缺血再灌注損傷時 “救命血”為何能致命
武漢大學模式動物研究所大動物模型手術室受訪者供圖
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，都會被損傷的機體“接受”，有的甚至會引起嚴重的組織壞死。
“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，如果血液恢復供給，原本缺血的部位反而‘壞死’加重。” 武漢大學基礎醫學院院長、模式動物研究所所長李紅良教授說，這與人們的“想當然”恰恰相反。臨床實踐上的難題，不僅困擾了臨床醫生，也是基礎研究的重要課題。“我們希望通過機理的解析，回答臨床實踐：什么是恰當的治療方法，有沒有新的治療方法可以避免或減輕此類創傷。”李紅良表示，基礎研究是為了解決實際問題，因此進行分子機制研究時不能偏離臨床醫學的需求。
在日前召開的第五屆武漢肝臟代謝與心血管疾病國際學術會議期間，應李紅良教授的邀請，來自美國哈佛大學、耶魯大學、斯坦福大學、康奈爾大學、梅奧醫學中心、英國倫敦國王學院、澳大利亞悉尼大學等國外知名科研機構的近60位國外頂尖專家及國內50多名知名專家就學界在相關領域研究的最新進展進行了深入交流，闡述了對肝臟和心血管疾病研究和防治方面的新技術與新見解。
從臨床來到臨床中去 系統生物學功不可沒
“在臨床上很早就發現，一些心梗患者，當梗塞去除、血液流通后，卻更危重了，嚴重抵消了再通治療的效果。”武漢大學中南醫院研究助理教授姬燕曉介紹，為了深入而系統地研究這些領域內的重要難題，武漢大學模式動物研究所(以下簡稱模式動物所)建立了系統生物學平臺。“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生物學數據，以及相關已發表文獻中的系統生物學數據全部融合到一起，進行綜合分析。”姬燕曉介紹，在這個過程中，無論是臨床數據、動物模型數據或者已有文獻數據，絕大多數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胞，這將大大提高基礎研究對臨床實踐的指導意義及其應用率。
從大量的臨床事件和動物模型中獲得海量的系統生物學數據，然后將不同來源的數據進行綜合處理，通過目標導向，針對特定問題進行個性化的數據挖掘，往往要面對海量的數據梳理和分析，這對于大多數從事基礎醫學研究的學者來說，是一個極大的挑戰。
“在我們研究所，研究團隊會和系統生物學平臺反復溝通，明確科學問題及研究方案。”姬燕曉介紹，系統生物學平臺會利用計算機編程、大數據挖掘、人工智能算法等手段，來實現對生命科學本質規律的探索。
據悉，利用生物信息學進行基于臨床事件的數據分析，國際上也在不斷發展。近幾年，系統生物學方法和高通量篩選平臺在疾病根本機制研究和藥物開發領域表現出巨大潛能。例如，參加本次大會的倫敦大學教授曼努埃爾·邁爾致力于多組學聯合，將生物信息整合到心血管疾病特異性網絡中，利用血漿數據與人類動脈粥樣硬化斑塊的蛋白質組學聯合分析，探索了血液生物標志物與心血管疾病中的脂質保留和血管炎癥的關系，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。
驗證分子機理 模式動物提供“鐵證”
系統生物學平臺給出的“潛在目標”只是最大限度地鎖定了可能的疾病分子機制。“我們會從中確定關鍵的基因或者分子通路進行‘聚焦式’驗證。”姬燕曉說，“一般情況我們會先對選定靶標進行細胞層面的篩選驗證，因為細胞培養又快又便宜。當細胞實驗給出確定的結果之后，我們接著會進行動物層面的實驗，從小鼠、大鼠，到大動物實驗，比如豬和猴子。”
《自然·醫學》雜志此前刊發了一篇李紅良教授團隊關于肝臟缺血再灌注損傷的機制研究，他們通過系統的多組學聯合分析，發現花生四烯酸代謝通路中ALOX12很可能是調控肝臟缺血再灌注損傷的早期關鍵靶點；進一步研究后發現，ALOX12基因表達在肝臟缺血后確實迅速上調，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體的應激變化。”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”，之前傳統的研究致力于控制“炸藥包”爆炸后的氧化應激、細胞壞死、炎癥反應等后續事件；而他們團隊則發現了引爆“炸藥包”的“導火索”，那就是肝臟缺血階段的脂質代謝紊亂。
為了進一步探索目標基因在疾病中能否起到關鍵“螺絲釘”作用，模式動物所團隊構建出特定基因靶向敲除的克隆豬，證明目標基因在心血管代謝性疾病中的作用和它們作為關鍵靶點在臨床應用中的轉化潛能。“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制探索中，模式動物的第二次出現。“第一次我們要讓它模擬‘病患’，采用的是手術干預的方法，例如通過手術造成肝臟缺血，想從中了解‘究竟發生了什么’。”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鍵的‘螺絲釘’，要看干預它之后會發生什么。”
有資料顯示，CNS(《細胞》《自然》《科學》簡稱)上刊發的藥物靶點，最終開發出新藥的比例不足千分之一。模式動物是將基因與疾病聯系起來繞不開的“樞紐”一環，基于模式動物的基礎理論研究和新藥研發工作，或許會更加貼合臨床實踐，進而提高新藥的開發率，降低新藥開發成本。模式動物所動物模型團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，為基礎研究和藥物開發提供了重要的支撐。該所長期和源自于武漢大學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作，結合非人靈長類疾病模型實驗技術與獨特的實驗猴資源優勢，與包括美國德州大學西南醫學中心、美國康奈爾大學及哈佛大學醫學院等10多個國際研究團隊建立了長期穩定的科研合作關系。
“頂班”的來“應急” 或許是種自我保護機制
“缺血再灌注損傷機制或許原本是生物進化過程中的自我保護機制。”姬燕曉表示，就好像一個機器正常運轉，當一個零件壞了，其他本來不運轉的零件開始嘗試把這個功能“頂上”。這本來是件好事，但是當“救命血”突如其來，“頂班”的零件仍在運轉，可能造成損傷。
也或許是，“頂班”的零件可能只是進化用來“應急”的，當“應急”的任務擔負的太長，而沒有緩解，比如缺血超過一定時間，“應急通道”沒有停止，就可能引發機體的連鎖反應，帶動了不應該轉的地方運轉，這種“亂套”就會造成相關疾病的發生。缺血的刺激，會帶來新的細胞通路的活化，或者會導致原來的細胞通路承擔不同的任務，這更體現了生命機理的“動態”。“人們很早就知道了這條通路，但我們的團隊首次證明了這條已知通路與缺血再灌注損傷有關。這也將幫助我們開發出相關疾病的手術輔助用藥。”李紅良告訴記者。
人體疾病的發生、發展是個復雜的、實時動態的過程，這給基礎醫學研究者提出了更嚴峻的考驗。隨著生活方式的改變，醫學亟待解決的問題也更加嚴峻，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心臟、肝臟、腎臟等主要臟器的疾病發生。
在這次國際學術會議中，與會專家從氧化應激、血管干細胞增殖遷移、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，為尋找更加優化的治療策略提供了更多可能。
