缺血性心脏病如何防治

7．2．6　心脏缺血再灌流中，通过氧化还原信号传递将死亡信号转变成生存信号

缺血性心脏病的病理生理学是多因子的，包括脂代谢异常、体内钙平衡和活性氧类别。这些因子产生死亡信号使凋亡细胞凋亡从而导致心脏梗塞。哺乳动物心脏被几道防线所保护从而免受缺血性损伤。第一条防线由胞内抗氧化物，如SOD，过氧化氢酶，谷胱甘肽过氧化物酶，谷胱甘肽还原酶组成。心脏产生的试图与入侵的活性氧相互作用的氧化性应激诱导蛋白也能起防御系统的功能。在心脏中，一些氧化还原敏感性的抗细胞凋亡和前细胞转录因子稳定持续增加。这些因子包括核转录因子和异源二聚体转录因子AP－1，它们在缺血和再灌流期间起作用。通过反复短时缺血和再灌流使心脏适应缺血性压力时，NF－κB的含量一直很高，而AP－1的结合降低。抗凋亡基因Bcl－2在缺血性/再灌流心脏中受负调节，而在适应的心肌中受正调节。P53基因的诱导发生在局部缺血/再灌流之后。因此，在缺血性/再灌流过程中，死亡信号占优势导致凋亡细胞死亡。在适应心肌中很少检测到凋亡细胞表明死亡信号转化成生存信号。当心脏处于灌流前状态并带有N－乙酰半胱氨酸时它会消除ROS，导致适应性心肌失去保护心脏的能力，这表明在心肌适应缺血过程中，氧化还原信号在生存信号的产生方面起关键作用。

7．2．6．1　氧化还原信号与细胞凋亡

越来越多的证据支持活性氧作为胞内信号分子的作用。最近发现ROS能起信号分子的功能，使人们长期持有的ROS对生物组织是有害的观点受到挑战。促细胞分裂信号通过ROS活性转录因子（包括核转录因子，抗氧化酶和Bcl－2）来传递。

许多退化的疾病包括冠心病与ROS的过量产生有关。大量研究表明ROS的过量产生在缺血性心脏病的病理生理学方面起作用，ROS的过量产生与抗氧化保留的急剧下降相一致。心肌局部缺血/再灌流使心肌细胞面对这样的情形：转变它们的氧化还原地位使其经历遭遇氧化应激的巨大改变。对ROS的消除或抗氧化进行干预可以保护心脏抵御再灌流损伤。

冠心病通过坏死和凋亡引起心肌细胞死亡。再灌流导致凋亡和DNA断裂，局部缺血/再灌流与许多前凋亡基因或抗凋亡基因和转录因子的诱导有关。苯并硒唑酮，一种模拟的谷胱甘肽过氧化物酶，减少心肌细胞凋亡。GSHPx－1基因过表达的转基因小鼠的心脏抵抗局部缺血/再灌流损伤，而那些来自于敲除了GSHPx－1基因的动物（没有任何GSHPx－1的拷贝）的心脏极易受细胞损伤的影响。因此，局部缺血/再灌流诱导的心肌细胞死亡是受氧化还原调节的，并且TOS不仅引发细胞死亡而且起胞内信号分子的作用。

7．2．6．2　氧化还原信号胞内传导途径

ROS不仅是细胞的破坏性因素也是细胞生物和生理功能所需的要素。生物细胞（包括心肌细胞）包含酶，这些酶能同时产生ROS和胞内氧化还原缓冲液作为对特定应激的反应。ROS被破坏还是被保留取决于抗氧剂保留和氧自由基的数量。因此，ROS满足第二信使的定义，它们在受到生理刺激（如局部缺血）后要么受正调节要么受负调节。许多生长因子和细胞因子诱导氧化应力和某种特定抗氧化酶的过量产生。环境应力（包括热应激、氧化应激和局部缺血/再灌流）也能产生氧化应力。氧化应力再转变成抗氧化酶的诱导。

在NF－κB的激动剂诱导激活过程中发现ROS的产生可能是ROS作为第二信使起作用的第一个证据。NF－κB调节某些参与细胞生存和执行基因的可诱导表达，例如，在缺血性/再灌流的心肌中发现NF－κB能控制抗凋亡基因Bcl－2和前凋亡因子，bax和P53。各种胞外信号从白介素－1，肿瘤坏死因子－α，双氧水等聚集成氧化应力的形式，这导致NF－κB被激活。NF－κB的这种激活能被抗氧化物如维生素E或α－硫辛酸所阻遏。抗氧剂如N－乙酰半胱氨酸能通过产生过量ROS阻止NF－κB被激活。酪氨酸激酶受体通过沿着自身尾巴使酪氨酸自磷酸化在氧化还原信号传递中起重要作用。通过激活某些酪氨酸激酶，心肌适应局部缺血。酪氨酸激酶的磷酸化与磷脂酶C和D有关，磷脂酶C和D再激活多种激酶包括促分裂原活化蛋白激酶和蛋白激酶C。磷脂酶D在缺血适应中是很关键的。适应和磷脂酶D之间似乎存在一种联系，最终导致蛋白激酶C异构酶被激活。

促分裂原活化蛋白激酶在介导胞内信号转导中起重要作用。为了应答胞外刺激，促分裂原活化蛋白激酶被快速激活并通过诱导蛋白质的磷酸化和激活MAPKAP激酶2调节细胞功能，例如癌基因产物c－Jun和s6核糖体蛋白激酶。MAPKAP激酶2被证明与应激激活的信号转导途径有关。在心脏中一种促分裂原活化蛋白激酶级联被鉴定。在适应的心脏中，促分裂原活化蛋白激酶参与涉及一种酪氨酸激酶－磷脂酶D－促分裂原活化蛋白激酶－MAPKAP激酶2的信号传递途径。

产生适应的胞内信号转导机制需要一个或多个促分裂原活化蛋白激酶级联成员。在三种不同的促分裂原活化蛋白激酶家族中，应激激活蛋白C－JUN氨基端激酶和P38促分裂原活化蛋白激酶被认为受胞外应激调节。JNKS和P38促分裂原活化蛋白激酶似乎涉及不同的细胞功能，因为它们拥有不同细胞靶点并且定位与不同信号转导途径。适应引发的一种酪氨酸激酶调节的信号传导途径导致P38促分裂原活化蛋白激酶和MAPKAP激酶2的易位和激活。局部缺血/再灌流增加了JNK1，C－JUN和P38促分裂原活化蛋白激酶的诱导。缺血性适应也增加了这些激酶的量；但随后局部缺血/再灌流介导的JNK1，P38和C－JUN的增加被适应所阻遏。似乎应激激活蛋白激酶的激活是心肌适应缺血必须的，但是激活只是短暂的，在随后是局部缺血和再灌流中酶的活性快速下降。

图7－15　缺血性/再灌流的氧化还原信号传递

（摘自N．Maulik，et al．Biochemistry（Moscow），2004）

图7－16　抗死亡信号的氧化还原调节

（摘自N．Maulik，et al．Biochemistry（Moscow），2004）

各种迹象表明MAPKAP激酶2在导致基因表达和肌细胞适应性从而产生适应的心脏保护过程中是一种至关重要的步骤。这种独一无二的蛋白激酶在心肌中被高效地表达并且也已经得到，当附加了氧化压力和热休克时，这一表达还能继续增加。在培养的心细胞中，人们发现当心细胞被附加上氧化压力和热休克时MAPKAP激酶2的活性出现增加。热休克蛋白HSP－27，HSP－32和HSP－70能被氧化压力和适应性所诱导。

细胞的蛋白激酶C活性在心脏的适应性保护机制中是一种重要的步骤。例如，苯福林（一种α1拮抗剂），血管紧张素AT1，和缓激肽B2受体能激活PKC（蛋白激酶C），并且当缺血之前灌流时它们也能够预先调节心脏的功能。多种应激信号也能激活蛋白激酶C。例如，由伸展产生的机械的应激能激活培养的细胞中的蛋白激酶C。α1受体刺激作用和钙离子都能易位和激活蛋白激酶C。

7．2．6．3　通过氧化还原信号传递执行和修复调控作用

尽管人们已经证明缺血性/再灌流能导致细胞凋亡，但氧化还原信号传递的精确的生理作用还不清楚。缺血性/再灌流，尤其是间断的缺血能导致G蛋白和促进信号级联传递从而导致多重激酶的活化的受体酪氨酸激酶的活性，多重激酶的活化从而诱导几种氧化还原敏感性的转录因子和基因的活性。这些细胞内的作用最终调控了细胞的存活和死亡。基因表达的改变很可能影响后天性缺血存活心肌细胞的功能。

氧化还原信号传递似乎在后天性缺血时期保持心肌存活性方面起着非常重要的作用。ROS在缺血性/再灌流过程中产生，当心脏适应缺血时，ROS的产生迅速提高，但是在随后的缺血性/再灌流同样的速率下，ROS反而不增加。当心脏被IL^－1，TNF－α作用时，同样类型的氧化应激的发展在细胞中被观察到。有趣的是，这些干扰因素在一个非常短的时期内导致氧化应激的发展，但是当心脏被致死的缺血性/再灌流作用时随后的氧化应激出现了降低。这样的适应反应与几种应激蛋白和抗氧剂的诱导相联系，也增加了NF－κB的固定性。NF－κB活性和保护蛋白的诱导的增加能被ROS净化剂，例如二甲基硫脲，所阻断。

因此，在缺血的心肌细胞中氧化还原信号传递的其中一个主要的作用是通过活化转录因子（例如NF－κB）或促进其他可诱导蛋白（例如iNOS）的诱导来合成应激诱导蛋白。然而，更多的研究可完全阻碍氧化还原信号传递的生理功能是必要的。

7．2．6．4　氧化还原敏感性转录因子和基因：生存信号的传递

NF－κB和AP－1是两个重要的氧化还原敏感性转录因子。NF－κB是基因表达的一个重要的调控子，它受到多种应激信号包括诱变应力，氧化应激和缺氧压力的诱导。NF－κB是一个氧化应激响应的转录因子，ROS对这个因子的激活起着至关重要的作用。适应能够提高心脏中的NF－κB的含量。二甲基硫脲抑制NF－κB从胞质溶胶向细胞核的易位。AP－1是另外一种氧化还原敏感性信号传递分子，它对UV照射，佛波醇和TNF－α诱导的细胞对应激的响应起着非常重要的作用。由缺血性/再灌流诱导的应激能同时引起C－JUN和AP－1的激活，它们能够被二甲基硫脲所抑制。

在多种细胞系中，野生型P53能导致DNA损伤和诱导凋亡。P53在损伤的脑部的功能是作为一种活性转录因子。P53是怎样促进凋亡现在还不清楚，但是可能涉及bax，一系列P53诱导基因，或Fas相关的信号转到通路。许多其他的一些P53影响子包括级联因子caspase执行细胞凋亡。在缺血/再灌流的心肌中P53活性的增加，适应缺血的心脏能够阻止这种P53活性的增加，因此它就降低了P53介导的死亡信号。

bcl－2是一种抗死亡基因，它的功能是作为一种细胞内抗氧剂。近来对bcl－2基因家族的研究表明一个复杂的网络调控凋亡。在bcl－2基因家族内，其中的一些成员能够抑制细胞调亡，同时其他的一些成员能够诱导凋亡。在这个家族的基因编码的蛋白质中，Bcl－2和Bcl－xL作为细胞死亡抑制子，然而Bax和可选择的Bcl－x片段，Bcl－xs促进细胞死亡。当过量的Bcl－2存在时，Bax则消除Bcl－2抗细胞凋亡的抑制作用。相似地，过量的Bcl－xs抵抗了Bcl－xL的功能。因此，Bcl－2，Bax分子和Bcl－xl/s分子之间的平衡决定了适应细胞毒性剂或环境应激的细胞的命运。人们已经报道了在负调控bcl－2表达的同时P53通过P53响应因子激活bax基因的转录因子。

过表达bcl－2能通过多种不同的刺激来阻断凋亡的发生。例如，bcl－2的激活与适应的心肌细胞凋亡的抑制相关。一种抗死亡基因的负调控与这种缺血/再灌流的心肌中大量的凋亡同步发生。因此，通过诱导bcl－2表达和降低bax基因表达，预先调控由缺血/再灌流（bcl－2和bax增加）引起的死亡信号向存活信号的转变。

7．2．6．5　与ROS有关的死亡信号

细胞凋亡被认为是一种细胞繁殖的生理逆作用部分并且是在缺血/再灌流和心脏衰竭过程中引起心肌细胞死亡的原因。它是非常需要过程作用，需要抗凋亡基因的表达，并需要体内基因序列的指导。细胞凋亡普通的诱导子包括ROS和钙离子，它们也是涉及了心肌细胞缺血/再灌流损伤的发病机理。心肌细胞缺氧的情况显示了凋亡细胞结合FasmRNA的表达。细胞凋亡和坏死细胞死亡与缺血/再灌流相关表明其独立的促进心肌梗塞大小的可变性。细胞凋亡构成人类血管病理学的特征表明它可能调控产生人类血管梗塞的损伤的细胞结构。

细胞凋亡是再灌流期间的一个功能。直到缺血一小时不会诱导产生凋亡，再灌流后90分钟凋亡的细胞就非常的明显了。这些结果都与DNA断裂有关，它在再灌流120分钟的心脏中表现出不断增加的DNA阶梯。一个谷胱甘肽过氧化物酶模拟也降低缺血灌流的损伤。另外一项研究发现SOD和过氧化氢酶能改善凋亡细胞的死亡。

尽管凋亡仅在延长的灌流时才发生，但在缺血期间凋亡的信号就开始了。磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺的易位，对凋亡来说是一个特点，其发生在缺血期间，但直到心脏被灌流凋亡都不明显。在心肌中磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺局部结构证明在控制的心脏大约30%磷脂酰乙醇胺和5%的磷脂酰丝氨酸是可利用的，并表明一个正常的不对称的肌纤维膜磷脂分布的缺失是由于PE和PS的向外迁移。

7．2．6．6　通过氧化还原信号传递将死亡信号转变成生存信号

多种抗氧剂在保护心脏免受剧烈的压力如缺血或缺氧损害中起着重要的作用。为了保护抗氧剂免受ROS的作用，心脏也有自己的由抗氧剂和抗氧酶组成的防御系统。SOD模拟，硒代过氧化物酶衍生物，降低了凋亡和改善缺血/再灌流损伤。当过氧化氢和氨基三唑（潜在的过氧化氢酶抑制剂）增加的时候细胞凋亡过程开始增加。在培养的嗜中性粒细胞中SOD和过氧化氢酶的增加，在延迟细胞凋亡中有明显效果。过表达谷胱甘肽过氧化物酶基因则能减少大量凋亡的心肌细胞，并且谷胱甘肽过氧化物酶基因敲除的小鼠心脏则具有非常高数目的凋亡细胞。

氧化还原信号传递的生物化学基础是在细胞外表面稳定的二硫化物的氧化环境能被维持，同时细胞内环境在巯基自由基的帮助下维持在一个还原的状态。重要的二硫化物还原酶能保持细胞内环境在一个还原的状态，它是一个活性部位带有两个半胱氨酸残基低相对分子质量氧化还原活性蛋白，硫氧还蛋白。硫氧还蛋白存在于哺乳动物细胞，几项报道显示硫氧还蛋白受到氧化应激作用会降低。硫氧还蛋白好像在缺血/再灌流ROS信号的氧化还原调控中起着至关重要的作用。

心脏细胞在缺血/再灌流过程的生存和死亡非常重要地依赖于它们的氧化还原状态（图7－16）。当充分的抗氧剂保护了一个心肌生存的还原性环境，这个状态在缺血心脏中将耗尽并导致氧化还原状态的改变，氧化还原状态的改变决定了这个心肌细胞是否应该死亡，并且如果心脏细胞死亡，它们是通过坏死还是凋亡死亡。最终的生存和死亡依赖于氧化还原信号传递，几个氧化还原敏感基因的转录调控和DNA修复过程。