缺血再灌注對老年心臟的損傷機制及研究進展

信 強，崔碧紅，蘇秀蘭，張喜鶴

（1.內蒙古醫科大學,內蒙古 呼和浩特 010059；2.烏蘭察布市第四醫院，內蒙古 烏蘭察布 012000；3.廉江市人民醫院門診輸液科，廣東 湛江 524400；4.內蒙古醫科大學附屬醫院臨床醫學研究中心，內蒙古 呼和浩特 010050；5.廉江市人民醫院博士工作站，廣東 湛江 524400）

心肌缺血再灌注損傷是指臨床手術過程中心肌組織在供血中斷后以及恢復供血的同時加劇損傷并引起心臟功能障礙的現象[1]。心肌缺血再灌注損傷往往繼發于冠狀動脈血管成形術、心肌梗死的溶栓治療、心臟外科體外循環等治療過程中[2]。損傷通常由兩部分組成：冠狀動脈突然阻塞會導致心肌中血液的灌注量突然減少，引起心肌缺血，并觸發細胞凋亡和壞死，從而導致心肌細胞死亡；另一方面，當冠狀動脈突然涌入大量血液，使心肌細胞在極度缺血的狀態下突然大量充血，細胞中的氧含量急速升高，激活氧化應激、Ca2+超載、炎癥等途徑從而誘發心肌細胞凋亡并造成缺血組織的進一步損傷。這一現象給臨床治療缺血性心肌病增加了困難，也給患者帶來了進一步的傷害并影響愈后[3]。目前臨床通常采取缺血預處理的方法即在手術前給予心臟多次短暫缺血/再灌注過程，減輕由缺血復灌造成的心肌組織損傷[4]。老年心肌不耐受是由多種因素共同影響的，例如隨著年齡增大，心肌細胞的纖維化增加，心肌肥厚增多，由于老年心肌細胞的細胞色素C 從線粒體釋放到胞質顯著增加以及抗凋亡蛋白Bcl-2 含量降低而導致的心肌細胞的凋亡增多。造成上述現象的內在原因包括如老年心肌細胞胞漿內Ca2+調控能力降低，通過增加舒張期Ca2+積聚而導致肌漿網Ca2+攝取比率改變[5]。同時心肌細胞的線粒體功能受損和對氧化損傷的放大是老年心肌細胞不耐受的主要原因。本文主要對這種現象產生的原因進行深入的闡述。

1 老年心肌細胞對氧化損傷敏感

細胞內的活性氧是造成細胞缺氧/復氧損傷的主要誘因?；钚匝踝杂苫茄醮x中的副產物，主要是線粒體由狀態Ⅲ向狀態Ⅳ轉換并且在能量代謝中產生的一類高活性分子，主要包括過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）、超氧陰離子（O2-）以及單線態氧等四種形式。心肌細胞在缺氧/復氧過程中過量的活性氧自由基可引起脂質過氧化、蛋白質的氧化損傷以及細胞的凋亡和壞死，從而引起心肌病變[6]。細胞內過量的活性氧自由基聚集可導致線粒體功能障礙、細胞代謝紊亂以及細胞受體信號增加等[7]。研究發現細胞內適量的活性氧自由基對局部感染有一定的抑制效果，然而隨著年齡的增長，人體內活性氧自由基水平也呈增長趨勢，過量的活性氧自由基會對細胞內的DNA 和蛋白及細胞膜造成損傷，進一步加速衰老[8]。人體內的抗氧化系統可降低或減少由活性氧自由基及其代謝物對機體造成的損傷，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶以及谷胱甘肽酶等，這其中超氧化物歧化酶起主要作用。超氧化物歧化酶在細胞的不同區域通過與金屬離子結合而發揮功能，如細胞質中銅鋅超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD2）、線粒體中的錳超氧化物歧化酶（Mn-SOD2）以及細胞外空間的超氧化物歧化酶（ec-SOD2）[9]。而細胞質中其他的抗氧化酶主要功能是把H2O2水解成水和氧[10]。而在老年心肌的缺血再灌注時再灌注過程會產生大量的活性氧，在老年細胞本身活性氧自由基高表達、抗氧化系統功能不全的情況下，大量的活性氧突發性產生會對細胞和組織造成嚴重的損傷?；谏鲜鲈?，缺氧/復氧對細胞的損傷在老年人身上顯得更嚴重[11]。

2 老年線粒體功能衰退加重缺血再灌注損傷

線粒體是具雙層膜結構的細胞器，其主要功能是產生能量維持細胞的生命活動。心肌細胞因為要不斷地跳動來維持其收縮和泵血功能，因此需要消耗大量的能量，而心肌細胞總體積的30%是線粒體。這也導致在缺氧/復氧過程中心臟要比其他的器官承擔更重的壓力以及損傷[12]。線粒體的功能衰減和細胞的衰老是相伴而生的。這表示細胞內自由基的增加會引起細胞的損傷并導致衰老的發生。這一理論后來發展為細胞內積累的自由基損傷線粒體并影響線粒體的功能。雖然針對這一理論有不同的看法和質疑，然而線粒體在衰老、疾病的發生中起的作用卻得到廣泛關注和驗證[12]。在缺血再灌注過程中，活性氧自由基大量產生并積累，導致DNA損傷，線粒體脂質過氧化和線粒體膜的去極化，以及Ca2+穩態的破壞，這些導致細胞色素C以及凋亡蛋白酶活化因子釋放到細胞質中并引起細胞死亡。研究指出，隨著年齡的增長，線粒體產生的活性氧自由基顯著增加，進而給細胞清除活性氧自由基增加了很大的壓力，從而在缺氧/復氧時會導致更嚴重的細胞損傷。缺氧/復氧時經過電子傳遞鏈的氧化磷酸化被抑制導致超氧自由基積累并引起ATP 減少。另外隨著年齡的增加，線粒體相關蛋白如磷酸鹽、腺嘌呤核苷酸以及ATP/ADP的含量和活性也顯著降低。缺氧/復氧損傷的主要原因是由于細胞凋亡，而線粒體在細胞凋亡過程中起重要調控作用。線粒體除了產生能量外，還參與了調控細胞的自噬、凋亡和壞死等。線粒體功能障礙可導致心肌細胞死亡，被認為是心肌缺血再灌注損傷的標志之一[13]。

隨著年齡的增長，人體各個器官和組織的細胞不可避免的走向衰老。目前認為衰老分為復制性衰老和應激誘導性早衰兩大類。線粒體的結構隨著細胞的衰老也會發生明顯的變化，同時功能也會減弱。研究發現與年輕細胞相比，衰老細胞的線粒體存在嚴重的腫脹、分裂和長度增加以及碎片化程度顯著升高，線粒體內部會發生嵴斷裂。細胞線粒體結構的變化和功能的減弱導致細胞能量的產生受到阻礙，這又進一步影響細胞的功能和新陳代謝[14]。線粒體功能下降如呼吸鏈功能失調會減少ATP 的產生，氧化還原失衡以及增加活性氧的生成，可引起老年人心肌肥厚，慢性心力衰竭以及心律失常，同時活性氧也會造成線粒體的DNA和蛋白質受損，進一步影響線粒體功能[15]。有研究發現與青年人相比，老年人的NAD+表達顯著降低，而NAD+是電子傳遞鏈的輔酶，主要功能是促進ATP 的合成，同時NAD+表達水平的降低可誘導超氧化物歧化酶的表達降低，進而導致活性氧自由基濃度的升高，而在缺氧/復氧發生時活性氧自由基高表達的細胞會承受更大的壓力和造成更重的損傷[16]。

細胞內的各種離子濃度對細胞的生命活動具有重要的調控意義，且不同的組織和器官中的離子濃度具有較大差異。心肌細胞中的線粒體對鈉離子（Na+）、鉀離子（K+）和鈣離子（Ca2+）的濃度敏感，這些離子對調節心肌細胞的能量供應、信號轉導以及細胞凋亡至關重要，上述過程的異常會影響心臟收縮功能甚至引起心臟病變[17]。Ca2+在心臟的收縮和舒張過程中起重要的調節作用，細胞通過調整線粒體和胞漿內的Ca2+濃度影響心肌細胞的生理活動。細胞膜上的Ca2+通道是調整鈣離子濃度的主要結構，心肌細胞膜上主要鈣離子通道有電壓依賴性（LCa2+）、電壓依賴性T 型鈣離子通道（TCa2+）和NCX。心肌鈣循環主要是在心肌細胞中的肌質網（SR）內進行，是心肌興奮-收縮偶聯鈣循環的主要場所，為鈣瞬變提供了約92%的Ca2+。LCa2+是鈣內流的主要通道，也在心肌細胞正常生理興奮-收縮偶聯中起到重要作用。NCX 是非ATP 依賴的雙向Ca2+轉運蛋白，對Ca2+的轉運依賴于細胞膜內外Na+、Ca2+濃度的變化。心肌細胞在正常情況下，通過NCX將細胞興奮時由電壓依賴性Ca2+通道進入細胞內的Ca2+排出細胞外，維持心肌細胞Ca2+穩態和收縮偶聯。而在病理狀態如缺氧條件下，膜上的Na+/H+交換體被激活，導致細胞內Na+濃度升高，后者又可以通過增強反向NCX使胞內Ca2+濃度超載[18]。細胞內Ca2+超載是缺血心肌再灌注過程中細胞凋亡、壞死，以及心功能降低的重要原因。在正常生理條件下，適當濃度的Ca2+進入線粒體，激活參與三羧酸循環的酶，誘導ATP 的生成。細胞漿中Ca2+濃度升高時會誘導線粒體攝取Ca2+的增加，使線粒體內超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶等的活性下降，并進一步導致氧自由基增多，使線粒體膜蛋白變性和通透性增加并造成線粒體損傷[19]；另一方面，線粒體滲透性轉換孔（PTP）在Ca2+穩態、活性氧信號轉導以及細胞代謝方面具有重要的生理功能。衰老、缺血再灌注損傷和癌癥等都會影響線粒體滲透性轉換孔的開放。線粒體滲透性轉換孔有兩種不同的開放模式：暫時性開放和持續性開放，暫時打開是可逆事件；而持續性打開不可逆并且會導致細胞死亡。Ca2+與活性氧濃度的升高會誘導線粒體滲透性轉換孔持續性打開而導致細胞死亡和組織器官損傷[20]。

線粒體存在于所有有核細胞中，具有獨立于細胞核基因組的遺傳序列，可自主編碼相關蛋白。線粒體DNA（mtDNA）長度為16 569 bp，是具有多拷貝的環狀雙鏈DNA 分子，共包含37 個基因，其中13個編碼呼吸酶復合體的多肽，24 個基因編碼轉移RNA 和核糖體RNA。線粒體DNA 與細胞核基因組相比有其獨特的環境和特性：比如裸露的線粒體DNA 缺乏組蛋白的保護，使其容易與致癌物結合；線粒體內氧自由基及過氧化氫等物質的濃度高，同時線粒體本身又不能有效清除這些過氧化物，因此DNA更容易受到氧化損傷；線粒體蛋白質組大約含有1 500 個蛋白，除了37 個線粒體編碼的蛋白外，大部分由細胞核基因組編碼，然后在細胞質內轉錄翻譯后被轉運至線粒體特定位點[21]。線粒體的結構和功能隨著年齡增加而不斷變化，研究發現衰老個體中線粒體DNA 相對含量增加。線粒體中蛋白通過各種通路影響線粒體的功能以及活力，如PINK1/Parkin 是細胞自噬調控蛋白，對細胞的能量供應和凋亡有重要意義，如研究發現PINK1 過表達可招募磷酸化的Parkin，誘導ATP 生成增加以及活性氧自由基生成減少而改善線粒體功能[22]。此外，線粒體也會通過自噬受體p62/ SQSTM1 和LC3 作用，驅動泛素化的線粒體通過自噬被降解。因此，抑制p62的活性可以抑制線粒體自噬以及受損線粒體的聚集[23]。此外，optiineurin（OPTN）和Drp1等基因都會調控線粒體的自噬，起到保護健康線粒體和清除受損線粒體的功能[24，25]。然而，隨著年齡的增加，線粒體基因組損傷加重而導致編碼的蛋白量減少以及功能缺失，同時老化的細胞及線粒體內活性氧自由基表達上調，導致蛋白活性受到影響，這些都會影響線粒體和細胞的功能和完整性。這也是老年線粒體自身功能不全的一個重要原因，進而當老年心肌細胞發生缺氧/復氧時線粒體不能提供較多的能量以及調控自噬的能力降低會誘導更嚴重的心肌細胞損傷。

3 缺血預處理對老年心肌細胞保護減弱

缺血預處理（ischemic preconditioning，IPC），是指反復短暫的缺血和再灌注，使組織和器官適應手術時較長時間的缺血打擊，提高缺血缺氧的耐受性[26]。隨后發展出來的遠端缺血預處理（RIPC）指對某組織或器官進行短暫的缺血再灌注，通過該器官或組織釋放的信號分子激活神經系統而保護遠處器官免受由缺氧/復氧所造成的傷害[27]。這一技術成本低、無明顯不良反應而得到廣泛關注。研究發現遠端缺血預處理在健康人群中可增加術后的認知學習能力，同時也與患者良好預后具有相關性。研究發現[28]STAT3 和Akt 的磷酸化可以抑制由缺血再灌注造成的細胞凋亡，并降低活性氧自由基生成和炎癥反應。也有研究指出缺血預處理對心肌的保護能力取決于對細胞和線粒體自噬的調控能力，而自噬能保護心肌免受缺血再灌注造成的損傷。也有研究表明[29]人體和細胞的衰老與自噬下調呈現正相關，自噬相關蛋白家族可以調控細胞自噬的起始和進展，如研究發現Atg5和Atg7可通過調控自噬減輕心臟相關的疾病，如心力衰竭以及心肌肥大等。許多動物和人類的體內外研究表明與年輕人相比，老年人心肌更容易受到缺血性傷害。盡管很多研究都表明缺血預處理能保護年齡較小人群的由于缺氧/復氧造成的心肌損傷，然而越來越多的研究發現缺血預處理對老年心肌的保護作用不敏感甚至不起作用。如一系列在老年小鼠和大鼠等小動物的體內實驗表明缺血預處理不能減小由于缺氧/復氧造成的心肌梗死面積，與不做處理組相比也不會增強心肌的收縮功能，這些研究表明缺血預處理的保護作用對老年心肌不再有效[30]。

4 老年人血管功能減弱

如前所述，缺血再灌注時活性氧自由基（ROS）的爆發性生成和異常蓄積，以及心臟微循環系統受到破壞是造成心肌損傷的關鍵因素。微循環內皮細胞是組織和血液之間的重要屏障，同時這些細胞對缺氧缺血高度敏感。心肌微血管內皮細胞的功能決定了心肌組織的完整性并直接影響其供氧功能[31]。而在發生缺血再灌注時，微循環結構被打破，進而形成微血栓，同時出現血管收縮/舒張功能障礙以及氧自由基爆發，進而會導致血栓周圍的組織和心肌細胞發生凋亡和壞死，造成周圍心肌組織的梗死面積擴大。而老年心肌微血管的功能不全以及血管彈性減弱會進一步加大對微循環內皮細胞的損傷，并進一步造成心肌組織的損傷[32]。心肌細胞是永久細胞，其再生潛力有限，通過干細胞移植對心血管疾病進行治療是目前心血管疾病研究的熱點之一。為了提高干細胞療法的效果，增強干細胞在缺血再灌注損傷后產生的炎性和纖維化環境中的生存能力是必要的。分泌型卷曲相關蛋白2（sFRP2）能夠改善人間充質干細胞（hMSCs）在氧化應激下的生存能力，提高干細胞移植的治療效果，同時又不影響hMSC 的細胞形態、表面標志物表達以及分化潛能。其作用機制可能是sFRP2 加強了Wnt/β-catenin信號，進而提高細胞存活率。

5 總結

心肌缺血再灌注損傷是臨床手術對心肌造成損傷的主要原因。目前普遍認為心肌缺血再灌注損傷有4種形式：（1）微血管阻塞；（2）心肌頓抑；（3）再灌注誘發的心律失常；（4）致死性心肌再灌注損傷。同時衰老會導致細胞和線粒體功能衰退，導致組織的老化并誘發各種心血管疾病。隨著人口老齡化的加劇，衰老及相關疾病將變成一個重要的公共問題，尤其老年人細胞和組織活力低以及功能不全，對損傷的抵抗和修復能力差，不但在缺血再灌注過程中受到的損傷更大，而且損傷造成的并發癥更嚴重。臨床上通過缺血預處理、后處理及藥物預處理等可以減少對器官的損傷。上述方法在老年心肌的保護作用并未得到證實。隨著對心肌缺血再灌注損傷機制的深入研究，亟待找到可有效預防老年心肌缺血再灌注損傷的方法來減少缺血再灌注對老年器官的損傷及改善患者的預后。