肝素的作用与功效(肝素保胎的原理是什么)

肝素的作用与功效(肝素保胎的原理是什么)

肝素的历史(History of heparin)

1916年,在约翰·霍普金斯医院工作的2年级医学生杰伊·麦克莱恩(Jay McLean )在生理学教授威廉·亨利·豪厄尔(William Henry Howell )的指导下,进行体内促凝血物质效价测定的专题研究。

在研究中,McLean发现,多种组织(脑、心、肝等)的提取物有促凝作用,而且在贮存期间活性减低。但是,贮存最久的肝脏提取物不但不促凝,反而可阻止血液凝固。经重复实验证明,肝脏提取物中确实存在一种强力的抗凝物质。

Howell教授随后从犬(Canine)的肝脏中萃取出该物质。并于1918年,为这种脂溶性抗凝剂命名。当时认为该物质只存在于肝脏,故取名为肝素(Heparin),此名称一直沿用至今。

1937年,加拿大多伦多的Best和他的同事,发现了肝素提纯技术,才有了肝素大规模生产。

1938年,研究者开展了第一项肝素预防深静脉血栓形成(DVT)的临床试验,并获得成功。之后,肝素才正式成为预防血栓栓塞的手段,开始广泛应用。

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什么是肝素?(What is heparin?)

肝素(Heparin)是一种重要的抗凝剂(Anticoagulant),可防止血栓形成和血栓的扩展。

肝素首先从肝脏发现而得名,它也存在于肺、血管壁、肠粘膜等组织中(如牛肺、猪小肠粘膜),是动物体内一种天然抗凝血物质。

肝素主要是由肥大细胞和嗜碱性粒细胞产生。

肝素本身不能分解已经形成的血栓,但它可以使机体的天然血栓溶解机制正常工作,进而分解已经形成的血栓。

肝素的临床使用(Clinical application of heparin)

肝素通常用于以下情况的抗凝:

急性冠脉综合征,例如,NSTEMI
房颤
深静脉血栓形成(DVT)和肺栓塞(PE)
心脏手术的体外循环(CPB )
ECMO管路(体外生命支持)
血液过滤/透析
PCI手术
留置中心静脉导管或外周静脉导管
其他抗凝治疗

(不同类型的肝素,在临床疾病应用中,优/劣势势各不相同)。

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肝素的副作用(Side effect of heparin)

出血(剂量相关,约占5%)
肝素诱导的血小板减少症(HIT,heparin-induced thrombocytopenia ),(约占5-15%)。由免疫反应引起,使血小板成为免疫反应的靶点,导致血小板降解,从而导致血小板减少,同时激活血小板,导致血栓形成。(通常会在停药时逆转,可以通过使用合成肝素来避免)。
良性血小板减少症(与早期使用肝素有关,通常可以在不停止肝素的情况下解决)
血清转氨酶水平升高(高达80%的患者与肝功能障碍无关,停药后会消失)
高钾血症(发生率为5-10%,是肝素诱导的醛固酮抑制的结果。开始后几天内可能出现高钾血症)
长期使用会导致脱发和骨质疏松症(罕见)
过敏反应
肝素过量可能致命。

肝素的结构(Structure of heparin)

天然肝素(Native Heparin),也叫未分离肝素/普通肝素(UFH,unfractionated heparin),是由不同长度/分子量的糖链的组成的粘多糖(Mucopolysaccharide)多聚体(Polymer),是一种混合物。

普通肝素的分子量为5000-40000(3000-30000)Da之间,带有大量的硫酸基和羧基,带大量负电荷(-),呈强酸性。

肝素的分子模型 肝素的球-棒模型

肝素分子链的主要结构:二糖单元( Disaccharide unit)

肝素主要由葡萄糖胺、L-艾杜糖醛苷、N-乙酰葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸等硫酸化二糖单元交替连接组成。

最常见的二糖单元由2-O-硫酸化的尿糖醛酸和6-O-硫酸、N-硫酸化的氨基葡萄糖组成,即IdoA(2S)-GlcNS(6S),占到牛肺中肝素的85%,占猪肠粘膜中肝素约75%。

GlcA = β-D-glucuronic acid (葡萄糖醛酸)

IdoA = α-L-iduronic acid (艾杜糖醛酸)

IdoA(2S) = 2-O-sulfo-α-L-iduronic acid(2-O-磺基-α-L-艾杜糖醛酸)

GlcNAc = 2-deoxy-2-acetamido-α-D-glucopyranosyl(2-脱氧-2-乙酰氨基-α-D-吡喃葡萄糖基)

GlcNS = 2-deoxy-2-sulfamido-α-D-glucopyranosyl(2-脱氧-2-磺胺基-α-D-吡喃葡萄糖基)

GlcNS(6S) = 2-deoxy-2-sulfamido-α-D-glucopyranosyl-6-O-sulfate(2-脱氧-2-磺胺基-α-D-吡喃葡萄糖-6-O-硫酸盐)

肝素的抗凝机制(Mechanism of action)

肝素的抗凝作用,依赖于抗凝血酶III(AT III)。

激活的AT III是凝血酶(FIIa)及FⅫa、FⅪa、FⅨa、FXa等含丝氨酸的蛋白酶的抑制剂。

肝素与AT的结合位点:五糖序列(Pentasaccharide)(戊糖)

肝素聚合物中包含的特定五糖硫酸化序列(pentasaccharide sulfation sequence) ,即GlcNAc/NS(6S)-GlcA-GlcNS(3S,6S)-IdoA(2S)-GlcNS(6S)结构,与ATIII结合。

抗凝血酶(ATIII)的两种晶体结构(Crystal structure)

A: 未结合肝素 B: 结合肝素的五糖序列(Pentasaccharide)

肝素与抗凝血酶III(ATIII)结合,引起ATIII发生构象变化,通过增加其反应位点环(Reactive site loop)的灵活性而导致AT III活化(反应位点环,增加对凝血酶(IIa) 和 FXa等蛋白酶的暴露)。

由于肝素的结合,抗凝血酶III(ATIII)对这些蛋白酶的灭活速率可以增加1000倍以上。

肝素/ATIII如何对凝血酶(FIIa)灭活?

肝素与ATⅢ所含的赖氨酸结合后引起ATⅢ构象改变,使ATⅢ所含的精氨酸残基更易与凝血酶的丝氨酸残基结合。

AT III与凝血酶(FIIa)通过精氨酸-丝氨酸肽键相结合,形成ATIII-凝血酶复合物。

凝血酶(FIIa)还必须在五糖序列附近的位置与肝素聚合物结合,才能被ATIII灭活。

肝素的高负电荷密度有助于其与凝血酶(IIa)的强静电相互作用。

与肝素结合的凝血酶(FIIa)裂解ATIII的反应环,并被共价键捕获,导致凝血酶失活。

最终,肝素、ATIII、凝血酶三者之间形成一个三元复合物(Ternary Complex)导致凝血酶失活。形成三元复合物至少需要肝素具备18个糖单元才能有效形成。

抗凝血酶-凝血酶-肝素的三元复合物(Ternary Complex)

因此,抑制凝血酶(FIIIa)活性的作用与肝素分子长度有关。

肝素分子链越长,则对凝血酶的抑制作用越大。

普通肝素的抗凝机制图

没有肝素时,ATIII是一个缓慢的酶抑制剂。
肝素通过高亲和力的“戊糖序列”结合ATIII,改变ATIII构象,使ATIII成为“快”的抑制剂。
ATIII共价结合至凝血酶(FIIa)。
肝素从三元复合物上脱离,可再次与另一分子ATⅢ结合而被反复利用。
AT Ⅲ-凝血酶复合物则被网状内皮系统所消除。

肝素的作用与功效(肝素保胎的原理是什么)

肝素/ATIII如何对FXa因子灭活?

肝素结合AT,使AT发生构象改变,从而激活AT III。

肝素通过ATIII灭活FXa因子,只需要ATIII结合肝素的五糖结合位点(戊糖),激活ATIII即可。

注:据研究,FXa不仅与ATIII的“反应环”相互作用,还与ATIII上的特定外位点(Exosite)结合。这种结合,通过支持正的(+)和抑制负的(-)外位点相互作用,增强肝素对ATIII的变构激活。

肝素分子链大小,所产生的抗凝差异,推动了低分子肝素(LMWH)和人工合成肝素(Synthetic heparin) 作为抗凝剂的发展。

低分子量肝素(LMWH),是普通肝素(UFH)经过了分离(解聚),得到的小分子量的肝素(平均分子量<8000Da)

人工合成肝素,也叫超低分子量肝素(ULMWH),即磺达肝癸钠( Fondaparinux),是一种人工合成五糖(分子量1727 Da),其化学结构几乎与聚合肝素和硫酸乙酰肝素中的AT结合五糖序列相同。Fondaparinux增强ATIII灭活Fxa的能力300倍。

Fondaparinux分子结构(戊糖结构)

低分子肝素和超低分子肝素的抗凝机制图

其他文献报道:

当肝素链长度小于30个糖单位(MW 9000 Da)时,凝血酶抑制作用降低;
当五糖序列相邻的糖单位少于12个(MW 3600 Da)时,对凝血酶的抑制作用完全丧失。
低分子肝素(LMWH)虽然是一种弱的凝血酶抑制剂,但具有较强的抗FXa活性。
类似地,磺达肝癸钠虽然没有凝血酶抑制活性,但具有有效的抗FXa活性。
Choay等人合成了不同长度序列的糖链,并最终证明,合成的五糖与抗凝血酶(ATIII)的结合能力最强(Ka:7×106/M),并增强了对因子Xa的抑制活性。
五糖是肝素与抗凝血酶(ATIII)结合所需的最小序列,这最终导致了合成五糖的临床开发,即Fondaparinux。
五糖序列中的3-O-硫酸基对于抗凝血酶与肝素的结合是必不可少的。


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