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張志強衛(wèi)小春
《實用骨科雜志》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)用止血帶時間過長等均可造成肢體缺血。對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就已做了報道，但對其具體機制仍不清楚。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，對其在疾病中的作用也有了較統(tǒng)一的認(rèn)識，為了減輕其對機體的損害作用，許多自由基清除劑也應(yīng)運而生，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理及其氧自由基清除劑在骨骼肌中的實驗研究。
一、自由基
自由基是指外層軌道含有不配對電子的分子、離子、原子或原子團。由于自由基的外層電子中含有一個未配對的電子，因此其化學(xué)活性高、不穩(wěn)定，具有較強的氧化能力，是非常強的氧化劑和還原劑。
氧自由基是指含有氧，而且不成對電子位于氧原子上的自由基。其又稱活性氧，是氧分子單價還原過程中的中間產(chǎn)物。其特點是：
(一)活性強；
(二)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；
(三)存在時間短；
(四)反應(yīng)后常呈鏈鎖式反應(yīng)，因此可對機體造成持續(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、正常機體氧自由基的產(chǎn)生和自由基的防衛(wèi)系統(tǒng)
正常時，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，進行四價還原形成水，同時釋放能量，參與ATP的生成。但有1％～2％的分子氧經(jīng)單價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，而維持動態(tài)平衡。正常濃度的氧自由基在機體的防御功能(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爭性抑制劑。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理
再灌注損傷是指機體或某一器官，經(jīng)歷數(shù)分鐘乃至數(shù)小時缺血缺氧，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)，進一步擴散和放大。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，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，避免氧自由基的儲積。缺血時，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，增加機體的防御機制，起到保護骨骼肌的作用。SOD是一種普存在于哺乳動物的酶，能加速歧化反應(yīng)。歧化反應(yīng)能在機體內(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等在動物實驗中應(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)用兔后肢模型進行實驗，分兩組進行，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于SOD。
國內(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，并將其實驗結(jié)果應(yīng)用于臨床，取得了滿意的效果。馮峰民報道了丹參素在缺血再灌注損傷中的保護作用。
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。國外也有報道川芎嗪在肝臟、腦、心肌等缺血再灌注損傷中有保護作用。
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。目前國內(nèi)外對此方面的研究很多，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道不多。
五、結(jié)語
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)識了氧自由基在再灌注損傷中的作用。同時對各種氧自由基清除劑也已進行了很多的實驗研究，已有部分應(yīng)用于臨床，獲得了較好的效果。