肝脏缺血再灌注损伤发生机制和预防

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肝脏缺血再灌注损伤发生机制和预防

肝脏缺血再灌注损伤发生机制和预防
周少丽黑子清
中山大学附属3院麻醉科
缺血再灌注损伤是由1960年Jennings首先提出的,是指组织器
官缺血后再灌注,不仅不能使组织器官功能恢复,反而加重组织器官
的功能障碍和结构损伤.缺血再灌注损伤在许多重要器官包括心,肝,
肺,肾,胃肠道等均可发生.肝脏缺血再灌注损伤(HIRI)是肝脏外
科手术中常见的病理过程,多见于休克,需要阻断肝脏血流的肝外科
手术以及肝移植术等病理生理过程中.其发生的病理生理机制复杂,
有诸多因素参与其中,形成相互制约和相互促进的关系.包括炎性细
胞浸润和血小板聚集,反应性氧中间物(ROI)的产生和释放,各种
炎性介质(如黏附分子和白3烯)和血管活性物(如1氧化氮和内皮
素等产生有关)[1].
1 肝脏缺血-再灌注损伤的发生机制
1 反应性氧中间物(ROI)的产生和释放:
肝脏缺氧期间大量堆积的ATP代谢产物次黄嘌呤和氧发生反应.
产生ROI(如过氧化物和高活性的羟基物).由于ROI在结构上即其
外轨道上有1个或多个不配对电子特点,因而使ROI具有高度活性
和潜在的毒性.肝脏缺血缺氧期间产生的ROI可以通过以下几个机
制损伤细胞:①选择性地损伤相邻分子如脂质,蛋白质和核酸;②增
加信号传递,使嗜中性粒细胞产生趋化性和被激活;③与NO反应产
生高度毒性的过氧化物[2].大量的动物实验和临床病例证明ROI不仅
在再灌注期间明显增加,且可持续24h以上,其产生的量与再灌注损
伤呈正相关.
2 炎性细胞的聚集
在缺血再灌注损伤的组织中有中性粒细胞在损伤区域大量聚集
和黏附,其聚集和黏附能力与白3烯B4(TB4),血小板活化因子(platelet
activating factor, PAF),肿瘤坏死因子(α-tumor necrosis, TNF-α),白
介素1(IL-1)等表达有关[3-4].聚集和黏附的中性粒细胞可通过以下机
制损伤组织器官:①聚集和黏附的中性粒细胞通过激活烟酰胺腺嘌呤
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2核苷酸磷酸氧化酶(弹力酶,蛋白酶和胶原酶)释放增加蛋白溶解
酶降解细胞外网状结构的所有成分,破坏完整细胞和使免疫球蛋白,
补体和凝血因子失去活性;②中性粒细胞释放的弹力酶与ROI可以
相互作用,ROI通过蛋氨酸氧化使弹力酶的抑制剂21-抗胰蛋白酶
失活;③另外ROI又可以由GMP-140等黏附分子调节后,促使粒细
胞黏附于微血管内皮.因此,肝脏缺血再灌注损伤时,粒细胞,内皮
细胞黏附和ROI之间的相互作用加重了组织结构的损伤.
3 血管活性物质和缺血再灌注损伤
3.1 1氧化氮:1氧化氮(NO)是能够使粒细胞发生黏附作用的重
要介质,是由L-精氨酸通过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可通过以下作用机制参与肝
脏的缺血再灌注损伤:①NO可与ROI竞争过氧化物歧化酶的介质,
形成过氧化氮物,引起血管收缩,形成再灌注损伤中窦状隙血流停滞
和无再流的现象;②NO还可通过继发性介质cGMP引起血管扩张,
最终引起微循环的淤滞和再灌注损伤.
3.2 内皮素:内皮素属于血管活性肽族,可以分为ET-1,ET-2,ET-3
3种,其中ET-1是最重要的血管收缩剂,可引起全身动脉和静脉系
统血管收缩.大量的实验证明,ET-1会导致肝脏窦状隙收缩,血流
减少,引起再灌注损伤中的无再流现象,且呈剂量依赖型.
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质前体的特点,参与再灌注损伤.其作用机理主
要是诱发血小板聚集和主要炎性细胞释放各种蛋白酶和细胞因子等
介质.另外ROI能通过增加内皮细胞和血小板对钙离子(激活的
PLA2)的通透性促进内皮细胞,粒细胞和血小板释放PAF.
3.4 白3烯:白3烯(LTB4)是花生4烯酸的代谢物,来源于Kupffer
细胞[8],通过5-脂肪氧合酶途径产生.白3烯在缺血再灌注损伤中明
显升高,参与肝脏缺血-再灌注损伤.另外ROI能通过增加细胞内
的自由钙激活胞浆膜上的PLA2,而PLA2又能把细胞膜上的磷脂转化
为花生4烯酸增加白3烯的产物.
4 肝脏里不同细胞成分参与了肝脏缺血-再灌注损伤
4.1 Kupffer细胞:已经有研究证实,Kupffer细胞参与缺血-再灌注
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损伤,其具体的作用机理是Kupffer细胞可以释放大量的炎性介质
(IL-1和IL-8),吸引中性粒细胞和产生ROI;同时被激活的Kupffer
细胞能释放TNF-α,TNF-α能诱发内皮细胞释放内皮素1(ET-1),
共同损伤器官组织[9-11].在病理标本上表现为肝小叶中央区域周围有
明显缺氧改变,电镜显示Kupffer细胞有许多片层足和伪足.
4.2 星状细胞:星状细胞位于肝脏Disse间隙内皮细胞,环绕毛细血
管,其功能是调节肝窦状隙血流.肝再灌注损伤时,ET-1和P物质
等血管活性物质可以使星状细胞收缩,另外自由基也能激活星状细
胞,导致窦状隙收缩,血流淤积,缺氧和进1步释放炎性介质,形成
恶性循环,甚至产生原发性移植肝功能不良(primary graft dysfunction,
PGD)或严重的原发性移植物无功能(primary nofunction, PNF).
总之,在肝脏缺血和再灌注损伤中,有9大因子起作用,即氧自
由基,细胞因子,蛋白酶,钙离子,磷脂酶A,花生4烯酸产物,血
小板激活因子,内皮素和内毒素等[12].这些因子并非独立起作用,而
是相互促进,构成网络式或瀑布式样反应,使肝脏缺血再灌注损伤机
制尤为复杂[13-14].结果是缺血再灌注激活了肝内皮细胞,黏附因子(如
ICAM-1)的表达上调,炎性因子如TNF-α等大量释放,导致肝白细
胞和内皮细胞大量聚集,在激活细胞因子的作用下供体的免疫源性增
加,甚至使移植物发生急性排斥反应;而慢性损伤肝组织在细胞因子
和黏附因子的阶梯式破坏反应下,发生细小血管的分化,增生和硬化,
发生慢性排斥反应最终导致移植物无功能[15-16].
2 肝脏缺血-再灌注损伤的防治
肝脏缺血-再灌注损伤的预防可以从多个环节入手,包括术前,
术中,术后静脉用药和在保存液中加入有效成分等,可以单1或多个
环节共同调节预防.
1 自由基清除剂:别嘌呤醇,谷胱甘肽(GSH),维生素E,维生
素C,辅酶Q10等抗氧化剂,可以在氧化反应中提供电子给氧自由基,
使氧自由基还原而被清除,减轻肝脏缺血再灌注损伤,可以有效地保
护细胞膜和线粒体膜,保护肝功能.已经有实验证明,谷胱甘肽静脉
给药可以作为抗氧化剂阻止大鼠肝脏移植后的缺血再灌注损伤[17].N
-乙酰半胱氨酸(NAC)作为GSH的前体物质,由于可以提高肝细
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胞内的GSH水平,起到类似GSH保护肝细胞膜,减轻肝脏缺血再灌
注损伤后肝功能障碍的作用[18].超氧化物歧化酶(SOD)是机体另外
1种重要的氧自由基清除剂,能够特异性地清除氧自由基,减少细胞
凋亡,有效地保护肝功能.丙酮酸乙酯(EP)能够通过有效地下调
炎症介质,减少脂质过氧化和抑制细胞凋亡而阻止肝脏缺血再灌注损
伤[19].硫普罗宁作为1种强有力的超氧化物合成抑制剂,已有实验证
明该药对大鼠肝脏缺血再灌注损伤后的肝实质有显著的`保护作用[20].
2 钙通道阻滞剂:细胞内钙超载是肝脏发生缺血再灌注损伤的主
要机制之1.因此,通过应用钙拮抗剂可以通过诱导或抑制凋亡相关
基因的表达而抑制细胞凋亡,降低肝组织中丙2醛,血清内皮素-1,
肿瘤坏死因子α等水平,对肝脏缺血再灌注损伤有良好的保护作用.
经典的钙拮抗剂维拉帕米和非选择性钙通道拮抗剂吗多明均能有效
阻止肝脏缺血再灌注损伤.另外,能抑制T型和L型钙通道的粉防
已碱(tetrandrine, TET)也能减轻大鼠肝脏缺血再灌注的脂质过氧化
和中性粒细胞浸润[21].
3 蛋白酶抑制剂:如抑肽酶,乌司他丁,甲磺酸加贝酯(GM)等,
可以通过抑制多形粒细胞聚集,黏附[22],抑制微血管内皮细胞氧自由
基的释放,抑制致炎细胞因子如TNF-α和IL-6等释放[23],减少细胞
凋亡的发生,改善微血管灌注等机制有效地改善肝脏的缺血再灌注损
伤,提高移植肝的存活率[24].
4 中医中药的应用:参附注射液(SF)是由中药人参,附片提取
物组成.其主要有效成份为人参皂甙和乌头类生物碱.已经有大量研
究证实SF对治疗缺血再灌注损伤有明显疗效,其主要的作用机制可
能为:①清除机体氧自由基,防止钙超载,抑制机体促炎性细胞因子
TNF-α,IL-6和IL-8等的生成和释放,减轻炎性反应[25];②抑制核
转录因子NF-KB的活性,下调炎症因子的释放[26];③保护内皮细胞,
促进内皮释放NO,扩张血管,改善微循环[27];③通过对凋亡相关基
因Bax,bcl-2和Fax等的调控及促进HSP70的表达,参与对缺血再
灌注损伤的影响[28-29].缺血再灌注损伤的病理机制非常复杂,SF在
各种研究中已经显示出对心,肾,脑,胃肠道等重要脏器的缺血再灌
注损伤的防治有重要的临床意义[30-31].SF对肝脏缺血再灌注损伤也
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有成功的报导,动物实验显示该药对大鼠移植肝脏缺血再灌注损伤有
防治作用[32].其可能作用机制包括抑制枯否氏细胞激活和氧自由基产
生,改善微循环,减少细胞凋亡.另外银杏提取物(ginkgo biloba extract,
EGb),其主要成份为总黄酮类和银杏内酯,有独特的抗氧自由基及
调整循环稳定,改善血液循环保护组织的作用[33].已有研究EGb对
多种组织器官(心,脑,肝等)的缺血再灌注损伤具有保护作用[34-36].
其它中医中药如丹参和承气方剂[37]也有改善肝脏能量代谢和抗氧自
由基作用,保护线粒体的结构和功能,抑制肝细胞凋亡和防止细胞内
钙超载,对减轻肝脏缺血再灌注损伤有良好的作用.
5 物理疗法:利用短暂的亚致死量的高温疗法,即称为热休克预
处理可以防止多种脏器缺血时线粒体膜完整性的破坏并有助于线粒
体在再灌注时产生高能磷酸化合物[38],对保护肝细胞,防止细胞凋亡
有重要的意义.Yamagami K发现热休克反应后能产生热休克蛋白
HSP70,HSP70能抑制氧自由基,脂质过氧化的产生,增加细胞的耐
受力[39];同时热休克反应能促进机体内源性抗氧化物触酶的产生[40].
另外1种物理疗法即通过臭氧氧化预处理,可以提升内源性NO浓度
和维持细胞氧化还原平衡状态来保护肝脏,避免缺血再灌注损伤,对
日益增加的肝脏移植手术有重要的临床意义.
6 新型免疫抑制剂的应用:新型和高效的器官移植免疫抑制剂
FK506是1种从链霉素中分离出来的大环内酯类抗生素.有研究证
明,FK506可以通过抑制了NF-KB与其靶基因启动子特异序列的结
合活性,抑制靶基因的表达;同时抑制促炎因子TNF-α,IL-1,ICAM-1
等的产生,抑制中性粒细胞在病灶区的聚集.如Okano[41]等发现
FK506可增加肝脏低温保存再灌注的血流,增加组织ATP含量.
Carcia-Criad[42]等研究证明,FK506可以减低热缺血再灌注肝脏氧自
由基含量,抑制细胞因子的释放和中性粒细胞的浸润能力.而国内赵
浩亮[43]等研究在肝脏保存液和灌注液中加入FK506,显示用药组ET
含量下降,ALT下降,肝细胞和肝窦内皮细胞形态异常减轻.另外
FK506可以移植肝脏保存液中TNF-αmRNA的表达,使TNF-α
mRNA表达减少[44-45],故此FK506是1种新型高效的预防肝脏缺血
再灌注损伤的药物.
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7 基因治疗:随着干细胞和分子生物学的发展以及对肝脏内皮细
胞在缺血再灌注损伤中的认识,基因敲除技术被用于缺血再灌注损伤
的防治.其作用机理是清除有害基因,抑制内皮细胞的活化,减轻炎
症反应的程度,从而减轻缺血再灌注损伤.Lehmann[46]等用腺病毒转
载Cu/Zn-SOD基因至大鼠供肝中,行肝移植后转基因大鼠全部存活.
而Ichihara[47]等证实人视网膜母细胞瘤(Rb)转基因小鼠在肝脏表达
Rb蛋白后有抗凋亡作用.也有研究[48]发现用CD40Ig进行靶向基因
治疗可以发挥抗氧化剂HO-1和抗凋亡Bcl-2/Bcl-X1的表达,有效保
护缺血再灌注损伤的大鼠肝脏.另外1项研究[49]发现通过腺病毒转染
丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶,可以阻止凋亡细胞的死亡和随后的缺血再
灌注损伤,提高肝细胞的存活率.
8 其它治疗:其它还有许多药物正在试验中,如钠钾通道拮抗剂
奎尼丁等,可以提高缺血肝脏ADP和总腺苷水平.细胞因子释放抑
制剂可以抑制活化的Kupffer细胞释放肿瘤坏死因子,对减轻缺血再
灌注损伤有1定的效果.而潘生丁和外源性腺苷预先处理,可对肝脏
缺血再灌注损伤有良好的保护作用[50],这与诱导内皮细胞NO合成增
加改善肝脏血流,抑制炎症因子合成有关[51].
3 结语
总之,关于肝脏缺血再灌注损伤发生的病理生理机制复杂,有诸多
因素参与其中,形成相互制约和相互促进的关系.但其具体的分子机
制等方面应该进行进1步的研究.相信随着干细胞,分子生物学和基
因技术等研究领域的新进展,能为各种可能发生肝脏缺血再灌注损伤
患者提供了新的希望,为肝脏缺血再灌注损伤治疗开辟新的途径.
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