缺血再灌注損傷時 “救命血”為何能致命
武漢大學(xué)模式動物研究所大動物模型手術(shù)室受訪者供圖
血液救援的感人事件深入人心，在一些影視作品的演繹中，“救命血”一旦到位患者就走過生死劫。但事實上，并不是所有“救命血”的輸入，都會被損傷的機(jī)體“接受”，有的甚至?xí)饑?yán)重的組織壞死。
“救命血”在一些缺血性損傷里卻能致命？“這就是我們通常所說的缺血再灌注損傷，臨床上會發(fā)生在肝臟、心臟等重要器官，這些器官缺血一段時間之后，如果血液恢復(fù)供給，原本缺血的部位反而‘壞死’加重。” 武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院院長、模式動物研究所所長李紅良教授說，這與人們的“想當(dāng)然”恰恰相反。臨床實踐上的難題，不僅困擾了臨床醫(yī)生，也是基礎(chǔ)研究的重要課題。“我們希望通過機(jī)理的解析，回答臨床實踐：什么是恰當(dāng)?shù)闹委煼椒ǎ袥]有新的治療方法可以避免或減輕此類創(chuàng)傷。”李紅良表示，基礎(chǔ)研究是為了解決實際問題，因此進(jìn)行分子機(jī)制研究時不能偏離臨床醫(yī)學(xué)的需求。
在日前召開的第五屆武漢肝臟代謝與心血管疾病國際學(xué)術(shù)會議期間，應(yīng)李紅良教授的邀請，來自美國哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、康奈爾大學(xué)、梅奧醫(yī)學(xué)中心、英國倫敦國王學(xué)院、澳大利亞悉尼大學(xué)等國外知名科研機(jī)構(gòu)的近60位國外頂尖專家及國內(nèi)50多名知名專家就學(xué)界在相關(guān)領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展進(jìn)行了深入交流，闡述了對肝臟和心血管疾病研究和防治方面的新技術(shù)與新見解。
從臨床來到臨床中去 系統(tǒng)生物學(xué)功不可沒
“在臨床上很早就發(fā)現(xiàn)，一些心梗患者，當(dāng)梗塞去除、血液流通后，卻更危重了，嚴(yán)重抵消了再通治療的效果。”武漢大學(xué)中南醫(yī)院研究助理教授姬燕曉介紹，為了深入而系統(tǒng)地研究這些領(lǐng)域內(nèi)的重要難題，武漢大學(xué)模式動物研究所(以下簡稱模式動物所)建立了系統(tǒng)生物學(xué)平臺。“它會針對某一個特定問題，把臨床樣本和動物模型中得到的系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)，以及相關(guān)已發(fā)表文獻(xiàn)中的系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)全部融合到一起，進(jìn)行綜合分析。”姬燕曉介紹，在這個過程中，無論是臨床數(shù)據(jù)、動物模型數(shù)據(jù)或者已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)都是基于實實在在的活體，而并非把生命活動拆分為單個分子或者細(xì)胞，這將大大提高基礎(chǔ)研究對臨床實踐的指導(dǎo)意義及其應(yīng)用率。
從大量的臨床事件和動物模型中獲得海量的系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)，然后將不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，通過目標(biāo)導(dǎo)向，針對特定問題進(jìn)行個性化的數(shù)據(jù)挖掘，往往要面對海量的數(shù)據(jù)梳理和分析，這對于大多數(shù)從事基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的學(xué)者來說，是一個極大的挑戰(zhàn)。
“在我們研究所，研究團(tuán)隊會和系統(tǒng)生物學(xué)平臺反復(fù)溝通，明確科學(xué)問題及研究方案。”姬燕曉介紹，系統(tǒng)生物學(xué)平臺會利用計算機(jī)編程、大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能算法等手段，來實現(xiàn)對生命科學(xué)本質(zhì)規(guī)律的探索。
據(jù)悉，利用生物信息學(xué)進(jìn)行基于臨床事件的數(shù)據(jù)分析，國際上也在不斷發(fā)展。近幾年，系統(tǒng)生物學(xué)方法和高通量篩選平臺在疾病根本機(jī)制研究和藥物開發(fā)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛能。例如，參加本次大會的倫敦大學(xué)教授曼努埃爾·邁爾致力于多組學(xué)聯(lián)合，將生物信息整合到心血管疾病特異性網(wǎng)絡(luò)中，利用血漿數(shù)據(jù)與人類動脈粥樣硬化斑塊的蛋白質(zhì)組學(xué)聯(lián)合分析，探索了血液生物標(biāo)志物與心血管疾病中的脂質(zhì)保留和血管炎癥的關(guān)系，從而提出了通過血液分析來確定動脈粥樣硬化斑塊分子特征的解決方案。
驗證分子機(jī)理 模式動物提供“鐵證”
系統(tǒng)生物學(xué)平臺給出的“潛在目標(biāo)”只是最大限度地鎖定了可能的疾病分子機(jī)制。“我們會從中確定關(guān)鍵的基因或者分子通路進(jìn)行‘聚焦式’驗證。”姬燕曉說，“一般情況我們會先對選定靶標(biāo)進(jìn)行細(xì)胞層面的篩選驗證，因為細(xì)胞培養(yǎng)又快又便宜。當(dāng)細(xì)胞實驗給出確定的結(jié)果之后，我們接著會進(jìn)行動物層面的實驗，從小鼠、大鼠，到大動物實驗，比如豬和猴子。”
《自然·醫(yī)學(xué)》雜志此前刊發(fā)了一篇李紅良教授團(tuán)隊關(guān)于肝臟缺血再灌注損傷的機(jī)制研究，他們通過系統(tǒng)的多組學(xué)聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)花生四烯酸代謝通路中ALOX12很可能是調(diào)控肝臟缺血再灌注損傷的早期關(guān)鍵靶點；進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，ALOX12基因表達(dá)在肝臟缺血后確實迅速上調(diào)，而如果將這一基因抑制，缺血后再灌注的損傷就大大降低。
“我們的研究成果一方面說明，肝臟缺血再灌注損傷可以通過靶向關(guān)鍵基因來顯著減輕；另一方面表明，損傷與否的‘決定性階段’并不是再灌注，而是在更早期的缺血損傷期間機(jī)體的應(yīng)激變化。”文章通訊作者李紅良表示。如果把肝臟缺血再灌注損傷比作一個“炸藥包”，之前傳統(tǒng)的研究致力于控制“炸藥包”爆炸后的氧化應(yīng)激、細(xì)胞壞死、炎癥反應(yīng)等后續(xù)事件；而他們團(tuán)隊則發(fā)現(xiàn)了引爆“炸藥包”的“導(dǎo)火索”，那就是肝臟缺血階段的脂質(zhì)代謝紊亂。
為了進(jìn)一步探索目標(biāo)基因在疾病中能否起到關(guān)鍵“螺絲釘”作用，模式動物所團(tuán)隊構(gòu)建出特定基因靶向敲除的克隆豬，證明目標(biāo)基因在心血管代謝性疾病中的作用和它們作為關(guān)鍵靶點在臨床應(yīng)用中的轉(zhuǎn)化潛能。“豬的心、肝、脾、肺、腎的體位、大小和人類的非常相似，而小鼠卻相差較大，因此前者的功能驗證將更能代表臨床。”姬燕曉說。
這也是在對疾病的分子機(jī)制探索中，模式動物的第二次出現(xiàn)。“第一次我們要讓它模擬‘病患’，采用的是手術(shù)干預(yù)的方法，例如通過手術(shù)造成肝臟缺血，想從中了解‘究竟發(fā)生了什么’。”李紅良解釋，“第二次模式動物是給出‘可信’的驗證，我們要知道一個基因是否是關(guān)鍵的‘螺絲釘’，要看干預(yù)它之后會發(fā)生什么。”
有資料顯示，CNS(《細(xì)胞》《自然》《科學(xué)》簡稱)上刊發(fā)的藥物靶點，最終開發(fā)出新藥的比例不足千分之一。模式動物是將基因與疾病聯(lián)系起來繞不開的“樞紐”一環(huán)，基于模式動物的基礎(chǔ)理論研究和新藥研發(fā)工作，或許會更加貼合臨床實踐，進(jìn)而提高新藥的開發(fā)率，降低新藥開發(fā)成本。模式動物所動物模型團(tuán)隊可以熟練利用小鼠、大鼠等小動物及猴子、豬等大動物模型模擬超過40種以上以代謝及心血管疾病、腫瘤為主的人類疾病，為基礎(chǔ)研究和藥物開發(fā)提供了重要的支撐。該所長期和源自于武漢大學(xué)實驗動物中心的湖北天勤生物科技有限公司有著緊密的協(xié)作，結(jié)合非人靈長類疾病模型實驗技術(shù)與獨特的實驗猴資源優(yōu)勢，與包括美國德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心、美國康奈爾大學(xué)及哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院等10多個國際研究團(tuán)隊建立了長期穩(wěn)定的科研合作關(guān)系。
“頂班”的來“應(yīng)急” 或許是種自我保護(hù)機(jī)制
“缺血再灌注損傷機(jī)制或許原本是生物進(jìn)化過程中的自我保護(hù)機(jī)制。”姬燕曉表示，就好像一個機(jī)器正常運轉(zhuǎn)，當(dāng)一個零件壞了，其他本來不運轉(zhuǎn)的零件開始嘗試把這個功能“頂上”。這本來是件好事，但是當(dāng)“救命血”突如其來，“頂班”的零件仍在運轉(zhuǎn)，可能造成損傷。
也或許是，“頂班”的零件可能只是進(jìn)化用來“應(yīng)急”的，當(dāng)“應(yīng)急”的任務(wù)擔(dān)負(fù)的太長，而沒有緩解，比如缺血超過一定時間，“應(yīng)急通道”沒有停止，就可能引發(fā)機(jī)體的連鎖反應(yīng)，帶動了不應(yīng)該轉(zhuǎn)的地方運轉(zhuǎn)，這種“亂套”就會造成相關(guān)疾病的發(fā)生。缺血的刺激，會帶來新的細(xì)胞通路的活化，或者會導(dǎo)致原來的細(xì)胞通路承擔(dān)不同的任務(wù)，這更體現(xiàn)了生命機(jī)理的“動態(tài)”。“人們很早就知道了這條通路，但我們的團(tuán)隊首次證明了這條已知通路與缺血再灌注損傷有關(guān)。這也將幫助我們開發(fā)出相關(guān)疾病的手術(shù)輔助用藥。”李紅良告訴記者。
人體疾病的發(fā)生、發(fā)展是個復(fù)雜的、實時動態(tài)的過程，這給基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究者提出了更嚴(yán)峻的考驗。隨著生活方式的改變，醫(yī)學(xué)亟待解決的問題也更加嚴(yán)峻，高脂血癥、高血壓、肥胖、糖尿病、高半胱氨酸血癥以及一些遺傳因素等均可誘導(dǎo)心臟、肝臟、腎臟等主要臟器的疾病發(fā)生。
在這次國際學(xué)術(shù)會議中，與會專家從氧化應(yīng)激、血管干細(xì)胞增殖遷移、線粒DNA損傷等不同角度，分享了各自最新的研究進(jìn)展，展示了肝臟和心血管疾病防治的潛在新靶點，為尋找更加優(yōu)化的治療策略提供了更多可能。
