薛富善 孙海燕 李平 张国华
中国医学科学院整形外科医院麻醉科
传统观点通常是将心肌的缺血再灌注损伤分为3 种类型，即心肌顿抑、再灌注性心律失常和心肌坏死，并且认为坏死是心肌细胞死亡的唯一方式。随着分子心血管病学研究的不断发展，近年来证实心肌细胞还存在着另外一种死亡方式—细胞凋亡（apoptosis），并且在心肌缺血再灌注损伤的病理生理过程中发挥着重要作用[1]。本文拟就此方面的进展进行综述，旨在为探索心肌缺血再灌注损伤的有效措施提供资料。
一、心肌缺血再灌注过程中细胞凋亡的实验依据
虽然目前有多项研究显示缺血再灌注可诱发心肌细胞凋亡，但是关于凋亡是由心肌缺血性损伤所诱发还是由再灌注损伤所诱发的问题仍然存在有争议。Kajstura 等[2]发现，在体大鼠心肌缺血2～3h 后即可出现凋亡细胞，缺血4.5h 后凋亡细胞的数量达到高峰，然后逐渐降低。采用在体大鼠心肌缺血再灌注模型发现，持续缺血 2.25h或缺血45min后再灌注1h均有凋亡细胞的产生，并且随着再灌注时间的延长，凋亡细胞的数目增加[3]。与上述研究结果不同，采用在体家兔心肌缺血再灌注模型发现，单纯缺血30min、4.5h 和缺血5min 再灌注4h 的心肌细胞均未出现凋亡现象，而缺血30min再灌注4h的心肌细胞则出现了凋亡，因此认为凋亡是心肌对缺血再灌注损伤的一个特殊反应[4]。Zhao等[5]采用犬冠状动脉完全性梗阻7h或梗阻1h后再灌注6h模型进行研究发现，尽管长时间缺血后可出现明显的心肌坏死，但是原位TUNEL 染色显示坏死区的凋亡细胞极少，而且缺乏特征性“DNA 梯状条纹”。相比之下，缺血1h 再灌注6h 则可诱发凋亡细胞数目明显增加和出现典型的特征性“DNA 梯状条纹”，而且凋亡细胞大多是出现在坏死心肌的周围区域，即缺血后血管再通的相关部位和梗死灶的收缩带区域。该研究结果提示，缺血再灌注后的心肌细胞凋亡主要是由再灌注过程诱发的。综合上述文献，目前认为长时间持续性缺血和再灌注均可诱发心肌细胞发生凋亡，尤其是再灌注后细胞内ATP 水平迅速恢复、胞浆和线粒体内钙超载以及自由基大量生成，更是加速了不可逆性细胞凋亡的发生[1]。
二、心肌缺血和再灌注过程中细胞凋亡及坏死的时程变化关系
在缺血后再灌注期间，心肌细胞的凋亡过程可分为几个阶段：①再灌注早期的起始阶段；②中性粒细胞浸润的中间阶段；③数天、数周或数月之后的延迟阶段，该阶段可能与心室重塑和心功能衰竭的发生有关[6]。
对于心肌缺血和再灌注过程中细胞凋亡及坏死的演变规律，目前同样存在着较大的争议。Kajstura等[2]采用在体大鼠心肌缺血模型研究发现，心肌缺血2h后，凋亡细胞和坏死细胞同时出现；随着缺血时间延长，在凋亡细胞增多的同时亦演变为坏死细胞。Zhao 等[7]采用犬心肌局部缺血1h 再灌注 6h、24h、48h 或72h 模型研究发现，心肌坏死的程度在再灌注24h时最为严重，此后一直保持着相对恒定的状态。相比之下，随着再灌注时间延长，凋亡细胞在坏死组织周围区进行性增多，至再灌注72h 时达到高峰。这提示细胞坏死和细胞凋亡在再灌注期间可同时发生，并且在再灌注早期坏死的发生率相对较高，而在再灌注后期凋亡的发生率较高。
三、细胞凋亡在心肌缺血再灌注损伤中的作用
由于再灌注期间凋亡细胞主要是出现在坏死心肌的周围区域，所以提示凋亡可能在缺血再灌注后心肌梗死范围的扩大中发挥着一定的作用[5]。为此，有人采用核酸内切酶抑制剂—金精三羧酸（ATA）分析了凋亡在缺血再灌注后心肌梗死中的作用[7]。结果显示，在犬冠状动脉梗阻1h 再灌注24h 模型上，再灌注开始时采用ATA处理可明显减少坏死组织周围区凋亡心肌细胞的数目，同时伴有特征性“DNA梯状条纹”的缺失。这种凋亡程度的降低主要是与Bcl-2 上调以及Bax 和细胞凋亡蛋白酶（Caspase-3）活性降低有关。更为重要的是，ATA 所致的心肌凋亡抑制可明显缩小心肌梗死的面积。采用小鼠心脏特异性细胞凋亡蛋白酶过度表达模型的研究发现，在缺血后心肌细胞凋亡加重的同时，亦出现了心肌梗死面积的扩大和心功能的恶化 [1]。这说明细胞凋亡和细胞坏死之间存在着一定的交叉和联系，因此抑制心肌细胞凋亡可能是临床上有效防治心肌缺血再灌注损伤的一条重要途径。
四、心肌缺血再灌注过程中细胞凋亡的信号转导通路
目前认为，各种促凋亡的损伤因素一般是通过激活死亡受体（death receptor， DR）依赖性信号转导通路和线粒体依赖性信号转导通路诱发细胞凋亡[8]。死亡受体被其相应的促凋亡配体激活后，可导致凋亡调控基因（主要是Bcl-2 家族）表达失衡和胞浆蛋白酶（即Caspase 家族）活化。而线粒体依赖性途径被激活后，可诱发线粒体释放细胞色素C（cyto C）和凋亡蛋白酶活化因子-1（Apaf-1），并与半胱天冬酶9 的前体形成复合物，激活下游的半胱天冬酶。半胱天冬酶是细胞凋亡过程的执行器，通过上述两条途径激发半胱天冬酶家族的级联反应是细胞发生凋亡的一个中心环节[9]。
（一）由死亡受体介导的细胞凋亡
肿瘤坏死因子（TNFα）、Fas配体（FasL）和TNF-相关性凋亡诱导配体（TRAIL）均可诱导细胞发生凋亡，因此被称为死亡因子（death factor）。介导它们诱导凋亡作用的受体被称之为死亡受体。位于细胞膜表面的死亡受体主要包括TNFR1（亦称为 p55 或CD120a）、Fas（亦称为CD95 或Apo1）、DR3、DR4 和DR5，它们的共同特征是胞内部分有一大约80 个氨基酸残基构成的死亡功能域（death domain，DD）。死亡因子可分别激活相应的受体，启动导致凋亡的信号转导通路。激活的死亡受体可与细胞内的多种亦具有死亡功能域的受体接头蛋白相结合。其中，激活的Fas 和DR3 可与Fas相关性死亡功能域（FADD）相结合，而激活的TNFR1和DR4可与TNFR相关性死亡功能域（TRADD）相结合。此外，通过TRADD 和FADD 之间的相互作用，来自 TNFR1的激活信号亦可与Fas 信号转导通路发生联系[10]。
死亡受体激活后，可通过一系列反应激活胞浆内的胱门蛋白酶。一般认为，胱门蛋白酶的活化是凋亡执行过程中的最后通路。胱门蛋白酶家族属于白介素-1β转化酶（ICE）类蛋白，因可在天冬氨酸残基之后将底物裂解，故目前被称之为半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶。根据胱门蛋白酶在细胞凋亡中的作用及其N 端的长度，可将其分为启动子胱门蛋白酶（包括胱门蛋白酶-8、9 和10）和效应子胱门蛋白酶（包括胱门蛋白酶-3、6 和7，能被启动子胱门蛋白酶所激活）。在正常情况下，胱门蛋白酶是以无活性的酶原形式存在。在心肌缺血性损伤和再灌注损伤的刺激下， Fas-FADD 和TNFα-TRADD 可诱导启动子胱门蛋白酶-8 和10 的激活，然后酶解激活下游的效应子胱门蛋白酶-3、6和7而导致细胞凋亡。效应子胱门蛋白酶（尤其是胱门蛋白酶-3）是细胞凋亡的执行器，活化后可裂解破坏细胞的必需成分（例如细胞骨架和核蛋白）和抑制受损伤DNA 的修复，从而诱发细胞凋亡。研究显示，促凋亡配体与死亡受体结合后诱发细胞凋亡的反应可在数小时内迅速发生，无须RNA 或蛋白质合成，而且亦不依赖于线粒体[11]。也有研究发现，死亡受体TNFR1 被激活后还可进一步激活核转录因子κB（NF-κB）和丝裂素活化蛋白激酶（MAPK）/c-jun氨基末端激酶（c-jun N-terminal kinase，JNK）信号转导通路来调控心肌细胞凋亡，但是激活后的信号转导通路目前尚未被完全阐明[9]。
