近年來關於自由基的研究十分活躍產生了很多的學說和觀點，自由基在體外循環這一病理生理過程中是如何產生的呢？我們又如何去積極預防呢？現總結如下：
一、自由基的概念及性質
自由基是指其外層軌道上含有不配對電子的原子原子基團和分子的總稱。上海市兒童醫院胸心外科李小兵正常情況下機體產生少量的自由基，由於機體有“抗氧化防禦體系”，不致對機體造成大的危害。然而，當機體缺血缺氧後，抗氧化體系受到抑制，受損細胞尤其是線粒體電子傳遞系統“單價洩漏”增加，補體-多形核白細胞激活，再灌注時的氧供，使OFR呈爆發性增加。OFR具有極強的化學活性：一方面通過與細胞膜不飽和脂肪酸發生脂質過氧化反應，使細胞膜的流動性降低和通透性增加，細胞的完整性及選擇性離子通透功能遭到破壞；另一方面通過與膜脂質過氧化反應，改變了膜結合酶、受體和離子的微環境，從而改變了這些蛋白酶的正常功能，引起細胞膜Ca2+超載，促進膜蛋白和磷脂交聯，引起蛋白酶不可逆性變性導致細胞膜結構和功能的破壞。
二、體外循環中氧自由基的產生
CPB時氧自由基的主要來源有：
1、線粒體系統：目前認為，在線粒體呼吸鏈中，還原型輔酶Q是氧自由基產生的主要部位， 也是心肌缺血再灌注後OFR的主要來源。缺血時間越長，產生的OFR越多，最終引起線粒體抗氧化產物耗竭。
2、黃嘌呤氧化酶系統：嚴重創傷、休克、局部缺血-再灌注等，使組織內次黃嘌呤、黃嘌呤堆積，黃嘌呤脫氫酶轉化為黃嘌呤氧化酶，血中黃嘌呤氧化酶水平提高，激活中性粒細胞，使其肺部聚集，髓過氧化酶活性增加，ATP降解為AMP和腺苷，可使從而為OFR產生創造了條件。當再灌注提供氧分子時，黃嘌呤氧化酶促進次黃嘌呤或黃嘌呤與氧分子反應，形成O2ˉ、H2O2及尿酸鹽。有研究發現，循環血中高濃度的黃嘌呤氧化酶可能是多器官衰竭發生的重要機制。
3、粒細胞系統：粒細胞是CPB中OFR產生的又一重要來源。毛細血管內皮細胞含有大量的CD18、ELAM、ICAM等粒細胞粘附受體，活化的粒細胞易於受體結合在毛細血管床內粘附、聚集，進一步激活分泌彈性蛋白酶和經呼吸爆發產生大量的氧自由基。有學者認為活性氧族是粒細胞造成組織損害的最重要的始動因素。活性氧族對抗蛋白酶α-AT[6]的滅活破壞了蛋白酶和抗蛋白酶系統的平衡，造成組織損害擴大。目前流行的“微環境理論”認為被激活的粘附粒細胞與血管內皮細胞間產生封閉的微環境，使周圍的抗氧化劑及抗蛋白酶不能進入，而粘附的粒細胞產生的大量活性氧化物及蛋白酶等釋放入微環境，內皮損害範圍擴大[7]。同時粒細胞產生的氧自由基，尤其是與血漿中刺激物反應，形成趨化因子，更促進粒細胞粘附聚集，形成惡性循環。
4、缺血再灌注時，由於細胞內Ca2+超載，激活了鈣依賴的磷脂酶，引發花生四烯酸（AA）的代謝。AA通過環氧合酶和脂氧合酶的作用產生大量的O2ˉ和H2O2，它們作用於細胞膜形成脂質過氧化物，脂質過氧化物又可加速AA，因此AA代謝中產生大量的OFR ，又進一步促進AA代謝及前列腺環素與血栓素的不平衡，造成惡性循環。
5、兒茶酚胺的自動氧化，可提供電子而產生OFR。生理情況下，兒茶酚胺的自動氧化是很緩慢的，所以對機體的影響並不大，但CPB期間由於應激反應，兒茶酚胺大量釋放，而且常伴有酸中毒等，兒茶酚胺的氧化加速。具體情況有待於近一步研究。
三、氧自由基對重要器官的損害
1、氧自由基對心臟的損害
心肌缺血再灌注損傷的主要表現為：
（1）心肌攝氧障礙：缺血心肌恢復正常血流後不能充分地利用氧，表現為冠狀動靜脈血氧含量相差無幾。
（2）心肌出血和損傷：Robert等研究發現在冠狀動脈阻斷期間心肌無出血或出血不明顯，而恢復血供後常有明顯的肉眼或鏡下出血，而且再灌注早期出現的心肌內出血比持續梗死區出血更嚴重。
（3）心肌細胞急劇腫脹和無再灌流現象：實驗表明，阻斷冠脈血流15min，缺血心肌無水腫超微結構也僅有輕度改變，缺血40min心內膜仍無明顯水腫，而再灌注2min後，心肌細胞急劇腫脹，同時伴有細胞內鈉和鈣離子增加，鉀鎂離子減少，超微結構見嚴重細胞內水腫，線粒體腫脹，由於心肌細胞和血管內皮細胞腫脹，微血管狹窄，缺血性心肌攣縮進一步壓迫微血管，微血栓形成等，從而導致部分心肌再灌注時血流不能恢復。
（4）心率失常和心功能減退：心率失常主要表現為室性心率失常，包括室性心動過速和室顫，此與血漿MDA含量升高及SOD活性降低相關。由於心內直視手術對心肌組織的多方面損傷，其中包括OFR的影響，術後常出現心室順應性、心肌收縮力、血壓及心排量下降，嚴重者不能支持循環。
2、氧自由基對肺的損害
氧自由基引起的肺部損害取決於肺組織內的氧自由基種類與活性，幾乎涉及肺內所有細胞和組織。
肺血管內皮細胞是肺部氧自由基的主要來源，並且也是氧自由基作用的主要目標。有人用動物的內皮細胞與H2O2接觸，則內皮細胞周邊變形、皺縮，細胞內ATP濃度下降，Ca2+濃度升高，蛋白酶激，細胞及細胞膜的結構和功能都遭到了破壞。還有人的動物實驗發現，肺間質毛細血管內皮細胞有間斷囊泡和空泡形成。H2O2濃度和內皮細胞形變的同時伴隨細胞內ATP、Ca2+的變化呈量效關係。氧自由基對間質的損害是通過氧化透明質酸、膠原，改變間質的穩定性及流動性，且間質α1-抗蛋白酶中的蛋氨酸自由基氧化失活，使α1-抗蛋白酶中和彈性蛋白酶，蛋白酶抑制劑減少，甚至激活蛋白酶，導致蛋白酶-抗蛋白酶系統平衡破壞。提高蛋白質對蛋白水解酶的敏感性，加重肺損傷，增大簡質的通透性。氧自由基對肺泡上皮細胞的損害是Ⅰ型細胞內有不連續的空泡形成，Ⅱ型細胞和成纖維細胞增生，間質纖維化，肺內氧交換率及肺順應性降低，表面活性物質減少，肺功能進一步降低。
氧自由基能促使血栓素TxB2的釋放，TxB2具有縮血管作用，升高血壓。氧自由基還可減弱內皮細胞對5-HT的滅活，增加血管緊張素Ⅱ的活化及減少內皮鬆弛因子的形成。氧自由基與細胞膜反應可產生花生四烯酸代謝產物刺激脂質過氧化反應並影響全身。另有實驗證實IgG介導的免疫複合物損傷是氧自由基依賴性的。
3、氧自由基對腦的損害
自由基反應是腦缺血損傷的重要機制，目前認為腦缺血再灌注可也通過黃嘌呤氧化酶系統和線粒體單價洩漏等途徑產生較多的氧自由基，引發脂質過氧化反應。大量自由基可破壞脂類和細胞膜，使多價不飽和脂肪酸過氧化，導致神經細胞膜的流動性降低，通透性升高，線粒體腫脹，釋放溶酶體酶，脂質過氧化產生的醛基、羥基自由基使神經細胞變性、壞死；自由基可使蛋白質分子交聯，肽鏈斷裂，使神經細胞喪失功能；此外自由基也可作用於神經細胞外基質，產生廣泛腦組織損傷。
四、CPB中氧自由基的預防
1、機體內天然的抗氧化系統
人體內有天然的氧化和抗氧化平衡系統，氧自由基生成不足和過多都會造成疾病，如當機體缺血缺氧後，抗氧化體系受到抑制，受損細胞尤其是線粒體電子傳遞系統“單價洩漏”增加，補體-多形核白細胞激活，再灌注時的氧供，使OFR呈爆發性增加。但體內有SOD、過氧化物酶、過氧化氫酶、GSH-PX等重要的抗氧化物質，還含有血漿銅藍蛋白、維生素C、還原型谷胱甘肽等能精確地調節氧化和抗氧化系統的平衡[16]。
2、CPB中減少氧自由基的生成
（1）鈣拮抗藥：OFR和鈣在心肌再灌注損傷中有相互作用已為共識。在停搏液中加入維拉帕米能抑制心肌再灌過程中鈣含量增加，降低心肌MDA含量。主動脈阻斷前給小型豬連續30min輸入地爾硫 15μg?Kgˉ1?minˉ1，能明顯減少心肌梗死範圍，減少心率失常。給狗連續地輸入地爾硫 ，心肌梗死麵積由對照組的79±20％降至53±26％（P=0.025）。臨床應用硝苯地平亦取得了較好的效果，提示鈣拮抗劑對缺血心肌具有保護作用。但是硝苯地平等對血管平滑肌亦具有作用，過量可引起血管擴張，血壓下降，應予注意。由於該類藥物主要是預防缺血期間心肌細胞及線粒體內Ca2+過載，所以需在主動脈阻斷，心肌缺血前給藥。
（2）鐵絡合劑：在缺血再灌注過程中，OH的來源主要有兩條途徑：①Haber-Wiss反應，此反應速度很慢，產生的OH不足以引起細胞破壞；②過度金屬催化的Fenton反應，此反應速度是Haber-Wiss反應速度的數萬倍，體內存在極微量的鐵離子即可誘發Fenton反應。去鐵敏對Fe3+具有極高的親和力，能與Fe3+很快結合形成去敏鐵Fe3+複合物而排除，有效地抑制鐵催化的產生OFR反應，且有以下特點：①分子量較小，容易進入細胞內，通過置換特異位點上的鐵、銅達到減少OFR產生的目的；②可直接作為一種自由基清除劑；③可抑制依賴於鐵、銅崔化的脂質過氧化反應，減輕由此引起的細胞膜損傷。
（3）別嘌呤醇：通過抑制黃嘌呤氧化酶活性而減少OFR的產生及細胞膜的損傷。Coghlan等報道，心內直視手術病人應用別嘌呤醇後明顯減少脂質過氧化和術後正性肌力藥物的應用例次，提高了CI。Johnson等發現169例應用別嘌呤醇組病人，其心功能明顯優於對照組，醫院死亡率明顯低於對照組，未見任何毒副作用。
（4）去白細胞血液再灌注：由於白細胞不僅是CPB中OFR產生的主要來源之一，而且白細胞堆積在缺血區微血管內產生機械阻塞，使心肌局部血流持續減少，甚至出現無再灌流現象，因此，去白細胞血液再灌注可能有利與心肌保護。動物實驗發現，去白細胞血液組其灌脈血管阻力，CRK，CPK-MB明顯低於對照組，SOD活性增加，MDA含量明顯下降，超微結構改變亦明顯校對照組輕。
（5）降低CPB氧流量：實驗發現，高氧流量灌注後血漿MDA及CPK明顯升高，線粒體腫脹，空泡樣變，嵴斷裂，心肌細胞腫脹嚴重，可見有異常收縮帶；生理氧組MDA、CPK雖亦有升高，但明顯低於高氧組，線粒體空泡樣變、嵴斷裂極為少見。作者認為缺血心肌在恢復時雖需要氧，但早期階段心肌利用氧的能力減弱，主要是心臟局部低溫、酶的轉化和抑制使氧的正常利用障礙，以致使OFR的正常氧的四價還原不能有效進行，而產生OFR的氧的一價還原相對活躍。另外，黃嘌呤脫氫酶在缺氧時轉化為黃嘌呤氧化酶，此時供以高氧灌注氧的一價還原更趨活躍，致OFR大量產生。
3、CPB中氧自由基的清除
（1）OFR清除劑：動物實驗發現，升主動脈阻斷前連續輸入SOD和CAT，再灌注後1h和2h，左室收縮力分別恢復至基礎值的43.3±14％和74.2±8％，而對照組僅為12.8±11％和31.6±7.8％。臨床應用SOD和CAT，心肌收縮力及心臟功能亦有明顯改善，血漿CPK濃度較對照組顯著降低。但SOD對抗OFR的作用並不完全，在某些情況下甚至無效，可能與下列因素有關①SOD分子量較大，不易進入細胞內；②缺血再灌注時多伴有酸中毒，O2ˉ自動歧化形成H2O2的速率增快，SOD相對過剩；③SOD的主要作用是使O2ˉ歧化形成H2O2，後者在有金屬離子存在時，通過Tenton反應很快形成OH，對機體造成更大的損害。上述結果提示應用SOD時，配合應用其它藥物效可能會更好。
（2）低分子化合物：維生素E是體內重要的抗氧化劑，能消除O2ˉ、OH、1O2等脂質過氧化物。文獻報道[25]，缺血再灌注後血漿硫巴比妥酸反應物質（TBArs）明顯升高並伴有心肌維生素E降低，TBArs升高與心肌基礎維生素含量呈負相關，與循環阻斷時間呈正相關。缺血前30min腹腔注射維生素E100Mg，其心肌梗死範圍及心律失常明顯減少，說明維生素對心肌缺血再灌注損傷具有保護作用。維生素C是另一種重要的OFR清除劑，不僅存在於細胞內，還存在於細胞外，可在細胞外發揮作用。CPB病人在轉機前靜注維生素C250Mg?Kgˉ1，血漿MDA、CPK-MB明顯降低，但大劑量也可誘發OFR產生，應予注意。輔酶Q為磷脂酶拮抗劑，能將OFR還原，有抗OFR作用。甘露醇為羥自由基清除劑，可防止細胞膜過氧化。1,6二磷酸果糖能抑制脂質過氧化反應，抑制中性粒細胞的呼吸爆發，減輕O2ˉ和H2O2對缺血組織的損傷。
（3）中藥製劑：川弓嗪可減少再灌注期間心肌組織OFR的產生，保護膜系統，增加能量代謝，提高心肌組織ATP、肌酸磷酸含量及SOD活性，保護心肌細胞線粒體鈣泵活性，防止心肌細胞內鈣超載，具有較好的心肌保護作用。小闢胺[26]能明顯降低缺血再灌期間OFR的產生，改善心功能，降低室顫發生率，保持缺血期間Na-K-ATP酶活性，減少細胞內Na、Ca含量及再灌時CPK釋放。丹參、人參皂甙、三七總皂甙等亦有較好的心肌保護作用。
（4）其它：納絡酮可減少線粒體內脂肪含量和增強其抗脂質過氧化能力，降低再灌注對線粒體結構和酶功能的損傷，增加細胞及線粒體結構的穩定性，減緩細胞內H+及乳酸堆積，並通過納絡酮的阿片肽受體拮抗作用及直接細胞膜作用減少細胞外鈣內流。六甲氧苄嗪可提高SOD活性，降低MDA濃度，明顯減少再灌注性心律失常。
