近年のフリーラジカルの研究では.さまざまな理論やアイデアが生み出されているが.体外循環の病態生理の中で.フリーラジカルはどのように生成されるのだろうか？ どうすれば積極的に予防できるのか？ 以下は.その概要である。
I. フリーラジカルの概念と性質
フリーラジカルとは.外周軌道に不対電子を持つ原子団や分子の総称である。 上海児童病院胸部外科 李小冰 正常な状態では.体内で少量のフリーラジカルが生成されるが.体内の「抗酸化防御システム」によって体に害を与えることはない。 しかし.生体が虚血・低酸素状態になると.抗酸化システムが阻害され.損傷した細胞.特にミトコンドリア電子輸送系の「一価リーク」が増加し.補体・多形核白血球が活性化し.再灌流時の酸素供給がOFRにより爆発的に増加する。 一方.膜の過酸化脂質と反応することにより.膜結合酵素.受容体.イオンの微小環境を変化させ.これらのプロテアーゼの正常な機能を変化させ.細胞膜のCa2+過剰負荷.膜タンパク質やリン脂質の架橋を促進し.不可逆的なプロテアーゼを引き起こす。 この変性は.細胞膜の構造と機能の破壊につながる。
体外循環における酸素ラジカルの生成
CPB中の酸素ラジカルの主な発生源は以下の通りです。
1.ミトコンドリア系：現在.ミトコンドリア呼吸鎖において.還元型コエンザイムQは酸素ラジカル生成の主要部位であり.心筋虚血・再灌流後のOFRの主要な供給源でもあると考えられている。 虚血の期間が長いほどOFRは多く生成され.最終的にはミトコンドリア抗酸化産物の枯渇につながる。
2.キサンチンオキシダーゼシステム：重度の外傷.ショック.局所虚血再灌流など.組織内のヒポキサンチンとキサンチンの蓄積.キサンチンデヒドロゲナーゼからキサンチンオキシダーゼへの変換.血中キサンチンオキシダーゼレベルの上昇.好中球の活性化.それらの肺凝集.mieloperoxidase活性.AMPとアデノシンへのATP分解.これは.したがって作ることができて. OFR生産のための条件を作るために必要。 再灌流により酸素分子が供給されると.キサンチンオキシダーゼはヒポキサンチンまたはキサンチンと酸素分子の反応を促進し.O2ˉ.H2O2および尿酸を生成する。 循環血液中のキサンチンオキシダーゼの高濃度が.多臓器不全の発症に重要なメカニズムである可能性を見出した研究もある。
顆粒球系：顆粒球は.CPBにおけるもう一つの重要なOFR産生源である。 毛細血管内皮細胞にはCD18.ELAM.ICAMなどの顆粒球接着受容体が多数存在し.活性化した顆粒球は容易に受容体に結合して毛細血管床に接着・凝集し.さらにエラスターゼの分泌を活性化して呼吸バーストにより大量の酸素ラジカルを発生させます。 顆粒球による組織障害では.活性酸素が最も重要なイニシエーションファクターであることが示唆されている。 活性酸素による抗タンパク質酵素α-AT[6]の不活性化は.プロテアーゼ系と抗タンパク質系のバランスを崩し.組織障害を増加させる。 現在の「微小環境説」では.活性化した付着性顆粒球と血管内皮細胞の間に閉じた微小環境が形成され.周囲の抗酸化物質や抗プロテアーゼの侵入が妨げられる一方.付着性顆粒球が産生する大量の活性酸化物質やプロテアーゼが微小環境へ放出され.内皮障害の程度が拡大していると考えられている[7]。 同時に.特に血漿刺激に反応して顆粒球が産生する酸素ラジカルはケモカインを形成し.顆粒球の接着・凝集を促進し.悪循環を形成する。
4.虚血再灌流時.細胞内Ca2+過負荷により.カルシウム依存性ホスホリパーゼが活性化し.アラキドン酸（AA）の代謝を誘発する。AAにより大量のO2m_2C9とH2O2が生成され.これが細胞膜に作用して脂質の過酸化物を形成し.その結果AAを促進することができるので.AAの代謝で多量のOFRが生成されて.その結果更に促進される。 AA代謝とプロスタサイクリンとトロンボキサンのバランスが崩れ.悪循環に陥る。
生理的な条件下では.カテコールアミンの自動酸化は非常に遅く.生体への影響は大きくないが.CPB中はストレス反応により.カテコールアミンが大量に放出され.しばしばアシドーシス等を伴うため.カテコールアミンの酸化が促進される。 詳細は今後の検討課題です。
酸素フリーラジカルによる重要臓器へのダメージ
1.酸素フリーラジカルによる心臓へのダメージ
心筋虚血再灌流障害の主な症状として
(1) 心筋の酸素摂取量の低下：冠動脈と静脈の血液中の酸素濃度の差に示されるように.正常な血流が回復した後.虚血心筋は酸素を十分に利用することができない。
(2) 心筋出血と傷害：Robertらは.冠動脈遮断時には心筋出血はないか.あっても軽微であるが.血液供給回復後にしばしば著しい視覚的あるいは顕微鏡的出血を認め.持続梗塞部位よりも再灌流の初期に重度の心筋内出血があることを明らかにした。
(3) 心筋細胞の急性腫脹と再灌流の欠如：実験によると.15分間冠血流を遮断した後.虚血心筋に浮腫は見られず.超微細構造にも軽い変化があるだけで.40分間の虚血後も心内膜に明らかな浮腫は見られなかったが.2分間の再灌流の後.心筋細胞が急激に腫れ.細胞内のナトリウム.カルシウムイオンの増加.カリウム.マグネシウムイオンの減少を伴い.超微細構造に激しい細胞内浮腫が認められ.ミトコンドリアも の膨張.心筋細胞や血管内皮の膨張による微小血管の狭小化.虚血性心筋の収縮による微小血管のさらなる圧迫.微小血栓形成により.心筋の部分再灌流時の血流回復に失敗することがあります。
(4) 心不全と運動機能低下：心不全の主な症状は.心室頻拍や心室細動などの心室性不整脈で.血漿MDA濃度の上昇とSOD活性の低下を伴う。 OFRの影響を含め.心臓内直接手術による心筋組織の多面的な損傷により.術後の心室コンプライアンス.心筋収縮力.血圧.心拍出量の低下がしばしば認められ.重症例では循環支持不全となる。
2.酸素フリーラジカルによる肺の障害
酸素フリーラジカルによる肺の障害は.肺組織における酸素フリーラジカルの種類と活性に依存し.肺のほぼすべての細胞および組織が関与している。
肺血管内皮細胞は.肺における酸素ラジカルの主な発生源であると同時に.酸素ラジカル作用の主な標的でもある。 動物由来の内皮細胞を用いてH2O2と接触させると.内皮細胞周辺が変形してくしゃくしゃになり.細胞内ATP濃度の低下.Ca2+濃度の上昇.プロテアーゼの励起が起こり.細胞や細胞膜の構造・機能が破壊されることがわかった。 動物実験では.肺の間質性毛細血管内皮細胞で断続的に小胞や空胞の形成が見られ.H2O2濃度や内皮細胞の変形に伴って細胞内のATPやCa2+が量的に変化していた。 酸素ラジカルは.ヒアルロン酸やコラーゲンを酸化し.間充織の安定性や流動性を変化させ.間充織のα1-アンチプロテアーゼのメチオニンラジカルを酸化的に不活性化し.α1-アンチプロテアーゼやエラスターゼを中和し.プロテアーゼ阻害剤を減らし.さらにはプロテアーゼを活性化して.タンパク質-抗原変異系のバランスを崩壊させ.損傷を与える。 タンパク質加水分解酵素に対するタンパク質の感受性が高まると.肺の障害が悪化し.単純化された透過性が高くなる。 酸素ラジカルによる肺胞上皮細胞の障害は.I型細胞内の不連続空胞の形成.II型細胞および線維芽細胞の増殖.間質性線維化.酸素交換速度および肺のコンプライアンスの低下.表面活性物質の減少.そして肺機能のさらなる低下である。
酸素ラジカルは.血管収縮作用のあるトロンボキサンTxB2の放出を促進し.血圧を上昇させる。 また.酸素ラジカルは内皮細胞による5-HTの不活性化を弱め.アンジオテンシンIIの活性化を高め.内皮弛緩因子の生成を減少させる。 酸素ラジカルは細胞膜と反応してアラキドン酸の代謝物を生成し.過酸化脂質を刺激して全身に影響を及ぼす。 他の実験でも.IgGを介した免疫複合体の損傷は酸素ラジカル依存性であることが確認されている。
3.酸素ラジカルによる脳へのダメージ
現在では.脳虚血・再灌流は.キサンチンオキシダーゼ系やミトコンドリア一価の漏出を介して酸素ラジカルを多く発生させ.過酸化脂質の引き金となるとも考えられている。 大量のフリーラジカルは脂質や細胞膜を傷つけ.多価不飽和脂肪酸の過酸化を引き起こし.脂質の過酸化によって生じるアルデヒドやヒドロキシルラジカルによって神経細胞膜の流動性の低下や透過性の増加.ミトコンドリアの膨潤.リソソーム酵素の放出.神経細胞の変性や壊死を引き起こします；フリーラジカルはタンパク質分子の架橋やペプチド鎖を切断し神経細胞の機能喪失につながります；さらにフリーラジカルは神経細胞に対して作用する場合もあります さらに.フリーラジカルは神経細胞の外部マトリックスにも作用し.脳組織に広範な障害を生じさせる。
CPBにおける酸素フリーラジカルの抑制
1.体内の自然な抗酸化システム
体内には自然な酸化・抗酸化バランスシステムがあり.酸素フリーラジカルの生成が不十分でも過剰でも.病気の原因になります。 OFRのバーストアップ。 しかし.体内にはSOD.ペルオキシダーゼ.カタラーゼ.GSH-PXなどの重要な抗酸化物質や.血漿中の銅青タンパク質.ビタミンC.還元型グルタチオンなどがあり.酸化・抗酸化系のバランスを的確に調節している[16]。
2.CPBにおける酸素フリーラジカル生成の抑制
(1) カルシウム拮抗薬：心筋再灌流障害において.OFRとカルシウムが相互作用していることはコンセンサスが得られている。 ベラパミルの停止液への添加は.心筋再灌流時のカルシウム量の増加を抑制し.心筋のMDA量を減少させる。 小型ブタに大動脈遮断の30分前にディルチアゼム15μg?Kgˉ1を連続投与すると.心筋梗塞の程度が有意に低下し.不整脈も抑制されることがわかった。 ディルチアゼムをイヌに持続投与すると.心筋梗塞の面積は対照群の79±20%から53±26%に減少した（P=0.025）。 ニフェジピンの臨床使用も良好な結果を示しており.虚血心筋に対するカルシウム拮抗薬の保護効果が示唆されている。 ただし.ニフェジピンには血管平滑筋に対する作用もあり.過剰摂取により血管拡張や血圧低下が起こる可能性があるので注意が必要です。 これらの薬剤は.虚血時の心筋細胞やミトコンドリアでのCa2+過剰負荷を防ぐことが主目的であるため.大動脈遮断や心筋虚血の前に投与する必要があります。
(2) 鉄錯化剤：虚血再灌流時.OHの発生源は主に2つある。(1) Haber-Wiss反応は非常に遅く.細胞破壊を引き起こすほどのOHは発生しない。(2) 過剰金属触媒によるFenton反応はHaber-Wiss反応の数万倍の速度を持ち.体内に極微量の鉄イオンがあると誘発されうる。 フェントン反応。 デスフェリオキサミンは.Fe3+に対する親和性が非常に高く.Fe3+と素早く結合して脱感作Fe3+錯体を形成して排除し.鉄触媒によるOFR反応を効果的に阻害することができ.①分子量が小さく.細胞内に入りやすく.特定部位で鉄や銅を置換してOFR生成を抑制できる ②直接フリーラジカル捕捉剤として使用できる ③脂質依存的に抑制できる という特徴を有しています。 (3) 鉄や銅のトレハロ化に依存する過酸化脂質反応を抑制し.その結果生じる細胞膜の損傷を軽減することができる。
(3) アロプリノール：キサンチンオキシダーゼ活性を阻害することにより.OFRの産生と細胞膜の損傷を低減する。Coghlanらは.心臓の直接手術を受ける患者にアロプリノールを使用すると.脂質過酸化と術後の陽性強心薬の適用回数が著しく減少してCIが改善すると報告している。Johnsonらは.アロプリノール群169人は対照群と比較して心機能が著しく改善し.病院死亡率が対照群よりも低くなったと発表している。 院内死亡率は対照群に比べ有意に低く.毒性副作用も見られなかった。
(4) 脱白血球血液再灌流：白血球はCPBにおけるOFR産生の主要な原因の一つであるだけでなく.虚血領域の微小血管に白血球が蓄積すると機械的閉塞が生じ.心筋への局所血流が継続的に減少し.再灌流が起きなくなることさえあるので.心筋の保護に脱白血球の血液再灌流が有効であると考えられる。 動物実験では.灌流血管抵抗.CRK.CPK-MBが白血球血液群で対照群より有意に低下し.SOD活性の上昇.MDA量の低下.超微細構造の変化も対照群より有意に軽いことが判明した。
(5) CPB酸素流量の低下：実験では.高酸素流量灌流後に血漿中のMDA.CPKが有意に上昇し.ミトコンドリアの空胞様変化.クリステーの破壊.心筋細胞の著しい腫脹.異常収縮バンドが見られた。生理的酸素群でもMDA.CPKは上昇するが.高酸素群に比べ有意に低く.ミトコンドリアの空胞様変化.クリステーの破壊は極めてまれであった。 著者らは.虚血心筋は回復期に酸素を必要とするが.初期には心筋の酸素利用能力が低下している。これは主に.局所低体温.心臓内の酵素変換や阻害により.通常の酸素利用が損なわれ.OFRからの4価の酸素還元が有効に行われず.1価の酸素還元が比較的活発に行われているためであると考えた。 また.高酸素灌流のための酸素の一価還元が活発になる低酸素時には.キサンチンデヒドロゲナーゼがキサンチンオキシダーゼに変換され.大量のOFRが産生されることになる。
3.CPBにおける酸素ラジカルの消去作用
(1) OFRスカベンジャー：動物実験では.上行大動脈ブロック前にSODとCATを連続投入すると.再灌流後1時間.2時間で左心室収縮力がそれぞれ基礎値の43.3±14％.74.2±8％に回復したが.対照群では12.8±11％.31.6±7.8にとどまることが判明した。 また.SODとCATの臨床応用により心筋収縮力と心機能が有意に改善し.血漿CPK濃度はコントロール群に比べ有意に低下した。 しかし.SODのOFRに対する効果は完全ではなく.場合によっては効果がないことさえある。これは.(1) SODの分子量が大きく.細胞に入りにくいこと.(2) 虚血再灌流がアシドーシスを伴う場合.O2ˉが自動的に不均化されてH2O2を形成する割合が高まり.SODは比較的過剰であること. (3) SODの主たる役割はO2ˉを不均化させてH2O2形成すること.金属イオン存在下における後者の役割であること (3）SODの主な機能は.体に多くの損傷を引き起こす.すぐにフォームOH Tenton反応を通じて.金属イオンの存在下でH2O2.後者を形成するO2ˉ不釣り合いである。 以上の結果から.SODを適用する場合は.他の薬剤を併用した方がより効果的である可能性が示唆されました。
(2) 低分子化合物：ビタミンEは体内で重要な抗酸化物質であり.O2m_2C9.OH.1O2などの過酸化脂質を除去することができる。 文献[25]では.虚血再灌流後に血漿チオバルビツール酸反応物質（TBArs）が有意に増加し.心筋ビタミンEの減少を伴っていた。TBArsの増加は心筋基礎ビタミン量と負の相関.循環遮断の持続時間と正の相関があった。 虚血30分前にビタミンE 100 Mgを腹腔内投与すると.心筋梗塞の程度と不整脈が有意に減少し.心筋虚血再灌流障害に対するビタミンの保護作用が示唆された。 ビタミンCも重要なOFRスカベンジャーであり.細胞内だけでなく細胞外にも存在し.細胞外にも作用する。CPB患者にトランスファー前にビタミンCを250Mg?Kgˉ1投与すると血漿MDAとCPK-MBが有意に減少したが.高用量ではOFR産生を誘発することもあり注意する必要があった。 コエンザイムQはホスホリパーゼ拮抗薬で.OFRを減少させることができ.抗OFR効果を発揮する。 マンニトールはヒドロキシルラジカルスカベンジャーであり.細胞膜の過酸化を防ぐことができる。1,6二リン酸フルクトースは脂質の過酸化を抑制し.好中球の呼吸バーストを抑制し.虚血組織に対するO2m_2C9とH2O2の損傷を軽減することが可能である。
(3) 漢方製剤：傳統鎮痛剤は.再灌流時の心筋組織におけるOFRの生成を抑え.膜システムを保護し.エネルギー代謝を高め.心筋組織におけるATPとクレアチンリン酸量とSOD活性を改善し.心筋細胞のミトコンドリアカルシウムポンプ活動を保護し.心筋における細胞内カルシウム過多を防ぎ.より優れた心筋保護作用を有することが知られている。 ピペリン[26]は.虚血再灌流時のOFRの産生を著しく低下させ.心機能を改善し.心室細動の発生を抑制し.虚血時のNa-K-ATPase活性を維持し.再灌流時の細胞内NaおよびCa量とCPK放出を減少させることができます。 丹参.ジンセノサイド.田七人参サポニンも心筋保護作用に優れている。
(4) その他：ナロキソンは.ミトコンドリア内の脂肪含量を減らし.抗脂質過酸化能力を高め.再灌流によるミトコンドリア構造および酵素機能の損傷を軽減し.細胞およびミトコンドリア構造の安定性を高め.細胞内H+および乳酸の蓄積を遅らせ.ナロキソンのオピオイドペプチド受容体拮抗作用および直接細胞膜作用によって細胞外カルシウムの流入を減少させることが可能である。 HexamethoxazoleはSOD活性を上昇させ.MDA濃度を低下させ.再灌流不整脈を有意に減少させた。