急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)患者接受经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention,PCI)后,部分患者在冠状动脉血流成功再通的情况下,仍存在局部心肌灌注障碍,即“无复流”现象[1]。该现象不仅影响心肌再灌注治疗效果,还与心室重塑、心功能不全及不良预后密切相关,其发生率可达10%~30%[2-3]。尽管无复流的机制尚未完全明了,当前多认为其与微血管损伤、炎症反应及细胞死亡方式异常密切相关[4-5]。
近年来,细胞焦亡(pyroptosis)作为一种典型的促炎性程序性细胞死亡方式,在心脑血管疾病中的作用日益受到关注[6-7]。与传统的凋亡或坏死不同,焦亡通过炎性小体激活caspase-1等酶类,切割gasdermin D(GSDMD),导致细胞膜穿孔和炎症因子释放,可能在缺血再灌注过程中诱导局部炎症放大与微循环阻断[8–10]。已有研究提示,焦亡可能在脑梗死、动脉粥样硬化等疾病中促进微血管功能障碍,但其在AMI无复流发生中的作用仍缺乏直接证据。
本研究通过建立AMI大鼠缺血再灌注模型,结合光镜与透射电镜技术,从形态学角度探索心肌无复流区域焦亡发生的特征及其可能机制,旨在为无复流的病理机制研究及干预策略提供实验依据与思路。
1 材料与方法
1.1 实验动物
选用20只健康成年雄性Sprague Dawley大鼠(购自南方医科大学实验动物中心),8~10周龄,体质量范围260~320 g。大鼠经随机数字表法分为对照组(n=5)和手术组(n=15)。本实验样本量参考前期相关研究并结合预实验结果设定,旨在满足初步探索细胞焦亡发生的需要。
1.2 药品及试剂
水合氯醛(3.5%,广州市左克生物科技发展有限公司),伊文思蓝(2%,广州市左克生物科技发展有限公司),硫黄素S(6%,广州市左克生物科技发展有限公司),生理盐水(0.9%,注射用)。
1.3 仪器与设备
DT-2000型电子天平(美国双杰兄弟有限公司),DB-3型心电图仪(上海光电医用电子仪器有限公司),TOPO型动物呼吸机(美国Kent公司),GL-200型紫外透射仪(海门市其林贝尔公司)。
1.4 模型建立
实验室温度控制于26 ℃。大鼠称重后,麻醉采用氯胺酮(80 mg/kg)+赛拉嗪(10 mg/kg)腹腔注射诱导与维持,术前30 min 皮下注射美洛昔康(1 mg/kg)镇痛,确保整个实验过程及处死前均处于镇痛状态。术中监测呼吸频率、心电监护、足趾夹反射及体温,并使用加温垫保温。实施气管插管连接动物呼吸机,调整通气参数至大鼠正常生理状态。在胸骨左缘作3~4 cm纵向切口,钝性分离皮下及胸肌组织,显露第二、三肋骨并切断,使用拉钩撑开胸腔,显露心包膜。小心剪开心包,暴露心脏。
在左心室前壁穿刺,经肺动脉圆锥部穿出,定位左前降支(left anterior descending,LAD)冠状动脉。于LAD下方置入5 cm缝线垫,打活结结扎,直至出现局部心肌发绀,并通过ST段抬高验证缺血建立成功。使用组织夹暂闭胸腔,维持缺血时间0.5 h。
缺血结束后松开组织夹,再次显露心脏并解除结扎,恢复血流灌注4 h。灌注结束后再行麻醉及气管插管,实施剖腹术,经下腔静脉注射6%硫黄素S 0.4 mL。20 s后再次结扎LAD,并在下腔静脉内注射2%伊文思蓝0.4 mL。染色完成后处死大鼠。
摘取心脏后置入氯化钾溶液中停跳,去除多余组织,用生理盐水冲洗并用滤纸吸干,置于无菌培养皿后转存入-80 ℃冰箱冷冻15 min。取出后沿心脏长轴切成5片,置于紫外透射仪中观察,根据荧光缺失区判断无复流区,并分离无复流区、再灌注区、正常供血区的心肌组织。
实验采用伊文思蓝及硫黄素S两种染色,伊文思蓝用于识别非缺血(正常供血)区域;硫黄素S用于识别灌注完整区域;再灌注区指心肌曾发生缺血,现已再通,因而伊文思蓝无法染色但可见硫黄素S荧光;无复流区为毛细血管闭塞导致灌注失败,故无染料进入,双阴性。见表1。
表 1 不同心肌区域中伊文思蓝与硫黄素S染色特征对照表
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心肌区域
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伊文思蓝染色
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硫黄素S荧光
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染色特征描述
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正常供血区
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阳性(蓝色)
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阳性(荧光)
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血流正常,双染色均阳性
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再灌注区
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阴性(无色)
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阳性(荧光)
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曾缺血但已再通,仅有荧光染色
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无复流区
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阴性(无色)
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阴性(无荧光)
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毛细血管闭塞,双染色均阴性
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1.5 病理切片制备
根据染色分区,分离出正常供血区、再灌注区、无复流区,取三类心肌组织样本,分别固定、漂洗、脱水、包埋。制备光学显微镜与透射电子显微镜病理切片,用于组织学和超微结构分析。
1.6 统计学方法
本研究数据采用SPSS 26.0软件进行统计分析。计数资料以频数(n)表示,焦亡阳性率以百分比(%)表示。组间比较采用Fisher确切概率法进行分析。检验水准设定为双侧检验,P<0.05 认为差异具有统计学意义。
2 结 果
2.1 模型构建评估
对照组大鼠均存活,均未观察到无复流现象。手术组大鼠15只中,13只存活。所有存活的手术组大鼠均出现再灌注区(13/13),其中10只出现无复流区。与对照组比较,手术组再灌注区与无复流区的比例比较差异有统计学意义(P<0.05),说明AMI缺血再灌注模型构建成功率为86.7%,无复流区建模成功率为66.7%,见表2。
2.2 染色结果分析
2.2.1 伊文思蓝染色对照组 心肌组织呈均匀蓝染,代表为正常供血状态(图1A)。
手术组:蓝染区域为正常供血区,未染色区域为缺血区(包括再灌注区和无复流区)。染色明确分为不同灌注状态(图1B)。
2.2.2 硫黄素S染色对照组 全部心肌组织显示荧光,表明灌注完整状态(图1C)。
手术组:心脏灌注区(包括正常供血区及再灌注区)出现荧光信号,无复流区表现为无荧光信号(图1D)。
图 1 大鼠心脏组织大体切面染色图
注:图A和图B显示正常室内光线下的大鼠心肌大体切片,图C和图D显示紫外灯下观察的大鼠心肌大体切片。切片中,
表示缺血区,表示
无复流区。
2.3 光学显微镜下组织学改变
2.3.1 正常供血区 心肌细胞排列整齐、形态规则,彼此紧密连接,细胞形态正常,细胞膜与细胞核完整,细胞核多位于细胞中部,未见水肿与坏死(对照组,图2A)。
2.3.2 再灌注区 少量心肌细胞破损,细胞核碎裂,破损的心肌细胞较正常心肌细胞明显肿胀膨大,心肌细胞排列相对规整,部分细胞排列不连续(手术组,图2B)。
2.3.3 无复流区 大量心肌细胞破损,细胞核流出,破损的心肌细胞较正常心肌细胞稍肿胀膨大,出现泡状结构,提示细胞膜破裂和焦亡体形成(手术组,图2C)。
图 2 光学显微镜下心肌组织苏木精 - 伊红染色的组织病理学改变(×200)
注:图(A)显示正常供血区心肌细胞;图(B)显示再灌注区心肌细胞;图(C)显示无复流区心肌细胞。
表示完整的流出细胞核,
表示焦亡细胞内的气泡样焦亡小体。
2.4 透射电子显微镜观察结果(图3A–F)
2.4.1 正常供血区 未见破损细胞,心肌细胞排列规整,彼此紧密连接,细胞膜、细胞器完整,线粒体排列规则,无明显肿胀,嵴清晰(图3A、3B)。
2.4.2 再灌注区 少量心肌细胞破损,细胞膜失去完整性,细胞器流出,部分细胞核碎裂溶解,未破损的心肌细胞排列仍较规整,少量线粒体肿胀,部分线粒体嵴变小或消失(图3C、3D)。
2.4.3 无复流区 几乎失去正常的心肌细胞排列形态,大量的心肌细胞破损,细胞膜失去完整性,细胞膜上可见细小的孔隙,细胞质、细胞器、细胞核流出,大量线粒体严重肿胀并伴嵴消失或变小。破损的细胞周围形成大量泡状小体,符合焦亡形态特征(图3E、F)。
图 3 透射电子显微镜下心肌组织超微结构病理改变观察结果(图 A、C、E:×5000,图 B、D、F:×20000)。
注:图A、B:正常供血区心肌细胞。图A:
表示正常心肌细胞形态,线粒体结构完整,肌丝排列规则;图B:
表示正常心肌细胞完整的细胞膜结构。图C、D:再灌注区心肌细胞。图C:
表示坏死心肌细胞,细胞膜不完整,线粒体肿胀,嵴断裂;图D:
表示坏死心肌细胞,细胞膜完全消失。图E、F:无复流区心肌细胞。图E:
表示典型焦亡心肌细胞,细胞内可见大量气泡样焦亡小体;图F:
表示焦亡心肌细胞膜表面可见多个细胞膜孔隙。
表 3不同区域焦亡阳性率统计分析
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区域
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焦亡阳性(n)
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阴性(n)
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总计
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阳性率 (%)
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P
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无复流区
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3
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7
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10
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30.0
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0.038*
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再灌注区
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1
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12
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13
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7.7
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注:* 表示 P<0.05(Fisher精确检验)
3 讨 论
PCI介入手术是治疗急性心肌梗死患者的有效措施,可使梗死血管得以疏通,从而使心肌血流灌注恢复、患者症状减轻和改善预后状况,有效地降低死亡风险[11]。冠状动脉无复流是AMI介入治疗中的严重并发症,其特征为冠脉血流再通但心肌灌注未能恢复[12]。其发生率可达10%~30%,不仅影响近期治疗效果,还显著增加心源性死亡及远期心血管事件风险[13-15]。Harrison等[16]研究表明,无复流患者住院期间病死率及不良事件风险为无复流者的5倍以上。因此,阐明其潜在机制、寻找有效干预靶点已成为临床研究重点。
本实验基于成功构建的大鼠AMI缺血再灌注模型及无复流模型,在光镜和电镜下发现无复流区域心肌细胞内更易观察到典型焦亡小体、膜破裂和细胞肿胀等形态学变化,而再灌注区域则主要表现为凋亡或坏死改变。统计分析进一步验证,焦亡阳性率在无复流组显著高于再灌注组(30.0% vs 7.7%,P<0.05),支持焦亡在无复流区域呈显著激活的趋势,提示焦亡可能以区域特异性方式参与无复流的发生过程。
焦亡作为一种促炎性程序性细胞死亡,其特征是炎性小体激活后caspase-1/4/5/11切割GSDMD,释放N端结构域在细胞膜形成孔洞,导致细胞内容物流出和炎症因子(如白介素-1,IL-1β,IL-18)释放[17-19]。这一过程在无复流区域诱发局部免疫过度激活,促进微血管阻塞,成为无复流形成的微观基础。
本研究发现,焦亡相关形态改变主要集中于无复流区域,提示其可能在局部微循环障碍中发挥重要作用。Ji等[20]研究发现,焦亡可损伤内皮细胞、促进白细胞黏附及血栓形成,加重微循环障碍;Refaat等[21]从临床角度证实炎症因子升高与无复流发生显著相关;Shi等[22]从动物模型角度证实焦亡在心肌缺血再灌注损伤中的作用。
除心肌微循环障碍外,近年来关于脑血管无复流现象的研究亦提示细胞焦亡在调控局部血管反应性方面具有关键作用。已有脑卒中模型研究显示,缺血再灌注后脑组织中焦亡诱导的血脑屏障破坏与内皮功能障碍密切相关,尤其NLRP3/caspase-1通路的活化可造成脑微血管灌注减少、血管反应性下降[23]。LI等[24]发现焦亡在小鼠脑梗死模型中可通过诱导内皮损伤和炎症因子释放,直接影响脑微循环灌注。该机制可能具有器官通用性,为心肌无复流机制的理解提供了类比支持。未来结合脑与心微循环灌注动态成像及血管反应性检测,或有助于揭示焦亡诱导下毛细血管闭塞的时空进程。
值得强调的是,本研究的重要发现之一是焦亡小体在无复流区域呈现高密度聚集,这一形态学证据为焦亡作为无复流发生的关键环节提供了直接支持。前期研究表明,GSDMD介导的膜孔化在细胞裂解与炎症放大中发挥核心作用[25],而NLRP3炎性小体上调可能为焦亡激活的关键步骤[26]。结合本研究所示焦亡小体的空间聚集特征,焦亡小体的高密度聚集不仅揭示了无复流区域内促炎性细胞死亡的局部特征,也为未来基于焦亡小体的炎症状态分子影像和精准诊断提供了新的研究思路,有望通过分子成像技术对无复流区域进行精准可视化评估。
本研究虽基于形态学观察,尚缺乏关键蛋白表达和干预实验支持,未来需结合分子生物学手段及焦亡抑制策略,进一步明确焦亡在无复流形成中的确切作用及其临床应用价值。
综上所述,焦亡小体在无复流区域的高密度聚集为本研究的核心发现,开辟了研究无复流病理机制的新视角。聚焦焦亡机制不仅深化了对无复流的理解,也为临床诊断与治疗提供了潜在的新靶点和方向。