缺血再灌注病理生理学.ppt

,第十章 缺血-再灌注损伤,卫生部“十一五”规划教材 全国高等医药教材建设研究会规划教材,病理生理学第7版,人民卫生出版社,教学大纲要求,掌握自由基、活性氧、氧反常、钙反常、pH反常、钙超载、无复流现象及缺血-再灌注损伤的概念及相关英语词汇 掌握缺血-再灌注损伤的发生机制 熟悉其发生的原因、条件 熟悉心肌、脑缺血-再灌注损伤的变化 了解其防治的病生基础,缺血-再灌注损伤 ischemiareperfusion injury,概述 第一节 IRI的原因和条件 第二节 IRI的发生机制 第三节 IRI时机体的功能及代谢变化 第四节 IRI防治的病理生理基础,概述,概念 缺血：供给组织的血液减少 再灌注：缺血后重新恢复血流 缺血-再灌注损伤 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称为缺血-再灌注损伤(ischemia reperfusion injury，IRI）,概述,缺血-再灌注损伤的现象,氧反常 （oxygen paradox）,用低氧溶液灌注组织器官或在缺氧条件下培养细胞一定时间后，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。,预先用无钙溶液灌流大鼠心脏2min，再用含钙溶液进行灌流时心肌细胞酶释放、肌纤维过度收缩及心肌电信号异常。,pH反常 （pH paradox）,缺血-再灌时，迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而会加重缺血-再灌注损伤。,钙反常 （calcium paradox）,提示:氧、钙和pH可能参与缺血-再灌注损伤的发生和发展,1955年，Sewell结扎狗冠状动脉后，如突然解除结扎，恢复血流，动物室颤而死亡,1966年，Jennings第一次提出心肌再灌注损伤的概念，证实再灌注会引起心肌超微结构不可逆坏死，包括爆发性水肿、组织结构崩解、收缩带形成和线粒体内磷酸钙颗粒形成,在心肌缺血恢复血流后，缺血心肌的损伤反而加重,历 史,认识就从这简单的现象开始,1967年，Bulkley和Hutchins发现冠脉搭桥血管再通后的病人发生心肌细胞反常性坏死 1968年，Ames率先报道脑缺血-再灌注损伤,以后陆续有其它器官缺血-再灌注损伤报道 1972年,Flore研究肾缺血-再灌注损伤 1978年,Modry报道了肺再灌注综合征 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 以上说明再灌注损伤几乎可在每一种组织器官发生,缺血-再灌注损伤原因和条件,一、原因 组织器官缺血后血流恢复 如休克治疗 一些新的医疗技术 冠脉搭桥、PTCA、溶栓疗法等血管再通术后 体外循环下心脏外科手术 心脏停搏后的心、肺、脑复苏 其他 如断肢再植，器官移植,经皮冠状动脉腔内成形术 percutaneous transluminal angioplasty PTCA 使用经皮肤送入球囊导管,扩张狭窄冠状动脉的一种心导管治疗技术。 A 送入导引钢丝到狭窄部位 B 送入气囊导管到狭窄部位 C 施压扩张狭窄,缺血再灌注损伤原因和条件,不是所有缺血的器官再恢复血流后都会发生IRI 二、影响因素 1.缺血时间:缺血时间过短或过长都不易发生再灌注损伤 可逆性损伤转化为不可逆性损伤 2.侧支循环 侧枝循环容易形成者，不易发生IRI 3.需氧程度 对氧需求高者，容易发生IRI 4.再灌注条件:低压、低温、低pH、低钠、低钙液灌注，可使再灌注损伤减轻；或适当增加K+、Mg2+含量，也有利于减轻IRI,25,缺血-再灌注损伤的发生机制,一.自由基的作用 二.钙超载 三.白细胞的作用,一、自由基的作用,自由基的概念与分类 自由基的代谢 氧自由基生成增多的机制 自由基引起缺血-再灌注损伤的机制,(一)自由基的概念与分类,自由基: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 A(X) 其中由氧诱发的自由基称为氧自由基，分为 1.非脂质氧自由基： O2.-,OH. 活性氧：是指一类由氧形成的、化学性质较基态氧活泼的含氧代谢物质，H2O2 , 1O2 不是自由基，但氧化作用很强，与氧自由基共同组成活性氧 2.脂质氧自由基：L ,LO ,LOO 3.其他 Cl. CH3. NO.等,NO是精氨酸在一氧化氮合酶（NOS）的催化下产生的气体自由基，缺血再灌注损伤时，白细胞被激活后NOS的活性增强，可大量产生NO,(二)自由基的代谢,O2-是其他自由基和活性氧产生的基础 e- e- +2H+ e- +H+ e- +H+ O2 O2- H2O2 OH H2O OH 为O2.- 和H2O2相互作用的产物，特别是在Fe3+的参与下，使OH 生成加速。 OH 是体内最活跃的氧自由基，对机体危害最大 自由基是机体正常代谢产物，参与许多生理和病理过程。,细胞内自由基的清除,非酶性抗氧化剂： 存在于细胞脂质部分的脂溶性自由基清除剂有VE、VA 水溶性自由基清除剂有VC和谷胱甘肽等 酶性抗氧化剂： 细胞的过氧化氢酶(CAT)及过氧化物酶可清除H2O2 超氧化物歧化酶(SOD)可清除OH,(三）缺血-再灌注时自由基生成增多的机制,再灌注时主要通过以下途径激发产生氧自由基 1.黄嘌呤氧化酶（XO）途径 毛细血管内皮细胞,ATP,2.中性粒细胞 NADPH(NADH)氧化酶 NADPH(NADH) NADP(NAD)He- O2 O2.- H2O2，OH.，1O2,(三）氧自由基生成增多的机制,呼吸爆发,(三）氧自由基生成增多的机制,3.线粒体 缺血缺氧时，ATP产生减少，Ca2+进入线粒体增多，线粒体功能受损 细胞色素氧化酶功能失调 含MnSOD、CAT、过氧化物酶活性降低,4.儿茶酚胺增加和氧化 儿茶酚胺一方面具有重要的代偿调节作用，但另一方面多的儿茶酚胺特别的它的氧化产物，往往又成为对机体的有害因素。 造成细胞损害的是儿茶酚胺的氧化产物，而不是儿茶酚胺本身。,（四）自由基引起缺血-再灌注损伤的机制,1.膜脂质过氧化增强 (1)破坏膜的正常结构 膜的液态性、流动性减弱，通透性增强 (2)间接抑制膜蛋白功能 离子泵失灵和细胞内信号转导障碍 (3)促进自由基及其它生物活性物质生成 (4)减少ATP生成 线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能抑制,（四）自由基的损伤作用,2.蛋白质功能抑制 使细胞结构蛋白和酶的巯基氧化，形成二硫键，使氨基酸残基氧化，胞浆及膜蛋白和某些酶交联形成二聚体或更大的聚合物，损伤蛋白质的功能 3.破坏核酸及染色体 可使碱基羟化或DNA断裂，引起染色体畸变或细胞死亡 自由基除造成多种物质氧化外，还可通过改变细胞功能引起组织损伤,生物学与医学中的自由基,自由基啊!你仿佛时刻在显露。 从造奶酪的脂质， 到美酒中的亚硫酸盐， 你在阳光中形成， 在烟雾中漂浮， 你渗入食物， 一旦接触机体，就繁殖增生。 自由基啊！肝脏是你的摇蓝， 药物溶剂、杀虫剂 是制造你的原料。 你的生命力极强， 甚至出没在蘑菇肼天地 古往今来，自由自在。,自由基啊！你生性凶残， 梗塞人的心脏，缩短人的年华， 变异人的基因。 你的成因及原理， 人们在议论纷纷。 自由基啊！你宛如幽灵， 有时纹丝不动，有时无动于衷。 有时转眼即逝，无损秋毫， 有时露出狰狞面目，侵蚀、摧残人们, 分光计、捕捉剂是你的敌人。 自由基啊自由基！ 你的复杂身世 专家们仅觉查三分， 你的其它奥妙 还待深入探明。,二、钙超载（Calcium overload）,细胞内钙代谢模式图,Mito,SR,Ca2+,ATP,ADP,CaB,慨念：各种原因引起的细胞内钙含量异常增多并导致细胞结构损伤和功能障碍的现象,Na,50200nM/L,1.3mM/L,（一）细胞内钙超载的机制,1Na+Ca2+交换异常 1）细胞内高Na+对Na+/Ca2+交换蛋白的直接激活 2）细胞内高H+对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活 3）PKC活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活,2.生物膜损伤,(1）细胞膜损伤通透性增加 缺血可造成细胞膜正常结构的破坏； 胞内钙增多，激活磷脂酶，使膜磷脂降解；膜通透性增加的更重要的原因可能是再灌注时氧自由基的作用 (2）肌浆网膜损伤 钙泵功能障碍,对钙摄取减少,引起胞浆钙浓度升高 (3) 线粒体膜损伤 线粒体膜受损，ATP生成减少。 ATP生成减少使细胞膜和肌浆网膜钙泵功能障碍，胞浆中游离钙增加而造成钙超载,2.生物膜损伤,细胞膜损伤,线粒体及肌浆网膜损伤,缺血-再灌注,自由基损伤、膜磷脂分解,肌浆网膜损伤,钙泵功能抑制,肌浆网摄钙,胞浆钙浓度,线粒体膜损伤,ATP生成,细胞膜、肌浆网钙泵能量供应不足,(二)钙超载引起缺血-再灌注损伤的机制,1.促进氧自由基生成 2.加重酸中毒 3.破坏细胞(器)膜 4.线粒体功能障碍 5.激活其他酶的活性 此外在心肌细胞内钙超载,可引起心肌缺血-再灌注损伤 毋容置疑，细胞内钙超载是再灌注损伤的一个重要特征，但目前，仍未能弄清楚它究竟是再灌注损伤的原因抑或结果,三、白细胞的作用,白细胞（主要是中性粒细胞）出现于梗塞的心肌中已为尸检所证实。 心肌缺血时，体积大而富粘性的中性粒细胞粘着在毛细血管壁上，当血流恢复后这些中性粒细胞可阻塞血管造成无复流现象，使缺血区的再灌注受到影响；中性粒细胞还可产生大量的氧自由基，加重心肌损伤；中性粒细胞含有高活性磷脂酶，可损伤心肌细胞膜；中性粒细胞还可加重缺血心肌的水肿。,三、白细胞的作用,1.粘附分子生成增多 再灌注期，中性粒细胞和血管内皮细胞表达细胞黏附分子增加，加剧了缺血组织内白细胞的积聚和激活 粘附分子（adhesion molecule）是指：由细胞合成的、可促进细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间粘附的一大类分子的总称。如整合素、选择素、细胞间粘附分子、血管细胞粘附分子等，在维持细胞结构完整和细胞信号转导中起重要作用,（二）白细胞介导的缺血-再灌注损伤的机制,1微血管损伤 微血管血液流变学改变-微血管血流阻塞 无复流现象(no-reflow phenomenon)：是指组织缺血后,重新恢复血流,部分缺血区并不能得到充分的血液灌流 微血管口径的改变-口径变小 微血管通透性增高。 2细胞损伤:激活的血管内皮细胞与中性粒细胞释放的大量生物活性物质，不但可改变自身的结构和功能，而且使周围组织细胞受到损伤,OFR,钙超载,血管内皮- 中性粒细胞,？,代谢、能量改变,钙超载是细胞不可逆死亡的共同通路,IRI机制小结,缺血再灌注损伤时 机体的功能及代谢变化,一、心脏缺血-再灌注损伤的变化 （一)心功能变化 1.心肌舒缩功能降低 2.缺血-再灌注性心律失常 基本条件 再灌区必须存在有功能上可恢复的心肌细胞 再灌注前缺血时间的长短 缺血心肌的数量、缺血的程度和再灌注恢复的速度,表现为心输出量降低心室内压最大变化速率降低，左室舒张末期压力升高等。出现心肌顿抑(myocardial stunning),表现：室速、室颤 机制：1.再灌注心肌间动作电位时程不均一性 2.再灌注心肌动作电位延迟后除极的形成 3.自由基 4.颤动阈值降低 5.NO水平下降,心肌顿抑（myocardial stunning）,定义：心肌缺血-再灌注，血流已恢复或基本恢复正常后，一定时间内心肌出现可逆性收缩功能的现象。 机制：自由基生成、钙超载。,可逆性缺血-再灌注损伤,胞浆Na+超载,Na+/Ca2 +交换,脂质过氧化,蛋白质及酶失活,O2,H2O2,OH,肌浆网钙转运蛋白,质膜通透性离子泵活性,线粒体损伤,收缩蛋白损伤,钙超载,ATP生成,Ca2 +敏感性,心肌收缩功能,心肌顿抑的发生机制,（二）心肌能量代谢变化,缺血期心肌ATP及磷酸肌酸含量，ADP、AMP及其降解产物含量。 再灌注后心肌ATP及磷酸肌酸，ADP、AMP及其降解产物。,自由基、钙超载线粒体损伤,血流冲洗,（三）心肌超微结构的变化,表现为：细胞膜破坏，线粒体肿胀、嵴断裂、溶解、空泡形成，基质内致密颗粒，肌原纤维断裂、节段性溶解，出现收缩带， 心肌出血、坏死。,缺血再灌注损伤时 机体的功能及代谢变化,二、脑缺血再灌注损伤的变化 （）脑缺血-再灌注损伤时细胞代谢的变化,再灌注,cAMPcGMP 病理性慢波加重 兴奋性神经递质抑制性神经递质,（二）脑缺血-再灌注损伤时组织学变化,最明显的组织学变化是： 脑水肿 及脑细胞坏死,脂质过氧化膜结构破坏；钠泵功能障碍。,三、其它器官缺血-再灌注损伤的变化,肠：粘膜功能障碍与损伤：肠管cap.通透性间质性水肿上皮与绒毛分离、坏死、固有层破损、出血及溃疡。 肾：以急性肾小管坏死最为严重，可导致急性肾功能衰竭或肾移植失败。 表现：线粒体高度肿胀、变形、嵴减少，排列紊乱，甚至崩解，空泡形成等。血清肌酐。 骨骼肌：肌肉微血管和细胞损伤，自由基生成，脂质过氧化,缺血再灌注损伤防治的病理生理基础,迄今为止，对于缺血/再灌注损伤的研究，绝大部分是在实验动物身上进行的，然而这些实验资料却已经为缺血/再灌注损伤的临床防治提供了重要的启示和借鉴，为临床研究奠定了重要的基础。目前，值得临床上参考的防治措施有,1.尽早恢复血流，尽量减少缺血时间 2.控制再灌注条件 注意再灌注时的低流、低压、低温。低流低压的意义在于使灌注氧的供应不至突然增加而引起大量氧自由基的形成；低温则是使缺血器官代谢降低，代谢产物聚积减少 3.改善缺血组织代谢 4.清除自由基,低分子清除剂,存在于细胞脂质部分的自由基清除剂有维生素E（-生育酚）和维生素A（-胡萝卜素） 存在于细胞内外水相中的自由基清除剂有半胱氨酸、抗坏血酸和谷