三氧在缺血再灌注损伤中的研究进展

张琳,曹倩倩,孙丽娜,王寿世

(1 潍坊医学院麻醉学院,山东 潍坊 261053; 2 青岛大学附属青岛市中心医院麻醉科)

缺血再灌注(I/R)损伤是一个复杂的过程,其中氧化应激是体内抗氧化防御系统失衡的结果。大量动物实验表明,三氧(O3)通过诱导机体产生轻度氧化应激来激活抗氧化系统和促进氧释放,以对不同器官的I/R损伤起保护作用。O3在I/R损伤模型中的应用包括预处理和后处理。回顾近年来O3在各器官I/R损伤方面的研究进展,对其作用特点及机制予以综述,为基础研究和临床应用提供参考。

1 O3及其临床应用

O3也称臭氧,由3个氧原子所组成,是一种动态不稳定的气体分子,具有刺激性气味。在20 ℃时O3的半衰期为40 min,而在0 ℃时约为140 min[1]。O3在20世纪初用于医学,在第一次世界大战期间首次用来消毒伤口及治疗坏疽。后被应用于愈合伤口及治疗肝炎、关节炎、腰椎间盘突出症等疾病[2-5]。医用的O3是由O3和氧气(O2)组成的混合气体,在过去40年中,因其方便、成本低等优点,采用O3疗法治疗疾病已在欧洲成为一种非传统的治疗方法。本文提到的O3均指医用O3。

O3在临床应用中受到限制主要是因为其毒性作用。O3的毒性剂量和治疗剂量之间的界限与引起机体产生氧化应激的强度有关。严重的氧化应激会激活核转录因子-κB(NF-κB),产生前列腺素E2、环氧化酶-2和细胞因子,从而导致炎症反应和组织损伤。但轻度氧化应激会激活核转录因子 E2 相关因子2 (Nrf2),Nrf2启动下游的抗氧化酶基因的转录,使得抗氧化酶如过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等过表达,减轻细胞的炎症和氧化损伤,也会降低组织氧化应激反应,如脂质过氧化、蛋白质氧化等。此外,它还影响促炎细胞因子的产生和释放,并通过促进氧气和血液循环激活免疫和神经内分泌系统。O3的治疗潜力正是通过诱导生物体内产生轻度氧化应激起作用[6-10]。当O3的浓度范围在10～80 mg/L之间时,可确保产生小而精确的氧化应激,从而起到无毒性的医疗作用[11-14],此浓度范围被定义为O3的“治疗窗口”。在动物模型中,常采用尾静脉注射、直肠吹入、腹腔注射等给药方式;在临床中,O3疗法可通过局部冲洗、肌注、灌肠、皮下和关节内给药等途径应用于疼痛医学等相关治疗[15-16]。

2 O3在不同器官I/R损伤性疾病中的保护作用

I/R损伤是一个复杂的过程,涉及氧化应激、炎症、细胞内钙超载、凋亡和细胞坏死。其中氧化应激是体内抗氧化防御系统失衡的结果[17]。O3则通过诱导轻度氧化应激以激活抗氧化系统[18-19],在不同器官的I/R损伤中起到保护作用。此外,O3也能够在I/R损伤模型中发挥抗炎、抗凋亡的作用。O3在I/R损伤中的研究以动物实验为主,目前相关临床研究比较少见。这些研究涉及多个器官。

2.1 心脏I/R损伤

心血管手术、心脏移植和体外循环过程中常因I/R损伤导致心功能障碍[20]。YU等[21]用10和20 mg/L的O3气体分别预处理30 min进行体外实验,证明O3预处理可增强细胞活力,降低肌酸激酶、乳酸脱氢酶的释放和心肌细胞凋亡;还可以上调热休克蛋白70的表达。提示O3保护了I/R损伤中的心肌细胞。XU等[22]建立心肌氧葡萄糖剥夺/再灌注(OGD/R)损伤细胞模型,在再灌注期间,将细胞与不同浓度的O3气体 (10～60 mg/L) 一起孵育。结果显示,O3能显著降低OGD/R条件下心肌细胞的氧化应激,其原因可能通过阻断氧化应激使心肌细胞产生抗自噬作用。因此,自噬可能是O3治疗心肌损伤的主要靶点。

2.2 脑I/R损伤

关于O3在脑I/R损伤方面的研究相对较少。近年来CAI等[23]通过把SH-SY5Y细胞与浓度为20 mg/L的O3气体混合10 min后,分析得出O3通过调节相关抗氧化酶的活性来维持氧化还原稳态,使SH-SY5Y细胞中损伤的线粒体数目减少,胱天冬酶信号通路以及细胞凋亡受到抑制,SH-SY5Y细胞的I/R损伤得到缓解。提示O3在减轻脑I/R损伤中具有重要作用,它可能是未来脑I/R损伤病人一种有前途的新预防策略。

2.3 肺脏I/R损伤

I/R损伤在心血管手术、心脏移植以及体外循环过程中不仅是心功能障碍的主要原因,也是肺功能不全的主要原因[24]。近年来,WANG等[25]发现O3预处理通过减轻氧化应激、炎症诱导的损伤和肺细胞凋亡,显著改善肺形态变化,保护肺免受I/R损伤。其机制可能是通过增加Nrf2的表达增强抗氧化活性,降低NOD样受体家族3(NLRP3)的水平而抑制细胞凋亡。BAKKAL等[26]在肺I/R损伤模型的研究中证明,O3预处理通过抑制血清中IL-1β的释放对大鼠肺I/R损伤起到明显的保护作用。在COVID-19肺炎爆发后,有研究者提出O3治疗可能是调节病人对SARS-19-2免疫应答的潜在资源,其有助于抑制COVID-19肺炎的细胞氧化应激,并打破严重疾病中观察到的细胞因子风暴的周期性[27]。因此,O3治疗也可作为早期COVID-19肺炎病人的有益补充治疗,以防止进展为危及生命的疾病[28]。

2.4 肾脏I/R损伤

肾I/R损伤可导致严重的肾损伤,如急性主动脉损伤、慢性纤维化等[29]。SANCAK等[30]发现,O3自血疗法可以通过减少炎症反应和调节活性氧(ROS)来减轻肾脏I/R损伤中的组织损伤。JIANG等[31]研究持续10 d的O3气体(浓度为50 mg/L)后处理对大鼠肾I/R损伤后肾小管间质纤维化的作用,结果表明,O3后处理可通过抑制早期的氧化应激和炎症,防止肌成纤维细胞活化和凋亡,减轻I/R损伤大鼠模型中的肾损伤肾间质纤维化的进展;而持续15 d的O3气体预处理(浓度为50 mg/L)则是通过调节Toll样受体4-核转录因子-κB(TLR4-NF-κB)途径在肾I/R损伤中起保护作用,同时也降低了这些大鼠肾脏中促炎细胞因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、ICAM-1等)和巨噬细胞趋化因子的表达[32]。此外,O3疗法在慢性肾病大鼠模型中可以通过降低肾脏中NLRP3和caspase-1-p10的表达,调节NLRP3流入量来减少无菌性肾水肿并延缓慢性肾病的进展[33]。

2.5 肠道I/R损伤

ONAL等[34]建立肠I/R损伤模型,O3预处理组给予浓度为60 mg/L的O3气体5 d,通过分析组织中超氧化物歧化酶(SOD)、CAT、GSH-Px、丙二醛(MDA)和蛋白羰基的含量,以及血总氧化状态和总抗氧化能力,发现O3可改善I/R相关组织损伤。提示O3治疗可以预防肠I/R损伤。ISIK等[35]在缺血后15 min,腹腔注射O3水(O3浓度为25 mg/L,剂量为0.5 mg/kg)后也得出了O3可改善肠道I/R损伤的相似结果。但GUNAL等[36]研究结果显示,单剂量O3治疗不能减轻大鼠肠I/R损伤的氧化应激或改善缺血损伤,该研究探索了单剂量O3在肠I/R损伤急性期的作用,并没有涉及重复剂量O3治疗的长期影响。

2.6 肝脏I/R损伤

TEZCAN等[37]在肝毒性模型中每天2次给予40 mg/L 的O3气体,14 d后可减轻肝毒性,提示O3可作为对乙酰氨基酚诱导产生的急性肝毒性的常规补充疗法。DEMIRATS等[38]建立肝脏I/R损伤模型,于再灌注前腹腔注射O3水(浓度25 mg/L,剂量0.5 mg/kg),结果显示,肺和肾组织中MDA水平升高,CAT和SOD水平降低。提示O3治疗可减轻肝缺血引起的肺和肾损伤。

2.7 生殖器官I/R损伤

当生殖器官如卵巢、睾丸发生扭转时,可能会发生动脉、静脉或淋巴管等阻塞,阻断血流可导致缺血低氧。SAYAR等[39]建立卵巢I/R损伤模型,在卵巢扭转75 min后给予浓度25 mg/L的O3水治疗,通过分析谷胱甘肽还原酶、CAT、SOD和MDA等表达水平及组织病理学参数评估组织损伤,结果表明,O3治疗对卵巢I/R损伤有一定效果。在向急性I/R损伤模型大鼠的盆腔内连续注入O3(浓度分别为45和60 mg/L)7 d后,结果显示,TNF-α和IL-6含量明显下降,IL-2含量明显升高,免疫球蛋白含量和免疫功能明显改善,大鼠子宫内膜损伤明显减轻。提示O3可能有助于盆腔炎的治疗,其机制可能是通过抑制子宫内膜上皮细胞坏死和减轻炎症反应,这或许是一种有前途的研制治疗炎症疾病药物的新途径[40]。

睾丸扭转-去扭转引起睾丸I/R损伤可导致组织MDA增加,血浆中总巯基和谷胱甘肽水平降低。而在去扭转前15 min通过腹腔注射O3气体(浓度为50 mg/L)治疗的大鼠中血浆总巯基和谷胱甘肽水平提高,MDA水平降低,提示O3可保护睾丸免受I/R损伤[41]。METE等[42]比较了腹腔内和睾丸内O3治疗对大鼠睾丸I/R损伤的影响,发现局部O3治疗在改善睾丸扭转引起的I/R损伤方面比全身O3治疗更有效。

2.8 其他器官I/R损伤

耳蜗I/R损伤是人类突发性感音神经性听力损失的重要原因之一[43]。ONAL等[44]通过在I/R损伤前的7 d开始经腹腔注射O3气体(浓度为60 mg/L,剂量为1 mg/kg),来探讨O3对耳蜗I/R损伤的疗效,结果显示,O3预处理可通过激活GSH-Px、SOD和CAT及抑制MDA和ROS而发挥其对耳蜗I/R损伤的作用。

肌皮瓣转移是重建手术中常用的一种方法,但术后皮瓣I/R损伤的发生率是影响手术结果的重要因素,是皮瓣转移后存活的重要因素。ELSURER等[45]在胸肌皮瓣术后7 d内给予浓度为60 mg/L的O3气体,结果发现O3减轻了I/R引起的肌瓣损伤。这可能与O3减少I/R损伤后的中性粒细胞浸润、纤维化组织形成、肌皮瓣血管生成和自由基产生等密切相关。

3 小结和展望

医用O3在I/R损伤疾病中的保护效应已在多个器官的基础研究中得到证实。其抗氧化、抗凋亡、抗炎症的作用也被陆续证实报道,但其具体的分子机制还需深入研究,而且在不同时间段 (包括缺血和/或再灌注期) 使用不同剂量的问题也需进一步评估,以达到用于临床目的。随着深入的研究,医用O3在防治器官I/R损伤方面或许将拥有十分广阔的临床应用前景。