NO合酶增加鼠和兔心再灌注诱导的心律失常的发生率。 NO产生心肌保护作用的几种可能机制包括:(1)由于抑制粘附分子如P选择素、ICAM-1和VCAM-1的表达,减少中性粒细胞在再灌注心肌区的聚集;(2)使过氧化物失活。NO迅速与过氧化物反应,生成过亚硝酸盐,这种物质活性很高,在高浓度时有细胞毒性,但在低浓度时有心肌保护作用。(3)改善血流并减少无复流区。[NextPage]   7. 内皮素-1(ET-1)受体拮抗剂   ET-1是存在于血管内皮细胞、血管平滑肌和肌细胞中的一种有力的肽类血管收缩剂。在心肌缺血和再灌注时ET-1的产量和血管收缩作用加强。在冠状动脉结扎90分钟的狗冠状动脉内注入肽类ETA受体拮抗剂BQ123可以减少梗死面积40%。低分子量非肽类的选择性ETA和混合的ETA / ETB受体拮抗剂例如LU135252及bosentan也可以减少梗死面积。两种类型的拮抗剂经局部和全身给药都得到同等程度的心肌保护作用,这就提示它们都是通过位于受损心肌上的ETA受体起作用的。 ETA受体拮抗剂的作用机制是:(1)扩张血管,减少无复流现象。(2)抑制中性粒细胞。ETA受体拮抗剂能显著的改善缺血后用中性粒细胞再灌注的心室功能。ET-1促进中性粒细胞聚集,而LU13525则抑制中性粒细胞聚集。(3)抑制ET-1诱导的过氧化物生成,由于激活磷脂酶C,还可以增加细胞内钙浓度。(4)伴随有NO的生成。在猪冠状动脉结扎后再灌注的模型上,ETA受体拮抗剂LU135252减少心肌梗死面积的作用可以被NO合酶抑制剂阻滞。NO合酶抑制剂抑制LU1352525的心肌保护作用可以被精氨酸所逆转,这就提示它的心肌保护作用依赖于NO的生成。(5)减少缺血期的室颤发生率。内皮源性的ET-1在缺血和再灌注期间有致心律失常作用。ETA受体拮抗剂LU135252和混合的ETA / ETB受体拮抗剂TAK可以减少鼠和猪再灌注期间的心律失常。   8、肾素-血管紧张素系统(RAS)抑制剂   血管紧张素Ⅱ是RAS的关键产物,能够增加骨骼肌和平滑肌细胞内钙离子的水平,使舒张功能受损,冠状动脉收缩。血管紧张素Ⅱ是交感神经末梢释放去甲肾上腺素的重要调质,调节局部的心脏和血管的交感活性。病理生理水平的血管紧张素Ⅱ具有心脏毒性,可导致心肌坏死。血管紧张素Ⅱ的这些作用在心肌缺血/再灌注中可能是有害的。   血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂可减少再灌注心律失常和梗死面积,改善心脏功能。卡托普利的对心肌缺血/再灌注损伤的保护机制可能和清除自由基有关,还可能有其它机制。ACE不仅能够刺激血管紧张素Ⅰ转化为血管紧张素Ⅱ,还能够加速对心脏产生保护作用的缓激肽的降解。缓激肽B2受体拮抗剂能够消除ACE抑制剂的心脏保护作用。   现已确认了两种血管紧张素Ⅱ受体亚型:AT1和AT2。现认为血管紧张素Ⅱ和心血管作用主要是通过激活AT1受体产生的。无论在缺血前或缺血再灌注前即刻给予AT1受体阻滞剂candesartan和EXP3174,都能减少猪的心肌梗死面积。AT1受体阻滞剂也能减少再灌注心律失常。在AT1α受体敲除的大鼠,再灌注后室性早搏的发生数远远低于野生型大鼠。   AT1受体阻滞剂由于去除了血管紧张素Ⅱ的负反馈作用,可引起血管紧张素Ⅱ水平的升高,随后激活内皮细胞的AT2受体,导致缓激肽生成增加,产生心脏保护作用。事实上,已有报道,AT2受体阻滞剂PD123319和缓激肽B2受体拮抗剂icatibant可以消除candesartan减少猪心梗面积的作用。缓激肽B2受体拮抗剂HOE140可以减少AT1受体阻滞剂,losartant的对全身缺血/再灌注兔的离体心脏的保护作用。缓激肽B2受体的激活可以刺激环氧合酶和NO合酶的生成,使前列腺素和NO合成/释放增加,这可能和AT1受体阻滞的心脏保护效应有关。[NextPage]   9、Na+ / H+交换抑制剂:(NHE抑制剂)   心肌细胞的Na+ / H+交换对调节细胞内PH和钠、钙离子内稳态起重要作用。由于以下两方面的因素,在再灌注早期从药理学方面来看抑制Na+ / H+交换可能是有益的。(1)抑制Na+ / H+交换,心肌细胞的H+外流减少,有助于维持再灌注早期的缺血细胞内的低PH值。再灌注早期持续的胞内酸性状态可能有保护心肌免受再灌注损伤的作用。(2)抑制Na+ / H+交换可减少Na+内流,随之减少钙内流,从而减轻钙超载。用NHE抑制剂HOE-694、cariporide或EMD-85131预处理,可减少猪、兔、狗的心肌梗死面积。有研究表明,无论在缺血和再灌注或仅在再灌注时,给予NHE抑制剂HOE-694和cariporide都有剂量依赖性的减少兔、猪、狗的再灌注诱导的心律失常的作用。   10、麻醉药   越来越多的研究表明,麻醉药有心肌保护作用。相当多的研究表明挥发性麻醉药、吗啡、异丙酚可减少缺血 / 再灌注引起的心肌损伤。面对其他临床常用的麻醉药如芬太尼、氯胺酮、巴比妥类和苯二氮 类的研究较少,它们的保护作用机制仍不清楚。麻醉药可能的保护机制如下:(1)类似缺血预处理效应。(2)干扰中性粒细胞 / 血小板与内皮的相互作用。(3)减少胞内钙超载。(4)类似抗氧化剂的效应。不同的麻醉药可能有不同的保护机制。临床上应用麻醉药来诱导保护作用的方法还有待进一步研究。目前,异氟醚、七氟醚、吗啡是最有希望作为预处理诱导产生保护作用的药物。在缺血后,异丙酚能够选择性减少缺血 / 再灌注损伤,将来临床广泛的应用还有赖于进一步根本机制的阐明和临床试验的结果。[NextPage]   11.抗凋亡剂   致死性的再灌注损伤可能由两种死亡的形式组成,坏死和凋亡(程序性细胞死亡)。凋亡过程是在缺血开始后的不久发生的,由于在再灌注期间,高能磷酸化物质的补充,细胞质、线粒体Ca2+超载,及氧自由基的产生而变得更加显著。抑制凋亡过程应该减少与再灌注期间不可逆损伤的联系。在再灌注早期,抑制Caspase?凋亡过程中的关键的蛋白酶,能显著减轻局灶缺血35分钟,复灌120分钟的大鼠心脏的梗死体积。缺血再灌注期间的凋亡也能被SOD和触酶取消,表明凋亡依赖氧化应激。另外,缺血再灌注介导的凋亡也能被抗 C5补体成分的单克隆抗体所抑制,C5补体与中性粒细胞浸润有关。以上结果表明凋亡可能是决定缺血再灌注损伤的一个重要的靶点。   12.联合用药   心肌的再灌注损伤是包括多种机制的一个复杂的过程。已被证实能抑制再灌注损伤的具有不同的药理学特性的化合物表明缺血再灌注损伤可能是有多个始动因素或是一个瀑布样反应的事件。这可以通过比较联合用药与单一用药的效果来证实。在一个猪的心肌缺血再灌注模型,用钙离子拮抗剂felodipine?脂质过氧化剂H290 / 51及AT1受体阻滞剂candesartan的鸡尾酒配方已被研究,鸡尾酒配方比单一用药能明显减少梗死体积。另一个研究证实猪90分钟低流量缺血及120分钟复灌后,ACE抑制剂ramiprilat和AT1受体阻滞剂candesartan都能使梗死体积减少50%,联合使用比单独使用更能减少梗死体积。   效果叠加的机制现在仍不清。一种可能是这些成分通过不连续的路径发挥了心脏保护作用,这样联合时就有一个叠加作用。另外一种可能是一种共同的保护介质的强化,如血管舒缓激肽 / NO,有实验表明它参与了ACE阻滞剂、AT1受体阻滞剂、ET-1受体拮抗剂的心肌保护作用。   结论   几种不同药理性质的药物干预实验能减轻心肌缺血再灌注损伤。保护作用不仅在实验模型的正常的未受损伤的血管,而且在高血脂和动脉硬化模型中出现,一个重要的问题是是否这些作用在临床上也能被证实。在本文提到的化合物大都已在临床上使用。因此,局部应用这些药物,在临床上如PTCA早期,通过气囊导管释放这些物质就有可能减轻缺血再灌注损伤。最近,一些临床研究已经开展了腺苷和cariporide作为辅助用药的研究。而要弄清这些药物在急性心肌梗死中抑制心肌损害的明确作用还需要大规模的临床研究。   王钧教授,1982年毕业于徐州医学院,留校任助教,1989年徐州医学院麻醉学专业硕士毕业。1992-1993年在美国哈佛大学医学院生理和生物学中心任访问学者。1994-1995年在美国纽约州立大学布鲁克林医学中心任助理研究员。1995-1997年分别担任徐州医学院麻醉学系副主任、麻醉医学研究所副所长。现为美国纽约州立大学、布鲁克林医学中心麻醉医学部助理研究员、美国神经科学学会会员,主要从事吸入麻醉药对人体生理机能的影响及机制的研究。