肠缺血/再灌注致远隔器官损伤相关机制的研究进展

曹璐1 王迎斌2 张伟2 张丽1 刘艳1 宁舒鹏2

1兰州大学第二临床医学院，兰州 730030；2兰州大学第二医院麻醉科，兰州 730030

国际麻醉学与复苏杂志,2023,44(06:667.672

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20230313‑00829

基金项目

甘肃省自然科学基金（22JR5RA976）；兰州大学第二医院“萃英科技创新”计划（CY2022‑MS‑A20）

REVIEW ARTICLES

【综述】

肠缺血再灌注损伤（intestinal ischemia reperfusion injury, IIRI）是指肠组织缺血一段时间后血供再次恢复所引起的损伤，常继发于腹主动脉瘤手术、失血性休克、急性肠系膜缺血等临床事件，病死率高达30%~90%。肠缺血阶段线粒体功能障碍和代谢紊乱可诱发肠细胞损伤，血供恢复后大量炎症因子和氧自由基释放并诱导炎症，引起广泛的肠上皮细胞死亡，导致肠黏膜屏障功能受损，细菌和内毒素进入循环系统和淋巴系统，引起全身性炎症反应，导致多器官功能障碍。研究报道，IIRI常累及肝、肾、脑等重要器官，致使器官功能障碍，最终导致IIRI高病死率。现有研究表明，肠缺血再灌注（intestinal ischemia reperfusion, IIR）引起肠道及远隔器官损伤的病理过程非常复杂，内在机制尚不清楚。因此，本文围绕IIRI及其远隔器官损伤的相关机制进行综述，探讨IIRI及远隔器官损伤潜在的治疗靶点，为进一步明确其病理机制提供思路。

1、IIRI相关机制

IIRI是一系列相关的病理生理过程，自噬、焦亡、凋亡等细胞死亡形式在IIRI的病理过程中扮演重要角色。Wen等研究发现，IIRI导致自噬通量受损，芍药苷预处理可以逆转这一现象。体外试验发现，芍药苷可能通过人类肝激酶B1（liver kinase B1, LKB1）/腺苷酸活化蛋白激酶［adenosine 5‑monophosphate （AMP）‑activated protein kinase, AMPK］信号通路激活AMPK，进而激活自噬发挥肠保护作用。然而亦有研究表明糖尿病小鼠通过线粒体膜外蛋白（PTEN‑induced putative kinase 1, PINK1）/E3泛素连接酶（E3 ubiquitin‑protein ligase parkin, Parkin）通路过度激活线粒体自噬，导致IIRI。自噬在缺血性疾病中起有益还是有害作用取决于环境应激源，包括氧化应激、IIRI的程度以及不同器官对缺血的耐受性。因此需要进一步探索自噬通量的调节机制，诱导自噬的有益作用最大化。硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin‑interacting protein, TXNIP）可与NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3）相互作用触发炎症过程，是氧化应激与炎症损伤之间的桥梁，IIRI发生时NLRP3和TXNIP被激活，触发Gasdermin家族蛋白（GSDM）裂解，诱导细胞焦亡。二甲双胍可通过TXNIP‑NLRP3‑GSDMD轴发挥抗焦亡作用，减轻IIRI，另外微RNA‑122a可通过抑制表皮生长因子受体蛋白表达和增强NLRP3蛋白表达加重焦亡，从而加重IIRI。肝素结合表皮生长因子样生长因子可通过c‑Jun氨基端激酶（c‑Jun N‑terminal kinase, JNK）和p38丝裂原活化蛋白激酶（mitogen‑activated protein kinases, p38MAPK）通路依赖性的抗凋亡机制保护IIRI。除此之外，线粒体损伤、铁死亡、肠道微生物紊乱等也参与了这一病理过程。目前关于IIRI的研究大多只涉及其中一种损伤机制，且结果仅基于一个实验，因此需要进行更多前瞻性的临床试验来证实治疗靶点对人类IIRI的影响。

2、IIR引起远隔器官损伤

2.1.IIR引起肺损伤的相关机制

IIR引起的远端器官损伤，特别是急性肺损伤（acute lung injury, ALI）和肝损伤是导致高病死率的主要原因。IIR后肠黏膜屏障损伤导致细菌和内毒素易位，大量炎症介质释放到体循环中，肺组织中性粒细胞及其产物增多，导致血管通透性增加，血管和肺间质水肿、肺水肿等ALI症状。ALI的具体机制非常复杂，目前研究结果显示其涉及MAPK、NF‑κB等多条信号通路，为利用生物标志物进行靶向治疗提供思路。

2.1.1.MAPK信号通路

MAPK信号通路被多种炎症信号激活，包括炎症介质和氧化应激因子，参与IIRI。病理情况下，肺泡内多形核中性粒细胞（polymorphonuclear neutrophil, PMN）凋亡被延迟，其释放的各种酶、活性氧和炎症介质是导致ALI的重要因素。Chen等研究发现，IIR导致的大量TNF‑α可诱导PMN在肺组织中积累，同时IL‑1β表达增加，并通过激活JNK/叉头转录因子O亚型3a（forkhead box O3a, FOXO3a）通路延缓PMN凋亡，造成IIR后肺损伤，表明调节PMN等炎症细胞凋亡可在一定程度上减轻IIR引起的肺损伤。另外当ALI发生时，炎症反应会破坏肺内皮细胞，导致肺毛细血管对液体的高通透性，进而导致肺水肿。水通道蛋白4（aquaporin‑4，AQP4）作为水肿形成和消除的一个重要参与因素，在IIR引起肺水肿过程中表达上调，该过程与磷酸化p38MAPK表达呈正相关，p38MAPK抑制剂治疗后肺损伤程度降低，肺组织AQP4、磷酸化p38MAPK表达下调。因此，p38MAPK和AQP4可能为预防或治疗IIR诱导的肺水肿提供一个潜在靶点。

2.1.2.NF‑κB信号通路

NF‑κB在调控IIRI引起的炎症和凋亡基因转录方面发挥重要作用。当细胞受到内外因素刺激时，NF‑κB被激活并进入细胞核调节基因转录，介导多种炎症因子的转录和释放，进而诱导炎症反应，导致ALI。在IIR肺损伤过程中，p38MAPK被激活，MAPK、NF‑κB等炎症细胞因子表达增加，右美托咪定干预可通过促进α2肾上腺素受体激活上调小窝蛋白1的表达，从而抑制IIR所致肺损伤中p38和NF‑κB的激活，减轻肺损伤。骨髓间充质干细胞来源的外泌体可能通过调节Toll样受体（Toll‑like receptor, TLR）4/NF‑κB信号通路发挥对IIR诱导的细胞死亡和肺部炎症的保护作用。

2.1.3.其他细胞信号通路

衔接蛋白p66Shc作为一种促凋亡蛋白，在调节细胞内氧化还原状态、增加对氧化应激易感性方面起着关键作用。IIR激活蛋白激酶C（protein kinase C, PKC）βⅡ依赖的p66shc磷酸化、细胞色素c（cytochrome c, cyt‑c）释放和胱天蛋白酶（caspase）‑3激活级联，诱导细胞凋亡。特异性抑制剂鲁伯斯塔盐酸盐可逆转上述趋势，减轻细胞凋亡，发挥器官保护作用。该研究表明PKC/p66Shc/cyt‑c轴可能成为抑制IIR引起远隔器官损伤的防治靶点。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin, mTOR）是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在细胞增殖和存活中起着关键作用。山茱萸常用于治疗肺部炎症疾病，Tan等研究发现，在IIR引起的ALI中，山茱萸可通过激活脯氨酸异构酶并抑制mTOR通路，同时通过抑制TLR4来抑制p65的表达，从而导致IL‑1β的表达降低，减轻肺部炎症水平。NLRP3炎症小体在机体受损时激活caspase‑1和IL‑1β，导致炎症和组织损伤。IIR刺激脂质介质的释放，可增强肺血管内皮细胞上NLRP3炎症小体的表达和IL‑1β的产生，从而增加肺血管通透性和炎症反应，导致ALI。

2.2.IIR引起肝损伤的相关机制

IIR发生时肝往往是第一个受影响的器官，当肠道屏障受损时，肠道中的内毒素和细菌率先进入门静脉作用于肝，随着肝的防御能力被显著削弱，进一步导致炎症的传播和病情恶化。IIR后远端肝损伤的相关机制包括肠道菌群易位和肠细胞损伤后释放或激活的细胞因子通过门静脉循环达到肝脏，涉及高迁移率族蛋白 B1（high mobility group protein 1, HMGB1）、NF‑κB、p66shc等信号通路。

2.2.1.HMGB1信号通路

晚期炎症细胞因子HMGB1是坏死肠细胞在IIRI过程中释放的主要危险信号分子模式，以诱导有害免疫反应，增加组织损伤。IIRI后肠HMGB1释放，通过与多种细胞表面受体（包括晚期糖基化终产物受体、TLR2、TLR4和TLR9）相互作用，诱导Kupffer细胞M1极化引发肝细胞死亡，而用中和抗体和HMGB1抑制剂干预可显著减弱肝组织病理学损伤、降低组织炎症细胞因子水平和肝细胞坏死程度。IIRI后HMGB1中和抗体可能通过抑制Kupffer细胞M1极化、促进M2极化，发挥肝保护作用。

2.2.2.NF‑κB信号通路

IIRI过程中细菌、内毒素和活性氧等进入循环系统，激活NF‑κB使其表达，并作为增强子或抑制子调节基因的转录，如编码TNF‑α、IL‑6和细胞间黏附分子1的基因。Matsuo等研究表明，脂多糖刺激巨噬细胞后，TNF‑α表达显著增加，活化中性粒细胞和激活细胞毒性T细胞杀伤作用，造成肝细胞损伤。泛素活化酶E1选择性抑制剂（PYR‑41）通过抑制泛素化过程抑制NF‑κB激活，进而抑制TNF‑α产生，降低IIR后促炎细胞因子表达。Alexandropoulos等的研究也证明，N‑乙酰半胱氨酸和阿托伐他汀可以通过抑制NF‑κB的激活，减少细胞因子TNF‑α、IL‑1、IL‑6和细胞间黏附分子1的产生，保护肝免受IIRI。

2.2.3.p66shc信号通路

p66shc是唯一参与线粒体活性氧生成的氧化还原酶，在IIR后，氧化应激激活PKCβⅡ，随后p66shc被磷酸化，其从细胞质转移至线粒体过程中钙离子通道反应性降低，线粒体通透性增加，导致线粒体活性氧的过量产生和凋亡。FOXO3a编码多种重要的抗氧化剂，IIR引起p66shc磷酸化，催化FOXO3a磷酸化的增加和转录产物锰超氧化物歧化酶下调，同时caspase‑3上调，重组人B细胞淋巴瘤因子下调，降低了肠道和肝抗凋亡水平，经原儿茶酸预处理可逆转上述趋势。

2.2.4.其他信号通路

核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid2‑related factor 2, Nrf2）是一种氧化还原敏感的转录因子，控制多种下游抗氧化和细胞防御基因，当细胞暴露于氧化应激时，可激活解毒和抗氧化基因。IIR后大量产生的ROS对肝造成氧化损伤，Nrf2可激活肝抗氧化机制，减轻由氧化应激和炎症引起的病理损伤。沉默信息调节因子1（silent mating type information regulation 2 homolog‑ 1, SIRT‑1）可调节细胞能量和寿命，是自噬的重要调节因子，IIR后肝自噬相关蛋白表达降低，鱼油可通过AMPK/SIRT‑1信号通路增加自噬通量，减轻IIR诱导的肝损伤。右美托咪定还可作用于Wnt/catenin‑β信号通路，上调catenin‑β，减轻肠道血管屏障损伤，防止炎症介质通过肠腔进入体循环再进入肝，减轻IIR状态下的肝损伤，但其具体机制仍有待进一步研究。

2.3.IIR引起肾损伤的相关机制

IIR引起肾轻微的病理改变，包括肾小管腔扩张、肾小管上皮变平、肾小管刷缘消失、微出血和肾小管铸模。提示IIR主要导致肾组织细胞功能障碍，与肾缺血/再灌注损伤相比更类似于败血症引起的急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）。Nrf2作为细胞对抗氧化应激和损伤的救援机制，同样在IIR引起肾损伤的过程中发挥重要作用，研究表明缺血预处理可通过激活Nrf2诱导包括血红素氧合酶1在内的细胞保护蛋白表达，增加自噬通量，激活抗氧化和抗炎机制，从而减弱IIR诱导的肾损伤。人参皂苷Rb1具有抗氧化、抗炎、抗凋亡等多种生物活性，Sun等研究证明其可通过激活Nrf2/抗氧化反应元件通路减轻IIR引起的肾损伤。内质网作为与蛋白质折叠和组装相关的重要亚细胞细胞器，可能也是炎症反应的潜在控制器，许多病理条件可导致未折叠或错误折叠蛋白的积累，引起内质网应激继而引发自杀过程，如果应激持续，则会导致细胞凋亡或其他形式的细胞死亡。IIR后血清来源的HMGB1可能是通过TLR4和晚期糖基化终产物受体信号通路触发肾组织内质网应激，引起肾脏损伤，中和或抑制HMGB1或可作为减轻IIR诱导的AKI的有效治疗策略。

肠肾轴在IIR诱发AKI过程中发挥重要作用，IIR造成肾亚细胞结构损伤，引起AKI相关病理改变，而在AKI过程中，肾功能不全引起的促炎细胞因子增加、水和有害代谢产物清除障碍等可导致肠道屏障功能障碍和细菌易位进一步发展，形成正反馈回路，放大全身炎症反应，进一步促进AKI。目前关于IIR引起肾损伤相关机制的研究集中于过激的炎症反应和氧化应激等短期影响，IIR是否会引起慢性肾病变尚未可知，另外自噬、凋亡、焦亡等病理过程在这一过程中发挥的作用也需要进一步探讨。

2.4.IIR引起心脏损伤的相关机制

再灌注阶段ROS大量释放易导致严重的心肌细胞和心脏血管氧化应激损伤，改变其收缩和舒张机制，导致功能受损。Somaio Neto等研究表明，IIR小鼠的心肌细胞细胞核较小，核固缩，富含异染色质，核仁罕见。同时，发现肠道和心脏组织氧化应激相关基因表达都有上调，其中有4个在肠和心脏组织中同时表达，这些基因的表达产物通过氧化/抗氧化反应破坏/维持心肌代谢稳定。IIR初期利用高压氧治疗可以调节心肌细胞氧化应激相关基因表达，减轻心肌氧化损伤。腺苷在调节细胞内稳态中发挥重要作用，可刺激抗氧化酶的产生，诱导和激活超氧化物歧化酶和一氧化氮合酶，减轻氧化应激。腺苷预处理可以减轻IIR大鼠的心脏组织损伤，需要进一步研究明确其具体作用机制。

2.5.IIR引起脑损伤的相关机制

肠道通过菌‑肠‑脑轴与中枢神经系统实现双向交流，其机制涉及神经、内分泌和免疫信号通路。小胶质细胞是神经中枢的第一道免疫防线，可以持续清除受损的神经细胞，是神经退行性疾病和神经炎症过程的关键中介细胞。以往研究表明，IIRI SD大鼠术后出现记忆功能障碍，同时伴随小胶质细胞激活和TNF‑α、ROS等促炎细胞因子的激增以及明显的脑细胞凋亡。IIRI状态下肠上皮细胞衍生的外泌体可以跨越血脑屏障进入大脑并被小胶质细胞吸收，小胶质细胞炎症因子（IL‑1β、TNF‑α和IL‑6）表达和M1表型基因表达升高，导致海马区神经元凋亡、突触衰退和空间记忆受损。IIR后，小胶质细胞中TLR4的表达水平以及TLR4信号下游的髓样分化因子和磷酸化NF‑κB的表达水平均升高，褪黑素干预可降低上述蛋白表达，减轻神经炎症和认知功能障碍。小胶质细胞是IIR引起大脑炎症级联反应的“钥匙”，其激活通路是干预脑损伤的关键靶点。另外有研究表明，接受心脏手术患者中50%发生血脑屏障（blood‑brain barrier, BBB）损伤，BBB是中枢神经系统和外周循环之间的重要“门户”，防止神经毒性血浆成分、血细胞和病原体进入大脑，同时BBB调节分子进出中枢神经系统的运输，保证中枢神经系统内环境稳定以维持正常神经功能。疾病状态下，BBB的破坏和功能障碍导致有害血液成分泄漏到中枢神经系统，引起细胞浸润和分子的异常运输和清除，导致神经功能缺损。Wen等研究表明，肠道菌群紊乱或缺失可导致BBB紧密连接蛋白表达下降，破坏BBB完整性，进而降低小鼠空间学习记忆能力。目前关于IIRI导致BBB功能障碍的研究尚不充分，其具体机制需要进一步探究，并且脑损伤与BBB功能障碍的因果关系亦不明确，改善BBB损伤是否能减轻认知功能障碍需要进一步验证。

3、总结与展望

氧化应激和炎症反应是IIR致器官损伤的主要原因，二者相互激化，形成恶性循环。即使肠道功能改善，但由于炎症级联反应和氧化应激发生，肠外器官的病理损伤仍在继续。研究者应针对肠道与远隔器官的交叉损伤，探索新的防治策略，减轻IIR远隔器官损伤。最后，由于IIRI机制复杂、临床试验设计不充分以及动物模型不能完全模拟人类IIR模型，且目前研究多关注IIR对远隔器官的急性‑亚急性损伤，相关机制研究尚不完全。因此，寻找IIR及远隔器官损伤的共同细胞信号转导通路，利用生物分子进行靶向干预的多器官保护策略有待后续研究探索。

国际麻醉学与复苏杂志

International Journal of Anesthesiology and Resuscitation

主管：中华人民共和国国家卫生健康委员会

主办：中华医学会   徐州医科大学

ISSN：1673-4378

CN: 32-1761/R