Transcript 缺血-再灌注损伤 （Ischemia-reperfusion injury, IRI ）

缺血-再灌注损伤
（Ischemia-reperfusion injury, IRI ）
Case study
患者：男，58岁，上午8时，起床后感到胸闷，30min后突感
心胸前区剧烈绞痛，9时入急诊病房。
体查：血压75/50mmHg，意识淡漠，心率65次/min，律齐。
心电图示Ⅲ度房室传导阻滞。
冠状动脉造影：右冠状动脉上段85%狭窄，中段78%狭窄。
入院治疗：立即给予阿托品、多巴胺、低分子右旋糖酐等进
行扩冠治疗。上午10时静脉点滴尿激酶。10.30分患者
出现阵发性心室颤动（室颤），立即给予除颤，到下
午13时反复发生室性心动过速、室颤，共计6次。到下
午16时，经给予利多卡因、小剂量异丙肾上腺素后心
律转为窦性，血压平稳，意识清楚。
第一节 概述
缺血-再灌注损伤
（Ischemia-reperfusion injury）
缺血
再灌注损伤
休克、血栓形成、动脉
硬化、血管收缩、血管
受压等。
在恢复供血的过程中，
出现缺血组织的功能、
结构损伤加重。
组织缺氧
病情恶化
History of IRI
1955年 Sewell等
在结扎狗冠状动脉后，如突然解除结
扎，恢复血流，部分动物立即发生心
室纤颤而死亡。
1960年 Jennings等 提出心肌IRI的概念。
到20世纪80年代
溶栓疗法、搭桥术、断肢再植、器官
移植开展，IRI成手术成败的关键之一。
一、概念（Conception）
缺血的组织、器官经恢复血液灌注后不但不能使其功能
和结构恢复，反而加重其功能障碍和结构损伤的现象。
Usually blood reperfusion
should reduce the ischemia
injury. However, recent clinical
observations and animal experiments showed that blood
reperfusion sometimes induces or aggravates the further
reversible even irreversible
cell damage, especially for a
prolonged ischemia.
图1 肠黏膜缺血-再灌注损伤
二、 原因和条件（ Etiology & Factors）
1．原因（Etiology）
缺血（Ischemia）
（ Myocardial infarction,cardiac bypass surgery, shock,
organ transplantation, thrombolytic therapy,PTCA, etc）
2．条件（Factors）
■缺血时间的长短（Duration
of ischemia）
■侧支循环的形成情况（Collateral
■对氧需求程度（Dependency
■再灌注的条件（Condition
circulation）
on oxygen）
of reperfusion）
【Condition of reperfusion】
低温、低速、低pH、低钠、低钙灌注
再灌注损伤↓
▲O2反常（Oxygen paradox）
低氧溶液灌注组织器官一定时间后，再恢复正常氧供应，
组织损伤反而更趋严重，称为氧反常。
▲Ca2+反常（Calcium paradox）
无钙溶液灌流大鼠心脏后，再用含钙溶液进行灌流，心肌
细胞的损伤反而加重，称为钙反常。
▲pH反常（pH paradox ）
在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，称为pH值反常。
第二节 发病机制（PATHOGENESIS）
The increase free radicals, calcium overload, neutrophils
activation, endothelin play the principal roles in ischemiareperfusion injury.
【发病机制】（Pathogenesis）
细
胞
内
钙
超
载
中
性
粒
细
胞
的
作
用
高
能
磷
酸
化
合
物
缺
乏
内
皮
素
的
作
用
血
管
紧
张
素
自学
Ⅱ
自
由
基
生
成
增
多
的
作
用
一、自由基生成增多（Increase free radical）
1. 概念与分类（Conception and classification）
■概念（Conception）
外层轨道上有单个不配对价电子的原子、原子团或分子。
（Free radical are a highly reactive group of atoms, molecules
or radicals, which carry unpaired electron in outer orbital. ）
■自由基分类（Classification
of free radical ）
氧自由基、脂性自由基、氮中心自由基
（Oxygen free radical, Lipid radicals, Reactive nitrogen species）
▲氧自由基（Oxygen
free radical，OFR）
以氧为中心的自由基称为氧自由基。
（由氧诱发的自由基称为氧自由基，Oxygen-derived
free radical ）
氧自由基
超氧阴离子自由基（Superoxide anion, Oˉ2·）
羟自由基（Hydroxyl radical, OH•）
▲脂性自由基（Lipid
radicals）
氧自由基与多聚不饱和脂肪酸发生脂质过氧化的链式
反应后生成的中间代谢产物。
烷自由基（L•）
脂性自由基
烷氧自由（LO•）
烷过氧自由基（LOO•）
▲氮中心自由基（Reactive
nitrogen species, RNS）
由氮形成，并在分子组成上含有氮的一类化学性质非常
活泼的物质。也称活性氮。
一氧化氮（NO）
RNS
过氧亚硝基阴离子（ONOO- ）
2. 自由基的特性（ Property of free radical）
■存在时间短；■高度化学活泼性；■氧化性强。
3. 自由基的清除（Scavenge the free radicals）
■酶性清除剂（Enzymes）
超氧化物岐化酶（SOD） 清除
（Mn-SOD、 Zn-SOD）
过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶
■非酶性清除剂（Non-enzyme
超氧阴离子降解
清除
H2O2降解
substances）
VE、VA、VC、半胱氨酸、谷胱甘肽、白蛋白、铜蓝蛋白
ROS生成↓、清除ROS↑
4. 自由基增多机制（Mechanism of free radical increase）
■
One electron deoxidize increase in mitochondria
O2
O2
O2
e-
95%O2
2%O2
细胞色素C氧化酶
4e-
电子受体和传递电子↓
Ca2+超载
95%O2 呼吸链酶活性↓
4e-
╳
H2O
【正常】
 OFR 【缺血】
H2O↓ 【再灌注】
OFR↑
Increase xanthine oxidase (XO) in VEC
■
缺血
ATP↓
Ca2+超载
Ca2+依赖性蛋白酶↑
■Neutrophils
respiratory burst
激活的PMN耗氧量显著增加，摄入O2的70%~90%在NADPH
oxidase和NADH oxidase的
催化下，接受电子形成OFR。
再灌注
激活的PMN耗氧↑
OFR↑(respiratory burst)
■儿茶酚胺自身氧化增强
缺血缺氧
交感-肾上腺髓质（+）
香草扁桃酸（正常）
氧自由基（OFR）↑
CA释放↑
单胺氧化酶
肾上腺素红
MPO：过氧化物酶
5.自由基损伤作用（Mechanisms of free radical injury ）
【氧化应激】（Oxidative stress）
当机体内ROS（OFR）增多，并破坏机体氧化/还原的正
常平衡，引起细胞氧化损伤的病理过程。
■膜脂质过氧化增强（
Lipid peroxidation）
生物膜是自由基攻击主要部位。
脂肪酸、芳香环的不饱和键
OFR（ROS）
脂质过氧化
细胞膜结构损伤和破坏
图
活性氧使脂质、蛋白质、核酸氧化
【细胞膜损伤形式】
▲膜结构破坏
膜脂质过氧化
膜不饱和性异常
▲膜蛋白功能抑制
受体失活、泵失灵
信号传递障碍
▲线粒体功能受损
ATP生成减少
■细胞内Ca2+超载（Ca2+
overload）
膜流动性↓、通透性↑
■DNA损伤和染色体畸变
胸腺嘧啶 5，6-双键
OH•
加成反应
（占80%活性氧）
胸腺嘧啶自由基
染色体畸变、断裂
碱基发生修饰、断裂、交联
■蛋白质变性和酶活性降低
【蛋白失活机制】
▲破坏酶的活性中心－巯基； ▲破坏酶活性所必需的脂质微环境；
▲酶之间形成多聚物；
▲激活磷脂酶A2
▲攻击酶活性中心部位的氨基酸；
PG、LT生成↑
炎症反应加剧
■诱导炎症介质产生
【活性氧（ROS）作用机制】
▲氧化还原剂作用
脂质过氧化、细胞内钙超载
激活PLA2
▲转录因子作用
启动NF-B
PG、TXA2、LT↑，
细胞因子、粘附分子
转录、合成、表达↑
▲激活WBC
炎症介质↑
PLA2 ：磷脂酶A2、LT：白三烯
二、钙超载（Calcium overload）
【Concept】
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。
（一）细胞内Ca2+稳态调节
1．Ca2+进入胞液途径
■质膜钙通道
▲ 电压依赖性Ca2+ 通道（VOC）
▲ 受体操纵性Ca2+ 通道（ROC）
■细胞内钙库释放通道
2．Ca2+离开胞液的途径
Ca2+泵、Na+-Ca2+交换、Ca2+-H+交换。
（二）钙超载产生（Calcium overload production)
1.细胞膜通透性增加（Membrane permeability increase）
■缺血
胞膜外板与糖被分离
膜磷脂降解↑
胞膜通透性↑
胞内[Ca2+]↑
激活PLA2
微管和微丝收缩
细胞膜通透性↑
■再灌注
心肌间紧密连接破坏
Ca2+大量进入细胞内
OFR↑
细胞膜脂质过氧化↑
细胞膜通透性↑
Ca2+超载
2. Na+-Ca2+交换异常（Disorder of Na+/Ca2+ exchange）
■缺血
胞内pH↓
■再灌注
Na+-H+交换↑
胞内Na+↑
Na+-Ca2+交换
细胞外Ca2+内流↑
钙超载
3．线粒体损伤（Mitochondrial injury）
ROS↑
线粒体膜损伤
ATP生成↓
胞内游离钙↑
钙泵活性
4．儿茶酚胺增多（CA increase）
G蛋白-磷脂酶C↑
IP3↑
肌浆网Ca2通道开放↑
■CA↑
α受体
DG↑
■CA↑
激活PKC
Na+-H+交换、Na+-Ca2+交换↑
L型钙通道开放
β受体
钙超载
胞浆[Ca2+]↑
（三）钙超载引起细胞损伤的机制
心肌收缩性↓
1．线粒体功能障碍
线粒体内[Ca2+ ] ↑
线粒体内磷酸钙沉积
ATP↓
2．激活钙依赖性降解酶
胞内[Ca2+]↑
PLA2激活
膜磷脂水解和受损
蛋白酶、核酸内切酶激活
心肌纤维损伤
3．促进氧自由基生成
XD
钙超载
损害组织细胞
激活Ca2+依赖性蛋白酶
环加氧酶、脂加氧酶
PLA2激活
花生四烯酸↑
4．肌原纤维挛缩和细胞骨架破坏
5．心律失常
XO
OFR↑
H2O2和OH•↑
三、中性粒细胞的作用（Role of neutrophils）
（一）PMN聚集（增加）（Collect of WBC）
1．细胞粘附分子（Cell adhesion molecules）生成增多
缺血-再灌注
PMN表达P-选择素↑
与VEC受体呈间歇性结合
再灌注
WBC表达2-整合素↑
整合素 ( CD11/CD18 )、选择素
(L-选择素、P-选择素和E-选择
素）、细胞间粘附分子、血管
细胞粘附分子及血小板内皮细
胞粘附分子等。
不稳定黏附
与VEC(ICAM-1)牢固黏附
2．趋化因子生成增多
PMN与VEC粘附
再灌注
PMN激活
释放趋化因子(LTB4)↑
LT、PGE2、PAF、补体↑
WBC聚集↑
（二）WBC介导缺血-再灌注损伤的机制
1．血液流变学的作用 （Block）
WBC体积大、变形能力↓、粘附
滚动、嵌顿和堵塞cap
（加重缺血缺氧）无复流现象
■无复流现象（no-reflow
phenomenon）
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。
The ischemia region could not be reperfused sufficiently
after relieving the occlusion to recover the blood flow.
■心肌无复流发生机制
▲心肌细胞肿胀
▲VEC肿胀
▲微血管壁通透性增加
▲微血管痉挛和栓塞
▲心肌细胞挛缩
▲补体的作用
钙超载
心肌痉挛、收缩
压迫冠脉
心肌缺血加重
2．炎症反应失控
WBC聚集、呼吸爆发
TNF、 IL-1、 IL-8
炎症介质
LTs、 TXA2、 PAF
血管通透性↑
O2ˉ· 、OH· ；溶酶体酶
胞内NF-B活化
心肌细胞损伤、坏死
炎症介质合成与释放↑↑↑
四、高能磷酸化合物缺乏
1．氧化磷酸化脱偶联
再灌注
线粒体损伤
氧化磷酸化脱偶联
ATP↓
2．高能磷酸化合物缺乏
再灌注
腺苷、肌苷、次黄嘌呤等被冲掉
高能磷酸化合物的底物↓
五、内皮素的作用
六、血管紧张素Ⅱ（angiotension Ⅱ）的作用
第三节 主要器官缺血-再灌注损伤
Ischemia-Reperfusion Injury in Vital Organs
Ischemia-reperfusion injury in heart
Ischemia-reperfusion injury in brain
Ischemia-reperfusion injury in lung
Ischemia-reperfusion injury in other organs
一、心脏缺血-再灌注损伤
（Ischemia-reperfusion injury in heart）
（一）发病机制（Pathogenesis）
缺血-再灌注损伤主要机制：氧自由基↑↑、钙超载。
【钙超载引起心肌损伤】
▲超载Ca2+以磷酸钙的形式沉积和损伤线粒体；
▲超载Ca2+导致肌原纤维挛缩，加速能量消耗和肌纤维膜破裂；
▲激活钙依赖性降解酶，损伤细胞膜；
▲Ca2+促进血小板粘附、聚集、释放等反应，促进血栓形成。
（二）对心肌电活动的影响（Reperfusion arrhythmia）
患者主要以室性心动过速和心室颤动为主。
■发生机制（Pathogenesis）
▲ROS、钙超载
▲再灌注
Em负值变小、电位震荡、早期后除极等
GA流失
▲心肌损伤、ATP
↓
心肌细胞自律性↑
KATP钾通道激活
■心电图变化（Change
心律失常
of ECG ）
▲缺血：ST段抬高，R波振幅增加。
▲再灌注损伤：R波振幅迅速降低，ST段高度恢复到原水平，
Q波很快出现，由窦性心律转变为心室颤动。
（三）心功能的影响 （Heart functional changes）
主要表现为心肌舒缩功能下降（心肌顿抑）
■心肌顿抑（Myocardial
stunning）
心肌经短暂缺血并恢复供血后，在一段较长时间内处于“低功
能状态”，常需数小时或数天才可恢复正常功能的现象。
■发生机制（Pathogenesis）
ROS、钙超载、能量代谢障碍等
心肌细胞水肿、僵硬度↑
心室内最大变化速率↓
心肌舒缩功能↓
心输出量↓
（四）心肌能量代谢变化
（Alterations of myocardium metabolism）
The energy metabolism mainly focus on the generation and
utilization of ATP in myocardium. In normally the ischemic
injury should relieve after reperfusion recover. It is revealed
that the high-energy phosphates stored in heart do not
increase followed by reperfusion, instead of deplete further.
That means the generation of ATP is lower because the
mitochondria damaged by oxygen free radicals and calcium
overload.
（五）心肌超微结构变化
（Alterations of myocardium ultrastructure）
基底膜缺失、肌原纤维结构破坏、心内膜下出血性梗死等。
表
比较心肌缺血损伤和再灌注损伤
二、脑缺血-再灌注损伤
（Ischemia-reperfusion injury to brain）
（一）对代谢的影响
■代谢障碍
▲缺血：ATP、CP产生↓↓
▲再灌注损伤：ROS↑
胞膜泵功能↓
膜损伤、细胞水肿
细胞功能↓
■细胞内酸中毒
■钙超载
▲突触前兴奋性氨基
▲激活磷脂酶A2
▲激活蛋白酶
膜磷脂降解和游离花生四烯酸↑
微管解聚、DNA降解
▲突出前膜与后膜的蛋白质过度磷酸化
N元骨架破坏
N末梢去极化障碍
（二）对脑功能的影响
脑电图变化：缺血
再灌注
病理性慢波
慢波持续并加重
发生机制：兴奋性aa(Glu, Asp)↓；抑制性aa(Ala, GABA)↑
（三）对超微结构的影响
脂质过氧化导致血脑屏障破坏
▲
ROS
胞膜损伤
乳酸↑
脑细胞严重损伤
▲
▲
钙超载
▲
细胞和亚细胞器肿胀
线粒体肿胀、钙盐沉积
CNS↓
胶质细胞、VEC肿胀，周围间隙增大、白质纤维间隙疏松，微血栓形成。
●氧自由基产生（Production
O2 e
O2
2e
O2ˉ·
3e
3H+
of oxygen free radical）
O2 2H+ H2O2
OH· + H2O
O2
4e
4H+
2H2O
氧的不同还原产物
Oˉ·2
氧分子的单电子还原产物；
H2O2
氧分子的双电子还原产物；
OH·
氧分子的3电子还原产物；
H2O
氧分子的4电子还原产物。
●分类
一氧化氮（NO）
RNS
●NO
过氧亚硝基阴离子（ONOO-）
和ONOO-产生
【活性氧】（Reactive oxygen species, ROS）
由氧形成，并在分子组成上含有氧的以来一类化学性质
非常活泼的物质。
Reactive oxygen species (ROS) are composed by oxygenderived free radicals (OFR) and non free radical substances, such
as superoxide anion radical ( Oˉ2· ), hydroxyl radical (OH·), hydrogen
peroxide (H2O2) and singlet oxygen (1O2).
ROS分类（Classofication of ROS）
氧自由基
ROS
自由基活性氧
非自由基活性氧
脂性自由基
H2O2, 1O2, ONOO-
思考题
1．试述线粒体在缺血-再灌注损伤发生中的作用。
2．为什么说氧自由基产生过多和细胞内钙超载互为因果关系？
3．试述缺血-再灌注时通过XO途径引起氧自由基增多的机制。
4．试分析白细胞在发生缺血-再灌注损伤中的作用。
5. 心肌缺血损伤和再灌注损伤的表现有何不同？
6. 试述细胞内钙超载导致心肌细胞再灌注损伤的机制。
7. 为什么脑细胞更易受活性氧损伤？