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肝臟缺血再灌注損傷發生機制和預防
畢業論文肝臟缺血再灌注損傷發生機制和預防
周少麗 黑子清
中山大學附屬3院麻醉科
缺血再灌注損傷是由1960年Jennings首先提出的,是指組織器
官缺血后再灌注,不僅不能使組織器官功能恢復,反而加重組織器官
的功能障礙和結構損傷.缺血再灌注損傷在許多重要器官包括心,肝,
肺,腎,胃腸道等均可發生.肝臟缺血再灌注損傷(HIRI)是肝臟外
科手術中常見的病理過程,多見于休克,需要阻斷肝臟血流的肝外科
手術以及肝移植術等病理生理過程中.其發生的病理生理機制復雜,
有諸多因素參與其中,形成相互制約和相互促進的關系.包括炎性細
胞浸潤和血小板聚集,反應性氧中間物(ROI)的產生和釋放,各種
炎性介質(如黏附分子和白3烯)和血管活性物(如1氧化氮和內皮
素等產生有關)[1].
1 肝臟缺血-再灌注損傷的發生機制
1 反應性氧中間物(ROI)的產生和釋放:
肝臟缺氧期間大量堆積的ATP代謝產物次黃嘌呤和氧發生反應.
產生ROI(如過氧化物和高活性的羥基物).由于ROI在結構上即其
外軌道上有1個或多個不配對電子特點,因而使ROI具有高度活性
和潛在的毒性.肝臟缺血缺氧期間產生的ROI可以通過以下幾個機
制損傷細胞:①選擇性地損傷相鄰分子如脂質,蛋白質和核酸;②增
加信號傳遞,使嗜中性粒細胞產生趨化性和被激活;③與NO反應產
生高度毒性的過氧化物[2].大量的動物實驗和臨床病例證明ROI不僅
在再灌注期間明顯增加,且可持續24h以上,其產生的量與再灌注損
傷呈正相關.
2 炎性細胞的聚集
在缺血再灌注損傷的組織中有中性粒細胞在損傷區域大量聚集
和黏附,其聚集和黏附能力與白3烯B4(TB4),血小板活化因子(platelet
activating factor, PAF),腫瘤壞死因子(α-tumor necrosis, TNF-α),白
介素1(IL-1)等表達有關[3-4].聚集和黏附的中性粒細胞可通過以下機
制損傷組織器官:①聚集和黏附的中性粒細胞通過激活煙酰胺腺嘌呤
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2核苷酸磷酸氧化酶(彈力酶,蛋白酶和膠原酶)釋放增加蛋白溶解
酶降解細胞外網狀結構的所有成分,破壞完整細胞和使免疫球蛋白,
補體和凝血因子失去活性;②中性粒細胞釋放的彈力酶與ROI可以
相互作用,ROI通過蛋氨酸氧化使彈力酶的抑制劑21-抗胰蛋白酶
失活;③另外ROI又可以由GMP-140等黏附分子調節后,促使粒細
胞黏附于微血管內皮.因此,肝臟缺血再灌注損傷時,粒細胞,內皮
細胞黏附和ROI之間的相互作用加重了組織結構的損傷.
3 血管活性物質和缺血再灌注損傷
3.1 1氧化氮:1氧化氮(NO)是能夠使粒細胞發生黏附作用的重
要介質,是由L-精氨酸通過NO合成酶合成的,其突出的作用是松
弛血管平滑肌和抑制血小板聚集[5-7].NO可通過以下作用機制參與肝
臟的缺血再灌注損傷:①NO可與ROI競爭過氧化物歧化酶的介質,
形成過氧化氮物,引起血管收縮,形成再灌注損傷中竇狀隙血流停滯
和無再流的現象;②NO還可通過繼發性介質cGMP引起血管擴張,
最終引起微循環的淤滯和再灌注損傷.
3.2 內皮素:內皮素屬于血管活性肽族,可以分為ET-1,ET-2,ET-3
3種,其中ET-1是最重要的血管收縮劑,可引起全身動脈和靜脈系
統血管收縮.大量的實驗證明,ET-1會導致肝臟竇狀隙收縮,血流
減少,引起再灌注損傷中的無再流現象,且呈劑量依賴型.
3.3 血小板活化因子:血小板活化因子(PAF)是自身有效磷脂,具
有血管活性和炎性介質前體的特點,參與再灌注損傷.其作用機理主
要是誘發血小板聚集和主要炎性細胞釋放各種蛋白酶和細胞因子等
介質.另外ROI能通過增加內皮細胞和血小板對鈣離子(激活的
PLA2)的通透性促進內皮細胞,粒細胞和血小板釋放PAF.
3.4 白3烯:白3烯(LTB4)是花生4烯酸的代謝物,來源于Kupffer
細胞[8],通過5-脂肪氧合酶途徑產生.白3烯在缺血再灌注損傷中明
顯升高,參與肝臟缺血-再灌注損傷.另外ROI能通過增加細胞內
的自由鈣激活胞漿膜上的PLA2,而PLA2又能把細胞膜上的磷脂轉化
為花生4烯酸增加白3烯的產物.
4 肝臟里不同細胞成分參與了肝臟缺血-再灌注損傷
4.1 Kupffer細胞:已經有研究證實,Kupffer細胞參與缺血-再灌注
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損傷,其具體的作用機理是Kupffer細胞可以釋放大量的炎性介質
(IL-1和IL-8),吸引中性粒細胞和產生ROI;同時被激活的Kupffer
細胞能釋放TNF-α,TNF-α能誘發內皮細胞釋放內皮素1(ET-1),
共同損傷器官組織[9-11].在病理標本上表現為肝小葉中央區域周圍有
明顯缺氧改變,電鏡顯示Kupffer細胞有許多片層足和偽足.
4.2 星狀細胞:星狀細胞位于肝臟Disse間隙內皮細胞,環繞毛細血
管,其功能是調節肝竇狀隙血流.肝再灌注損傷時,ET-1和P物質
等血管活性物質可以使星狀細胞收縮,另外自由基也能激活星狀細
胞,導致竇狀隙收縮,血流淤積,缺氧和進1步釋放炎性介質,形成
惡性循環,甚至產生原發性移植肝功能不良(primary graft dysfunction,
PGD)或嚴重的原發性移植物無功能(primary nofunction, PNF).
總之,在肝臟缺血和再灌注損傷中,有9大因子起作用,即氧自
由基,細胞因子,蛋白酶,鈣離子,磷脂酶A,花生4烯酸產物,血
小板激活因子,內皮素和內毒素等[12].這些因子并非獨立起作用,而
是相互促進,構成網絡式或瀑布式樣反應,使肝臟缺血再灌注損傷機
制尤為復雜[13-14].結果是缺血再灌注激活了肝內皮細胞,黏附因子(如
ICAM-1)的表達上調,炎性因子如TNF-α等大量釋放,導致肝白細
胞和內皮細胞大量聚集,在激活細胞因子的作用下供體的免疫源性增
加,甚至使移植物發生急性排斥反應;而慢性損傷肝組織在細胞因子
和黏附因子的階梯式破壞反應下,發生細小血管的分化,增生和硬化,
發生慢性排斥反應最終導致移植物無功能[15-16].
2 肝臟缺血-再灌注損傷的防治
肝臟缺血-再灌注損傷的預防可以從多個環節入手,包括術前,
術中,術后靜脈用藥和在保存液中加入有效成分等,可以單1或多個
環節共同調節預防.
1 自由基清除劑:別嘌呤醇,谷胱甘肽(GSH),維生素E,維生
素C,輔酶Q10等抗氧化劑,可以在氧化反應中提供電子給氧自由基,
使氧自由基還原而被清除,減輕肝臟缺血再灌注損傷,可以有效地保
護細胞膜和線粒體膜,保護肝功能.已經有實驗證明,谷胱甘肽靜脈
給藥可以作為抗氧化劑阻止大鼠肝臟移植后的缺血再灌注損傷[17].N
-乙酰半胱氨酸(NAC)作為GSH的前體物質,由于可以提高肝細
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胞內的GSH水平,起到類似GSH保護肝細胞膜,減輕肝臟缺血再灌
注損傷后肝功能障礙的作用[18].超氧化物歧化酶(SOD)是機體另外
1種重要的氧自由基清除劑,能夠特異性地清除氧自由基,減少細胞
凋亡,有效地保護肝功能.丙酮酸乙酯(EP)能夠通過有效地下調
炎癥介質,減少脂質過氧化和抑制細胞凋亡而阻止肝臟缺血再灌注損
傷[19].硫普羅寧作為1種強有力的超氧化物合成抑制劑,已有實驗證
明該藥對大鼠肝臟缺血再灌注損傷后的肝實質有顯著的保護作用[20].
2 鈣通道阻滯劑:細胞內鈣超載是肝臟發生缺血再灌注損傷的主
要機制之1.因此,通過應用鈣拮抗劑可以通過誘導或抑制凋亡相關
基因的表達而抑制細胞凋亡,降低肝組織中丙2醛,血清內皮素-1,
腫瘤壞死因子α等水平,對肝臟缺血再灌注損傷有良好的保護作用.
經典的鈣拮抗劑維拉帕米和非選擇性鈣通道拮抗劑嗎多明均能有效
阻止肝臟缺血再灌注損傷.另外,能抑制T型和L型鈣通道的粉防
已堿(tetrandrine, TET)也能減輕大鼠肝臟缺血再灌注的脂質過氧化
和中性粒細胞浸潤[21].
3 蛋白酶抑制劑:如抑肽酶,烏司他丁,甲磺酸加貝酯(GM)等,
可以通過抑制多形粒細胞聚集,黏附[22],抑制微血管內皮細胞氧自由
基的釋放,抑制致炎細胞因子如TNF-α和IL-6等釋放[23],減少細胞
凋亡的發生,改善微血管灌注等機制有效地改善肝臟的缺血再灌注損
傷,提高移植肝的存活率[24].
4 中醫中藥的應用:參附注射液(SF)是由中藥人參,附片提取
物組成.其主要有效成份為人參皂甙和烏頭類生物堿.已經有大量研
究證實SF對治療缺血再灌注損傷有明顯療效,其主要的作用機制可
能為:①清除機體氧自由基,防止鈣超載,抑制機體促炎性細胞因子
TNF-α,IL-6和IL-8等的生成和釋放,減輕炎性反應[25];②抑制核
轉錄因子NF-KB的活性,下調炎癥因子的釋放[26];③保護內皮細胞,
促進內皮釋放NO,擴張血管,改善微循環[27];③通過對凋亡相關基
因Bax,bcl-2和Fax等的調控及促進HSP70的表達,參與對缺血再
灌注損傷的影響[28-29].缺血再灌注損傷的病理機制非常復雜,SF在
各種研究中已經顯示出對心,腎,腦,胃腸道等重要臟器的缺血再灌
注損傷的防治有重要的臨床意義[30-31].SF對肝臟缺血再灌注損傷也
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有成功的報導,動物實驗顯示該藥對大鼠移植肝臟缺血再灌注損傷有
防治作用[32].其可能作用機制包括抑制枯否氏細胞激活和氧自由基產
生,改善微循環,減少細胞凋亡.另外銀杏提取物(ginkgo biloba extract,
EGb),其主要成份為總黃酮類和銀杏內酯,有獨特的抗氧自由基及
調整循環穩定,改善血液循環保護組織的作用[33].已有研究EGb對
多種組織器官(心,腦,肝等)的缺血再灌注損傷具有保護作用[34-36].
其它中醫中藥如丹參和承氣方劑[37]也有改善肝臟能量代謝和抗氧自
由基作用,保護線粒體的結構和功能,抑制肝細胞凋亡和防止細胞內
鈣超載,對減輕肝臟缺血再灌注損傷有良好的作用.
5 物理療法:利用短暫的亞致死量的高溫療法,即稱為熱休克預
處理可以防止多種臟器缺血時線粒體膜完整性的破壞并有助于線粒
體在再灌注時產生高能磷酸化合物[38],對保護肝細胞,防止細胞凋亡
有重要的意義.Yamagami K發現熱休克反應后能產生熱休克蛋白
HSP70,HSP70能抑制氧自由基,脂質過氧化的產生,增加細胞的耐
受力[39];同時熱休克反應能促進機體內源性抗氧化物觸酶的產生[40].
另外1種物理療法即通過臭氧氧化預處理,可以提升內源性NO濃度
和維持細胞氧化還原平衡狀態來保護肝臟,避免缺血再灌注損傷,對
日益增加的肝臟移植手術有重要的臨床意義.
6 新型免疫抑制劑的應用:新型和高效的器官移植免疫抑制劑
FK506是1種從鏈霉素中分離出來的大環內酯類抗生素.有研究證
明,FK506可以通過抑制了NF-KB與其靶基因啟動子特異序列的結
合活性,抑制靶基因的表達;同時抑制促炎因子TNF-α,IL-1,ICAM-1
等的產生,抑制中性粒細胞在病灶區的聚集.如Okano[41]等發現
FK506可增加肝臟低溫保存再灌注的血流,增加組織ATP含量.
Carcia-Criad[42]等研究證明,FK506可以減低熱缺血再灌注肝臟氧自
由基含量,抑制細胞因子的釋放和中性粒細胞的浸潤能力.而國內趙
浩亮[43]等研究在肝臟保存液和灌注液中加入FK506,顯示用藥組ET
含量下降,ALT下降,肝細胞和肝竇內皮細胞形態異常減輕.另外
FK506可以移植肝臟保存液中TNF-αmRNA的表達,使TNF-α
mRNA表達減少[44-45],故此FK506是1種新型高效的預防肝臟缺血
再灌注損傷的藥物.
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7 基因治療:隨著干細胞和分子生物學的發展以及對肝臟內皮細
胞在缺血再灌注損傷中的認識,基因敲除技術被用于缺血再灌注損傷
的防治.其作用機理是清除有害基因,抑制內皮細胞的活化,減輕炎
癥反應的程度,從而減輕缺血再灌注損傷.Lehmann[46]等用腺病毒轉
載Cu/Zn-SOD基因至大鼠供肝中,行肝移植后轉基因大鼠全部存活.
而Ichihara[47]等證實人視網膜母細胞瘤(Rb)轉基因小鼠在肝臟表達
Rb蛋白后有抗凋亡作用.也有研究[48]發現用CD40Ig進行靶向基因
治療可以發揮抗氧化劑HO-1和抗凋亡Bcl-2/Bcl-X1的表達,有效保
護缺血再灌注損傷的大鼠肝臟.另外1項研究[49]發現通過腺病毒轉染
絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶,可以阻止凋亡細胞的死亡和隨后的缺血再
灌注損傷,提高肝細胞的存活率.
8 其它治療:其它還有許多藥物正在試驗中,如鈉鉀通道拮抗劑
奎尼丁等,可以提高缺血肝臟ADP和總腺苷水平.細胞因子釋放抑
制劑可以抑制活化的Kupffer細胞釋放腫瘤壞死因子,對減輕缺血再
灌注損傷有1定的效果.而潘生丁和外源性腺苷預先處理,可對肝臟
缺血再灌注損傷有良好的保護作用[50],這與誘導內皮細胞NO合成增
加改善肝臟血流,抑制炎癥因子合成有關[51].
3 結語
總之,關于肝臟缺血再灌注損傷發生的病理生理機制復雜,有諸多
因素參與其中,形成相互制約和相互促進的關系.但其具體的分子機
制等方面應該進行進1步的研究.相信隨著干細胞,分子生物學和基
因技術等研究領域的新進展,能為各種可能發生肝臟缺血再灌注損傷
患者提供了新的希望,為肝臟缺血再灌注損傷治療開辟新的途徑.
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