缺血再灌注病理生理学

缺 血 -再 灌 注 损 伤(Ischemia-reperfusion injury) 第 一 节 概 述(Introduction) 概 念 (Concept) 缺血器官在恢复血液灌注后缺血性损伤进一步加重的现象，称为缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury)。 研 究 缺 血 -再 灌 注 损 伤 的 临 床 意 义 器 官 缺 血 后 恢 复 血 供 ： 休 克 、 冠脉 痉 挛 、 心 脏 骤 停 后 复 苏 血 管 再 通 术 ： 动 脉 搭 桥 、 PTCA、溶 栓 疗 法 体 外 循 环 术 器 官 移 植 及 断 肢 再 植 术 第 二 节 缺 血 -再 灌 注 损 伤 发 生 的 条 件(Influence factors of ischemia-reperfusion injury) (Duration of ischemia) 过 长 坏 死缺 血 时 间 太 长 或太 短 均 不 易 发 生IRI 过 短 功 能 恢 复1、 缺 血 时 间 的 长 短 2、 再 灌 注 时 灌 流 液 的 条 件 反常(calcium paradox):预先用无钙溶液短暂灌流后，恢复正常含钙溶液灌流，导致细胞外Ca2+大量内流而引起细胞损伤进一步加重的现象。(Conditions of reperfusion fluid) 氧 反 常 (oxygen paradox):用 低氧 或 无 氧 灌 注 液 灌 注 心 脏 一 段 时间 后 恢 复 正 常 氧 供 应 ， 心 肌 的 损伤 更 趋 严 重 的 现 象 。 pH反 常 (pH paradox):再 灌 注 时迅 速 纠 正 缺 血 组 织 的 酸 中 毒 ， 损 伤反 而 进 一 步 加 重 的 现 象 。 pH反 常 (pH paradox)再 灌 注 时 纠 酸 损 伤 加 重低 氧 灌 注 /缺 氧 培 养 复 氧 损 伤 加 重氧 反 常 (oxygen paradox)钙 反 常 (calcium paradox)无 钙 液 灌 注 含 钙 液 心 肌 损 伤 加 重 3、 组 织 器 官 缺 血 前 的 功 能 状 态 能 量 贮 备 及 对 缺 血 的 敏 感 性 血 液 循 环 侧 支 代 偿 情 况 (Functional state of organs before ischemia) 第 三 节 缺 血 再 灌 注 损 伤 的 发 生 机 制(Mechanisms of ischemia-reperfusion injury) (Injury of reactive oxygen) 活性氧(reactive oxygen)是化学性质活泼的含氧代谢物，包括氧自由基、单线态氧、过氧化氢、NO脂质过氧化物（LOOH）及其裂解产物脂氧自由基（LO）、脂过氧自由基（LOO ）等。一 、 活 性 氧 的 作 用 自 由 基 (free radical)是 指 在 外 层 电 子 轨 道 含 有 一 个 或 多 个不 配 对 电 子 的 原 子 、 原 子 团 或 分 子 。 以 氧 为 中 心 的 自 由 基 称氧 自 由 基 。 单 线 态 氧 (1O2)是 一 种 能 量 较 高 的 激 发 态 氧 ， 其 氧 分 子 的同 一 或 不 同 外 层 轨 道 中 有 两 个 自 旋 方 向 相 反 的 电 子 。 这 种 氧分 子 在 紫 外 光 谱 中 呈 现 一 条 单 线 ， 故 称 单 线 态 氧 。 一 氧 化 氮 (NO)是 L-精 氨 酸 在 一 氧 化 氮 合 酶 催 化 下 产 生 的 ，有 一 个 不 配 对 电 子 。 作 用 具 有 双 重 性 ， 生 理 状 态 下 具 有 保 护作 用 ， 能 扩 张 血 管 、 降 低 血 压 、 松 弛 平 滑 肌 ， 还 具 有 信 号 传递 、 酶 活 性 调 节 、 免 疫 调 节 及 抗 氧 化 损 伤 等 生 物 活 性 ； 诱 导型 NOS作 用 下 大 量 合 成 则 有 毒 性 作 用 ， 不 仅 作 用 于 铁 蛋 白 ，影 响 线 粒 体 磷 酸 化 ， 还 可 生 成 OH 等 ， 可 能 造 成 组 织 、 细 胞损 伤 。 1. 氧 自 由 基 (oxygen free radical， OFR) 自 由 基 的 种 类 (Categories of free radicals) e-+H+ H2Oe- _O2e-+2H+H2O2 e-+H+H2O OHO2O2 、 OH 、 1O2 、 H2O22. 脂 性 自 由 基 (lipid free radical)氧 自 由 基+多 价 不 饱 和 脂 肪 酸 L.LO.LOO.3. 其 他 (others)Cl. ， CH3. ， NO等 (二 )再 灌 注 时 活 性 氧 增 多 的 机 制 (Mechanism of reactive oxygen generation) 1.黄 嘌 呤 氧 化 酶 途 径 (xanthine oxidase pathway)正 常 时 黄 嘌 呤 氧 化 酶 （ xanthine oxidase, XO） 占 10 ， 其 前 身 黄 嘌 呤 脱 氢 酶 （ xanthine dehydrogenase, XD）占 90 。缺 血 时 钙 超 载 导 致 XD转 化 为 XO ATP降 解 ， 次 黄 嘌 呤 增 加再 灌 注 时 大 量 氧 使 次 黄 嘌 呤 生 成 黄 嘌 呤 ， 再 生 成 尿 酸 上 述 两 过 程 均 有 氧 自 由 基 生 成 (+) (+)缺 血 ,缺 氧 补 体趋 化 物质 中 性 粒 细 胞聚 集 ,耗 氧 氧 经 NADPH氧 化 酶 和NADH氧 化 酶催 化 生 成 大 量氧 自 由 基中 性 粒 细 胞的 呼 吸 爆 发(respiratory burst)2.中 性 粒 细 胞 途 径 (neutrophil pathway) 3.线 粒 体 途 径 (mitochondrion pathway)缺 氧 再 灌注 线 粒 体 Ca2+ 细 胞 色 素氧 化 酶功 能 抑 制氧 单 电 子 还 原氧 自 由 基呼 吸 链 传 递 电 子 效 能 下 降含 Mn的 SOD呼 吸 链 复 合 体 缺 血 ,缺 氧激 活 交 感 -肾 上 腺 髓 质 系 统儿 茶 酚 胺单 胺 氧 化 酶氧 自 由 基4.儿 茶 酚 胺 自 身 氧 化 途 径(catecholamine auto-oxidation pathway) 5.诱导型NOS表达增强大量NO生成，NO及其代谢产物均可导致组织损伤6.体内清除活性氧的能力下降p抗氧化酶类， 如超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）p非酶性抗氧化物，如维生素E、谷胱甘肽、白蛋白铜蓝蛋白等 Target Chemical alteration Physiological alterationsLipids Peroxidation of double bonds Lipid-lipid cross-linking Membrane permeability changes Impairment of organelle function Receptor conformation changesProtein Oxidation of double bonds Oxidation of SH groups Enzyme inhibition Protein denaturation Receptor conformation changesCarbohydrates Oxidation of double bonds Receptor conformation changes Denaturation of glycoproteinNucleic acids Oxidation of double bonds Strand scission Base modification Mutations (三 )活 性 氧 的 损 伤 作 用(Injury of reactive oxygen) (1) 破 坏 膜 的 正 常 结 构脂 质过 氧 化 膜 不 饱 和脂 肪 酸 不 饱 和 脂 肪 酸 /蛋 白 质 比 例 失 调膜 液 态 性流 动 性膜 通 透 性Ca2+内 流1.膜 脂 质 过 氧 化 作 用 增 强 (enhanced lipid peroxidation of membrane) (2) 间 接 抑 制 膜 蛋 白 功 能脂 质 之 间 交 联 (-) 钙 泵 、 钠 泵Na2+/Ca2+交 换 蛋 白胞 内 Na2+、 Ca2+钙 超 载 、 细 胞 肿 胀 (3) 促 进 自 由 基 及 其 它 生 物 活 性 物 质 生 成膜 脂 质过 氧 化 磷 脂 酶 C磷 脂 酶 D 膜 磷 脂 分 解花 生 四 烯 酸脂 氧 合 酶白 三 烯过 氧 化 物 环 氧 合 酶前 列 腺 素 内 过 氧 化 物OH.TXA2 PG自 由 基(+)(4) 减 少 ATP生 成 自 由 基 对 膜 的 损 伤 蛋 白 质 变 性 蛋 白 质 (酶 )交 联例 ： 肌 纤 维 蛋 白 对 Ca2+反 应 性 心 肌 收 缩 力肌 浆 网 钙 转 运 蛋 白 受 损 钙 调 节 异 常2.导 致 蛋 白 质 变 性 和 酶 活 性 降 低 (protein denaturalization and decreased activity of enzymes)核 酸 碱 基 的 羟 化 ， DNA的 断 裂染 色 体 的 断 裂3.引 起 DNA断 裂 和 染 色 体 畸 变 (DNA disruption and chromosome aberration) 二 、 细 胞 钙 超 载 引 起 再 灌 注 损 伤 (一 )细 胞 钙 超 载 的 机 制 (Mechanism of calcium overload) Ca2+ Ca2+ATP Na2+H+正 常 细 胞 Ca2+运 转 体 系 缺 血 ATP 钠 泵 活 性 Na+i(+)Na+-Ca2+蛋 白酸 中 毒 再 灌 注 组 织 间 隙 H+细 胞 内 H+仍 高 (+) Na+-H+交 换1. 细 胞 内 Na+对 Na+-Ca2+交 换 蛋 白 的 直 接激 活 (direct activation of intracellular high level of Na+ to Na +-Ca2+ exchanger) 胞 内 钙 2.生 物 膜 损 伤 致 细 胞 内 钙 超 载(1) 细 胞 膜 损 伤缺 血 膜 外 板 与 糖 被 膜 分 离Ca2+(+)磷 脂 酶 膜 磷 脂 降 解自 由 基 膜 脂 质 过 氧 化(2) 线 粒 体 及 肌 浆 网 损 伤线 粒 体 和 SR释 放 Ca2+钙 泵 能 量 不 足 膜 通 透 性(3)ATP产 生 1.线 粒 体 功 能 障 碍线 粒 体摄 Ca2+ 消 耗 ATP磷 酸 钙 抑 制 氧 化磷 酸 化2.激 活 钙 依 赖 性 降 解 酶Ca2+ (+) ATP磷 脂 酶 膜 磷 脂 分 解 膜 受 损花 生 四 烯 酸 、 溶 血 磷 脂(二 )细 胞 内 钙 超 载 引 起 缺 血 再 灌 注 损 伤 的 机 制(Mechanism of ischemia-reperfusion injury induced by calcium overload) 3.致 心 肌 心 律 失 常Na+-Ca2+交 换 Ca2+入 致 一过 性 内 向离 子 流 迟 后 除 极4.促 进 活 性 氧 生 成Ca2+ (+) Ca2+依 赖 性 蛋 白 酶 (XD XO)5.破 坏 细 胞 骨 架 三 、 白 细 胞 的 作 用1.趋 化 因 子 生 成 增 多 (increased production of chemokines)(一 )再 灌 注 时 白 细 胞 聚 集 的 机 制leukotriene、 prostaglandin、 PAF、 kininneutrophils 2.细 胞 黏 附 分 子 生 成 增 多(increased production of adhesion molecules) Integrinselectin (二 )白 细 胞 聚 集 引 起 缺 血 再 灌 注 损 伤 的 机 制 1.阻 塞 微 循 环 无 复 流 现 象 L-selectinVSMC VSMCMyocyte Myocyte MyocyteEndothelium RollingNeutrophil OFR, C5a ,PAF+ NO, Adenosine_ IntegrinsCD11/CD18 Adhesion MigrationOFR ,Proteases VSMCte te teExtravasationEndothelium PECAM-1ICAMP-selectin Interaction between endothelial cells and neutrophils. 2. 释 放 活 性 氧3. 释 放 各 种 颗 粒 酶 性 成 分 ： 弹 性 蛋 白 酶 、 胶 原 酶 和 凝 胶 酶 非 酶 性 成 分 ： 次 氯 酸 和 氯 胺4.产 生 各 种 促 炎 性 细 胞 因 子 TNF-、 IL-1 第 四 节 缺 血 再 灌 注 损 伤 时机 体 的 功 能 及 代 谢 变 化(Functional and metabolic changes during ischemia-reperfusion injury) (Ischemia-reperfusion injury of myocardium)一 、 心 肌 缺 血 再 灌 注 损 伤1.再 灌 注 性 心 律 失 常(reperfusion arrhythmia) 在 心 肌 缺 血 再 灌 注 过 程 中出 现 的 心 律 失 常 。 在 缺 血 心 肌 血 流 恢 复 后一 段 时 间 内 ， 心 肌 舒 缩 功 能仍 不 能 恢 复 正 常 的 状 态 ， 称为 心 肌 顿 抑 。2.心 肌 顿 抑(myocardial stunning) 3.再 灌 注 对 心 肌 代 谢 的 影 响 (Influence of reperfusion on myocardium metabolism) 线 粒 体 受 损 能 量 合 成再 灌 注 底 物 冲 走 高 能 磷 酸化 合 物4.再 灌 注 对 心 肌 超 微 结 构 的 影 响 (Influence of reperfusion on ultrastructure of myocardium) 二 、 脑 的 缺 血 再 灌 注 损 伤(Ischemia-reperfusion injury of brain) 病 理 性 慢 波lipid peroxidation injury水 肿 、 坏 死 1.小 肠 (intestine) 黏 膜 屏 障 通 透 性 菌 血 症 或 内 毒 素 血 症2.急 性 肾 功 衰三 、 其 他 器 官 、 组 织 的 缺 血 再 灌 注 损 伤(Ischemia-reperfusion injury of other organs) 尽 量 缩 短 脏 器 缺 血 时 间 采 用 低 压 、 低 温 、 低 钙 再 灌 注 液 清 除 自 由 基 及 活 性 氧 减 轻 钙 超 载 ： 钙 拮 抗 剂 Na2+ / Ca2+ 、 Na2+ /H+交 换 抑 制 剂 抗 白 细 胞 疗 法 补 充 能 量 及 促 能 量 生 成 启 动 内 源 性 保 护 机 制 ： 缺 血 预 适 应 和 缺 血后 适 应 其 它 药 物 ： 细 胞 保 护 剂 扩 管 稳 膜 等第 五 节 防 治 的 病 理 生 理 基 础