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缺血再灌注心脑细胞凋亡与线粒体三磷酸腺
苷敏感性钾通道
【关键词】
线
粒体三磷酸腺苷敏感性钾通道；
细胞凋亡；
缺血再
灌注；心肌保护
细胞凋
亡或称程序性细胞死亡，
是受基因调控的主动性细胞死亡
形式。
细胞凋亡是导致缺血再灌注损伤的重要因素，抑制再灌注时诱
发的细胞凋亡，即可减轻心
肌缺血再灌注损伤，细胞凋亡在缺血再灌
注损伤中有重要的病理生理意义。
自从
Inoue
1991
年在大鼠肝脏细胞
中发现线粒体
ATP
敏感性钾通道
(mitochondrial ATP-sensitive
Potassium
channel
，
Mito-KATP
)
以来，
Mito-KATP
通道又
成为一个
新的心脑保护治疗切入点，它是目前公认的心脑保护多条传导通路的
终末效应器。
Mito-KATP
激动剂预处理
限制心脑细胞凋亡已在不同动
物种属的活体、离体及心脑细胞的实验研究中得到证实，线
粒体在心
脑细胞凋亡中起中心作用。
1
心肌保护和线粒体途径
1.1
Mito-
KATP
介导的抑制心肌细胞凋亡
Mito-
KATP
通道是包括
一个
55
KDa
内向
K+
通道和一个
63KDa
磺脲类受体的异源多聚体，是
一组将细胞膜电活动与细胞代谢联系在一起的重要通道，在调节细胞
功
能中起关键作用［
1
］
。当线粒体基质
ATP
不足时，此通道开放，线
粒体产
生内向
K+
电流，
线粒体基质体积短时
增大，
呼吸链活性显著增
强，开放
Mi
to-KATP
通道对缺血再灌注心脑起保护作用的机制目前尚
不完全清楚。
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IPC
作为一种内源性保护机制，
可减轻缺血再灌注导致的心肌细
胞
坏死。近年研究显示，
IPC
也可抑制缺血再灌注时的细胞凋亡
，
IPC
对缺血再灌注损伤的保护作用与其减少细胞凋亡有关。
此外，还发现
IPC
可影响凋亡相关基因的表达［
2
］
。现认为
IPC
的心脏保护机制部
分或全部由
Mito-
KATP
介导，
Mito-KATP
是此过程的最后效应分子，
其保护作用是通过磷酸化后的
Akt
从细胞质易位到线粒体而起作用的
［
3
］
。
Ichinose
［
4
］
等通过体外培养乳鼠心
肌细胞发现，
Mito-KATP
通
道开放后可以显著降低氧应激诱发的心肌细胞凋亡的发生率，培养的
乳鼠心肌细胞经
Mito-KATP
通道开放剂二氮嗪干预后，
< br>氧化应激诱发
的心肌细胞的凋亡明显减少，线粒体膜电位丢失减小。在缺血再灌注
的早期有大量的氧自由基的产生，开放
Mito-KATP
可以增强细胞对氧
应激的抵抗力，
稳定线粒
体跨膜电位
(
Δψ
m)
，
减少线粒体内膜的通透
性转换孔（
< br>MPTP
）开放及细胞凋亡的蛋白质释放，减少心肌细胞的凋
亡。
1.2 mito-
KATP
抗调亡的机制
目前已知
Mito-KATP
是一个经
典
的心肌保护效应，但
mito-KATP
的开放对缺血再灌注心肌细胞调亡的
保护作用机制尚不清楚，可能与以下机制有关。
1.2.1
防止Δψ
m
的耗散
Δψ
m
对于维持线粒体的完整性和功
能起着重要作用
。跨膜电位的形成主要依赖于内膜上的电子传递链中
的复合体Ⅰ，后者实际上是个质子泵
，在电子传递过程中将质子打出
内膜外，从而形成内膜外的高浓度质子电位势能和高
pH
的化学势能，
这就是线粒体跨膜电位的
基础。
mito-KATP
通道开放剂作用于通道后
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引起了胞浆钾离子的内流，呈浓度依耐性预防Δψ
m
的耗散。近年来
陆续有报道说明缺氧复氧后，
Δψ
m
严重降低，
而一旦Δψ
m
耗散，
细
胞就会进入
不可逆的凋亡过程，而且Δψ
m
在凋亡过程中很早就降低
了，早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰丝氨酸暴露于细胞表面。线粒
体
解联的呼吸链会产生大量活性氧，氧化线粒体内膜上的心磷脂。实
验证明，
用解偶联剂
mClCCP
会导致心肌细胞凋亡，
而如果能稳定Δψ
m
就能避免氧化还原失衡
、磷酯酰丝氨酸的暴露与蛋白酶和核酸酶的
激活，防止细胞凋亡。
1.2.2
抑制线粒体内膜通透性转变
细胞凋亡
过程中由于生成了
动态的由多个蛋白质组成的位于线粒体内膜与外膜接触位点的
MPTP
，
导致线粒体内膜的通透性转变。线粒
体内膜通透性转变是细胞凋亡的
必要条件，
MPTP
打开后导致线粒体许多功能的致命性变化从而启动了
凋亡途径
［
5
］
。
< br>MPTP
的作用有自放大的效应
,
可诱导ΔΨ
m
耗散。
MPTP
开放后，释放细胞色素
c
和凋亡诱导因子，
通过级联反应激活了一系
列细胞内的水解酶，最终激活细胞的“杀手”
< br>(caspase-3
等
)
，启
动
了凋亡程序，引起细胞凋亡
6-7
］
。从
MPTP
开放到
< br>caspase
的激活之
间存在着一条正反馈的通路，使
得细胞的凋亡途径变得不可逆。二氮
嗪开放
Mito-KATP
通道后使缺氧条件下的细胞Δψ
m
去极
化，呈浓度
依耐性的减少
H2O2
导致
的Δψ
m
的耗散，
最大效应浓度为
100
μ
mol/L
，
从而抑制复氧时线粒体内膜通透性转变。
因此，
阻断
MPTP
的打开至凋
亡酶的激活的通路，就能预防心肌细胞的凋亡。
MPTP
抑制剂
CSA
、
BA
可抑制
H2O2
引起的Δψ
m
的耗散，而
5-HD
不能阻断二者的作用，提<
/p>
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示
Mito-KATP
通
道是
MPTP
的上游通路［
8
］
。
1.2.3
调节氧自由基
(ROS)
的产生及防止细胞色素
C
渗漏
线
粒体
呼吸链是缺血再灌注过程中自由基的一个重要来源，氧自由基一
经生成，在体内发生连锁
反应，生成多种具有高活性的氧还原中间产
物，统称为活性氧簇。
Mito-KATP
的激活使
ROS
生成增多，而少量的
ROS
对于维持线粒体膜电位、阻止细胞凋
亡是很重要的，且此少量的
ROS
还可能抑制缺氧导致的后续<
/p>
ROS
大量生成。
ROS
激活
PKC
，
活化的
PKC
易位到线粒体内，
降低Δψ
m
的耗散，
使通透性限制酶磷酸化，
降
低线粒体的通透性［
9
］<
/p>
，阻滞
Ca2+
内流增加，阻止了基质中
钙的超载
［
10
］
，同时下调
fas
基因的表达，减少
Bax
异位
，增加
Bcl-2
蛋白
水平
［
11
］
。
高表达的<
/p>
Bcl-2
能防止ΔΨ
m
的耗散，
从而导致对苍术苷、
原卟啉
< br>IX
与
mClCCP
的不敏感与
凋亡启始因子
(AIF)
释放的抑制；
反之，
高表达
Bax
则导致ΔΨ
m
的耗散。
Mito-KATP
通道的抗调亡作用机制实
际是使促调亡蛋白和抗调亡蛋白达到平衡［
12
］
。
持续缺氧会导致
ROS
持续积累，
过高的
ROS
持续积累导致Δψ
m
下降，
MPTP<
/p>
开放，细胞色素
C
、凋亡诱导因子、
Ca2+
以及膜间隙中的
半耽天冬酶原
(Procaspase)
等凋亡因子被释放到细胞质中。释放到胞
质中的细胞色素
C
与凋亡蛋白水解酶激
活因子
(Apoptosis protease
activatingfactors, Apaf-1)
及<
/p>
caspase
复合物结合，进而激活
c
aspase-9
和
caspase-3
，后者进一步激活半耽天冬酶激活的
DNA
酶
( Caspaseactivated DNase, CAD)
，最终导致
染色体凝集、
DNA
断裂
而发生凋亡。
在过氧化氢（
H2O2
）诱发的心肌细胞氧化应激的模型上
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预先给予
Mito-KATP
通道开放剂二氮嗪再诱发氧化应激，则细胞核出
现
TUNEL<
/p>
阳性的频率降低，细胞色素
C
的释放被抑
制，免疫荧光染色
caspase-3
、
caspase-9
发现其活性降低并可延迟其活化
［
13
］
。
caspa
se
抑制剂也可减少细胞调亡，
但不减少细胞色素
C
释放，
caspase
可能
是细胞色素
C
的下游通路。因此
，
Mito-KATP
通道开放可减少
ROS
过
度增加引起的细胞凋亡。
1.2.4
降低钙超载
缺血再灌注期间，
缺氧所致能量产生的不足，
可
使心肌细胞线粒体膜难以维持正常的结构和功能，
对
Ca2+<
/p>
的通透性
升高，导致
Ca2+
内流，从而激活细胞内磷脂酶，引起膜磷脂的水解，
从而加重了膜结构的破
坏，使膜通透性进一步增加，而心肌细胞膜和
肌浆网通透性的改变可加重钙内流，如此形
成恶性循环。开放主动脉
后的再灌注期间，大量产生的氧自由基及细胞内钙超载，均可进
一步
激活磷脂酶，使细胞膜和细胞器膜出现再灌注损伤，可导致包括细胞
膜破裂、
细胞死亡在内的严重损伤。
Ca2+
超载还可作用于
PT
孔并使之
< br>开放，加重细胞色素
C
释放，从而促进细胞变成泡状凋亡
小体。
Crestanello
［
14
］等发现开放
Mito-KATP
通道还可预防心肌细
胞线粒体钙超载。
开放
Mito-KATP
通道可以保护线粒体的结构与功能，<
/p>
加速呼吸链的电子传递及氧化磷酸化的形成，利于
ATP
生成。二氮嗪
激活心肌细胞膜上
mito-KA
TP
后，
K
＋外流，
< br>心肌细胞膜超极化降低动
作电位第三相，从而缩短动作电位时程，
Ca2+
内流减少，减轻心肌细
胞机械活动，
降低
Ca2+
超载和能量消耗，
从而实现
IPC
对心肌细胞缺
血再灌注损伤的保护
［
15-16<
/p>
］
。可见，在心肌缺血时，如果保持
1<
/p>
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