ATP敏感性鉀通道與環氧化酶2介導心肌缺血再灌注損傷的研究進展

聶曉麗 藺雪峰 韓軒茂 李陽 郭茹

(內蒙古科技大學包頭醫學院 1研究生學院，內蒙古 包頭 014040；2第一附屬醫院心內一科)

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(CHD)是因冠狀動脈部分或完全阻塞導致心肌缺血和缺氧性損傷，目前被視為一種慢性炎癥性疾病〔1〕。急性心肌梗死(AMI)作為CHD中最嚴重的一類，其發病率和死亡率在逐年增高〔2〕。隨著溶栓治療和原發性經皮冠狀動脈介入治療(PCI)的廣泛應用，再灌注治療已成為缺血性心臟病的有效治療手段，但AMI的死亡率約為5%，近年來未見下降。造成這種情況的原因是臨床實踐中缺乏能夠高效預防心肌缺血再灌注(I/R)損傷(MIRI)的藥物。MIRI可產生惡性心律失常、血壓突然下降、心功能不全等嚴重的不良后果甚至致死性，因此減輕MIRI造成的損傷，尋求新的治療策略迫在眉睫。

MIRI可對心肌細胞造成不可逆損傷，降低細胞活性。目前AMI最有效的搶救措施是及時、有效的恢復缺血心肌的血液灌注，心肌缺血缺氧性損傷最主要是發生在心肌恢復血液灌注后。據已有報道，在MIRI過程中活性氧(ROS)直接導致組織細胞損傷，是MIRI重要機制之一〔3，4〕，ROS激活的途徑及可能導致I/R損傷的途徑仍有很大一部分是未知的。隨著大量研究的進展，心肌I/R的損傷研究已經進入了分子水平，缺血后適應或缺血預處理可顯著改善I/R損傷的發病機制。此外，與單獨缺血預處理或缺血后適應相比，缺血預處理和缺血后適應聯合作用可達到協同保護I/R損傷的作用〔5〕。前期研究發現，ATP敏感性鉀通道(KATP)和環氧化酶(COX)-2在I/R過程中均發揮著重要作用。

1 COX-2在I/R損傷中的作用

COX是一類催化花生四烯酸(AA)氧化合成前列腺素(PG)的氧化還原酶，是PG合成的限速酶。PG在炎癥中起調節作用，因此COX是炎癥的主要介質〔6〕。COX由于PG的促炎癥作用被廣泛認為與炎癥反應息息相關，包括疼痛、組織水腫、血管舒張及動脈粥樣硬化〔7，8〕。COX-2是一種誘導性表達的酶，在外界環境的刺激下可迅速轉錄翻譯發揮作用。

迄今為止，已描述三種COX亞型，包括COX-1、COX-2、COX-3。COX-1和COX-2同工酶在生物學功能上發揮著不同的生理作用，COX-1是最早發現的COX亞型，廣泛分布于機體，是類PG的主要來源，在大多數細胞中恒定表達，具有管家功能，例如胃上皮細胞保護和體內穩態，其代謝產物在維持機體生理狀態方面起著至關重要的作用〔9〕。COX-2在生理條件下表達水平很低或不表達，但在炎癥、激素、生長因子的誘導下，其表達水平顯著上升，成為炎癥和諸如癌癥等增生性疾病中類PG形成的重要來源〔8〕，其表達被炎癥介質上調，在缺氧條件下和許多癌癥中也是如此，并且經常在慢性疾病的組織中高表達〔10〕。COX-3是衍生自COX-1基因的第三種同工型，可將內含子1保留在其mRNA中，在犬大腦皮質中含量最豐富。

MIRI包括ROS的過量生成、氧化/亞硝化應激、炎癥反應、鈣超載和線粒體功能障礙，這些因素之間相互影響、相互促進，進而導致心肌細胞的壞死與凋亡。炎性細胞因子在動脈粥樣硬化斑塊的血小板聚集、血栓形成和各種并發癥中發揮關鍵作用，活化的內皮細胞、單核細胞或巨噬細胞參與動脈粥樣硬化相關的炎癥過程。盡管有部分文獻報道，在MIRI過程中COX-2可介導晚期預處理的保護作用，但其他研究表明其也是炎癥、動脈粥樣硬化斑塊、中毒性休克和細胞凋亡的重要介質，導致多個組織出現顯著的功能障礙和損傷〔11〕。細胞凋亡又稱程序性死亡，是一種由基因控制的程序性死亡，凋亡在正常的生理條件下通過清除組織器官中功能紊亂及一些不需要的細胞維持細胞穩態。眾多研究表明，MIRI會出現兩種截然不同的細胞死亡模式，分別是細胞壞死和凋亡。前期研究表明，在MIRI中可以激活COX-2表達，通過促進凋亡途徑導致細胞損傷，且心肌梗死時細胞凋亡的嚴重程度與COX-2表達水平呈正相關〔12〕。

龐磊等〔7〕通過缺氧/復氧(H/R)實驗，模擬心肌I/R過程，在心肌細胞株H9C2細胞和原代大鼠心肌細胞中探究了COX-2表達水平與細胞凋亡之間潛在聯系及分子機制，這一結果提示H/R后COX-2表達水平上升引發細胞凋亡，而抑制COX-2活性能夠減輕H9C2細胞中H/R介導的細胞凋亡。該研究表明，COX-2抑制劑在心肌MIRI中具有抗凋亡作用，抑制COX-2活性至少通過兩種不同的方式來保護心肌。第一種是細胞內ROS/一氧化氮(NO)含量的平衡。細胞內的ROS是通過多種代謝活動產生的，其中COX催化AA轉化為PG的代謝過程中就有ROS的產生，ROS在MIRI過程中的大量累積是造成心肌梗死的機制之一。目前已有報道證實，激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號通路可降低凋亡和ROS水平〔13〕。第二種是激活抗凋亡Akt/誘導型一氧化氮合酶(iNOS)/NOS信號通路，該研究表明用COX-2特異性抑制劑能促進Akt活化，提示Akt/COX-2位于同一信號通路的上下游。隨著凋亡在MIRI中作用的認識加深，探究COX-2如何影響心肌細胞凋亡具有重要意義。

COX-2在MIRI 過程中是有爭議的。有證據表明這種酶具有保護作用，Guo等〔14〕首次利用可誘導的心臟特異性COX-2過表達探究該酶自體內I/R損傷的作用，研究表明用COX-2特異性抑制劑NS-398抑制COX-2完全消除了COX-2過表達對心臟的保護作用，證實了心臟特異性誘導的COX-2過度表達具有強大的心肌梗死預防作用，并且對心臟表型、功能沒有明顯不利影響，而慢性COX-2過表達與任何明顯的有害作用無關。研究還發現，在COX-2過度表達的心臟組織中，PGE2水平上調，證實酶活性增加，這支持了其介導COX-2給予心臟保護的概念，對于旨在提高心肌COX-2含量及其他給予COX-2策略的長期治療研究具有深遠的治療意義〔15〕。

甾體抗炎藥通過抑制COX-1或COX-2減少PG的合成。PG對I/R損傷低流量狀態下的心、腦、肝、血管系統、腎臟和骨骼肌均有有益作用〔16〕。在這方面，人們擔心阿司匹林和其他非甾體抗炎藥抑制COX-2可能對心臟保護有潛在的有害影響〔17〕。一項薈萃分析報道COX抑制劑造成的心血管風險的總體增加接近37%〔18〕。COX抑制可消除預處理和后處理的心臟保護作用〔19〕。因此，雖然COX-2特異性抑制劑在減輕疼痛和胃腸道損害方面有效，但其與不良心血管事件的風險增加相關〔20〕。臨床上服用COX-2特異性抑制劑塞來昔布者心肌梗死的發病率增加〔21〕。最初，有觀點認為選擇性抑制COX-2并保留COX-1，是觀察到的心血管損傷增加的原因。然而，隨著來自不同人口的數據越來越多，這種觀點開始受到挑戰〔22〕。具體來說，COX-1抑制會損害生存率，而COX-2抑制會導致心肌損傷、自主神經系統功能障礙，并增加心肌梗死后死亡率的風險，這對近10%服用非甾體抗炎藥的人群具有重要意義。

眾所周知，COX-2是早期缺血和晚期缺血及麻醉藥誘導的預處理的介質，Stumpner等〔23〕通過使用鼠體內模型研究了COX-1和COX-2在七氟烷誘導的后處理(APOC)對心肌梗死的作用。結果表明，COX-2在APOC信號轉導途徑中起主要作用，且七氟烷誘導的后適應可減少心肌梗死面積達60%，而COX-1在此模型中的作用是可有可無的，證實了COX-2在心肌缺血和藥物預處理中發揮著重要的保護作用。有研究通過COX-2基因敲除小鼠模型實驗證明COX-2基因的靶向破壞完全消除了晚期缺血預適應的梗死保護作用，并且COX-2/PG途徑下游的前列環素受體是晚期缺血預適應的關鍵介體。此外臨床相關藥物(舒芬太尼、七氟烷)的心臟保護作用也由COX-2介導〔24〕。最新研究進一步表明，COX-2抑制不影響生存率，但顯著增加心肌組織損傷和自主神經系統功能障礙。COX-2抑制的有害作用似乎表現在整體I/R后的低流量狀態和局灶性I/R損傷下〔9〕。這些報道使我們相信COX-2在心肌缺血及藥物預處理中發揮重要作用。

2 KATP在I/R損傷中的作用

KATP其將細胞的能量狀態與膜興奮性連接起來，控制著廣泛的生理過程，包括激素分泌、神經元傳遞、血管擴張及心臟和神經元對缺血損傷的預適應〔25〕。早期Noma〔26〕和Trube等〔27〕對心室肌細胞的肌膜/漿膜KATP的描述及構成這種代謝活躍的向外K+電流基礎的單一通道提供了獨特的見解。隨后在大多數其他組織類型中發現了KATP，之后又通過膜片鉗研究發現線粒體內膜中存在一個內向整流型鉀通道，眾多研究提示受相關磺脲類受體蛋白調控。KATP是由四個向內整流的K+通道(Kir6.x)孔亞基與四個磺酰脲受體(SUR)調節亞基形成八聚體通道復合物，特定SUR與特定Kir6.x亞基的結合構成了特定組織中的KATP電流。KATP亞基基因的遺傳變異和突變與許多威脅生命的人類疾病的病因有關。 Kir6.x或SUR突變會導致KATP病變，則會出現血管擴張、明顯的心臟肥厚和其他心血管異常，稱為Cantu綜合征(CS)。Zhao等〔28〕證明了血管平滑肌中功能增強的KATP突變會導致心臟重塑，而且其能夠通過使用KATP阻滯劑格列本脲來逆轉心血管表型。

心臟缺血是一個復雜的事件，KATP開放的影響更為復雜。總體而言，KATP的開放既有害(例如，使心律不齊并出現室顫)，又具有保護性(例如，通過限制缺血后梗死的發展)〔29〕。KATP在心臟缺血早期就在K+丟失中起作用。多項研究表明，C反應蛋白(CRP)可能在MIRI的誘導中發揮重要作用。CRP直接加重心肌細胞MIRI，這一作用主要是通過抑制線粒體KATP(mitoKATP)和促進mPTP開放來介導的〔30〕。缺血時mitoKATP的打開導致線粒體膜去極化，降低線粒體膜電位，從而導致蛋白激酶(PK)C的激活，抑制ROS的產生，進而產生抗凋亡作用。選擇性mitoKATP開啟劑二氮嗪(DZ)已被證實可減少心肌MIRI〔31〕。鈉尿肽(NPs)具有限制梗死、防止再灌注心肌損傷、防止梗死后不良的心臟重構的作用。鈉尿肽的心臟保護作用是通過激活激酶〔腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)，PKC，PI3K，細胞外信號調節激酶(ERK)1/2，p70s6K，Akt〕和抑制糖原合酶激酶3-羥丙基，這種保護作用也是由肌膜KATP通道和線粒體KATP通道的開通來介導的〔32〕。

3 COX-2與KATP之間的關聯

COX-1與KATP之間相關性的研究目前尚未報道，我們重點討論COX-2。有研究表明舒芬太尼預處理是通過上調COX-2表達及激活mito-KATP對心I/R大鼠產生延遲性心肌保護作用，證實了二者是同一通路中的兩個不同環節〔33〕。隨后有研究表明，尼可地爾GATA結合蛋白(GATA)-4誘導心臟中的COX-2，是通過激活KATP及其硝酸鹽類實現的〔34〕。二氮嗪是線粒體KATP的特異性開放劑，二氮嗪延遲預處理通過開放線粒體KATP而上調UQCRC1蛋白表達，UQCRC1蛋白又上調B細胞淋巴瘤基因(Bcl)-2、COX-2等保護性蛋白的表達，激活Akt/糖原合酶激酶(GSK)-3β細胞保護信號通路使半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3蛋白失活，從而對心肌細胞MIRI起到保護作用〔24〕。賈丹等〔35〕通過H/R實驗，模擬心肌I/R過程，誘導心肌細胞腫瘤壞死因子(TNF)α的mRNA的表達，當其轉錄活性增強時，能夠激活核因子(NF)-κB的表達，進一步介導COX-2表達，造成心肌細胞損傷。

綜上，KATP的主要作用是在缺血、缺氧或代謝抑制等代謝應激狀態下保護心臟。在心肌缺血的過程中，心肌細胞中COX-2的表達顯著增高，然而要明確COX-2在心肌I/R的作用，還需要進一步遺傳學解釋，以明確這種有爭議的酶的保護作用，這表明其有潛力被開發為一個新的治療靶點。因此，明確COX-2與KATP的相關性及深入研究COX-2在MIRI中的具體作用及機制的研究顯得尤為重要，為心肌梗死患者提供新的治療策略。