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

1、組織缺血再灌注發(fā)生的機制

1.1、自由基損傷機制

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，機體自由基的產(chǎn)生與清除處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)。機體組織發(fā)生缺血時，自由基（主要是以氮、氧為分子中心的活性氧類）也大量生成。此時局部由于缺血清除自由基能力降低，造成氧化產(chǎn)物過剩，不僅在胞內(nèi)導(dǎo)致細胞發(fā)生氧化還原反應(yīng)，損傷抗氧化系統(tǒng)，也會透過細胞膜引起細胞間的氧化應(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重?；謴?fù)供血的再灌注階段，過剩的自由基在氧的催化作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，造成細胞膜上脂肪酸的氧化，改變細胞膜功能和流動性；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，蛋白片段收縮和細胞轉(zhuǎn)運機制被破壞。同樣，DNA對氧化應(yīng)激反應(yīng)也非常敏感，導(dǎo)致基因突變，造成細胞死亡。若胞質(zhì)內(nèi)鈣離子超載將進一步導(dǎo)致ROS產(chǎn)物增多，加重缺血再灌注損傷。由此可見，進行預(yù)處理干擾，及時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

細胞內(nèi)Ca2+是維持生命活動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，細胞膜結(jié)構(gòu)和功能在自由基的沖擊下發(fā)生改變，通透性增加，胞外鈣離子大量內(nèi)流；心肌缺血時糖酵解增加，Na/H交還蛋白激活胞外鈉離子大量內(nèi)流，降低細胞內(nèi)外鈉離子跨膜梯度，激活細胞膜上 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)蛋白信號系統(tǒng)被過度激活，導(dǎo)致微管連接蛋白（MAP）迅速磷酸化，促進微管解體，破壞細胞骨架結(jié)構(gòu)。

1.3、炎性反應(yīng)機制

缺血再灌注損傷的病理過程非常復(fù)雜，與多種機制有關(guān)，其中炎癥反應(yīng)是缺血再灌注損傷的重要因素之一。近年來淋巴細胞介導(dǎo)的免疫炎癥反應(yīng)被認為在多種器官缺血再灌注損傷的發(fā)病機制中起到了重要作用。在心肌缺血再灌注損傷中CD3+T細胞中和CD4+T細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)助下通過激酶級聯(lián)反應(yīng)活化NF-kB或c-Jun激酶啟動相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄，促炎細胞因子及趨化因子表達，如白細胞介素，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)動機體產(chǎn)生對缺血再灌注損傷的耐受，是一種實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)源性保護現(xiàn)象已在多種動物缺血再灌注損傷模型上得到證實，提示缺血預(yù)處理的保護效應(yīng)具有多器官普遍性。預(yù)處理保護效應(yīng)機制涉及多種因素，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)。離體細胞進行缺氧模擬缺血的預(yù)處理保護現(xiàn)象也在離體乳鼠神經(jīng)細胞模型上得到證實。鑒于預(yù)處理保護的普遍性，以及簡便易行，這種內(nèi)源性保護方法備受關(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)處理的保護效應(yīng),以降低損傷幾率或增強組織細胞對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?。唬?）減輕炎性反應(yīng)的藥物，如血小板激活因子拮抗劑；（7）中草藥制劑的運用，如花青素、淡竹葉黃酮、黃芪甲苷等。

3、運動預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護機制

3.1、運動預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護效應(yīng)

預(yù)處理是機體一種內(nèi)源性保護現(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)用于運動訓(xùn)練，而且大量研究均證實，運動誘導(dǎo)機體產(chǎn)生內(nèi)源性保護物質(zhì)，能抵抗誘發(fā)心血管疾病的風(fēng)險因素，降低心血管疾病的發(fā)病率；增強腦缺血性損傷耐受，具有顯著的腦神經(jīng)系統(tǒng)保護作用；減輕運動性骨骼肌微損傷，避免延遲性肌肉酸痛的發(fā)生。在經(jīng)過運動預(yù)處理之后機體組織對缺血損傷的敏感性降低，損傷的嚴重程度也隨之降低，規(guī)律性運動還能夠改善機體血脂，控制血糖，降血壓，抑制肥胖，而且運動預(yù)處理具有抗缺血再灌注損傷造成的心率失常、心肌頓抑、心肌梗塞等保護效果。近年來研究表明，運動產(chǎn)抗缺血再灌注損傷的保護作用不依賴于肌肉和血流動力學(xué)改變，而是一種由運動誘導(dǎo)機體產(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措施，運動預(yù)處理對機體的保護效果與年齡和性別無關(guān)，而運動時間與運動強度也不影響運動預(yù)處理誘導(dǎo)機體產(chǎn)生的內(nèi)源性保護效果。動物實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)3-5天的短期運動訓(xùn)練產(chǎn)生的保護作用與長達10周的長期運動訓(xùn)練所產(chǎn)生的保護作用無明顯差異。大鼠進行一次30min短時跑臺運動訓(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，而進行為期3天且最大耗氧量達55%-75%跑臺訓(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。大量研究已證實運動預(yù)處理的抗缺血再灌注損傷的保護作用，但對其保護機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）與運動保護

熱應(yīng)激蛋白（HSP）廣泛存在于機體各組織，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。在運動過程中出現(xiàn)的機體產(chǎn)熱現(xiàn)象對心肌來說是一種熱應(yīng)激，誘導(dǎo)心肌細胞HSP大量表達。HSP的大量合成具有抗心臟損傷的保護作用，作為HSP成員之一的HSP72與家族其他成員相比，對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效果也更為顯著。有研究結(jié)果顯示，長期運動應(yīng)激誘導(dǎo)骨骼肌HSP72大量合成，又有研究顯示小強度訓(xùn)練未能誘導(dǎo)骨骼肌細胞HSP72的合成，兩種不同的實驗結(jié)果充分說明，運動抗缺血再灌注損傷的保護作用是由于運動誘導(dǎo)HSP大量合成這一觀點的爭議性。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機制之間存在著密切聯(lián)系，但是HSP72的大量表達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)計實驗，觀察在低溫環(huán)境下（4℃）運動與HSP72合成存在何種聯(lián)系。實驗結(jié)果顯示，與室溫條件下運動訓(xùn)練相比，低溫環(huán)境中運動心肌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的表達與運動誘導(dǎo)的抗心律失常和抗組織死亡作用無相關(guān)性。

3.3、運動預(yù)處理與抗氧化

抗氧化系統(tǒng)是機體防御的重要方面，在受到自由基侵襲遭受氧化損傷過程中，機體的內(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)，維護機體細胞結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)態(tài)。生理狀態(tài)下，機體氧化與抗氧化處于動態(tài)平衡狀態(tài)，但缺血再灌注損傷時氧化性物質(zhì)增加，抗氧化系統(tǒng)受到破壞，氧化與抗氧化的動態(tài)平衡被打破。機體抗氧化系統(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)、對氧化損傷的蛋白基因進行修復(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）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化酶（GSH-Px）、過氧化還原蛋白、硫氧還原蛋白。SOD廣泛存在于機體各組織，在心肌細胞內(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，增強機體調(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)過運動訓(xùn)練的心肌中保持著較高活性狀態(tài)，表明在運動預(yù)處理保護缺血再灌注損傷的機制中，內(nèi)源性抗氧化酶MnSOD發(fā)揮著重要作用?？寡趸甘沁\動預(yù)處理介導(dǎo)的重要保護機制，細胞內(nèi)的通路信號分子也同樣發(fā)揮著重要的作用。運動誘導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)主要受運動代謝產(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無法從細胞質(zhì)移位至細胞核。

ATP敏感型鉀離子通道（KATP）是一種與細胞代謝密切相關(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濃度呈負相關(guān)。KATP廣泛分布于人和動物骨骼肌、神經(jīng)元，以及平滑肌細胞，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)心臟保護效應(yīng)，抵抗缺血再灌注損傷，分布在骨骼肌細胞膜上的KATP可以緩解運動型疲勞的發(fā)生。正常生理情況下，細胞內(nèi)KATP活性受抑制，處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)機體發(fā)生缺血再灌注或處于運動狀態(tài)下，胞內(nèi)能量消耗到一定程度時，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，提升心肌細胞能量利用效率有關(guān)。有研究指出運動預(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，犬心肌梗死面積沒有明顯變化，說明mKATP介導(dǎo)了運動訓(xùn)練抗心肌缺血再灌注損傷的保護效應(yīng)，長期耐力運動訓(xùn)練增加大鼠sKATP表達，小強度運動訓(xùn)練也能激活正常小鼠脛骨前肌KATP高表達，又有研究表明運動訓(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濃度處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，以上結(jié)果充分證明了運動預(yù)處理開放KATP，但也提示運動預(yù)處理誘導(dǎo)KATP開放存在著多種機制。

目前已知KATP激活因子PKC，在運動訓(xùn)練心肌胞質(zhì)中活性增強。而在非運動訓(xùn)練試驗中，PKC也同樣能夠介導(dǎo)KATP開放保護心臟，應(yīng)用PKC抑制劑后，運動訓(xùn)練產(chǎn)生的抗缺血再灌注后心肌梗死的保護作用消失，以上結(jié)果提示PKC可能在運動預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護效應(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動預(yù)處理心臟保護效應(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中的作用機制需要進一步深入探索。

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，尋找到行之有效的防治方法和手段，對保護心、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。運動訓(xùn)練是一種簡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。但運動預(yù)處理抗缺血再灌注損傷的保護機制，尚處于探索階段，運動預(yù)處理所引起的細胞能量代謝變化、線粒體功能的調(diào)節(jié)、信號通路和離子通道的抑制或激活等內(nèi)在機制仍需進一步探索，而且深入開展綜合性研究，依據(jù)不同器官特點結(jié)合多種內(nèi)在作用機制，提出科學(xué)的運動治療方案（包括方式、強度、時間等），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，也必將為患者帶來無限的希望。