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張志強(qiáng)衛(wèi)小春
《實(shí)用骨科雜志》2002年05期
【作者單位】：山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院
臨床上繼發(fā)于創(chuàng)傷、血栓形成、斷肢再植、筋膜間隙綜合征，應(yīng)用止血帶時(shí)間過長(zhǎng)等均可造成肢體缺血。對(duì)缺血更為敏感的骨骼肌，在恢復(fù)血流以后，不僅不能改善細(xì)胞的功能，反而出現(xiàn)更嚴(yán)重的損傷，即所謂的缺血再灌注損傷。這種現(xiàn)象早在二十多年前Strock就已做了報(bào)道，但對(duì)其具體機(jī)制仍不清楚。近二十年來，自由基的生化特性及其在生物醫(yī)學(xué)中的意義和作用日益受到重視和廣泛研究，對(duì)其在疾病中的作用也有了較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，為了減輕其對(duì)機(jī)體的損害作用，許多自由基清除劑也應(yīng)運(yùn)而生，并已應(yīng)用于臨床，氧自由基或“氧反常”與“鈣反常”被認(rèn)為是再灌注損傷的兩大病理基礎(chǔ)。本文綜述氧自由基在缺血再灌注損傷中的作用機(jī)理及其氧自由基清除劑在骨骼肌中的實(shí)驗(yàn)研究。
一、自由基
自由基是指外層軌道含有不配對(duì)電子的分子、離子、原子或原子團(tuán)。由于自由基的外層電子中含有一個(gè)未配對(duì)的電子，因此其化學(xué)活性高、不穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的氧化能力，是非常強(qiáng)的氧化劑和還原劑。
氧自由基是指含有氧，而且不成對(duì)電子位于氧原子上的自由基。其又稱活性氧，是氧分子單價(jià)還原過程中的中間產(chǎn)物。其特點(diǎn)是：
(一)活性強(qiáng)；
(二)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；
(三)存在時(shí)間短；
(四)反應(yīng)后常呈鏈鎖式反應(yīng)，因此可對(duì)機(jī)體造成持續(xù)性的損害。
它主要包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(OH-)及單線態(tài)分子氧(1-O2)。過氧化氫(H2O2)雖不是自由基，但也是一種細(xì)胞毒性氧。
二、正常機(jī)體氧自由基的產(chǎn)生和自由基的防衛(wèi)系統(tǒng)
正常時(shí)，細(xì)胞基本能量需求通過高能三磷酸腺苷(ATP)分子的脫磷酸作用供給。98％的分子氧都在細(xì)胞線粒體內(nèi)(細(xì)胞色素氧化酶體系)。通過呼吸鏈電子傳遞體，進(jìn)行四價(jià)還原形成水，同時(shí)釋放能量，參與ATP的生成。但有1％～2％的分子氧經(jīng)單價(jià)還原途徑形成氧自由基。這一途徑產(chǎn)生幾種高度活性的物質(zhì)(O2-，H2O2和OH-)。
體內(nèi)許多代謝過程都可自發(fā)地產(chǎn)生自由基。氧自由基可產(chǎn)生于一切有氧呼吸的細(xì)胞。生物體內(nèi)氧自由基的生成主要通過自身氧化、氧化分解以及酶促反應(yīng)等過程。
正常機(jī)體代謝過程中，不斷產(chǎn)生的氧自由基在抗氧化系統(tǒng)的作用下不斷地被清除，而維持動(dòng)態(tài)平衡。正常濃度的氧自由基在機(jī)體的防御功能(如白細(xì)胞殺菌、殺死腫瘤細(xì)胞等)中起重要作用。
正常機(jī)體內(nèi)氧自由基的清除主要是通過細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)。內(nèi)生性氧自由基清除酶系統(tǒng)是由分子氧單價(jià)還原形成。SOD(超氧化物歧化酶)是一種天然的超氧化物清除劑，存在于所有能產(chǎn)生自由基的哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，它能催化超氧陰離子歧化成分子氧和過氧化氫，有效的清除O2-。CAT(過氧化氫酶)和POD(過氧化物酶)存在于細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫酶體系中，能催化H2O2還原成水，反應(yīng)過程中不產(chǎn)生有毒的羥自由基。但人體內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞缺乏CAT。GSH-Px(谷胱甘肽過氧化物酶)，能使脂質(zhì)過氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚暂^低的物質(zhì)。ALLO(別嘌呤醇)是黃嘌呤氧化酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。其它弱清除劑還有氯丙嗪、維生素E、維生素C、輔酶Q、半胱氨酸、雌二醇、甘露醇等。
三、缺血再灌注損傷的致病機(jī)理
再灌注損傷是指機(jī)體或某一器官，經(jīng)歷數(shù)分鐘乃至數(shù)小時(shí)缺血缺氧，又重新獲得氧合血液灌注后，反而發(fā)生的一系列非缺血缺氧性損害。
缺血時(shí)氧供給減少，ATP減少，鈉-鉀泵功能障礙，膜通透性增加，細(xì)胞內(nèi)酶外釋，鈣離子內(nèi)流可激活黃嘌呤氧化酶，而缺氧時(shí)ATP被大量消耗，漸分解為黃嘌呤和次黃嘌呤，二者在黃嘌呤氧化酶的作用下，在低氧狀態(tài)下產(chǎn)生少量的自由基。當(dāng)恢復(fù)血流再灌注后，大量的氧為黃嘌呤氧化反應(yīng)提供了另一產(chǎn)物，生成大量自由基，加上兒茶酚胺的應(yīng)用和白細(xì)胞的參與，則可導(dǎo)致爆發(fā)性產(chǎn)生氧自由基。而且缺血/再灌注下，SOD的活性降低，SOD和GSH-Px大量喪失，造成組織內(nèi)自由基清除劑的虧空。
氧自由基引起損傷的主要病理機(jī)制是引發(fā)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，氧自由基氧化細(xì)胞膜磷脂中的多不飽和脂肪酸而直接損傷細(xì)胞膜。一旦脂質(zhì)氧化被引發(fā)，則可呈連鎖反應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)散和放大。細(xì)胞膜和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)磷脂中的多不飽和脂肪酸含量很高，是脂質(zhì)過氧化損傷的主要部位。線粒體不僅易受到脂質(zhì)氧化的損害，而且也是持續(xù)產(chǎn)生O2-的一個(gè)來源。
氧自由基能氧化生物膜中的脂質(zhì)，直接破壞細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu)，使其通透性增加，細(xì)胞膜破裂。再加上再灌注時(shí)，大量鈣離子流入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)鈣超負(fù)荷(鈣反常)。大量鈣返流，激活了膜蛋白酶和磷脂酶，此兩種酶能破壞細(xì)胞膜，產(chǎn)生游離脂肪酸和溶解磷脂，進(jìn)一步導(dǎo)致花生四烯酸的釋放，產(chǎn)生更多的氧自由基。細(xì)胞內(nèi)鈣增加使線粒體的氧化磷酸化反應(yīng)不能連接，ATP生成減少，而鈣-ATP酶激活增加，ATP被分解消耗。AMP濃度增加使黃嘌呤氧化反應(yīng)速度加快，氧自由基生成增加。細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度增加，激活各種鈣調(diào)節(jié)酶，破壞細(xì)胞內(nèi)環(huán)境。脂質(zhì)氧化破壞了亞細(xì)胞膜使損傷進(jìn)一步加重，溶酶體膜破裂釋放溶酶體酶，消化并破壞亞細(xì)胞器。在微循環(huán)中，自由基使內(nèi)皮層膠原和基膜中的透明質(zhì)酸發(fā)生不可逆性降解。這種相互作用的結(jié)果是激活細(xì)胞趨化性，使血小板和顆粒細(xì)胞聚集。作為炎癥反應(yīng)的一部分，聚集的顆粒細(xì)胞又可釋放出更多的自由基。自由基損傷血管內(nèi)皮的機(jī)理可能是增加血管壁的通透性，導(dǎo)致組織水腫。自由基還可破壞前列腺環(huán)素與血栓素的平衡，促使產(chǎn)生有害的血栓素，從而破壞花生四烯酸的代謝。
四、氧自由基清除劑在骨骼肌保護(hù)中的應(yīng)用研究
體內(nèi)正常濃度的SOD和CAT起著生物預(yù)防作用，避免氧自由基的儲(chǔ)積。缺血時(shí)，氧自由基清除劑被虧空和耗竭，致氧自由基大量增加。而外源性的SOD和CAT可清除氧自由基，增加機(jī)體的防御機(jī)制，起到保護(hù)骨骼肌的作用。SOD是一種普存在于哺乳動(dòng)物的酶，能加速歧化反應(yīng)。歧化反應(yīng)能在機(jī)體內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生，但在SOD的催化下，可提高反應(yīng)效率1億倍。歧化反應(yīng)使超氧陰離子(O2-)轉(zhuǎn)化為H2O2。高濃度的H2O2有毒，但這一過程所產(chǎn)生的H2O2濃度很低。CAT能使H2O2直接轉(zhuǎn)化成H2O，而不產(chǎn)生大量的OH-。
1983年，Bulkey等報(bào)道認(rèn)為骨髂肌的缺血與再灌注損傷與細(xì)胞毒性代謝產(chǎn)物氧自由基有關(guān)。1987年，Lee，Blebea等報(bào)道也認(rèn)為肢體的缺血再灌注損傷與氧自由基有關(guān)。
1985年，Korthuis等在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用外源性的氧自由基拮抗劑超氧化物歧化酶(SOD)、別嘌呤醇和二甲亞砜等，可以明顯改善氧自由基所致的骨骼肌毛細(xì)血管通透性的增高。
1999年，Erdogan等應(yīng)用32只老鼠的后肢缺血2h、再灌注1h，口服別嘌呤醇和別嘌呤醇及局部低溫混合應(yīng)用，通過觀察腓腸肌的超微結(jié)構(gòu)了解別嘌呤醇可防止骨骼肌的缺血再灌注損傷，但別嘌呤醇及局部低溫的聯(lián)合應(yīng)用可更好地治療缺血再灌注損傷。
1995年，Oredsson等應(yīng)用兔后肢模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分兩組進(jìn)行，在缺血4h和再灌注2h分別輸注中性粒細(xì)胞灌注液和中性粒細(xì)胞灌注液及SOD和過氧化氫酶混合液，與兔的另一側(cè)肢體對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶可減少中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的再灌注損傷。
1994年，Oredsson等應(yīng)用兔缺血再灌注損傷模型，研究發(fā)現(xiàn)甘露醇可減少組織水腫，減輕肌肉的壞死程度，說明甘露醇是自由基清除劑。
1991，John，Hoch應(yīng)用犬后肢缺血4h和再灌注1h，灌注甘露醇和SOD，通過觀察骨骼肌的收縮和神經(jīng)功能的變化，發(fā)現(xiàn)了甘露醇和SOD均為氧自由基清除劑，但是甘露醇的作用強(qiáng)于SOD。
國(guó)內(nèi)也有關(guān)于氧自由基清除劑的相關(guān)研究。如衛(wèi)小春等應(yīng)用兔肢體缺血再灌注損傷的動(dòng)物模型，研究發(fā)現(xiàn)甘露醇、654-2、中藥丹參都是氧自由基清除劑，并將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于臨床，取得了滿意的效果。馮峰民報(bào)道了丹參素在缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用。
王萬鐵，夏正遠(yuǎn)等也應(yīng)用家兔低血容量性休克-再灌注損傷的動(dòng)物模型，通過觀察SOD及MDA的含量變化，發(fā)現(xiàn)川芎嗪注射液可清除氧自由基減輕組織休克-再灌注損傷。說明川芎嗪注射液也是一種氧自由基清除劑。國(guó)外也有報(bào)道川芎嗪在肝臟、腦、心肌等缺血再灌注損傷中有保護(hù)作用。
缺血再灌注損傷中氧自由基的產(chǎn)生主要在再灌注期間，只有合理的應(yīng)用氧自由基清除劑，才能有效地減輕再灌注的組織損傷。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面的研究很多，也有應(yīng)用缺血預(yù)處理，組織局部低溫等方法防止再灌注損傷，但應(yīng)用中藥制劑作為氧自由基清除劑治療骨骼肌的缺血再灌注損傷報(bào)道不多。
五、結(jié)語(yǔ)
目前有關(guān)氧自由基的性質(zhì)、生化反應(yīng)途徑、來源及清除系統(tǒng)已有了明確的了解，也清楚地認(rèn)識(shí)了氧自由基在再灌注損傷中的作用。同時(shí)對(duì)各種氧自由基清除劑也已進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)研究，已有部分應(yīng)用于臨床，獲得了較好的效果。