体外循环中自由基的产生和预防

 近年来关于自由基的研究十分活跃产生了很多的学说和观点，自由基在体外循环这一病理生理过程中是如何产生的呢？我们又如何去积极预防呢？现总结如下：

一、自由基的概念及性质

    自由基是指其外层轨道上含有不配对电子的原子原子基团和分子的总称。上海市儿童医院心胸外科李小兵

    正常情况下机体产生少量的自由基，由于机体有“抗氧化防御体系”，不致对机体造成大的危害。然而，当机体缺血缺氧后，抗氧化体系受到抑制，受损细胞尤其是线粒体电子传递系统“单价泄漏”增加，补体-多形核白细胞激活，再灌注时的氧供，使OFR呈爆发性增加。OFR具有极强的化学活性：一方面通过与细胞膜不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，使细胞膜的流动性降低和通透性增加，细胞的完整性及选择性离子通透功能遭到破坏；另一方面通过与膜脂质过氧化反应，改变了膜结合酶、受体和离子的微环境，从而改变了这些蛋白酶的正常功能，引起细胞膜Ca2+超载，促进膜蛋白和磷脂交联，引起蛋白酶不可逆性变性导致细胞膜结构和功能的破坏。

二、体外循环中氧自由基的产生

    CPB时氧自由基的主要来源有：

1、线粒体系统：目前认为，在线粒体呼吸链中，还原型辅酶Q是氧自由基产生的主要部位， 也是心肌缺血再灌注后OFR的主要来源[1]。缺血时间越长，产生的OFR越多，最终引起线粒体抗氧化产物耗竭。

2、黄嘌呤氧化酶系统：严重创伤、休克、局部缺血-再灌注等，使组织内次黄嘌呤、黄嘌呤堆积，黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，血中黄嘌呤氧化酶水平提高[2]，激活中性粒细胞[3]，使其肺部聚集，髓过氧化酶活性增加，ATP降解为AMP和腺苷，可使从而为OFR产生创造了条件。当再灌注提供氧分子时，黄嘌呤氧化酶促进次黄嘌呤或黄嘌呤与氧分子反应，形成O2ˉ、H2O2及尿酸盐。有研究发现，循环血中高浓度的黄嘌呤氧化酶可能是多器官衰竭发生的重要机制[4]。

3、粒细胞系统：粒细胞是CPB中OFR产生的又一重要来源。毛细血管内皮细胞含有大量的CD18、ELAM、ICAM等粒细胞粘附受体，活化的粒细胞易于受体结合在毛细血管床内粘附、聚集[5]，进一步激活分泌弹性蛋白酶和经呼吸爆发产生大量的氧自由基。有学者认为活性氧族是粒细胞造成组织损害的最重要的始动因素。活性氧族对抗蛋白酶α-AT[6]的灭活破坏了蛋白酶和抗蛋白酶系统的平衡，造成组织损害扩大。目前流行的“微环境理论”认为被激活的粘附粒细胞与血管内皮细胞间产生封闭的微环境，使周围的抗氧化剂及抗蛋白酶不能进入，而粘附的粒细胞产生的大量活性氧化物及蛋白酶等释放入微环境，内皮损害范围扩大[7]。同时粒细胞产生的氧自由基，尤其是与血浆中刺激物反应，形成趋化因子，更促进粒细胞粘附聚集，形成恶性循环。

4、缺血再灌注时，由于细胞内Ca2+超载，激活了钙依赖的磷脂酶，引发花生四烯酸(AA)的代谢。AA通过环氧合酶和脂氧合酶的作用产生大量的O2ˉ和H2O2，它们作用于细胞膜形成脂质过氧化物，脂质过氧化物又可加速AA，因此AA代谢中产生大量的OFR ，又进一步促进AA代谢及前列腺环素与血栓素的不平衡，造成恶性循环。

5、儿茶酚胺的自动氧化，可提供电子而产生OFR。生理情况下，儿茶酚胺的自动氧化是很缓慢的，所以对机体的影响并不大，但CPB期间由于应激反应，儿茶酚胺大量释放，而且常伴有酸中毒等，儿茶酚胺的氧化加速。具体情况有待于近一步研究。

三、氧自由基对重要器官的损害

1、氧自由基对心脏的损害：

    心肌缺血再灌注损伤的主要表现为[8]：

(1)心肌摄氧障碍：缺血心肌恢复正常血流后不能充分地利用氧，表现为冠状动静脉血氧含量相差无几。

(2)心肌出血和损伤：Robert等研究发现在冠状动脉阻断期间心肌无出血或出血不明显，而恢复血供后常有明显的肉眼或镜下出血，而且再灌注早期出现的心肌内出血比持续梗死区出血更严重。

(3)心肌细胞急剧肿胀和无再灌流现象：实验表明，阻断冠脉血流15min，缺血心肌无水肿超微结构也仅有轻度改变，缺血40min心内膜仍无明显水肿，而再灌注2min后，心肌细胞急剧肿胀，同时伴有细胞内钠和钙离子增加，钾镁离子减少，超微结构见严重细胞内水肿，线粒体肿胀，由于心肌细胞和血管内皮细胞肿胀，微血管狭窄，缺血性心肌挛缩进一步压迫微血管，微血栓形成等，从而导致部分心肌再灌注时血流不能恢复。

(4)心率失常和心功能减退：心率失常主要表现为室性心率失常，包括室性心动过速和室颤，此与血浆MDA含量升高及SOD活性降低相关。由于心内直视手术对心肌组织的多方面损伤，其中包括OFR的影响，术后常出现心室顺应性、心肌收缩力、血压及心排量下降，严重者不能支持循环。

2、氧自由基对肺的损害：

    氧自由基引起的肺部损害取决于肺组织内的氧自由基种类与活性[9]，几乎涉及肺内所有细胞和组织[10]。

   肺血管内皮细胞是肺部氧自由基的主要来源，并且也是氧自由基作用的主要目标[11]。有人用动物的内皮细胞与H2O2接触，则内皮细胞周边变形、皱缩，细胞内ATP浓度下降，Ca2+浓度升高，蛋白酶激，细胞及细胞膜的结构和功能都遭到了破坏。还有人的动物实验发现，肺间质毛细血管内皮细胞有间断囊泡和空泡形成。H2O2浓度和内皮细胞形变的同时伴随细胞内ATP、Ca2+的变化呈量效关系。氧自由基对间质的损害是通过氧化透明质酸、胶原，改变间质的稳定性及流动性，且间质α1-抗蛋白酶中的蛋氨酸自由基氧化失活，使α1-抗蛋白酶中和弹性蛋白酶，蛋白酶抑制剂减少，甚至激活蛋白酶，导致蛋白酶-抗蛋白酶系统平衡破坏。提高蛋白质对蛋白水解酶的敏感性，加重肺损伤，增大简质的通透性[9]。氧自由基对肺泡上皮细胞的损害是Ⅰ型细胞内有不连续的空泡形成，Ⅱ型细胞和成纤维细胞增生，间质纤维化，肺内氧交换率及肺顺应性降低，表面活性物质减少，肺功能进一步降低。

    氧自由基能促使血栓素TxB2的释放，TxB2具有缩血管作用，升高血压。氧自由基还可减弱内皮细胞对5-HT的灭活，增加血管紧张素Ⅱ的活化及减少内皮松弛因子的形成[12]。氧自由基与细胞膜反应可产生花生四烯酸代谢产物刺激脂质过氧化反应并影响全身[13]。另有实验证实IgG介导的免疫复合物损伤是氧自由基依赖性的[12]。

3、氧自由基对脑的损害：

    自由基反应是脑缺血损伤的重要机制，目前认为脑缺血再灌注可也通过黄嘌呤氧化酶系统和线粒体单价泄漏等途径产生较多的氧自由基，引发脂质过氧化反应。大量自由基可破坏脂类和细胞膜，使多价不饱和脂肪酸过氧化，导致神经细胞膜的流动性降低，通透性升高，线粒体肿胀，释放溶酶体酶，脂质过氧化产生的醛基、羟基自由基使神经细胞变性、坏死；自由基可使蛋白质分子交联，肽链断裂，使神经细胞丧失功能[14]；此外自由基也可作用于神经细胞外基质，产生广泛脑组织损伤[15]。

四、CPB中氧自由基的预防

1、机体内天然的抗氧化系统：

    人体内有天然的氧化和抗氧化平衡系统，氧自由基生成不足和过多都会造成疾病，如当机体缺血缺氧后，抗氧化体系受到抑制，受损细胞尤其是线粒体电子传递系统“单价泄漏”增加，补体-多形核白细胞激活，再灌注时的氧供，使OFR呈爆发性增加。但体内有SOD、过氧化物酶、过氧化氢酶、GSH-PX等重要的抗氧化物质，还含有血浆铜蓝蛋白、维生素C、还原型谷胱甘肽等能精确地调节氧化和抗氧化系统的平衡[16]。

2、CPB中减少氧自由基的生成：

(1)钙拮抗药：OFR和钙在心肌再灌注损伤中有相互作用已为共识。在停搏液中加入维拉帕米能抑制心肌再灌过程中钙含量增加，降低心肌MDA含量。主动脉阻断前给小型猪连续30min输入地尔硫  15μg·Kgˉ1·minˉ1，能明显减少心肌梗死范围，减少心率失常。给狗连续地输入地尔硫  ，心肌梗死面积由对照组的79±20%降至53±26%(P=0.025)。临床应用硝苯地平亦取得了较好的效果，提示钙拮抗剂对缺血心肌具有保护作用。但是硝苯地平等对血管平滑肌亦具有作用，过量可引起血管扩张，血压下降，应予注意。由于该类药物主要是预防缺血期间心肌细胞及线粒体内Ca2+过载，所以需在主动脉阻断，心肌缺血前给药[17]。

(2)铁络合剂：在缺血再灌注过程中，OH的来源主要有两条途径：①Haber-Wiss反应，此反应速度很慢，产生的OH不足以引起细胞破坏；②过度金属催化的Fenton反应，此反应速度是Haber-Wiss反应速度的数万倍，体内存在极微量的铁离子即可诱发Fenton反应。去铁敏[18]对Fe3+具有极高的亲和力，能与Fe3+很快结合形成去敏铁Fe3+复合物而排除，有效地抑制铁催化的产生OFR反应，且有以下特点：①分子量较小，容易进入细胞内，通过置换特异位点上的铁、铜达到减少OFR产生的目的；②可直接作为一种自由基清除剂；③可抑制依赖于铁、铜崔化的脂质过氧化反应，减轻由此引起的细胞膜损伤。

(3)别嘌呤醇：通过抑制黄嘌呤氧化酶活性而减少OFR的产生及细胞膜的损伤。Coghlan等[19]报道，心内直视手术病人应用别嘌呤醇后明显减少脂质过氧化和术后正性肌力药物的应用例次，提高了CI。Johnson等[20]发现169例应用别嘌呤醇组病人，其心功能明显优于对照组，医院死亡率明显低于对照组，未见任何毒副作用。

(4)去白细胞血液再灌注：由于白细胞不仅是CPB中OFR产生的主要来源之一，而且白细胞堆积在缺血区微血管内产生机械阻塞，使心肌局部血流持续减少，甚至出现无再灌流现象，因此，去白细胞血液再灌注可能有利与心肌保护。动物实验发现[21]，去白细胞血液组其灌脉血管阻力，CRK，CPK-MB明显低于对照组，SOD活性增加，MDA含量明显下降，超微结构改变亦明显校对照组轻。

(5)降低CPB氧流量：实验发现[22]，高氧流量灌注后血浆MDA及CPK明显升高，线粒体肿胀，空泡样变，嵴断裂，心肌细胞肿胀严重，可见有异常收缩带；生理氧组MDA、CPK虽亦有升高，但明显低于高氧组，线粒体空泡样变、嵴断裂极为少见。作者认为缺血心肌在恢复时虽需要氧，但早期阶段心肌利用氧的能力减弱，主要是心脏局部低温、酶的转化和抑制使氧的正常利用障碍，以致使OFR的正常氧的四价还原不能有效进行，而产生OFR的氧的一价还原相对活跃。另外，黄嘌呤脱氢酶在缺氧时转化为黄嘌呤氧化酶，此时供以高氧灌注氧的一价还原更趋活跃，致OFR大量产生。

3、CPB中氧自由基的清除：

(1)OFR清除剂：动物实验发现[23]，升主动脉阻断前连续输入SOD和CAT，再灌注后1h和2h，左室收缩力分别恢复至基础值的43.3±14%和74.2±8%，而对照组仅为12.8±11%和31.6±7.8%。临床应用SOD和CAT，心肌收缩力及心脏功能亦有明显改善，血浆CPK浓度较对照组显著降低。但SOD对抗OFR的作用并不完全，在某些情况下甚至无效[24]，可能与下列因素有关①SOD分子量较大，不易进入细胞内；②缺血再灌注时多伴有酸中毒，O2ˉ自动歧化形成H2O2的速率增快，SOD相对过剩；③SOD的主要作用是使O2ˉ歧化形成H2O2，后者在有金属离子存在时，通过Tenton反应很快形成OH，对机体造成更大的损害。上述结果提示应用SOD时，配合应用其它药物效可能会更好。

(2)低分子化合物：维生素E是体内重要的抗氧化剂，能消除O2ˉ、OH、1O2等脂质过氧化物。文献报道[25]，缺血再灌注后血浆硫巴比妥酸反应物质(TBArs)明显升高并伴有心肌维生素E降低，TBArs升高与心肌基础维生素含量呈负相关，与循环阻断时间呈正相关。缺血前30min腹腔注射维生素E100Mg，其心肌梗死范围及心律失常明显减少，说明维生素对心肌缺血再灌注损伤具有保护作用。维生素C是另一种重要的OFR清除剂，不仅存在于细胞内，还存在于细胞外，可在细胞外发挥作用。CPB病人在转机前静注维生素C250Mg·Kgˉ1，血浆MDA、CPK-MB明显降低，但大剂量也可诱发OFR产生，应予注意。辅酶Q为磷脂酶拮抗剂，能将OFR还原，有抗OFR作用。甘露醇为羟自由基清除剂，可防止细胞膜过氧化。1,6二磷酸果糖能抑制脂质过氧化反应，抑制中性粒细胞的呼吸爆发，减轻O2ˉ和H2O2对缺血组织的损伤。

(3)中药制剂：川弓嗪可减少再灌注期间心肌组织OFR的产生，保护膜系统，增加能量代谢，提高心肌组织ATP、肌酸磷酸含量及SOD活性，保护心肌细胞线粒体钙泵活性，防止心肌细胞内钙超载，具有较好的心肌保护作用。小辟胺[26]能明显降低缺血再灌期间OFR的产生，改善心功能，降低室颤发生率，保持缺血期间Na-K-ATP酶活性，减少细胞内Na、Ca含量及再灌时CPK释放。丹参、人参皂甙、三七总皂甙等亦有较好的心肌保护作用。

(4)其它：纳络酮可减少线粒体内脂肪含量和增强其抗脂质过氧化能力，降低再灌注对线粒体结构和酶功能的损伤，增加细胞及线粒体结构的稳定性，减缓细胞内H+及乳酸堆积，并通过纳络酮的阿片肽受体拮抗作用及直接细胞膜作用减少细胞外钙内流。六甲氧苄嗪可提高SOD活性，降低MDA浓度，明显减少再灌注性心律失常。