缺血-再灌注损伤

1、 7 第十章缺血-再灌注损伤 第一节教学大纲要求 （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 复流现象和呼吸爆发的概念。 （2）掌握 缺血-再灌注损伤的发生机制。 （3）熟悉 缺血-再灌注损伤的原因和条件（影响因素） 。 （4）熟悉缺血-再灌注损伤时机体的功能和代谢变化。 （5） 了解 脑缺血-再灌注损伤的变化和其他器官缺血-再灌注损伤的发生机制；了解防治 缺血-再灌注损伤的病理生理基础。 第二节教材内容精要 一、基本概念 （一）自由基（free radical） 自由基系指外层轨道上有单个不配对电子的原子、原子团和分子的总称，又称游离基。 从定义不难

2、看出，一种物质不管是原子、原子团，还是分子，只要外层轨道上有单个不配对 电子，都可以成为自由基。自由基在本章是一级概念，需从三个方面理解：（1）自由基和离 子不同，前者往往是具有共价健的化合物发生均裂的产物，后者则为异裂（解离）的产物。 以H2O为例，均裂产生 H +0H ;异裂则产生 H+OH-。（2）自由基外层轨道上不配对电 子有配对的倾向，易于失去电子（氧化）或获得电子（还原），故形成在体内存在时间短、 化学性质极其活泼的特点，极易和其他物质反应形成新的自由基，呈现明显的连锁反应。（3） 在病理情况下，由于自由基生成过多或机体抗氧化能力不足，可引发链式脂质过氧化反应， 损伤生物膜（细胞膜

3、和线粒体膜等），导致细胞死亡。 （二）氧自由基（ oxyge n free radical） 由氧诱发产生的自由基称为氧自由基，包括超氧阴离子自由基（）和羟自由基 （OH- ）o这个概念属二级概念，必须服从“自由基”一级概念所具有一切特点。在体内， OH 化学性质最活泼，危害亦最大。 （三）活性氧（reactiveoxygenspecies） “活性氧为化学性质较基态氧活泼的含氧物质，包括氧自由基和非自由基的含氧物质， 例如，单线态氧（102）和过氧化氢（H2O2 ）”。顾名思义，活性氧有二个特点：（1）分子组 成：由氧形成并在分子组成上含有氧的一类物质；（2）化学性质：非常活泼。两者缺一不可

4、。 （四）缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury ） 部分患者或动物缺血后恢复血液再灌注，不仅没使组织和器官功能恢复，反而使缺血引 起的细胞功能代谢障碍和结构破坏进一步加重。这种在缺血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。这一概念，属于统领整章内容 的一级概念。整章的阐述，均围绕缺血-再灌注损伤的发生原因、条件、机制、对机体的影 响和防治进行的。 （五）氧反常（ oxygen paradox） 再恢复正常氧供应，组织及细胞的损 用缺氧溶液灌流组织器官或培养细胞一定时间后, 伤不仅未能恢复，反而更趋严重，这种现象称为

5、氧反常。这是一个二级观念，从属于缺血 - 再灌注损伤这个一级概念。 两者的区别在于， 缺血不仅有缺氧， 而且缺少代谢基质 （营养物）。 （六）钙反常（ calcium paradox ） 用无钙液灌流后再用含钙液灌流组织器官， 可造成细胞和器官代谢、 功能障碍和结构破 坏损伤加重的现象，称为钙反常。这是一个从属于缺血-再灌注损伤的二级概念。两者的区 别在于，缺血不仅有缺氧，而且缺少代谢基质，其中包括钙离子。 钙反常首先在心脏灌流时 发现，也可见于其他组织器官。 （七）pH 反常（ pH paradox） 缺血后再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒， 反而会加重缺血 - 再灌注损伤的现象， 称 为p

6、H反常。这是一个从属于缺血 -再灌注损伤的二级概念。其机理是相继通过H+-Na+交换 和Na+-Ca2+交换导致细胞内钙超载而损伤细胞。 （八）钙超载（ calcium overload ） 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代谢障碍的现象称 为钙超载。 这个概念含 3 个要素：（1）必需存在使细胞内钙含量增多的各种原因，其中包括 缺血 -再灌注损伤、氧反常、钙反常、pH 反常等，这是引起钙超载的前提和条件；（2）细胞 内钙含量异常增多是发生钙超载现象的机制；（3）细胞结构损伤和功能代谢障碍是细胞内 Ca2+浓度异常升高的后果。因果同时存在，才能称为钙超载。 （九）无复

7、流现象（ no-reflow phenomenon） 无复流现象是指缺血的原因解除后， 并没使缺血区在再灌注期得到充分血流灌注的反常 现象， 亦称无灌注现象。 这种现象首先是在犬的实验中发现： 结扎犬的冠状动脉造成局部心 肌缺血后， 再打开结扎的动脉， 使血流重新开放， 缺血区并不能得到充分的灌注。 这种再灌 注损伤实际上是缺血的延续和叠加， 缺血细胞并未得到血液重新灌注， 而是继续缺血， 因而 损伤加重。 （十）呼吸爆发（ respiratory burst） 再灌注时， 中性粒细胞被各种趋化因子激活， 同时摄入大量分子氧， 后者在 NADPH 氧 化酶和 NADH 氧化酶催化下接受电子而产

8、生大量氧自由基，结果造成组织损伤，这一现象 称为呼吸爆发或氧爆发。 这个概念含 3 个要素：（ 1）生理情况下， 中性粒细胞在吞噬活动时 耗氧量增加，形成氧自由基，杀灭病原微生物；（ 2）缺血 -再灌注导致中性粒细胞被激活和 氧供恢复， 为大量氧自由基形成创造了条件； （3）呼吸爆发形成的大量氧自由基，造成了损 伤正常组织的后果。 （十一）黏附分子（ adhesion molecule ） 黏附分子是指由细胞合成的、 可促进细胞与细胞之间、 细胞与细胞外基质之间黏附的一 大类分子的总称，如整合素、选择素、细胞间黏附分子、 血管细胞黏附分子及血小板内皮细 胞黏附分子等，在维持细胞结构完整和细胞信

9、号传导中起重要作用。这个概念含3 个要素： （1）由细胞合成； （ 2）可促进细胞及基质的黏附； （ 3）维持细胞结构和细胞信号传导。 （十二）心肌顿抑（ myocardial stunning ） 心肌顿抑是指心肌短时间缺血后不发生坏死， 但引起的结构、 代谢和功能改变在再灌注 后延迟恢复的现象， 其特征为收缩功能障碍 （这种缺血心肌在恢复血液灌注后一段时间内出 现可逆性收缩功能降低的现象，称之为 ）。氧自由基和钙超载在其中起关键作用，是目前的 研究热点。 二、重点和难点 （一）缺血 -再灌注损伤在临床上的重要性 临床上各种原因造成组织血液灌流量减少，可使细胞发生缺血性损伤（ischemia

10、 injury ）。近年来，随着溶栓疗法、导管技术、动脉搭桥术、心肺复苏、心脏外科体外循环、 断肢再植和器官移植等方法的应用，使许多组织器官缺血后得到血液再灌注。 再灌注具有两重性，多数情况使缺血组织和器官的功能结构得以修复，但部分患者反而 病情加重，即发生缺血-再灌注损伤。临床观察和动物实验证实，不同种属（人、兔、大鼠、 豚鼠、狗、猪等）和各种组织器官（心、肾、肝、肺、胃肠、脑、肢体和皮肤等）都可发生 再灌注损伤。休克、多器官功能衰竭、急性心力衰竭、呼吸衰竭、肾功能衰竭等多种病理过 程的发生机制中，都有缺血 -再灌注损伤的参与。 探索缺血-再灌注损伤的特点、规律和发生机制，已成为当今医学的研

11、究热点。 （二）缺血-再灌注损伤的原因和条件 再灌注损伤是否出现及其严重程度，关键在于缺血时间的长短、侧支循环的形成情况、对氧 需求程度以及电解质浓度。一般说来，缺血4060分钟后再灌注、缺血后不易形成侧支循 环的组织、对氧需求高的组织器官、钠钙浓度增高易诱发再灌注损伤；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、钾镁浓度增高则不易诱 发再灌注损伤。 （三）缺血-再灌注损伤的发生机制 1自由基的作用 （1）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：缺血时，ATP减少，膜泵障碍，Ca2+进入细胞，激活 Ca2+ 依赖性蛋白水解酶，使黄

12、嘌呤脱氢酶（XD）大量转变为黄嘌呤氧化酶（XO）;同时ATP降 解产物一一次黄嘌呤在缺血组织堆积。再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织，XO催 化次黄嘌呤转变为黄嘌呤并进而催化黄嘌呤转变为尿酸的两步反应中，都以分子氧为电子接 受体，从而产生大量的和H2O2,后者再在金属离子参与下形成OH。 2） 中性粒细胞聚集及活化：组织缺血，激活补体系统和内皮细胞，产生C3a、白三烯等 趋化因子，可吸引中性粒细胞聚集并激活。再灌注时，组织获得大量分子氧。通过吞噬细胞 的“呼吸爆发”，经细胞内的NADPH氧化酶和NADH氧化酶的作用，形成大量氧自由基。 3） 线粒体功能受损：缺血和再灌注，使ATP减少，Ca

13、2+经钙泵摄入肌浆网减少，进入 线粒体增多，使线粒体细胞色素氧化酶系统功能失调，以致进入细胞内的氧， 经4价还原形 成水减少，经单电子还原而形成的氧自由基增多。同时，Ca2+进入线粒体内，使含 MnSOD、 过氧化氢酶和过氧化物酶活性下降，对自由基的清除能力降低，也导致氧自由基增多。 4） 儿茶酚胺增加和氧化：在缺血缺氧的应激刺激下，交感 -肾上腺髓质系统分泌大量儿 茶酚胺。造成细胞损害的是儿茶酚胺的产物， 而非儿茶酚胺本身。肾上腺素代谢的过程中产 生 。 （2）自由基的损伤作用：自由基的反应性极为活泼，可和各种细胞成分（膜磷脂、蛋白、 核酸）发生反应，导致细胞功能障碍和结构破坏。 1）膜脂质

14、过氧化增强：自由基可引发生物膜中多价不饱和脂肪酸均裂，形成脂性自由 基和脂质过氧化物， 使膜受体、膜蛋白酶、离子通道和膜转运系统等的脂质微环境改变，导 致：（1）膜结构破坏膜的液态性和流动性减弱，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传递障碍；（3）促进自由基及其他生物活性物质生成一一自由 基及多种生物活性物质如前列腺素、血栓素、白三烯等，促进再灌注损伤发生；（4）线粒体 功能受损一一ATP生成减少。 2）蛋白质变性和酶活性降低：自由基可引起蛋白质分子肽链断裂，修饰酶活性中心的 氨基酸，使酶的巯基氧化。 脂质过氧化物的产物丙二醛是重要的交联因子，可引起胞浆 和膜蛋白及某些

15、酶交联成二聚体或更大聚合物。这些可造成蛋白质（包括酶）的变性和功能 丧失。如肌纤维蛋白巯基氧化，可使其对Ca2+反应性降低，结果抑制心肌收缩力；肌浆网 钙转运蛋白的受损可导致钙调节功能异常。 3）核酸及染色体破坏：自由基对细胞的毒性作用主要表现为染色体畸变，核酸碱基改 变或DNA断裂。这种作用80%为OH所致。OH与脱氧核糖及碱基反应并使其发生改变。 外面无组蛋白保护的线粒体 DNA（ mtDNA ），对氧化应激和线粒体膜的脂质过氧化较敏感， 故易受自由基损伤，造成碱基片段丢失、碱基修饰及插入突变等。 4）细胞内Ca2+超载：自由基引起细胞膜通透性增强，细胞外Ca2+内流；膜上Na+-K+AT

16、P 酶失活，使细胞内 Na+升高，Na+-Ca2+交换增强；线粒体膜的液态及流动性改变，导致线粒 体功能障碍，ATP生成减少，使质膜与肌浆网钙泵失灵，不能将肌浆中过多的Ca2+泵出或 摄取入肌浆网。这些导致 Ca2+超载，成为细胞致死原因。 2、钙超载 （1）细胞内钙超载的机制： 1） Na+-Ca2+交换异常：Na+/Ca2+交换蛋白是一种跨膜蛋白，通过一种产电性电流（以3 个Na+交换1个Ca2+），以双向转运方式，参与细胞内钙稳态的维持。Na+/Ca2+交换蛋白，主 要受跨膜Na+浓度梯度的调节。在生理条件下，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。缺血时，A

17、TP生成减少，钠泵失灵，细胞内Na+浓度升高，同时发 生细胞内酸中毒。再灌注时，恢复能量供应和pH值，膜内外pH梯度差激活Na+-H+交换， 使细胞内Na+进一步增多，激活 Na+/Ca2+交换蛋白活性，细胞外 Ca2+大量内流。这是细胞内 钙超载的主要机制。 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+交换蛋白的间接激活。缺血时，无氧代谢增强使H+生成增多， 组织间液和细胞内酸中毒， pH 降低， 再灌注时组织液 pH 迅速升高， 与细胞内形成 pH 梯度， 激活细胞膜上的H+/Na+蛋白，促进细胞内 H+排出，细胞外Na+内流，使细胞内 Na2+增加

18、， Na2+促进Na+-Ca2+交换，使细胞内 Ca2+增多； 蛋白激酶C对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活，缺血时，内源性儿茶酚胺释放增加。心 肌a和B受体的密度也增加。 a肾上腺素能受体激活 G蛋白-磷脂酶C （ PLC）介导的细 胞传导通路，促进磷脂酰肌醇分解，生成三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯（DG）。IP3可促使 肌浆网释放Ca2+，而DG激活蛋白激酶 C （ PKC）,朿9激H+-Na+交换，进而Na+-Ca2+引起交 换，使细胞内钙超负荷。 B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。 2）生物膜损伤： 细胞膜损伤：缺血可造成细胞膜正常结构的

19、破坏，使细胞膜对Ca2+通透性显著增强； 再灌注时生成的大量氧自由基引发细胞膜的脂质过氧化反应，进一步加重膜结构破坏； 细胞内Ca2+增加激活磷脂酶，使膜磷脂降解，进一步增加细胞膜对Ca2+的通透性，共同促 使胞浆Ca2+浓度升高。 肌浆网膜损伤：自由基的作用及膜磷脂的降解可造成肌浆网膜损伤，使其钙泵功能障 碍，对Ca+摄取减少，引起胞浆 Ca2+浓度升高。 线粒体膜损伤：缺血-再灌注时，产生的氧自由基可使线粒体肿胀，膜流动性降低，氧 化磷酸化功能受损， ATP 生成减少， 使细胞膜和肌浆网膜的钙泵功能障碍， 不能排出和摄取 细胞浆中过多的钙，致使细胞浆中游离钙增加。 （ 2）钙超载引起再灌注

20、损伤的机制： 1） 促进氧自由基生成： 钙超负荷使钙依赖性蛋白酶活性增高， 促使黄嘌呤脱氢酶转变为 黄嘌呤氧化酶，使自由基生成增加。 另外，钙依赖性磷脂酶 A2的激活，使花生四烯酸（AA ）生成增加，通过环加氧酶和脂 加氧酶作用产生大量 H2O2和OH。 ATP 酶，导致细胞高能磷酸盐水解， 2）加重酸中毒：细胞内钙离子浓度升高可激活某些 释放出大量H +，加重细胞内酸中毒。 3 ）破坏细胞（器）膜 细胞内Ca2+增加可激活磷脂酶类，促使膜磷脂降解，造成细胞膜 及细胞器膜结构受损。此外，膜磷脂降解产物花生四烯酸和溶血卵磷脂等可加重细胞功能紊 乱。 4） 线粒体功能障碍：再灌注时细胞内 Ca2+

21、增加，线粒体摄取过程中消耗大量 ATP,同 时进入线粒体的 Ca2+与磷酸根形成磷酸钙沉积，干扰线粒体的氧化磷酸化，使ATP生成减 少。 5）激活其他酶的活性 如激活蛋白酶，促进细胞膜和结构蛋白的分解；激活核酶，引起 染色体的损伤。 6）其他 引起心律失常：再灌注时，通过Na+-Ca2+交换形成一过性内向离子流，在心肌动作电 位后形成短暂除极；持续Ca2+内流，可形成动作电位的“第二平台期”而引发早期后除极 或延迟后除极等机制，而引起心律失常。 肌原纤维挛缩和破坏细胞骨架：再灌注时，重新获得能量并排除抑制心肌收缩的H+， 加之细胞内游离钙增加， 可使肌原纤维挛缩、 断裂，超微结构出现收缩带，

22、生物膜机械损伤， 细胞骨架破坏。 3、白细胞的作用 （1 ）缺血-再灌注时白细胞增多的机制： 1 ）细胞黏附分子生成增多：正常情况下，血管内皮细胞和血液中流动的中性粒细胞互相 排斥，是保证微循环灌流的重要条件。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、选择素等细胞黏附分子增多，导致局部白细胞增多。 2 ）趋化因子生成增多：再灌注损伤时，细胞膜磷脂降解，花生四烯酸代谢产物增多， 其中白三烯、PGE2、血小板活化因子（PAF）以及补体和激肽等，具有很强白细胞趋化作用； 白细胞本身释放许多具有趋化作用的炎症介质，如LTB4。这些趋化因子，吸引大量白细 胞进入组织。 （2 ）白细胞介导

23、缺血-再灌注损伤的机制： 1）微血管损伤 微血管内血液流变学改变：由于白细胞体积大而僵硬、变形能力弱，与血管内皮细胞黏附 后，极易滚动、嵌顿和堵塞毛细血管，促进形成无复流现象，加重组织缺血缺氧。缺血再灌 注时，白细胞附壁、组织水肿、内皮损伤、血小板栓子和微血栓形成等，易形成无复流现象。 无复流现象是指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。它可见于心、脑、 肾、骨骼肌等缺血后再灌注时。这种再灌注损伤，实际上是缺血的延续和叠加。 微血管口径的改变：缺血 -再灌注时，由于交感神经兴奋，肾素-血管紧张素系统和内皮 细胞、白细胞和血小板激活所产生的儿茶酚胺、血管紧张素、内皮素、白三烯、TX

24、A 2等， 均具有收缩血管的作用。微血管痉挛和堵塞，与前列环素（PGI2）和血栓素A2（ TXA2）之 间的平衡失衡密切相关。PGI2主要由血管内皮生成，具有扩血管和抑制血小板聚集的作用。 TXA 2主要由血小板生成，作用恰恰相反。缺血-再灌注时，血管内皮细胞受损，导致PGI2 生成减少，同时激活血小板，释放TXA2增多，导致血管强烈收缩和血小板聚集，促使血栓 形成和血管堵塞。白细胞嵌顿是微血管血流阻塞的主要原因。 微血管通透性增高：白细胞（多形核白细胞、巨噬细胞、单核细胞）的激活，释放大量 促炎的细胞因子，如TNFa、IL-1、IL-8 ；脂质炎症介质，如白三烯（LTs）、血栓素A2（TXA

25、 2）、 血小板活化因子（PAF）等；氧自由基，如、0H等；溶酶体酶，如蛋白酶、胶原酶、弹 性蛋白酶等，导致血管通透性增加和组织损伤。 2） 细胞损伤激活的中性粒细胞与血管内皮细胞可释放大量的致炎物质，如自由基、蛋白 酶、溶酶体等，可造成周围组织细胞损伤。 4、能量代谢障碍 （1）氧化磷酸化脱偶联：生物体 ATP90%来自线粒体的氧化磷酸化。再灌注时，线粒体出 现应激反应，表现为耗氧量、呼吸控制率、质子 ATP 酶水解活性均有先升高后下降。自由 基产生增加，更加剧氧化磷酸化功能障碍。 （ 2）高能磷酸化合物缺乏： 线粒体膜富含磷脂， 易发生膜脂质过氧化， 线粒体功能障碍， 对氧的利用能力下降。

26、 ATP合成的前身物质（腺苷、肌苷、次黄嘌呤等）在再灌注时被冲 洗出去，使心肌失去再合成高能磷酸化合物的物质基础。 一般认为， 能量代谢障碍是缺血 -再灌注损伤的始发环节。 自由基生成增多和细胞内钙超载， 两者可互为因果，是缺血 -再灌注损伤的主要机制，并参与多器官功能衰竭的发生。 （四）缺血 -再灌注损伤时机体的功能、代谢变化 1、心脏的缺血 -再灌注损伤的变化 （ 1 ）心功能变化： 1） 心肌舒缩功能降低：表现为心输出量降低，心室舒张末期压力（VEDP ）增大，心室 收缩峰压（VPSP）和心室内压最大变化速度（土 dp/dtmax）降低。 2）缺血 -再灌注 性心律失常：以室性心律失常为

27、主。基本条件是再灌注区存在功能可恢 复的心肌细胞， 也和缺血时间长短、 缺血心肌数量、缺血程度和再灌注恢复速度有关。 其发 生机制：主要与氧自由基和钙超载有关，两者均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； 再灌注被冲刷出来的儿茶酚胺刺激a受体，提高了心肌细胞的 自律性； 再灌注明显降低心室纤颤阈；心肌电生理特性改变引起传导性与不应期的不均 一性， 为折返激动心律失常创造了条件；近年来研究表明， 再灌注性心律失常的发生与体 内一氧化氮水平下降有关。 3）心肌顿抑： 是指心肌在再灌注后尽管无不可逆性损伤和血流已恢复正常，但局部心肌 收缩功能延迟恢复的现象。其发生机制与高能磷

28、酸化合物合成能力丧失、微血管灌注障碍、 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。 其中，氧自由基和钙超载被公认为起关键作用。 （ 2）心肌能量代谢变化：氧化磷酸化功能障碍，线粒体耗氧量、呼吸控制率、磷氧比值及 质子 ATP 酶合成活性下降，质子电子比失调， ATP 产生减少。 （ 3）心肌超微结构变化：基底膜部分缺失，质膜破坏，肌原纤维结构破坏（出现严重收缩 带、肌丝断裂、溶解） ，线粒体损伤（极度肿胀、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） 。 2、脑的缺血 -再灌注损伤的变化 脑对缺氧最敏感， 主要依靠葡萄糖有氧氧化提供能量， 缺血时间长可引起不可逆性损伤。 脑 缺血时，生物电出现病理性慢波，再灌注时慢波持续并加重。 （1） 能量代谢变化：脑缺血后 ATP、CP、葡萄糖、糖原等均减少，乳酸增加，cAMP增 加， cGMP 减少。再灌注后，上述变化更加明显。 cAMP 激活磷脂酶，使磷脂降解，游离脂 肪酸增多，再灌注时，自由基与之作用使过氧化脂质生成增多，损伤生物膜。 （2） 脑氨基酸代谢变化：实验研究表明，脑缺血-再灌注损伤时，脑组织内兴奋性氨基酸 （谷氨酸、天冬氨酸）随缺血 -再灌注时间延长而逐渐降低，抑制性氨基酸（丙氨酸、丫 -氨 基