缺血再灌注损伤().ppt

思考题,1.缺血再灌注损伤氧自由基生成增多的机制是什么？ 2.缺血再灌注损伤钙超载的机制是什么？ 3.缺血再灌注损伤对机体有利还是有害？ 4.组织缺血后在再灌注时应注意什么问题？,缺血-再灌注损伤 (Ischemia-reperfusion injury),Department of Pathology, Shanghai University of TCM,简介 (Introduction),1955年，Sewell结扎狗冠状动脉后，发现如突然解除结扎恢复血流，动物室颤而死亡。 1960年，Jennings第一次提出心肌再灌注损伤的概念。 1981年，Greenberg等证实猫小肠缺血3小时后再灌注时，粘膜损伤更严重。,简介 (Introduction),休克、DIC微循环再通 溶栓疗法 动脉搭桥术 体外循环后心肺复苏 断肢再植、器官移植等血供恢复后,临床发现,定义 (Definition),缺血再灌注损伤 (ischemia-reperfusion injury) ：在缺血的基础上恢复血流后，组织器官的损伤反而加重的现象。 缺血再灌注损伤具有器官普遍性。,缺血再灌注损伤 缺血再灌注,原因 (Cause): 组织器官缺血基础上的血液再灌注。 全身循环障碍后恢复血供：如休克微血管痉挛解除后、心脏骤停后心脑肺复苏等。 组织器官缺血后血液恢复：断肢再植，器官移植。 血管再通后：冠脉搭桥术，PTCA，溶栓疗法等。,第一节:缺血再灌注损伤的原因及条件,再灌注时损伤是必然结果吗?,影响条件 (Conditions) 缺血时间 侧支循环 需氧程度 再灌注条件,缺血时间对大鼠再灌注心律失常的影响,自由基的作用 钙超载 微血管损伤和白细胞的作用,第二节:缺血再灌注损伤的发生机制,自由基：外层轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团和分子的总称。 类型： 1. 氧自由基： O2 OH 2. 脂性自由基：LO LOO 3. 其它：Cl CH3 NO (ONOO-) 作用：生理情况下，自由基主要参与体内的电子转移，杀菌和物质代谢。,自由基 (free radical),自由基的产生 (source), 线粒体： 自由基生成的主要场所之一。 自然氧化：Hb、Mb、CA等自然氧化过程中生成。 酶催化：体内存在的黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶等。 毒物作用： CCl4、百草枯（除草剂）等。,氮自由基,一氧化氮（nitric ocide, NO） cNOS O2 NOS：iNOS eNOS L-精氨酸 L-胍氨酸 +NO NADPH NADP+ 过氧亚硝基阴离子（peroxynitrite, ONOO- ),体内羟自由基的主要生成途径,Haber-weise 反应及Fenton型Haber-weise反应 O2 + H2O2 O2 + OH + OH- Haber-weise 反应 O2 + H2O2 Fe2+ O2 + OH + OH- Fenton型Haber-weise 反应 射线作用 H2O X或射线 H2O+ （带正电水） H2O* （激发态水） H2O X或射线 OH- + H+ H2O 均裂 OH + H,Vit C、谷胱甘肽、辅酶Q,Vit E、胡萝卜素,自由基的清除 (elimination),1) 低分子清除剂,2) 酶性清除剂,自由基的清除 (elimination),过氧化氢酶(CAT),过氧化物酶,超氧化物歧化酶,MnSOD,CuZnSOD,生理情况下，自由基的生成与清除处于动态平衡。,自由基的平衡 (equilibrium),病理情况下，如果自由基生成过多或机体抗氧化能力不足，可引发氧化应激(oxidative stress)，导致细胞损伤。,自由基的平衡 (equilibrium),黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞激活 线粒体内氧单电子还原增多 儿茶酚胺氧化增加,缺血再灌注时氧自由基增多的机制,黄嘌呤脱氢酶(XD) 90% 黄嘌呤氧化酶(XO) 10% XD xanthine dehydrogenase XO xanthine oxidase,(1) 黄嘌呤氧化酶途径（血管内皮源性）,Ca2+依赖性蛋白酶,缺血缺氧,ATP分解、耗竭,次黄嘌呤大量堆积,(+) 钙依赖性蛋白酶,离子转运功能障碍,XD XO,ADP、AMP含量升高,胞浆Ca2+,黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞激活：缺血激活补体，使细胞膜分解产生多种趋化物质，如补体片段、白三烯等，吸引并激活中性粒细胞。再灌注时，组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧量增加，产生大量氧自由基，称为呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发(oxygen burst)，造成细胞损伤。,缺血再灌注时氧自由基增多的机制,黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞激活 线粒体内氧单电子还原增多：缺血缺氧时，线粒体氧化磷酸化功能受损，氧单电子还原增多；同时，Ca2+超载可损伤线粒体功能，抑制细胞色素氧化酶系统，也会使活性氧的产生增多。 儿茶酚胺氧化增加：单胺氧化酶,缺血再灌注时氧自由基增多的机制,氧自由基的损伤作用, 膜脂质过氧化增强 破坏膜的正常结构，使膜的液态性、流动性降低，通透性增加；脂自由基导致离子通道功能障碍、细胞信号转导功能障碍；促进自由基及其它生物活性物质生成；导致线粒体功能抑制，ATP生成减少。, 抑制蛋白质功能,氧自由基的损伤作用, 破坏核酸及染色体 自由基可使碱基羟化或DNA断裂，从而引起染色体畸变或细胞死亡。这种作用80%为OH. 所致，因为OH. 易与脱氧核酸及碱基反应并使其结构改变。,氧自由基的损伤作用,钙超载 (calcium overload)： 缺血组织恢复血流后，细胞内钙含量显著增高并导致细胞损伤的现象。 静息状态下，细胞外Ca2+ 是细胞内Ca2+ 的104倍。 细胞内Ca2+主要储存在线粒体和肌浆网。,二、钙超载,细胞钙稳态的维持,Ryano 受体 IP3 受体, Na+/Ca2+交换异常 细胞内高Na+对Na+/Ca2+交换蛋白的直接激活 细胞内高H+对Na+/Ca2+交换蛋白间接激活 蛋白激酶C(PKC)活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活 生物膜损伤,缺血再灌注时钙超载的机制,1Ca2+,1Na+,1H+,Na+-H+ exchanger,1.Na+-Ca2+ 交换异常,Ca2+ overload, Na+/Ca2+交换异常 细胞内高Na+对Na+/Ca2+交换蛋白的直接激活 细胞内高H+对Na+/Ca2+交换蛋白间接激活 蛋白激酶C(PKC)活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活 缺血再灌注时，内源性儿茶酚胺释放增加，通过1肾上腺素受体激活G蛋白磷脂酶C(PLC)介导的细胞信号转导通路。PLC 分解磷脂酰肌醇，生成IP3和DG，IP3促进钙释放，DG激活PKC促进NaH交换，进而增加NaCa2交换。,（一）缺血再灌注时钙超载的机制,(2)生物膜损伤 细胞膜损伤，对Ca2+ 的通透性增加。 肌浆网膜损伤，对Ca2+ 的回摄减少。 线粒体膜受损，产能降低，细胞膜和肌浆网膜能量供应不足。,（一）缺血再灌注时钙超载的机制,线粒体功能障碍ATP生成 再灌注后，细胞内钙增加，刺激线粒体钙泵摄钙，钙与线粒体内含磷酸根的化合物结合，形成沉淀，干扰线粒体的氧化磷酸化。 激活膜磷脂酶生物膜损害 钙浓度升高可激活多种磷脂酶，促进膜磷脂分解，造成生物膜的损伤。,（二）钙超载引起再灌注损伤的机制,引起心律失常 由于NaCa2交换增加，形成一过性内向性离子流，在心肌动作电位后形成迟后除极。 促进氧自由基生成 通过增强钙依赖性蛋白激酶活性，加速黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶。 使肌原纤维挛缩，断裂，细胞破坏 缺血再灌注后，细胞重新获得能量，在胞浆中高浓度钙的条件下，肌原纤维过度收缩。,（二）钙超载引起再灌注损伤的机制,结扎犬冠状动脉造成心肌局部缺血一段时间后，再开 放结扎动脉恢复血流，部分缺血区并不能得到充分的 血液灌流，这种现象被称为无复流现象（no-reflow phenomenon），见于心肌、脑、肾和骨骼肌等，与 缺血再灌注时中性粒细胞的激活及其致炎因子的释放 造成微血管损伤有关。,三、白细胞的作用,缺血-再灌注后数分钟内，血管内皮细胞和白细胞表达大量黏附分子，如P-选择素表达增加，使白细胞沿内皮细胞表面缓慢滚动，形成不稳定黏附； 再灌注4h后，整合素表达增加，白细胞和内皮细胞出现牢固黏附； 同时，再灌注损伤时，内皮细胞和白细胞释放具有趋化作用的炎症介质，吸引大量白细胞穿过血管壁游走到细胞间隙，导致白细胞黏附聚集。,三、白细胞的作用,2）血管内皮细胞与噬中粒细胞介导的再灌注损伤（微血管损伤）： 血液流变学改变、微血管口径改变、微血管通透性改变。 大量致炎物质使细胞损伤。,三、白细胞的作用,一、心脏缺血再灌注损伤的变化 （一）心功能变化 再灌注性心律失常 心肌舒缩功能降低 （二）心肌代谢变化 （三）心肌超微结构变化,第三节:IRI时机体的功能及代谢变化,IRI时心脏功能的变化,1. 缺血再灌注性心律失常 心肌再灌注过程中出现的心律失常称为再灌注性心律失常，室性心律失常最为常见。 动物试验中，再灌注性心律失常发生率可达5070。 再灌注性心律失常的发生与心肌缺血的时间长短有关。,2. 心肌舒缩功能降低 心室舒张末期压力（VEDP）增大 心室收缩峰压（VPSP）降低 心室内压最大变化速度（dp/dt max）降低。,IRI时心脏功能的变化,（一）脑再灌注损伤时细胞代谢的变化： 脑缺血后短时间内ATP、CP、葡萄糖、糖原,乳酸，FFA 兴奋性氨基酸： Glu、Asp 抑制性氨基酸 ：GABA、Gly （二）脑结构变化： 最明显的变化是脑水肿和脑细胞坏死，脑水肿的产生是膜脂质过氧化的结果。,二、脑IRI时的变化,一、减轻缺血性损伤，控制再灌注条件 针对缺血原因，尽早恢复血流； 采用低压、低流、低温、低PH、低钠、低钙的原则。 二、改善缺血组织的代谢 1. 补充糖酵解底物（磷酸己糖）； 2. 补充外源性ATP可使细胞膜蛋白磷酸化； 3. 针对线粒体损伤所致的氧化磷酸化受阻，应用氢醌、细胞色素C等进行治疗。,第四节:防治IRI的病理生理基础,三、清除自由基 低分子清除剂：Vit E、Vit A； Vit C、GSH 酶性清除剂：CAT、GSH-px、SOD 四、减轻钙超载 五、各种预处理,第四节:防治IRI的病理生理基础,stable chemical,free radical,antioxidant,activation,oxidation (disease),stable chemicals,scavenging,Consequences of DNA damage,LONG-TERM CONSEQUENCES,Ageing,Cancer,other Disease,DNA REPAIR MECHANISMS,SHORT-TERM CONSEQUENCES,ABNORMAL GROWTH & METABOLISM,PHYSIOLOGICAL DYSFUNCTION,CELL DEATH,Decreased cellular proliferation,Defective signalling pathways,Impaired protein/ gene expression,Genomic instability,DNA DAMAGE,自由基与放射损伤,高能射线的直接损伤作用 高能射线的间接损伤作用 放射损伤的继发效应,自由基与动脉粥样硬化,氧化修饰的低密度脂蛋白(oxidative LDL, oxLDL)和氧化应激对血管内皮细胞损伤造成大、中动脉内膜的慢性炎症性病变。 oxLDL主要通过以下几条途径促进动脉粥样硬化的发生发展 吸引吞噬细胞向内膜中聚集 引起内膜炎症 刺激内皮表达粘附蛋白，分泌生长因子，促进炎细胞浸润和平滑肌细胞增生 可抑制磷脂-胆固醇酰基转移酶，从而明显损伤胆 固醇的逆向转运,lipid hydroxides, hydroperoxides, aldehydes, epoxides, ketones, ceroid, isoprostanes,Necrotic core,Fibrous cap,Lipid peroxidation products in an atherosclerotic lesion are both enzymatically and non-enzymatically produced.,Foam cell 15-LOX ,缺血预处理,Ischemic Preconditioning, IPC,概念,多次的短暂缺血可以使心肌对随后发生持续性缺血的耐受性增强。,历史沿革,1986年 Murry 通过犬冠脉结扎，发现心肌IPC现象； 1990年Deutsch 首先发现人类重复血管球囊扩张可诱发心肌IPC； 1993年Yellow 首次采用人心肌标本直接证实这一现象存在。,Ischemic Preconditioning,The size of an infarct resulting from a 40-min occlusion of a branch of a dogs coronary artery could be greatly reduced if the heart were subjected to 4 brief periods of 5 min of ischemia and 5 min of reperfusion prior to sustained ischemia. The heart adapted itself within minutes to become resistant to ischemia-induced infarction. Murry CE et al. Preconditioning with ischemia: a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium. Circulation 74:11241136, 1986.,Cardioprotections by PC,Limit infarct size Mitigate myocardial stunning Improve Arrhythmias,Microcirculation Protections by PC,Blunt the impaired endothelial-dependent relaxation. Ameliorate capillary plugging, leukocyte adhesion, and emigration. Reduce venous protein leakage effects of prolonged ischemia.,Acute preconditioning (classical preconditioning) within 2 h protein synthesis-independent Delayed preconditioning (ischemic tolerance) 24 h - 72 h after the initial insult altered gene expressionsynthesis of proteins (antioxidant enzymes, NO synthase, etc.).,预处理的保护作用的特点,有记忆性 预处理后10分钟2小时内，再予缺血再灌注，心肌有记忆。 呈双峰分布 初始阶段（典型缺血预处理）：数分钟3小时 延迟阶段(延迟预处理,第二保护窗)：数小时至数天或更长 非特异性 预处理方法各不相同,产生保护作用十分相似。 普遍性 生物界中存在的一种普遍规律，不同种属及器官都具有。,心肌IPC的临床证据,梗塞前48h心绞痛(Kloner) 改善心功能，降低死亡率 冠脉侧支循环血流增多 冠脉球囊成形术(PTCA)(Deutsch) 观察心绞痛程度、ST段偏移、肺毛细血管楔压、心肌乳酸代谢产物等指标。 对心绞痛的适应性(Okazaki) 心绞痛病人二次连续负荷运动 观察两次发作时间，ST段压低幅度，局部心肌氧耗量，心脏大静脉Ado释放量。,IPC的可能机制,腺苷受体激活 去甲肾上腺素 ATP敏感性K+通道 (KATP) 蛋白激酶C （PKC） 内皮释放的介质 热休克蛋白,研究进展 缺血后处理,缺血后处理(ischemic postconditioning, I-postC)是缺血心脏有效的内源性保护现象，可以减轻缺血再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)后心肌坏死与心肌功能障碍，减少恶性心律失常的发生。,I-postC的心脏保护机制,内源性触发因子及其受体 细胞内信号途径 内源性心脏保护的细胞内效应器,内源性触发因子及其受体,触发因子包括腺苷、乙酰胆碱、阿片肽和氧自由基 腺苷A1 和A3 受体 乙酰胆碱M1受体 阿片阿片受体 缓激肽B2 受体、血管紧张素II过AT1 受体,细胞内信号途径,PI3K/Akt 途径 ：广泛存在于细胞中，活化的Akt 磷酸化下游底物发挥抗凋亡、促进细胞存活。 MAPKs： I-postC激活ERK1/2 并限制心肌梗死范围；I-postC 通过抑制SAPK/p38 MAPK 减轻缺氧/ 复氧所致细胞凋亡 PKC：PKC抑制剂chelerythrine消除在体兔心脏I-postC 限制心肌梗死范围的保护作用；I-postC 对大鼠I/R 心肌的保护作用与诱导PKC 表达和转位有关。 其它细胞内信号转导途径：PKG；PKA,内源性心脏保护的细胞内效应器