神经

高压氧预处理诱导缺血-再灌注损伤耐受的研究进展

作者:佚名 来源:梅思医学 日期:2017-01-05
导读

         高压氧预处理诱导缺血-再灌注损伤耐受的研究进展

        一、缺血-再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury,IRI)的发病机制

        1960年,Jennings等发现心肌缺血恢复血流后,缺血心肌的损伤反而加重的现象。1967年,Bulkley和Hutchins则发现冠状动脉搭桥血管再通后,患者发生心肌细胞反常性坏死,加重心脏原发性损伤;1981年,Greenberg等在猫小肠中证实:缺血3 h后再灌注,粘膜损伤更严重。上述在动物和患者中发现的原发性供血动脉闭塞形成血栓,进而造成代谢供给严重失衡,导致组织缺氧,然后恢复血流量和复氧并未改善组织缺氧,而是伴随组织损伤加重以及严重的炎症反应的这些现象和症状就是再灌注损伤。

        其确切定义是:在缺血的基础上恢复血流后,组织器官的损伤反而加重。目前,缺血-再灌注损伤的发病机制有很多解释,如:器官组织缺血期间只有少量的氧气供应,以致于腺甘酸环化酶活性降低,细胞内环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)水平降低,同时伴随血管渗透性增加,导致内皮细胞的屏障功能受损;同时,缺血-再灌注可以激活细胞死亡程序,包括凋亡(核碎裂,细胞膜出泡,细胞皱缩,线粒体的膜电位和完整性缺失)、自噬相关的死亡(胞质空泡化,细胞器的损失)和坏死(程序性细胞和细胞器肿胀,质膜破裂,蛋白酶和溶酶体泄露到细胞外)等;此外,缺血期间,相关基因表达的转录调控也会发生显著改变,特别是缺血后伴随着氧敏感酶活性的降低,从而使得激活缺氧和炎症信号通路信号分子的表达,这些分子包括缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)和核因子(nuclear factor kappa B,NF-kB)等。

        二、高压氧预处理(hyperbaric oxygen preconditioning.HBO-PC)有效减轻缺血-再灌注损伤

        治疗缺血-再灌注损伤的方法虽然很多,但有效治疗手段寥寥无几。被广泛用作治疗一氧化碳中毒,以及各种伴随氧气输送障碍疾病辅助治疗的HBO-PC已经在中风模型及在很多器官(脊髓、心脏和肝脏等)上进行了缺血耐受治疗的研究。这些研究证实HBO-PC可以产生显著的保护作用,与缺氧预处理比较,高压氧是一个更安全、更有效的预处理方法。

        2010年Koca等在止血带引起的大鼠骨骼肌缺血模型上研究HBO-PC对骨骼肌缺血-再灌注的影响。研究者对成年雄性大鼠进行连续7次HBO-PC,3个标准大气压(atmosphericabsolute,ATA)100%,每次间隔12 h。同时,每隔24 h给大鼠腹腔注射臭氧复合物,共4次,之后将大鼠骨骼肌缺血2 h,灌注22 h后对大鼠的血液进行采样。研究发现,HBO-PC组中大鼠的丙二醛(mMondiMdehyde,MDA),羰基蛋白质(proteincarbonyl,PCO),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的水平较对照组有显著降低,提示高压氧预处理可以降低由骨骼肌引起的氧化应激水平。Cheng等则给予正常sD大鼠连续5次(2.5ATA,100%O:),每次1 h的HBO-PC之后对大鼠进行15 min,4血管的全脑阻塞损伤。

        研究结果发现:HBO-PC组大鼠的死亡率,癫痫的发病率较损伤组下降,海马区及皮层的神经元存活率较损伤组高。在同样的模型上,Ostrowski等还发现HBO-PC可明显降低海马区MMP-9表达,改善大鼠神经功能障碍。此外,Sun等还证实HBO-PC 48 h后,心肌血管完全性阻塞大鼠模型的心肌梗死面积减少,心脏功能较对照组有所恢复,数据有显著统计学意义。

        三、HBO-PC减轻缺血-再灌注损伤的可能机制

        1.HBO-PC通过抑制短暂性脑缺血后COX-2的表达发挥保护作用:Cheng等¨引在制作大鼠大脑中动脉阻塞模型前5 d,连续给予HBO-PC(2.5ATA,100%氧气),1次/d。研究发现,与缺血组比较,HBO-PC组大鼠死亡率降低,神经功能学评分提高。同时,HBO-PC组大鼠脑组织中的特异性环氧化酶-2(Cyclooxygenase-2,COX-2)表达量显著降低。进一步研究发现,在每次HBO-PC前给大鼠腹腔注射COX-2抑制剂NS-398后,大鼠脑组织中COX-2的表达与对照组没有显著差异,而且大鼠的死亡率,神经功能学评分与对照组也没有显著性差异。

        上述研究结果提示:HBO-PC可通过抑制短暂性脑缺血后COX-2的上调而发挥脑保护作用,但其是否长期调控COX-2发挥作用还有待进一步研究。

        2.HBO-PC可能通过上调HIF-d和促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)而诱导缺血耐受:高压氧通过调控氧浓度来发挥作用,则其是否可能调控氧分子相关基因或分子蛋白来诱导缺血耐受而发挥脑保护作用?Guo等利用大鼠局灶性脑缺血模型验证了这一假设。研究者先给予SD大鼠连续5 d(2ATA,100%氧气),每天1 h的HBO-PC,再制模进行损伤。

        结果发现:较缺血组,HBO-PC组大鼠神经功能评分明显改善,梗死灶面积显著减少。与此同时,HBO-PC组中大鼠脑组织中缺氧诱导因子HIF-1和促红细胞生成素EPO的表达升高,提示HBO-PC治疗缺血-再灌注损伤时,不仅对缺氧敏感的关键基因表达变化,而且与组织供氧流程中的其他关键信号分子,如:促进携氧载体增强的EPO等也大量表达,以提高梗死灶的氧浓度。

        3.HBO-PC通过上调抗氧化酶诱导大鼠缺血-再灌注损伤耐受:Li等对sD大鼠进行连续2 d(2.5ATA,100%氧气),每隔12 h,每次1 h共4次的HBO-PC治疗局灶性脑缺血-再灌注损伤(大脑中动脉阻塞模型),结果发现,HBO-PC组大鼠死亡率明显降低,神经功能改善。更重要的是,HBO-PC在显著减少损伤因子MDA表达的同时,提高抗氧化因子(catalase,CAT)和SOD的表达。这些结果提示HBO-PC可上调抗氧化酶来诱导大鼠对缺血-再灌注损伤的耐受。

        4.HBO-PC通过线粒体途径抑制神经细胞凋亡,减轻缺血-再灌注损伤:除了发现HBO-PC可上调抗氧化酶发挥脑保护作用外,Li等还发现,HBO-PC可下调细胞色素c和半胱天冬酶,上调Bcl-2和Bax表达,可能通过调控线粒体途径预抑制缺血-再灌注损伤导致的神经细胞凋亡,降低脑含水量,减少梗死灶面积,显著改善大鼠神经功能障碍,发挥积极的神经和脑保护作用。

        5.HBO-PC通过上调神经细胞自噬诱导脑缺血耐受:除外凋亡,自噬既是一种细胞死亡的方式,更是一种细胞自我更新的手段。最近Yan等对SD大鼠先进行连续5 d(2.5ATA,100%氧气),1次/d,的HBO-PC,在最后一次预处理后24 h,通过大脑中动脉阻塞对大鼠进行缺血-再灌注损伤。结果发现HBO-PC组大鼠神经功能学评分和梗死面积均小于对照组大鼠。同时,电镜和自噬体膜蛋白(light chain 3,LC3)的结果提示,HBO-PC的治疗作用可能是通过上调自噬的表达来实现的。因为自噬相对于凋亡、坏死等细胞死亡方式来说,属于一种安全的细胞死亡方式,不会引起炎症等免疫变化,适度的自噬可以发挥强大的脑保护作用。

        四、小结

        缺血-再灌注损伤一直是医学界研究的一个热点问题,也是一个亟待解决的难题。并不是所有缺血的器官和组织在恢复血流后都会发生缺血-再灌注损伤,有很多因素影响它的发生和发展。例如,①将缺血时间的长短,缺血时间过长或者过短都不容易发生再灌注损伤;②侧支循环:侧支循环容易形成的缺血组织或器官可以减轻缺血程度,较不易发生缺血再灌注损伤;③需氧程度:像心脏、脑等对氧需求量高的器官容易发生缺血再灌注损伤;④再灌注的条件:低pH、低钙、低温溶液灌注可以减轻组织的再灌注损伤。

        缺血再灌注后氧自由基,脂性自由基增多,这些自由基可以破坏膜磷脂的成份,使膜磷脂减少,直接导致膜的流动性和与磷脂膜结合的酶活性下降.此外这些自由基可以减少ATP使得线粒体的功能受限,最终导致细胞能量代谢障碍。缺血再灌注后Na+/Ca2+交换异常,细胞膜、线粒体以及肌浆网膜损伤,导致大量的Ca2+进入细胞,使得细胞内钙超载,进一步加重细胞结构损伤以及代谢障碍。世界科研工作者针对如何有效减轻缺血-再灌注损伤进行了大量的研究,在兴奋性氨基酸毒性作用、氧自由基和钙离子超载等学说的基础上,一些气体被引入到缺血-再灌注损伤的治疗领域,除外O2,还包括一氧化氮(nitric oxide,NO),氢气(hydrogen,H2),一氧化碳(carbon monoxide,CO),硫化氢(hydrogen sulfide,H2S)气体等。例如:内源性摄入NO可以降低肝脏细胞凋亡,减轻缺血-再灌注损伤;H2是一种高度可扩散的气体,并且可以在体内与氧自由基分子产生水来起到类似抗氧化剂的作用减轻缺血-再灌注损伤,内源性产生CO或者体内给予可以释放CO的分子可以通过激活HIF来减轻炎症发挥保护作用;H2S气体发现可以诱导产生一种可逆的低体温状态,在不改变血压的情况下抑制血管内皮细胞的功能,减轻血管内皮细胞对于缺血-再灌注的反应。

        然而,上述气体虽被证实有效,但缺乏应用技术,其安全性差,效果不稳定,直接导致临床应用困难。相较于NO,H2和CO等,高压氧则是一种非创伤性并且确实有效、安全性高的一种气体预处理治疗手段,在临床应用上已显示出其潜在的、深远的应用前景。近年来,高压氧医学在我国取得了蓬勃的发展,各型高压氧舱的研制也为临床应用提供了便利。尽管如此,HBO-PC减轻缺血-再灌注损伤仍属于一个新的应用领域,还需要在其作用机制、预处理方案和应用技术上进行更为详细的研究。

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