[摘要]一氧化氮(NO)可以使血管平滑肌舒张,增加血流灌注,对组织低血再灌注损伤有保护作用。在游离皮瓣低血再灌注损伤(IRI)过程中,皮瓣组织处于低氧、酸性环境,有利于非酶源途径的NO发挥对组织IRI的保护作用。本文就游离皮瓣IRI与NO的关系、非酶源途径NO的最新研究结果、非酶源途径的NO在皮瓣IRI中的作用进行综述,以探讨非酶源途径的NO在皮瓣IRI中的治疗价值,为防治皮瓣IRI提供理论依据和新思路。
[关键词]一氧化氮;游离皮瓣;低血性再灌注损伤
[中图分类号]R782.4
[文献标志码]A
一氧化氮(nitric oxide,NO)具有松弛平滑肌和舒张血管的作用,参与信息传递,调节免疫系统,引导血管新生,具有重要的抗血小板聚集和粒细胞黏附作用。通常,体内NO的产生有两种途径:在有氧条件下,通过一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)催化L-精氨酸生成NO,即酶源途径的NO;另外,体内的硝酸盐和亚硝酸盐在还原酶或者还原性物质的作用下,通过氧化还原反应也可以形成NO,此过程不依赖NOS,所以被称为非酶源途径的NO。后者与硝酸盐和亚硝酸盐代谢密切相关,故又称之为硝酸盐-亚硝酸盐途径的NO。
游离皮瓣移植是修复口腔颌面部大面积缺损和颅内外沟通肿瘤术后缺损的重要手段,提高游离皮瓣移植的成活率对其修复重建有重要意义;但从皮瓣断蒂,到完成血管吻合形成血液再灌注期间,常因长时间低血和血管栓塞等因素导致组织血流不足,皮瓣处于低血和低氧状态,恢复血流灌注时,反而容易出现更为严重的损伤,出现游离皮瓣的低血再灌注损伤,即皮瓣部分或全部坏死,严重者甚至影响手术疗效。
在NO与游离皮瓣IRI的研究领域,主要着眼于酶源途径的NO研究,试图从NOS的方面去解释NO在游离皮瓣IRI中的作用。如今的研究表明,在游离皮瓣IRI时,组织处于低氧、酸性环境,非酶源途径的NO作用更大;因此,非酶源途径的NO在游离皮瓣IRI研究中备受关注。
1 游离皮瓣IRI与NO
在游离皮瓣转移修复中,皮瓣断开血管蒂自供区转移到创面,低血过程无法避免,称为原发性低血。此后,其他血液循环障碍导致的低血过程,均为继发性低血。动物试验证明,皮瓣对继发性低血耐受性更差。通常,继发性低血与手术技巧差强人意有关。继发性低血分为两种类型,一类是由皮瓣面积大于血管供血面积引起,另一类是由血管吻合失败导致的低血,包括术后血栓形成、低血压和血液高凝状态等情况。
游离皮瓣经历长时间低血后,血液突然再灌注,白细胞大量聚集介导局部炎症反应,产生氧自由基,在NO和钙离子等作用下引发IRI,触发一系列病理生理级联反应,不同机制间相互协同作用,促进这一连锁反应不断扩大,从而加重游离皮瓣损伤,甚至导致游离皮瓣部分或全部坏死。
早前的研究对于NO在游离皮瓣IRI中的作用机制尚无定论。Ward等发现,NOS抑制剂会明显增加骨骼肌IRI过程中毛细血管的通透性,加重损伤;相反,在接受NOS诱导剂处理下,毛细血管渗透性没有增加,损伤减少。他们认为,NO在骨骼肌低血再灌注过程中起到保护作用。Zimiani等利用化学发光法对大鼠腓肠肌低血再灌注后,细胞膜脂质过氧化情况和组织抗氧化能力进行研究发现,化学发光曲线在灌注后急剧上升,而在经NOS抑制剂处理后曲线下降,即NO生成量下降,脂质过氧化情况减轻,组织抗氧化能力有所提高;因此他们认为,NO在低血再灌注中对骨骼肌造成了损伤。
以往在研究NO对皮瓣IRI的作用时,学者往往着眼于NOS对NO生成的影响;当然,在正常情况下,NOS是体内NO的主要来源,NOS利用精氨酸生成NO需要在氧气充足的情况下才能完成;而在组织低氧的情况下,NOS功能受到明显限制。上述研究表明:在皮瓣IRI中,皮瓣组织的氧体积分数大幅度下降,皮瓣组织处于低氧甚至缺氧状态;而且由于炎性因子和脂质过氧化等原因,内皮细胞内酸碱度发生改变,直接影响NOS的功能,导致NO生成障碍;因此,通过NOS来探讨NO对皮瓣IRI的作用并不能全面阐述NO在游离皮瓣IRI中的作用。
2 非酶源途径NO的作用机制和生理功能
低血再灌注时的组织内环境条件会使NOS的功能受到极大限制,却更有利于亚硝酸盐还原成NO,因此学者们提出了不依赖NOS途径产生NO,即非酶源途径的NO。同时,由于硝酸盐在消化系统中可还原成亚硝酸盐,亚硝酸盐进一步还原可以产生NO,所以非酶源途径也被称为硝酸盐一亚硝酸盐途径。虽然硝酸盐、亚硝酸盐有潜在的危害性,但是这两种无机离子在健康的人体内少量存在,而且其可通过与血红蛋白、黄嘌呤氧化还原酶(xanthine oxidoreductase,XOR)等物质反应生成NO,发挥调节线粒体功能的作用。
2.1非酶源途径的NO底物来源
硝酸盐和亚硝酸盐作为非酶源途径的NO底物,其来源主要有饮食途径和精氨酸-NOS途径。硝酸盐主要来源于饮食摄入,很多蔬菜富含硝酸根离子。譬如,一小份菠菜或生菜所含硝酸盐根离子较人体内一天代谢所产生硝酸盐的还要多。同时,饮用含硝酸盐水也可以提高血浆硝酸盐浓度。硝酸盐在体内经过肠-唾液可以被体内细菌的硝酸盐还原酶还原成亚硝酸盐,进入循环系统。健康人体血浆硝酸盐浓度为20-40μmol·L-1,而亚硝酸盐的含量则低得多,为50-300nmol·L-1。此外,NOS产生的NO在血液和组织中也可以被氧化形成硝酸盐和亚硝酸盐。
2.2非酶源途径的NO在IRI中的作用机制
由于硝酸盐和亚硝酸盐对于调节体内NO的体积分数有重要意义,因而研究硝酸盐和亚硝酸盐的作用机制对发挥非酶源途径NO的积极作用很有必要。在哺乳动物的口腔和胃肠道中,细菌的硝酸盐还原酶系统可将硝酸盐转换为亚硝酸盐。在组织中,血红蛋白和XOR等物质可以在低氧的情况下将亚硝酸盐还原为NO,并调节线粒体的呼吸作用。NO通过自由扩散进入平滑肌细胞,激活平滑肌细胞中的鸟苷酸环化酶,使环磷酸鸟苷的水平升高。cGMP作为第一信号分子激活蛋白激酶A通路,调节肌球蛋白和肌钙蛋白,使血管平滑肌处于持续地舒张状态;因此,硝酸盐和亚硝酸盐非酶源途径的NO对血管有舒张作用,可以提高血流的灌注量。
2.2.1血红蛋白与非酶源途径的NO 有学者发现,在前臂动静脉吻合网内注射亚硝酸盐,通过非酶源途径产生的NO增多时,血红蛋白的氧饱和度下降,即非酶源途径的NO与血红蛋白低氧信号调节机制有关。当血氧浓度在2-20μmol·L-1的低氧条件下时,亚硝酸盐的消耗会大大增加。事实上,亚硝酸盐与去氧血红蛋白和氢离子进行氧化还原反应,使铁离子的一个电子转移到氮原子上,生成NO、高铁血红蛋白和氢氧根离子。从上述反应原理看出,这个反应以亚硝酸盐和脱氧血红蛋白作为底物,而且需要低pH值提供氢离子,也就是说,亚硝酸盐在低氧、酸性环境能更好地产生NO。在低血再灌注过程中,组织处于低血、低氧和酸性环境,有利于发挥非酶源途径NO的作用。
2.2.2XOR与非酶源途径的NO XOR可以将氧原子转变成超氧离子,但是在低氧的情况下,XOR也可以在同一位点将亚硝酸盐还原成NO。该途径需要在低氧和酸性环境下才能有效地生成NO。由于XOR具有生成活性氧簇的功能,因此亚硝酸盐通过竞争性抑制作用直接将电子转移到氮原子上并产生NO,可减少皮瓣IRI产生的活性氧簇,减轻皮瓣IRI。
2.2.3非酶源途径的NO对线粒体的作用 在IRI过程中,线粒体会发生以腺苷三磷酸耗尽为特点的功能紊乱,同时钙超载会使线粒体通透性增加,增加活性氧的产生。有研究显示,NO和亚硝酸盐有线粒体的调节功能和细胞保护作用。在心搏停止的动物模型上进行的研究显示:当心搏停止12min时,给予低剂量的亚硝酸盐并配合心肺复苏,可以其增强心功能,提高复苏成功率;就机制而言,非酶源途径的NO可以提高心脏亚硝基硫醇水平,降低病理状态下心肌线粒体耗氧,从而减少活性氧生成,防止过氧化物损伤。
2.3非酶源途径的NO的生理作用
保证游离皮瓣血流通畅,防止皮瓣危象,是游离皮瓣移植修复成功的关键;然而术中血管受到损伤,术后血流不畅等情况也会影响皮瓣存活;所以在游离皮瓣移植修复中,维持血管内稳态往往成为临床医生需要考虑的问题。
近来,越来越多的学者关注硝酸盐和亚硝酸盐在舒张血管方面的作用。心血管疾病研究显示,大多数心血管病是由血管急性或慢性闭塞引起的,而硝酸盐因其具有舒张血管的效果,被认为具有保护血管的作用。Isenberg等在大鼠腹部皮瓣低血-再灌注损伤模型上对试验组小鼠进行亚硝酸盐注射发现,未处理和空白对照组皮瓣的坏死率分别是60.5%和63.6%,而试验组的皮瓣坏死率为47%,两者间差异明显。他们以多普勒图像检查发现:注射亚硝酸盐1h后,皮瓣血流量得到提升,cGMP的水平也明显上升;术后72h试验组的皮瓣血流量也得到持续提高。该研究说明,亚硝酸盐介导下生成的NO可以通过激活GC,产生更多cGMP,起到舒张血管平滑肌的作用。
Ataya等认为,不良刺激会导致血管损伤和炎症,尤其是在动脉粥样硬化患者中,内皮细胞功能紊乱和平滑肌细胞增殖更常见。Alef等发现在血管损伤的环境下,虽然NOS表达增加,但其精氨酸的生物利用度下降,这说明通过NOS生成的NO不足以对抗血管损伤;所以一部分学者认为,硝酸盐-亚硝酸盐途径的NO在血管内膜增生中的作用更重要。在血管中,硝酸盐来源的NO可以减轻血小板聚集,降低白细胞黏附,抑制平滑肌增殖和迁移,促进血管舒张;因此,在血管损伤、动脉粥样硬化、肺动脉高压方面,NO具有很高的治疗价值;而硝酸盐-亚硝酸盐-NO反应体系相对稳定,硝酸盐、亚硝酸盐、血红蛋白和XOR等在组织中广泛存在,形成天然的NO存储库,对于NO的生成具有重要意义。
3 非酶源途径的NO在皮瓣IRI中的作用
越来越多的研究证实,经硝酸盐、亚硝酸盐处理,低血再灌注的心脏、肝脏和肾脏等器官受到保护。这些发现证明,亚硝酸盐可以治疗一些与组织IRI有关的疾病,包括急性心肌梗死、镰状细胞贫血和肺动脉高压等。在皮瓣IRI的研究方面已经明确,NO对皮瓣组织血管有舒张作用,可防止微血管栓塞。在皮瓣IRI过程中,组织处于低氧、酸性的环境,NOS的活性受到抑制,不利于酶源途径生成NO;而低氧、酸性环境更有利于非酶源途径的NO发挥作用。这就提示,非酶源途径的NO对皮瓣IRI作用更大。
目前的研究表明,在大鼠皮瓣IRI模型上,试验组进行亚硝酸盐注射,皮瓣的坏死面积明显降低,而且血流灌注量明显提高。同时,提高GC酶活性可以对上述效果产生促进作用,进一步印证了亚硝酸盐可以通过NO保护皮瓣组织。另外,皮瓣经还原性物质处理,或者还原剂与亚硝酸盐联合处理后愈合较快。这提示,亚硝酸盐还原可能与皮瓣愈合有关,可能是通过亚硝酸盐还原成NO起促进皮瓣愈合的作用。
从上述研究可以看出,非酶源途径的NO对皮瓣IRI有保护作用。当皮瓣组织处于低氧、酸性环境,通过非酶源途径产生的NO可提高皮瓣血流灌注量,保护皮瓣,促进皮瓣愈合。在此基础上,有学者提出通过对患者进行饮食干预,比如增加摄入硝酸盐质量高的蔬菜,利用硝酸盐一亚硝酸盐途径生成NO,可以改善低血再灌注组织的微循环,增加血流量,防止组织IRI;因此,硝酸盐一亚硝酸盐途径生成的NO途径具有良好的临床应用前景,值得进一步研究。
4 小结
饮食摄入的硝酸盐还原成亚硝酸盐被人体吸收,经过血红蛋白、XOR等物质作用产生NO,由此构成非酶源途径的NO。当皮瓣组织处于低氧、酸性环境时,非酶源途径的NO作用更加明显。动物皮瓣模型研究还证实,非酶源途径的NO对皮瓣低血再灌注起保护作用。虽然非酶源途径的NO在预防、治疗皮瓣IRI方面具有良好的应用前景,但是仍有很多不确切的地方。进一步研究NO在皮瓣低血再灌注过程中的机制和作用,可以为防治皮瓣IRI提供理论依据,为解决皮瓣IRI提供新思路。
(本文采编 王晴)