運動對缺血再灌注損傷的保護機制

□杜俊儒 張利（中國礦業大學（北京）體育教研部 北京 100083）

1、組織缺血再灌注發生的機制

1.1、自由基損傷機制

氧化應激是造成缺血再灌注損傷的重要因素，在正常生理狀態下，機體自由基的產生與清除處于一種動態平衡狀態。機體組織發生缺血時，自由基（主要是以氮、氧為分子中心的活性氧類）也大量生成。此時局部由于缺血清除自由基能力降低，造成氧化產物過剩，不僅在胞內導致細胞發生氧化還原反應，損傷抗氧化系統，也會透過細胞膜引起細胞間的氧化應激損傷。缺血和再灌注均發生氧化應激反應，而再灌注階段的損傷更為嚴重?；謴凸┭脑俟嘧㈦A段，過剩的自由基在氧的催化作用下，發生氧化還原反應，造成細胞膜上脂肪酸的氧化，改變細胞膜功能和流動性；蛋白質羥基結構受到自由基氧化作用，造成酶功能、受體活性，以及結構完整性受到破壞，蛋白片段收縮和細胞轉運機制被破壞。同樣，DNA對氧化應激反應也非常敏感，導致基因突變，造成細胞死亡。若胞質內鈣離子超載將進一步導致ROS產物增多，加重缺血再灌注損傷。由此可見，進行預處理干擾，及時有效地清除自由基或防止自由基的大量生成，將成為干預缺血再灌注損傷的有效方法。

1.2、鈣離子超載

細胞內Ca2+是維持生命活動不可缺少的重要離子。線粒體鈣離子超載是導致缺血再灌注損傷的非常重要的原因，在組織再灌注損傷機制中起主導作用。正常情況下，胞外鈣離子濃度高于胞內，當發生缺血再灌注時，細胞膜結構和功能在自由基的沖擊下發生改變，通透性增加，胞外鈣離子大量內流；心肌缺血時糖酵解增加，Na/H交還蛋白激活胞外鈉離子大量內流，降低細胞內外鈉離子跨膜梯度，激活細胞膜上 Na+-K+-ATP酶和 Na+/Ca2+交換通道，缺血導致的ATP大量消耗導致 Na/K交換受到抑制，使得Na/Ca交換激活，導致鈣離子內流。細胞內的高鈣環境導致線粒體通透性轉換孔的開放，在線粒體內膜上鈣離子調節蛋白的作用下，線粒體內積聚大量的鈣離子，聚集在線粒體內的Ca2+形成磷酸鈣沉淀，抑制線粒體ATP合成。Ca2+還能激活線粒體上磷脂酶，引起線粒體膜損傷，改變線粒體膜通透性，引起Ca2+外流，使細胞由可逆性損傷變為不可逆性損傷。此外，胞內鈣離子超載之后，鈣離子/鈣調蛋白信號系統被過度激活，導致微管連接蛋白（MAP）迅速磷酸化，促進微管解體，破壞細胞骨架結構。

1.3、炎性反應機制

缺血再灌注損傷的病理過程非常復雜，與多種機制有關，其中炎癥反應是缺血再灌注損傷的重要因素之一。近年來淋巴細胞介導的免疫炎癥反應被認為在多種器官缺血再灌注損傷的發病機制中起到了重要作用。在心肌缺血再灌注損傷中CD3+T細胞中和CD4+T細胞減少心肌梗死面積，而Toll樣受體（TLRs）特別是 TLR-2和TLR-4，在輔助分子的協助下通過激酶級聯反應活化NF-kB或c-Jun激酶啟動相關靶基因轉錄，促炎細胞因子及趨化因子表達，如白細胞介素，腫瘤壞死因子等，介導炎癥反應造成心肌損傷；腎臟缺血再灌注大鼠有明顯腎小球腎炎表現，血清中白細胞介素1β和腫瘤與壞死因子α水平顯著升高，血清和腎臟中C-X-C型趨化因子受體4水平也明顯增加，提示腎缺血再灌注損傷以炎性反應為特征；心肌缺血后細胞壞死數量、心功能降低程度與炎性因子水平呈正相關，表明炎癥反應直接參與心肌缺血再灌注損傷的發生。

2、缺血再關注損傷的預防與治療措施

2.1、缺血、缺氧預處理

采取一定預處理方式調動機體產生對缺血再灌注損傷的耐受，是一種實用而有效的防治措施，目前一般采用有缺血預處理、缺氧預處理，以及藥物預處理等方式。缺血預處理產生的內源性保護現象已在多種動物缺血再灌注損傷模型上得到證實，提示缺血預處理的保護效應具有多器官普遍性。預處理保護效應機制涉及多種因素，可能與熱應激蛋白、ATP敏感性鉀離子通道、自由基，以及降鈣素基因相關肽等因素有關。離體細胞進行缺氧模擬缺血的預處理保護現象也在離體乳鼠神經細胞模型上得到證實。鑒于預處理保護的普遍性，以及簡便易行，這種內源性保護方法備受關注，在臨床外科領域得到廣泛應用。

2.2、藥物預處理

利用麻醉劑、阻斷劑、抗氧化劑等藥物或活性物質的藥理作用，直接或間接的產生類似于缺血或缺氧預處理的保護效應,以降低損傷幾率或增強組織細胞對再管再灌注損傷的耐受力。目前臨床上應用的主要有以下幾類藥物：（1）麻醉劑，如異氟醚、右美托咪定等；（2）離子通道阻滯劑，如氨氯地平，苯妥英等；（3）氧自由基清除劑，如白蘆藜醇；（4）蛋白激酶抑制劑，如烏司他丁；（5）減輕炎性反應的藥物，如血小板激活因子拮抗劑；（7）中草藥制劑的運用，如花青素、淡竹葉黃酮、黃芪甲苷等。

3、運動預處理抗缺血再灌注損傷的保護機制

3.1、運動預處理抗缺血再灌注損傷的保護效應

預處理是機體一種內源性保護現象，在臨床上主要應用于缺血性心、腦血管病的防治及器官移植的開展。但已有研究者將預處理手段應用于運動訓練，而且大量研究均證實，運動誘導機體產生內源性保護物質，能抵抗誘發心血管疾病的風險因素，降低心血管疾病的發病率；增強腦缺血性損傷耐受，具有顯著的腦神經系統保護作用；減輕運動性骨骼肌微損傷，避免延遲性肌肉酸痛的發生。在經過運動預處理之后機體組織對缺血損傷的敏感性降低，損傷的嚴重程度也隨之降低，規律性運動還能夠改善機體血脂，控制血糖，降血壓，抑制肥胖，而且運動預處理具有抗缺血再灌注損傷造成的心率失常、心肌頓抑、心肌梗塞等保護效果。近年來研究表明，運動產抗缺血再灌注損傷的保護作用不依賴于肌肉和血流動力學改變，而是一種由運動誘導機體產生的一種特異性生理適應反應。作為一種抗缺血再灌注損傷的保護措施，運動預處理對機體的保護效果與年齡和性別無關，而運動時間與運動強度也不影響運動預處理誘導機體產生的內源性保護效果。動物實驗結果發現3-5天的短期運動訓練產生的保護作用與長達10周的長期運動訓練所產生的保護作用無明顯差異。大鼠進行一次30min短時跑臺運動訓練之后具有部分抵抗缺血再灌注損傷導致的凋亡組織死亡的能力，而進行為期3天且最大耗氧量達55%-75%跑臺訓練的大鼠同樣具有抗缺血再灌注損傷導致的心肌收縮力下降的能力。大量研究已證實運動預處理的抗缺血再灌注損傷的保護作用，但對其保護機制的研究尚處于探索階段，目前研究發現主要與熱應激蛋白、鈣離子調節蛋白、ATP敏感性鉀通道（KATP通道），以及內源性抗氧化系統有關。

3.2、熱應激蛋白（HSP）與運動保護

熱應激蛋白（HSP）廣泛存在于機體各組織，熱應激、氧化應激等多種應激因素均能誘導其表達。在運動過程中出現的機體產熱現象對心肌來說是一種熱應激，誘導心肌細胞HSP大量表達。HSP的大量合成具有抗心臟損傷的保護作用，作為HSP成員之一的HSP72與家族其他成員相比，對外界刺激敏感性較高，可誘導程度也較高，抗缺血再灌注損傷的保護效果也更為顯著。有研究結果顯示，長期運動應激誘導骨骼肌HSP72大量合成，又有研究顯示小強度訓練未能誘導骨骼肌細胞HSP72的合成，兩種不同的實驗結果充分說明，運動抗缺血再灌注損傷的保護作用是由于運動誘導HSP大量合成這一觀點的爭議性。早期研究發現，HSP72大量合成與抗缺血再灌注損傷的保護機制之間存在著密切聯系，但是HSP72的大量表達是抗缺血再灌注損傷的因還是果未有明確解釋。為此，研究人員設計實驗，觀察在低溫環境下（4℃）運動與HSP72合成存在何種聯系。實驗結果顯示，與室溫條件下運動訓練相比，低溫環境中運動心肌HSP72大量合成受到抑制，當從室溫環境轉移至低溫環境中，心肌HSP72的表達與運動誘導的抗心律失常和抗組織死亡作用無相關性。

3.3、運動預處理與抗氧化

抗氧化系統是機體防御的重要方面，在受到自由基侵襲遭受氧化損傷過程中，機體的內源性抗氧化酶和外源性的抗氧化物質直接與自由發生作用，或消耗能夠產生自由的物質，抑制自由基氧化反應，維護機體細胞結構和功能穩態。生理狀態下，機體氧化與抗氧化處于動態平衡狀態，但缺血再灌注損傷時氧化性物質增加，抗氧化系統受到破壞，氧化與抗氧化的動態平衡被打破。機體抗氧化系統一般分為酶系統和非酶系統，各自通過不同的方式發揮抗氧化作用，包括：催化自由基活性消失、形成蛋白復合物阻斷自由基生成鏈式反應、對氧化損傷的蛋白基因進行修復，直接清除游離自由基等方式。在骨骼肌和心肌中對自由基的催化作用主要依賴于多種抗氧化酶的協同作用完成，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化酶（GSH-Px）、過氧化還原蛋白、硫氧還原蛋白。SOD廣泛存在于機體各組織，在心肌細胞內以兩種形式存在：一種是含銅、鋅金屬輔基的形式（CuZnSOD），一種是含錳金屬輔基的形式（MnSOD）。在非酶防御系統中，主要是含離子物質，尤其是一些蛋白結構中的金屬離子與自由基發生反應，組織自由基發生氧化還原反應造成機體損傷，包括轉貼蛋白、鐵硫蛋白等。熱應激蛋白家族也是重要的內源性抗氧化蛋白，具有直接或間接的抗氧化作用。此外，一些內源性小分子物質，尿素、谷胱甘肽膽紅素等也都具有清除自由的能力。外源性非酶抗氧化物質主要來源于食物，主要包括維生素C、維生素E、硒等，輔助內源性抗氧化作用，增強機體調節氧化應激功能。研究發現內源性抗氧化系統中，抗氧化酶MnSOD活性在經過運動訓練的心肌中保持著較高活性狀態，表明在運動預處理保護缺血再灌注損傷的機制中，內源性抗氧化酶MnSOD發揮著重要作用?？寡趸甘沁\動預處理介導的重要保護機制，細胞內的通路信號分子也同樣發揮著重要的作用。運動誘導內源性抗氧化蛋白的轉錄調節主要受運動代謝產生的氧化性產物的調控，這種調節作用與核因子E2相關因子2（Nrf2）激活II相酶有關。Nrf2在機體氧化應激反應中起著中樞調節作用，在正常生理狀態下，細胞內的Nrf2與胞質中Keap1蛋白相互結合，被結合的Nrf2無法從細胞質移位至細胞核。

ATP敏感型鉀離子通道（KATP）是一種與細胞代謝密切相關的弱內向整流鉀離子通道，包括心肌內膜ATP敏感型鉀離子通道（sKATP）和線粒體內膜ATP敏感型鉀離子通道（mKATP），生理狀態下胞內KATP活性與ATP濃度呈負相關。KATP廣泛分布于人和動物骨骼肌、神經元，以及平滑肌細胞，位于心肌內膜和線粒體內膜ATP敏感性鉀離子通道維持著正常的心臟功能，并在多種刺激因素的作用下介導心臟保護效應，抵抗缺血再灌注損傷，分布在骨骼肌細胞膜上的KATP可以緩解運動型疲勞的發生。正常生理情況下，細胞內KATP活性受抑制，處于關閉狀態，當機體發生缺血再灌注或處于運動狀態下，胞內能量消耗到一定程度時，KATP被激活打開。在缺血再灌注之前開放sKATP，可引起抗缺血再灌注損傷的保護效應，有研究發現SKATP是mKATP的激活因子，mKATP是缺血預處理的終末效應器，其相關分子機制尚未完全清楚，但可能與抑制缺血心肌胞內或線粒體鈣離子超載，降低缺血心肌心肌能量消耗，提升心肌細胞能量利用效率有關。有研究指出運動預處理明顯減少缺血再灌注后犬心肌梗死面積，而在應用mKATP通道抑制劑后，犬心肌梗死面積沒有明顯變化，說明mKATP介導了運動訓練抗心肌缺血再灌注損傷的保護效應，長期耐力運動訓練增加大鼠sKATP表達，小強度運動訓練也能激活正常小鼠脛骨前肌KATP高表達，又有研究表明運動訓練誘導mKATP開放并不依賴于胞內ATP濃度的降低，而在健康心肌中胞內ATP濃度處于動態穩定狀態，以上結果充分證明了運動預處理開放KATP，但也提示運動預處理誘導KATP開放存在著多種機制。

目前已知KATP激活因子PKC，在運動訓練心肌胞質中活性增強。而在非運動訓練試驗中，PKC也同樣能夠介導KATP開放保護心臟，應用PKC抑制劑后，運動訓練產生的抗缺血再灌注后心肌梗死的保護作用消失，以上結果提示PKC可能在運動預處理抗缺血再灌注損傷的保護效應中起著重要的媒介作用。而Carson等研究發現不同亞型PKC蛋白和基因水平在不同運動預處理心臟保護效應中的變化也有所不同。因此，PKC與KATP在預防缺血再灌注損傷保護中的作用機制需要進一步深入探索。

4、展望

缺血再灌注損傷的防治一直是醫學界研究的熱點，尋找到行之有效的防治方法和手段，對保護心、腦等重要器官，提升生命質量和改善人類健康具有重大意義。運動訓練是一種簡單健康的非損傷性應激手段，更易于被患者所接受，在臨床上也已取得一定的療效。但運動預處理抗缺血再灌注損傷的保護機制，尚處于探索階段，運動預處理所引起的細胞能量代謝變化、線粒體功能的調節、信號通路和離子通道的抑制或激活等內在機制仍需進一步探索，而且深入開展綜合性研究，依據不同器官特點結合多種內在作用機制，提出科學的運動治療方案（包括方式、強度、時間等），將為臨床缺血再灌注損傷性疾病的預防和治療提供安全保障，也必將為患者帶來無限的希望。