医学薅羊毛-千聊微课 第5课 肝素的类型和作用特点

课程简介

本课视频时长大约40分钟，介绍肝素的类型和作用特点。

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讲者介绍 Allen Feng 首都医科大学，心血管专业硕士 4年临床工作经验 10年凝血和血小板功能领域产品培训&推广经验 凝血和血小板功能检测领域产品专家

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视频摘要 肝素的历史(History of heparin)

1916年，在约翰·霍普金斯医院工作的2年级医学生杰伊·麦克莱恩（Jay McLean ）在生理学教授威廉·亨利·豪厄尔（William Henry Howell ）的指导下，进行体内促凝血物质效价测定的专题研究。

在研究中，McLean发现，多种组织（脑、心、肝等）的提取物有促凝作用，而且在贮存期间活性减低。但是，贮存最久的肝脏提取物不但不促凝，反而可阻止血液凝固。经重复实验证明，肝脏提取物中确实存在一种强力的抗凝物质。

Howell教授随后从犬(Canine)的肝脏中萃取出该物质。并于1918年，为这种脂溶性抗凝剂命名。当时认为该物质只存在于肝脏，故取名为肝素(Heparin)，此名称一直沿用至今。

1937年，加拿大多伦多的Best和他的同事，发现了肝素提纯技术，才有了肝素大规模生产。

1938年，研究者开展了第一项肝素预防深静脉血栓形成（DVT）的临床试验，并获得成功。之后，肝素才正式成为预防血栓栓塞的手段，开始广泛应用。

什么是肝素？(What is heparin？）

肝素（Heparin)是一种重要的抗凝剂(Anticoagulant)，可防止血栓形成和血栓的扩展。

肝素首先从肝脏发现而得名，它也存在于肺、血管壁、肠粘膜等组织中（如牛肺、猪小肠粘膜），是动物体内一种天然抗凝血物质。

肝素主要是由肥大细胞和嗜碱性粒细胞产生。

肝素本身不能分解已经形成的血栓，但它可以使机体的天然血栓溶解机制正常工作，进而分解已经形成的血栓。

肝素的临床使用(Clinical application of heparin)

肝素通常用于以下情况的抗凝:

急性冠脉综合征，例如，NSTEMI

房颤

深静脉血栓形成（DVT）和肺栓塞（PE）

心脏手术的体外循环（CPB )

ECMO管路（体外生命支持）

血液过滤/透析

PCI手术

留置中心静脉导管或外周静脉导管

其他抗凝治疗

（不同类型的肝素，在临床疾病应用中，优/劣势势各不相同）。

肝素的副作用(Side effect of heparin)

出血（剂量相关，约占5%）

肝素诱导的血小板减少症（HIT，heparin-induced thrombocytopenia ），(约占5-15%）。由免疫反应引起，使血小板成为免疫反应的靶点，导致血小板降解，从而导致血小板减少，同时激活血小板，导致血栓形成。（通常会在停药时逆转，可以通过使用合成肝素来避免）。

良性血小板减少症   （与早期使用肝素有关，通常可以在不停止肝素的情况下解决）

血清转氨酶水平升高   （高达80%的患者与肝功能障碍无关，停药后会消失）

高钾血症   （发生率为5-10%，是肝素诱导的醛固酮抑制的结果。开始后几天内可能出现高钾血症）

长期使用会导致脱发和骨质疏松症（罕见）

过敏反应

肝素过量可能致命。

肝素的结构(Structure of heparin)

天然肝素（Native Heparin)，也叫未分离肝素/普通肝素（UFH，unfractionated heparin），是由不同长度/分子量的糖链的组成的粘多糖（Mucopolysaccharide）多聚体（Polymer)，是一种混合物。

普通肝素的分子量为5000-40000（3000-30000）Da之间，带有大量的硫酸基和羧基，带大量负电荷（-），呈强酸性。

                肝素的分子模型    肝素的球-棒模型

肝素分子链的主要结构：二糖单元（ Disaccharide unit）

肝素主要由葡萄糖胺、L-艾杜糖醛苷、N-乙酰葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸等硫酸化二糖单元交替连接组成。

最常见的二糖单元由2-O-硫酸化的尿糖醛酸和6-O-硫酸、N-硫酸化的氨基葡萄糖组成，即IdoA(2S)-GlcNS（6S），占到牛肺中肝素的85%，占猪肠粘膜中肝素约75%。

GlcA = β-D-glucuronic acid (葡萄糖醛酸）

IdoA = α-L-iduronic acid (艾杜糖醛酸)         

IdoA(2S) = 2-O-sulfo-α-L-iduronic acid（2-O-磺基-α-L-艾杜糖醛酸）

GlcNAc = 2-deoxy-2-acetamido-α-D-glucopyranosyl（2-脱氧-2-乙酰氨基-α-D-吡喃葡萄糖基）

GlcNS = 2-deoxy-2-sulfamido-α-D-glucopyranosyl（2-脱氧-2-磺胺基-α-D-吡喃葡萄糖基）      

GlcNS(6S) = 2-deoxy-2-sulfamido-α-D-glucopyranosyl-6-O-sulfate（2-脱氧-2-磺胺基-α-D-吡喃葡萄糖-6-O-硫酸盐）

肝素的抗凝作用，依赖于抗凝血酶III（AT III）。肝素的抗凝机制（Mechanism of action)

激活的AT III是凝血酶（FIIa)及FⅫa、FⅪa、FⅨa、FXa等含丝氨酸的蛋白酶的抑制剂。

肝素与AT的结合位点：五糖序列（Pentasaccharide）（戊糖）

肝素聚合物中包含的特定五糖硫酸化序列(pentasaccharide sulfation sequence) ，即GlcNAc/NS（6S）-GlcA-GlcNS（3S，6S）-IdoA（2S）-GlcNS（6S）结构，与ATIII结合。

抗凝血酶（ATIII）的两种晶体结构（Crystal structure) A: 未结合肝素 B: 结合肝素的五糖序列（Pentasaccharide)

肝素与抗凝血酶III（ATIII）结合，引起ATIII发生构象变化，通过增加其反应位点环（Reactive site loop)的灵活性而导致AT III活化（反应位点环，增加对凝血酶（IIa) 和 FXa等蛋白酶的暴露）。

由于肝素的结合，抗凝血酶III（ATIII）对这些蛋白酶的灭活速率可以增加1000倍以上。

肝素/ATIII如何对凝血酶（FIIa）灭活？

肝素与ATⅢ所含的赖氨酸结合后引起ATⅢ构象改变，使ATⅢ所含的精氨酸残基更易与凝血酶的丝氨酸残基结合。

AT III与凝血酶(FIIa)通过精氨酸-丝氨酸肽键相结合，形成ATIII-凝血酶复合物。

凝血酶(FIIa)还必须在五糖序列附近的位置与肝素聚合物结合，才能被ATIII灭活。

肝素的高负电荷密度有助于其与凝血酶(IIa)的强静电相互作用。

与肝素结合的凝血酶（FIIa)裂解ATIII的反应环，并被共价键捕获，导致凝血酶失活。

最终，肝素、ATIII、凝血酶三者之间形成一个三元复合物(Ternary Complex)导致凝血酶失活。形成三元复合物至少需要肝素具备18个糖单元才能有效形成。

抗凝血酶-凝血酶-肝素的三元复合物（Ternary Complex)

因此，抑制凝血酶（FIIIa)活性的作用与肝素分子长度有关。

肝素分子链越长，则对凝血酶的抑制作用越大。

普通肝素的抗凝机制图

没有肝素时，ATIII是一个缓慢的酶抑制剂。肝素通过高亲和力的“ 戊糖序列 ”结合ATIII，改变ATIII构象，使ATIII成为“ 快”的抑制剂。ATIII共价结合至凝血酶（FIIa)。肝素从三元复合物上脱离，可再次与另一分子ATⅢ结合而被反复利用。   AT Ⅲ-凝血酶复合物则被网状内皮系统所消除。    

肝素结合AT，使AT发生构象改变，从而激活AT III。肝素/ATIII如何对FXa因子灭活？

肝素通过ATIII灭活FXa因子，只需要ATIII结合肝素的五糖结合位点(戊糖），激活ATIII即可。

注：据研究，FXa不仅与ATIII的“反应环”相互作用，还与ATIII上的特定外位点(Exosite)结合。这种结合，通过支持正的(+)和抑制负的(-)外位点相互作用，增强肝素对ATIII的变构激活。
低分子量肝素（LMWH），是普通肝素（UFH）经过了分离（解聚），得到的小分子量的肝素（平均分子量＜8000Da)肝素分子链大小，所产生的抗凝差异，推动了 低分子肝素（LMWH）和 人工合成肝素（Synthetic heparin) 作为抗凝剂的发展。

人工合成肝素，也叫超低分子量肝素（ULMWH），即磺达肝癸钠（ Fondaparinux），是一种人工合成五糖(分子量1727 Da)，其化学结构几乎与聚合肝素和硫酸乙酰肝素中的AT结合五糖序列相同。Fondaparinux增强ATIII灭活Fxa的能力300倍。

Fondaparinux分子结构（戊糖结构）

低分子肝素和超低分子肝素的抗凝机制图

其他文献报道：

当肝素链长度小于30个糖单位（MW 9000 Da）时，凝血酶抑制作用降低；

当五糖序列相邻的糖单位少于12个（MW 3600 Da）时，对凝血酶的抑制作用完全丧失。

低分子肝素（LMWH）虽然是一种弱的凝血酶抑制剂，但具有较强的抗FXa活性。

类似地，磺达肝癸钠虽然没有凝血酶抑制活性，但具有有效的抗FXa活性。

Choay等人合成了不同长度序列的糖链，并最终证明，合成的五糖与抗凝血酶（ATIII）的结合能力最强（Ka:7×106/M），并增强了对因子Xa的抑制活性。

五糖是肝素与抗凝血酶（ATIII）结合所需的最小序列，这最终导致了合成五糖的临床开发，即Fondaparinux。

五糖序列中的3-O-硫酸基对于抗凝血酶与肝素的结合是必不可少的。
最后，普通肝素/低分子肝素/人工合成肝素的区别，总结如下。

参考文献：略