丙酮酸鹽液抗休克的實驗研究進展

田雨沫 孟祥熙 孫 奎 胡 森（審校）

（1.承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院燒傷整形科，河北 承德 067000；2.解放軍總醫(yī)院醫(yī)學創(chuàng)新研究部創(chuàng)傷修復與組織再生研究中心，北京 100048）

當突發(fā)事件（火災、戰(zhàn)爭、創(chuàng)傷等）發(fā)生時，機體可能會因嚴重創(chuàng)傷、大面積燒傷、大量失血（失液）等原因而發(fā)生休克。若沒有及時而有效的液體補充，低血容量性休克傷員病死率和后期并發(fā)癥發(fā)生率將顯著提高[1]。在這類患者的早期救治中，經(jīng)靜脈及時和充分的液體復蘇是最簡單而有效的方法，常規(guī)應用生理鹽水和乳酸林格液進行靜脈補液，但對于大面積燒傷或大量失血傷員，在大量補充電解質(zhì)過程中可能引起血氯升高而導致高氯性酸中毒，還能夠激活體內(nèi)的炎癥介質(zhì)，引起白細胞聚集，加劇脂質(zhì)過氧化，加重細胞和組織損傷[2]。近年來的實驗研究表明，丙酮酸鹽液對燒傷、失血等原因?qū)е碌牡脱萘啃孕菘孙@示出良好的保護作用，能夠顯著改善動物存活率，減輕多臟器功能損傷，糾正缺氧型乳酸性酸中毒（lactic acidosis，LA）等。可見，丙酮酸鹽液有潛力成為新一代補液鹽而用于缺血、缺氧、休克等急危重癥患者的早期救治。雖然丙酮酸鹽的抗休克研究已有20年之久，但目前仍局限于動物實驗研究階段，缺乏臨床試驗的支持，亟需得到臨床試驗的驗證。本文就近年來丙酮酸鹽液抗休克的實驗研究效果及其相關代謝與分子機制的研究進展綜述如下。

1 丙酮酸鹽的藥理特性和應用歷史

丙酮酸是人體內(nèi)源性的小分子物質(zhì)，是三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝的中間樞紐，在有氧氧化和無氧糖酵解過程中以及脂質(zhì)轉(zhuǎn)化和蛋白質(zhì)的合成與分解過程中均起關鍵作用。大量實驗研究證實，丙酮酸鹽液在改善細胞缺氧或無氧的耐受性、糾正缺氧型LA、抗炎和抗氧化、保護線粒體功能等方面具有獨特優(yōu)勢[3]，甚至還有學者提出丙酮酸鹽液在治療新型冠狀病毒肺炎中也有潛在的治療效果[4]。丙酮酸鹽研發(fā)歷史已近百年。早在1938年就有人將丙酮酸鹽靜脈輸注到人體中，且未產(chǎn)生臨床不良反應[5]。1999年Mongan等[6]將丙酮酸鹽應用于小型豬失血性休克實驗中，延長了動物的生存時間。21世紀以來，人們對丙酮酸鹽進行了大量實驗研究，顯示出對休克良好的治療作用，其機制包括擴充血容量，提高組織細胞對缺氧的耐受性，增強糖代謝、脂質(zhì)轉(zhuǎn)化、蛋白質(zhì)的合成與分解，糾正LA，抗炎與抗氧化，抑制細胞的凋亡，保護重要臟器和線粒體功能等[7]。因此，丙酮酸鹽有潛力成為新一代靜脈輸液或者口服補液產(chǎn)品。

2 丙酮酸鹽液抗休克的實驗研究進展

2.1 丙酮酸鈉鹽液抗燒傷休克的研究 丙酮酸鈉鹽液可以減輕休克、保護器官功能和改善生存率。犬燒傷動物模型研究證明，燒傷休克動物口服丙酮酸鈉鹽能有效增加腹腔臟器血流量，改善組織血流灌注，減輕多器官功能損傷，糾正LA，提高生存率[8-9]。口服丙酮酸鈉-葡萄糖液改善燒傷休克犬血流動力學和器官功能指標的作用顯著優(yōu)于碳酸氫鈉-葡萄糖液[10]。燙傷模型動物給予含丙酮酸鈉的口服補液鹽（Pyr-ORS）在恢復腸道吸收水、鈉方面較世界衛(wèi)生組織推薦的口服補液鹽（WHO-ORS）更具優(yōu)勢，且可以減輕休克導致的腸道損傷，其機制可能與丙酮酸鹽激活了腸黏膜Na+-K+-ATP酶和缺氧誘導因子-1（HIF-1）等信號通路有關[11-12]。

2.2 丙酮酸鈉鹽液抗失血性休克的研究 有學者發(fā)現(xiàn)給失血性休克豬模型靜脈注射高滲丙酮酸鈉，動物平均存活時間比高滲氯化鈉對照組延長了近1倍[（151.2±10.0）min比（74.8±8.2）min][6]；且大劑量靜脈注射丙酮酸鹽還可以改善豬的大腦皮質(zhì)代謝和功能狀態(tài)，延緩腺苷、肌苷以及次黃嘌呤的升高，降低大腦皮質(zhì)ATP和磷酸肌酸的消耗[13]。喻文等[14]在致死性失血大鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，口服一定濃度和劑量的丙酮酸鈉鹽糖液能較碳酸氫鹽糖液顯著提高大鼠失血性休克后24 h的生存率，糾正嚴重代謝性酸中毒，改善了休克后的血流動力學指標。

丙酮酸鈉可以有效糾正失血導致的致死性的LA。失血性休克后細胞、組織會發(fā)生缺氧，體內(nèi)出現(xiàn)LA，其病理生理改變是由于細胞不能得到有效氧供給，致使細胞缺氧；因缺血/再灌注損傷導致氧化應激反應和代謝紊亂而促使丙酮酸脫氫酶激酶（PDK）活性增高，使得丙酮酸脫氫酶（PDH）復合體這一糖的氧化代謝關鍵酶活性下降，氧化代謝受阻，積聚大量乳酸。而外源性丙酮酸鹽是一種PDH激活劑和底物，可以通過改善糖酵解和氧化磷酸化途徑，消耗大量氫離子，調(diào)節(jié)血液的酸堿度，進而部分或完全糾正LA，減輕組織和器官損傷[15]。研究顯示，丙酮酸鈉腹膜透析液用于大鼠失血性休克模型腹腔復蘇，對于減輕休克后腸道病理損害較傳統(tǒng)的乳酸鈉腹透液更為有效[16]。Yu等[17]也證明,失血性休克大鼠口服Pyr-ORS，在提高平均動脈壓和恢復腹腔臟器組織灌流方面較WHO-ORS效果更好。

2.3 丙酮酸鈉鹽液抗休克治療中不同給藥途徑的研究

2.3.1 靜脈補液 靜脈補液無論何時都是首選的液體復蘇方式。靜脈補充丙酮酸鈉鹽液可以避免因大量輸注0.9%氯化鈉溶液導致的高氯性酸中毒，也可避免輸注大量乳酸鈉林格液可能導致的血乳酸增加而抑制糖酵解過程，誘發(fā)或加重LA及炎癥反應[18]。血乳酸水平是衡量危重病預后的獨立指標之一。有研究證實，及時靜脈補充常規(guī)劑量的丙酮酸鈉鹽液，可有效減少失血性休克大鼠體內(nèi)的乳酸水平和乳酸/丙酮酸比值，糾正LA，改善血流動力學指標，顯著延長動物存活時間[19]。致死性燒傷犬丙酮酸鈉補液組傷后24 h平均動脈壓、循環(huán)血漿容量、血氣分析等指標均優(yōu)于乳酸鈉林格液補液組及未補液組，且血乳酸水平于傷后8 h逐漸趨向于正常[20]。將丙酮酸鈉鹽應用于哺乳動物休克模型中發(fā)現(xiàn)，丙酮酸鈉鹽增強了心肌的收縮功能，維持了細胞內(nèi)鈣離子的穩(wěn)態(tài)，并且其抗氧化作用還使β-腎上腺素能信號恢復[21]。孟祥熙等[22]研究顯示，致死性燒傷犬靜脈補充丙酮酸鈉林格液，燒傷后24 h全部存活，燒傷休克導致的器官損害也較補充乳酸鈉林格液組有明顯改善。還有研究表明，靜脈補充含有丙酮酸鈉的膠體液鹽（羥乙基淀粉液鹽）在保護腎臟功能方面要比生理鹽水組和醋酸林格液組都要優(yōu)越[23]。

2.3.2 口服補液 口服補液在靜脈補液出現(xiàn)之前，已經(jīng)廣泛應用于多種低血容量性（燒傷、失血、失液等）休克的治療。尤其是創(chuàng)傷、燒傷等意外事件發(fā)生時，短時間會出現(xiàn)批量休克傷員，且多由于條件的限制造成短期內(nèi)靜脈輸液難以實施或延遲實施，此時口服補液可以部分替代靜脈補液[24]；由于胃的排空和重吸收能力有限，雖然其在恢復組織灌注方面有一定的滯后性，但抗休克能力與靜脈補液效果相當[1]。喻文等[14]證實了經(jīng)口服Pyr-ORS的失血性休克鼠，血壓和腹腔臟器表面血流灌注顯著回升，其24 h存活率（45.8%）是碳酸氫鹽組（WHO-ORS,20.8%）的2倍。口服丙酮酸鈉鹽溶液對改善休克大鼠的肝臟、腎臟和腸道等器官血流量指標和臟器功能更為優(yōu)越，并糾正了因缺氧導致的LA，顯著提高了休克鼠存活率[17]。在犬燒傷液體復蘇中，Pyr-ORS的治療效果也明顯優(yōu)于含枸櫞酸鹽的WHO-ORS[9]。

2.3.3 腹腔補液 21世紀初，有人提出了腹腔補液抗休克的新型給藥途徑。腹腔注射常規(guī)的2.5%乳酸鈉腹透液可以抑制血管收縮，使內(nèi)臟血管擴張，提高內(nèi)臟器官的血流量，保護腸道功能[25-26]。Hu等[27]發(fā)現(xiàn)，在靜脈補液復蘇后，腹腔注射以丙酮酸鈉為基礎的腹透液能夠保護胃腸道黏膜屏障，逆轉(zhuǎn)內(nèi)臟器官的低血容量狀態(tài)，減輕了各臟器因休克導致的損傷，且其作用優(yōu)于乳酸鈉腹透液的作用。Lu等[16]在休克動物模型中證實，腹腔注射含有丙酮酸鹽的腹膜透析液糾正缺氧性LA的效果要強于含有乳酸鹽的腹膜透析液，并且能夠保護腸道中的緊密連接蛋白和血管舒張劑刺激磷蛋白的表達，減輕了黏膜屏障功能的損傷。Zhang等[28]也發(fā)現(xiàn)，在失血性休克鼠靜脈復蘇后，腹腔注射丙酮酸鈉腹透液可以使動脈血乳酸水平明顯降低，平均動脈壓升高，腸黏膜中性粒細胞和淋巴細胞浸潤程度較對照組明顯減輕，其機制可能與抑制炎癥反應、清除氧自由基、減少中性粒細胞浸潤、調(diào)節(jié)腸黏膜血流量和屏障功能有關。

2.4 不同濃度丙酮酸鈉鹽液抗休克的研究 眾多動物實驗證實，應用含有丙酮酸鈉的不同滲透壓溶液抗休克的效果均優(yōu)于0.9%氯化鈉溶液、乳酸鈉林格液以及碳酸氫鈉/枸櫞酸鈉口服鹽，可以改善休克造成的心、腦、肺、腎、胃腸道等器官的功能障礙，提高生存率和預后。Hu等[27]在丙酮酸鈉鹽抗休克的研究中發(fā)現(xiàn)，不同濃度的丙酮酸鈉鹽在腹腔復蘇中其治療效果存在差異，應用單純含2.2%丙酮酸鈉的溶液較相同滲透壓的丙酮酸鈉腹透液在改善內(nèi)臟器官功能上效果更好。沈會琴等[29]在失血性休克大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，不同濃度的丙酮酸鈉腹透液對于休克大鼠復蘇效果不同，在復蘇結(jié)束后的60～120 min，80 mmol/L丙酮酸鈉腹透液（PY2組）較40 mmol/L丙酮酸鈉腹透液（PY1組）平均動脈壓升高，休克復蘇的效果要優(yōu)于PY1組。Zhang等[30]發(fā)現(xiàn)，高濃度的丙酮酸鈉鹽對休克后大鼠腸道功能的改善作用要優(yōu)于低濃度的丙酮酸鈉鹽。在注射不同濃度丙酮酸鈉鹽的實驗中，注射丙酮酸鈉濃度在250 mg/kg以上的大鼠在改善腸道缺血上更有優(yōu)勢，但濃度太高可能會影響到內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[31]。Liu等[32]發(fā)現(xiàn)，燒傷休克大鼠經(jīng)口灌注低滲Pyr-ORS，無論是對生存率、全身血流動力學、內(nèi)臟血流量的影響，還是對重要臟器器官的保護都明顯優(yōu)于口服檸檬酸鹽(WHO-ORS)組，并且還可以部分逆轉(zhuǎn)乳酸引起的酸中毒。在另一項研究中，50%燒傷犬給予335 mOsm/L的等滲Pyr-ORS在改善血流動力學和多臟器功能方面，明顯優(yōu)于相同滲透壓的WHO-ORS[9]。

2.5 丙酮酸鈣鹽液抗休克的研究 劉翔宇等[33]的研究顯示，重度燒傷大鼠口服丙酮酸鈣補液鹽可以改善燒傷休克指標、減輕臟器的損傷和延長動物存活時間。但因所用口服液體中同時含有WHO-ORS/枸櫞酸鹽,而沒有進行與后者的對照比較，所以究竟是丙酮酸鈣的作用還是枸櫞酸鈉的作用還需要進一步研究確定。丙酮酸鈉的研究已經(jīng)超過半個世紀，大量動物實驗研究證實其在抗休克方面有著顯著的效果。而丙酮酸鈣鹽液在抗休克方面研究甚少，缺乏大量動物實驗及臨床試驗證實其復蘇效果。但丙酮酸鈣已有食品級原料產(chǎn)品，用作醫(yī)藥生產(chǎn)原料和食品添加劑。

3 丙酮酸鹽液抗休克機制的研究

3.1 提高細胞無氧/缺氧耐受性 在無氧/缺氧情況下，組織細胞發(fā)生無氧糖酵解，生成乳酸和NAD+，并產(chǎn)生少許能量，以維持細胞的基本功能。當外源性丙酮酸鹽進入機體后，丙酮酸鹽在無氧環(huán)境下有助于維持糖酵解過程，生成糖酵解ATP，維持細胞膜的完整性與細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。無氧/缺氧條件下，丙酮酸鹽可以抑制PDK，激活磷酸化PDH。活化后的PDH催化丙酮酸脫羧，氧化生成乙酰輔酶A（CoA），促進三羧酸循環(huán)，加快乳酸氧化，提高細胞內(nèi)pH值，糾正缺氧型LA，并生成線粒體ATP。丙酮酸鹽在缺氧環(huán)境下還能夠直接激活HIF-1和促紅細胞生成素（EPO）信號通路，強化糖酵解中相關酶的活性，進而改善細胞代謝[27,34]。犬體外紅細胞功能的觀察結(jié)果表明，在無氧環(huán)境中，紅細胞能維持ATP生成和ATP酶活性，提示丙酮酸鹽在無氧環(huán)境下可以保護組織細胞的代謝和功能[35]。此外，缺氧環(huán)境下丙酮酸還可以使被抑制的磷酸戊糖通路和山梨醇通路也得到了部分恢復[3]。因此，丙酮酸鹽可以提高細胞無氧/缺氧耐受能力。

3.2 糾正缺氧型LA 在休克動物模型的研究中可以觀察到，休克早期缺氧常并發(fā)LA；給予丙酮酸鹽能夠糾正酸中毒，此過程并不是化學反應中單純的酸堿中和反應。在糖酵解過程中，內(nèi)、外源性的丙酮酸鹽在不消耗能量的情況下可與細胞質(zhì)中的H+結(jié)合，通過乳酸脫氫酶(LDH)的作用還原成乳酸鹽，并生成NAD+，使NAD+/NADH比例提高，此過程消耗掉了H+，使細胞內(nèi)酸性降低，同時NAD+在糖酵解過程中被利用。作為PDH的刺激劑，外源性丙酮酸鹽能有效恢復氧化磷酸化過程，并消耗H+。此外，丙酮酸鹽可堿化細胞內(nèi)/外液的機制還在于：休克早期，糖原再生反應增強，應用丙酮酸鹽可以比乳酸鹽在細胞胞漿中的糖原再生過程多消耗一定量的H+；丙酮酸根緩沖系數(shù)較低，能更有效地糾正酸中毒。最早于1999年，就曾發(fā)現(xiàn)靜脈輸注丙酮酸鹽可以糾正缺氧型LA，提高休克動物的存活率[6]。之后，無論是失血性休克模型還是燒傷性休克模型，研究結(jié)果均表明口服Pyr-ORS能夠有效改善內(nèi)臟器官的血流量，并有效糾正缺氧導致的LA[9,11,17]。可見，丙酮酸鹽在糾正嚴重酸中毒、高碳酸血癥以及維持酸堿平衡等方面都具有潛在價值，并可改善重要臟器的潛在功能障礙。

3.3 抗炎和抗氧化 丙酮酸鹽在抗炎方面具有良好的效果。在正常生理條件下，氧自由基在細胞內(nèi)的產(chǎn)生與代謝維持著動態(tài)平衡。當機體受到損傷時，因體內(nèi)的活性氧產(chǎn)生增多或代謝途徑受阻，導致活性氧含量增多；丙酮酸根通過氧化脫羧與氧自由基發(fā)生反應，同時抑制核轉(zhuǎn)錄因子等炎癥介質(zhì)的激活，在DNA復制過程中抑制炎癥發(fā)生，從而起到抗炎效果[7]。丙酮酸根的抗氧化作用機制主要為：①在不需要酶和能量的情況下，可以直接與氧自由基結(jié)合；②經(jīng)體內(nèi)氧化型輔酶I或輔酶II/還原型輔酶I或輔酶II[NAD（P）+/NAD(P)H]和還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽（GSH/GSSG）的作用而起到抗氧化作用，并且還能通過糖酵解途徑，使NAD（P）+/NAD(P)H比值和GSH/GSSG比值均升高，增強抗氧化作用[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，在休克后缺血/再灌注損傷模型中，丙酮酸鹽通過降低氧自由基的含量來抑制中性粒細胞的浸潤起到抗炎、抗氧化作用[36]。

3.4 保護線粒體的功能 線粒體是細胞內(nèi)主要的能量轉(zhuǎn)化器，它可以進行能量轉(zhuǎn)換和生物氧化，其結(jié)構(gòu)及功能的穩(wěn)定性對于哺乳動物來說極為重要。當線粒體的結(jié)構(gòu)與功能受損時，機體產(chǎn)生的能量將大幅度降低，影響到機體的能量與代謝。丙酮酸鹽能夠有效地減少線粒體膜孔的通透性，限制其開放，抑制重要物質(zhì)的丟失，抑制促凋亡基因的表達，維持線粒體能量的產(chǎn)生并防止細胞凋亡[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，丙酮酸鹽通過抑制線粒體內(nèi)活性氧（ROS）的產(chǎn)生和氧化反應來維持線粒體膜電位的穩(wěn)定性[37]。Sharma等[38]通過輸注高滲丙酮酸鹽溶液、高滲鹽水、高滲β-羥基丁酸鹽對比發(fā)現(xiàn)，丙酮酸鹽能夠有效改善失血性休克模型線粒體的功能，并通過抑制線粒體中細胞色素C向胞內(nèi)的釋放過程，防止多聚聚合酶裂解引起的細胞凋亡。

4 展 望

綜上所述，丙酮酸鹽通過靜脈、口服或者腹腔補液對失血、失液、燒傷等引起的低血容量性休克動物模型均具有良好的治療效果，能改善血流動力學和組織灌注指標，減輕多臟器功能損害，糾正缺氧型LA，提高動物存活率，相關研究為未來丙酮酸鹽成為新型抗休克補液鹽提供了大量的實驗依據(jù)。深入研究表明，丙酮酸鹽液抗休克的機制與其增強細胞無氧/缺氧耐受性、糾正缺氧型LA、抗炎和抗氧化、保護線粒體功能有關。由于丙酮酸鹽在抗休克方面具有獨特的優(yōu)勢，在突發(fā)事件發(fā)生時（如火災、地震、戰(zhàn)爭等），現(xiàn)場通過靜脈、口服或者腹腔補充丙酮酸鹽液將成為一項較好的選擇。盡管丙酮酸鈉鹽目前仍缺乏食品級原料產(chǎn)品，限制了其臨床人體試驗，但是，長期以來已有多個臨床試驗報道大劑量靜脈注射和口服丙酮酸鈉用于心力衰竭、肝硬化、糖尿病和線粒體病等疾病治療有效且安全，為丙酮酸鈉的新藥開發(fā)奠定了基礎[39]。此外，靜脈注射液緊張時口服鹽曾在世界一流醫(yī)院成功推廣[40]，因此，Pyr-ORS有望成為休克液體復蘇的潛在急救藥物之一。