心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia-reperfusion，MIRI）是心脏外科实践中常见的组织器官损伤之一，在溶栓治疗、冠状动脉介入治疗、体外循环下心内直视手术、心脏移植术等手术的病理生理演变过程中扮演重要角色。如何减轻MIRI，已成为心肌保护方面需要迫切解决的问题。缺血预处理（ischemic preconditioning，IPC）是心肌内源性保护措施，但其属损伤性操作，且缺血时最佳时间、安全时限、操作复杂、不合伦理等问题使其临床应用受到限制。故提出药物预处理（pharmacological-preconditioning，PP），即通过药物激发或者模拟内源性保护物质而达到心肌保护作用，成为目前的研究热点之一。外源性的锌能够保护缺血再灌注损伤的心肌，但具体机制尚未明确。锌作为机体内重要细胞内信号分子，在信号识别、第二信使代谢、蛋白激酶激活等方面发挥重要作用，本文就外源性锌参与的心肌保护作用及其相关机制的研究进展综述如下。

锌是人体必需的元素，参与细胞内信号传递和细胞功能的调节。锌在机体内分布广泛，是300多种金属酶发挥功能所必需的微量元素，是构成机体各种蛋白、转录因子等结构和功能的基础，锌离子在机体内失衡或者紊乱，将对机体造成严重的影响。

锌参与多种酶的合成与激活，对蛋白质的合成，细胞生长、分裂和分化的调节及人体生长发育等多种生理功能均有重要作用。锌可作为第一信使，参与细胞间信息传递，它被确认为内源性G蛋白偶联受体39的激动剂和调节上皮细胞修复关键的信号分子；锌还可作为第二信使影响细胞内其他的信号分子，包括蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、钙调节蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ、细胞外信号调节激酶1/2（extracellular-signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2）、蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）和细胞凋亡蛋白酶等，其中PKC和ERK都是介导心肌保护的重要信号分子。此外，锌还可调节线粒体功能，影响活性氧（reactive oxygenspecies，ROS）的产生，尤其是抑制线粒体bc1复合体（或称线粒体呼吸链复合体Ⅲ）处电子链传递，使ROS产生增加。锌可诱导金属硫蛋白（metallothionein，MT）合成，与MT形成复合物，保护机体免受自由基损伤。外源性锌通过调控MT表达进而参与机体内锌稳态维持和功能调节，锌稳态主要靠溶质运载蛋白家族（Solute Carrier Slc families），Slc39A（ZIP）和Slc30A（ZnT）及MT进行调控。锌对DNA稳定性的维持还表现在它可以以锌指蛋白形式参与调控DNA的复制、转录及损伤修复。Zn ²⁺在维持锌指结构完整和辅助完成蛋白功能的过程中发挥着不可替代的作用。不同的锌指结构选择性地与DNA链、RNA链或DNA-RNA杂交链结合，进而在转录和翻译水平上调控基因表达。另有研究表明，虽然低锌条件下p53基因表达量增加，但p53基因与下游靶基因相互作用的活性显著降低，因此导致DNA损伤修复不能及时完成。

随着人们对锌及缺血再灌注损伤认识的深入，锌作为机体内重要的细胞内信号分子在信号识别、第二信使代谢、蛋白激酶、激活磷酸化等方面发挥着重要作用。有研究表明，心脏缺血再灌注时细胞内锌水平下降，而补充锌可以保护心脏，说明锌对保护再灌注心肌具有关键作用。

有研究发现体外循环心脏手术后患者血清锌浓度发生变化。随后大量研究表明：冠心病患者术前体内存在锌缺乏，先天性心脏病患者术前血锌基本正常；体外循环后，由于血液稀释、创伤、尿排泄等因素降低了机体锌储备，同时由于低温、缺氧、麻醉药等因素导致锌在机体内再分布进一步加重了锌缺乏；研究显示，外源性锌能够调节多种重要的细胞内信号物质的活性，例如PI3K、Akt/PKB、P70S6Kinase、mTOR、ERK以及GSK-3β。由于这些信号物质均参与心肌缺血再灌注损伤的保护机制，所以锌可能参与心肌保护作用。早期的研究显示，锌通过抑制氧超载而保护大鼠离体再灌注心肌，外源性锌能够抑制移植心脏的细胞凋亡，锌能够抑制氧化应激诱导的心肌细胞线粒体损伤。也有研究表明，大鼠心脏经历缺血再灌注后细胞内锌水平减少，而给予锌可以保护心脏，说明锌稳态对抗再灌注心肌具有非常重要的作用。而上述作用机制在抗心肌缺血再灌注损伤中已得到证实。锌预处理心肌可减轻缺血再灌注心肌的氧化应激、抑制心肌细胞凋亡，在心肌缺血后再灌注期用锌离子载体减轻了心肌损伤，其机制可能是通过保护PKC异构体。Chanoit等用外源性锌减轻了心肌细胞氧化应激所致的线粒体损伤，在此基础上，该课题组用ZnCl ₂预处理心肌细胞后可显著减轻再灌注损伤，使GSK-3β的丝氨酸残基磷酸化增加，用PIK3抑制剂LY-294002可废除上述现象，推测其机制可能是抑制GSK-3β活性，从而通过线粒体通透性转运孔发挥心肌保护作用。有研究证实用ZnCl ₂处理心肌细胞后发现Akt及GSK-3β磷酸化增加，用EDTA螯合锌离子后此现象消失，其机制可能是通过类胰岛素生长因子1酪氨酸激酶（IGF-1RTK）和抑制线粒体通透性转运孔开放激活Akt。有研究显示84%急性心肌梗死患者早期血锌下降，非坏死的缺血区心肌锌含量远高于正常心肌，更高于坏死区心肌，因而认为血锌下降的主要机制是血中锌被缺血心肌摄取以利组织修复，因此体外循环后机体锌缺乏必然加重心肌缺血再灌注损伤。综上所述，外源性锌具有显著抗心肌再灌注损伤的作用，可能是通过抗氧化损伤的终末效应而得以实现的，其具体机制尚需进一步的研究探讨。

转录因子NF-E2相关因子2（transcription factor NF-E2-related factor 2，Nrf2）是细胞调节抗氧化应激的重要转录因子，主要通过抗氧化顺势作用元件（antioxidant response elements，ARE）控制抗氧化酶基因、Ⅱ相解毒酶基因和应激基因的表达。

近年研究发现，Nrf2在心血管系统具有稳定的表达，在MIRI中发挥重要抗氧化应激心肌保护作用。研究表明，Nrf2-ARE通路对MIRI保护机制可能是通过减少ROS抗氧化应激损伤、减轻钙超载、抗炎症、抗心肌细胞凋亡等，各机制相互联系，相互渗透，其中抗氧化应激作用是目前众多学者所公认的。Nrf2/ARE通路是内源性抗氧化机制中最为重要的信号通路之一，处于氧化应激核心地位。氧化应激可加速Nrf2的mRNA转录，增加Nrf2蛋白合成，从而导致Keapl-Nrf2复合体解离，使游离的Nrf2增加，进入细胞核内的Nrf2增加，上调其下游抗氧化蛋白及Ⅱ相解毒酶基因的表达从而减轻氧化损伤。王海英等人对大鼠心肌进行实验证明，多种药物通过Nrf2-ARE通路介导抗心肌缺血再灌注损伤保护作用。

研究证实锌在机体内各种氧化损伤所致的疾病中发挥着直接或者间接的抗氧化作用，锌缺乏增加了机体对氧化应激的易感性，使氧自由基产生增加，丙二醛含量增加，谷胱甘肽及超氧化物歧化酶含量、活性降低，补锌后氧化损伤减轻。研究发现，锌抗氧化可能激活Nrf2-ARE通路，通过诱导上调核转录因子及其下游调控基因的转录，增加了一系列抗氧化蛋白及Ⅱ相解毒酶的表达量，减轻氧化应激，有研究证实用硫酸锌处理视网膜色素上皮细胞后，使Nrf2表达量增加，使谷氨酸半胱氨酸连接酶（GCL）在转录水平表达增加，最终上调谷胱甘肽合成；而采用RNA干扰技术敲除Nrf2基因后未观察到上述效应，表明锌可通过Nrf2-ARE通路抗氧化损伤，也研究显示ZnCl ₂在HepG2和Hepa 1c1c7细胞内，诱导了一系列抗氧化蛋白及Ⅱ项解毒酶的表达，通过基因分析证明是激活了Nrf2-ARE通路。Nrf2处于机体抗氧化应激的核心地位，外源性锌对心肌细胞的保护作用与其抗氧化作用相关，如应用外源性锌预处理缺血心肌，是否是通过激活Nrf2-ARE通路产生心肌保护作用尚不清楚，外源性锌预处理是否通过激活Nrf2-ARE通路抗心肌缺血再灌注损伤将为心肌保护提供一条新途径。

金属硫蛋白（metallothionein，MT）是体内富含巯基的应激蛋白，具有清除自由基，其清除能力是GSH-Px的100倍、SOD的1000倍，MT为机体的内源性保护蛋白，可增加超氧化物歧化酶（SOD）而减少自由基，抗脂质过氧化作用，MT与应激关系密切，且参与微量元素代谢的调节，锌可诱导体内合成MT，补锌可能通过影响MT基因的表达而发挥抗氧化和细胞保护作用。

锌是人体必需的微量元素，为Cu/Zn SOD的活性剂，能有效抑制脂质过氧化反应。MT涉及许多生理及病理生理过程，其中包括体内必需金属元素的储存、代谢和转运以及重金属的解毒、细胞代谢的调控、内分泌系统调节等，对各种生物膜有稳定作用。正常情况下，体内存在的抗氧化酶系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等，可消除氧自由基及阻止过氧化脂质的形成，但心肌的这种抗氧化能力较弱。此外，MT还通过促进抗氧化酶的活性增强抗膜脂质过氧化的作用。因此在氧化应激状态下，心脏MT清除ROS的作用凸显。庄梅等人对大鼠的研究结果证实，补充外源性锌具有保护缺血再灌注损伤心肌的作用。金属硫蛋白（MT）能保护细胞抵抗氧化应激介导的细胞凋亡，说明外源性锌诱导了MT的高表达对NF-κB的活化具有抑制作用，这可能是MT抵抗氧化应激介导细胞凋亡的机制之一。综上所述，补锌后MTmRNA转录水平显著增高，从而有利于机体抗氧化，减轻心肌缺血再灌注损伤。

随着“线粒体医学”的不断发展，对心肌缺血、再灌注损伤的机制研究逐渐深入，抑制线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）的开放被认为是心肌保护中最有前途的靶位之一。作为细胞能量的来源，线粒体是决定细胞死亡和代谢的重要细胞器，线粒体膜上存在mPTP。

线粒体是氧自由基产生的主要场所，在心肌缺血再灌注损伤过程中，氧自由基大量生成，氧自由基对mPTP影响最大，为mPTP开放提供了最佳环境，氧自由基增加通过耗竭还原状态GSH或NADPH使mPTP开放，同时导致心肌细胞凋亡，从而加重心肌缺血再灌注损伤。研究表明，线粒体功能改变与细胞凋亡密切相关，包括释放促凋亡因子、活性氧过度生成、能量产生障碍、胞浆内钙失衡等，线粒体膜通透性转换的发生在细胞凋亡中的作用非常关键。线粒体是心肌细胞缺氧性损害的核心细胞器。心肌缺血/再灌注损伤时心肌组织在较长时间缺血后恢复血液灌流，反而会出现比再灌注前更明显、更严重的损伤和功能障碍，包括收缩功能降低，冠脉流量下降及血管反应性改变。研究证实，mPTP是心肌保护作用的关键靶点，在心肌缺血再灌注损伤的病理生理过程中发挥重要作用。研究显示，外源性锌能够阻止氧化应激引起的大鼠心肌细胞mPTP开放，吗啡通过锌抑制mPTP开放发挥心肌线粒体保护作用。目前研究认为，抑制GSK3β活性进而阻止mPTP开放是多种信号通路心肌保护作用的共同途径。已有研究证实，外源性锌通过PI3K-Akt信号使GSK3β失活进而阻止mPTP开放，保护模拟再灌注的H9C2大鼠心肌细胞。因此，锌参与GSK3β失活进而抑制mPTP开放在再灌注心肌保护中具有重要作用，补充外源性锌可能是心肌保护机制中新的信号策略。

综上所述，外源性锌能够调控mPTP开放及其关闭，并参与了心肌缺血再灌注损伤的多种机制。因此，mPTP已成为心脏保护的一个重要靶点，抑制它的开放可以减少多种心脏病的发生。

锌离子代谢的稳态平衡对维持机体正常生理功能至关重要，在心脏组织中有多种锌转运蛋白表达，维持心肌细胞内锌内稳态及细胞正常生理功能。尽管目前仍没有确切证据来证实ZnT1的心肌保护转运是调节心肌组织锌内稳态而来获得的，但是在模拟MIRI的HL-1系心肌细胞中，ZnT1的超表达激活Ras-ERK信号通路达到心肌保护作用。研究表明，补充外源性锌后，锌通过锌转运蛋白的调节达到稳态，使心肌组织免受心肌缺血再灌注损伤。

锌可抑制细胞凋亡，其机制可能与其阻断Ca ²⁺凋亡信号的传导系统、影响PKC信号系统以及抑制核酸内切酶等有关。刘丹等人对大鼠的研究结果证实，补充外源性锌具有保护缺血再灌注损伤心肌的作用，其机制可能是通过抑制心肌细胞凋亡而实现的。

补充外源性锌已经成功应用于对肝脏、肾脏、大脑、心脏等器官缺血再灌注损伤的保护，在临床上已经有其对心肌梗死、心脏手术等各种心血管疾病的保护作用研究，但是目前补充外源性锌的临床试验研究存在样本量偏少、评估指标少的缺陷，在以后的研究中需要多中心的临床研究来予以验证锌的心肌保护作用以及临床治疗效果。

综上所述，目前已经有大量研究证实了外源性锌能够减少心肌缺血再灌注损伤，对心肌具有明显的保护效应，与IPC相比，其具备操作简单、无创、高效等优点，便于在临床上推广应用，具有广阔的发展前景。但是锌的心肌保护具体机制尚未完全阐明，譬如锌的心肌保护作用的细胞内信号转导途径，锌在细胞内外的转运形式，及其转运蛋白的具体调控是否也与其心肌保护作用有关等，均无相关报道，尚有待进一步的研究。