肾脏为高灌注器官,对缺血及缺血再灌注均敏感。肾缺血再灌注( I/ R)损伤是缺血性急性肾功能衰竭的重要损伤环节,也是肾移植中影响移植肾早期功能恢复及长期存活的主要因素。肾I/ R损伤的病理生理机制非常复杂, 至今尚未彻底阐明。已知至少有3种因素参与:活性氧(ROS) 、中性粒细胞、补体系统。此外,活化的内皮细胞所产生的黏附分子、细胞因子、血小板活化因子、白介素、P 选择素、内皮素等在肾I/R 损伤中也发挥着重要作用。自由基生成增多是再灌注损伤的重要机制,本文仅就ROS在肾I/ R损伤中发挥作用的机制以及抗氧化剂的应用做一综述。
一、活性氧概述
ROS是氧分子的活性代谢产物,是指由氧形成、并在分子组成上含有氧的一类化学性质非常活泼的物质总称。氧元素是生物体供能的主要来源,也是合成ATP、激素及许多生理活性物质所必不可缺的物质。机体在利用氧元素进行氧化反应的同时,氧元素自身也发生了还原反应,生成活性氧代谢产物,是具有不配对电子的分子、离子或基团,即为ROS。ROS包括: ①氧自由基,亦称非脂性自由基,如超氧阴离子自由基(O -2 ) 、羟自由基(HO·) ; ②非自由基的过氧化氢(H2O2 )和单线态氧。O -2 是其他自由基和活性氧产生的基础,它在超氧化物歧化酶( SOD)的作用下生成H2O2。HO·是O -2 和H2O2相互作用的产物,它是体内最活跃的氧自由基,对机体的危害亦最大。生理情况下,机体可产生少量ROS参与正常代谢,同时体内存在清除自由基,抑制自由基反应的体系, 使得过多的自由基被清除或使自由基减少。体内自由基清除剂包括: ①低分子自由基清除剂,如存在于细胞脂质部分的脂溶性自由基清除剂(VE 和VA 等)以及水溶性自由基清除剂(VC 和谷胱甘肽等) ; ②酶性自由基清除剂, 细胞的过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶能有效清除H2O2 , SOD可清除O -2 。自由基产生和清除的两个系统共同维持机体氧化抗氧化平衡。
生物体内氧化应激的产生来自自由基产生增多和(或)抗氧化防御功能损害。ROS中的HO·是中性粒细胞, O -2 是单核/ 巨噬细胞藉以清除感染病原的重要手段,对机体具有防御作用,就机体自身而言,自身氧化产生的ROS对消灭突变的细胞和加速凋亡细胞的降解亦属有益作用。但ROS对机体的毒性作用尤为突出,其过多积聚,对蛋白质、脂肪和核酸均具有损害作用。HO·可与细胞膜脂质反应,生成脂质过氧化物(LPO) ,后者在过渡金属离子的催化下,引发细胞膜脂质过氧化连锁反应,膜结构遭到破坏,通透性增加,离子转运障碍,溶酶体破裂,细胞自溶。活性氧还能使蛋白质变性、酶类失活以及破坏DNA结构,造成细胞死亡。
二、活性氧和肾I/R损伤
缺血后再灌注具有两重性,多数情况下,缺血后再灌注使组织、器官功能得到恢复,损伤的结构得到修复。但是有时缺血后再灌注,不仅不能使组织、器官功能恢复,反而加重组织、器官的功能障碍和结构的损伤,这种现象称为缺血再灌注损伤。该概念首先由Jennings于1960年提出。有资料证明:肾脏的I/ R 损伤与ROS的产生密切相关[ 1 ] 。缺血再灌注时机体大量产生ROS。低血流和缺氧的直接结果就是重要的营养物质缺乏和ATP生成减少,缺氧导致的线粒体功能障碍可使ATP合成进一步减少。ATP减少可引起内皮和上皮细胞功能障碍,细胞肿胀,游离钙离子增加,磷脂酶活性增加。在低灌流期间,腺苷和次黄嘌呤堆积。腺苷通过其对A1 - 腺苷受体的作用能介导血管收缩;而次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下生成有毒性的ROS。L - 精氨酸在可诱导的一氧化氮合酶的作用下可生成一氧化氮(NO) 。一氧化氮合酶在近端小管表达,聚集在内髓集合管和肾小球系膜细胞,产生的一氧化氮产物是有毒性的,可对近端小管造成损伤。这一点通过使用可诱导的一氧化氮合酶抑制剂抑制NO产生使肾缺血再灌注损伤减轻而得到证实[ 2 ]。ROS的大量产生,超过了机体的清除能力,使体内还原物质被消耗,即可直接损伤组织和诱导细胞凋亡。①ROS可以直接与细胞膜的不饱和脂肪酸和胆固醇发生脂质过氧化反应,使细胞膜的流动性下降、通透性增高。ROS还可以通过对氨基酸的修饰和与肽键反应而攻击蛋白质,导致肽链断裂,使蛋白质尤其是酶蛋白丧失活性。ROS可直接损伤DNA 分子,损伤的DNA 分子可导致细胞凋亡; ②ROS可作用于线粒体内膜上的氧化磷酸化过程。线粒体呼吸链复合物Ⅰ和复合物Ⅲ是产生ROS的主要因素,氧化呼吸链的阻断可导致细胞损伤和细胞凋亡; ③ROS影响与细胞凋亡有关的基因表达。B cl - 2基因所编码的蛋白质属于胞内膜整合蛋白,对大多数因素诱导的细胞凋亡具有负性调节作用,其可能是通过影响ROS的产生来抑制细胞凋亡的。Hochman等发现,B cl - 2基因敲除小鼠对各种氧应激特别敏感、细胞氧化损伤增加和抗氧化能力下降[ 3 ] ; ④ROS可导致细胞内线粒体、内质网Ca2 +迁移和质膜Ca2 + ATP酶失活而导致胞质内Ca2 +浓度升高。Ca2 +浓度升高可触发细胞凋亡,其机制可能是: ①Ca2 +浓度升高可激活Ca2 + /Mg2 + 依赖性核酸内切酶, 导致DNA链的断裂; ②Ca2 +浓度升高还可引起微丝解聚成球形肌动蛋白,使细胞骨架遭到破坏,这可能与凋亡时的胞体皱缩、质膜起泡现象有关。肾血流量占心排出量的25% ,血流在肾内分布不均,血流大部分流入肾皮质,流入肾髓质的血流相对较少。正常肾髓质氧分压很低,约5～10mmHg,氧供较差,降低了线粒体呼吸作用的酶类,如细胞色素a, a3的活性,使髓质对I/R损伤十分敏感。缺血可导致细胞氧化磷酸化减少,ATP合成障碍,使膜上ATP - 依赖的离子泵功能下降, Ca2 + 、Na2 +和水进入细胞内,引起细胞功能障碍甚至坏死崩解。在内皮细胞,缺血促进某些促炎基因产物(如血小板激活因子、白三烯、血栓素B2 )的表达和生物活性分子的产生,促进白细胞激活和趋化聚集,引起炎症级联反应,加重肾损伤[ 2 ]。
