運(yùn)動(dòng)對(duì)缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制

□杜俊儒 張利（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）體育教研部 北京 100083）

1、組織缺血再灌注發(fā)生的機(jī)制

1.1、自由基損傷機(jī)制

氧化應(yīng)激是造成缺血再灌注損傷的重要因素，在正常生理狀態(tài)下，機(jī)體自由基的產(chǎn)生與清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。機(jī)體組織發(fā)生缺血時(shí)，自由基（主要是以氮、氧為分子中心的活性氧類）也大量生成。此時(shí)局部由于缺血清除自由基能力降低，造成氧化產(chǎn)物過(guò)剩，不僅在胞內(nèi)導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生氧化還原反應(yīng)，損傷抗氧化系統(tǒng)，也會(huì)透過(guò)細(xì)胞膜引起細(xì)胞間的氧化應(yīng)激損傷。缺血和再灌注均發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，而再灌注階段的損傷更為嚴(yán)重。恢復(fù)供血的再灌注階段，過(guò)剩的自由基在氧的催化作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，造成細(xì)胞膜上脂肪酸的氧化，改變細(xì)胞膜功能和流動(dòng)性；蛋白質(zhì)羥基結(jié)構(gòu)受到自由基氧化作用，造成酶功能、受體活性，以及結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，蛋白片段收縮和細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制被破壞。同樣，DNA對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)也非常敏感，導(dǎo)致基因突變，造成細(xì)胞死亡。若胞質(zhì)內(nèi)鈣離子超載將進(jìn)一步導(dǎo)致ROS產(chǎn)物增多，加重缺血再灌注損傷。由此可見，進(jìn)行預(yù)處理干擾，及時(shí)有效地清除自由基或防止自由基的大量生成，將成為干預(yù)缺血再灌注損傷的有效方法。

1.2、鈣離子超載

細(xì)胞內(nèi)Ca2+是維持生命活動(dòng)不可缺少的重要離子。線粒體鈣離子超載是導(dǎo)致缺血再灌注損傷的非常重要的原因，在組織再灌注損傷機(jī)制中起主導(dǎo)作用。正常情況下，胞外鈣離子濃度高于胞內(nèi)，當(dāng)發(fā)生缺血再灌注時(shí)，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能在自由基的沖擊下發(fā)生改變，通透性增加，胞外鈣離子大量?jī)?nèi)流；心肌缺血時(shí)糖酵解增加，Na/H交還蛋白激活胞外鈉離子大量?jī)?nèi)流，降低細(xì)胞內(nèi)外鈉離子跨膜梯度，激活細(xì)胞膜上 Na+-K+-ATP酶和 Na+/Ca2+交換通道，缺血導(dǎo)致的ATP大量消耗導(dǎo)致 Na/K交換受到抑制，使得Na/Ca交換激活，導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流。細(xì)胞內(nèi)的高鈣環(huán)境導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放，在線粒體內(nèi)膜上鈣離子調(diào)節(jié)蛋白的作用下，線粒體內(nèi)積聚大量的鈣離子，聚集在線粒體內(nèi)的Ca2+形成磷酸鈣沉淀，抑制線粒體ATP合成。Ca2+還能激活線粒體上磷脂酶，引起線粒體膜損傷，改變線粒體膜通透性，引起Ca2+外流，使細(xì)胞由可逆性損傷變?yōu)椴豢赡嫘該p傷。此外，胞內(nèi)鈣離子超載之后，鈣離子/鈣調(diào)蛋白信號(hào)系統(tǒng)被過(guò)度激活，導(dǎo)致微管連接蛋白（MAP）迅速磷酸化，促進(jìn)微管解體，破壞細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。

1.3、炎性反應(yīng)機(jī)制

缺血再灌注損傷的病理過(guò)程非常復(fù)雜，與多種機(jī)制有關(guān)，其中炎癥反應(yīng)是缺血再灌注損傷的重要因素之一。近年來(lái)淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的免疫炎癥反應(yīng)被認(rèn)為在多種器官缺血再灌注損傷的發(fā)病機(jī)制中起到了重要作用。在心肌缺血再灌注損傷中CD3+T細(xì)胞中和CD4+T細(xì)胞減少心肌梗死面積，而Toll樣受體（TLRs）特別是 TLR-2和TLR-4，在輔助分子的協(xié)助下通過(guò)激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)活化NF-kB或c-Jun激酶啟動(dòng)相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄，促炎細(xì)胞因子及趨化因子表達(dá)，如白細(xì)胞介素，腫瘤壞死因子等，介導(dǎo)炎癥反應(yīng)造成心肌損傷；腎臟缺血再灌注大鼠有明顯腎小球腎炎表現(xiàn)，血清中白細(xì)胞介素1β和腫瘤與壞死因子α水平顯著升高，血清和腎臟中C-X-C型趨化因子受體4水平也明顯增加，提示腎缺血再灌注損傷以炎性反應(yīng)為特征；心肌缺血后細(xì)胞壞死數(shù)量、心功能降低程度與炎性因子水平呈正相關(guān)，表明炎癥反應(yīng)直接參與心肌缺血再灌注損傷的發(fā)生。

2、缺血再關(guān)注損傷的預(yù)防與治療措施

2.1、缺血、缺氧預(yù)處理

采取一定預(yù)處理方式調(diào)動(dòng)機(jī)體產(chǎn)生對(duì)缺血再灌注損傷的耐受，是一種實(shí)用而有效的防治措施，目前一般采用有缺血預(yù)處理、缺氧預(yù)處理，以及藥物預(yù)處理等方式。缺血預(yù)處理產(chǎn)生的內(nèi)源性保護(hù)現(xiàn)象已在多種動(dòng)物缺血再灌注損傷模型上得到證實(shí)，提示缺血預(yù)處理的保護(hù)效應(yīng)具有多器官普遍性。預(yù)處理保護(hù)效應(yīng)機(jī)制涉及多種因素，可能與熱應(yīng)激蛋白、ATP敏感性鉀離子通道、自由基，以及降鈣素基因相關(guān)肽等因素有關(guān)。離體細(xì)胞進(jìn)行缺氧模擬缺血的預(yù)處理保護(hù)現(xiàn)象也在離體乳鼠神經(jīng)細(xì)胞模型上得到證實(shí)。鑒于預(yù)處理保護(hù)的普遍性，以及簡(jiǎn)便易行，這種內(nèi)源性保護(hù)方法備受關(guān)注，在臨床外科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2、藥物預(yù)處理

利用麻醉劑、阻斷劑、抗氧化劑等藥物或活性物質(zhì)的藥理作用，直接或間接的產(chǎn)生類似于缺血或缺氧預(yù)處理的保護(hù)效應(yīng),以降低損傷幾率或增強(qiáng)組織細(xì)胞對(duì)再管再灌注損傷的耐受力。目前臨床上應(yīng)用的主要有以下幾類藥物：（1）麻醉劑，如異氟醚、右美托咪定等；（2）離子通道阻滯劑，如氨氯地平，苯妥英等；（3）氧自由基清除劑，如白蘆藜醇；（4）蛋白激酶抑制劑，如烏司他丁；（5）減輕炎性反應(yīng)的藥物，如血小板激活因子拮抗劑；（7）中草藥制劑的運(yùn)用，如花青素、淡竹葉黃酮、黃芪甲苷等。

3、運(yùn)動(dòng)預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制

3.1、運(yùn)動(dòng)預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護(hù)效應(yīng)

預(yù)處理是機(jī)體一種內(nèi)源性保護(hù)現(xiàn)象，在臨床上主要應(yīng)用于缺血性心、腦血管病的防治及器官移植的開展。但已有研究者將預(yù)處理手段應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，而且大量研究均證實(shí)，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生內(nèi)源性保護(hù)物質(zhì)，能抵抗誘發(fā)心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)因素，降低心血管疾病的發(fā)病率；增強(qiáng)腦缺血性損傷耐受，具有顯著的腦神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用；減輕運(yùn)動(dòng)性骨骼肌微損傷，避免延遲性肌肉酸痛的發(fā)生。在經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)預(yù)處理之后機(jī)體組織對(duì)缺血損傷的敏感性降低，損傷的嚴(yán)重程度也隨之降低，規(guī)律性運(yùn)動(dòng)還能夠改善機(jī)體血脂，控制血糖，降血壓，抑制肥胖，而且運(yùn)動(dòng)預(yù)處理具有抗缺血再灌注損傷造成的心率失常、心肌頓抑、心肌梗塞等保護(hù)效果。近年來(lái)研究表明，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)抗缺血再灌注損傷的保護(hù)作用不依賴于肌肉和血流動(dòng)力學(xué)改變，而是一種由運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生的一種特異性生理適應(yīng)反應(yīng)。作為一種抗缺血再灌注損傷的保護(hù)措施，運(yùn)動(dòng)預(yù)處理對(duì)機(jī)體的保護(hù)效果與年齡和性別無(wú)關(guān)，而運(yùn)動(dòng)時(shí)間與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也不影響運(yùn)動(dòng)預(yù)處理誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生的內(nèi)源性保護(hù)效果。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)3-5天的短期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練產(chǎn)生的保護(hù)作用與長(zhǎng)達(dá)10周的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練所產(chǎn)生的保護(hù)作用無(wú)明顯差異。大鼠進(jìn)行一次30min短時(shí)跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練之后具有部分抵抗缺血再灌注損傷導(dǎo)致的凋亡組織死亡的能力，而進(jìn)行為期3天且最大耗氧量達(dá)55%-75%跑臺(tái)訓(xùn)練的大鼠同樣具有抗缺血再灌注損傷導(dǎo)致的心肌收縮力下降的能力。大量研究已證實(shí)運(yùn)動(dòng)預(yù)處理的抗缺血再灌注損傷的保護(hù)作用，但對(duì)其保護(hù)機(jī)制的研究尚處于探索階段，目前研究發(fā)現(xiàn)主要與熱應(yīng)激蛋白、鈣離子調(diào)節(jié)蛋白、ATP敏感性鉀通道（KATP通道），以及內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)有關(guān)。

3.2、熱應(yīng)激蛋白（HSP）與運(yùn)動(dòng)保護(hù)

熱應(yīng)激蛋白（HSP）廣泛存在于機(jī)體各組織，熱應(yīng)激、氧化應(yīng)激等多種應(yīng)激因素均能誘導(dǎo)其表達(dá)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)體產(chǎn)熱現(xiàn)象對(duì)心肌來(lái)說(shuō)是一種熱應(yīng)激，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞HSP大量表達(dá)。HSP的大量合成具有抗心臟損傷的保護(hù)作用，作為HSP成員之一的HSP72與家族其他成員相比，對(duì)外界刺激敏感性較高，可誘導(dǎo)程度也較高，抗缺血再灌注損傷的保護(hù)效果也更為顯著。有研究結(jié)果顯示，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)應(yīng)激誘導(dǎo)骨骼肌HSP72大量合成，又有研究顯示小強(qiáng)度訓(xùn)練未能誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞HSP72的合成，兩種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明，運(yùn)動(dòng)抗缺血再灌注損傷的保護(hù)作用是由于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)HSP大量合成這一觀點(diǎn)的爭(zhēng)議性。早期研究發(fā)現(xiàn)，HSP72大量合成與抗缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制之間存在著密切聯(lián)系，但是HSP72的大量表達(dá)是抗缺血再灌注損傷的因還是果未有明確解釋。為此，研究人員設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察在低溫環(huán)境下（4℃）運(yùn)動(dòng)與HSP72合成存在何種聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與室溫條件下運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練相比，低溫環(huán)境中運(yùn)動(dòng)心肌HSP72大量合成受到抑制，當(dāng)從室溫環(huán)境轉(zhuǎn)移至低溫環(huán)境中，心肌HSP72的表達(dá)與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的抗心律失常和抗組織死亡作用無(wú)相關(guān)性。

3.3、運(yùn)動(dòng)預(yù)處理與抗氧化

抗氧化系統(tǒng)是機(jī)體防御的重要方面，在受到自由基侵襲遭受氧化損傷過(guò)程中，機(jī)體的內(nèi)源性抗氧化酶和外源性的抗氧化物質(zhì)直接與自由發(fā)生作用，或消耗能夠產(chǎn)生自由的物質(zhì)，抑制自由基氧化反應(yīng)，維護(hù)機(jī)體細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)態(tài)。生理狀態(tài)下，機(jī)體氧化與抗氧化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但缺血再灌注損傷時(shí)氧化性物質(zhì)增加，抗氧化系統(tǒng)受到破壞，氧化與抗氧化的動(dòng)態(tài)平衡被打破。機(jī)體抗氧化系統(tǒng)一般分為酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)，各自通過(guò)不同的方式發(fā)揮抗氧化作用，包括：催化自由基活性消失、形成蛋白復(fù)合物阻斷自由基生成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、對(duì)氧化損傷的蛋白基因進(jìn)行修復(fù)，直接清除游離自由基等方式。在骨骼肌和心肌中對(duì)自由基的催化作用主要依賴于多種抗氧化酶的協(xié)同作用完成，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過(guò)氧化酶（GSH-Px）、過(guò)氧化還原蛋白、硫氧還原蛋白。SOD廣泛存在于機(jī)體各組織，在心肌細(xì)胞內(nèi)以兩種形式存在：一種是含銅、鋅金屬輔基的形式（CuZnSOD），一種是含錳金屬輔基的形式（MnSOD）。在非酶防御系統(tǒng)中，主要是含離子物質(zhì)，尤其是一些蛋白結(jié)構(gòu)中的金屬離子與自由基發(fā)生反應(yīng)，組織自由基發(fā)生氧化還原反應(yīng)造成機(jī)體損傷，包括轉(zhuǎn)貼蛋白、鐵硫蛋白等。熱應(yīng)激蛋白家族也是重要的內(nèi)源性抗氧化蛋白，具有直接或間接的抗氧化作用。此外，一些內(nèi)源性小分子物質(zhì)，尿素、谷胱甘肽膽紅素等也都具有清除自由的能力。外源性非酶抗氧化物質(zhì)主要來(lái)源于食物，主要包括維生素C、維生素E、硒等，輔助內(nèi)源性抗氧化作用，增強(qiáng)機(jī)體調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激功能。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)中，抗氧化酶MnSOD活性在經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的心肌中保持著較高活性狀態(tài)，表明在運(yùn)動(dòng)預(yù)處理保護(hù)缺血再灌注損傷的機(jī)制中，內(nèi)源性抗氧化酶MnSOD發(fā)揮著重要作用?？寡趸甘沁\(yùn)動(dòng)預(yù)處理介導(dǎo)的重要保護(hù)機(jī)制，細(xì)胞內(nèi)的通路信號(hào)分子也同樣發(fā)揮著重要的作用。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)主要受運(yùn)動(dòng)代謝產(chǎn)生的氧化性產(chǎn)物的調(diào)控，這種調(diào)節(jié)作用與核因子E2相關(guān)因子2（Nrf2）激活I(lǐng)I相酶有關(guān)。Nrf2在機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)中起著中樞調(diào)節(jié)作用，在正常生理狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)的Nrf2與胞質(zhì)中Keap1蛋白相互結(jié)合，被結(jié)合的Nrf2無(wú)法從細(xì)胞質(zhì)移位至細(xì)胞核。

ATP敏感型鉀離子通道（KATP）是一種與細(xì)胞代謝密切相關(guān)的弱內(nèi)向整流鉀離子通道，包括心肌內(nèi)膜ATP敏感型鉀離子通道（sKATP）和線粒體內(nèi)膜ATP敏感型鉀離子通道（mKATP），生理狀態(tài)下胞內(nèi)KATP活性與ATP濃度呈負(fù)相關(guān)。KATP廣泛分布于人和動(dòng)物骨骼肌、神經(jīng)元，以及平滑肌細(xì)胞，位于心肌內(nèi)膜和線粒體內(nèi)膜ATP敏感性鉀離子通道維持著正常的心臟功能，并在多種刺激因素的作用下介導(dǎo)心臟保護(hù)效應(yīng)，抵抗缺血再灌注損傷，分布在骨骼肌細(xì)胞膜上的KATP可以緩解運(yùn)動(dòng)型疲勞的發(fā)生。正常生理情況下，細(xì)胞內(nèi)KATP活性受抑制，處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)機(jī)體發(fā)生缺血再灌注或處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，胞內(nèi)能量消耗到一定程度時(shí)，KATP被激活打開。在缺血再灌注之前開放sKATP，可引起抗缺血再灌注損傷的保護(hù)效應(yīng)，有研究發(fā)現(xiàn)SKATP是mKATP的激活因子，mKATP是缺血預(yù)處理的終末效應(yīng)器，其相關(guān)分子機(jī)制尚未完全清楚，但可能與抑制缺血心肌胞內(nèi)或線粒體鈣離子超載，降低缺血心肌心肌能量消耗，提升心肌細(xì)胞能量利用效率有關(guān)。有研究指出運(yùn)動(dòng)預(yù)處理明顯減少缺血再灌注后犬心肌梗死面積，而在應(yīng)用mKATP通道抑制劑后，犬心肌梗死面積沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明mKATP介導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練抗心肌缺血再灌注損傷的保護(hù)效應(yīng)，長(zhǎng)期耐力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練增加大鼠sKATP表達(dá)，小強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練也能激活正常小鼠脛骨前肌KATP高表達(dá)，又有研究表明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘導(dǎo)mKATP開放并不依賴于胞內(nèi)ATP濃度的降低，而在健康心肌中胞內(nèi)ATP濃度處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，以上結(jié)果充分證明了運(yùn)動(dòng)預(yù)處理開放KATP，但也提示運(yùn)動(dòng)預(yù)處理誘導(dǎo)KATP開放存在著多種機(jī)制。

目前已知KATP激活因子PKC，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練心肌胞質(zhì)中活性增強(qiáng)。而在非運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練試驗(yàn)中，PKC也同樣能夠介導(dǎo)KATP開放保護(hù)心臟，應(yīng)用PKC抑制劑后，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練產(chǎn)生的抗缺血再灌注后心肌梗死的保護(hù)作用消失，以上結(jié)果提示PKC可能在運(yùn)動(dòng)預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護(hù)效應(yīng)中起著重要的媒介作用。而Carson等研究發(fā)現(xiàn)不同亞型PKC蛋白和基因水平在不同運(yùn)動(dòng)預(yù)處理心臟保護(hù)效應(yīng)中的變化也有所不同。因此，PKC與KATP在預(yù)防缺血再灌注損傷保護(hù)中的作用機(jī)制需要進(jìn)一步深入探索。

4、展望

缺血再灌注損傷的防治一直是醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)，尋找到行之有效的防治方法和手段，對(duì)保護(hù)心、腦等重要器官，提升生命質(zhì)量和改善人類健康具有重大意義。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是一種簡(jiǎn)單健康的非損傷性應(yīng)激手段，更易于被患者所接受，在臨床上也已取得一定的療效。但運(yùn)動(dòng)預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制，尚處于探索階段，運(yùn)動(dòng)預(yù)處理所引起的細(xì)胞能量代謝變化、線粒體功能的調(diào)節(jié)、信號(hào)通路和離子通道的抑制或激活等內(nèi)在機(jī)制仍需進(jìn)一步探索，而且深入開展綜合性研究，依據(jù)不同器官特點(diǎn)結(jié)合多種內(nèi)在作用機(jī)制，提出科學(xué)的運(yùn)動(dòng)治療方案（包括方式、強(qiáng)度、時(shí)間等），將為臨床缺血再灌注損傷性疾病的預(yù)防和治療提供安全保障，也必將為患者帶來(lái)無(wú)限的希望。