- 2015麻醉學新進展
- 鄧小明 姚尚龍 曾因明主編
- 4811字
- 2021-04-16 15:40:18
36 外源性鋅對心缺血再灌注損傷保護作用的研究進展
心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemia-reperfusion,MIRI)是心臟外科實踐中常見的組織器官損傷之一,在溶栓治療、冠狀動脈介入治療、體外循環下心內直視手術、心臟移植術等手術的病理生理演變過程中扮演重要角色。如何減輕MIRI,已成為心肌保護方面需要迫切解決的問題。缺血預處理(ischemic preconditioning,IPC)是心肌內源性保護措施,但其屬損傷性操作,且缺血時最佳時間、安全時限、操作復雜、不合倫理等問題使其臨床應用受到限制。故提出藥物預處理(pharmacological-preconditioning,PP),即通過藥物激發或者模擬內源性保護物質而達到心肌保護作用,成為目前的研究熱點之一。外源性的鋅能夠保護缺血再灌注損傷的心肌,但具體機制尚未明確。鋅作為機體內重要細胞內信號分子,在信號識別、第二信使代謝、蛋白激酶激活等方面發揮重要作用,本文就外源性鋅參與的心肌保護作用及其相關機制的研究進展綜述如下。
一、鋅的基本生理作用
鋅是人體必需的元素,參與細胞內信號傳遞和細胞功能的調節。鋅在機體內分布廣泛,是300多種金屬酶發揮功能所必需的微量元素,是構成機體各種蛋白、轉錄因子等結構和功能的基礎,鋅離子在機體內失衡或者紊亂,將對機體造成嚴重的影響。
鋅參與多種酶的合成與激活,對蛋白質的合成,細胞生長、分裂和分化的調節及人體生長發育等多種生理功能均有重要作用。鋅可作為第一信使,參與細胞間信息傳遞,它被確認為內源性G蛋白偶聯受體39的激動劑和調節上皮細胞修復關鍵的信號分子;鋅還可作為第二信使影響細胞內其他的信號分子,包括蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)、鈣調節蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ、細胞外信號調節激酶1/2(extracellular-signal-regulated kinase 1/2,ERK1/2)、蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTP)和細胞凋亡蛋白酶等,其中PKC和ERK都是介導心肌保護的重要信號分子。此外,鋅還可調節線粒體功能,影響活性氧(reactive oxygenspecies,ROS)的產生,尤其是抑制線粒體bc1復合體(或稱線粒體呼吸鏈復合體Ⅲ)處電子鏈傳遞,使ROS產生增加。鋅可誘導金屬硫蛋白(metallothionein,MT)合成,與MT形成復合物,保護機體免受自由基損傷。外源性鋅通過調控MT表達進而參與機體內鋅穩態維持和功能調節,鋅穩態主要靠溶質運載蛋白家族(Solute Carrier Slc families),Slc39A(ZIP)和Slc30A(ZnT)及MT進行調控。鋅對DNA穩定性的維持還表現在它可以以鋅指蛋白形式參與調控DNA的復制、轉錄及損傷修復。Zn 2+在維持鋅指結構完整和輔助完成蛋白功能的過程中發揮著不可替代的作用。不同的鋅指結構選擇性地與DNA鏈、RNA鏈或DNA-RNA雜交鏈結合,進而在轉錄和翻譯水平上調控基因表達。另有研究表明,雖然低鋅條件下p53基因表達量增加,但p53基因與下游靶基因相互作用的活性顯著降低,因此導致DNA損傷修復不能及時完成。
二、外源性鋅的心肌保護作用
隨著人們對鋅及缺血再灌注損傷認識的深入,鋅作為機體內重要的細胞內信號分子在信號識別、第二信使代謝、蛋白激酶、激活磷酸化等方面發揮著重要作用。有研究表明,心臟缺血再灌注時細胞內鋅水平下降,而補充鋅可以保護心臟,說明鋅對保護再灌注心肌具有關鍵作用。
有研究發現體外循環心臟手術后患者血清鋅濃度發生變化。隨后大量研究表明:冠心病患者術前體內存在鋅缺乏,先天性心臟病患者術前血鋅基本正常;體外循環后,由于血液稀釋、創傷、尿排泄等因素降低了機體鋅儲備,同時由于低溫、缺氧、麻醉藥等因素導致鋅在機體內再分布進一步加重了鋅缺乏;研究顯示,外源性鋅能夠調節多種重要的細胞內信號物質的活性,例如PI3K、Akt/PKB、P70S6Kinase、mTOR、ERK以及GSK-3β。由于這些信號物質均參與心肌缺血再灌注損傷的保護機制,所以鋅可能參與心肌保護作用。早期的研究顯示,鋅通過抑制氧超載而保護大鼠離體再灌注心肌,外源性鋅能夠抑制移植心臟的細胞凋亡,鋅能夠抑制氧化應激誘導的心肌細胞線粒體損傷。也有研究表明,大鼠心臟經歷缺血再灌注后細胞內鋅水平減少,而給予鋅可以保護心臟,說明鋅穩態對抗再灌注心肌具有非常重要的作用。而上述作用機制在抗心肌缺血再灌注損傷中已得到證實。鋅預處理心肌可減輕缺血再灌注心肌的氧化應激、抑制心肌細胞凋亡,在心肌缺血后再灌注期用鋅離子載體減輕了心肌損傷,其機制可能是通過保護PKC異構體。Chanoit等用外源性鋅減輕了心肌細胞氧化應激所致的線粒體損傷,在此基礎上,該課題組用ZnCl 2預處理心肌細胞后可顯著減輕再灌注損傷,使GSK-3β的絲氨酸殘基磷酸化增加,用PIK3抑制劑LY-294002可廢除上述現象,推測其機制可能是抑制GSK-3β活性,從而通過線粒體通透性轉運孔發揮心肌保護作用。有研究證實用ZnCl 2處理心肌細胞后發現Akt及GSK-3β磷酸化增加,用EDTA螯合鋅離子后此現象消失,其機制可能是通過類胰島素生長因子1酪氨酸激酶(IGF-1RTK)和抑制線粒體通透性轉運孔開放激活Akt。有研究顯示84%急性心肌梗死患者早期血鋅下降,非壞死的缺血區心肌鋅含量遠高于正常心肌,更高于壞死區心肌,因而認為血鋅下降的主要機制是血中鋅被缺血心肌攝取以利組織修復,因此體外循環后機體鋅缺乏必然加重心肌缺血再灌注損傷。綜上所述,外源性鋅具有顯著抗心肌再灌注損傷的作用,可能是通過抗氧化損傷的終末效應而得以實現的,其具體機制尚需進一步的研究探討。
三、鋅參與心肌缺血再灌注損傷保護作用機制
(一)外源性鋅激活Nrf2-ARE通路
轉錄因子NF-E2相關因子2(transcription factor NF-E2-related factor 2,Nrf2)是細胞調節抗氧化應激的重要轉錄因子,主要通過抗氧化順勢作用元件(antioxidant response elements,ARE)控制抗氧化酶基因、Ⅱ相解毒酶基因和應激基因的表達。
近年研究發現,Nrf2在心血管系統具有穩定的表達,在MIRI中發揮重要抗氧化應激心肌保護作用。研究表明,Nrf2-ARE通路對MIRI保護機制可能是通過減少ROS抗氧化應激損傷、減輕鈣超載、抗炎癥、抗心肌細胞凋亡等,各機制相互聯系,相互滲透,其中抗氧化應激作用是目前眾多學者所公認的。Nrf2/ARE通路是內源性抗氧化機制中最為重要的信號通路之一,處于氧化應激核心地位。氧化應激可加速Nrf2的mRNA轉錄,增加Nrf2蛋白合成,從而導致Keapl-Nrf2復合體解離,使游離的Nrf2增加,進入細胞核內的Nrf2增加,上調其下游抗氧化蛋白及Ⅱ相解毒酶基因的表達從而減輕氧化損傷。王海英等人對大鼠心肌進行實驗證明,多種藥物通過Nrf2-ARE通路介導抗心肌缺血再灌注損傷保護作用。
研究證實鋅在機體內各種氧化損傷所致的疾病中發揮著直接或者間接的抗氧化作用,鋅缺乏增加了機體對氧化應激的易感性,使氧自由基產生增加,丙二醛含量增加,谷胱甘肽及超氧化物歧化酶含量、活性降低,補鋅后氧化損傷減輕。研究發現,鋅抗氧化可能激活Nrf2-ARE通路,通過誘導上調核轉錄因子及其下游調控基因的轉錄,增加了一系列抗氧化蛋白及Ⅱ相解毒酶的表達量,減輕氧化應激,有研究證實用硫酸鋅處理視網膜色素上皮細胞后,使Nrf2表達量增加,使谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)在轉錄水平表達增加,最終上調谷胱甘肽合成;而采用RNA干擾技術敲除Nrf2基因后未觀察到上述效應,表明鋅可通過Nrf2-ARE通路抗氧化損傷,也研究顯示ZnCl 2在HepG2和Hepa 1c1c7細胞內,誘導了一系列抗氧化蛋白及Ⅱ項解毒酶的表達,通過基因分析證明是激活了Nrf2-ARE通路。Nrf2處于機體抗氧化應激的核心地位,外源性鋅對心肌細胞的保護作用與其抗氧化作用相關,如應用外源性鋅預處理缺血心肌,是否是通過激活Nrf2-ARE通路產生心肌保護作用尚不清楚,外源性鋅預處理是否通過激活Nrf2-ARE通路抗心肌缺血再灌注損傷將為心肌保護提供一條新途徑。
(二)外源性鋅與金屬硫蛋白(MT)
金屬硫蛋白(metallothionein,MT)是體內富含巰基的應激蛋白,具有清除自由基,其清除能力是GSH-Px的100倍、SOD的1000倍,MT為機體的內源性保護蛋白,可增加超氧化物歧化酶(SOD)而減少自由基,抗脂質過氧化作用,MT與應激關系密切,且參與微量元素代謝的調節,鋅可誘導體內合成MT,補鋅可能通過影響MT基因的表達而發揮抗氧化和細胞保護作用。
鋅是人體必需的微量元素,為Cu/Zn SOD的活性劑,能有效抑制脂質過氧化反應。MT涉及許多生理及病理生理過程,其中包括體內必需金屬元素的儲存、代謝和轉運以及重金屬的解毒、細胞代謝的調控、內分泌系統調節等,對各種生物膜有穩定作用。正常情況下,體內存在的抗氧化酶系統,如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等,可消除氧自由基及阻止過氧化脂質的形成,但心肌的這種抗氧化能力較弱。此外,MT還通過促進抗氧化酶的活性增強抗膜脂質過氧化的作用。因此在氧化應激狀態下,心臟MT清除ROS的作用凸顯。莊梅等人對大鼠的研究結果證實,補充外源性鋅具有保護缺血再灌注損傷心肌的作用。金屬硫蛋白(MT)能保護細胞抵抗氧化應激介導的細胞凋亡,說明外源性鋅誘導了MT的高表達對NF-κB的活化具有抑制作用,這可能是MT抵抗氧化應激介導細胞凋亡的機制之一。綜上所述,補鋅后MTmRNA轉錄水平顯著增高,從而有利于機體抗氧化,減輕心肌缺血再灌注損傷。
(三)外源性鋅與線粒體通透性轉換孔
隨著“線粒體醫學”的不斷發展,對心肌缺血、再灌注損傷的機制研究逐漸深入,抑制線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)的開放被認為是心肌保護中最有前途的靶位之一。作為細胞能量的來源,線粒體是決定細胞死亡和代謝的重要細胞器,線粒體膜上存在mPTP。
線粒體是氧自由基產生的主要場所,在心肌缺血再灌注損傷過程中,氧自由基大量生成,氧自由基對mPTP影響最大,為mPTP開放提供了最佳環境,氧自由基增加通過耗竭還原狀態GSH或NADPH使mPTP開放,同時導致心肌細胞凋亡,從而加重心肌缺血再灌注損傷。研究表明,線粒體功能改變與細胞凋亡密切相關,包括釋放促凋亡因子、活性氧過度生成、能量產生障礙、胞漿內鈣失衡等,線粒體膜通透性轉換的發生在細胞凋亡中的作用非常關鍵。線粒體是心肌細胞缺氧性損害的核心細胞器。心肌缺血/再灌注損傷時心肌組織在較長時間缺血后恢復血液灌流,反而會出現比再灌注前更明顯、更嚴重的損傷和功能障礙,包括收縮功能降低,冠脈流量下降及血管反應性改變。研究證實,mPTP是心肌保護作用的關鍵靶點,在心肌缺血再灌注損傷的病理生理過程中發揮重要作用。研究顯示,外源性鋅能夠阻止氧化應激引起的大鼠心肌細胞mPTP開放,嗎啡通過鋅抑制mPTP開放發揮心肌線粒體保護作用。目前研究認為,抑制GSK3β活性進而阻止mPTP開放是多種信號通路心肌保護作用的共同途徑。已有研究證實,外源性鋅通過PI3K-Akt信號使GSK3β失活進而阻止mPTP開放,保護模擬再灌注的H9C2大鼠心肌細胞。因此,鋅參與GSK3β失活進而抑制mPTP開放在再灌注心肌保護中具有重要作用,補充外源性鋅可能是心肌保護機制中新的信號策略。
綜上所述,外源性鋅能夠調控mPTP開放及其關閉,并參與了心肌缺血再灌注損傷的多種機制。因此,mPTP已成為心臟保護的一個重要靶點,抑制它的開放可以減少多種心臟病的發生。
(四)其他
鋅離子代謝的穩態平衡對維持機體正常生理功能至關重要,在心臟組織中有多種鋅轉運蛋白表達,維持心肌細胞內鋅內穩態及細胞正常生理功能。盡管目前仍沒有確切證據來證實ZnT1的心肌保護轉運是調節心肌組織鋅內穩態而來獲得的,但是在模擬MIRI的HL-1系心肌細胞中,ZnT1的超表達激活Ras-ERK信號通路達到心肌保護作用。研究表明,補充外源性鋅后,鋅通過鋅轉運蛋白的調節達到穩態,使心肌組織免受心肌缺血再灌注損傷。
鋅可抑制細胞凋亡,其機制可能與其阻斷Ca 2+凋亡信號的傳導系統、影響PKC信號系統以及抑制核酸內切酶等有關。劉丹等人對大鼠的研究結果證實,補充外源性鋅具有保護缺血再灌注損傷心肌的作用,其機制可能是通過抑制心肌細胞凋亡而實現的。
四、外源性鋅對心肌保護作用的小結與研究展望
補充外源性鋅已經成功應用于對肝臟、腎臟、大腦、心臟等器官缺血再灌注損傷的保護,在臨床上已經有其對心肌梗死、心臟手術等各種心血管疾病的保護作用研究,但是目前補充外源性鋅的臨床試驗研究存在樣本量偏少、評估指標少的缺陷,在以后的研究中需要多中心的臨床研究來予以驗證鋅的心肌保護作用以及臨床治療效果。
綜上所述,目前已經有大量研究證實了外源性鋅能夠減少心肌缺血再灌注損傷,對心肌具有明顯的保護效應,與IPC相比,其具備操作簡單、無創、高效等優點,便于在臨床上推廣應用,具有廣闊的發展前景。但是鋅的心肌保護具體機制尚未完全闡明,譬如鋅的心肌保護作用的細胞內信號轉導途徑,鋅在細胞內外的轉運形式,及其轉運蛋白的具體調控是否也與其心肌保護作用有關等,均無相關報道,尚有待進一步的研究。
(張永國 王海英)