检验医学与临床杂志社

关键词：肥大细胞 丙泊酚 心肌细胞

黄孔申,王白云,王 蒙 综述,钟焕晖 审校

 

南华大学衡阳医学院附属南华医院麻醉科,湖南衡阳 421001

 

急性心肌损伤发生后,早期恢复冠状动脉血流进行再灌注是挽救缺血心肌、改善预后和降低病死率的关键,然而,再灌流后由于氧化应激损伤、钙超载、线粒体通透性转换孔的开放、炎症反应、心肌细胞凋亡等机制,心肌损伤反而加重,这种现象被称为心肌缺血/再灌注损伤(MIRI)[1]。我国的心血管疾病发病率处于持续上升阶段[2],随着人口老龄化程度加深、心脏病日趋年轻化及医疗水平的不断提高,伴发心脏病接受心脏及非心脏手术的患者数量呈逐年增多趋势[3]。MIRI不仅严重影响患者预后,还带来了巨大的社会、经济负担。丙泊酚是目前临床应用广泛的静脉全麻药物之一,在心脏介入、开胸、移植等手术中均能提供良好的麻醉效果。目前,许多研究发现丙泊酚对MIRI有一定的保护作用,但具体作用机制仍在不断探索中。本文针对丙泊酚抗MIRI的相关机制,尤其是近年来的研究发现进行总结,为后续的相关研究提供参考。

 

1 抗氧化应激、减少钙超载、抑制线粒体通透性转换、减轻炎症反应

丙泊酚对MIRI保护作用的此部分机制在较早时间研究相对较多,且互有联系,故一同进行简要叙述。事实上,MIRI的机制是十分复杂的,并不是某一机制单独造成了某些损伤,而是众多机制相互交织、共同作用的结果;比如,氧化应激是心肌细胞损伤后钙超载的原因之一,细胞内及线粒体内的钙离子升高后,过高浓度钙离子又可以导致线粒体氧化应激状态、释放大量活性氧(ROS)反过来加重氧化应激损伤。在信号通路调节方面,目前磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/p53(PI3K/Akt/p53)、丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)、核因子-κB(NF-κB)、核因子E2相关因子2(Nrf2)通路被发现是丙泊酚发挥抗MIRI作用的重要信号调节通路[4-6]。

 

在心肌细胞受到缺血再灌注损伤后,自由基水平骤增并攻击细胞的膜结构,与膜结构上的磷脂、酶和膜受体相关的大分子物质发生链式氧化反应产生丙二醛(MDA)、异前列腺素等脂质过氧化产物,继而使心肌细胞的结构与功能受到损伤。丙泊酚特异的化学结构使其具备抗氧化性,可以直接与自由基发生反应生成活性较低的苯氧自由基来减轻氧化应激损伤。此外,自由基从脂类中提取氢原子,生成中间体脂基,中间体脂基与氧结合形成的脂质过氧基能继续从另一个脂质分子中提取氢原子,形成了脂质过氧化的链式反应,丙泊酚可以干扰脂质过氧基的摄氢过程从而中断脂质过氧化来减轻细胞的氧化损伤。XIA等[7]利用离体大鼠心脏制作MIRI模型,以15-F2t-异前列腺素为评估心肌氧化损伤的指标,发现心肌缺血时15-F2t-异前列腺素水平越低,缺血后心肌功能的恢复越好,在缺血前、缺血中及再灌流早期应用丙泊酚,可显著减少15-F2t-异前列腺素的生成,保护心肌功能。在结扎大鼠冠状动脉左前降支模拟MIRI的模型中,丙泊酚预处理可明显降低MDA、乳酸脱氢酶(LDH)、肌酸激酶(CK)水平并呈剂量依赖性地减小心肌梗死的面积[4]。另外,丙泊酚良好的脂溶性使它易于分布在细胞的膜结构上,也促进了其抗氧化性能的发挥。

 

心肌细胞缺血缺氧后由于钠离子/钙离子交换增加、细胞膜结构被破坏等原因,心肌细胞内的钙离子迅速升高,导致细胞质和线粒体内钙超载,过高的钙离子水平不仅激活相关酶类产生有毒物质、促进炎症反应的发生,还能诱发心律失常,对心肌造成损伤。研究证实丙泊酚能抑制L型钙通道和T型钙通道的钙内流,可减轻钙离子超载而保护心肌细胞。另外,WANG等[8]还发现丙泊酚能够直接抑制通过非选择性阳离子通道瞬时感受器电位香草醛受体亚型4(TRPV4)的钙内流而产生心肌保护效应。

 

在氧化应激损伤、细胞内高钙等因素的刺激下,心肌细胞在恢复血流灌注期间线粒体通透性发生转变、通透性转换孔mPTP开放,导致线粒体膜电位丧失、氧化磷酸化解偶联、线粒体内小分子物质进入细胞质而水涌入线粒体,基质肿胀,无法维持修复细胞损伤所需要的能量,最终线粒体破裂死亡。mPTP开放的程度可以决定心肌细胞最终是恢复还是坏死或者凋亡。研究证实,丙泊酚可以减少mPTP的开放,在JAVADOV等[9]的实验中,丙泊酚可以减少离体大鼠心脏缺血再灌注后心肌细胞线粒体通透性转换孔的开放,但对于单独分离的线粒体却没有作用,故推测丙泊酚抑制mPTP开放的作用不是直接作用于线粒体实现的,而是通过丙泊酚的抗氧化性、减少钙超载等其他作用机制而间接实现的。

 

炎症损伤也是MIRI的重要机制之一。心脏受到缺血再灌注损伤后,一方面,循环中的白细胞很容易通过受损的血管内皮细胞进入间质组织;另一方面,受损的心肌细胞释放高迁移率族蛋白1(HMGB1)、白细胞介素(IL)-1α、热休克蛋白、低分子透明质酸、补体因子等物质,这些物质与进入间质后的白细胞上的模式识别受体(PRRs)结合,进而激活MAPK、NF-κB等通路使大量致炎因子表达,包括炎症细胞因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、IL-1β、IL-6、IL-18和中性粒细胞趋化因子等,造成进一步损伤[10]。炎症反应持续时间延长最终可能导致心肌细胞死亡、心脏收缩功能受损、心脏破裂和纤维化等严重后果。丙泊酚可以抑制中性粒细胞引起的炎症反应,使大鼠血清中促炎因子TNF-α、IL-6的水平降低,抗炎因子IL-10水平升高[11]。赵松等[12]研究发现丙泊酚可降低MIRI大鼠心肌组织中NF-κB的表达及活化从而减轻炎症反应,还能下调促凋亡基因Caspase-3的表达、抑制心肌细胞凋亡。在另一项研究中,大鼠在结扎冠状动脉左前降支前以丙泊酚静脉注射,结果显示丙泊酚组较缺血再灌注组血清中TNF-α、IL-6和单核细胞趋化蛋白(MCP)水平更低,心肌梗死的面积更小[13]。

 

另外,一些研究在探索丙泊酚对MIRI保护作用的同时,也常常能发现促凋亡基因Caspase-3、Caspase-12的活性降低,Bcl-2等抑凋亡基因活性升高[13-14],故推测丙泊酚也有抑制心肌细胞凋亡的作用,这也从侧面印证了丙泊酚发挥抗MIRI效应的各种机制之间是存在紧密联系的。在未来研究丙泊酚发挥保护作用机制的同时,探索各机制之间的相互关系也许对于阐明丙泊酚对于MIRI的保护机制更有帮助。

 

2 抑制铁死亡

铁死亡是一种全新的细胞死亡方式,在形态学、生物化学、遗传学上与凋亡、焦亡、自噬等有着明显的区别,它主要由细胞内氧化还原反应失衡引起,依赖于细胞内富含可利用的铁及细胞内脂质过氧化反应的驱动,细胞内谷胱甘肽耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性下降是铁死亡发展过程中的重要因素。一些研究已经证实铁死亡参与了MIRI的病理生理进程[15]。GAO等[16]在离体小鼠心脏缺血前10 min分别应用去铁胺(铁螯合剂)及化合物968(谷氨酰胺酶抑制剂),再灌注后去铁胺组、化合物968组较对照组的左室舒张压恢复更好、心肌梗死面积更小,再灌流期间LDH的水平也更低,提示抑制心肌细胞铁死亡可以减轻MIRI。近期的一项研究中,LI等[5]用铁死亡诱导剂erastin刺激H9C2细胞(大鼠心肌细胞)后,ROS、MDA、铁水平升高,抗铁死亡酶GPX4水平降低,丙泊酚预处理可以通过AKT/p53信号通路明显减轻上述效应,并且在离体大鼠MIRI模型中也获得了类似的结果。

 

以上实验结果表明,丙泊酚可以通过抑制铁死亡来减轻小鼠/大鼠MIRI。目前,以铁死亡为靶点来实现器官保护是研究的热点。鉴于细胞内氧化还原反应失衡在铁死亡病理过程中的重要地位,丙泊酚发挥抑制铁死亡的效应也许与其本身的抗氧化性有关。后续研究丙泊酚在心肌细胞铁死亡中发挥作用的具体机制或许也可以为其他器官的保护提供研究思路。

 

3 减轻心肌细胞自噬

细胞自噬是将细胞内异常的蛋白质及破损的细胞器运输到溶酶体内进行消化、降解的过程,使有效成分得以循环利用,目前研究表明细胞自噬参与了MIRI病理生理进程,微管相关蛋白1轻链3(LC3)的加工修饰、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路的调节及Beclin1基因表达增强在其中发挥了重要作用。在MIRI中,缺血早期的自噬可以发挥保护作用,而再灌注期间过度的自噬会加重心肌损伤。NOH等[17]研究发现,丙泊酚可以显著减少缺血再灌注后大鼠心肌细胞中自噬空泡、LC3的生成,降低了Beclin1的表达及mTOR磷酸化水平。王平等[18]在SD大鼠心肌缺血前10 min至再灌注结束前20 min通过大鼠的股静脉静注丙泊酚,Western blotting检测发现丙泊酚组较缺血再灌注组LCⅡ/LCⅠ的比值降低,并且LCⅡ/LCⅠ比值与心肌梗死面积存在显著正相关。以上研究表明,丙泊酚可减少心肌细胞的过度自噬从而减轻MIRI。

 

4 抑制肥大细胞的活化

肥大细胞是起源于骨髓的一种多分化细胞,它们的前体会迁移到富含结缔组织的器官并分化为常驻的成熟肥大细胞。肥大细胞激活后脱颗粒释放的组胺、5-羟色胺、过氧化物酶、类胰蛋白酶、糜蛋白酶、肾素等有毒介质参与了MIRI的病理过程[19]。YU等[20]发现离体大鼠心脏在缺血前灌注丙泊酚可减少化合物48/80(肥大细胞促泌剂)导致的肥大细胞脱颗粒,同时,心肌损伤标志物LDH、肌酸激酶同工酶(CK-MB)、肌钙蛋白I(cTnI)的水平升高、心肌梗死面积增大等负面效应也被丙泊酚部分逆转。在最近的一项研究中,LI等[21]发现尽管丙泊酚对MIRI后肥大细胞的数量没有明显影响,但是抑制了肥大细胞的脱颗粒现象,使特异性产物类胰蛋白酶的表达降低,从而减轻MIRI,推测丙泊酚的上述效应是通过抑制钙库操控性钙通道而实现的。

 

因此,丙泊酚可通过抑制肥大细胞的活化来发挥抗MIRI作用。另外,由于肥大细胞释放的众多毒性介质参与了多种疾病的病理过程,丙泊酚的抗肥大细胞激活作用也为其在麻醉镇静之外的应用提供了新的可能性。

 

5 影响长链非编码RNA(lncRNA)和微小RNA(miRNA)的表达

lncRNA和miRNA都属于非编码RNA的一种,随着研究者们对缺血再灌注损伤机制研究的深入,它们在其中扮演的角色也逐渐引起关注。研究表明,丙泊酚可影响心血管系统miRNA的表达,可通过上调miRNA-181a的表达减轻蒽环类药物诱导的大鼠心肌损伤[22]。LI等[14]在研究中发现,大鼠心脏在缺血再灌注损伤后,心肌组织中miRNA-451表达下降、HMGB1表达升高,丙泊酚预处理减轻心肌损伤的同时也上调了miRNA-451表达、下调HMGB1的表达,使用miRNA-451抑制剂可部分逆转丙泊酚的保护作用,在miRNA-451基因敲除的大鼠中,丙泊酚的相关保护效应也被减弱。CHEN等[23]的研究也证实,丙泊酚可以通过上调HOX转录反义RNA(lncRNA HOTAIR)的表达,下调miRNA-17-5p的表达减轻大鼠MIRI及缺氧/复氧诱导的H9C2细胞损伤。此外,还有研究发现丙泊酚通过调节肺腺癌转移相关转录本1(lncRNA MALAT1)和miRNA-206的表达减轻MIRI[24]。

 

6 小 结

丙泊酚有着起效快、苏醒迅速、并发症少、安全性高等特点,是目前临床应用最广泛的静脉全身麻醉药物之一,它的器官保护作用也受到研究者们的持续关注。阐明丙泊酚对于MIRI的保护作用及其机制,可以为相关手术围术期应用丙泊酚提供确切依据的同时,也为临床防治MIRI提供新的方向和思路。然而,对于各种相关机制的研究,最终要回归到疾病治疗本身才能使广大患者真正受益。目前,丙泊酚对MIRI保护效应的相关探索还主要集中在体外和动物实验,在符合伦理学要求的情况下,有必要进行人体和临床的相关实验,做更进一步的验证和探索。