A investigação recente sobre os radicais livres tem gerado muitas teorias e ideias. Como são gerados os radicais livres no processo fisiopatológico da circulação extracorpórea? Como podemos preveni-los activamente? O que se segue é um resumo.
I. O conceito e a natureza dos radicais livres
Radicais livres são o termo geral para grupos atómicos e moléculas que contêm electrões não reparados nas suas órbitas exteriores. Li Xiaobing, Departamento de Cirurgia Torácica, Hospital Infantil de Shanghai Em circunstâncias normais, o corpo produz uma pequena quantidade de radicais livres, que não são prejudiciais ao organismo devido ao “sistema de defesa antioxidante” do organismo. No entanto, quando o corpo se torna isquémico e hipóxico, o sistema antioxidante é inibido, a “fuga univalente” de células danificadas, especialmente o sistema de transporte de electrões mitocondriais, é aumentada, os leucócitos polimorfonucleares complementares são activados, e o fornecimento de oxigénio durante a reperfusão é aumentado de forma explosiva pelo OFR. Por outro lado, ao reagir com a peroxidação lipídica da membrana, altera o microambiente das enzimas ligadas à membrana, receptores e iões, alterando assim a função normal destas proteases, causando uma sobrecarga de Ca2+ na membrana celular, promovendo a ligação cruzada das proteínas da membrana e dos fosfolípidos, e causando proteases irreversíveis A degeneração leva à destruição da estrutura e função da membrana celular.
Geração de radicais de oxigénio no ciclo in vitro
As principais fontes de radicais de oxigénio durante a CEC são
1. sistema mitocondrial: Acredita-se actualmente que na cadeia respiratória mitocondrial, a coenzima Q reduzida é o principal local de produção de radicais de oxigénio e é também a principal fonte de OFR após isquemia e reperfusão miocárdica. Quanto maior for a duração da isquemia, mais OFR é produzido, levando eventualmente ao esgotamento dos produtos antioxidantes mitocondriais.
2. sistema de xantina oxidase: traumatismo grave, choque, isquemia-reperfusão local, etc., causar acumulação de hipoxantina e xantina nos tecidos, conversão de xantina desidrogenase em xantina oxidase, aumento do nível de xantina oxidase no sangue, activação de neutrófilos, causando a sua agregação pulmonar, aumento da actividade da mieloperoxidase, degradação da ATP em AMP e adenosina, o que pode criar condições para a produção de OFR. Quando a reperfusão fornece moléculas de oxigénio, a xantina oxidase promove a reacção de hipoxantina ou xantina com moléculas de oxigénio para formar O2ˉ, H2O2 e urate. Alguns estudos descobriram que concentrações elevadas de xantina oxidase no sangue circulante podem ser um mecanismo importante no desenvolvimento da falência de múltiplos órgãos.
3. sistema de granulócitos: Os granulócitos são outra importante fonte de produção de OFR em CPB. As células endoteliais capilares contêm um grande número de receptores de adesão de granulócitos tais como CD18, ELAM e ICAM. Os granulócitos activados ligam-se facilmente aos receptores e aderem e agregam-se no leito capilar, activando ainda mais a secreção de elastase e gerando grandes quantidades de radicais de oxigénio através da explosão respiratória. Tem sido sugerido que as espécies reactivas de oxigénio são o factor iniciador mais importante nos danos dos tecidos causados pelos granulócitos. A inactivação do sistema anti-protease alfa-AT[6] por espécies reactivas de oxigénio perturba o equilíbrio entre os sistemas protease e anti-protease, resultando num aumento dos danos dos tecidos. A actual “teoria do microambiente” sugere que é criado um microambiente fechado entre granulócitos aderentes activados e células endoteliais vasculares, impedindo a entrada de antioxidantes e antiproteases circundantes, enquanto a libertação de grandes quantidades de oxidantes e proteases reactivos produzidos por granulócitos aderentes no microambiente expande a extensão do dano endotelial [7]. Ao mesmo tempo, os radicais de oxigénio produzidos pelos granulócitos, especialmente em reacção com estímulos plasmáticos, formam quimiocinas, que promovem a adesão e agregação de granulócitos, formando um círculo vicioso.
4, durante a isquemia-reperfusão, devido à sobrecarga intracelular de Ca2+, a fosfolipase dependente do cálcio é activada, desencadeando o metabolismo do ácido araquidónico (AA). uma grande quantidade de O2ˉ e H2O2 é produzida por AA através da acção da ciclo-oxigenase e da lipoxigenase, que actuam na membrana celular para formar peróxidos lipídicos, que por sua vez podem acelerar AA, pelo que uma grande quantidade de OFR é produzida no metabolismo de AA, o que por sua vez promove ainda mais O metabolismo AA e o desequilíbrio entre prostaciclina e tromboxano, resultando num círculo vicioso.
Em condições fisiológicas, a auto-oxidação das catecolaminas é muito lenta, pelo que o efeito no organismo não é significativo, mas durante a CEC, devido à resposta ao stress, as catecolaminas são libertadas em grandes quantidades, e frequentemente acompanhadas de acidose, etc., a oxidação das catecolaminas é acelerada. Os detalhes estão sujeitos a um estudo mais aprofundado.
III. Danos a órgãos vitais por radicais livres de oxigénio
1. danos no coração por radicais livres de oxigénio
As principais manifestações da lesão de isquemia-reperfusão miocárdica são
(1) Consumo deficiente de oxigénio do miocárdio: o miocárdio isquémico não pode utilizar totalmente o oxigénio após o restabelecimento do fluxo sanguíneo normal, como demonstrado pela diferença no conteúdo de oxigénio do sangue arterial e venoso coronário.
(2) Hemorragia miocárdica e lesão: Robert et al. não encontraram nenhuma ou insignificante hemorragia miocárdica durante o bloqueio da artéria coronária, mas frequentemente hemorragia visual ou microscópica significativa após a restauração do fornecimento de sangue, e hemorragia intramiocárdica mais grave nas fases iniciais de reperfusão do que na área de enfarte prolongado.
(3) Inchaço agudo das células miocárdicas e ausência de reperfusão: as experiências mostraram que, após bloquear o fluxo sanguíneo coronário durante 15 minutos, não houve edema no miocárdio isquémico e apenas ligeiras alterações na estrutura de ultra-sons, e ainda não houve edema óbvio no endocárdio após 40 minutos de isquemia, enquanto após 2 minutos de reperfusão, as células miocárdicas incharam acentuadamente, acompanhadas por um aumento dos iões de sódio e cálcio intracelulares e uma diminuição dos iões de potássio e magnésio, e foi observado um edema intracelular grave na estrutura de ultra-sons, com mitocôndrias inchaço, estreitamento dos microvasos devido ao inchaço dos cardiomiócitos e endotélio vascular, compressão adicional dos microvasos por contratura isquémica do miocárdio e formação de microtrombos, resultando na incapacidade de restaurar o fluxo sanguíneo durante a reperfusão miocárdica parcial.
(4) Arritmias cardíacas e hipocinesia: As principais manifestações das arritmias cardíacas são arritmias ventriculares, incluindo taquicardia ventricular e fibrilação ventricular, que estão associadas ao aumento dos níveis plasmáticos de MDA e à redução da actividade de SOD. Devido aos danos multifacetados ao tecido miocárdico causados pela cirurgia intracardíaca directa, incluindo os efeitos da OFR, verificam-se frequentemente diminuições pós-operatórias na complacência ventricular, contratilidade miocárdica, pressão arterial e débito cardíaco, com casos graves que não suportam a circulação.
2. danos radicais livres de oxigénio nos pulmões
Os danos pulmonares causados pelos radicais livres de oxigénio dependem do tipo e da actividade dos radicais livres de oxigénio no tecido pulmonar e envolvem quase todas as células e tecidos do pulmão.
As células endoteliais vasculares pulmonares são a principal fonte de radicais de oxigénio no pulmão e são também os principais alvos da acção dos radicais de oxigénio. Quando células endoteliais de animais são utilizadas para entrar em contacto com H2O2, a periferia da célula endotelial é deformada e amassada, a concentração intracelular de ATP diminui, a concentração de Ca2+ aumenta, as proteinases são excitadas, e a estrutura e função das células e membranas celulares são perturbadas. Em estudos com animais, observaram-se vesículas intermitentes e formação de vacúolos em células endoteliais capilares intersticiais pulmonares, e a concentração de H2O2 e a deformação das células endoteliais foram acompanhadas por alterações quantitativas em ATP intracelular e Ca2+. Os radicais oxigenados danificam o mesênquima ao oxidar o ácido hialurónico e o colagénio, alterando a estabilidade e fluidez do mesênquima, e inactivação oxidativa dos radicais metionina no mesênquima α1-antiprotease, neutralizando α1-antiprotease e elastase, reduzindo os inibidores da protease, e até activando a protease, levando a uma perturbação do equilíbrio do sistema protease-antiprotease. O aumento da sensibilidade das proteínas às hidrolases proteicas agrava os danos pulmonares e aumenta a permeabilidade do simplex. Os danos causados pelos radicais de oxigénio às células epiteliais alveolares são a formação de vacúolos descontínuos dentro das células do tipo I, proliferação de células e fibroblastos do tipo II, fibrose intersticial, redução da taxa de troca de oxigénio e conformidade pulmonar, redução das substâncias activas superficiais, e maior redução da função pulmonar.
Os radicais de oxigénio promovem a libertação do tromboxano TxB2, que tem um efeito vasoconstritor e aumenta a pressão sanguínea. Os radicais de oxigénio também enfraquecem a inactivação de 5-HT pelas células endoteliais, aumentam a activação de angiotensina II e reduzem a formação de factores de relaxamento endotelial. Os radicais de oxigénio reagem com as membranas celulares para produzir metabolitos de ácido araquidónico que estimulam a peroxidação lipídica e afectam todo o corpo. Outras experiências confirmaram que os danos causados pelo complexo imunitário mediado por IgG são dependentes do radical oxigénio.
3. danos radicais de oxigénio no cérebro
Acredita-se agora que a isquemia cerebral e a reperfusão também podem gerar mais radicais de oxigénio através do sistema de xantina oxidase e fuga monovalente mitocondrial, desencadeando a peroxidação lipídica. Grandes quantidades de radicais livres podem danificar lípidos e membranas celulares, causando peroxidação dos ácidos gordos polivalentes insaturados, resultando na redução da fluidez e aumento da permeabilidade das membranas celulares nervosas, inchaço das mitocôndrias, libertação de enzimas lisossómicas, degeneração e necrose das células nervosas por aldeídos e radicais hidroxilos produzidos por peroxidação lipídica; os radicais livres podem cruzar moléculas proteicas e quebrar cadeias de peptídeos, resultando na perda da função das células nervosas; além disso, os radicais livres também podem agir sobre a célula nervosa Além disso, os radicais livres também podem actuar sobre a matriz externa das células nervosas, produzindo danos extensos no tecido cerebral.
Prevenção de radicais livres de oxigénio no CPB
1. sistema antioxidante natural no corpo
O corpo tem um sistema natural de equilíbrio oxidativo e antioxidante, e tanto a produção insuficiente como a excessiva de radicais livres de oxigénio podem causar doenças. Um aumento de explosão no OFR. No entanto, o corpo contém substâncias antioxidantes importantes como a SOD, peroxidase, catalase e GSH-PX, bem como a proteína azul de cobre plasmática, vitamina C e glutationa reduzida, que regulam com precisão o equilíbrio dos sistemas oxidativo e antioxidante [16].
2. redução da produção de radicais livres de oxigénio no CPB
(1) Antagonistas do cálcio: Há um consenso de que OFR e o cálcio têm uma interacção na lesão de reperfusão miocárdica. A adição de verapamil ao fluido de paragem inibe o aumento do conteúdo de cálcio durante a reperfusão miocárdica e reduz o conteúdo de MDA miocárdica. Diltiazem 15 μg?Kgˉ1?minˉ1 administrado continuamente durante 30 min antes do bloqueio da aorta a pequenos porcos reduziu significativamente a extensão do enfarte do miocárdio e reduziu as arritmias. A área de enfarte do miocárdio foi reduzida de 79±20% para 53±26% no grupo de controlo (P=0,025) quando o diltiazem foi administrado continuamente aos cães. O uso clínico da nifedipina também tem mostrado bons resultados, sugerindo um efeito protector dos antagonistas do cálcio sobre o miocárdio isquémico. No entanto, a nifedipina também tem um efeito sobre o músculo liso vascular, e uma overdose pode causar vasodilatação e uma queda na pressão sanguínea, o que deve ser notado. Uma vez que o principal objectivo destes medicamentos é prevenir a sobrecarga de Ca2+ em cardiomiócitos e mitocôndrias durante a isquemia, devem ser administrados antes do bloqueio da aorta e da isquemia miocárdica.
(2) Agentes complexantes do ferro: Durante a isquemia-reperfusão, existem duas fontes principais de OH: (1) a reacção Haber-Wiss, que é muito lenta e não produz OH suficiente para causar a destruição celular; (2) a reacção Fenton catalisada por metais em excesso, que é dezenas de milhares de vezes mais rápida que a reacção Haber-Wiss, e a presença de quantidades muito pequenas de iões de ferro no corpo pode induzir a Reacção de Fenton. A desferrioxamina tem uma afinidade muito elevada com o Fe3+ e pode ligar-se rapidamente ao Fe3+ para formar complexos dessensibilizados de Fe3+ para exclusão, inibindo eficazmente as reacções OFR catalisadas pelo ferro e tem as seguintes características: ① pequeno peso molecular, fácil de entrar na célula, e pode reduzir a produção de OFR substituindo o ferro e o cobre em sítios específicos; ② pode ser utilizado directamente como um catalizador de radicais livres; ③ pode inibir os lípidos dependentes de (3) Pode inibir as reacções de peroxidação lipídica que dependem da trehalização do ferro e do cobre, e reduzir os danos resultantes da membrana celular.
(3) Allopurinol: reduz a produção de OFR e os danos da membrana celular ao inibir a actividade da xantina oxidase.Coghlan et al. relataram que o uso de alopurinol em pacientes submetidos a cirurgia cardíaca directa reduziu significativamente o número de peroxidações lipídicas e aplicações de drogas inotrópicas positivas pós-operatórias e melhorou a CI.Johnson et al. descobriram que 169 pacientes no grupo do alopurinol tinham uma função cardíaca significativamente melhor do que o grupo de controlo e uma mortalidade hospitalar mais baixa do que o grupo de controlo. A mortalidade hospitalar foi significativamente mais baixa do que no grupo de controlo e não foram observados efeitos secundários tóxicos.
(4) Reperfusão de sangue de leucócitos: Uma vez que os leucócitos são não só uma das principais fontes de produção de OFR na CEC, mas também a acumulação de leucócitos na microvasculatura da área isquémica gera obstrução mecânica, resultando numa redução contínua do fluxo de sangue local para o miocárdio e mesmo sem reperfusão, a reperfusão de sangue de leucócitos pode ser benéfica para a protecção do miocárdio. Em experiências com animais, verificou-se que a resistência vascular de perfusão, CRK e CPK-MB eram significativamente mais baixas no grupo sanguíneo leucocitário do que no grupo de controlo, e a actividade de SOD aumentou, o conteúdo de MDA diminuiu, e as alterações ultra-estruturais também foram significativamente mais leves no grupo de controlo.
(5) Diminuição do fluxo de oxigénio na CEC: As experiências mostraram que o MDA e CPK plasmático foram significativamente aumentados após perfusão de alto fluxo de oxigénio, as mitocôndrias estavam inchadas, as alterações do tipo vacúolo, as cristas estavam partidas, os cardiomiócitos estavam gravemente inchados, e foram observadas bandas de contracção anormais; embora o MDA e o CPK também tenham aumentado no grupo de oxigénio fisiológico, eram significativamente mais baixos do que os do grupo de oxigénio elevado, e as alterações do tipo vacúolo e as quebras das cristas nas mitocôndrias eram extremamente raras. Os autores sugerem que embora o miocárdio isquémico requeira oxigénio durante a recuperação, a capacidade do miocárdio de utilizar oxigénio é diminuída nas fases iniciais, principalmente porque a utilização normal de oxigénio é prejudicada pela hipotermia local, conversão enzimática e inibição no coração, de modo que a redução tetravalente normal de oxigénio a partir de OFR não pode ser realizada eficazmente, enquanto a redução monovalente de oxigénio a partir de OFR é relativamente activa. Além disso, a xantina desidrogenase é convertida em xantina oxidase durante a hipoxia, quando a redução monovalente do oxigénio para a perfusão de hiperóxia se torna mais activa, resultando numa grande quantidade de produção de OFR.
3. a remoção de radicais de oxigénio no CPB
(1) OFR scavengers: experiências com animais descobriram que quando a SOD e o CAT foram continuamente introduzidos antes do bloqueio aórtico ascendente, 1h e 2h após reperfusão, a contratilidade ventricular esquerda recuperou para 43,3±14% e 74,2±8% do valor basal respectivamente, enquanto que o grupo de controlo foi apenas 12,8±11% e 31,6±7,8%. A contratilidade miocárdica e a função cardíaca também melhoraram significativamente com a aplicação clínica de SOD e CAT, e as concentrações plasmáticas de CPK foram significativamente reduzidas em comparação com o grupo de controlo. Contudo, o efeito da SOD contra OFR não é completo, e em alguns casos até ineficaz, o que pode estar relacionado com os seguintes factores: (1) o peso molecular da SOD é grande, e não é fácil entrar nas células; (2) quando a reperfusão da isquemia é acompanhada de acidose, a taxa de desproporção automática de O2ˉ para formar H2O2 aumenta, e a SOD é relativamente excessiva; (3) o papel principal da SOD é tornar O2ˉ desproporcionado para formar H2O2, este último na presença de iões metálicos (3) A principal função da SOD é formar H2O2 de forma desproporcionada O2ˉ, este último na presença de iões metálicos, através da reacção de Tenton rapidamente formando OH, causando mais danos ao corpo. Os resultados acima sugerem que, ao aplicar a SOD, pode ser mais eficaz usar outras drogas em conjunto.
(2) Compostos pouco moleculares: A vitamina E é um antioxidante importante no organismo, que pode eliminar O2ˉ, OH, 1O2 e outros peróxidos lipídicos. Na literatura [25], as substâncias plasmáticas tiobarbitúricas reactivas ao ácido (TBArs) aumentaram significativamente após a isquemia-reperfusão e foram acompanhadas por uma diminuição da vitamina E do miocárdio. O aumento de TBArs foi negativamente correlacionado com o conteúdo de vitamina basal do miocárdio e positivamente correlacionado com a duração do bloqueio circulatório. A extensão do enfarte do miocárdio e das arritmias foi significativamente reduzida pela injecção intraperitoneal de vitamina E 100 Mg 30 min antes da isquemia, sugerindo um efeito protector das vitaminas na lesão de isquemia-reperfusão miocárdica. A vitamina C é outro importante necrófago de OFR, que existe não só intracelular mas também extracelularmente e pode actuar extracelularmente. 250Mg?Kgˉ1 de vitamina C administrada intraperitonealmente antes da transferência em pacientes com CPB mostrou uma redução significativa em MDA e CPK-MB de plasma, mas doses elevadas podem também induzir a produção de OFR e deve ser notado. Coenzima Q é um antagonista da fosfolipase que pode reduzir o OFR e tem um efeito anti-OFR. O manitol é um removedor de radicais hidroxil e pode prevenir a peroxidação da membrana celular. 1,6 frutose difosfato pode inibir a peroxidação lipídica, inibir a explosão respiratória dos neutrófilos e reduzir os danos de O2ˉ e H2O2 nos tecidos isquémicos.
(3) Preparações medicinais chinesas: Chuan Gong Zine pode reduzir a produção de OFR no tecido miocárdico durante a reperfusão, proteger o sistema de membranas, aumentar o metabolismo energético, melhorar o conteúdo de ATP e creatina fosfato e a actividade de SOD no tecido miocárdico, proteger a actividade da bomba de cálcio mitocondrial das células miocárdicas, prevenir a sobrecarga de cálcio intracelular no miocárdio, e ter melhores efeitos protectores do miocárdio. A piperina[26] pode reduzir significativamente a produção de OFR durante a isquemia-reperfusão, melhorar a função cardíaca, reduzir a incidência de fibrilação ventricular, manter a actividade Na-K-ATPase durante a isquemia, e reduzir o conteúdo intracelular de Na e Ca e a libertação de CPK durante a reperfusão. Danshen, ginsenósidos e saponinas de ginseng panax também têm bons efeitos protectores do miocárdio.
(4) Outros: A naloxona pode reduzir o teor de gordura nas mitocôndrias e aumentar a sua capacidade de peroxidação anti-lipídica, reduzir os danos na estrutura mitocondrial e função enzimática por reperfusão, aumentar a estabilidade da estrutura celular e mitocondrial, retardar a acumulação de H+ intracelular e lactato, e reduzir o fluxo interno de cálcio extracelular através do antagonismo do receptor do peptídeo opióide e do efeito directo da membrana celular da naloxona. O hexametoxazol aumenta a actividade de SOD, diminui a concentração de MDA e reduz significativamente as arritmias de reperfusão.