引用本文： 周贤锋, 姚豫桐, 黄孝伦. 活性氧在肝脏缺血再灌注损伤中的研究进展. 中国普外基础与临床杂志, 2015, 22(7): 898-F3. doi: 10.7507/1007-9424.20150234 复制
肝脏缺血再灌注损伤（hepatic ischemia-reperfusion injury，HIRI）是指遭受一定时间缺血的肝组织恢复血流（再灌注）后，组织损伤程度迅速增剧的情况。临床中肝脏缺血再灌注损伤主要见于肝移植、失血性休克和各种涉及到肝脏血供阻断的手术[1-2]。现已证实，HIRI是导致术后肝功能衰竭的重要原因之一[3]。HIRI的发病机理复杂，涉及到炎性损伤、免疫损伤、细胞坏死、细胞凋亡等方面。现有研究[4]认为，HIRI中上述发病机理间相互作用和影响，活性氧(reactive oxygen species，ROS)在其中起了非常重要的作用。由此可见，HIRI中针对ROS的防治具有十分重要的意义。现就目前有关ROS在HIRI中的发病机理及其防治进展的相关研究综述如下。
1 ROS的概述
ROS是指一类能够参与机体反应、且反应活性强于氧分子本身的含氧化合物的总称[5]，在生物学研究中其主要包括处于自由基状态的氧和不属于自由基的过氧化氢（H2O2）、单线态氧等。其中，处于自由基状态的氧主要是指如超氧阴离子自由基（O2-、羟自由基（•OH）、过氧化物（RO2）、氧有机自由基（RO•）等，即通常我们所说的氧自由基[6-7]。生理情况下人体内不断产生ROS，又不断将其清除以维持在一个动态平衡状态，ROS在机体内的主要生理功能包括参与免疫反应和生物体衰老过程，以及调控部分信号系统[5, 8]。
2 ROS在HIRI时大量产生的机理
ROS在HIRI时大量产生的机理包括：①多形核白细胞在肝脏缺血期大量聚集，其受到缺氧的刺激后，于再灌注时期受激活出现“呼吸爆发”而产生大量的氧自由基[9]。②肝脏的缺血再灌注引起促炎介质的蓄积，从而导致Kupffer细胞过度激活，引发细胞膜上钙离子内流和内质网上的钙离子释放，进而使还原型辅酶Ⅱ氧化酶活化而产生ROS [10]。③线粒体在肝脏缺血期功能受损，使细胞色素氧化酶系统功能失调，进而导致细胞内的氧还原形成氧自由基；此外，肝脏再灌注期的缺血缺氧还能够促进线粒体呼吸链产生超氧化物和H2O2 [11]。④组织的缺血再灌注导致黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，XDH）转化为黄嘌呤氧化酶（xanthine dehydrogenase，XOD），而黄嘌呤氧化酶可以利用细胞内的分子氧转生成O2-和H2O2，从而产生大量的ROS [12]。
3 HIRI中ROS对机体的损伤机理
3.1 对机体糖类成分的影响
ROS可以直接氧化细胞膜上寡糖链中的糖分子，进而引起细胞多糖链破坏而造成细胞自溶[13]。
3.2 对机体中脂质成分的影响
肝脏缺血再灌注期生成的大量ROS与生物体内二价铁离子结合形成具有较强氧化性的混合溶液，该溶液通过链反应将体内的许多有机化合物氧化为•OH，•OH的氧化作用非常强，致使体内的多不饱和脂肪酸受到氧化破坏，进而引起细胞的损伤[14-15]。并且脂质受ROS氧化后形成的产物能够作为趋化因子而参与到HIRI中，起扩大炎性反应的作用，从而增加细胞的损伤[16]。
3.3 对机体蛋白质成分的影响
在ROS的作用下，蛋白质分子中某些特定的氨基酸残基发生系列反应，引起蛋白质结构与功能上的变化，比如对氧化物的亲和力增强，易于水解、聚合、交联等，从而导致细胞功能损害甚至死亡[17]。
3.4 对机体内核酸的影响
机体内过量的ROS不但可以直接氧化破坏核酸分子，而且部分ROS子类物质可以直接与核酸碱基及核酸核糖发生反应，其反应产物使核酸交联、DNA复制受阻，从而引起细胞损伤及细胞分裂受阻[18]。
3.5 促进机体细胞凋亡
在肝脏缺血再灌注期生成的ROS可以直接作用于细胞，当其积累到一定浓度后，促使线粒体上非特异通透性转运孔道（permeability transition pore,PTP）持续开放，H2O2及小分子物质通过通道到达线粒体基质，导致基质膨胀而使线粒体内膜嵴被拉直、外膜破裂、释放出可溶性蛋白，当这种蛋白的浓度到达一定数量后即会启动核凋亡的产生[19-20]。其次，ROS还可以直接氧化损伤DNA分子，当DNA分子受损后，抑癌基因p53的蛋白质使细胞停留在G1期，修复后再进入M期。如损伤严重不能修复，则诱导其凋亡[21-22]。
3.6 促进机体细胞的坏死
ROS可以通过内源性和外源性两种途径致使细胞坏死。内源性坏死途径中ROS主要引起线粒体外膜通透性增加，使诸如细胞色素C （cytochrome C，Cyt-c）、Smac/Diablo、细胞凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）、核酸内切酶G等促凋亡相关蛋白从线粒体释放到细胞基质中，这就导致了与细胞凋亡相关和不相关的两种细胞坏死方式的出现，进而导致细胞大量坏死。外源性坏死途径主要受细胞死亡受体调控，其包括肿瘤坏死因子受体1(TNF receptor 1，TNFR1）、人肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体1 （TNF-related apoptosisinducing ligand receptor 1，TRAIL-R1）、人肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体2 （TNF-related apoptosisinducing ligand receptor 2，TRAIL-R2）及Fas受体4类。而ROS引起的氧化还原反应会激活上述几类细胞死亡受体，从而促进细胞坏死[20, 23]。
4 ROS在HIRI中的防治
4.1 酶类
Wheeler等[19]在实验中将超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD)分为3种，第1种是含铜（Cu）和锌（Zn）金属辅基的SOD1，主要存在于机体细胞浆中；第2种是含锰（Mn）金属辅基的SOD2，存在于真核细胞的线粒体中；第3种是含铜（Cu）和锌（Zn）金属辅基存在于细胞外基质中的SOD3。其推导出结论：SOD1、SOD2及SOD3均能显著减轻HIRI，其主要机理即为清除HIRI过程中产生的氧自由基。但需要注意的是，由于以上SOD的3种亚型各自分布在细胞的不同部位，各自的分布浓度也不同，进而会影响到各自保护作用的效果[24-25]。过氧化氢酶(catalase，CAT)存在于所有已知的动物的各个组织中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不至于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的•OH，由于CAT在红细胞和肝细胞中活力最高，这就为CAT在HIRI中的运用奠定了良好的基础[26]。张丽华等[27]通过实验发现，HIRI中SOD与CAT mRNA水平和SOD与CAT蛋白表达水平均明显升高，从而证实了SOD与CAT在HIRI中参与了抗氧化应激损伤。孙凯等[28]也在实验中发现，HIRI后肝组织中脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）含量增加而SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等细胞内主要的抗氧化剂和自由基清除剂却显著减少，这表明在缺血再灌注损伤发生后适当地加用上述物质能够起到抗氧化和清除自由基的作用。最近研究[29]发现，HIRI中藏红花乙醇提取物可通过增加细胞内SOD和CAT的活性而明显降低细胞内ROS的浓度和减轻组织损伤，再次论证了SOD和CAT在HIRI中抗氧化的重要作用。GSH-Px是机体内广泛存在的一种重要的过氧化物分解酶，它能催化谷胱甘肽（glutathione，GSH）变为氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG），使有害的过氧化物还原成无害的羟基化合物，同时促进H2O2的分解，从而保护细胞膜的结构及功能不受过氧化物的干扰及损害[21]。肝细胞中高浓度的三肽谷胱甘肽能通过清除ROS及抗氧化的机理起到保护肝细胞的作用[30]，半胱氨酸的衍生物乙酰半胱氨酸可以增加细胞内GSH的浓度，进而增加GSH在HIRI中的保护作用[10, 31-33]。HIRI中利用乙酰半胱氨酸预处理已经在进行临床试验，但就目前研究结果来看临床疗效并不满意[34]。另外，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶能维持还原型辅酶Ⅱ（NADPH）在体内清除ROS的能力，乳酸脱氢酶、肌酸激酶[35]及辅酶[36]也具有抗氧化作用。
4.2 维生素类
维生素C可通过逐级供给电子而转变为半脱氧抗坏血酸和脱氢抗坏血酸，在这个反应过程中能起到清除体内如O2-、•OH、RO2、RO•等活性氧类物质的作用[37]。维生素E主要通过防止细胞的脂质成分被氧化和增加细胞内ATP的合成而起到抗氧化损伤的作用[38-39]。赵文波等[40]证实，维生素E对大鼠HIRI具有明显的保护作用，其作用机理为减少氧自由基的产生。但是值得注意的是维生素E导致氧自由基减少的作用机理亦是肝脏缺血预处理保护作用的不利因素。另外，维生素C还可以作为供氢体使被氧化的维生素E还原而起到间接抗氧化的作用[41]。彭燕等[42]已经在大鼠肾脏缺血再灌注损伤实验中发现维生素C与维生素E具有协同保护作用。除此之外，维生素A的前体β-类胡萝卜素也能有效地起到抗氧化的作用。维生素A在特定情况下还可以通过影响维生素E的浓度及吸收而影响维生素E抗氧化的效果[35]。
4.3 中草药类
柠檬苦素[43]、香芹酚[38]、薯蓣皂苷[43]、芹菜素[44]以及绿茶和葡萄皮[14]的一些成分均可以通过清除氧自由基和抗氧化的作用而减轻HIRI。中草药类具有安全范围大、毒副作用小、作用环节较多等优点，值得进一步深入研究。
4.4 其他
诸如硒可以协助维生素E减轻ROS引起的脂质过氧化损伤[35]。铜、锰等作为SOD的构成成分而参与到抗氧化作用中[24]。锌参与到SOD及过氧化氢酶的合成过程而起到抗氧化作用[43]。依达拉奉和Picroliv （一种植物内提取的物质）作为新发现的自由基清除剂均对HIRI具有明显的保护作用[45-46]。此外，术前进行缺血预处理[47]以及麻醉药物（如异氟烷、七氟烷）预处理也能通过减轻氧化应激而起到保护作用[48-51]。
综上所述，ROS在HIRI中的产生机理及其对人体的损伤机理均相当复杂，至今许多机理仍不清楚。虽然针对ROS在HIRI中防治的研究在实验中取得了一定疗效，但要应用于临床还有待进一步深入研究。目前国内外关于这方面的研究很多，相信在不久的将来，HIRI中ROS带来的损伤会得到有效的预防和控制。
肝脏缺血再灌注损伤（hepatic ischemia-reperfusion injury，HIRI）是指遭受一定时间缺血的肝组织恢复血流（再灌注）后，组织损伤程度迅速增剧的情况。临床中肝脏缺血再灌注损伤主要见于肝移植、失血性休克和各种涉及到肝脏血供阻断的手术[1-2]。现已证实，HIRI是导致术后肝功能衰竭的重要原因之一[3]。HIRI的发病机理复杂，涉及到炎性损伤、免疫损伤、细胞坏死、细胞凋亡等方面。现有研究[4]认为，HIRI中上述发病机理间相互作用和影响，活性氧(reactive oxygen species，ROS)在其中起了非常重要的作用。由此可见，HIRI中针对ROS的防治具有十分重要的意义。现就目前有关ROS在HIRI中的发病机理及其防治进展的相关研究综述如下。
1 ROS的概述
ROS是指一类能够参与机体反应、且反应活性强于氧分子本身的含氧化合物的总称[5]，在生物学研究中其主要包括处于自由基状态的氧和不属于自由基的过氧化氢（H2O2）、单线态氧等。其中，处于自由基状态的氧主要是指如超氧阴离子自由基（O2-、羟自由基（•OH）、过氧化物（RO2）、氧有机自由基（RO•）等，即通常我们所说的氧自由基[6-7]。生理情况下人体内不断产生ROS，又不断将其清除以维持在一个动态平衡状态，ROS在机体内的主要生理功能包括参与免疫反应和生物体衰老过程，以及调控部分信号系统[5, 8]。
2 ROS在HIRI时大量产生的机理
ROS在HIRI时大量产生的机理包括：①多形核白细胞在肝脏缺血期大量聚集，其受到缺氧的刺激后，于再灌注时期受激活出现“呼吸爆发”而产生大量的氧自由基[9]。②肝脏的缺血再灌注引起促炎介质的蓄积，从而导致Kupffer细胞过度激活，引发细胞膜上钙离子内流和内质网上的钙离子释放，进而使还原型辅酶Ⅱ氧化酶活化而产生ROS [10]。③线粒体在肝脏缺血期功能受损，使细胞色素氧化酶系统功能失调，进而导致细胞内的氧还原形成氧自由基；此外，肝脏再灌注期的缺血缺氧还能够促进线粒体呼吸链产生超氧化物和H2O2 [11]。④组织的缺血再灌注导致黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，XDH）转化为黄嘌呤氧化酶（xanthine dehydrogenase，XOD），而黄嘌呤氧化酶可以利用细胞内的分子氧转生成O2-和H2O2，从而产生大量的ROS [12]。
3 HIRI中ROS对机体的损伤机理
3.1 对机体糖类成分的影响
ROS可以直接氧化细胞膜上寡糖链中的糖分子，进而引起细胞多糖链破坏而造成细胞自溶[13]。
3.2 对机体中脂质成分的影响
肝脏缺血再灌注期生成的大量ROS与生物体内二价铁离子结合形成具有较强氧化性的混合溶液，该溶液通过链反应将体内的许多有机化合物氧化为•OH，•OH的氧化作用非常强，致使体内的多不饱和脂肪酸受到氧化破坏，进而引起细胞的损伤[14-15]。并且脂质受ROS氧化后形成的产物能够作为趋化因子而参与到HIRI中，起扩大炎性反应的作用，从而增加细胞的损伤[16]。
3.3 对机体蛋白质成分的影响
在ROS的作用下，蛋白质分子中某些特定的氨基酸残基发生系列反应，引起蛋白质结构与功能上的变化，比如对氧化物的亲和力增强，易于水解、聚合、交联等，从而导致细胞功能损害甚至死亡[17]。
3.4 对机体内核酸的影响
机体内过量的ROS不但可以直接氧化破坏核酸分子，而且部分ROS子类物质可以直接与核酸碱基及核酸核糖发生反应，其反应产物使核酸交联、DNA复制受阻，从而引起细胞损伤及细胞分裂受阻[18]。
3.5 促进机体细胞凋亡
在肝脏缺血再灌注期生成的ROS可以直接作用于细胞，当其积累到一定浓度后，促使线粒体上非特异通透性转运孔道（permeability transition pore,PTP）持续开放，H2O2及小分子物质通过通道到达线粒体基质，导致基质膨胀而使线粒体内膜嵴被拉直、外膜破裂、释放出可溶性蛋白，当这种蛋白的浓度到达一定数量后即会启动核凋亡的产生[19-20]。其次，ROS还可以直接氧化损伤DNA分子，当DNA分子受损后，抑癌基因p53的蛋白质使细胞停留在G1期，修复后再进入M期。如损伤严重不能修复，则诱导其凋亡[21-22]。
3.6 促进机体细胞的坏死
ROS可以通过内源性和外源性两种途径致使细胞坏死。内源性坏死途径中ROS主要引起线粒体外膜通透性增加，使诸如细胞色素C （cytochrome C，Cyt-c）、Smac/Diablo、细胞凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）、核酸内切酶G等促凋亡相关蛋白从线粒体释放到细胞基质中，这就导致了与细胞凋亡相关和不相关的两种细胞坏死方式的出现，进而导致细胞大量坏死。外源性坏死途径主要受细胞死亡受体调控，其包括肿瘤坏死因子受体1(TNF receptor 1，TNFR1）、人肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体1 （TNF-related apoptosisinducing ligand receptor 1，TRAIL-R1）、人肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体2 （TNF-related apoptosisinducing ligand receptor 2，TRAIL-R2）及Fas受体4类。而ROS引起的氧化还原反应会激活上述几类细胞死亡受体，从而促进细胞坏死[20, 23]。
4 ROS在HIRI中的防治
4.1 酶类
Wheeler等[19]在实验中将超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD)分为3种，第1种是含铜（Cu）和锌（Zn）金属辅基的SOD1，主要存在于机体细胞浆中；第2种是含锰（Mn）金属辅基的SOD2，存在于真核细胞的线粒体中；第3种是含铜（Cu）和锌（Zn）金属辅基存在于细胞外基质中的SOD3。其推导出结论：SOD1、SOD2及SOD3均能显著减轻HIRI，其主要机理即为清除HIRI过程中产生的氧自由基。但需要注意的是，由于以上SOD的3种亚型各自分布在细胞的不同部位，各自的分布浓度也不同，进而会影响到各自保护作用的效果[24-25]。过氧化氢酶(catalase，CAT)存在于所有已知的动物的各个组织中，它的主要作用就是催化H2O2分解为H2O与O2，使得H2O2不至于与O2在铁螯合物作用下反应生成非常有害的•OH，由于CAT在红细胞和肝细胞中活力最高，这就为CAT在HIRI中的运用奠定了良好的基础[26]。张丽华等[27]通过实验发现，HIRI中SOD与CAT mRNA水平和SOD与CAT蛋白表达水平均明显升高，从而证实了SOD与CAT在HIRI中参与了抗氧化应激损伤。孙凯等[28]也在实验中发现，HIRI后肝组织中脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）含量增加而SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等细胞内主要的抗氧化剂和自由基清除剂却显著减少，这表明在缺血再灌注损伤发生后适当地加用上述物质能够起到抗氧化和清除自由基的作用。最近研究[29]发现，HIRI中藏红花乙醇提取物可通过增加细胞内SOD和CAT的活性而明显降低细胞内ROS的浓度和减轻组织损伤，再次论证了SOD和CAT在HIRI中抗氧化的重要作用。GSH-Px是机体内广泛存在的一种重要的过氧化物分解酶，它能催化谷胱甘肽（glutathione，GSH）变为氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG），使有害的过氧化物还原成无害的羟基化合物，同时促进H2O2的分解，从而保护细胞膜的结构及功能不受过氧化物的干扰及损害[21]。肝细胞中高浓度的三肽谷胱甘肽能通过清除ROS及抗氧化的机理起到保护肝细胞的作用[30]，半胱氨酸的衍生物乙酰半胱氨酸可以增加细胞内GSH的浓度，进而增加GSH在HIRI中的保护作用[10, 31-33]。HIRI中利用乙酰半胱氨酸预处理已经在进行临床试验，但就目前研究结果来看临床疗效并不满意[34]。另外，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶能维持还原型辅酶Ⅱ（NADPH）在体内清除ROS的能力，乳酸脱氢酶、肌酸激酶[35]及辅酶[36]也具有抗氧化作用。
4.2 维生素类
维生素C可通过逐级供给电子而转变为半脱氧抗坏血酸和脱氢抗坏血酸，在这个反应过程中能起到清除体内如O2-、•OH、RO2、RO•等活性氧类物质的作用[37]。维生素E主要通过防止细胞的脂质成分被氧化和增加细胞内ATP的合成而起到抗氧化损伤的作用[38-39]。赵文波等[40]证实，维生素E对大鼠HIRI具有明显的保护作用，其作用机理为减少氧自由基的产生。但是值得注意的是维生素E导致氧自由基减少的作用机理亦是肝脏缺血预处理保护作用的不利因素。另外，维生素C还可以作为供氢体使被氧化的维生素E还原而起到间接抗氧化的作用[41]。彭燕等[42]已经在大鼠肾脏缺血再灌注损伤实验中发现维生素C与维生素E具有协同保护作用。除此之外，维生素A的前体β-类胡萝卜素也能有效地起到抗氧化的作用。维生素A在特定情况下还可以通过影响维生素E的浓度及吸收而影响维生素E抗氧化的效果[35]。
4.3 中草药类
柠檬苦素[43]、香芹酚[38]、薯蓣皂苷[43]、芹菜素[44]以及绿茶和葡萄皮[14]的一些成分均可以通过清除氧自由基和抗氧化的作用而减轻HIRI。中草药类具有安全范围大、毒副作用小、作用环节较多等优点，值得进一步深入研究。
4.4 其他
诸如硒可以协助维生素E减轻ROS引起的脂质过氧化损伤[35]。铜、锰等作为SOD的构成成分而参与到抗氧化作用中[24]。锌参与到SOD及过氧化氢酶的合成过程而起到抗氧化作用[43]。依达拉奉和Picroliv （一种植物内提取的物质）作为新发现的自由基清除剂均对HIRI具有明显的保护作用[45-46]。此外，术前进行缺血预处理[47]以及麻醉药物（如异氟烷、七氟烷）预处理也能通过减轻氧化应激而起到保护作用[48-51]。
综上所述，ROS在HIRI中的产生机理及其对人体的损伤机理均相当复杂，至今许多机理仍不清楚。虽然针对ROS在HIRI中防治的研究在实验中取得了一定疗效，但要应用于临床还有待进一步深入研究。目前国内外关于这方面的研究很多，相信在不久的将来，HIRI中ROS带来的损伤会得到有效的预防和控制。