缺血半暗带与线粒体损伤的研究进展周盛年课件

缺血半暗带与线粒体损伤的研究进展,山东大学齐鲁医院神经内科 周盛年,缺血半暗带,长期以来，缺血半暗带一直是缺血性卒中急性期治疗的重要靶点，应用组织型纤溶酶原激活物迅速恢复灌注和挽救严重低灌注脑组织的临床研究证实了其价值。 但是，由于缺血半暗带组织狭窄的治疗时间窗和对病人严格的选择标准，致使溶栓治疗仅适用于少部分卒中患者。故如何早期诊断和挽救缺血半暗带组织一直是临床关注的焦点。,缺血半暗带,缺血半暗带学术关注度,缺血半暗带,一、缺血半暗带的定义 二、缺血半暗带的特点 三、半暗带区线粒体损伤与细胞死亡的可能机制 四、如何治疗 ?,一、缺血半暗带的定义,一、缺血半暗带的定义,在脑梗塞这样的脑动脉闭塞 (脑血栓形成或栓塞 )的情况下 ,通常存在侧支循环血流 ,所以某个动脉的闭塞并不意味着其供血区的血流完全断绝。 脑缺血的中心区固然有严重的血流不足和急速进行的脑组织坏死 ,但周边部的血流不足相对较轻 ,可能并未达到不可逆损害的程度。这样的部位被称为缺血半暗带 ( ischemic penumbra，IP) Gyanendra Kumar, Munish Kumar Goyal, Pradeep Kumar Sahota,etal.Penumbra- the basis of neuroimaging in acute stroke treatment: Current evidence.2010,288:13-24,缺血半暗带的定义,缺血半暗带（IP）这一概念最初是于1977年由Astrup 等通过动物实验提出的 其定义为大脑缺血中心区周围的低灌注区，该部分脑组织的电生理活动虽然停止，功能丧失，但膜结构保持完整性。 Astrup J , Siesjo BK, Symon L.。 Thresholds in cerebral ischemia t he ischemic penumbraJ . St roke ,1977 ,12 (6) :723-725.,而后 Hossmann 等和 Hakim分别从代谢角度和临床干预治疗方面将 IP定义为缺血而能量代谢仍保存的区域或 “基本上可逆” 的缺血组织， 即这部分组织具有双向改变的可能，即可通过改善脑血流量使IP的功能恢复，也可能由于脑血流量得不到改善而进一步发展为坏死。 1、Hossmann KA. Viability t hresholds and t he penumbra of focal ischemiaJ . Ann Neurol ,1994 ,36 (4) :553-554. 2、Hakim AM. Ischemic penumbra : t he t herapeutic window J . Neurology ,1998 ,51 (3 Suppl 3) :S44-46.,缺血半暗带的定义,缺血半暗带的定义,在神经生理学的描述中，缺血半暗带被定义为处于电衰竭和泵衰竭灌注时间窗之间的组织。近年来，随着影像学的发展，研究者开始趋向于用影像学参数定义。 在各种血流灌注参数中，相对脑血流量（rCBF）是最重要的，因为它直接反映脑组织氧和糖的供应量。 Ramez R.Moustafa,MSc,MRCP,and JeanClaudeBaron,MD.Imaging the Penumbra in Acute Stroke.Current Atherosclerosis Reports .2006,8:281-289,缺血半暗带的定义,已经肯定的是影响缺血半暗带的主要因素是rCBF下降的程度和时间。当rCBF降低到23 ml/100 g/min以下时，皮层诱发反应停止，这种状态叫做电衰竭，此时脑组织结构是完整的，只是功能受损； Kentaro Akazawa ，Kei Yamada ，Shigenori Matsushima ，etal。Is it possible to define salvageable ischemic penumbra using semiquantitative rCBF levels derived from MR perfusion-weighted imaging?Neuroradiology ，2008，50:939945,缺血半暗带的定义,如果rCBF进一步降低，约1012ml/100g/min时，并持续这种状态一段时间，就会出现膜离子稳态失衡，细胞坏死，脑组织出现不可逆转的损害，这种状态叫做泵衰竭 rCBF介于这两种状态之间的脑组织就叫缺血半暗带。 Kentaro Akazawa ，Kei Yamada ，Shigenori Matsushima ，etal。Is it possible to define salvageable ischemic penumbra using semiquantitative rCBF levels derived from MR perfusion-weighted imaging?Neuroradiology ，2008，50:939945,二、缺血半暗带的特点,二、缺血半暗带的特点,（一）病理生理学特点 通过成像方式将急性缺血性脑卒中的脑组织划分成 4个区域: (1)未受影响的组织 (2)轻度低灌注的组织 ,但通常没有危险 (血供减少组织 ) (3)有风险的组织 (缺血半暗带 ) (4)已经发生不可逆损伤的组织 (缺血核心 ) 孙旭红 , 李威.急性脑卒中缺血半暗带及成像.临床神经病学杂志, 2008, 21( 6):469-470,病理生理学特点,未受影响的脑组织局部 CBF为5060 ml / ( 100 gmin) ,脑灌注压 (CPP)波动在 60130mmHg范围内时 ,脑血容量 (CBV)由血管“ 自主调节 ” 而保持 CBF相对稳定; 当 CBF低于上述范围时 ,出现“ 供血减少组织 ” ,可通过“灌注储备 ” 提高摄氧分数(OEF)以维持脑的氧代谢率 (CMRO2 ) ,其细胞功能和形态均无异常 , CBF中度减少 ,OEF升高 , CMRO2正常。此类组织不是急性期治疗的目标 孙旭红 , 李威.急性脑卒中缺血半暗带及成像.临床神经病学杂志, 2008, 21( 6):469-470,病理生理学特点,供血减少的组织 CBF为 1820ml / (100 gmin) ,是正常值的 30%40% ,为缺血半暗带的域值;当 CPP进一步下降 ,增加的 OEF不能再维CMRO2 ,导致代谢损伤和神经元关闭 ,该处脑细胞 CMRO2轻度下降 ,OEF显著升高 ,即将发生梗死 ,但细胞形态完整 ,被称为缺血半暗带; 当 CBF 1012 ml / (100 gmin) ,低于正常值的 20% ,为梗死的域值。灌注衰竭进一步加重 , CMRO2 明显下降 ,缺血半暗带区域进入不可逆的缺血损伤 孙旭红 , 李威.急性脑卒中缺血半暗带及成像.临床神经病学杂志, 2008, 21( 6):469-470,缺血半暗带的特点,（二）生化改变 对于脑血流量减低引起缺血脑区最敏感的生理改变就是蛋白合成减少，当脑血流量低于0.5-0.6ml/g/min时，蛋白合成就开始减少，脑血流量降至0.35ml/g/min时，蛋白合成就会完全受到抑制，脑血流量进一步降低至0.25-0.35ml/g/min是，则会出现无氧糖酵解， 当降至0.25ml/g/min以下时还会出现严重的酸中毒、肌酐和ATP的减少 Hossmann KA. Pathophysiology and therapy of experimental stroke. Cell MolNeurobiol, 2006,26(78):10571083.,生化改变,从分子水平还可在缺血半暗带组织见到一些基因特异性的表达，如， hsp70 mRNA选择性的表达，并在血管闭塞3小时后达到高峰，因此认为这一基因的出现可能称为鉴别缺血半暗带的标志。 Hossmann KA. Pathophysiology and therapy of experimental stroke. Cell MolNeurobiol, 2006,26(78):10571083.,缺血半暗带的特点,（三）缺血半暗带的血流灌注及葡萄糖代谢特点 以往文献多认为脑缺血时脑血流灌注显像的特点为灶性或弥散性低灌注或无灌注，脑葡萄糖代谢的特点为缺血局部葡萄糖代谢减低。 对此，何洁等通过脑核素显像对脑梗塞患者缺血半暗带进行评价，发现灌注、 葡萄糖代谢在缺血半暗带的表现不一 ， 何洁，吉训明，张人玲等。脑核素显像对脑梗塞患者缺血半暗带的评价。医学影像学杂志，2009，19（5）：497-500,血流灌注及葡萄糖代谢特点,缺血脑组织的血流灌注可表现为高灌注、 正常或接近正常 ,而脑葡萄糖代谢除可表现为低代谢外 ,也可表现为高代谢、 正常或接近正常。 脑梗塞患者缺血半暗带的血流灌注和代谢状态与病程长短或检查距发病时间长短有关。发病时间短，其缺血脑组织的血流灌注及葡萄糖代谢以减低为主要表现;随发病时间延长,由于机体自身调节能力的不同原缺血脑组织可有不同转归 , 何洁，吉训明，张人玲等。脑核素显像对脑梗塞患者缺血半暗带的评价。医学影像学杂志，2009，19（5）：497-500,血流灌注及葡萄糖代谢特点,如缺血程度较轻、 缺血处于相对稳定状态；缺血程度逐渐加重 ,甚至缺血范围扩大 ,由此导致血流灌注和葡萄糖代谢也随之复杂化 ,表现为多种组合形式。 研究还根据DSA检查结果按照发病时间统计，发现梗塞早期多数患者尚未建立侧枝循环，急性缺血导致血流灌注和葡萄糖代谢一致性减低；随着缺血时间延长，侧枝循环逐步建立，缺血局部血流灌注发生改变，致使葡萄糖代谢也发生相应变化。 何洁，吉训明，张人玲等。脑核素显像对脑梗塞患者缺血半暗带的评价。医学影像学杂志，2009，19（5）：497-500,三、半暗带区线粒体损伤与细胞死亡的可能机制,三、缺血半暗带区细胞死亡的可能机制,1、缺血半暗带区的组织本身是低血供的，如果得不到及时的血流灌注，会导致氧和葡萄糖的供应不足，进而引起一系列的代谢变化， 如乳酸生成增多，钠钙交换泵受损，谷氨酸过度释放，大量钙离子进入细胞内等，另外还有线粒体损伤、大量自由基释放、血-脑屏障破坏和发生炎症反应，共同作用造成细胞的进一步损伤、坏死。 Patrick Lyden, MD.The Ischemic Penumbra and Neuronal Salvage.Current Clinical Neurology,Humana Press.2007,43-62,缺血半暗带区细胞死亡的可能机制,2、半暗带区组织发生坏死是一个逐渐演变的过程，而不是所有的细胞一起顷刻间死亡，这一事实表明半暗带区细胞的不同质性。 在梗死边缘的细胞（即在梗死中心和半暗带组织之间的细胞）比距离梗死中心远的细胞更早的发生坏死，这对于理解半暗带区组织坏死的可能机制至关重要 Yao H, Shu Y, Wang J, Brinkman BC, Haddad GG. Factors influencing cell fate in the infarct rim. J Neurochem, 2007，100, 122433.,缺血半暗带区细胞死亡的可能机制,缺血半暗带脑细胞的命运很大程度上依赖于梗死中心的生理和生化改变，这种关系主要表现在至少三方面： 第一、半暗带细胞直接暴露于不可逆的梗死细胞，受到坏死中心环境的威胁； 第二、部分缺血半暗带的细胞与梗死中心的细胞存在紧密的突触连接和缝隙连接； 第三、缺血半暗带区的细胞受到梗死中心的电活动的影响，如扩散性抑制等。 两者如此紧密的关系决定了梗死中心发生的改变会对邻近的半暗带区细胞的命运产生巨大的影响,缺血半暗带区细胞死亡的可能机制,由于极度的缺氧和低糖，梗死中心的细胞间液内K+和H+大量增加，Na+、Ca2+和Cl-减少。 许多研究已经证实试验条件下刺激缺血梗死中心发生的生化改变也能造成神经元和神经胶质细胞死亡，这些能使半暗带区细胞死亡的因素主要有酸中毒、离子转移和谷氨酸毒性等。 除此以外，线粒体的损伤近年来愈来愈被关注和重视 Hang Yao.Acute Stroke Therapy: Highlighting the Ischemic Penumbra.Brain Hypoxia and Ischemia.Humana Press.2009:307-322,线粒体：细胞的“能量加工厂”,细胞内产生ATP的主要场所 细胞80%-90%的ATP由线粒体提供 为细胞各种生物活动提供能量，在维持细胞正常生理功能和活性方面发挥着重要作用,线粒体,线粒体的结构,线粒体,膜间隙:内外膜之间的腔隙,外膜:孔道蛋白、酶,内膜:含100种以上的多肽,线粒体嵴,基质:内含多种酶,线粒体DNA,基质内游离核糖体,细胞内的能量转换,葡萄糖,O2,ATP,一、糖酵解（细胞质）,细胞质内葡萄糖代谢成丙酮酸进入线粒体三羧酸循环完成有氧代谢,葡萄糖,细胞质,丙酮酸,乳酸,无氧,有氧,乙酰辅酶A,三羧酸 循环,二、三羧酸循环（线粒体基质）,三羧酸循环将两个碳的乙酰辅酶A分子彻底氧化为CO2和H2O 每循环一次用去1分子乙酰基中的二碳单位，最后生成2分子的CO2、1分子GTP、4分子的NADH和1分子的FADH2。 此过程释放的大部分能量都储存在辅酶(NADH和FADH2)分子中,三、氧化磷酸化（线粒体内膜）,细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体(呼吸链)，伴随着电子逐步传递，将NADH或FADH2进行氧化，自由能逐步收集最后用于ATP的合成，将能量储存在ATP的高能磷酸键。,线粒体,外膜,内膜,膜间隙,缺血缺氧对线粒体的影响,一、ATP生成减少,缺乏ATP合成的前体物质 由于钙超载缺血组织内钙离子沉积，影响线粒体内生物氧化酶的活性，致使能量生成障碍 缺血组织内氧自由基生成增多，氧自由基损伤线粒体，加重能量代谢障碍,二、自由基产生增多,定义：外层轨道具有一个不配对电子的原子（团）、分子的总称。由氧诱发产生的自由基称为氧自由基。其他自由基有脂质自由基(LO， LOO)、NO等。,正常：O2+4eH2O+ATP,缺血后ATP产生减少,Ca2+进入线粒体,细胞色素氧化酶(复合酶)功能失调,病理：O2+e O-2 +e H202+e OH +eH20 +O2+e O-2,线粒体是氧自由基O-2生成的主要场所之一,自由基对组织细胞的损伤,生理情况下，自由基的生成与清除处于动态平衡 如果自由基生成过多或机体抗氧化能力不足，均可造成组织细胞损伤。,细胞膜脂质双分子层的不饱和脂肪酸双键结构受自由基攻击,细胞膜上功能蛋白质及胞内蛋白质巯基(