李淑英 李慧 倪娟

四川大學華西第二醫(yī)院，出生缺陷與相關婦兒疾病教育部重點實驗室（成都 610041）

心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia?reperfusion injury，MIRI）是指短時間內中斷心肌血供，一定時間后再恢復心肌血流灌注，反而加重心肌損傷，引起細胞死亡，導致梗死范圍擴大，造成心功能進一步損害。MIRI常見于冠心病和心臟手術，是心血管疾病中導致患者發(fā)生并發(fā)癥和死亡的主要原因之一。最新研究顯示，冠心病急性心梗引起的MIRI將導致10%的患者死亡，而心功能不全發(fā)生率超過25%［1］。在心臟手術圍術期，約2%～3%的患者死于MIRI，25%的患者因MIRI而導致不同程度的心功能不全、心律失常和低血壓等并發(fā)癥［2-3］。隨著溶栓療法和經皮冠狀動脈介入治療技術的不斷發(fā)展，可以使缺血心肌很快重新恢復血液灌注及氧供應，這也給MIRI的治療帶來新的挑戰(zhàn)。目前MIRI臨床應用和研究較多的治療方法是藥物治療，包括各種化學類藥物，中藥及多肽藥物等，但療效不甚明顯。以及各種物理治療方法，包括缺血預適應、缺血后處理、遠處缺血處理等，療效也不甚確切。

因此，尋找安全、有效、可行的方法減輕心肌損傷對于降低MIRI并發(fā)癥的發(fā)生率和死亡率，提高患者的預后和生活質量具有重大的社會價值。氣體治療是近幾年來新興的治療MIRI的方法，主要研究的氣體有一氧化氮、一氧化碳、硫化氫以及氫氣等?，F階段國外研究最多的是硫化氫，已有較多文獻證實其可通過舒張血管平滑肌，抗炎，抗氧化應激及抑制心肌細胞凋亡等，從而保護受損心肌［4-6］。但由于硫化氫的毒性，而氫氣作為一種無毒溫和的選擇性還原性氣體逐漸成為了國內研究熱點，目前已有文獻報道了其對MIRI的保護作用［7-10］。本文就氫氣對MIRI的保護作用做一綜述。

1 心肌缺血/再灌注損傷（MIRI）

心肌在缺血一定時間后恢復血液再灌注反而會加重心肌損傷，即心肌缺血/再灌注損傷。如何改善MIRI是近年來臨床研究的熱點，到目前為止，臨床上尚無避免MIRI的有效治療方法。MIRI的機制研究有很多，其中氧化應激、細胞內鈣超載及炎癥學說是比較公認的機制，其他機制還包括細胞凋亡學說、心肌能量代謝障礙等。

1.1 氧化應激氧自由基（oxygen freeradical，OFR）是生物體內物質氧化過程中產生的不完全代謝產物，其性質不穩(wěn)定、氧化能力強，易對細胞造成損傷。正常生理條件下，心肌細胞中存在少量氧自由基會被機體完整的抗氧化系統(tǒng)快速清除，機體的氧自由基清除系統(tǒng)包括：超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等。但在心肌細胞發(fā)生缺血缺氧時，氧自由基清除系統(tǒng)的功能將降低甚至喪失，而氧自由基生成系統(tǒng)的活性將增強。因此缺血心肌在早期恢復血供和氧供后，會發(fā)生較強的氧化應激反應，氧自由基會大量產生并急劇堆積，當超過機體抗氧化系統(tǒng)的清除能力時，氧自由基就會與心肌細胞發(fā)生反應，導致心肌細胞受損［11］。已有實驗研究發(fā)現［12］，缺血心臟組織再灌注后，缺血區(qū)產生了大量的氧自由基，氧化應激是組織缺血再灌注損傷的重要因素之一。

1.2 細胞內鈣超載在心肌發(fā)生缺血、缺氧的過程中，大量氧自由基的產生所引發(fā)的脂質過氧化反應加強，心肌細胞膜通透性增加，鈣離子通道大量開放，促進細胞外鈣離子大量內流引起細胞內鈣離子堆積。細胞內高濃度的鈣會激活鈣依賴性蛋白酶，催化黃嘌呤脫氫酶轉化為黃嘌呤氧化酶，促進黃嘌呤分解為尿酸，同時產生大量的氧自由基。氧自由基和鈣超載相互促進形成惡性循環(huán)，加重心肌細胞的損傷。同時因心肌細胞內pH值明顯降低，細胞內酸中毒又激活細胞膜上的 Na+?H+和 Na+?Ca2+交換通道，鈣離子內流增加，加重細胞內鈣超載。細胞內鈣超載破壞線粒體功能，抑制Ca2+?Mg2+?ATP酶活性，減少ATP的生成，造成細胞內能量代謝障礙。此外，鈣離子還可激活磷脂酶，水解膜磷脂，造成細胞膜及細胞器損傷。研究發(fā)現，心肌缺血再灌注時給予細胞膜鈣通道及線粒體鈣單遞體的拮抗劑，可顯著降低細胞內的鈣離子濃度，使心肌梗死面積減少約 50%［13］。

1.3 炎癥反應心肌缺血再灌注時，細胞黏附分子和趨化物質可導致大量中性粒細胞進入心肌組織，黏附于心肌血管內皮細胞，中性粒細胞與血管內皮接觸時即被激活，釋放大量促炎細胞因子，如TNF?α、IL?6、NF?κB、IL?10等，促使白細胞黏附、聚集于毛細血管，引起血管堵塞而加重心肌缺血缺氧損傷。白細胞在缺血損傷區(qū)域可釋放出破壞性蛋白酶，改變血管的通透性，進一步加重細胞的損傷。此外大量氧自由基的產生激發(fā)細胞膜磷脂過氧化反應，破壞內皮細胞功能，增加血管的通透性。故中性粒細胞在缺血損傷區(qū)的浸潤、黏附、激活是MIRI的重要環(huán)節(jié)之一。研究表明，在心肌缺血再灌注時使用細胞黏附分子的克隆抗體來抑制炎癥反應，能顯著降低缺血再灌注損傷的嚴重程度［14］。在心肌缺血發(fā)生后再灌注前，實施缺血再灌注預處理、后處理，均能明顯降低缺血冠狀動脈內皮細胞與白細胞的黏附能力，縮小心肌梗死面積［15］。

1.4 細胞凋亡目前認為MIRI的發(fā)生與心肌細胞凋亡密切相關，缺血再灌注時持續(xù)缺血中的心肌細胞和再灌注后的心肌細胞均會有部分發(fā)生凋亡，而再灌注后可以減少可逆性受損心肌細胞發(fā)生凋亡，但卻也加速不可逆性受損心肌細胞發(fā)生凋亡。誘導MIRI發(fā)生凋亡的主要原因是氧自由基的大量產生和細胞內鈣超載的持續(xù)作用［16］。大量的氧自由基可誘發(fā)心肌細胞膜脂質過氧化，導致蛋白質變性，影響細胞的信號轉導系統(tǒng)，激活相關凋亡調控基因導致細胞凋亡。此外氧化應激反應還可以直接誘發(fā)細胞內的DNA鏈斷裂發(fā)生變異，從而誘導細胞凋亡。心肌細胞凋亡的主要調控因子為caspase家族蛋白酶、Bc1?2/Bax、Fas抗原、抑癌基因p53、熱休克蛋白、TNF?α等［17］。心肌缺血再灌注后發(fā)生細胞凋亡的數量明顯增多，且凋亡細胞數隨缺血再灌注時間的延長而增加，細胞凋亡的多少決定著缺血再灌注損傷的嚴重程度。有研究表明抑制心肌細胞凋亡，可以減輕MIRI的損傷程度［18］。

1.5 心肌能量代謝障礙心臟是一個高度耗能器官，需氧量極大，一旦出現缺血缺氧，心肌細胞將迅速從有氧代謝轉化為無氧代謝，此時無氧糖酵解產生的ATP成為心肌細胞能量供應的唯一來源。而無氧代謝的產能僅為有氧代謝的1/18，導致心肌能量供應驟減。同時糖酵解還會產生大量乳酸，使細胞內pH值下降發(fā)生酸中毒，導致ATP的產生進一步減少。心肌細胞內低水平的ATP，可抑制細胞膜上的 Na+?K+?ATP 酶活性，激活 Na+?H+酶活性，加重心肌細胞損傷；同時還會抑制肌漿網上Ca2+?ATP酶活性，鈣內流增加，導致細胞內鈣超載。細胞內鈣超載，又促進氧自由基的生成，進一步加重心肌細胞損傷。目前認為能量代謝障礙很可能是MIRI的始動環(huán)節(jié)［19］。有研究顯示，MIRI的嚴重程度和心肌細胞內ATP的含量密切相關，當ATP水平降低時，再灌注可引起大部分線粒體發(fā)生水腫；而當ATP水平升高時，再灌注僅引起小部分線粒體發(fā)生水腫［20］。

2 氫氣

氫氣廣泛分布于自然界中，是無色、無味、無嗅，具有一定還原性的雙原子氣體。由于氫氣的分子量小，結構簡單，能迅速通過生物膜彌散到細胞質、線粒體和細胞核中，發(fā)揮其抗氧化作用。氫氣可選擇性清除機體內有害的羥自由基和過氧亞硝基，而對過氧化氫、超氧陰離子等友好的氧自由基無影響。近年來，隨著氫分子醫(yī)學研究熱潮的開展，人們對氫氣的醫(yī)學研究已涉及到多個學科和領域。目前已有大量研究證明氫氣能保護多種器官和組織細胞，對很多疾病具有潛在的治療價值，如糖尿病、肥胖癥、胰腺炎、潰瘍性結腸炎、膿毒癥、多器官衰竭、帕金森病、腫瘤、放射病等，尤其在組織缺血再灌注損傷中治療效果顯著［21-30］。近期研究發(fā)現氫氣在心臟、脊髓、肺、肝、腸、腎和腦的缺血再灌注損傷中均有顯著的保護作用［31-37］。氫氣對MIRI的保護作用倍受關注，可能成為臨床上減輕MIRI的安全、有效、可行的治療方法。

2.1 內源性氫氣的產生氫氣作為人體內重要的能源物質，主要有兩個來源途徑：一個是通過毛孔在體外吸收（極少量）；另一個是通過機體內部的氣化過程。氫氣是內源性氣體，由于人體細胞中不存在氫化酶，所以在機體組織細胞的代謝過程中基本無氫氣產生，人體內氫氣是由腸道細菌酵解未被消化吸收的碳水化合物而產生。如果食物和腸道菌群結構合理，每天可產生約150 mL氫氣。氫氣在人體內有三條清除途徑：肛門排氣、經全身血液循環(huán)后由肺呼吸排出和腸道細菌的代謝轉化為硫化氫、甲烷和乙酸排出。氫呼氣試驗是一種非侵入性胃腸道檢查方法，被廣泛應用于胃腸道功能檢測中，以評價胃腸道功能及腸道菌群情況。

2.2 外源性氫氣的給藥方式常用的外源性氫氣的給藥方式有直接吸入氫氣、口服富氫水及注射飽和氫鹽水。LIU等的研究中檢測了經不同方法給氫后大鼠各組織內的氫濃度，發(fā)現不同的給藥方式會影響氫氣在組織中的分布濃度?？诜o藥時，氫氣在脾臟中的血藥濃度最高，其次是胰腺和小腸；腹腔給藥時，氫氣在胰腺中的血藥濃度最高，其次是脾臟和小腸；吸入給藥時，氫氣在肌肉組織中的血藥濃度最高，其次是胰腺和腎臟；而靜脈注射給藥時氫氣在各組織器官中的血藥濃度都較高，尤其在胰腺、脾臟和心臟中最高［38］。因此，根據不同給藥方式時氫氣在組織中的分布情況，可針對不同的疾病和組織器官，選擇最佳的給藥方式。

2.2.1 吸入氫氣直接吸入氫氣是最簡單的給藥方法，患者可通過呼吸機、面罩或鼻導管吸入氫氣。雖然氫氣易燃易爆，其爆炸濃度范圍4%～75%，但氫氣在空氣中的濃度低于4%，故經由吸入法給氫氣是相對安全的。在OHSAWA等的實驗操作中，就是采用吸入法給氫氣（吸入氫氣濃度2%）來治療大鼠的腦缺血再灌注損傷的。但由于吸入法給氫氣需要呼吸環(huán)路傳送氣體，且操作比較復雜，限制了此法在臨床上的推廣應用［39］。

2.2.2 口服富氫水將氫氣溶解在水中即制成富氫水，通過飲用方式給氫，則是非常安全方便的氫氣攝入方式，特別適合長期給藥。富氫水的制備方法較多，如電解水生成氫氣，高壓下使氫氣溶解于水以及金屬鎂與水反應生成氫氣等。在常壓常溫下，氫氣在水中的溶解度可達到0.8 mmol/L，且不會改變水的pH值及理化性質。雖然飲用富氫水的給藥方法安全方便，但仍然存在一些問題，如氫氣在水中有揮發(fā)傾向，且富氫水經由消化道攝入吸收時會有部分丟失，故氫氣的濃度相對不易控制。

2.2.3 靜脈注射飽和氫鹽水將純氫氣溶解在生理鹽水中，經過一定的處理使氫氣達到飽和，即可制造出氫氣的飽和生理鹽水溶液。該飽和氫鹽水可以安全有效地通過靜脈注射方式給藥，是臨床上實用性很強的給氫方式，能更加精確氫氣的給藥濃度，具有廣泛的應用前景。

2.3 氫氣對MIRI的保護作用關于氫氣治療MIRI的具體機制還不清楚，目前普遍認同的是選擇性抗氧化、抗炎和抗凋亡這三種機制，且主要是通過選擇性抗氧化發(fā)揮其保護作用。最近還有研究指出氫氣可能是人體中的信號分子，具有與一氧化氮、一氧化碳、硫化氫類似的生理功能，能調節(jié)體內信號傳導，甚至被稱為是第四個氣體信號分子［40］。

2.3.1 選擇性抗氧化作用機體內存在的自由基包括活性氧自由基（超氧陰離子、羥自由基和過氧化氫等）和活性氮自由基（一氧化氮、二氧化氮和過氧亞硝基等）。部分毒性很弱的自由基是機體的信號分子，具有重要的信號傳導作用，如過氧化氫和一氧化氮等；毒性很強的自由基卻能導致機體氧化損傷，如羥自由基和過氧亞硝基陰離子等。氫氣是一種性質溫和的選擇性抗氧化劑，即選擇性中和毒性強的自由基，而對具有生物活性作用的自由基無明顯影響，很少影響機體內部正常的生理反應過程。而目前臨床上的許多抗氧化劑如維生素C和維生素E等，都是非選擇性地清除體內的各種自由基，影響機體內部正常的生理反應過程，甚至可能引發(fā)其他病變，這大大的限制了它們在臨床中的應用。其次，氫氣與自由基反應的終產物為水，對機體無毒害作用，且多余的氫氣則通過肺呼吸作用排出體外，在機體內基本無任何殘留。而其他抗氧化劑，與自由基反應后會生成對機體有害的代謝產物，仍需要機體進一步代謝清除。

2.3.2 抗炎作用目前認為，在MIRI早期即發(fā)生炎性反應，阻斷或減輕炎性反應是保護心肌免受缺血再灌注損傷的有效措施之一。在各種動物缺血再灌注損傷模型中，均發(fā)現氫氣具有抗炎作用，氫氣可下調炎性反應因子IL?1β、IL?6、TNF?α、細胞間黏附分子-1（ICAM?1）和趨化因子的水平。此外，氫氣還可通過抑制炎癥相關蛋白激酶信號傳導通路和調控基因的表達來減少致炎因子的產生，從而發(fā)揮抗炎作用。在ZHANG等的大鼠MIRI模型中，腹腔內注射富氫水（0.9%氯化鈉溶液），顯示氫氣可通過降低心肌急性損傷后TNF?α和IL?1的濃度從而起到心肌保護作用［41］。

2.3.3 抗凋亡作用目前對氫氣抗凋亡作用的具體機制尚未完全研究清楚，還需深層次的研究來確定。調控細胞凋亡的途徑主要有外源性途徑和內源性途徑：外源性途徑主要由外源信號引起，通過刺激細胞膜表面的死亡受體而發(fā)生，如Fas/Fasl，TNF?α/相應受體等；內源性途徑主要由內源信號引起，由線粒體通路介導，通過刺激細胞色素C釋放從而激活Caspase?9，引起Caspases的級聯反應。兩條凋亡通路的最后通路均需激活Caspases。研究表明氫氣可通過上調抗凋亡蛋白Bcl?2和Bcl?xl的表達及抑制Caspase?3和Caspase?12的激活，從而起到抑制心肌細胞凋亡的作用［42-44］。

3 展望

心肌缺血再灌注損傷在臨床上的發(fā)生率極高，而氫氣具有選擇性抗氧化作用，體內代謝無殘留，組織滲透性強及制備容易、價格低廉等諸多優(yōu)點，因此在臨床上用于治療心肌缺血再灌注損傷具有廣大的應用前景。大量研究已經證實，氫氣能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，減輕氧化應激反應，下調炎癥反應，抑制細胞凋亡，從而對心肌起到明確的保護作用。但其具體作用機制，如信號調控通路，相關基因蛋白等都還尚未明確，還需要大量更深入的研究來研究氫氣的具體作用機制，這也將成為今后研究的熱點，且可能會對臨床上多種疾病的治療產生深遠影響。