Последние исследования свободных радикалов породили множество теорий и идей. Как образуются свободные радикалы в патофизиологическом процессе экстракорпорального кровообращения? Как мы можем активно предотвратить их? Ниже приводится краткое изложение.
I. Понятие и природа свободных радикалов
Свободные радикалы — это общий термин для атомных групп и молекул, которые содержат неспаренные электроны на своих внешних орбиталях. Ли Сяобин, отделение торакальной хирургии, Шанхайская детская больница В обычных условиях организм производит небольшое количество свободных радикалов, которые не являются вредными для организма благодаря «антиоксидантной защитной системе» организма. Однако, когда организм становится ишемическим и гипоксическим, антиоксидантная система подавляется, усиливается «унивалентная утечка» поврежденных клеток, особенно митохондриальной электронно-транспортной системы, активируются полиморфноядерные лейкоциты комплемента, а снабжение кислородом во время реперфузии взрывообразно увеличивается за счет ОФР. С другой стороны, вступая в реакцию с перекисным окислением мембранных липидов, он изменяет микроокружение мембраносвязанных ферментов, рецепторов и ионов, тем самым изменяя нормальную функцию этих протеаз, вызывая перегрузку Ca2+ в клеточной мембране, способствуя сшиванию мембранных белков и фосфолипидов и вызывая необратимые протеазы. Дегенерация приводит к разрушению структуры и функции клеточных мембран.
Генерация кислородных радикалов в цикле in vitro
Основными источниками кислородных радикалов во время CPB являются
1. Митохондриальная система: В настоящее время считается, что в митохондриальной дыхательной цепи восстановленный коэнзим Q является основным местом производства кислородных радикалов, а также основным источником OFR после ишемии и реперфузии миокарда. Чем больше продолжительность ишемии, тем больше вырабатывается OFR, что в конечном итоге приводит к истощению митохондриальных антиоксидантов.
2. Ксантиноксидазная система: тяжелая травма, шок, локальная ишемия-реперфузия и т.д. вызывают накопление гипоксантина и ксантина в тканях, превращение ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу, повышение уровня ксантиноксидазы в крови, активацию нейтрофилов, вызывая их агрегацию в легких, повышение активности миелопероксидазы, деградацию АТФ до АМФ и аденозина, что может создать условия для продукции ОФР. Когда реперфузия обеспечивает поступление молекул кислорода, ксантиноксидаза способствует реакции гипоксантина или ксантина с молекулами кислорода с образованием O2ˉ, H2O2 и урата. Некоторые исследования показали, что высокая концентрация ксантиноксидазы в циркулирующей крови может быть важным механизмом в развитии полиорганной недостаточности.
3. Система гранулоцитов: Гранулоциты являются еще одним важным источником продукции ОФР в условиях CPB. Капиллярные эндотелиальные клетки содержат большое количество рецепторов адгезии гранулоцитов, таких как CD18, ELAM и ICAM. Активированные гранулоциты легко связываются с рецепторами, прилипают и агрегируют в капиллярном русле, активируя секрецию эластазы и генерируя большое количество кислородных радикалов в результате респираторного взрыва. Было высказано предположение, что реактивные виды кислорода являются наиболее важным инициирующим фактором повреждения тканей, вызванного гранулоцитами. Инактивация антипротеазы альфа-АТ[6] реактивными видами кислорода нарушает баланс между протеазной и антипротеазной системами, что приводит к усилению повреждения тканей. Современная «теория микроокружения» предполагает, что между активированными адгезивными гранулоцитами и эндотелиальными клетками сосудов создается закрытое микроокружение, препятствующее проникновению окружающих антиоксидантов и антипротеаз, в то время как высвобождение в микроокружение большого количества реактивных оксидантов и протеаз, вырабатываемых адгезивными гранулоцитами, расширяет степень повреждения эндотелия [7]. В то же время кислородные радикалы, вырабатываемые гранулоцитами, особенно в реакции с плазменными стимулами, образуют хемокины, которые способствуют адгезии и агрегации гранулоцитов, образуя порочный круг.
4, во время ишемии-реперфузии из-за внутриклеточной перегрузки Ca2+ активируется кальций-зависимая фосфолипаза, запускающая метаболизм арахидоновой кислоты (АК). Большое количество O2ˉ и H2O2 образуется в результате действия циклооксигеназы и липоксигеназы, которые действуют на клеточную мембрану с образованием перекисей липидов, что в свою очередь может ускорить процесс образования АК, поэтому в процессе метаболизма АК образуется большое количество OFR, что в свою очередь способствует дальнейшему развитию метаболизма. метаболизм АА и дисбаланс между простациклином и тромбоксаном, что приводит к порочному кругу.
В физиологических условиях аутоокисление катехоламинов происходит очень медленно, поэтому влияние на организм незначительно, но во время CPB, в связи с реакцией стресса, катехоламины высвобождаются в больших количествах, и часто сопровождаются ацидозом и т.д., окисление катехоламинов ускоряется. Подробности подлежат дальнейшему изучению.
III. Повреждение жизненно важных органов свободными радикалами кислорода
1. повреждение сердца свободными радикалами кислорода
Основными проявлениями ишемически-реперфузионного повреждения миокарда являются
(1) Нарушенное поглощение кислорода миокардом: ишемический миокард не может полностью использовать кислород после восстановления нормального кровотока, о чем свидетельствует разница в содержании кислорода в коронарной артериальной и венозной крови.
(2) Кровоизлияние и повреждение миокарда: Robert et al. обнаружили отсутствие или незначительное кровоизлияние в миокард во время блокады коронарной артерии, но часто значительное визуальное или микроскопическое кровоизлияние после восстановления кровоснабжения, и более серьезное внутримиокардиальное кровоизлияние на ранних стадиях реперфузии, чем в области устойчивого инфаркта.
(3) Острый отек клеток миокарда и отсутствие реперфузии: эксперименты показали, что после блокирования коронарного кровотока в течение 15 минут в ишемизированном миокарде не наблюдалось отека и только легкие изменения ультраструктуры, и все еще не было явного отека в эндокарде после 40 минут ишемии, тогда как после 2 минут реперфузии клетки миокарда резко набухали, сопровождаясь увеличением внутриклеточных ионов натрия и кальция и уменьшением ионов калия и магния, и наблюдался сильный внутриклеточный отек в ультраструктуре, с митохондриями. отек, сужение микрососудов вследствие отека кардиомиоцитов и сосудистого эндотелия, дальнейшее сдавливание микрососудов ишемической контрактурой миокарда и образование микротромбов, что приводит к невозможности восстановления кровотока во время частичной реперфузии миокарда.
(4) Сердечные аритмии и гипокинезия: Основными проявлениями сердечных аритмий являются желудочковые аритмии, включая желудочковую тахикардию и фибрилляцию желудочков, которые связаны с повышением уровня МДА в плазме крови и снижением активности СОД. Вследствие многостороннего повреждения ткани миокарда, вызванного прямой внутрисердечной операцией, включая последствия ОФР, часто наблюдается послеоперационное снижение комплайнса желудочков, сократительной способности миокарда, артериального давления и сердечного выброса, а в тяжелых случаях не удается поддержать кровообращение.
2. повреждение легких свободными радикалами кислорода
Повреждение легких, вызванное свободными радикалами кислорода, зависит от типа и активности свободных радикалов кислорода в легочной ткани и затрагивает практически все клетки и ткани легкого.
Эндотелиальные клетки легочных сосудов являются основным источником кислородных радикалов в легких, а также основными мишенями действия кислородных радикалов. При контакте эндотелиальных клеток животных с H2O2 периферия эндотелиальных клеток деформируется и сминается, снижается внутриклеточная концентрация АТФ, повышается концентрация Ca2+, возбуждаются протеиназы, нарушается структура и функция клеток и клеточных мембран. В исследованиях на животных в эндотелиальных клетках интерстициальных капилляров легких наблюдалось периодическое образование пузырьков и вакуолей, а концентрация H2O2 и деформация эндотелиальных клеток сопровождались количественными изменениями внутриклеточного АТФ и Ca2+. Кислородные радикалы повреждают мезенхиму, окисляя гиалуроновую кислоту и коллаген, изменяя стабильность и текучесть мезенхимы, окислительно инактивируя метиониновые радикалы в мезенхимальной α1-антипротеазе, нейтрализуя α1-антипротеазу и эластазу, снижая ингибиторы протеазы и даже активируя протеазу, что приводит к нарушению баланса системы протеаза-антипротеаза. Повышенная чувствительность белков к протеингидролазам усугубляет повреждение легких и увеличивает проницаемость симпласта. Повреждение альвеолярных эпителиальных клеток кислородными радикалами заключается в образовании прерывистых вакуолей внутри клеток I типа, пролиферации клеток II типа и фибробластов, интерстициальном фиброзе, снижении скорости кислородного обмена и комплайнса легких, уменьшении поверхностно-активных веществ и дальнейшем снижении функции легких.
Кислородные радикалы способствуют высвобождению тромбоксана TxB2, который оказывает сосудосуживающее действие и повышает кровяное давление. Кислородные радикалы также ослабляют инактивацию 5-HT эндотелиальными клетками, усиливают активацию ангиотензина II и снижают образование эндотелиальных расслабляющих факторов. Кислородные радикалы реагируют с клеточными мембранами и производят метаболиты арахидоновой кислоты, которые стимулируют перекисное окисление липидов и влияют на весь организм. Другие эксперименты подтвердили, что IgG-опосредованное повреждение иммунного комплекса зависит от кислородных радикалов.
3. повреждение мозга кислородными радикалами
В настоящее время считается, что церебральная ишемия и реперфузия также могут генерировать больше кислородных радикалов через систему ксантиноксидазы и митохондриальную моновалентную утечку, провоцируя перекисное окисление липидов. Большое количество свободных радикалов может повреждать липиды и клеточные мембраны, вызывая перекисное окисление поливалентных ненасыщенных жирных кислот, что приводит к снижению текучести и повышению проницаемости мембран нервных клеток, набуханию митохондрий, высвобождению лизосомальных ферментов, дегенерации и некрозу нервных клеток под действием альдегидных и гидроксильных радикалов, образующихся при перекисном окислении липидов; свободные радикалы могут сшивать молекулы белка и разрывать пептидные цепи, что приводит к потере функции нервных клеток; кроме того, свободные радикалы могут действовать на нервную клетку Кроме того, свободные радикалы могут воздействовать на внешнюю матрицу нервных клеток, вызывая обширные повреждения тканей мозга.
Предотвращение образования свободных радикалов кислорода при ХПБ
1. естественная антиоксидантная система в организме
В организме существует естественная система окислительного и антиоксидантного баланса, и как недостаточное, так и избыточное производство свободных радикалов кислорода может стать причиной заболевания. Всплеск увеличения OFR. Однако в организме содержатся важные антиоксидантные вещества, такие как СОД, пероксидаза, каталаза и GSH-PX, а также плазменный медно-голубой белок, витамин С и восстановленный глутатион, которые точно регулируют баланс окислительной и антиоксидантной систем [16].
2. снижение продукции свободных радикалов кислорода при ХПБ
(1) Антагонисты кальция: существует единое мнение, что ОФР и кальций взаимодействуют при реперфузионном повреждении миокарда. Добавление верапамила в жидкость для остановки кровообращения подавляет увеличение содержания кальция во время реперфузии миокарда и снижает содержание МДА в миокарде. Дилтиазем 15 мкг?кгˉ1?минˉ1, введенный непрерывно в течение 30 мин до блокады аорты маленьким свиньям, значительно уменьшал степень инфаркта миокарда и снижал аритмии. При постоянном введении дилтиазема собакам площадь инфаркта миокарда уменьшилась с 79±20% до 53±26% в контрольной группе (P=0,025). Клиническое применение нифедипина также показало хорошие результаты, что свидетельствует о защитном действии антагонистов кальция на ишемизированный миокард. Однако нифедипин также оказывает действие на гладкую мускулатуру сосудов, и передозировка может вызвать вазодилатацию и снижение артериального давления, на что следует обратить внимание. Поскольку основная цель этих препаратов — предотвратить перегрузку Ca2+ в кардиомиоцитах и митохондриях во время ишемии, их следует вводить до блокады аорты и ишемии миокарда.
(2) Железокомплексообразующие агенты: Во время ишемии-реперфузии существует два основных источника OH: (1) реакция Хабера-Висса, которая протекает очень медленно и не производит достаточно OH, чтобы вызвать разрушение клеток; (2) реакция Фентона, катализируемая избыточными металлами, которая в десятки тысяч раз быстрее реакции Хабера-Висса, и присутствие очень малых количеств ионов железа в организме может вызвать разрушение клеток. Реакция Фентона. Десферриоксамин имеет очень высокое сродство к Fe3+ и может быстро связываться с Fe3+ с образованием десенсибилизированных комплексов Fe3+ для исключения, эффективно ингибируя катализируемые железом реакции OFR, и имеет следующие характеристики: ① малый молекулярный вес, легко проникает в клетку и может уменьшить производство OFR путем замещения железа и меди на определенных участках; ② может использоваться непосредственно как поглотитель свободных радикалов; ③ может ингибировать липиды, зависящие от (3) Он может ингибировать реакции перекисного окисления липидов, которые зависят от трегализации железа и меди, и уменьшить возникающие в результате этого повреждения клеточных мембран.
(3) Аллопуринол: снижает продукцию ОФР и повреждение клеточных мембран путем ингибирования активности ксантиноксидазы.Coghlan и др. сообщили, что применение аллопуринола у пациентов, перенесших прямую кардиохирургическую операцию, значительно снизило количество случаев перекисного окисления липидов и послеоперационного применения положительных инотропных препаратов и улучшило КИ.Johnson и др. обнаружили, что у 169 пациентов в группе аллопуринола функция сердца была значительно лучше, чем в контрольной группе, а госпитальная смертность ниже, чем в контрольной группе. Госпитальная смертность была значительно ниже, чем в контрольной группе, а токсических побочных эффектов не наблюдалось.
(4) Делейкоцитарная реперфузия крови: Поскольку лейкоциты являются не только одним из основных источников производства OFR в CPB, но и накопление лейкоцитов в микрососудах ишемической области создает механическую обструкцию, что приводит к постоянному снижению местного кровотока в миокарде и даже отсутствию реперфузии, делейкоцитарная реперфузия крови может быть полезной для защиты миокарда. В экспериментах на животных было установлено, что перфузионное сосудистое сопротивление, CRK и CPK-MB были значительно ниже в группе крови с лейкоцитами, чем в контрольной группе, а активность SOD увеличилась, содержание MDA уменьшилось, и ультраструктурные изменения также были значительно легче, чем в контрольной группе.
(5) Снижение потока кислорода в КПП: эксперименты показали, что после перфузии с высоким потоком кислорода значительно повышались МДА и КФК в плазме, митохондрии набухали, вакуолеподобные изменения, кристы разрушались, кардиомиоциты сильно набухали, и наблюдались аномальные полосы сокращения; хотя МДА и КФК также повышались в группе физиологического кислорода, они были значительно ниже, чем в группе высокого кислорода, а вакуолеподобные изменения и разрушение крист в митохондриях были крайне редки. Авторы предполагают, что хотя ишемический миокард нуждается в кислороде во время восстановления, способность миокарда использовать кислород снижается на ранних стадиях, в основном потому, что нормальная утилизация кислорода нарушается из-за местной гипотермии, преобразования и ингибирования ферментов в сердце, так что нормальное четырехвалентное восстановление кислорода из ОФР не может осуществляться эффективно, в то время как моновалентное восстановление кислорода из ОФР относительно активно. Кроме того, ксантиндегидрогеназа преобразуется в ксантиноксидазу во время гипоксии, когда моновалентное восстановление кислорода для перфузии в условиях гипероксии становится более активным, что приводит к выработке большого количества OFR.
3. сжигание кислородных радикалов в CPB
(1) Растворители ОФР: эксперименты на животных показали, что при постоянном введении СОД и КАТ до блокады восходящей аорты, через 1 ч и 2 ч после реперфузии сократимость левого желудочка восстанавливалась до 43,3±14% и 74,2±8% от исходного значения соответственно, в то время как в контрольной группе только 12,8±11% и 31,6±7,8%. Сократимость миокарда и сердечная функция также значительно улучшились при клиническом применении SOD и CAT, а концентрация CPK в плазме значительно снизилась по сравнению с контрольной группой. Однако эффект СОД против ОФР не является полным, а в некоторых случаях даже неэффективным, что может быть связано со следующими факторами: (1) молекулярная масса СОД большая, и она нелегко проникает в клетки; (2) когда ишемия-реперфузия сопровождается ацидозом, скорость автоматического диспропорционирования O2ˉ с образованием H2O2 увеличивается, и СОД относительно избыточна; (3) основная роль СОД заключается в том, чтобы заставить O2ˉ диспропорционировать с образованием H2O2, последний в присутствии ионов металлов (3) Основная функция SOD заключается в диспропорционировании O2ˉ с образованием H2O2, последний в присутствии ионов металлов, через реакцию Тентона быстро образует OH, нанося больший ущерб организму. Приведенные выше результаты позволяют предположить, что при применении СОД может быть более эффективным совместное использование других препаратов.
(2) Низкомолекулярные соединения: Витамин Е является важным антиоксидантом в организме, который может устранять O2ˉ, OH, 1O2 и другие перекиси липидов. По данным литературы [25], после ишемии-реперфузии значительно повышалось содержание в плазме тиобарбитуровой кислоты-реактивных веществ (ТБКРВ), что сопровождалось снижением содержания витамина Е в миокарде. Повышение ТБКРВ отрицательно коррелировало с базальным содержанием витамина в миокарде и положительно — с продолжительностью циркуляторной блокады. Степень инфаркта миокарда и аритмии были значительно снижены при внутрибрюшинном введении витамина Е 100 мг за 30 минут до ишемии, что свидетельствует о защитном действии витаминов на ишемически-реперфузионное повреждение миокарда. Витамин С является еще одним важным скавенджером ОФР, который существует не только внутриклеточно, но и внеклеточно и может действовать внеклеточно. 250 мгˉ1 витамина С, введенный внутрибрюшинно перед пересадкой у пациентов с ХПН, показал значительное снижение МДА и CPK-MB в плазме, но высокие дозы могут также индуцировать выработку ОФР и должны быть приняты во внимание. Коэнзим Q является антагонистом фосфолипазы, который может снижать ОФР и обладает анти-ОФР эффектом. Маннитол является скавенджером гидроксильных радикалов и может предотвратить перекисное окисление клеточных мембран. 1,6-дифосфат фруктозы может ингибировать перекисное окисление липидов, подавлять респираторную вспышку нейтрофилов и уменьшать повреждение O2ˉ и H2O2 на ишемизированных тканях.
(3) Китайские лекарственные препараты: Chuan Gong Zine может уменьшить производство OFR в ткани миокарда во время реперфузии, защитить мембранную систему, увеличить энергетический обмен, улучшить содержание АТФ и креатинфосфата и активность SOD в ткани миокарда, защитить активность митохондриального кальциевого насоса клеток миокарда, предотвратить перегрузку внутриклеточного кальция в миокарде и оказать лучшее защитное действие на миокард. Пиперин[26] может значительно снизить выработку OFR во время ишемии-реперфузии, улучшить функцию сердца, снизить частоту фибрилляции желудочков, поддерживать активность Na-K-АТФазы во время ишемии, снизить содержание внутриклеточных Na и Ca и высвобождение CPK во время реперфузии. Даньшень, гинзенозиды и сапонины панакса женьшеня также обладают хорошим защитным действием на миокард.
(4) Другие: Налоксон может уменьшить содержание жира в митохондриях и повысить их способность к перекисному окислению липидов, уменьшить повреждение структуры митохондрий и функции ферментов при реперфузии, повысить стабильность структуры клеток и митохондрий, замедлить накопление внутриклеточного H+ и лактата и уменьшить приток внеклеточного кальция через антагонизм рецепторов опиоидных пептидов и прямой эффект налоксона на клеточные мембраны. Гексаметоксазол повышает активность СОД, снижает концентрацию МДА и значительно уменьшает реперфузионные аритмии.