Penelitian terbaru tentang radikal bebas telah menghasilkan banyak teori dan gagasan. Bagaimana radikal bebas dihasilkan dalam proses patofisiologis sirkulasi ekstrakorporeal? Bagaimana kita bisa secara aktif mencegahnya? Berikut ini adalah ringkasannya.
I. Konsep dan sifat radikal bebas
Radikal bebas adalah istilah umum untuk gugus atom dan molekul yang mengandung elektron yang tidak berpasangan di orbital luarnya. Li Xiaobing, Departemen Bedah Toraks, Rumah Sakit Anak Shanghai Dalam keadaan normal, tubuh memproduksi sejumlah kecil radikal bebas, yang tidak berbahaya bagi tubuh karena “sistem pertahanan antioksidan” tubuh. Namun, ketika tubuh menjadi iskemik dan hipoksia, sistem antioksidan terhambat, “kebocoran univalen” sel yang rusak, terutama sistem transpor elektron mitokondria, meningkat, leukosit polimorfonuklear komplemen diaktifkan, dan suplai oksigen selama reperfusi meningkat secara eksplosif oleh OFR. Di sisi lain, dengan bereaksi dengan peroksidasi lipid membran, ia mengubah lingkungan mikro enzim, reseptor, dan ion yang terikat membran, sehingga mengubah fungsi normal protease ini, menyebabkan kelebihan Ca2 + di membran sel, meningkatkan ikatan silang protein membran dan fosfolipid, dan menyebabkan protease yang tidak dapat diubah. Degenerasi menyebabkan kerusakan struktur dan fungsi membran sel.
Generasi radikal oksigen dalam siklus in vitro
Sumber utama radikal oksigen selama CPB adalah
1. Sistem mitokondria: Saat ini diyakini bahwa dalam rantai pernafasan mitokondria, koenzim Q yang berkurang adalah tempat utama produksi radikal oksigen dan juga merupakan sumber utama OFR setelah iskemia miokard dan reperfusi. Semakin lama durasi iskemia, semakin banyak OFR yang diproduksi, yang akhirnya menyebabkan penipisan produk antioksidan mitokondria.
2. Sistem oksidase xantin: trauma berat, syok, iskemia-reperfusi lokal, dan lain-lain, menyebabkan akumulasi hipoksantin dan xantin dalam jaringan, konversi xantin dehidrogenase menjadi xantin oksidase, peningkatan kadar xantin oksidase dalam darah, aktivasi neutrofil, menyebabkan agregasi paru-paru mereka, peningkatan aktivitas myeloperoxidase, degradasi ATP menjadi AMP dan adenosin, yang dapat membuat sehingga menciptakan kondisi untuk produksi OFR. Ketika reperfusi menyediakan molekul oksigen, xantin oksidase mendorong reaksi hipoksantin atau xantin dengan molekul oksigen untuk membentuk O2ˉ, H2O2 dan urat. Beberapa penelitian telah menemukan bahwa konsentrasi xantin oksidase yang tinggi dalam sirkulasi darah mungkin merupakan mekanisme penting dalam pengembangan kegagalan multi-organ.
3. Sistem granulosit: Granulosit adalah sumber penting lain dari produksi OFR dalam CPB. Sel endotel kapiler mengandung sejumlah besar reseptor adhesi granulosit seperti CD18, ELAM dan ICAM. Granulosit yang teraktivasi dengan mudah berikatan dengan reseptor dan melekat dan berkumpul di dasar kapiler, selanjutnya mengaktifkan sekresi elastase dan menghasilkan radikal oksigen dalam jumlah besar melalui ledakan pernapasan. Telah disarankan bahwa spesies oksigen reaktif adalah faktor inisiasi yang paling penting dalam kerusakan jaringan yang disebabkan oleh granulosit. Inaktivasi alfa-AT anti-protease[6] oleh spesies oksigen reaktif mengganggu keseimbangan antara sistem protease dan anti-protease, yang mengakibatkan peningkatan kerusakan jaringan. “Teori lingkungan mikro” saat ini menunjukkan bahwa lingkungan mikro tertutup dibuat antara granulosit adheren yang teraktivasi dan sel endotel vaskular, mencegah masuknya antioksidan dan anti-protease di sekitarnya, sementara pelepasan sejumlah besar oksidan reaktif dan protease yang dihasilkan oleh granulosit yang melekat ke dalam lingkungan mikro memperluas tingkat kerusakan endotel [7]. Pada saat yang sama, radikal oksigen yang dihasilkan oleh granulosit, terutama dalam reaksi dengan rangsangan plasma, membentuk kemokin, yang meningkatkan adhesi dan agregasi granulosit, membentuk lingkaran setan.
4, selama iskemia-reperfusi, karena kelebihan Ca2 + intraseluler, fosfolipase yang bergantung pada kalsium diaktifkan, memicu metabolisme asam arakidonat (AA). sejumlah besar O2ˉ dan H2O2 diproduksi oleh AA melalui aksi siklooksigenase dan lipoksigenase, yang bekerja pada membran sel untuk membentuk peroksida lipid, yang pada gilirannya dapat mempercepat AA, sehingga sejumlah besar OFR diproduksi dalam metabolisme AA, yang pada gilirannya lebih lanjut mempromosikan Metabolisme AA dan ketidakseimbangan antara prostasiklin dan tromboksan, menghasilkan lingkaran setan.
Dalam kondisi fisiologis, oksidasi otomatis katekolamin sangat lambat, sehingga efeknya pada tubuh tidak signifikan, tetapi selama CPB, karena respons stres, katekolamin dilepaskan dalam jumlah besar, dan sering disertai asidosis, dll., Oksidasi katekolamin dipercepat. Detailnya bisa dipelajari lebih lanjut.
III. Kerusakan organ vital oleh radikal bebas oksigen
1. Kerusakan jantung oleh radikal bebas oksigen
Manifestasi utama dari cedera iskemia-reperfusi miokard adalah
(1) Gangguan pengambilan oksigen miokard: miokardium iskemik tidak dapat sepenuhnya memanfaatkan oksigen setelah aliran darah normal dipulihkan, seperti yang ditunjukkan oleh perbedaan kandungan oksigen darah arteri koroner dan vena.
(2) Perdarahan dan cedera miokard: Robert dkk. tidak menemukan perdarahan miokard yang signifikan atau tidak signifikan selama blokade arteri koroner, tetapi sering kali perdarahan visual atau mikroskopis yang signifikan setelah pemulihan suplai darah, dan perdarahan intra-miokard yang lebih parah pada tahap awal reperfusi daripada di daerah infark yang berkelanjutan.
(3) Pembengkakan akut sel miokard dan tidak adanya reperfusi: percobaan menunjukkan bahwa setelah memblokir aliran darah koroner selama 15 menit, tidak ada edema pada miokardium iskemik dan hanya perubahan ringan pada ultrastruktur, dan masih tidak ada edema yang jelas pada endokardium setelah 40 menit iskemia, sedangkan setelah 2 menit reperfusi, sel miokard membengkak tajam, disertai dengan peningkatan ion natrium dan kalsium intraseluler dan penurunan ion kalium dan magnesium, dan edema intraseluler yang parah terlihat pada ultrastruktur, dengan mitokondria pembengkakan, penyempitan microvessels karena pembengkakan kardiomiosit dan endotel vaskular, kompresi lebih lanjut dari microvessels oleh kontraktur miokard iskemik dan pembentukan microthrombus, yang mengakibatkan kegagalan untuk mengembalikan aliran darah selama reperfusi miokard parsial.
(4) Aritmia jantung dan hipokinesia: Manifestasi utama aritmia jantung adalah aritmia ventrikel, termasuk takikardia ventrikel dan fibrilasi ventrikel, yang dikaitkan dengan peningkatan kadar MDA plasma dan penurunan aktivitas SOD. Karena kerusakan multifaset pada jaringan miokard yang disebabkan oleh operasi intrakardiak langsung, termasuk efek OFR, penurunan kepatuhan ventrikel pasca operasi, kontraktilitas miokard, tekanan darah dan curah jantung sering terlihat, dengan kasus yang parah gagal mendukung sirkulasi.
2. Kerusakan radikal bebas oksigen pada paru-paru
Kerusakan paru-paru yang disebabkan oleh radikal bebas oksigen tergantung pada jenis dan aktivitas radikal bebas oksigen dalam jaringan paru-paru dan melibatkan hampir semua sel dan jaringan di paru-paru.
Sel endotel vaskular paru adalah sumber utama radikal oksigen di paru-paru dan juga merupakan target utama aksi radikal oksigen. Ketika sel endotel dari hewan telah digunakan untuk bersentuhan dengan H2O2, pinggiran sel endotel berubah bentuk dan kusut, konsentrasi ATP intraseluler menurun, konsentrasi Ca2+ meningkat, proteinase tereksitasi, dan struktur serta fungsi sel dan membran sel terganggu. Dalam penelitian pada hewan, pembentukan vesikel dan vakuola intermiten diamati pada sel endotel kapiler interstitial paru, dan konsentrasi H2O2 dan deformasi sel endotel disertai dengan perubahan kuantitatif dalam ATP intraseluler dan Ca2 +. Radikal oksigen merusak mesenkim dengan mengoksidasi asam hialuronat dan kolagen, mengubah stabilitas dan fluiditas mesenkim, dan inaktivasi oksidatif radikal metionin dalam mesenkim α1-antiprotease, menetralkan α1-antiprotease dan elastase, mengurangi inhibitor protease, dan bahkan mengaktifkan protease, yang mengarah pada gangguan keseimbangan sistem protease-antiprotease. Peningkatan sensitivitas protein terhadap hidrolase protein memperburuk kerusakan paru-paru dan meningkatkan permeabilitas simpleks. Kerusakan yang disebabkan oleh radikal oksigen pada sel epitel alveolar adalah pembentukan vakuola yang terputus-putus di dalam sel tipe I, proliferasi sel tipe II dan fibroblas, fibrosis interstisial, berkurangnya tingkat pertukaran oksigen dan kepatuhan paru-paru, berkurangnya zat aktif permukaan, dan pengurangan lebih lanjut dalam fungsi paru-paru.
Radikal oksigen mendorong pelepasan tromboksan TxB2, yang memiliki efek vasokonstriksi dan meningkatkan tekanan darah. Radikal oksigen juga melemahkan inaktivasi 5-HT oleh sel endotel, meningkatkan aktivasi angiotensin II dan mengurangi pembentukan faktor relaksasi endotel. Radikal oksigen bereaksi dengan membran sel untuk menghasilkan metabolit asam arakidonat yang menstimulasi peroksidasi lipid dan memengaruhi seluruh tubuh. Eksperimen lain telah mengkonfirmasi bahwa kerusakan kompleks imun yang dimediasi IgG bergantung pada radikal oksigen.
3. Kerusakan radikal oksigen pada otak
Sekarang diyakini bahwa iskemia serebral dan reperfusi juga dapat menghasilkan lebih banyak radikal oksigen melalui sistem xantin oksidase dan kebocoran monovalen mitokondria, memicu peroksidasi lipid. Radikal bebas dalam jumlah besar dapat merusak lipid dan membran sel, menyebabkan peroksidasi asam lemak tak jenuh polivalen, mengakibatkan berkurangnya fluiditas dan peningkatan permeabilitas membran sel saraf, pembengkakan mitokondria, pelepasan enzim lisosom, degenerasi dan nekrosis sel saraf oleh radikal aldehida dan hidroksil yang dihasilkan oleh peroksidasi lipid; radikal bebas dapat menghubungkan silang molekul protein dan memutus rantai peptida, yang mengakibatkan hilangnya fungsi sel saraf; selain itu, radikal bebas juga dapat bekerja pada sel saraf Selain itu, radikal bebas juga dapat bekerja pada matriks eksternal sel saraf, menghasilkan kerusakan jaringan otak yang luas.
Pencegahan radikal bebas oksigen dalam CPB
1. Sistem antioksidan alami dalam tubuh
Tubuh memiliki sistem keseimbangan oksidatif dan antioksidan alami, dan produksi radikal bebas oksigen yang tidak mencukupi dan berlebihan dapat menyebabkan penyakit. Peningkatan ledakan OFR. Namun, tubuh mengandung zat antioksidan penting seperti SOD, peroksidase, katalase dan GSH-PX, serta protein biru tembaga plasma, vitamin C dan glutathione tereduksi, yang secara tepat mengatur keseimbangan sistem oksidatif dan antioksidan [16].
2. Pengurangan produksi radikal bebas oksigen di CPB
(1) Antagonis kalsium: Ada konsensus bahwa OFR dan kalsium memiliki interaksi dalam cedera reperfusi miokard. Penambahan verapamil ke cairan penghenti menghambat peningkatan kandungan kalsium selama reperfusi miokard dan mengurangi kandungan MDA miokard. Diltiazem 15 μg?Kgˉ1?minˉ1 diberikan terus menerus selama 30 menit sebelum blokade aorta pada babi kecil secara signifikan mengurangi tingkat infark miokard dan mengurangi aritmia. Area infark miokard berkurang dari 79 ± 20% menjadi 53 ± 26% pada kelompok kontrol (P = 0,025) ketika diltiazem diberikan secara terus menerus pada anjing. Penggunaan klinis nifedipin juga menunjukkan hasil yang baik, menunjukkan efek protektif antagonis kalsium pada miokardium iskemik. Namun, nifedipine juga memiliki efek pada otot polos pembuluh darah, dan overdosis dapat menyebabkan vasodilatasi dan penurunan tekanan darah, yang harus diperhatikan. Karena tujuan utama obat ini adalah untuk mencegah kelebihan Ca2+ pada kardiomiosit dan mitokondria selama iskemia, obat ini harus diberikan sebelum blokade aorta dan iskemia miokard.
(2) Agen pengompleks besi: Selama iskemia-reperfusi, ada dua sumber utama OH: (1) reaksi Haber-Wiss, yang sangat lambat dan tidak menghasilkan OH yang cukup untuk menyebabkan kerusakan sel; (2) reaksi Fenton yang dikatalisis oleh logam yang berlebihan, yang puluhan ribu kali lebih cepat daripada reaksi Haber-Wiss, dan kehadiran ion besi dalam jumlah yang sangat kecil di dalam tubuh dapat menyebabkan kerusakan sel. Reaksi Fenton. Desferrioxamine memiliki afinitas yang sangat tinggi untuk Fe3 + dan dapat dengan cepat mengikat Fe3 + untuk membentuk kompleks Fe3 + yang tidak peka untuk dieksklusi, secara efektif menghambat reaksi OFR yang dikatalisis besi dan memiliki karakteristik sebagai berikut: (1) berat molekul kecil, mudah masuk ke dalam sel, dan dapat mengurangi produksi OFR dengan mengganti besi dan tembaga di situs tertentu; (2) dapat digunakan secara langsung sebagai pemulung radikal bebas; (3) dapat menghambat lipid yang bergantung pada (3) Dapat menghambat reaksi peroksidasi lipid yang bergantung pada trehalisasi besi dan tembaga, dan mengurangi kerusakan membran sel yang dihasilkan.
(3) Allopurinol: mengurangi produksi OFR dan kerusakan membran sel dengan menghambat aktivitas xantin oksidase, Coghlan dkk. melaporkan bahwa penggunaan allopurinol pada pasien yang menjalani operasi jantung langsung secara signifikan mengurangi jumlah peroksidasi lipid dan aplikasi obat inotropik positif pasca operasi dan meningkatkan CI. Johnson dkk. menemukan bahwa 169 pasien dalam kelompok allopurinol memiliki fungsi jantung yang jauh lebih baik daripada kelompok kontrol dan angka kematian rumah sakit lebih rendah daripada kelompok kontrol. Kematian di rumah sakit secara signifikan lebih rendah daripada kelompok kontrol dan tidak ada efek samping toksik yang terlihat.
(4) Reperfusi darah deleukosit: Karena leukosit tidak hanya salah satu sumber utama produksi OFR di CPB, tetapi juga akumulasi leukosit di mikrovaskulatur daerah iskemik menghasilkan obstruksi mekanis, yang mengakibatkan pengurangan terus menerus aliran darah lokal ke miokardium dan bahkan tidak ada reperfusi, reperfusi darah deleukosit mungkin bermanfaat untuk perlindungan miokard. Dalam percobaan hewan, ditemukan bahwa resistensi vaskular perfusi, CRK dan CPK-MB secara signifikan lebih rendah pada kelompok darah leukosit dibandingkan pada kelompok kontrol, dan aktivitas SOD meningkat, kandungan MDA menurun, dan perubahan ultrastruktural juga secara signifikan lebih ringan pada kelompok kontrol.
(5) Penurunan aliran oksigen CPB: Eksperimen menunjukkan bahwa MDA plasma dan CPK meningkat secara signifikan setelah perfusi aliran oksigen tinggi, mitokondria membengkak, perubahan seperti vakuola, krista rusak, kardiomiosit sangat bengkak, dan pita kontraksi abnormal terlihat; meskipun MDA dan CPK juga meningkat pada kelompok oksigen fisiologis, namun secara signifikan lebih rendah daripada kelompok oksigen tinggi, dan perubahan seperti vakuola serta kerusakan krista pada mitokondria sangat jarang terjadi. Para penulis menyarankan bahwa meskipun miokardium iskemik membutuhkan oksigen selama pemulihan, kemampuan miokardium untuk memanfaatkan oksigen berkurang pada tahap awal, terutama karena pemanfaatan normal oksigen terganggu oleh hipotermia lokal, konversi enzim dan penghambatan di jantung, sehingga pengurangan oksigen tetravalen normal dari OFR tidak dapat dilakukan secara efektif, sedangkan pengurangan oksigen monovalen dari OFR relatif aktif. Selain itu, xantin dehidrogenase diubah menjadi xantin oksidase selama hipoksia, ketika reduksi monovalen oksigen untuk perfusi hiperoksia menjadi lebih aktif, menghasilkan sejumlah besar produksi OFR.
3. Pembersihan radikal oksigen di CPB
(1) Pemulung OFR: percobaan pada hewan menemukan bahwa ketika SOD dan CAT secara terus menerus dimasukkan sebelum blok aorta menaik, 1 jam dan 2 jam setelah reperfusi, kontraktilitas ventrikel kiri pulih menjadi 43,3 ± 14% dan 74,2 ± 8% dari nilai basal masing-masing, sedangkan kelompok kontrol hanya 12,8 ± 11% dan 31,6 ± 7,8%. Kontraktilitas miokard dan fungsi jantung juga meningkat secara signifikan dengan aplikasi klinis SOD dan CAT, dan konsentrasi CPK plasma berkurang secara signifikan dibandingkan dengan kelompok kontrol. Namun, efek SOD terhadap OFR tidak lengkap, dan dalam beberapa kasus bahkan tidak efektif, yang mungkin terkait dengan faktor-faktor berikut: (1) berat molekul SOD besar, dan tidak mudah masuk ke dalam sel; (2) ketika reperfusi iskemia disertai asidosis, laju disproporsionasi otomatis O2ˉ untuk membentuk H2O2 meningkat, dan SOD relatif berlebihan; (3) peran utama SOD adalah membuat O2ˉ tidak proporsional membentuk H2O2, yang terakhir dengan adanya ion logam (3) Fungsi utama SOD adalah untuk mendisproportionasikan O2ˉ untuk membentuk H2O2, yang terakhir dengan adanya ion logam, melalui reaksi Tenton dengan cepat membentuk OH, menyebabkan lebih banyak kerusakan pada tubuh. Hasil di atas menunjukkan bahwa ketika menerapkan SOD, mungkin lebih efektif untuk menggunakan obat lain secara bersamaan.
(2) Senyawa molekul rendah: Vitamin E adalah antioksidan penting dalam tubuh, yang dapat menghilangkan O2ˉ, OH, 1O2 dan peroksida lipid lainnya. Dalam literatur [25], zat asam thiobarbituric-reaktif plasma (TBArs) meningkat secara signifikan setelah iskemia-reperfusi dan disertai dengan penurunan vitamin E. Peningkatan TBArs berkorelasi negatif dengan kandungan vitamin basal miokard dan berkorelasi positif dengan durasi blokade sirkulasi. Tingkat infark miokard dan aritmia secara signifikan berkurang dengan injeksi intraperitoneal vitamin E 100 Mg 30 menit sebelum iskemia, menunjukkan efek perlindungan vitamin pada cedera iskemia-reperfusi miokard. Vitamin C adalah pemulung OFR penting lainnya, yang tidak hanya ada secara intraseluler tetapi juga ekstraseluler dan dapat bertindak secara ekstraseluler. 250Mg?Kgˉ1 vitamin C yang diberikan secara intraperitoneal sebelum transfer pada pasien CPB menunjukkan penurunan yang signifikan dalam MDA plasma dan CPK-MB, tetapi dosis tinggi juga dapat menginduksi produksi OFR dan harus diperhatikan. Koenzim Q adalah antagonis fosfolipase yang dapat mengurangi OFR dan memiliki efek anti-OFR. Mannitol adalah pemulung radikal hidroksil dan dapat mencegah peroksidasi membran sel. 1,6 fruktosa difosfat dapat menghambat peroksidasi lipid, menghambat ledakan pernapasan neutrofil dan mengurangi kerusakan O2ˉ dan H2O2 pada jaringan iskemik.
(3) Sediaan obat Cina: Chuan Gong Zine dapat mengurangi produksi OFR dalam jaringan miokard selama reperfusi, melindungi sistem membran, meningkatkan metabolisme energi, meningkatkan kandungan ATP dan kreatin fosfat dan aktivitas SOD dalam jaringan miokard, melindungi aktivitas pompa kalsium mitokondria sel miokard, mencegah kalsium intraseluler yang berlebihan dalam miokardium, dan memiliki efek perlindungan miokard yang lebih baik. Piperine [26] dapat secara signifikan mengurangi produksi OFR selama iskemia-reperfusi, meningkatkan fungsi jantung, mengurangi kejadian fibrilasi ventrikel, mempertahankan aktivitas Na-K-ATPase selama iskemia, dan mengurangi kandungan Na dan Ca intraseluler dan pelepasan CPK selama reperfusi. Danshen, ginsenosides, dan saponin panax ginseng juga memiliki efek perlindungan miokard yang baik.
(4) Lainnya: Nalokson dapat mengurangi kandungan lemak dalam mitokondria dan meningkatkan kemampuan peroksidasi anti-lipidnya, mengurangi kerusakan struktur mitokondria dan fungsi enzim oleh reperfusi, meningkatkan stabilitas struktur sel dan mitokondria, memperlambat akumulasi H + dan laktat intraseluler, dan mengurangi aliran ke dalam kalsium ekstraseluler melalui antagonisme reseptor peptida opioid dan efek membran sel langsung dari nalokson. Hexamethoxazole meningkatkan aktivitas SOD, menurunkan konsentrasi MDA dan secara signifikan mengurangi aritmia reperfusi.