张志强卫小春

《实用骨科杂志》2002年05期

【作者单位】：山西医科大学第二医院

临床上继发于创伤、血栓形成、断肢再植、筋膜间隙综合征，应用止血带时间过长等均可造成肢体缺血。对缺血更为敏感的骨骼肌，在恢复血流以后，不仅不能改善细胞的功能，反而出现更严重的损伤，即所谓的缺血再灌注损伤。这种现象早在二十多年前Strock就已做了报道，但对其具体机制仍不清楚。近二十年来，自由基的生化特性及其在生物医学中的意义和作用日益受到重视和广泛研究，对其在疾病中的作用也有了较统一的认识，为了减轻其对机体的损害作用，许多自由基清除剂也应运而生，并已应用于临床，氧自由基或“氧反常”与“钙反常”被认为是再灌注损伤的两大病理基础。本文综述氧自由基在缺血再灌注损伤中的作用机理及其氧自由基清除剂在骨骼肌中的实验研究。

一、自由基

自由基是指外层轨道含有不配对电子的分子、离子、原子或原子团。由于自由基的外层电子中含有一个未配对的电子，因此其化学活性高、不稳定，具有较强的氧化能力，是非常强的氧化剂和还原剂。

氧自由基是指含有氧，而且不成对电子位于氧原子上的自由基。其又称活性氧，是氧分子单价还原过程中的中间产物。其特点是：

(一)活性强；

(二)结构不稳定；

(三)存在时间短；

(四)反应后常呈链锁式反应，因此可对机体造成持续性的损害。

它主要包括超氧阴离子(O2-)、羟自由基(OH-)及单线态分子氧(1-O2)。过氧化氢(H2O2)虽不是自由基，但也是一种细胞毒性氧。

二、正常机体氧自由基的产生和自由基的防卫系统

正常时，细胞基本能量需求通过高能三磷酸腺苷(ATP)分子的脱磷酸作用供给。98％的分子氧都在细胞线粒体内(细胞色素氧化酶体系)。通过呼吸链电子传递体，进行四价还原形成水，同时释放能量，参与ATP的生成。但有1％～2％的分子氧经单价还原途径形成氧自由基。这一途径产生几种高度活性的物质(O2-，H2O2和OH-)。

体内许多代谢过程都可自发地产生自由基。氧自由基可产生于一切有氧呼吸的细胞。生物体内氧自由基的生成主要通过自身氧化、氧化分解以及酶促反应等过程。

正常机体代谢过程中，不断产生的氧自由基在抗氧化系统的作用下不断地被清除，而维持动态平衡。正常浓度的氧自由基在机体的防御功能(如白细胞杀菌、杀死肿瘤细胞等)中起重要作用。

正常机体内氧自由基的清除主要是通过细胞内抗氧化酶系统。内生性氧自由基清除酶系统是由分子氧单价还原形成。SOD(超氧化物歧化酶)是一种天然的超氧化物清除剂，存在于所有能产生自由基的哺乳动物细胞中，它能催化超氧阴离子歧化成分子氧和过氧化氢，有效的清除O2-。CAT(过氧化氢酶)和POD(过氧化物酶)存在于细胞内的过氧化氢酶体系中，能催化H2O2还原成水，反应过程中不产生有毒的羟自由基。但人体内皮细胞和平滑肌细胞缺乏CAT。GSH-Px(谷胱甘肽过氧化物酶)，能使脂质过氧化物转变为活性较低的物质。ALLO(别嘌呤醇)是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂。其它弱清除剂还有氯丙嗪、维生素E、维生素C、辅酶Q、半胱氨酸、雌二醇、甘露醇等。

三、缺血再灌注损伤的致病机理

再灌注损伤是指机体或某一器官，经历数分钟乃至数小时缺血缺氧，又重新获得氧合血液灌注后，反而发生的一系列非缺血缺氧性损害。

缺血时氧供给减少，ATP减少，钠-钾泵功能障碍，膜通透性增加，细胞内酶外释，钙离子内流可激活黄嘌呤氧化酶，而缺氧时ATP被大量消耗，渐分解为黄嘌呤和次黄嘌呤，二者在黄嘌呤氧化酶的作用下，在低氧状态下产生少量的自由基。当恢复血流再灌注后，大量的氧为黄嘌呤氧化反应提供了另一产物，生成大量自由基，加上儿茶酚胺的应用和白细胞的参与，则可导致爆发性产生氧自由基。而且缺血/再灌注下，SOD的活性降低，SOD和GSH-Px大量丧失，造成组织内自由基清除剂的亏空。

氧自由基引起损伤的主要病理机制是引发脂质过氧化反应，氧自由基氧化细胞膜磷脂中的多不饱和脂肪酸而直接损伤细胞膜。一旦脂质氧化被引发，则可呈连锁反应，进一步扩散和放大。细胞膜和亚细胞结构磷脂中的多不饱和脂肪酸含量很高，是脂质过氧化损伤的主要部位。线粒体不仅易受到脂质氧化的损害，而且也是持续产生O2-的一个来源。

氧自由基能氧化生物膜中的脂质，直接破坏细胞膜的正常结构，使其通透性增加，细胞膜破裂。再加上再灌注时，大量钙离子流入细胞内，细胞内钙超负荷(钙反常)。大量钙返流，激活了膜蛋白酶和磷脂酶，此两种酶能破坏细胞膜，产生游离脂肪酸和溶解磷脂，进一步导致花生四烯酸的释放，产生更多的氧自由基。细胞内钙增加使线粒体的氧化磷酸化反应不能连接，ATP生成减少，而钙-ATP酶激活增加，ATP被分解消耗。AMP浓度增加使黄嘌呤氧化反应速度加快，氧自由基生成增加。细胞内游离钙浓度增加，激活各种钙调节酶，破坏细胞内环境。脂质氧化破坏了亚细胞膜使损伤进一步加重，溶酶体膜破裂释放溶酶体酶，消化并破坏亚细胞器。在微循环中，自由基使内皮层胶原和基膜中的透明质酸发生不可逆性降解。这种相互作用的结果是激活细胞趋化性，使血小板和颗粒细胞聚集。作为炎症反应的一部分，聚集的颗粒细胞又可释放出更多的自由基。自由基损伤血管内皮的机理可能是增加血管壁的通透性，导致组织水肿。自由基还可破坏前列腺环素与血栓素的平衡，促使产生有害的血栓素，从而破坏花生四烯酸的代谢。

四、氧自由基清除剂在骨骼肌保护中的应用研究

体内正常浓度的SOD和CAT起着生物预防作用，避免氧自由基的储积。缺血时，氧自由基清除剂被亏空和耗竭，致氧自由基大量增加。而外源性的SOD和CAT可清除氧自由基，增加机体的防御机制，起到保护骨骼肌的作用。SOD是一种普存在于哺乳动物的酶，能加速歧化反应。歧化反应能在机体内自发产生，但在SOD的催化下，可提高反应效率1亿倍。歧化反应使超氧阴离子(O2-)转化为H2O2。高浓度的H2O2有毒，但这一过程所产生的H2O2浓度很低。CAT能使H2O2直接转化成H2O，而不产生大量的OH-。

1983年，Bulkey等报道认为骨髂肌的缺血与再灌注损伤与细胞毒性代谢产物氧自由基有关。1987年，Lee，Blebea等报道也认为肢体的缺血再灌注损伤与氧自由基有关。

1985年，Korthuis等在动物实验中应用外源性的氧自由基拮抗剂超氧化物歧化酶(SOD)、别嘌呤醇和二甲亚砜等，可以明显改善氧自由基所致的骨骼肌毛细血管通透性的增高。

1999年，Erdogan等应用32只老鼠的后肢缺血2h、再灌注1h，口服别嘌呤醇和别嘌呤醇及局部低温混合应用，通过观察腓肠肌的超微结构了解别嘌呤醇可防止骨骼肌的缺血再灌注损伤，但别嘌呤醇及局部低温的联合应用可更好地治疗缺血再灌注损伤。

1995年，Oredsson等应用兔后肢模型进行实验，分两组进行，在缺血4h和再灌注2h分别输注中性粒细胞灌注液和中性粒细胞灌注液及SOD和过氧化氢酶混合液，与兔的另一侧肢体对比，研究发现超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶可减少中性粒细胞介导的再灌注损伤。

1994年，Oredsson等应用兔缺血再灌注损伤模型，研究发现甘露醇可减少组织水肿，减轻肌肉的坏死程度，说明甘露醇是自由基清除剂。

1991，John，Hoch应用犬后肢缺血4h和再灌注1h，灌注甘露醇和SOD，通过观察骨骼肌的收缩和神经功能的变化，发现了甘露醇和SOD均为氧自由基清除剂，但是甘露醇的作用强于SOD。

国内也有关于氧自由基清除剂的相关研究。如卫小春等应用兔肢体缺血再灌注损伤的动物模型，研究发现甘露醇、654-2、中药丹参都是氧自由基清除剂，并将其实验结果应用于临床，取得了满意的效果。冯峰民报道了丹参素在缺血再灌注损伤中的保护作用。

王万铁，夏正远等也应用家兔低血容量性休克-再灌注损伤的动物模型，通过观察SOD及MDA的含量变化，发现川芎嗪注射液可清除氧自由基减轻组织休克-再灌注损伤。说明川芎嗪注射液也是一种氧自由基清除剂。国外也有报道川芎嗪在肝脏、脑、心肌等缺血再灌注损伤中有保护作用。

缺血再灌注损伤中氧自由基的产生主要在再灌注期间，只有合理的应用氧自由基清除剂，才能有效地减轻再灌注的组织损伤。目前国内外对此方面的研究很多，也有应用缺血预处理，组织局部低温等方法防止再灌注损伤，但应用中药制剂作为氧自由基清除剂治疗骨骼肌的缺血再灌注损伤报道不多。

五、结语

目前有关氧自由基的性质、生化反应途径、来源及清除系统已有了明确的了解，也清楚地认识了氧自由基在再灌注损伤中的作用。同时对各种氧自由基清除剂也已进行了很多的实验研究，已有部分应用于临床，获得了较好的效果。