氧化應激在心肌缺血再灌注損傷中的研究進展

2021-06-14 12:53:12毛子奇袁偉

醫學綜述 2021年10期

毛子奇，袁偉

(江蘇大學附屬醫院心血管內科，江蘇鎮江 212001)

近年來，雖然循證醫學的發展和生活方式的改變極大降低了冠心病的死亡率，但心肌梗死仍是全球疾病死亡的主要原因之一，每年約有600多萬人死于心肌梗死[1]，對國民經濟造成巨大負擔。有研究表明，急性心肌梗死的發生率和死亡率與收入成反比，這可能由于高收入國家更多地使用了預防措施和進行血運重建[2]。隨著再灌注策略在臨床的廣泛運用，急性心肌梗死治療的重點已從降低死亡率轉移至改善患者的生存預后，避免梗死后心力衰竭的發生。然而，早期的血運重建雖然可以最大限度地挽救缺血心肌，但也會不可避免帶來另一種額外損傷，即再灌注損傷。因為再灌注會引發一系列事件，如氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥等[3-4]，可能會使缺血心肌遭受二次打擊，導致心臟結構和功能的損傷，帶來很多的梗死后遺癥。這些證據表明，可以通過分子和細胞信號轉導機制去了解疾病并從中找到治療方法。有文獻報道，早期再灌注會產生活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，而過量的ROS能夠導致鈣超載、凋亡、細胞因子上調以及DNA和蛋白質的改變[5]，進而加重心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion injury,MIRI)。因此，有效清除過量的氧自由基或ROS可能能為減輕MIRI提供理論基礎和治療靶點。現就氧化應激在MIRI中的研究進展予以綜述，旨在為臨床應用抗氧化治療預防再灌注損傷提供參考。

1 氧化應激與ROS

2 心肌細胞ROS的主要來源

2.2溶酶體生成的OH·溶酶體負責受損或過剩結構的調控，維持自噬降解。因其對多種含鐵大分子物質的降解，使區室內富含疏松的氧化還原活性鐵，可以與線粒體中逸出的少量H2O2發生芬頓反應，生成OH·[15]。而包括心肌缺血再灌注在內的大多數病理過程均可能會使氧化應激在線粒體被啟動，繼而生成大量的H2O2，放大這種線粒體與溶酶體之間的串擾現象，導致溶酶體內OH·不斷累積，促使溶酶體膜過氧化和透化，造成其穩定性喪失，釋放出大量組織蛋白酶，誘導細胞凋亡或壞死[15-16]。因此，通過靶向調控溶酶體內氧化還原活性鐵的含量來抑制過量ROS生成也是一種減少氧化應激損傷的潛在治療方法。

2.3內質網生成的ROS 內質網是高效合成和折疊蛋白質的重要場所，在氧化性蛋白質折疊過程中，二硫鍵的形成是一個主要過程。而蛋白質二硫鍵異構酶催化反應中每形成一個二硫鍵，均會產生一個氧化當量H2O2，這是內質氧化還原素1催化蛋白質二硫鍵異構酶再氧化的結果。而H2O2作為蛋白質折疊的副產物可以被谷胱甘肽過氧化物酶利用，減輕內質網氧化負荷[17]。但是缺血再灌注會增加未折疊蛋白應答的激活和錯誤折疊蛋白的積累，導致內質網應激這一病理改變。在此背景下，內質網氧化還原平衡失調，過量的H2O2無法被清除和利用[17-18]。同時，還有研究表明未折疊蛋白應答的激活可以通過影響線粒體功能導致ROS水平進一步升高[17]，這也從側面證明了上述mtROS的產生存在多種不同的病理機制。

3 氧化應激導致MIRI的機制

冠狀動脈閉塞引起的心肌缺血是心血管相關死亡的主要原因，而最常見的治療策略為早期恢復缺血區灌注[2]。但是再灌注時心肌會產生大量ROS，引起細胞死亡和功能障礙，導致原缺血組織的進一步損傷。同時，氧化應激導致MIRI的機制十分復雜，目前仍不清楚，現從以下幾方面進行探討。

3.2過度自噬基礎水平的自噬通常被認為是對壓力的保護性反應，它通過清除受損的蛋白質和老化的細胞器來維持細胞內穩態，但在心肌缺血再灌注期間，自噬并不總是具有保護作用，過度自噬會導致自噬體的大量積累和關鍵蛋白質及細胞器的異常降解[24]。以往研究表明，再灌注過程中的氧化爆發能夠促進p53/心肌素的信號轉導，誘導微管相關蛋白1輕鏈3脂化，上調自噬通量和自噬關鍵蛋白Beclin1表達，極大地提高自噬活性，導致心肌細胞死亡并加速缺血性損傷[24]。Dang等[25]的報道與這個觀點一致，缺血再灌注期間自噬通量受損以及自噬溶酶體功能障礙，這種無效自噬表現為自噬體的積累。自噬相關基因7是自噬體產生的關鍵因素，其充當泛素活化酶E1，在自噬體膜的起始和擴增中至關重要。在一項體內外實驗中，高級糖基化終末產物的可溶性受體被證實可以與細胞膜上的整合素相互作用，增強泛素蛋白酶體系統和信號轉導及轉錄激活因子3的活化，而信號轉導及轉錄激活因子3的活化可以抑制缺血再灌注期間細胞質中的氧化應激，從而減少自噬相關基因7的表達，抑制過度自噬的發生，改善心臟功能并減小梗死面積[25]。此外，有研究稱由于長期處于高糖環境，心肌缺血再灌注時的氧化應激水平顯著升高，而抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸可以通過抑制ROS，從而抑制過度自噬的形成，在糖尿病性心臟病的缺血再灌注中起保護作用[26]。相反，溶酶體膜上的通道蛋白粘脂蛋白1既是鈣的主要釋放者，同時也是氧化還原的傳感器，過量mtROS可以直接激活粘脂蛋白1，誘導鈣釋放，觸發鈣調磷酸酶依賴的轉錄因子EB核轉位，上調線粒體自噬，促進功能失調的線粒體和ROS的清除，降解受損泛素化蛋白，對氧化應激提供細胞保護，而線粒體自噬被抑制和自噬缺失在心肌凋亡過程中也被證明起到部分促進作用[27-28]。可見，自噬是對細胞壓力的應答，而維持其正常運轉在缺血再灌注中起重要作用。

3.3炎癥小體活化炎癥小體是一種多蛋白復合物，包含胱天蛋白酶1、凋亡相關斑點樣蛋白和核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)。作為固有免疫系統不可或缺的組成部分，炎癥小體的活化誘導胱天蛋白酶1切割消皮素D蛋白，使細胞不斷腫脹直至膜完整性喪失，并促進白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-18的成熟和分泌以及細胞內容物的泄漏，導致一種稱為焦亡的促炎形式的程序性細胞死亡[29]。近年有兩項研究均分別通過體內外實驗闡釋了NLRP3激活的兩種不同機制：前者在轉錄水平上由核因子κB驅動，在缺血再灌注損傷中，核因子κB被Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR) 信號通路以髓樣分化因子88依賴途徑激活，隨后刺激IL-1β、IL-18表達[29]。而后者在轉錄后水平上被誘導，包括NLRP3的激活，由許多激活因子驅動，如缺血再灌注損傷中過量的ROS[4]。因為在MIRI中NLRP3炎癥小體的激活至關重要，所以有學者提出通過抑制核因子κB和消皮素D蛋白可以減輕炎癥小體誘導的細胞焦亡[30]。同時以往研究顯示，不論是線粒體或是Nox來源的ROS，均可以上調硫氧還蛋白相互作用蛋白從而介導NLRP3炎癥小體的活化，導致細胞出現炎癥和焦亡[4,31]。而通過向動物模型腹腔注射抗氧化藥物可以阻斷硫氧還蛋白互作蛋白與NLRP3的相互作用，達到抑制NLRP3炎癥小體激活和IL-1β成熟的目的[31]。此外，糖尿病作為MIRI的獨立危險因素，其心肌缺血再灌注的發生率明顯高于非糖尿病患者，基于這些流行病學研究，也有實驗表明，再灌注情況下，高糖可以通過增加ROS的產生誘導NLRP3炎癥小體介導的心肌細胞焦亡[32]。因此，通過靶向NLRP3炎癥小體來限制炎癥損傷可能是缺血再灌注的一種新治療策略。

3.4免疫應答激活眾所周知，缺血再灌注會啟動免疫應答，進而激活急性炎癥反應，其特征為先天性和適應性免疫系統相關的免疫細胞募集和活化[33]。有證據表明，缺血心肌細胞除了作為靶器官外，還可以促進先天性免疫反應[34]。這種免疫反應的激活主要發生在受損心肌細胞釋放損傷相關分子模式與模式識別受體相互作用時，而ROS作為一個重要的損傷相關分子在整個過程中起推動作用[35]。在眾多模式識別受體中，TLR引起人們的廣泛關注，其中TLR4在心血管疾病中起重要作用。Vilahur和Badimon[35]發現，缺血30 min足以增強循環白細胞的炎性潛能并增加細胞因子的釋放，而這種全身性炎癥反應與缺血心肌中過量ROS誘導的TLR4-髓樣分化因子88信號通路的顯著上調有關。此外，巨噬細胞表型極化也是免疫應答激活的重要部分。有研究證實，過量的ROS可以促進巨噬細胞向M1表型極化，這可能由于C型凝集素受體、TLR、NOD樣受體等模式識別受體的激活[33]。當巨噬細胞向M1表型極化后，可以直接釋放腫瘤壞死因子-α、IL-1β和IL-23，同時上調趨化因子配體1和粒細胞集落刺激因子的分泌，間接介導中性粒細胞的浸潤及蛋白水解酶的產生。而中性粒細胞的募集會進一步加劇ROS生成，造成惡性循環，加重心肌損傷[33,36]。Formentini等[36]發現，靶向抑制mtROS可以使巨噬細胞從M1表型向具有抗炎作用的M2表型極化，從而減少細胞損傷。以上數據表明，免疫應答對MIRI存在較大影響。

4 MIRI的抗氧化治療和臨床局限性

近年來，氧化應激導致MIRI備受關注，但抗氧化治療的臨床轉化價值仍存在爭議。維生素C、維生素E和泛醌10等常見抗氧劑已在動物模型及臨床實驗中被證明可以通過部分清除ROS或自身氧化而抑制氧化爆發[37-38]。而丙酮酸乙酯這類具有臨床安全性的天然抗氧化劑，也被發現可以下調Nox活性從而抑制焦亡[4]。另有研究指出，臨床中的一些常用藥物，如二甲雙胍可以顯著上調抗氧化酶的表達以及抑制ROS介導的過度自噬[39-40]，而他汀類藥物可以有效降低血漿中過氧化物的水平，對減少氧化產生的DNA損傷有益[41]。但實際上，因為適量ROS具有特定的細胞內功能，而普通抗氧化劑在提供干預治療的同時會影響未遭受氧化損傷的健康組織，所以基于上述觀點，靶向抗氧化劑顯示出巨大潛力，如米托蒽醌甲磺酸鹽可以與親脂性三苯基膦結合，在線粒體內生成活性抗氧化泛素，在缺血再灌注模型中阻止mtROS產生[42]，而SS(Szeto-Schiller)肽等[43]靶向肽也可以起到類似作用。同樣，選擇性靶向溶酶體室的鐵螯合劑對減少其內部OH·介導的氧化損傷也有部分作用[44]。

此外，mPTP開放作為缺血再灌注最重要的損傷機制，其非特異性抑制劑環孢素已被報道可以通過抑制親環素D轉位繼而阻止mPTP開放，減少心臟手術期間的再灌注損傷[45]。然而，環孢素的免疫抑制特性及其不良反應大大限制了它的廣泛應用，有學者認為通過制備新型的線粒體靶向納米粒子可以減少環孢素對正常組織的免疫作用[46]。同時，也有研究稱多肽類藥物的預處理和后處理均能觸發蛋白激酶的信號瀑布級聯反應，從而抑制mPTP開放，具有增加再灌注后心肌耐受性的作用[47]。因此，親環素D特異性抑制劑的研發、新型生物材料技術的應用以及臨床藥物的運用需進一步探索。

5 小結

ROS以低濃度的形式作為生理信號因子貫穿于細胞正常的生長、遷移和死亡過程，但是再灌注在挽救瀕死心肌的同時也會促進琥珀酸積累，溶酶體串擾，內質網應激和氧化酶上調這些復雜的病理進程，導致ROS的過量積累，并通過mPTP開放、過度自噬、炎癥小體活化以及免疫應答激活等多種方式加劇心肌細胞損傷的發生發展，影響再灌注患者預后，而目前對這些潛在機制的研究仍處于初級階段，進行深入研究可能能為預防MIRI提供新思路。