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内源性硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的心肌保护作用研究进展

来源:华佗小知识
广西医学 2016年11月第38卷第11期 1581 内源性硫化氢在心肌缺血再灌注损伤中的心肌保护作用研究进展▲ 马宪鲁 郑宝石 冯 旭 黄柳柳 罗 程。 黎玉贵 (1山东省济宁市第一人民医院心外科,济宁市272011,E—mial:ma.xianlu@163.com; 2广西医科大学第一附属医院心脏外科,南宁市530021) 【提要】 目前体外循环(CPB)心脏不停跳技术已经成熟应用于心血管疾病的外科治疗,大幅度降低心肌缺血再灌注 损伤(MIRI)带来的心肌细胞凋亡,但是由于CPB的自身因素以及手术过程对心脏的影响,患者术后仍存在一定程度的心 肌缺血缺氧。胱硫醚一 一裂解酶催化产生的内源性硫化氢(H:S)能够作用于心血管系统,通过保护线粒体、抑制内质网应 激、减少炎性反应等方式来减轻心肌细胞凋亡,为今后临床心肌保护方面提供新思路。本文内源性 s在MIRI中的心肌 保护作用研究进展进行一综述。 【关键词】 心肌缺血;再灌注损伤;内源性硫化氢;心肌保护;细胞凋亡;综述 【中图分类号】R 541 【文献标识码】A 【文章编号l 0253.4304(2016)11.1581—04 DoI:10.1 1675/j.issn.0253.4304.2016.1 1.28 目前体外循环(cardiopulmonary bypass,CPB)技术在 1 内源性H S生物学特性及在MIRI中的作用 内源性H,s是一种神经活性物质,其在心血管系 统、消化系统、神经系统以及泌尿系统均发挥着重要的 作用,是继一氧化氮和一氧化碳后第三类气体信号分 心脏外科领域中仍占据主导地位,现阶段仍有不少医疗 机构采用CPB心脏停搏手术来进行心血管疾病的外科治 疗。但以CPB技术为基础的心脏手术中面临的最大问题 是心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia—reperfusion injury,MIRI),而心肌细胞凋亡是影响MIRI后心功能恢 复的重要因素…。如何能够减少MIRI所带来的心肌细 子 ,在20世纪90年代,该气体在机体内被发现。 1.1 内源性 s的生物学特性 内源性H,s的合成经 酶促反应完成,以半胱氨酸作为底物,主要是通过胱硫 醚.B.合成酶、胱硫醚一 一裂解酶(cystathionine- -lyase, CSE)、半胱氨酸转移酶(cysteine aminotransferase,CAT) 以及丙酮酸巯基转硫酶(mercaptopyruvate sulfurtrans— 胞凋亡、有效地保护心肌、提高手术成功率以及患者术 后生存质量一直是当前研究的重点。目前较为成熟的 心肌保护措施是低温技术的使用、改善CPB设施、麻醉 用药、围术期药物使用的改善、心脏停搏液的改良 等, 其在一定程度上提高了心肌耐受缺氧等能力,但没有改 变MIRI本质的影响。20世纪90年代何巍、林辉教授将 浅低温CPB心脏不停跳技术运用至临床,大幅度降低了 MIRI的程度,并且使CPB技术能够运用于重症瓣膜病、 心力衰竭的换瓣患者 ],但该术式存在增加气栓发生 率、心室颤动、反复吸血破坏血细胞 等不足,且仍有 MIRI的发生。近几年研究显示内源性硫化氢(H S) ferase,MST)催化产生,而心血管系统的内源性H:s主要 是依靠CSE催化产生 。H s可在机体内大部分组织 中生成,包括心脑血管、肝、肾等重要脏器,以小部分气 体形式以及大部分的硫氢化钠(NariS)形式存在,内源 性 s与NaHS在人体中达到一种动态平衡 。CSE主 要存在心血管中,CBS主要存在脑组织中,而CAT及 MST可在脑组织及血管中调控内源性H s的合成 …。 1.2 内源性H,S在心血管系统中的病理生理作用 内 源性H's在心血管中可以促进血管舒张、调节血管平滑 肌以控制血压,且具有对抗动脉粥样硬化及MIRI、抑制 心血管平滑肌细胞增殖、参与休克时血管的低反应及负 性心肌肌力等作用 ],因此CSE催化产生内源性 H1s可以减少MIRI过程中的心肌细胞凋亡。内源性 MIRI过程中对心肌保护具有重要的作用 。在术中提 供内源性H,s,并与浅低温心脏不停跳手术结合可全面 保护心肌。本文就内源性H s在MIRI中的心肌保护作 用研究进展进行综述。 H,s能够促进心肌蛋白化学修饰、激活保护通路,对抗 ▲基金项目:广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1355005—2-3);广西自然科学基金(2013GXNSFAA019152) 作者简介:马宪鲁(1990一),男,在读硕士研究生,研究方向:心血管外科。 通信作者:郑宝石(1969一),男,博士,教授,主任医师,研究方向:心血管外科,E-mail:zhengbs25@vip.sina.com。 1582 Guangxi Medical Journal,Nov.2016,Vo1.38,No.11 心肌缺血的发生 。在体与离体动物实验结果显示,在 2.1 内源性H,S通过保护线粒体功能减少细胞凋亡 心肌缺血缺氧前给予H,s预处理可以产生显著心肌保 护效应,包括能够缩小心肌缺血后梗死面积、降低心肌 肌钙蛋白I的含量、减轻缺血缺氧后至心律失常的程度 以及持续时间、增加心肌细胞活力以及心肌收缩力 。 介导内源性H,S在心肌缺血预处理(ischemic precondi- 在线粒体的调控途径中,由于MIRI中ATP的急剧减少 导致线粒体电子传递过程障碍、大量氧自由基生成、Ca" 超载等,使线粒体肿胀增加线粒体膜通透性,凋亡效应因 子从线粒体漏出。由于线粒通透性转换通道打开,细胞色 素C释放后中断呼吸链,在减少ATP的生成时激活天冬 氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate—specific proteinase,caspase).3表达介导细胞凋亡,而CSE/H2S通 路能够减轻线粒体肿胀、保护线粒体在缺氧后的完整 性、减少线粒通透性转换通道的开放、清除氧自由基生 tioning,IPC)保护效应的细胞内信号途径主要是激活蛋 白激酶C信号途径及开放肌浆网三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)敏感性K 通道(K^TP),进一步促进细 胞内Ca 再摄取进入肌浆网,同时增强Na /Ca“转运 促Ca 外排,从而抵抗缺血再灌注损伤所致ca“超载 及心肌细胞过度收缩 。内源性H S除了在IPC效应 成、降低caspase-3活性等机制进行心肌保护 。 2.2 内源性H’S抵抗ERS减少细胞凋亡缺血、缺氧、 Ca“超载以及大量氧自由基生成等因素可引起ERS,而 这些不利因素可影响从内质网到细胞质甚至细胞核的 信号传导而启动细胞凋亡 。ERS时easpase一12位于 保护心肌外,在心肌缺血后再灌注阶段给予内源性H S 进行缺血后处理(ischemic post—conditioning,IPO)也能产 生非常明显的心肌保护作用,主要表现在改善心脏功能 恢复,缩小再灌注心肌梗死面积 。 1.3 内源性 S在MIRI中的心肌保护作用 Bian 内质网膜,以caspase一12前体形式存在,在线粒体凋亡途 径中不被活化,仅特异地被内质网信号通路水解激活, 是ERS介导凋亡的关键蛋白酶 。caspase.12作为内 质网特有的凋亡蛋白在ERS时表达量增高,从而在激活 caspase.9后间接激活caspase.3表达或者直接促进后者 表达而促进细胞凋亡 。研究表明CSE催化产生的内 等 研究发现在IPC过程中通过增加内源性H,s的化 合物NariS的含量能够增加MIRI后离体心肌的细胞活 性,减少心肌细胞凋亡,而减少H,S含量则心肌保护作 用减弱。徐钢等 利用Langendofff灌流模式制造大鼠 离体心脏MIRI模型,发现IPO中CSE/H,S含量增高,缺 血后心肌梗死面积减小,而在加入CSE抑制剂后心肌缺 血程度加重且缺血后梗死面积加大,证实了内源性 s 参与IPO减轻MIRI。Elrod等 实验研究发现,CSE催 化产生的内源性 S能够有效减少MIRI后心肌损害, 源性H:s能够通过激活细胞外信号调解酶通路来拮抗 MIRI过程中诱发ERS致心肌细胞凋亡 。 2.3 内源性H,S通过抑制炎性反应减少细胞凋亡 心 肌缺血后缺血区域常伴随着炎性细胞的浸润、炎性介质 的释放以及炎症相关转录因子的激活等 。炎症是造 成MIRI的重要机制,包括肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白细胞介素(interleukin,IL).1、IL-6等多种 细胞因子的参与其中 。核转录因子 B(nnc]ear 提高心肌收缩功能。以上研究结果表明,CSE催化产生 的内源性H,s能够在一定程度上在MIRI中起到心肌保 护作用,为心脏外科CPB中心肌保护提供了新的临床路 径 factor-KB,NF—KB)作为一个二聚体转录因子,能够调节 细胞相关因子、生长相关因子以及细胞凋亡等 。单纯 2 内源性H2S在MIRI中的心肌保护作用机制 缺血也能导致NF.KB的活性增加,并参与MIRI时的细 胞凋亡。TNF-or.、IL一1等细胞因子表达增高能够促进 心肌损害的程度主要表现在心肌细胞凋亡的程度 上,而细胞凋亡是一种主动耗能、受特殊程序控制、各细 胞器参与逐步凋亡通路激活的细胞程序性死亡过程,可 表现为细胞皱缩变圆、细胞质浓缩、核膜断裂、细胞膜水 泡化、凋亡小体出现等 。目前有研究表明心肌细胞凋 亡发生在心肌缺血后的再灌注阶段 ,而主导细胞凋 亡的方式包括:线粒体途径的调控导致细胞凋亡 ,内 质网应激(endo ̄asmic retieulum stress,ERS)通路在MIRI 的一系列信号传导通路引起的细胞凋亡 ,同时在心 肌缺血以及MIRI过程中产生的炎性介质等激活凋亡通 NF—KB表达进而诱导细胞凋亡,而CSE/H,S能够通过抑 制NF—KB通路活性表达以减轻炎性与细胞毒性反应,减 少细胞凋亡 ,同时CSE催化产生的内源性H,S能够减 少细胞因子IL・1、IL-6引起的中性粒细胞浸润 。可见 H:S能够通过抑制MIRI所带来的炎性介质反应来保护 心肌。 3 内源性H:S在临床工作中的应用前景 虽然内源性H:s参与机体特别是心血管系统的多种 生理病理过程,且心血管系统对其血清浓度非常敏感,但 单纯H s属于剧毒气体,并且水溶液性质不稳定,其前体 衍生物NariS也极易分解,均不能直接作为药物使用,因 路介导细胞凋亡 。内源性H:s通过抑制上述机制来 减少MIRI过程导致的细胞凋亡。 广西医学 2016年11月第38卷第11期 此对于内源性H s的药物性使用研究仍有待展开 ]。 2008年Whiteman等 发现了H,S缓释剂GYY4137,开启 了H:s作为药物的临床研究。近期有学者发现该缓释 剂较稳定,可作为较稳定、缓释、毒副作用相对低的硫化 氢供体,用于研究硫化氧的细胞功能调节和急性心血管 调节病理生理学作用机制,虽其毒副作用相对较低,但 仅适用于急性动物实验 。目前大多实验中心中以 NaHS作为H:s的供体,在IPC、IPO中给予NariS来进行 研究。但由于H s作为一种毒性气体,可对生物体在呼 吸系统、消化系统、神经系统、细胞活性等方面造成伤 害 ,所以很少实验直接采用H:s气体进行研究。目 前多在现有药物基础上进行基团改造,使其能在体内分 解代谢中产生H s 。近年来的实验研究大多是对大 鼠、兔等啮齿类动物的研究,而高等哺乳动物研究不多。 美国的Ikafia公司在缺血缺氧性疾病的研究中已经完成 注射用硫化钠的I期临床实验。加拿大的Antibe公司 有关能够释放H s的非载体类抗炎药衍生物的研究已 经完成I期临床实验研究,并取得不错效果。 综上所述,内源性H'S对心血管系统疾病意义显 著,其生物学特征及病理生理学作用均揭示了其在MIRI 中对心肌保护作用的机制,为临床上心肌保护工作的开 展与应用提供了新的理论与实验依据。通过CSE催化 产生内源性H,s可在CPB心脏手术中降低MIRI、减少 心肌细胞凋亡、提高术后心肌活力,具有良好的应用前 景。 参考文 献 [1] 康波,刘红明,洪江,等.硫化氢调节miRNA-455表 达抑制内质网应激介导的心肌细胞凋亡[J].医学研究 生学报,2014,27(12):1 245—1 249. 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