ATP敏感性钾通道与环氧化酶2介导心肌缺血再灌注损伤的研究进展

聂晓丽 蔺雪峰 韩轩茂 李阳 郭茹

(内蒙古科技大学包头医学院 1研究生学院，内蒙古 包头 014040；2第一附属医院心内一科)

冠状动脉粥样硬化性心脏病(CHD)是因冠状动脉部分或完全阻塞导致心肌缺血和缺氧性损伤，目前被视为一种慢性炎症性疾病〔1〕。急性心肌梗死(AMI)作为CHD中最严重的一类，其发病率和死亡率在逐年增高〔2〕。随着溶栓治疗和原发性经皮冠状动脉介入治疗(PCI)的广泛应用，再灌注治疗已成为缺血性心脏病的有效治疗手段，但AMI的死亡率约为5%，近年来未见下降。造成这种情况的原因是临床实践中缺乏能够高效预防心肌缺血再灌注(I/R)损伤(MIRI)的药物。MIRI可产生恶性心律失常、血压突然下降、心功能不全等严重的不良后果甚至致死性，因此减轻MIRI造成的损伤，寻求新的治疗策略迫在眉睫。

MIRI可对心肌细胞造成不可逆损伤，降低细胞活性。目前AMI最有效的抢救措施是及时、有效的恢复缺血心肌的血液灌注，心肌缺血缺氧性损伤最主要是发生在心肌恢复血液灌注后。据已有报道，在MIRI过程中活性氧(ROS)直接导致组织细胞损伤，是MIRI重要机制之一〔3，4〕，ROS激活的途径及可能导致I/R损伤的途径仍有很大一部分是未知的。随着大量研究的进展，心肌I/R的损伤研究已经进入了分子水平，缺血后适应或缺血预处理可显著改善I/R损伤的发病机制。此外，与单独缺血预处理或缺血后适应相比，缺血预处理和缺血后适应联合作用可达到协同保护I/R损伤的作用〔5〕。前期研究发现，ATP敏感性钾通道(KATP)和环氧化酶(COX)-2在I/R过程中均发挥着重要作用。

1 COX-2在I/R损伤中的作用

COX是一类催化花生四烯酸(AA)氧化合成前列腺素(PG)的氧化还原酶，是PG合成的限速酶。PG在炎症中起调节作用，因此COX是炎症的主要介质〔6〕。COX由于PG的促炎症作用被广泛认为与炎症反应息息相关，包括疼痛、组织水肿、血管舒张及动脉粥样硬化〔7，8〕。COX-2是一种诱导性表达的酶，在外界环境的刺激下可迅速转录翻译发挥作用。

迄今为止，已描述三种COX亚型，包括COX-1、COX-2、COX-3。COX-1和COX-2同工酶在生物学功能上发挥着不同的生理作用，COX-1是最早发现的COX亚型，广泛分布于机体，是类PG的主要来源，在大多数细胞中恒定表达，具有管家功能，例如胃上皮细胞保护和体内稳态，其代谢产物在维持机体生理状态方面起着至关重要的作用〔9〕。COX-2在生理条件下表达水平很低或不表达，但在炎症、激素、生长因子的诱导下，其表达水平显著上升，成为炎症和诸如癌症等增生性疾病中类PG形成的重要来源〔8〕，其表达被炎症介质上调，在缺氧条件下和许多癌症中也是如此，并且经常在慢性疾病的组织中高表达〔10〕。COX-3是衍生自COX-1基因的第三种同工型，可将内含子1保留在其mRNA中，在犬大脑皮质中含量最丰富。

MIRI包括ROS的过量生成、氧化/亚硝化应激、炎症反应、钙超载和线粒体功能障碍，这些因素之间相互影响、相互促进，进而导致心肌细胞的坏死与凋亡。炎性细胞因子在动脉粥样硬化斑块的血小板聚集、血栓形成和各种并发症中发挥关键作用，活化的内皮细胞、单核细胞或巨噬细胞参与动脉粥样硬化相关的炎症过程。尽管有部分文献报道，在MIRI过程中COX-2可介导晚期预处理的保护作用，但其他研究表明其也是炎症、动脉粥样硬化斑块、中毒性休克和细胞凋亡的重要介质，导致多个组织出现显著的功能障碍和损伤〔11〕。细胞凋亡又称程序性死亡，是一种由基因控制的程序性死亡，凋亡在正常的生理条件下通过清除组织器官中功能紊乱及一些不需要的细胞维持细胞稳态。众多研究表明，MIRI会出现两种截然不同的细胞死亡模式，分别是细胞坏死和凋亡。前期研究表明，在MIRI中可以激活COX-2表达，通过促进凋亡途径导致细胞损伤，且心肌梗死时细胞凋亡的严重程度与COX-2表达水平呈正相关〔12〕。

庞磊等〔7〕通过缺氧/复氧(H/R)实验，模拟心肌I/R过程，在心肌细胞株H9C2细胞和原代大鼠心肌细胞中探究了COX-2表达水平与细胞凋亡之间潜在联系及分子机制，这一结果提示H/R后COX-2表达水平上升引发细胞凋亡，而抑制COX-2活性能够减轻H9C2细胞中H/R介导的细胞凋亡。该研究表明，COX-2抑制剂在心肌MIRI中具有抗凋亡作用，抑制COX-2活性至少通过两种不同的方式来保护心肌。第一种是细胞内ROS/一氧化氮(NO)含量的平衡。细胞内的ROS是通过多种代谢活动产生的，其中COX催化AA转化为PG的代谢过程中就有ROS的产生，ROS在MIRI过程中的大量累积是造成心肌梗死的机制之一。目前已有报道证实，激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路可降低凋亡和ROS水平〔13〕。第二种是激活抗凋亡Akt/诱导型一氧化氮合酶(iNOS)/NOS信号通路，该研究表明用COX-2特异性抑制剂能促进Akt活化，提示Akt/COX-2位于同一信号通路的上下游。随着凋亡在MIRI中作用的认识加深，探究COX-2如何影响心肌细胞凋亡具有重要意义。

COX-2在MIRI 过程中是有争议的。有证据表明这种酶具有保护作用，Guo等〔14〕首次利用可诱导的心脏特异性COX-2过表达探究该酶自体内I/R损伤的作用，研究表明用COX-2特异性抑制剂NS-398抑制COX-2完全消除了COX-2过表达对心脏的保护作用，证实了心脏特异性诱导的COX-2过度表达具有强大的心肌梗死预防作用，并且对心脏表型、功能没有明显不利影响，而慢性COX-2过表达与任何明显的有害作用无关。研究还发现，在COX-2过度表达的心脏组织中，PGE2水平上调，证实酶活性增加，这支持了其介导COX-2给予心脏保护的概念，对于旨在提高心肌COX-2含量及其他给予COX-2策略的长期治疗研究具有深远的治疗意义〔15〕。

甾体抗炎药通过抑制COX-1或COX-2减少PG的合成。PG对I/R损伤低流量状态下的心、脑、肝、血管系统、肾脏和骨骼肌均有有益作用〔16〕。在这方面，人们担心阿司匹林和其他非甾体抗炎药抑制COX-2可能对心脏保护有潜在的有害影响〔17〕。一项荟萃分析报道COX抑制剂造成的心血管风险的总体增加接近37%〔18〕。COX抑制可消除预处理和后处理的心脏保护作用〔19〕。因此，虽然COX-2特异性抑制剂在减轻疼痛和胃肠道损害方面有效，但其与不良心血管事件的风险增加相关〔20〕。临床上服用COX-2特异性抑制剂塞来昔布者心肌梗死的发病率增加〔21〕。最初，有观点认为选择性抑制COX-2并保留COX-1，是观察到的心血管损伤增加的原因。然而，随着来自不同人口的数据越来越多，这种观点开始受到挑战〔22〕。具体来说，COX-1抑制会损害生存率，而COX-2抑制会导致心肌损伤、自主神经系统功能障碍，并增加心肌梗死后死亡率的风险，这对近10%服用非甾体抗炎药的人群具有重要意义。

众所周知，COX-2是早期缺血和晚期缺血及麻醉药诱导的预处理的介质，Stumpner等〔23〕通过使用鼠体内模型研究了COX-1和COX-2在七氟烷诱导的后处理(APOC)对心肌梗死的作用。结果表明，COX-2在APOC信号转导途径中起主要作用，且七氟烷诱导的后适应可减少心肌梗死面积达60%，而COX-1在此模型中的作用是可有可无的，证实了COX-2在心肌缺血和药物预处理中发挥着重要的保护作用。有研究通过COX-2基因敲除小鼠模型实验证明COX-2基因的靶向破坏完全消除了晚期缺血预适应的梗死保护作用，并且COX-2/PG途径下游的前列环素受体是晚期缺血预适应的关键介体。此外临床相关药物(舒芬太尼、七氟烷)的心脏保护作用也由COX-2介导〔24〕。最新研究进一步表明，COX-2抑制不影响生存率，但显著增加心肌组织损伤和自主神经系统功能障碍。COX-2抑制的有害作用似乎表现在整体I/R后的低流量状态和局灶性I/R损伤下〔9〕。这些报道使我们相信COX-2在心肌缺血及药物预处理中发挥重要作用。

2 KATP在I/R损伤中的作用

KATP其将细胞的能量状态与膜兴奋性连接起来，控制着广泛的生理过程，包括激素分泌、神经元传递、血管扩张及心脏和神经元对缺血损伤的预适应〔25〕。早期Noma〔26〕和Trube等〔27〕对心室肌细胞的肌膜/浆膜KATP的描述及构成这种代谢活跃的向外K+电流基础的单一通道提供了独特的见解。随后在大多数其他组织类型中发现了KATP，之后又通过膜片钳研究发现线粒体内膜中存在一个内向整流型钾通道，众多研究提示受相关磺脲类受体蛋白调控。KATP是由四个向内整流的K+通道(Kir6.x)孔亚基与四个磺酰脲受体(SUR)调节亚基形成八聚体通道复合物，特定SUR与特定Kir6.x亚基的结合构成了特定组织中的KATP电流。KATP亚基基因的遗传变异和突变与许多威胁生命的人类疾病的病因有关。 Kir6.x或SUR突变会导致KATP病变，则会出现血管扩张、明显的心脏肥厚和其他心血管异常，称为Cantu综合征(CS)。Zhao等〔28〕证明了血管平滑肌中功能增强的KATP突变会导致心脏重塑，而且其能够通过使用KATP阻滞剂格列本脲来逆转心血管表型。

心脏缺血是一个复杂的事件，KATP开放的影响更为复杂。总体而言，KATP的开放既有害(例如，使心律不齐并出现室颤)，又具有保护性(例如，通过限制缺血后梗死的发展)〔29〕。KATP在心脏缺血早期就在K+丢失中起作用。多项研究表明，C反应蛋白(CRP)可能在MIRI的诱导中发挥重要作用。CRP直接加重心肌细胞MIRI，这一作用主要是通过抑制线粒体KATP(mitoKATP)和促进mPTP开放来介导的〔30〕。缺血时mitoKATP的打开导致线粒体膜去极化，降低线粒体膜电位，从而导致蛋白激酶(PK)C的激活，抑制ROS的产生，进而产生抗凋亡作用。选择性mitoKATP开启剂二氮嗪(DZ)已被证实可减少心肌MIRI〔31〕。钠尿肽(NPs)具有限制梗死、防止再灌注心肌损伤、防止梗死后不良的心脏重构的作用。钠尿肽的心脏保护作用是通过激活激酶〔腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)，PKC，PI3K，细胞外信号调节激酶(ERK)1/2，p70s6K，Akt〕和抑制糖原合酶激酶3-羟丙基，这种保护作用也是由肌膜KATP通道和线粒体KATP通道的开通来介导的〔32〕。

3 COX-2与KATP之间的关联

COX-1与KATP之间相关性的研究目前尚未报道，我们重点讨论COX-2。有研究表明舒芬太尼预处理是通过上调COX-2表达及激活mito-KATP对心I/R大鼠产生延迟性心肌保护作用，证实了二者是同一通路中的两个不同环节〔33〕。随后有研究表明，尼可地尔GATA结合蛋白(GATA)-4诱导心脏中的COX-2，是通过激活KATP及其硝酸盐类实现的〔34〕。二氮嗪是线粒体KATP的特异性开放剂，二氮嗪延迟预处理通过开放线粒体KATP而上调UQCRC1蛋白表达，UQCRC1蛋白又上调B细胞淋巴瘤基因(Bcl)-2、COX-2等保护性蛋白的表达，激活Akt/糖原合酶激酶(GSK)-3β细胞保护信号通路使半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3蛋白失活，从而对心肌细胞MIRI起到保护作用〔24〕。贾丹等〔35〕通过H/R实验，模拟心肌I/R过程，诱导心肌细胞肿瘤坏死因子(TNF)α的mRNA的表达，当其转录活性增强时，能够激活核因子(NF)-κB的表达，进一步介导COX-2表达，造成心肌细胞损伤。

综上，KATP的主要作用是在缺血、缺氧或代谢抑制等代谢应激状态下保护心脏。在心肌缺血的过程中，心肌细胞中COX-2的表达显著增高，然而要明确COX-2在心肌I/R的作用，还需要进一步遗传学解释，以明确这种有争议的酶的保护作用，这表明其有潜力被开发为一个新的治疗靶点。因此，明确COX-2与KATP的相关性及深入研究COX-2在MIRI中的具体作用及机制的研究显得尤为重要，为心肌梗死患者提供新的治疗策略。