缺血再灌注损伤.ppt

Tenth chapter 缺血再灌注损伤 （ ischemia reperfusion injury ）,徐长庆教授 主讲,教 学 要 求,1. 掌握自由基、活性氧、缺血-再灌注损伤、氧反常、钙反常、pH反常、钙超载、无复流现象、呼吸爆发、粘附分子、心肌顿抑、预适应和凋亡的概念。 2. 熟悉缺血再灌注损伤的原因和条件（影响因素）。 3. 掌握缺血再灌注损伤的发生机制。 4. 熟悉缺血再灌注损伤时机体的功能和代谢变化。 5. 了解防治缺血再灌注损伤的病理生理基础。,一、基 本 概 念 1. 自由基 ( free radical ) 2. 氧自由基 ( oxygen free radical ) 3. 活性氧 ( reactive oxygen species ) 4. 缺血-再灌注损伤 ( ischemia-reperfusion injury ) 5. 氧反常 ( oxygen paradox ) 6. 钙反常 ( calcium paradox ) 7. pH反常 ( pH paradox ) 8. 钙超载 ( calcium overload ) 9. 无复流现象 ( no-reflow phenomenon ) 10. 呼吸爆发（respiratory burst ） 11. 粘附分子（adhension molecule ） 12. 心肌顿抑 ( myocardial stunning ) 13. 预适应 ( preconditioning ) 14. 凋亡 ( apoptosis ),二、缺血再灌注损伤的原因和条件 缺血时间、侧支循环、需氧程度、电解质浓度。 一般说来，缺血40 - 60 min后再灌注、 缺血后不易形成侧支循环的组织、对氧需求高的组织器官、钠钙浓度增多易诱发再灌注损伤； 反之，缺血时间过短或过长、缺血后易形成侧支循环的组织、对氧需求不高的组织器官、钾镁浓度增多则不易诱发再灌注损伤,第二节 缺血再灌注损伤的发生机制 1. 自由基的作用 2钙超载 3白细胞的作用 4无复流现象 5能量代谢障碍,一、自由基损伤学说 1自由基的概念、代谢和生物学意义 自由基(free radical)系指外层轨道上有单个不配对价电子的原子、原 子团和分子的总称，又称游离基。 存在时间短、化学性质活泼、连锁反应 均裂 异裂 由氧诱发的自由基，称为氧自由基 (oxygen free radical) 活性氧(reactive oxygen species ) 则是指由氧形成、并在分子组成上含有 氧的一类化学性质非常活泼的物质总称。 氧自由基 （包括O2。 、OH。、1O2、H2O2等） 自由基 脂性自由基 （包括L.、LO.、LOO.等） 其他自由基 （NO、Cl.等） O2-是基础 OH.危害最大 O2-产生途径：线粒体、自然氧化、酶氧化、毒物作用和电离辐射等。 体内自由基清除剂：存在于细胞脂质的低分子VE、V、Vc和谷胱甘肽等； 细胞的过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶和超氧化物歧化酶(SOD) 等。 自由基 生理过程， 疾病和病理过程,自由基犹如一把“双刃剑”：(1) 适度浓度发挥有益生物学作用，诸如调节血管张力，抑制血小板粘附，诱导亚铁血红素加氧酶基因的表达，激活核因子kB（NF-kB）等，参与细胞增殖和分化等；(2)高浓度损害细胞所有主要成分，参与许多疾病和病理过程的发生。例如，动脉粥样硬化、心脑血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病、癌症、肌萎缩、风湿性关节炎、急性呼吸窘迫综合征、人类免疫缺陷病毒感染、阻塞性睡眠呼吸暂停、衰老、休克、氧中毒、炎症和缺血-再灌注损伤等。,1954年，发现生物学中存在自由基( Commner B)。1956年，Denham Harman提出“氧自由基可作为酶促反应的产物在体内产生”，并将自由基比喻成潘多拉的罪恶之盒（Pandoras box of evils）。实际上，在体内同时存在着自由基产生和清除两个系统，共同维持机体的氧化-抗氧化平衡（Oxidant-antioxidant balance）。在病理条件下，由于活性氧产生过多或抗氧化酶活性下降，可导致氧化应激损伤（Oxidative stress injury）甚至细胞死亡。,2缺血再灌注时氧自由基生成增多的机制 (1) 黄嘌呤氧化酶形成增多 ATP合成钙泵失灵细胞内Ca2+Ca2+依赖性蛋白水解酶激活 缺血 ADP 黄嘌呤脱氢酶(XD)黄嘌呤氧化酶(XO) (xanthine dehydrogenase) (xanthine oxidase) AMP腺嘌呤核苷次黄嘌呤核苷次黄嘌呤 O2 - 再灌注 黄嘌呤 + O2- + H2O O2 - - 尿酸 + O2- + H2O2 (2) 中性粒细胞 补体、内皮细胞激活 - 趋化因子 - 呼吸爆发 (3) 线粒体 细胞色素氧化酶失调 电子还原，MnSOD、过氧化氢酶和过氧化物酶 (4) 儿茶酚胺增加 应激原-儿茶酚胺自氧化 -肾上腺素红-O2-,3. 氧自由基的损伤作用 (1) 生物膜脂质过氧化增强 多价不饱和脂肪酸均裂 脂性自由基、脂质过氧化物 脂质微环境改变（膜受体、膜蛋白酶、离子通道、膜转运系统） 膜结构破坏（液态性和流动性、通透性；抑制膜蛋白功能（离子泵失灵、细胞信号传递障碍）；线粒体功能受损（ATP 生成）。 (2) 细胞内Ca2+超载 细胞膜通透性增强；膜Na+-K+-ATP酶失活，Na+ -Ca2+交换增强；线粒体功能障碍，ATP生成减少，使钙泵失灵。 (3) DNA 断裂和染色体畸变 细胞毒性作用的主要表现 80% OH。 与脱氧核糖及碱基反应。外面无组蛋白保护的线粒体DNA(mtDNA)，对氧化应激敏感，造成碱基片段丢失、碱基修饰及插入突变等。 (4) 蛋白质变性和酶活性降低 蛋白质肽链断裂，酶活性中心巯基氧化。丙二醛胞浆和膜蛋白及某些酶交联变性和功能丧失。 肌纤维蛋白巯基氧化，对Ca2+反应性降低，抑制心肌收缩力 (5) 诱导炎症介质产生 脂质过氧化游离钙激活磷脂酶、脂加氧酶及环加氧酶花生四烯酸代谢前列腺素、血栓素、白三烯等。,二、钙超载学说 1. 细胞内钙稳态的调节 Ca2+o 10-310-2；Ca2+i 10-810-7(mol/L)。 1)Ca2+进入胞液的途径： 被动过程；触发内钙释放 质膜钙通道： 电压依赖性钙通道(VDC) 分为L型、T型等亚型； 受体操纵性钙通道(ROC) 亦称配体门控性钙通道(LGC)。 胞内钙库释放通道： 属于受体操纵性钙通道，包括IP3受体通道和ryanodine敏感的钙通道。 2)Ca2+离开胞液的途径： 主动过程 钙泵的作用 存在于质膜、内质网膜和线粒体膜上。 Na+-Ca2+交换 非耗能，双向转运，产电性电流（3个Na+交换1个Ca2+）通常是Na+顺着电化学梯度进入细胞，而Ca2+则逆着电化学梯度移出细胞。 Ca2+H+交换 Ca2+i升高时，Ca2+被线粒体摄取，H+则排至胞液。,细胞内钙稳态调节示意图 电压依赖性钙通道；质膜钙泵ATP酶；Na+-Ca2+交换；线粒体；肌浆网；细胞内蛋白或阴离子结合的钙；膜磷脂的极性头部；结合于质膜糖被的钙,参与神经元钙稳态调控的跨膜通路和细胞器示意图 （引自Samantha L. Budd，1998） VACC 电压依赖性钙通道 ER 内貭网 Extracellular fluid 细胞外液 Cytosol 细胞浆 exchanger 交换体 mGluR 代谢型谷氨酸盐受体 ionophore 离子载体 calmodulin 钙调素 uniporter 单搬运体,2. 细胞内钙超载的机制 (1) Na+Ca2+交换异常 主要机制 Na+Ca2+交换蛋白是一种跨膜蛋白，主要受跨膜Na+浓度梯度的调节。 缺血时，ATP 生成减少，钠泵失灵细胞内Na+，细胞内酸中毒。再灌注时， Na+ H+交换细胞内Na+Na+Ca2+交换细胞外Ca2+大量内流。 (2) 细胞膜通透性增高 Ca2+顺着化学梯度大量内流 细胞外板与糖被表面分离； 细胞内钙增加，激活磷脂酶； 微管和微丝收缩，心肌细胞紧密连接（润盘）破坏； 自由基生成增加, 细胞膜脂质过氧化增强。 (3) 线粒体功能障碍 氧自由基线粒体肿胀、膜流动性降低、氧化磷酸化障碍 ATP 生成减少 质膜和肌浆网膜钙泵失灵。 (4) 儿茶酚胺增多 缺血时，内源性儿茶酚胺释放,心肌和受体密度。 1 肾上腺素能受体激活G蛋白-磷脂酶C(PLC)细胞传导通路 磷脂酰肌醇分解 生成三磷酸肌醇(IP3)和甘油二脂(DG)。IP3可促使肌浆网释放Ca2+，而DG激活蛋白激酶C(PKC) ，刺激H+Na+ 交换，进而引起Na+Ca2+ 交换。 受体兴奋，通过受体依赖性钙通道和电压依赖性L-型钙通道，引起Ca2+内流增加。,3. 钙超载引起再灌注损伤的机制 (1) 线粒体功能障碍： 摄取消耗ATP ，磷酸钙沉积干扰氧化磷酸化。 (2) 激活钙依赖性降解酶： 与钙调蛋白(CaM)结合， 激活钙依赖性降解酶：磷脂酶（膜受损，花生四烯酸和溶血卵磷脂）；蛋白水解酶（细胞骨架）和核酸内切酶）（核酸）。 (3) 促进氧由基生成： 钙敏感蛋白水解酶（XOXD）；钙依赖性磷脂酶A2（AA环（脂）加氧酶和脂加氧酶H2O2和OH）。 (4) 引起心律失常： Na+Ca2+交换一过性内向离子流AP后短暂除极；持续Ca2+内流第二平台期EAD或DAD。 (5) 肌原纤维挛缩和破坏细胞骨架： 重获能量、排除H+、游离钙收缩带。,三、白细胞作用学说 1. 缺血再灌注时白细胞增多的机制 (1) 趋化因子生成增多 花生四烯酸代谢: 白三烯、PGE2、PAF、补体和激肽等；白细胞本身释放：如LTB4。 （2）细胞粘附分子生成增多 缺血-再灌注诱导血管内皮细胞和白细胞表达和分泌的整合素、选择素等细胞粘附分子增多。 2. 白细胞介导缺血再灌注损伤的机制 (1) 机械阻塞作用 白细胞大而僵硬、变形能力弱，与血管内皮细胞粘附后，易滚动、嵌顿和堵塞毛细血管，形成无复流现象。 (2) 炎症反应失控 白细胞激活，释放细胞因子(TNF、IL-1、IL-8)；脂质炎症介质(LTs、TXA2、PAF)；氧自由基（O2。、OH。）；溶酶体酶（蛋白酶、胶原酶、弹性蛋白酶）,四、无复流学说 无复流现象 实际上是缺血的延续和叠加 心肌无复流现象的发生机制： 心肌细胞肿胀 （渗透压升高，Na+泵失灵，自由基增加） 压迫微血管 血管内皮细胞肿胀 （同上） 管腔狭窄和血流受阻 再 微血管通透性增高 （自由基和炎症介质） 细胞间质水肿 灌 心肌细胞挛缩 （细胞内钙超载，形成收缩带） 压迫微血管 注 微血管痉挛和堵塞 （儿茶酚胺、血管紧张素、内皮素、白三烯、TXA2） 内皮素增加 （协同血管紧张素，激活PLC-IP3 途径，使游离钙增加） 收缩血管 补体激活 （激活、趋化白细胞，增加黏附分子转录，抑制内皮依赖性舒张）,五、能量代谢障碍 氧化磷酸化脱偶联 （线粒体氧应激损伤，合成ATP 能力下降） 再灌注 高能磷酸化合物缺乏 （对氧利用能力下降；合成ATP基质被冲出） 一般认为，能量代谢障碍是始发环节。 自由基生成增多和细胞内钙超载互为因果，主要机制，参与MODS的发生。,第三节 缺血再灌注损伤时机体的功能、代谢变化,一、心脏缺血-再灌注损伤 1心功能变化 (1) 心肌舒缩功能降低 心输出量降低，静止张力升高，发展张力下降。 氧自由基、钙超载、能量代谢障碍等， TNF-增多（巨噬细胞和心肌细胞产生的TNF-增多也是一个重要因素。TNF-诱导心肌收缩力降低的机制：1) 影响心肌细胞钙稳态： 直接细胞毒性，破坏兴奋-收缩偶联，使受体脱敏和反馈性诱导其他心肌抑制因子，如IL1、NO（使心肌对钙离子敏感性下降）、神经鞘氨醇（阻断SR的ryanodine受体）。2）诱导心肌细胞凋亡：再灌注可激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)，后者促使核因子NFB与它的抑制亚单位（IB）解离，引起TNF- mRNA的转录和蛋白合成，导致心肌细胞凋亡。 (2) 缺血-再灌注性心律失常 以室性心律失常为主，其发生机制：主要与氧自由基和钙超载有关，两者可造成静息膜电位负值变小，电位震荡，早期后除极和延迟后除极；再灌注冲刷出的儿茶酚胺刺激受体，提高了心肌细胞自律性；再灌注明显降低心室纤颤阈；再灌注时离子浓度快速改变，导致心肌细胞传导性与不应期的不均一性，为折返心律创造了条件。 (3) 心肌顿抑 是指心肌短时间缺血后不发生坏死，但所致结构、代谢和功能改变（尤其收缩功能障碍）在再灌注后延迟恢复的现象。其发生机制与ATP合成减少、冠状动脉微血管痉挛或栓塞、交感神经反应性受损、氧自由基产生、白细胞激活、磷酸激酶活性降低、钙稳态紊乱等有关。 2心肌能量代谢变化 氧化磷酸化功能障碍，ATP和CP含量减少。 3心肌超微结构变化 基底膜缺失，质膜破坏，肌原纤维出现收缩带、肌丝断裂、溶解，线粒体肿胀、嵴断裂、溶解，空泡形成、基质内磷酸盐沉积形成的致密物增多。,二、 脑缺血-再灌注损伤 可发生于中风、颅脑创伤和手术等，其特点是血脑屏障破坏，白细胞释放各种炎症介质、细胞因子和活性氧，导致能量代谢障碍和脑水肿及脑细胞坏死，生物电出现病理性慢波，表现为感觉、运动或意识严重障碍，甚至死亡。 三、肝缺血-再灌注损伤 肝移植和阻断血管的肝脏切除术等，可发生肝脏缺血-再灌注损伤。此时，肝血管内皮细胞，枯否氏细胞、中性粒细胞，均可产生氧自由基、趋化因子、致炎性细胞因子（例如TNF-，IL-1和PAF），细胞间黏附分子（ICAM）表达增加。出现内皮细胞和枯否氏细胞肿胀、胞浆空泡形成和广泛坏死，血管痉挛，白细胞诱陷和肝窦状隙血小板集聚等。 四、肾缺血-再灌注损伤 肾缺血-再灌注时，血清肌酐明显增高，肾功能严重受损，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。再灌注激活p38 MAP激酶和TNF转录因子，TNF和受体结合可激活NF-B，后者上调TNF和其他致炎因子表达，形成炎症反应的正反馈。TNF能诱导肾细胞凋亡，引起肾小球纤维蛋白沉积、细胞浸润和血管收缩，导致肾小球滤过率降低。 五、胃肠道缺血-再灌注损伤 肠套叠、血管外科手术和失液性休克等， 可伴有胃肠道缺血-再灌注损伤，其特征为粘膜损伤和屏障功能障碍，表现为广泛上皮与绒毛分离，上皮坏死，大量中性粒细胞浸润，固有层破损，出血及溃疡形成。可导致细菌移位和全身性炎症反应综合症的发生。 六、肺缺血-再灌注损伤特点 肺缺血-再灌注损伤的主要介质，是嗜