卡格列林肽：一种用于治疗肥胖症的长效阿米林类似物

《Cardiovascular Endocrinology & Metabolism》：Cagrilintide: A Long-Acting Amylin Analog for the Treatment of Obesity

　　本综述采用整合性方法，分析心肌缺血与再灌注损伤，以及在急性心肌梗死及其他临床情况下心肌预处理对病变进程的调控作用。相关实验研究涵盖了体外、离体及体内多种模型，同时制定了严格的临床前研究规范，用于识别急性心肌梗死发展过程中不同类型的细胞损伤与死亡机制。在体内急性心肌梗死中，以细胞肿胀为特征的损伤会引发坏死性凋亡，最终导致缺血心肌细胞发生坏死，这一过程可能伴随收缩带形成，也可能不伴随该现象。冠状动脉阻塞后初期，再灌注可挽救心外膜区域的大量缺血心肌，而再灌注损伤则可能导致最终心内膜下梗死的50%左右。急性心肌梗死的进展与“损伤相关分子模式”有关，这类物质能激活模式识别受体并引发炎症反应。在临床前研究中，通过药物或物理手段进行预处理或后处理，可有效防止致命性的再灌注损伤，因其能同时影响心肌细胞及微血管结构。心肌预处理涉及信号触发因子、胞质介质及细胞内效应分子，其中线粒体在维持或丧失心肌细胞活力方面起着核心作用。严重缺血心肌的再灌注会导致线粒体通透性转孔持续开放，一旦该通道打开，线粒体膜电位会迅速下降，能量生成也会随之停止，而预处理可阻止这一持续开放状态。不过，将这类预处理策略应用于临床患者管理仍面临诸多挑战。本文探讨了实验研究成果向临床应用转化的情况，重点分析了经介入治疗处理的急性冠脉综合征患者，以及心脏手术和心脏移植过程中的心肌保护措施在缓解缺血与再灌注损伤方面的应用进展。

目前已有大量研究致力于探究急性心肌梗死发展过程中心肌缺血与再灌注损伤的病理生物学机制以及心肌预处理的作用。尽管许多近期研究采用还原论方法，侧重于信号通路的分子层面分析，但本综述则采取整合性视角，着重研究亚细胞、细胞及器官层面的相互关系，以此为基础并对以往相关研究进行更新。本文主要涵盖几个方面：首先系统梳理基础信息，随后介绍细胞死亡类型的新进展，阐述来自实验模型的分子机制，最后讨论实验研究成果在急性冠脉综合征临床治疗中的转化应用情况，这些应用包括经介入治疗、心脏手术中的心肌保护以及心脏移植等场景（见图1）。

**图1. 心肌缺血与再灌注损伤的临床场景**
在通过介入治疗处理急性心肌梗死时，会出现区域性心肌缺血与再灌注损伤。心肌损伤是由形成损伤相关分子模式的分子复合物所引发的，而通过特定的预处理方案可减轻心肌梗死的程度。在心脏移植过程中，损伤相关分子模式还可能在供体心脏摘取、保存及移植过程中引发不良反应，增加排斥反应及原发性移植物功能障碍等并发症风险。在心脏手术期间，低温及高钾心脏停搏液可减轻心脏停跳状态下缺血与再灌注损伤的危害。该图改编自Silvis等人发表于《Frontiers》的研究，版权归Silvis所有，如需使用该图像须向版权所有者申请许可。

**心肌缺血的病理生理学**
心肌缺血是指冠状动脉灌注的含氧血液不足，无法满足心肌对氧气及代谢物质的即时需求状态。与其说是心肌区域氧供应与需求之间的失衡，不如说它是冠状动脉血流量显著减少所致。心肌氧需求是一个难以直接测量的虚拟参数，但其数值可通过心肌氧消耗量来反映。影响心肌氧消耗量的因素包括心肌质量、反映在心率与血压上的心肌做功、反映在左心室大小上的收缩前期张力，以及心肌的收缩力状况。不过，心肌氧消耗量主要取决于心肌的收缩功能，其数值是通过整体血流动力学指标估算的，而非来自冠状动脉血流量较低的局部心肌区域。心肌氧供应量则可通过冠状动脉血流量乘以动脉血氧含量来计算，这类测量既可在整体水平上进行，也可在局部心肌区域实施。研究表明，静息状态下正常区域的心肌血流量约为每搏8–10微升/克。因此，心肌缺血可定义为冠状动脉血流量降至每搏8–10微升/克以下，进而影响心肌的电生理功能、代谢功能、收缩功能及形态结构。

心肌缺血是多种临床情况下心脏功能障碍的重要致病机制。其基本原理如下：当冠状动脉血流量受损时，受累心肌的功能、代谢及结构会逐渐出现异常变化，最终发展为急性心肌梗死。当缺血损伤达到不可逆程度时，就会引发心肌坏死。再灌注虽能阻止缺血损伤的进一步发展，通过恢复血流挽救心肌，但同时也会在部分尚能存活的心肌中引发轻度至致命性的再灌注损伤（见图2）。这些基本的病理生物学特征最早由Robert Jennings在20世纪50年代开展的关于心肌缺血及缺血再灌注损伤的开创性研究中得以记录。

**图2. 犬类模型中再灌注对心肌梗死影响的形态学变化**
A. 在边界区域，正常的心肌细胞与严重受损的心肌细胞被充满间质水肿液的扩张间质空间分隔开，这些水肿液来自渗漏的毛细血管。受损心肌细胞表现出肌原纤维紊乱、收缩带形成以及肿胀的线粒体，放大倍数为3,300倍。B. 受损心肌细胞的肌原纤维紊乱，线粒体肿胀，内部存在无定形基质沉积及磷酸钙沉积，放大倍数为11,000倍。

**心肌缺血损伤的模型**
体外及离体模型包括心肌细胞培养及离体灌注心脏标本，这类模型通过缺氧及代谢抑制剂模拟缺血环境，有助于研究细胞损伤的机制。心肌组织切片则为机制研究提供了中间层次的平台，可用于探讨体内缺血对心肌细胞膜功能及完整性的影响。体内模型则包括啮齿类动物模型，以及无意识状态下的开胸大动物模型和有意识状态下的闭胸大动物模型，这些模型用于研究冠状动脉阻塞后是否伴随再灌注情况下心肌梗死的进展过程。慢性冠状动脉疾病模型还包括冠状动脉狭窄及冠状动脉微栓塞，这类模型可引发心肌纤维化及功能障碍，模拟缺血性心肌病。此外还有其他模型用于模拟心肌休克及冬眠状态。这类模型的主要用途是研究旨在保护心脏功能的药物及手术干预措施。目前已有共识性指南，用于指导开展严谨的临床前动物实验，以便更可靠地筛选出适合临床应用的干预方案。

**细胞损伤与死亡的类型**
自从发现细胞凋亡的重要性以来，细胞损伤研究便得到了快速发展。目前已知有多种不同的细胞损伤机制会导致不可逆的损伤、细胞死亡及坏死，这些机制包括细胞肿胀、细胞凋亡、自噬、坏死性凋亡及焦亡。细胞肿胀的特征是细胞出现损伤并伴随肿胀，被视为不受调控的细胞死亡及坏死的先兆。细胞凋亡则是通过受调控的程序性方式导致细胞收缩、破碎，其启动可由外在或内在（线粒体）途径触发，最终通过执行型caspase-3及下游caspase的活化来完成。未被及时通过吞噬作用清除的凋亡细胞可能会进一步发生继发性坏死。自噬则是清除受损细胞中异常蛋白质及细胞器的机制。坏死性凋亡是一种具有细胞肿胀与细胞凋亡混合特征的受调控细胞死亡形式，它是在浆膜表面的肿瘤坏死因子受体或Toll样受体被激活后发生的，这一过程涉及特定的受体互作丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（RIPK1和RIPK3），还会形成坏死小体，并激活类似混合谱系激酶结构域的蛋白，这些蛋白会在细胞膜上形成孔道，释放被称为损伤相关分子模式的宿主来源危险信号。焦亡则是一种促炎性细胞死亡程序，它是由胞质受体识别病原体相关分子模式或宿主来源的损伤相关分子模式所激活的。焦亡的关键效应分子包括caspase 1和11以及gasdermin D。

目前已建立了识别不同类型心肌细胞死亡的检测方法，同时也有研究探讨了不同类型的细胞死亡在心肌缺血与再灌注损伤中的作用。体外培养的心肌细胞在面对逐步加重的化学刺激时，具备发生细胞肿胀及细胞凋亡的分子机制。但在体内急性心肌梗死中，初始的细胞肿胀随后发展为坏死性凋亡，最终导致坏死，这一过程被认为是缺血心肌细胞损伤与死亡的主要途径，而非心肌细胞则同时会出现细胞凋亡与细胞肿胀现象（见图3）。在心肌缺血情况下，自噬可触发存活信号，而再灌注过程中自噬功能缺陷则会对心肌造成损害。

**图3. 心肌缺血与再灌注损伤过程中心肌细胞与非心肌细胞的死亡途径示意图**
最初，心肌细胞会出现细胞肿胀，随后发展为坏死性凋亡及最终坏死。部分心肌细胞可能直接进入焦亡阶段。非心肌细胞则可能发生细胞凋亡或细胞肿胀。该图采用TUNEL及PI染色技术绘制，改编自Davidson等人发表于Wiley期刊的研究，版权归作者所有，如需使用该图像须向版权所有者申请许可。

**心肌缺血损伤的基本病理生物学**
**急性心肌缺血损伤与梗死**
在冠状动脉灌注显著减少后的数秒内，严重缺血的心肌就会因血管内压力下降而失去收缩功能。可逆损伤的持续时间约为15分钟，之后在严重缺血的心肌中，损伤会从可逆阶段转为不可逆阶段，这一转变通常在20至60分钟内发生。这一渐进性损伤过程涉及心肌细胞、间质细胞及微血管系统。在区域性心肌缺血中，冠状动脉阻塞所影响的区域心肌就会成为易受缺血损伤的危险区域。不可逆损伤首先发生在左心室的乳头肌及心内膜下区域，因为这些部位的血流减少最为严重。之后，不可逆损伤会以坏死波的形式向心外膜心肌扩散。这一时间进程最初是在接受逐步冠状动脉阻塞及再灌注处理的麻醉犬身上确定的，在麻醉犬模型中，冠状动脉阻塞发生后4–6小时即可形成完全性心肌梗死。不同物种的时间进程存在差异，另一个相关影响因素是侧支血流的程度。在一项利用现代成像技术的研究中，对于那些仅有一支冠状动脉阻塞且无侧支血流、接受介入治疗的病人，其危险心肌区域达到50%梗死所需的时间为4个半小时。然而，对于大多数冠状动脉疾病患者而言，仍需在1–2小时内迅速采取干预措施，才能挽救大量缺血心肌。梗死面积是决定预后的重要因素，如果由于一次大面积梗死或两次及以上较小面积梗死导致左心室质量损失超过40%，就会引发致命的心源性休克及难治性室性心律失常。

**心肌缺血损伤的调节因素：再灌注与预处理**
再灌注及预处理先后被确定为调控心肌缺血损伤进展的最重要因素。在冠状动脉阻塞解除后3–4小时内进行再灌注，可有效挽救大量缺血心肌。不过，再灌注也会在部分尚能存活的心肌中加剧损伤。在AMI的动物模型研究中，致命性再灌注损伤可导致心肌梗死最终范围的50%。41这种致命性再灌注损伤会加速心肌细胞膜的损伤，同时还会改变微血管结构，从而引发无血流现象。1,2预处理最初被定义为一种通过短暂的心脏冠状动脉阻塞与再灌注来延长心肌存活时间的现象，发生在永久性冠状动脉阻塞之前。38此后又发现了其他几种形式的预处理。43下面将探讨致命性再灌注损伤和预处理的分子机制。另外两种值得注意的现象是心肌惊跳和心肌冬眠。44,45心肌惊跳指的是那些通过再灌注得以挽救的先前缺血心肌的收缩功能暂时受损。而心肌冬眠则是指在冠状动脉血流量长期不足的区域，心肌收缩功能处于慢性降低状态。

心肌缺血与再灌注损伤的发病机制
心肌缺血损伤表现为高能磷酸盐代谢和电解质平衡的逐步紊乱（见图4）。1–4,42当心肌开始缺血时，氧气迅速耗尽，导致线粒体呼吸停止，进而使高能磷酸盐——三磷酸腺苷的供应减少。心肌细胞膜迅速停止收缩活动。无氧代谢开始发挥作用，产生少量ATP以及乳酸和氢离子，导致细胞内pH值下降（细胞酸化），糖酵解也随之停止。此时会有K+的净外流。3无氧代谢无法提供足够的ATP来维持肌膜上的离子梯度以及线粒体膜电位。F0F1ATP酶反向运转，进一步消耗ATP，试图维持膜电位，但最终仍失败。31在此过程中，氧气的部分还原会生成基于氧的活性氧物种和自由氧基团。ATP的减少会导致肌膜上的离子泵失活，包括Na+/K+ ATP酶。这又会使得K+进一步流失，而Na+、Cl?和H2O则滞留在内，导致细胞肿胀。由于Na+和Ca2+的交换方向改变，细胞内的Ca2+浓度上升。肌原纤维收缩蛋白的功能改变会导致尽管细胞质中的Ca2+浓度升高，但细胞的钙敏感度下降，收缩功能受损。升高的Ca2+会激活蛋白酶和磷脂酶，这些酶会降解细胞骨架蛋白和膜磷脂。46已有研究证实，ATP耗竭、电解质紊乱、膜磷脂减少与随后膜通透性增加之间存在因果关系。15,47,48细胞损伤的进展与膜功能的三个阶段相关：第一阶段，膜泵和通道出现局部异常，导致初始的离子变化和细胞肿胀；第二阶段，磷脂双层的通透性增加，导致钙离子进一步积聚；第三阶段，膜结构遭到物理破坏，表现为质膜上出现孔洞。21最终的细胞损伤还与线粒体膜通透性转换孔的开放有关，这会导致线粒体功能完全丧失。4,31

图4. 显示心肌细胞在缺血及再灌注过程中功能失衡的主要过程的示意图。无氧代谢会导致细胞内乳酸酸化，以及肌膜上Na+-K+ ATP酶和2Na+-CA2+交换蛋白的功能障碍。酸性的环境会阻止线粒体膜通透性转换孔的开放。再灌注则会清除乳酸并使pH值恢复正常，从而解除对线粒体膜通透性转换孔开放的抑制作用。线粒体膜电位的恢复会促使钙离子进入线粒体，这又会促进线粒体膜通透性转换孔的开放以及肌原纤维的过度收缩。此时线粒体停止产生ATP。该图经美国临床研究协会许可，改编自Hausenloy等人的研究42。版权归美国临床研究协会所有。如需使用此图片，须向版权所有者申请许可。

上述一系列变化是心肌细胞初始损伤的特征，这种损伤可能很快发展为坏死性凋亡、炎性凋亡和坏死。25,29–31,33成年心肌细胞中，大多数参与凋亡程序的蛋白质表达水平都很低，而凋亡是一个需要能量的过程。31通过基因操作在小鼠中敲除或过表达半胱天冬酶，并未对心肌缺血损伤的发展或梗死范围产生显著影响。31在急性缺血的心肌中，间质细胞表现出凋亡或渗透性坏死的形态学特征，而心肌细胞仅显示渗透性坏死的特征。29,30综合这些研究结果可以看出，初始的心肌细胞损伤以渗出性坏死为主，随后逐渐发展为坏死。凋亡则起次要作用，主要涉及非心肌细胞。自噬的作用主要是通过线粒体自噬来清除功能异常的线粒体。32无论是坏死性凋亡还是炎性凋亡，都会形成大分子复合物，这些复合物会在细胞膜上形成孔洞，最终导致细胞裂解。26,27,31

缺血组织中代谢供给与需求的失衡会导致严重的组织缺氧和微血管功能障碍。再灌注则会进一步激活先天性和适应性免疫反应以及细胞死亡途径。致命性心肌再灌注损伤是由于钙离子流入量大幅增加以及氧化爆发产生的自由氧基团所导致的（见图4）。49–53在缺血期间，ATP分解会产生嘌呤代谢物，如黄嘌呤和次黄嘌呤，这些物质会在细胞内积累。升高的钙离子浓度会促使黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶。再灌注时，氧气的快速恢复会使黄嘌呤氧化酶催化嘌呤氧化，从而产生自由氧基团。49–53这会导致脂肪过氧化、蛋白质氧化修饰以及DNA分解。

线粒体在心肌缺血-再灌注损伤中起着关键作用。4,31,49–53再灌注时，心肌细胞再次获得氧气，线粒体呼吸重新开始。缺血期间积累在线粒体中的底物琥珀酸可作为电子来源，通过复合体I的逆向电子传递产生氧自由基，进而引发氧化应激和ROS/FOS的产生。氧气和ATP的快速恢复会对细胞产生双重影响。ATP有助于恢复离子平衡，但它也会重新激活肌浆网ATP酶2A（SERCA2A）和肌浆网钙离子释放通道RyR2，导致肌浆网中的钙离子不断吸收和释放。在细胞质钙离子仍过量存在的情况下ATP水平恢复，会导致心肌细胞过度收缩，从组织学上看表现为收缩带坏死。

心肌缺血和再灌注不仅会损害心肌细胞，还会影响冠状动脉微循环。54,55其连续变化包括内皮完整性受损、通透性增加和水肿形成、血小板和白细胞黏附、红细胞滞留、从血管扩张转为收缩，最终导致毛细血管结构受损，进而出现无血流、微血管阻塞和心肌内出血。无血流现象会阻碍心脏保护措施的发挥作用。

线粒体在细胞存活与死亡中的作用
线粒体在维持和丧失细胞存活能力方面的核心作用，是通过贯穿线粒体外膜和内膜的大分子通道来实现的，这些通道被称为死亡通道（见图5）。4,31,56–62参与渗出性坏死和坏死性凋亡的线粒体膜通透性转换孔包含多种成分或相关蛋白，如电压依赖性阴离子通道、腺苷核苷酸转运体、环孢素D、苯二氮卓受体以及己糖激酶。在氧化应激条件下，线粒体F-ATP合酶可以转变为钙离子依赖性通道，其电生理特性与相应的线粒体膜通透性转换孔相似。虽然尚未确定线粒体凋亡通道的具体组成，但已知Bcl-2家族中的Bax、Bak和tBID蛋白与线粒体外膜的相互作用可以控制线粒体膜通透性的增加。线粒体膜通透性转换孔和线粒体凋亡通道都受Bcl-2蛋白的调控，且会被钙离子载体和氧化应激打开。当线粒体凋亡通道打开，细胞色素c释放出来后，会触发一条依赖ATP的凋亡途径。当缺血-再灌注导致细胞基质中的钙离子浓度超过一定阈值时，线粒体膜通透性转换孔就会打开。CycD和ROS可以降低这一阈值。一旦线粒体膜通透性转换孔打开，线粒体膜电位就会迅速下降。在坏死性凋亡和炎性凋亡中，还有其他分子事件也会导致线粒体膜通透性转换孔的开放。心脏保护策略的重点之一就是维持线粒体离子通道和膜电位的完整性。63,64有人提出将线粒体移植作为心脏保护的策略。65

图5. 线粒体死亡通道线粒体膜通透性转换孔和线粒体凋亡通道会在钙离子浓度升高和氧化应激作用下打开。电压依赖性阴离子通道和腺苷核苷酸转运体相互作用形成线粒体膜通透性转换孔，连接线粒体内外膜。在缺血-再灌注条件下，细胞基质中的钙离子浓度和氧自由基的增加会导致线粒体膜通透性转换孔打开，从而使线粒体成分无序释放。线粒体凋亡通道的激活会导致电子载体细胞色素c的释放，进而激活凋亡小体，后者又会激活半胱天冬酶和DNA酶，最终引发细胞凋亡。该图经《美国科学家》杂志许可，改编自Webster的研究。59版权归Sigma XI所有。如需使用此图片，须向版权所有者申请许可。

损伤相关分子模式与模式识别受体的作用
损伤相关分子模式，也称为警报分子，是在细胞受损或受到压力，如心肌缺血-再灌注之后释放的内源分子。8,66这些分子会激活模式识别受体，从而引发复杂的信号传导级联反应，导致细胞因子的释放、先天性和获得性免疫机制的激活，以及强烈的炎症反应。损伤相关分子模式包括高迁移率族盒1、热休克蛋白，而模式识别受体则包括TLR（见表1）。8,66这种炎症反应具有双重效应。虽然它有助于清除细胞碎片并促进伤口愈合，但由损伤相关分子模式介导的信号传导也可能引发过度的炎症反应，从而导致进一步的组织损伤，如梗死区域扩大、心脏功能恶化，以及随后的进行性心肌纤维化、不良的心肌重构和心力衰竭。多种因素，包括免疫途径的失调、梗死后炎症未能得到有效控制、炎症反应的空间限制不足以及纤维化过度活跃，都可能导致心肌梗死患者出现不良的心肌重构，进而加重心力衰竭的发病机制。67–70目前，针对损伤相关分子模式或模式识别受体的治疗主要在实验模型中进行研究，它们具有潜在的心脏保护作用。不过至今为止，这些干预措施尚未应用于临床。

表1. 参与心肌对缺血-再灌注反应的损伤相关分子模式与模式识别受体
| 损伤相关分子模式 | 模式识别受体 |
|------------------|--------------|
| HMGB-1 | RAGE、TLR2、TLR4、TLR9 |
| HSP60 | TLR2、TLR4、HSP70、TLR2、TLR4 |
| 胶原蛋白-EDA | TLR2、TLR4 |
| 海藻酸 | TLR2、TLR4 |
| 线粒体DNA | TLR9、NLRP3、RAGE |
| 循环RNA | TLR3、TLR7 |
| 心肌肌球蛋白 | TLR2、TLR8 |
| 细胞外ATP | P2X7/NLRP3 |
| 钙粒蛋白 | RAGE |

资料来源：经参考文献8许可改编：Silvis MJM, Kaffka Genaamd Dengler SE, Odille CA, Mishra M, van der Kaaij NP, Doevendans PA, Sluijter JPG, de Kleijn DPV, de Jager SCA, Bosch L, van Hout GPJ. Damage-associated molecular patterns in myocardial infarction and heart transplantation: the road to translational success. Front Immunol. 2020;11:599511. doi: 10.3389/fimmu.2020.599511.

注：ATP指三磷酸腺苷；DAMP指损伤相关（或危险相关）分子模式；DNA指脱氧核糖核酸；EDA指额外结构域A；HMGB-1指高迁移率族盒1；HSP指热休克蛋白；mt指线粒体；LRR指亮氨酸重复序列；NLRP3指含有NOD结构域、亮氨酸重复序列和吡啉结构域的蛋白3；NOD指类似核苷酸结合寡聚化结构域的受体；P2X7指嘌呤受体7；PRR指模式识别受体；RNA指核糖核酸；RAGE指晚期糖基化终末产物受体；TLR指Toll样受体。

预处理的作用
预处理的效果可以通过在长时间冠状动脉阻塞之前进行短时间的冠状动脉阻塞与再灌注来实现，也可以通过延迟预处理来实现，即在短暂冠状动脉阻塞后24小时内产生预处理效果；还有在缺血事件发生时施加预处理刺激的重复预处理；在长时间冠状动脉阻塞后通过间歇性冠状动脉阻塞进行逐步再灌注的后预处理；以及通过在与长时间冠状动脉阻塞相关的手臂或腿部灌注短暂中断来进行远端预处理。71–76分子机制介导了代谢调整和能量代谢的降低，从而使经过预处理的心肌能够更长时间存活。预处理涉及触发因素、细胞质介质以及细胞内效应分子（见表2）（见图6）。71–76缺血预处理的受体依赖性触发因素和/或介质包括腺苷、缓激肽、乙酰胆碱、阿片类物质、肿瘤坏死因子以及其他能与心肌细胞膜上特定受体相互作用的细胞因子。非受体依赖性触发因素则包括机械牵张、活性氧、活性氮物种以及细胞外钙离子。细胞内信号级联反应可通过三条主要途径进行：一条是由刺激性G蛋白激活引发的途径，涉及蛋白激酶A、蛋白激酶C、蛋白激酶G以及内皮型一氧化氮合酶；另一条称为再灌注损伤挽救激酶途径，由抑制性G蛋白激活引发，涉及磷脂酰肌醇3-激酶、RACα丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、外源性信号调节激酶以及糖原合成酶激酶3β；还有一条称为存活激活因子增强途径，由细胞因子受体激活引发，涉及JAK以及转录因子STAT3和STAT5。胞质内的信号传导途径则作用于肌膜离子通道。PKG对Na+/H+交换体的抑制可在再灌注早期维持细胞内酸化状态，从而防止细胞收缩。此外，该抑制作用还能减少缺血引起的Na+和Ca2+过度积累。

表2. 通过预处理实现心脏保护的机制
触发因素　介质　效应分子　生理机制
自分泌物质　mKATP通道　pH值恢复正常
细胞因子途径　mPTP　钙离子平衡
NO　GPCs　钙离子激活的蛋白酶
ROS　RISK　钙蛋白酶（受钙离子和pH值调控）
RNS　SAFE　内源性ROS清除剂
H2S　SH2SEET　SNPBNP　NEPON

神经激素　肽类激素　生长因子　尿皮质素

信号级联反应
共有三种信号级联反应（参见参考文献72和76）：
第一种：G蛋白途径，由G蛋白偶联受体及刺激性G蛋白激活引发，涉及蛋白激酶A、蛋白激酶C、蛋白激酶G以及内皮型一氧化氮合酶；
第二种：再灌注损伤挽救激酶途径，由抑制性G蛋白激活引发，涉及磷脂酰肌醇3-激酶、RACα丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、ERK以及糖原合成酶激酶3β；
第三种：存活激活因子增强途径，由细胞因子受体激活引发，涉及JAK以及转录因子STAT3和STAT5。

心脏保护靶点
心肌细胞——具有抗肿瘤坏死作用；
微血管——可保护内皮细胞并预防无再流现象；
还能缩小梗死面积。

NO指一氧化氮；ROS指活性氧物种；RNS指活性氮物种；H2S指硫化氢；EETS指环氧二十碳三烯酸；ANP指心房利钠肽；BNP指脑利钠肽；EPO指促红细胞生成素；GPC指G蛋白偶联受体；RISK指再灌注损伤挽救激酶；SAFE指存活激活因子增强途径；mKATP指线粒体KATP通道的激活；mPTP指线粒体通透性转换孔。

图6. 通过预处理减轻缺血-再灌注损伤的关键机制与细胞靶点。图中展示了具有细胞保护作用的再灌注损伤挽救激酶途径，其他重要途径还包括存活激活因子增强途径以及与刺激性G蛋白激活相关的途径（见表2）。所有这些途径最终都能抑制线粒体通透性转换孔的持续开放。AKT即蛋白激酶B，属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶；Gi指抑制性G蛋白；GSK3指糖原合成酶激酶3；IP3指肌醇三磷酸；MAPKs指丝裂原活化蛋白激酶；MPP指线粒体通透性转换孔；PKC指蛋白激酶C；PLC指磷脂酶C。内容经BMJ授权，改编自Kharbanda等人的研究71，版权归BMJ出版集团所有。如需使用该图像，须向版权所有者申请许可。

由于线粒体通透性转换孔的持续开放会导致线粒体肿胀和膜破裂，因此保护该通道对于心脏保护至关重要。在缺血预处理过程中，多种激酶会激活线粒体内的KATP通道和连接蛋白43。这些被激活的通道和连接蛋白43会促使钾离子进入线粒体，从而导致轻度线粒体肿胀，这种效果类似于短暂性线粒体通透性转换孔开放所引发的效应，同时还会产生少量活性氧。这一过程能够防止线粒体通透性转换孔的持续开放，进而保护线粒体。

在延迟预处理过程中，核脏也会发挥作用——当腺苷、一氧化氮和活性氧作为触发因素，激活PKC和蛋白酪氨酸激酶，进而促使核因子-κB和STAT3等核转录因子表达增加时，那些参与心脏保护的蛋白质基因也会随之上调。

心肌缺血与再灌注中的心脏保护
在药物心脏保护方面，许多药物已被用于干预因再灌注和预处理而激活的各种信号传导途径。这些药物要么旨在抑制有害反应，要么旨在激活保护性反应。实际上，只有在开始再灌注前或立即之后给予这些药物才可行。在缺血期间实施低温处理是一种已被证实的有效方法，可用于在再灌注过程中保护心肌。在实验模型中，缺血期间对迷走神经进行电刺激也被证明具有保护作用。

物理预处理方法包括缺血预处理、缺血后处理以及远端缺血预处理。所有这些缺血预处理方式似乎都涉及相同的信号传导途径。而远端缺血预处理还需要将保护信号从起始部位传递到心脏，这类信号似乎是通过神经途径和体液途径传递的。

除了心肌细胞本身，冠状动脉微循环也是心脏保护的重要靶点。有观点指出，冠状动脉循环既是急性心肌梗死的致病因素，也是其受害者。缺血和再灌注不仅会损害心肌细胞，还会影响冠状动脉微循环，从而导致无再流现象。许多旨在保护心肌细胞的机械性和药物性干预措施，在实验模型中也能改善微循环功能。

在过去70年里，实验研究为了解心肌缺血与再灌注的病理生物学机制提供了重要见解，这也使得那些有心肌缺血风险的患者能获得更好的治疗效果。不过，要实现对这些患者心肌的最佳保护和保存，仍有不少挑战需要克服。这也就引出了当前针对临床应用心脏保护策略的研究现状及未来发展方向，尤其是针对局部及广泛性心肌缺血患者的临床应用。

缺血性心脏病
临床综合征
缺血性心脏病，也被称为冠状动脉疾病，是导致局部心肌缺血的主要原因。冠状动脉疾病的临床表现包括稳定型心绞痛、急性冠状动脉综合征、心力衰竭以及突发性心脏死亡。急性冠状动脉综合征包括不稳定型心绞痛、ST段抬高型心肌梗死以及非ST段抬高型心肌梗死。这些疾病通常是由动脉粥样硬化性冠状动脉中的病变斑块破裂、侵蚀并形成血栓所引发的。

心肌梗死的统一定义是一种用于评估和分类心血管症状患者的综合体系。该定义基于生物标志物分析，尤其是通过检测血清中升高的心肌肌钙蛋白来判断心肌损伤，其中高灵敏度心肌肌钙蛋白更为常用。为了区分急性心肌梗死与其他非缺血性心肌损伤原因，还需要有明确的临床证据表明存在心肌缺血。根据病理生理学特征和临床情况，心肌梗死可被分为五类：与原发性动脉粥样硬化性血栓形成相关的急性心肌梗死（1型）、供需失衡型急性心肌梗死（2型）、突发性心脏死亡（3型）、经皮冠状动脉介入治疗后的急性心肌梗死（4A型）、冠状动脉支架血栓形成型急性心肌梗死（4B型），以及冠状动脉旁路移植术后的急性心肌梗死（5型）。在最新的分类标准中，重点在于通过检测高灵敏度心肌肌钙蛋白水平来辅助诊断。虽然临床诊断心肌梗死的准则并未改变，但高灵敏度心肌肌钙蛋白检测的应用已经显著改变了临床对急性心肌梗死的评估方式。

缺血性心脏病患者的心脏保护干预与心肌挽救的复杂性
对于疑似或确诊为1型或2型急性心肌梗死的患者，治疗方案包括心脏导管检查、选择性冠状动脉造影，若发现冠状动脉病变，则进一步进行经皮冠状动脉介入治疗，包括球囊扩张、溶栓治疗以及冠状动脉支架植入。及时干预可使闭塞的冠状动脉重新通畅，如果成功的话，之前缺血的区域就能得到再灌注，从而挽救部分缺血心肌，同时缩小心肌梗死范围。在这个过程中，由于梗死区域内的微血管受损，原本可能为透壁性梗死的病变会转变为出血性心内膜下梗死。

影响心肌梗死大小的因素包括：（1）闭塞冠状动脉的直径以及原有侧支血管的分布和实际供血情况，这些因素共同决定了危险区域的大小；（2）血液供应中断的时间长度以及再通的时间点；（3）再通的效果，即能否恢复原有的动脉管腔结构并保持其通畅状态。不过，需要明确的是，经皮冠状动脉介入治疗后的“再通”与真正的“再灌注”并非完全等同，因为由于碎屑的微栓塞、病变部位释放的可溶性物质、内皮完整性受损导致的通透性增加和水肿形成、血小板活化与白细胞黏附、红细胞淤滞、血管从扩张状态转为收缩状态，以及最终的毛细血管结构损伤，往往会导致再灌注并不完全，进而出现无再流、微血管阻塞以及心肌内出血等问题。无再流是再灌注性心肌梗死的严重并发症，无论心肌梗死大小如何，都会带来不良预后。

心脏保护研究的目的是将心脏保护干预措施与及时再通相结合，以此减轻再灌注损伤，提高心肌挽救率，进而降低慢性缺血性心脏病的发病率。在实验动物模型中，多种机械性和药物性干预措施都被证明能够有效保护心肌细胞活力并维护微血管功能。然而，历史上许多在初步临床前研究中表现良好的干预措施，在后续的临床试验中却并未显示出相同的效果。许多药物在初步临床前研究中虽能缩小心肌梗死面积，但在其他临床前研究中的效果并不确定，或在临床试验中毫无作用。与实验动物不同，人类患者还存在年龄、性别、合并症以及正在服用的其他药物等多种干扰因素，这些因素甚至会影响设计最为完善的临床试验结果。此外，患者冠状动脉粥样硬化的程度和严重程度也存在差异，这又会影响到侧支血管的发育情况。

为筛选出更有效的干预措施，人们制定了统一的临床前研究指南，从而提升了研究质量。即便有了更严格的临床前筛选，临床试验在设计和管理上的复杂性仍然给证明心脏保护策略的有效性带来了挑战。近年来，针对急性心肌梗死的心脏保护临床试验主要聚焦于机械性干预方法，如结合缺血后处理与远端缺血预处理，以及药物性干预方法，如静脉注射美托洛尔和冠状动脉内给予亚硝酸盐治疗。

急性冠状动脉综合征患者存在一些特殊的状况。一个实际问题在于，对急性冠状动脉综合征患者进行早期干预存在诸多现实限制。临床研究表明，在急性ST段抬高型心肌梗死发病后的最初几小时内，再灌注带来的益处会逐渐减弱。不过，仍有少数患者的从症状出现到开始治疗的时间短于1-2小时，即所谓的“黄金时间”，而很大一部分患者在症状出现12小时后才接受治疗。另一个问题是，即使实现了冠状动脉的再通，也不一定意味着真正实现了有效的再灌注，因为微循环在心肌缺血和坏死的形成过程中起着重要作用，同时也会影响大血管再通的效果。有研究显示，25%的患者在经皮冠状动脉介入治疗后会出现无再流现象，而在12个月的随访中，这一现象仍是预测患者死亡风险的独立因素。那些年龄超过60岁、血栓评分高于4分、以及从症状出现到开始治疗的时间超过360分钟的患者，死亡风险更高。

相反，也有证据表明，那些在症状出现12小时后才接受经皮冠状动脉介入治疗的患者，其体内仍存在部分功能受损但依然存活的心肌组织。此外，还有一些方法能够在没有逆向再灌注的情况下挽救缺血心肌。这些方法的总体目标是通过降低氧气消耗来维持ATP水平，同时促进侧支血管的生长，从而增加心肌的氧气供应。拥有完善的冠状动脉侧支循环是良好的预后因素。

目前，针对急性冠状动脉综合征患者的规范化治疗已显著降低了急性心肌梗死的发病率和死亡率。不过，要进一步减少那些存活下来的急性心肌梗死患者的心脏功能受损情况，仍需继续努力，因为持续的病理性心肌重构会导致心脏功能下降。慢性缺血性心脏病是导致严重心力衰竭的主要原因，这类患者往往需要依靠强大的循环支持系统或心脏移植才能存活。目前，基于干细胞的疗法尚未被证明能够实现具有临床意义的心肌修复和再生。

开胸手术
另一种容易引发广泛性心肌缺血的临床场景就是需要使用体外循环的开胸手术。在心脏手术的早期阶段，人们采用缺血性心脏停搏技术。6 当患者处于心肺旁路状态下，主动脉的结扎会导致心脏出现缺血性停搏，随后心肌会逐渐受到缺血损伤，临床上表现为“石心”现象。106,107 通过低温处理可以减缓整体缺血的进展速度。再灌注虽然能够逆转缺血状态，但仍然会造成一定程度的心肌损伤。为寻找更好的解决方案，人们开发出了心脏停搏液。自20世纪50年代心脏手术诞生以来，经过大量研究，人们提出了多种技术在需要选择性整体缺血的心脏手术中保护心脏，从而为医生创造一个安静、松弛且无血液的环境来修复病变组织。108–111 不过这些技术大多已被弃用。目前被广泛采用的黄金标准是高钾心脏停搏液，它含有浓度略高的细胞外钾元素。这种心脏停搏液会被注入冠状动脉，使心脏在松弛状态下停止跳动。另一种方法是通过冠状窦进行逆行灌注。这项技术彻底改变了心脏手术的面貌，使得手术能够在相对安全的情况下取得重大进展。高钾心脏停搏液能引发快速去极化性心脏停搏，且这种停搏状态很容易被逆转。如今，由心脏停搏液引发的暂时性心脏停搏已成为开放性心脏手术中的常规操作。108–111

心脏移植

心脏移植是另一种在获取、运输和植入供体心脏过程中存在整体心肌缺血风险的临床场景。从开放性心脏手术中发展而来的心脏停搏技术也被用来保护供体心脏。然而，心肌缺血和再灌注损伤仍可能是供体心脏植入后短期内出现早期移植物功能障碍的重要原因。

供体心脏的获取与保存

影响器官保存的三大因素是低温、细胞肿胀以及自由基引发的再灌注损伤。而移植器官损伤的主要机制则是缺血/低温和再灌注。根据缺血时间的长短，线粒体、内质网、溶酶体、细胞核和细胞膜都可能发生可逆或不可逆的变化。112–116 器官保存的主要目标就是维持低温状态、防止细胞肿胀，并尽量减少自由基造成的器官损伤。早期移植物功能障碍，包括原发性移植物功能障碍，主要源于保存过程中的损伤。在获取供体心脏时，会先后出现两种类型的缺血：冷缺血和温缺血。冷缺血发生在开始低温灌注、供体血液循环停止后的冷保存期间，直到心脏被从保存容器中取出为止。温缺血则发生在将器官从冷储存环境中取出到开始再灌注之间的时间段内。

低温是快速减缓细胞代谢的最有效手段。每降低10°C，器官的代谢速率就会下降1.5–2.5倍，因此将温度从37°C降至0°C时，代谢速率会降低10倍。113 然而低温也会带来负面影响，即细胞肿胀。缺血和低温会降低细胞内的ATP含量，进而由于细胞膜上的离子泵，尤其是Na+-K+ ATP酶功能受损，导致细胞肿胀。钠离子会渗入细胞内部，而钾离子则会流失。细胞在无氧条件下继续运作，导致乳酸和H+离子积累，进而引发细胞内酸中毒。由于细胞膜通透性发生改变，钙离子会流入细胞，这不仅会改变细胞内的酸碱缓冲能力，还会激活水解酶。此外，氯离子的转运也会受到影响，细胞内的渗透压升高，水分会进入细胞，导致细胞肿胀，最终可能引发细胞死亡。

在移植过程中，需要让供体心脏重新升温并恢复其冠状动脉的血液循环。这一过程会伴随代谢产物释放以及活性氧/过氧化氢的形成，这些物质既会造成再灌注损伤，还会增加移植物的免疫原性。112–116 致命性的心肌再灌注损伤是由于钙离子 influx增加以及氧化爆发导致活性氧/过氧化氢生成增多所引起的。在缺血期间，ATP分解会产生嘌呤代谢物，如黄嘌呤和次黄嘌呤，这些物质会在细胞内积累。较高的钙离子浓度会促使黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶。当开始再灌注时，氧气的快速供应会促使黄嘌呤氧化酶对嘌呤进行氧化，进而生成活性氧/过氧化氢。这会导致脂质过氧化、蛋白质的氧化修饰以及DNA断裂。缺血-再灌注损伤还会促使包括TNF-α、干扰素-γ、白细胞介素-1和白细胞介素-8在内的细胞因子分泌增加。这些细胞因子的过度表达可能导致白细胞聚集并形成微血栓，进一步损害移植后的移植物功能。

理想的保存溶液应具备以下功能：减轻低温引起的细胞肿胀；预防细胞内酸中毒；在灌注过程中避免溶液扩散到细胞间隙；保护细胞免受再灌注过程中产生的有害物质的损伤；并在再灌注期间为细胞提供生成ATP所需的物质。114 一般来说，保存溶液中含有电解质（钠、钾、氯、镁离子）以产生渗透效应，还有能够保持细胞膜通透性、防止细胞肿胀的物质（乳酸盐、棉子糖、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐），以及具有渗透作用、可防止细胞肿胀的胶体（HES、右旋糖酐），酸碱度调节剂（硫酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐、乳酸盐），糖类（葡萄糖、海藻糖、棉子糖），自由基清除剂（N-乙酰半胱氨酸、别嘌醇、谷胱甘肽），作为膜稳定剂和酶辅因子的镁，有助于在再灌注期间恢复细胞代谢的物质（腺苷、谷胱甘肽），更多的自由基清除剂（氨基类固醇、谷胱甘肽、维生素E、去铁胺），以及其他各种成分。

用于器官保存的两种基本技术分别是连续灌注技术和使用保存溶液的简单低温保存技术，后者是目前器官保存领域最常用的方法。借助现有的技术，供体心脏至少可以保存6小时，但必须在这段时间内完成植入手术。

心脏移植的预后与并发症

对于患有严重心力衰竭的患者而言，心脏移植是提高生存率和生活质量的最佳治疗手段。目前，成年移植患者的median生存时间为11.5年，而在第一年存活下来的患者，其继续生存的平均时间为13.9年。8,108,109 儿童心脏移植患者的median生存时间为18年。7,117,118 然而，心脏移植受者仍面临着多种潜在并发症的风险，这些并发症可能会影响他们的预后。118 这些潜在并发症包括与移植物相关的问题，如早期移植物功能障碍、急性移植物排斥反应以及心脏移植物血管病变，还有与移植物无关的并发症，如感染、急性和慢性肾损伤以及恶性肿瘤。早期死亡的主要原因通常是移植物功能障碍和急性排斥反应，而晚期死亡则多与供体心脏本身的病变有关，尤其是冠状动脉移植物血管病变，以及其他器官出现的病变，还包括免疫抑制药物的副作用以及原有疾病的进展。导致并发症发生的因素还包括移植物反应性、免疫抑制效果以及药物治疗的副作用。心肌缺血和再灌注损伤则是早期和晚期并发症的主要诱因或促成因素。

早期移植物功能障碍包括那些有明确可识别病因的病例，比如受者出现肺动脉高压、手术失败或超急性排斥反应，以及那些没有明确病因、被归类为原发性移植物功能障碍的病例。119–121 供体心脏的保存效果不佳也是导致早期移植物功能障碍的一个原因。此外，在植入供体心脏的手术过程中以及术后早期，心肌缺血和再灌注损伤的发生也会引发早期移植物功能障碍。心肌缺血和再灌注损伤不仅会导致早期移植物功能障碍，还会在抗体介导的排斥反应或急性细胞排斥反应期间损害移植物，同时也会促进冠状动脉移植物血管病变的发展及其相关后果。122–124

冠状动脉移植物血管病变

心脏移植物血管病变是导致晚期死亡的常见原因之一，也是限制移植物长期存活时间的重要因素。这种病变是指移植心脏的动脉和静脉逐渐发生阻塞，且病变会累及心外膜和心肌内的血管。125–127 由于移植心脏的神经已失去功能，冠状动脉移植物血管病变往往在临床上一时没有明显症状。该病变通常在疾病较晚阶段才被诊断出来，其临床表现包括心肌梗死、充血性心力衰竭、心律失常和/或冠心病。鉴于冠状动脉移植物血管病变可能带来的严重后果，人们对其风险因素、预测方法以及预防措施进行了大量研究。不过，其发病机制至今仍未完全明了。不过，目前已经发现供体和受体双方存在的免疫因素和非免疫因素都与该病变的发病有关。此外，血液和组织中的多种生物标志物也与冠状动脉移植物血管病变的存在相关，这些标志物或许有望用于预测该病变的发生。目前研究人员正在努力寻找心肌内膜活检中的某些变化，这些变化可能有助于预测冠状动脉移植物血管病变的发展。128

结论

通过实验研究，人们已经对心肌缺血、再灌注以及心肌预处理的相关病理生物学机制有了较为深入的了解。这些知识正在被应用于临床实践中，用于改善急性冠脉综合征患者接受经皮冠状动脉介入治疗时的缺血损伤，以及心脏手术和心脏移植过程中的心脏保存效果。76,129–131 对于急性冠脉综合征患者来说，要尽可能挽救缺血心肌，就需要尽早实施再灌注治疗，同时结合有效的预处理策略。未来的研究应致力于推进更先进的心脏保护技术，并寻找切实可行的方法来克服各种限制因素，从而实现最大程度的心肌挽救。