□杜俊儒 张利（中国矿业大学（北京）体育教研部 北京 100083）

1、组织缺血再灌注发生的机制

1.1、自由基损伤机制

氧化应激是造成缺血再灌注损伤的重要因素，在正常生理状态下，机体自由基的产生与清除处于一种动态平衡状态。机体组织发生缺血时，自由基（主要是以氮、氧为分子中心的活性氧类）也大量生成。此时局部由于缺血清除自由基能力降低，造成氧化产物过剩，不仅在胞内导致细胞发生氧化还原反应，损伤抗氧化系统，也会透过细胞膜引起细胞间的氧化应激损伤。缺血和再灌注均发生氧化应激反应，而再灌注阶段的损伤更为严重。恢复供血的再灌注阶段，过剩的自由基在氧的催化作用下，发生氧化还原反应，造成细胞膜上脂肪酸的氧化，改变细胞膜功能和流动性；蛋白质羟基结构受到自由基氧化作用，造成酶功能、受体活性，以及结构完整性受到破坏，蛋白片段收缩和细胞转运机制被破坏。同样，DNA对氧化应激反应也非常敏感，导致基因突变，造成细胞死亡。若胞质内钙离子超载将进一步导致ROS产物增多，加重缺血再灌注损伤。由此可见，进行预处理干扰，及时有效地清除自由基或防止自由基的大量生成，将成为干预缺血再灌注损伤的有效方法。

1.2、钙离子超载

细胞内Ca2+是维持生命活动不可缺少的重要离子。线粒体钙离子超载是导致缺血再灌注损伤的非常重要的原因，在组织再灌注损伤机制中起主导作用。正常情况下，胞外钙离子浓度高于胞内，当发生缺血再灌注时，细胞膜结构和功能在自由基的冲击下发生改变，通透性增加，胞外钙离子大量内流；心肌缺血时糖酵解增加，Na/H交还蛋白激活胞外钠离子大量内流，降低细胞内外钠离子跨膜梯度，激活细胞膜上 Na+-K+-ATP酶和 Na+/Ca2+交换通道，缺血导致的ATP大量消耗导致 Na/K交换受到抑制，使得Na/Ca交换激活，导致钙离子内流。细胞内的高钙环境导致线粒体通透性转换孔的开放，在线粒体内膜上钙离子调节蛋白的作用下，线粒体内积聚大量的钙离子，聚集在线粒体内的Ca2+形成磷酸钙沉淀，抑制线粒体ATP合成。Ca2+还能激活线粒体上磷脂酶，引起线粒体膜损伤，改变线粒体膜通透性，引起Ca2+外流，使细胞由可逆性损伤变为不可逆性损伤。此外，胞内钙离子超载之后，钙离子/钙调蛋白信号系统被过度激活，导致微管连接蛋白（MAP）迅速磷酸化，促进微管解体，破坏细胞骨架结构。

1.3、炎性反应机制

缺血再灌注损伤的病理过程非常复杂，与多种机制有关，其中炎症反应是缺血再灌注损伤的重要因素之一。近年来淋巴细胞介导的免疫炎症反应被认为在多种器官缺血再灌注损伤的发病机制中起到了重要作用。在心肌缺血再灌注损伤中CD3+T细胞中和CD4+T细胞减少心肌梗死面积，而Toll样受体（TLRs）特别是 TLR-2和TLR-4，在辅助分子的协助下通过激酶级联反应活化NF-kB或c-Jun激酶启动相关靶基因转录，促炎细胞因子及趋化因子表达，如白细胞介素，肿瘤坏死因子等，介导炎症反应造成心肌损伤；肾脏缺血再灌注大鼠有明显肾小球肾炎表现，血清中白细胞介素1β和肿瘤与坏死因子α水平显著升高，血清和肾脏中C-X-C型趋化因子受体4水平也明显增加，提示肾缺血再灌注损伤以炎性反应为特征；心肌缺血后细胞坏死数量、心功能降低程度与炎性因子水平呈正相关，表明炎症反应直接参与心肌缺血再灌注损伤的发生。

2、缺血再关注损伤的预防与治疗措施

2.1、缺血、缺氧预处理

采取一定预处理方式调动机体产生对缺血再灌注损伤的耐受，是一种实用而有效的防治措施，目前一般采用有缺血预处理、缺氧预处理，以及药物预处理等方式。缺血预处理产生的内源性保护现象已在多种动物缺血再灌注损伤模型上得到证实，提示缺血预处理的保护效应具有多器官普遍性。预处理保护效应机制涉及多种因素，可能与热应激蛋白、ATP敏感性钾离子通道、自由基，以及降钙素基因相关肽等因素有关。离体细胞进行缺氧模拟缺血的预处理保护现象也在离体乳鼠神经细胞模型上得到证实。鉴于预处理保护的普遍性，以及简便易行，这种内源性保护方法备受关注，在临床外科领域得到广泛应用。

2.2、药物预处理

利用麻醉剂、阻断剂、抗氧化剂等药物或活性物质的药理作用，直接或间接的产生类似于缺血或缺氧预处理的保护效应,以降低损伤几率或增强组织细胞对再管再灌注损伤的耐受力。目前临床上应用的主要有以下几类药物：（1）麻醉剂，如异氟醚、右美托咪定等；（2）离子通道阻滞剂，如氨氯地平，苯妥英等；（3）氧自由基清除剂，如白芦藜醇；（4）蛋白激酶抑制剂，如乌司他丁；（5）减轻炎性反应的药物，如血小板激活因子拮抗剂；（7）中草药制剂的运用，如花青素、淡竹叶黄酮、黄芪甲苷等。

3、运动预处理抗缺血再灌注损伤的保护机制

3.1、运动预处理抗缺血再灌注损伤的保护效应

预处理是机体一种内源性保护现象，在临床上主要应用于缺血性心、脑血管病的防治及器官移植的开展。但已有研究者将预处理手段应用于运动训练，而且大量研究均证实，运动诱导机体产生内源性保护物质，能抵抗诱发心血管疾病的风险因素，降低心血管疾病的发病率；增强脑缺血性损伤耐受，具有显著的脑神经系统保护作用；减轻运动性骨骼肌微损伤，避免延迟性肌肉酸痛的发生。在经过运动预处理之后机体组织对缺血损伤的敏感性降低，损伤的严重程度也随之降低，规律性运动还能够改善机体血脂，控制血糖，降血压，抑制肥胖，而且运动预处理具有抗缺血再灌注损伤造成的心率失常、心肌顿抑、心肌梗塞等保护效果。近年来研究表明，运动产抗缺血再灌注损伤的保护作用不依赖于肌肉和血流动力学改变，而是一种由运动诱导机体产生的一种特异性生理适应反应。作为一种抗缺血再灌注损伤的保护措施，运动预处理对机体的保护效果与年龄和性别无关，而运动时间与运动强度也不影响运动预处理诱导机体产生的内源性保护效果。动物实验结果发现3-5天的短期运动训练产生的保护作用与长达10周的长期运动训练所产生的保护作用无明显差异。大鼠进行一次30min短时跑台运动训练之后具有部分抵抗缺血再灌注损伤导致的凋亡组织死亡的能力，而进行为期3天且最大耗氧量达55%-75%跑台训练的大鼠同样具有抗缺血再灌注损伤导致的心肌收缩力下降的能力。大量研究已证实运动预处理的抗缺血再灌注损伤的保护作用，但对其保护机制的研究尚处于探索阶段，目前研究发现主要与热应激蛋白、钙离子调节蛋白、ATP敏感性钾通道（KATP通道），以及内源性抗氧化系统有关。

3.2、热应激蛋白（HSP）与运动保护

热应激蛋白（HSP）广泛存在于机体各组织，热应激、氧化应激等多种应激因素均能诱导其表达。在运动过程中出现的机体产热现象对心肌来说是一种热应激，诱导心肌细胞HSP大量表达。HSP的大量合成具有抗心脏损伤的保护作用，作为HSP成员之一的HSP72与家族其他成员相比，对外界刺激敏感性较高，可诱导程度也较高，抗缺血再灌注损伤的保护效果也更为显著。有研究结果显示，长期运动应激诱导骨骼肌HSP72大量合成，又有研究显示小强度训练未能诱导骨骼肌细胞HSP72的合成，两种不同的实验结果充分说明，运动抗缺血再灌注损伤的保护作用是由于运动诱导HSP大量合成这一观点的争议性。早期研究发现，HSP72大量合成与抗缺血再灌注损伤的保护机制之间存在着密切联系，但是HSP72的大量表达是抗缺血再灌注损伤的因还是果未有明确解释。为此，研究人员设计实验，观察在低温环境下（4℃）运动与HSP72合成存在何种联系。实验结果显示，与室温条件下运动训练相比，低温环境中运动心肌HSP72大量合成受到抑制，当从室温环境转移至低温环境中，心肌HSP72的表达与运动诱导的抗心律失常和抗组织死亡作用无相关性。

3.3、运动预处理与抗氧化

抗氧化系统是机体防御的重要方面，在受到自由基侵袭遭受氧化损伤过程中，机体的内源性抗氧化酶和外源性的抗氧化物质直接与自由发生作用，或消耗能够产生自由的物质，抑制自由基氧化反应，维护机体细胞结构和功能稳态。生理状态下，机体氧化与抗氧化处于动态平衡状态，但缺血再灌注损伤时氧化性物质增加，抗氧化系统受到破坏，氧化与抗氧化的动态平衡被打破。机体抗氧化系统一般分为酶系统和非酶系统，各自通过不同的方式发挥抗氧化作用，包括：催化自由基活性消失、形成蛋白复合物阻断自由基生成链式反应、对氧化损伤的蛋白基因进行修复，直接清除游离自由基等方式。在骨骼肌和心肌中对自由基的催化作用主要依赖于多种抗氧化酶的协同作用完成，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化酶（GSH-Px）、过氧化还原蛋白、硫氧还原蛋白。SOD广泛存在于机体各组织，在心肌细胞内以两种形式存在：一种是含铜、锌金属辅基的形式（CuZnSOD），一种是含锰金属辅基的形式（MnSOD）。在非酶防御系统中，主要是含离子物质，尤其是一些蛋白结构中的金属离子与自由基发生反应，组织自由基发生氧化还原反应造成机体损伤，包括转贴蛋白、铁硫蛋白等。热应激蛋白家族也是重要的内源性抗氧化蛋白，具有直接或间接的抗氧化作用。此外，一些内源性小分子物质，尿素、谷胱甘肽胆红素等也都具有清除自由的能力。外源性非酶抗氧化物质主要来源于食物，主要包括维生素C、维生素E、硒等，辅助内源性抗氧化作用，增强机体调节氧化应激功能。研究发现内源性抗氧化系统中，抗氧化酶MnSOD活性在经过运动训练的心肌中保持着较高活性状态，表明在运动预处理保护缺血再灌注损伤的机制中，内源性抗氧化酶MnSOD发挥着重要作用。抗氧化酶是运动预处理介导的重要保护机制，细胞内的通路信号分子也同样发挥着重要的作用。运动诱导内源性抗氧化蛋白的转录调节主要受运动代谢产生的氧化性产物的调控，这种调节作用与核因子E2相关因子2（Nrf2）激活II相酶有关。Nrf2在机体氧化应激反应中起着中枢调节作用，在正常生理状态下，细胞内的Nrf2与胞质中Keap1蛋白相互结合，被结合的Nrf2无法从细胞质移位至细胞核。

ATP敏感型钾离子通道（KATP）是一种与细胞代谢密切相关的弱内向整流钾离子通道，包括心肌内膜ATP敏感型钾离子通道（sKATP）和线粒体内膜ATP敏感型钾离子通道（mKATP），生理状态下胞内KATP活性与ATP浓度呈负相关。KATP广泛分布于人和动物骨骼肌、神经元，以及平滑肌细胞，位于心肌内膜和线粒体内膜ATP敏感性钾离子通道维持着正常的心脏功能，并在多种刺激因素的作用下介导心脏保护效应，抵抗缺血再灌注损伤，分布在骨骼肌细胞膜上的KATP可以缓解运动型疲劳的发生。正常生理情况下，细胞内KATP活性受抑制，处于关闭状态，当机体发生缺血再灌注或处于运动状态下，胞内能量消耗到一定程度时，KATP被激活打开。在缺血再灌注之前开放sKATP，可引起抗缺血再灌注损伤的保护效应，有研究发现SKATP是mKATP的激活因子，mKATP是缺血预处理的终末效应器，其相关分子机制尚未完全清楚，但可能与抑制缺血心肌胞内或线粒体钙离子超载，降低缺血心肌心肌能量消耗，提升心肌细胞能量利用效率有关。有研究指出运动预处理明显减少缺血再灌注后犬心肌梗死面积，而在应用mKATP通道抑制剂后，犬心肌梗死面积没有明显变化，说明mKATP介导了运动训练抗心肌缺血再灌注损伤的保护效应，长期耐力运动训练增加大鼠sKATP表达，小强度运动训练也能激活正常小鼠胫骨前肌KATP高表达，又有研究表明运动训练诱导mKATP开放并不依赖于胞内ATP浓度的降低，而在健康心肌中胞内ATP浓度处于动态稳定状态，以上结果充分证明了运动预处理开放KATP，但也提示运动预处理诱导KATP开放存在着多种机制。

目前已知KATP激活因子PKC，在运动训练心肌胞质中活性增强。而在非运动训练试验中，PKC也同样能够介导KATP开放保护心脏，应用PKC抑制剂后，运动训练产生的抗缺血再灌注后心肌梗死的保护作用消失，以上结果提示PKC可能在运动预处理抗缺血再灌注损伤的保护效应中起着重要的媒介作用。而Carson等研究发现不同亚型PKC蛋白和基因水平在不同运动预处理心脏保护效应中的变化也有所不同。因此，PKC与KATP在预防缺血再灌注损伤保护中的作用机制需要进一步深入探索。

4、展望

缺血再灌注损伤的防治一直是医学界研究的热点，寻找到行之有效的防治方法和手段，对保护心、脑等重要器官，提升生命质量和改善人类健康具有重大意义。运动训练是一种简单健康的非损伤性应激手段，更易于被患者所接受，在临床上也已取得一定的疗效。但运动预处理抗缺血再灌注损伤的保护机制，尚处于探索阶段，运动预处理所引起的细胞能量代谢变化、线粒体功能的调节、信号通路和离子通道的抑制或激活等内在机制仍需进一步探索，而且深入开展综合性研究，依据不同器官特点结合多种内在作用机制，提出科学的运动治疗方案（包括方式、强度、时间等），将为临床缺血再灌注损伤性疾病的预防和治疗提供安全保障，也必将为患者带来无限的希望。