《病理生理学》第十二章缺血-再灌注损伤

临床医学专业八年制卫生部规划教材,病理生理学,第,2,版,第 十二章 缺血,-,再灌注损伤,第十二章 缺血,-,再灌注损伤,ischemia-reperfusion injury,病例,患者，男，,58,岁，因胸闷、大汗,40min,入急诊。患者于上午,7,时突然胸闷伴大汗。含服硝酸甘油不缓解。上午,7,时,40,分来诊。体检：意识清楚，血压,80/55mmHg,，心率,55,次,/min,，律齐。,既往有原发高血压病史,10,年。,心电图示：急性前壁心肌梗死。,给予扩冠，降脂，心肌营养治疗。联系急诊,PTCA,。术中冠脉造影显示左前降支连续性中断，,90%,狭窄。球囊扩冠后，患者立即出现室颤，给予,300J,除颤一次，恢复窦性心率。术中反复发作室颤及室性心动过速，给予除颤及利多卡因后转变为窦性心率，生命体征逐渐平稳。,概述,一、 概念,在缺血的基础上恢复血流后组织损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血,-,再灌注损伤,（,ischemia reperfusion injury,，,IRI,）。,IRI,研究概况,1955,年,Sewell,报道，结扎狗冠脉后，如突,然解除结扎恢复血流，部分动物立,即发生室颤而死亡。,1960,年,Jennings,第一次提出了,MIR,概念,1968,年,Ames,脑,IRI,1972,年,Flore,肾,IRI,1978,年,Modry,肺,IRI,1981,年,Greenberg,肠,IRI,目前，,IRI,成为溶栓疗法、搭桥术、断肢再植、器官移植等医疗措施成败的关键因素之一。,氧反常：,预先用低氧溶液灌注组织器官或在缺氧条件下培养细胞一段时间后，再恢复正常氧供应，组织及细胞的损伤不仅未能恢复，反而更趋严重，称为氧反常,（,oxygen paradox,）。,钙反常：,以无钙溶液灌流离体大鼠心脏,2min,后再以含钙溶液灌注时，出现了心肌电信号异常、心 肌功能、代谢及形态结构发生异常变化，这种现象称为钙反常,（,calcium paradox,）。,pH,反常：,缺血引起的代谢性酸中毒是细胞功能及代谢紊乱的重要原因，再灌注时迅速纠正缺血组 织的酸中毒，反而加重细胞的损伤，称为,pH,反常（,pH paradox,）。,第一节 缺血,-,再灌注损伤的原因及影响因素,一、,IRI,常见原因,(,etiology),在组织器官缺血基础上的血液再灌注。,1.,组织器官缺血后恢复血液供应,2,一些新的医疗技术的应用,如动脉搭桥术、溶栓疗法、经皮腔内冠脉,血管成形术等,3.,体外循环下心脏手术,4.,断肢再植和器官移植等,二、,IRI,影响因素,(,factors,）,1.,缺血时间是影响缺血,-,再灌注损伤的首要因素。,2.,组织器官对氧的需求程度越高越容易发生缺血,-,再灌注损伤,如心、脑等。,3.,缺血组织器官侧支循环形成越早、越丰富损伤越轻。,4.,灌注液的压力、温度、,pH,值和电解质是影响缺血,-,再灌注的重要因素。,第二节 缺血再灌注损伤的发生机制,(pathogenesis),The,increase free radicals,calcium overload,neutrophils activation,dysfunction of micocirculation,play the principal roles in ischemia-reperfusion injury.,自由基损伤作用,钙超载,白细胞损伤作用,微循环作用,一、自由基的损伤作用,（一）概述,1.,概念与分类,自由基（,free radical,）,外层电子轨道上含有单个不配对电子的原子、原子团和分子的总称，也称游离基。,自由基的外层电子轨道的不配对电子状态使其极易发生氧化（失去电子,),或还原反应（获得电子）。,（,Free radical are a highly reactive group of atoms, molecules or radicals, which carry unpaired electron in outer orbital.,）,自由基分类（,classification of,free radical,）,氧自由基、脂性自由基、氮自由基,（,O,xygen free radical, Lipid radicals, Reactive nitrogen species,）,氧自由基（,oxygen free radical,，,OFR,）,由氧诱发的自由基称为,氧自由基，,oxygen-derived free radical,）,超氧阴离子自由基（,superoxide anion,）,羟自由基（,hydroxyl radical,）,OH,氧自由基,ROS,分类（,classofication of ROS,）,Reactive oxygen species (ROS) are composed by oxygen-derived free radicals (OFR) and non free radical substances, such as superoxide anion radical ( ), hydroxyl radical (,OH,), hydrogen peroxide (,H,2,O,2,) and singlet oxygen (,1,O,2,).,O,2,氧自由基,脂性自由基,ROS,非自由基活性氧,自由基活性氧,【,活性氧,】,（,reactive oxygen species, ROS,）,单线态氧,(0,2,),及过氧化氢,(H,2,O,2,),虽不是自由基，但氧化作用很强,与氧自由基共同称为活性氧,(reactive oxygen species, ROS),。,H,2,O,2,1,O,2, ONOO,-,O,-,2,形成：,自然氧化,如,CytC,、,Hb,、,CA,等在自然氧化过程中可,生成,O,2,-,HbFe,2+,HbFe,3+,+ O,2,酶氧化,XO,、,NADPH,氧化酶、醛氧化酶,线粒体,O,2,生成的主要场所之一,正常,:,O,2,+4e+4H,+,H,2,O+ATP,病理,:O,2,+e,+e +2H,+,H,2,0,2,+e+H,+,OH,+e+H,+,H,2,0,毒物作用,CCL,4,、百草枯（除草剂）,H,2,0,O,2,-,的生成是其他自由基或活性氧生成的基础,OH,的生成,O,2,-,+ O,2,-,+2H,+,H,2,O,2,+O,2,单纯性,Haber-Weiss,反应：反应很慢，很难产生,O,2,-,+H,2,O,2,OH,-,+,OH,+O,2,Fenton,反应：,O,2,-,H,2,O,2,OH,+,OH,-,OH,是活性氧中毒性最强的一种,SOD,SOD,Fe,2+,Fe,3+,脂性自由基（,lipid radicals,）,氧自由基与多聚不饱和脂肪酸发生脂质过氧化的链式,反应后生成的中间代谢产物。,烷自由基（,L,）,烷氧自由（,LO,）,烷过氧自由基（,LOO,）,脂性自由基,NO,和,ONOO,-,产生,一氧化氮（,NO,）,过氧亚硝基阴离子（,ONOO,-,）,RNS,分类,氮中心自由基,（,reactive nitrogen species, RNS,）,由氮形成，并在分子组成上含有氮的一类化学性质非常,活泼的物质。也称,活性氮。,3.,自由基的清除（,scavenge the free radicals,）,2.,自由基的特性（,property of free radical,）,存在时间短；,高度化学活泼性；,氧化性强。,（二）自由基增多机制（,mechanism of free radical increase,）,1.,黄嘌呤氧化途径 （,increase xanthine oxidase (XO) in VEC,）,2.,吞噬细胞呼吸爆发过程产生大量自由基,缺血时,:,补体激活或 细胞释放炎症介质如,LTB,4,，,白细胞在缺血区浸润。,再灌时：浸润的白细胞耗氧量显著增加：,NADPH +2O,2,2O,2,-,+NADP,+,+H,+,NADH+O,2,+2H,+,H,2,O,2,+NAD,+,NADPH,氧化酶,NADH,氧化酶,3.,线粒体电子传递链受损是自由基的主要来源之一,95%O,2,细胞色素,C,氧化酶,O,2,H,2,O,【,正常,】,4e,-,O,2,OFR,【,缺血,】,2%O,2,电子受体和传递电子,4e,-,95%O,2,呼吸链酶活性,O,2,H,2,O,【,再灌注,】,e,-,OFR,Ca,2+,超载,缺血,-,再灌注时自由基产生途径,黄嘌呤氧化酶途径,活性氧使脂质、蛋白质、核酸氧化,（三）,自由基损伤作用,（,mechanisms of free radical injury,）,-,【,氧化应激,】,（,oxidative stress,）,膜脂质过氧化增强（,lipid peroxidation,）,生物膜是自由基攻击主要部位。,脂肪酸、芳香环的不饱和键,OFR,（,ROS,）,脂质过氧化,细胞膜结构损伤和破坏,细胞内,Ca,2+,超载（,Ca,2+,overload,）,【,细胞膜损伤形式,】,膜结构破坏,膜脂质过氧化 膜不饱和性异常 膜流动性、通透性,膜蛋白功能抑制,受体失活、泵失灵,信号传递障碍,线粒体功能受损,ATP,生成减少,DNA,损伤和染色体畸变,胸腺嘧啶,5,，,6-,双键,胸腺嘧啶自由基,OH,（占,80%,活性氧）,加成反应,碱基发生修饰、断裂、交联,染色体畸变、断裂,蛋白质变性和酶活性降低,【,蛋白失活机制,】,破坏酶的活性中心巯基,破坏酶活性所必需的脂质微环境,酶之间形成多聚物,攻击酶活性中心部位的氨基酸,激活磷脂酶,A,2,PG,、,LT,生成 炎症反应加剧,二、钙超载（,calcium overload,）,各种原因引起的细胞内,Ca,2+,含量异常增多并导致细胞结构损伤和功能代谢障碍，严重者可造成细胞死亡的现象，称为钙超载,(calcium overload),。,2,Ca,2+,离开胞液的途径,Ca,2+,泵、,Na,+,-Ca,2+,交换、,Ca,2+,-H,+,交换。,（一）细胞内,Ca,2+,稳态调节,1,Ca,2+,进入胞液途径,质膜钙通道,电压依赖性,Ca,2+,通道,受体操纵性,Ca,2+,通道,细胞内钙库释放通道,（二）,钙超载机制（,calcium overload mechanism),1.,细胞膜通透性增加,（,membrane permeability increase,）,缺血 胞膜外板与糖被分离 胞膜通透性,膜磷脂降解 激活,PLA,2,胞内,Ca,2+,微管和微丝收缩,细胞膜通透性 心肌间紧密连接破坏,再灌注,Ca,2+,大量进入细胞内,OFR,细胞膜脂质过氧化,细胞膜通透性,Ca,2+,超载,2. Na,+,-Ca,2+,交换异常（,disorder of Na,+,/Ca,2+,exchange,）,缺血 胞内,pH,再灌注,Na,+,-H,+,交换 胞内,Na,+, Na,+,-Ca,2+,交换,细胞外,Ca,2+,内流,钙超载,3,线粒体损伤,（,mitochondrial injury,）,胞内游离钙,ROS,线粒体膜损伤,ATP,生成,钙泵活性,细胞内钙超载机制,4,儿茶酚胺增多（,CA increase,）,G,蛋白,-,磷脂酶,C IP,3,肌浆网,Ca,2,通道开放,CA,受体,DG,激活,PKC Na,+,-H,+,交换、,Na,+,-Ca,2+,交换,钙超载,胞浆,Ca,2+,受体,CA L,型钙通道开放,5,心律失常,4,肌原纤维挛缩和细胞骨架破坏,2,激活钙依赖性降解酶,胞内,Ca,2,+, PLA,2,激活 膜磷脂水解和受损,蛋白酶、核酸内切酶激活 心肌纤维损伤,3,促进氧自由基生成,XD,损害组织细胞,激活,Ca,2+,依赖性蛋白酶,钙超载,环加氧酶、脂加氧酶,XO OFR,PLA,2,激活 花生四烯酸,H,2,O,2,和,OH,（三）,钙超载引起细胞损伤的机制,1,线粒体功能障碍 心肌收缩性,线粒体内,Ca,2+,线粒体内磷酸钙沉积,ATP,缺血,-,再灌注损伤导致细胞死亡机制,三、白细胞的损伤作用（,role of neutrophils,）,1,细胞粘附分子（,cell adhesion molecules,）生成增多,缺血,-,再灌注,PMN,表达,P-,选择素与,VEC,受体呈间歇性结合 不稳定黏附,再灌注,WBC,表达,2,-,整合素 与,VEC(ICAM-1),牢固黏附,2,趋化因子生成增多,PMN,与,VEC,黏附,PMN,激活 释放趋化因子,(LTB,4,),再灌注,LT,、,PGE,2,、,PAF,、补体,WBC,聚集,无复流现象（,no-reflow phenomenon,）,解除缺血原因并没使缺血区得到充分血流灌注的反常现象。,The ischemia region could not be reperfused sufficiently,after relieving the occlusion to recover the blood flow.,Basic vasculartonicity is a continual balance between the influences of vasoconstrictors and vasodilatators. Endothelium and the smooth musculature play a vital part in,its control. The conservation of a qualified vasomotricity,improves postischaemic recovery of an organ.,四、微循环障碍,1.,增多、激活的中性粒细胞与血管内皮细胞之间的相互作用改变了微血管内血液流变学。,2.,激活的中性粒细胞与血管内皮细胞之间的相互作用是造成微血管结构损伤的决定因素。,3.,内皮细胞功能障碍导致的微血管收缩,-,舒张失调是微血管功能障碍的维持因素。,目前认为,缺血,-,再灌注损伤基本机制主要是自由基、细胞内钙超载、白细胞及微循环障碍的共同作用。,自由基是各种损伤机制学说中重要的启动因素。,细胞内钙超载是细胞不可逆性损伤的共同通路。,白细胞与微循环障碍是缺血,-,再灌注损伤引起各脏器功能障碍的关键原因。,第三节 主要器官缺血,-,再灌注损伤,(,一,),心功能变化,心肌顿抑,myocardial stunning,，又称迟呆心肌,指心肌短时间缺血后恢复再灌一段时间内心肌出现的,可逆性,收缩功能降低的现象。,自由基的作用和钙超载是心肌顿抑的主要机制,MIR,除心功能低下外，还可发生微血管迟呆（,microvascular stuning),一、心脏缺血,-,再灌注损伤,（,ischemia-reperfusion injury in heart,）,（二）,心律失常是缺血,-,再灌注损伤导致死亡的主要原因,患者主要以,室性心动过速,和,心室颤动,为主。,发生机制（,pathogenesis,）,ROS,、钙超载,Em,负值变小、电位震荡、早期后除极等,再灌注,GA,流失 心肌细胞自律性,心肌损伤、,ATP, K,ATP,钾通道激活 心律失常,心电图变化,（,change of ECG,）,缺血：,ST,段抬高，,R,波振幅增加。,再灌注损伤：,R,波振幅迅速降低，,ST,段高度恢复到原水平，,Q,波很快出现，由窦性心律转变为心室颤动。,比较心肌缺血损伤和再灌注损伤,心肌再灌注损伤的始动环节是能量代谢障碍，而直接损伤因素是,ROS,，其结果导致细胞内钙超载，并形成恶性循环。,二、脑缺血,-,再灌注损伤,（,ischemia-reperfusion injury to brain,）,细胞内酸中毒,钙超载,突触前兴奋性氨基,激活磷脂酶,A,2,膜磷脂降解和游离花生四烯酸,激活蛋白酶 微管解聚、,DNA,降解,N,元骨架破坏,突出前膜与后膜的蛋白质过度磷酸化,N,末梢去极化障碍,（一）对代谢的影响,代谢障碍,缺,血：,ATP,、,CP,产生 胞膜泵功能,再灌注损伤：,ROS,膜损伤、细胞水肿 细胞功能,（三）对超微结构的影响,脂质过氧化导致血脑屏障破坏,ROS,胞膜损伤 细胞和亚细胞器肿胀,乳酸,脑细胞严重损伤,钙超载 线粒体肿胀、钙盐沉积,CNS,胶质细胞、,VEC,肿胀，周围间隙增大、白质纤维间隙疏松，微血栓形成。,（二）对脑功能的影响,脑电图变化：,缺血 病理性慢波,再灌注 慢波持续并加重,发生机制：兴奋性,aa(,Glu,Asp),；,抑制性,aa(,Ala, GABA),第四节 缺血,-,再灌注损伤防治的病理生理基础,1,消除缺血原因，尽早恢复血流是预防缺血,-,再灌注损伤的首要、有效措施。,2.,控制再灌注条件是防控缺血,-,再灌注损伤的有效临床措施 实验与临床证实采用适当低压低流、低温、低,pH,、低钙、低钠液灌注，可减轻再灌注损伤。,3.,改善缺血组织的能量代谢，减轻再灌注损伤,补充糖酵解底物如磷酸己糖，外源性,ATP,4.,应用抗自由基细胞保护剂能有效地减轻缺血,-,再灌注损伤,如,SOD,、,CAT,、,GSH-PX,、维生素,E,、维生素,A,、维生素,C,等。,5.,减轻钙超载的发生是减轻缺血,-,再灌注损伤的有效措施之一,应用,Na,+,-H,+,交换蛋白及,Na,+,-Ca,2+,交换蛋白抑制剂可以更有效地防止钙超载的发生。,6.,减少中性粒细胞浸润和改善微循环功能可有效的减轻缺血,-,再灌注损伤。,