缺血再灌注损伤医学课件

缺血再灌注损伤 Ischemia-Reperfusion Injury,第十章,心脏介入手术,经皮冠状动脉腔内 成形术（PTCA）,放置支架,PTCA结合支架治疗冠心病患者，成功率较高，长期生存率较高,冠脉支架置入前后,实验与临床资料证明冠脉重新恢复血流后，有可能造成更严重的心肌损伤,1967年，Bulkley 和Hutchins发现冠脉血管再通后的病人发生心肌细胞反常性坏死。,经过一定时间缺血的组织器官的功能和结构,在得到血液再灌注时出现了明显的障碍,甚至发生了不可逆的损伤变化,这种现象称为。由此引起的临床疾病称再灌注综合征(reperfusion syndrome) 机体的许多器官都可发生再灌注损伤。其中对心脏的研究较多。,缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury）,第一节 IRI原因和影响因素,原因 引起血流重新恢复的因素：,影响因素 1.缺血时间：一定范围 2.侧支循环：建立难易 3.对氧的需求程度 ：越大越易损伤 4.再灌注条件：,休克、溶栓、心脏手术、心肺复苏、器官移植等,钙反常（calcium paradox）： 以无钙溶液灌流离体大鼠心脏2分钟后再以含钙溶液灌注时，心肌电信号异常、心脏功能、代谢及形态结构发生异常变化,氧反常（oxygen paradox）： 预先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,pH反常（pH paradox）： 再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而加重细胞损伤，称为pH反常。,低压、低温、低流、低pH、低Ca2+、Na+、高Mg2+、K+,第二节 缺血再灌注损伤的发生机制,根据大量实验与临床研究，目前对再灌注损伤认为主要与自由基损伤及钙超载有关;而微血管损伤和白细胞激活在发病中起重要作用,一 自由基 (Free Radical)的作用,(一）自由基的概念、类型： 自由基(Free Radical) ：在外层电子轨道上有单个不配对电子的原子、原子团和分 子的总称 1.氧自由基：由氧诱发的自由基 如：超氧阴离子（O 2. ） 、羟自由基（OH）等 活性氧（reactive oxygen)：氧自由基、单线态氧1O2 、H2O2等。 2.脂性氧自由基：是氧自由基与多价不饱和脂肪酸作用生成的中间代谢产物 如：烷氧自由基 LO . ,烷过氧自由基 LOO . 3. 其它：氯自由基（Cl） 、甲基自由基（CH3）,单线态氧：氧分子吸收能量，使一个外层电子从基态进行电子自旋反转，从而形成不稳定的激发态电子。,细胞色素氧化酶： 98的氧通过线粒体细胞色素氧化酶系统获得4 个电子，还原成水，12经单电子还原生成O 2. ，这是其它自由基和活性氧产生的基础。,黄嘌呤氧化酶：催化的反应是O 2. 产生的另一重要来源,超氧化物岐化酶（superoxide dismutase, SOD）,OH是最活跃最强力的氧自由基,HaberWeiss反应： O2.和歧化物H2O2相互作用产生 OH的反应。（慢） Fenton反应: Fe3+或Cu2+离子催化的HaberWeiss 反应。（快）,机体内抗氧化酶类： 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD ）； 谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-PX ） 过氧化氢酶（catalase, CAT ）,H2O2+2GSH 2H2O+GSSG,GSH-PX,2H2O2 2H2O+O2,CAT,非酶类抗氧化剂： 维生素C、维生素E、类胡萝卜素等,（二）氧自由基生成增多的机制,黄嘌呤氧化酶（XO）形成增多 中性粒细胞的大量聚集和激活 线粒体功能受损 儿茶酚胺增加和氧化,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO； 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,（二）氧自由基生成增多的机制 1.黄嘌呤氧化酶（XO）的形成增多 正常： XO (10%) / XD(90%) 存在部位：毛细血管内皮细胞 反应过程： 缺血再灌 细胞内钙增加 激活钙依赖性蛋白酶 XD大量转变为XO 缺血 ATP ADP AMP 次黄嘌呤,XO在氧自由基生成增多中的作用,2.中性粒细胞的大量聚集和激活：,缺血 细胞膜损伤 释放趋化因子和炎症介质 中性粒细胞聚集、激活 释放大量氧自由基（此时氧耗量显著增加 呼吸爆发）,中性粒细胞激活时7090的氧经细胞内的NADPH氧化酶和NADH氧化酶的作用形成氧自由基，用于杀灭病原微生物,3. 线粒体功能受损,缺氧 ATP减少 线粒体Ca 2+超载 线粒体功能受损 细胞色素氧化酶系统功能失调 经单电子还原生成的氧自由基增多 经4电子还原形成的水减少。 锰-超氧化物歧化酶含量减少：自由基清除减少,4. 儿茶酚胺增加和氧化,缺血时儿茶酚胺释放增加； 儿茶酚胺的氧化可以产生氧自由基；,（三）自由基的损伤作用,1.细胞膜脂质过氧化（lipid peroxidation):,（三）自由基的损伤作用,a.破坏膜的正常结构：细胞膜流动性下降，通透性增加； b.间接抑制膜蛋白功能：钠泵、钙泵、细胞信 号转导； c.激活磷脂酶C、D，促进自由基及其它生物活性物质（PG、LTs、TX）生成； d.减少ATP生成：线粒体膜脂质过氧化,1.膜脂质过氧化（lipid peroxidation): 膜磷脂双键被氧化,2. 抑制蛋白质的功能： 细胞结构蛋白、细胞内酶的巯基及氨基酸侧链氧化 蛋白质交联、酶活性受抑,3. 破坏核酸及染色体,主要表现为：碱基羟化、 DNA断裂，（脱氧核糖转变为核糖 复制障碍）导致染色体畸变，细胞死亡。这种作用80%为OH 所致,二、钙超载 （calcium overload),氧反常、钙反常、pH反常均可见细胞内钙浓度 增加，形成钙超载。 细胞内钙浓度与细胞受损程度成正相关 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。 目前认为细胞内外钙平衡失调是造成细胞内钙超负 荷的关键，主要原因是钙内流增加，而不是外流减少。,细胞内钙代谢：,细胞内钙代谢,内外浓度差：1万倍,钙超载的发生机制,（一）Na+Ca 2+交换增加：(主要机制) 1.细胞内高Na+对Na+-Ca 2+交换蛋白的直接激活：缺血细胞内ATP 钠泵失活 Na+再灌注后恢复能量供应 Na+-Ca 2+交换 2.细胞内高H+对Na+-Ca 2+交换蛋白的间接激活：缺血缺氧 细胞内酸中毒 增加，再灌注时细胞内外形成pH梯度差，激活-Na+交换,3. 蛋白激酶C(PKC)活化 Na+Ca 2+交换 1受体激活蛋白Gq 磷脂酶C PIP2 分解IP3 、DG IP3 Ca 2+释放 DG PKC激活Na+交换 Na+Ca 2+交换 受体激活： ATPcAMP L-钙通道开放,PKC活化 Na+Ca 2+交换,（二）生物膜损伤，钙通透性增强：,细胞膜损伤： 外板和糖被分离 Ca 2+ Ca 2+激活磷脂酶，膜磷脂降解，膜通透性 自由基损伤膜通透性 线粒体、肌浆网损伤： 线粒体损伤，ATP生成减少，线粒体及肌浆网膜上钙泵失活，钙的摄取下降； 钠泵功能障碍使细胞内Na+增多， Na+Ca 2+交换增强；,1、激活钙依赖性蛋白酶：XD XO, 促进FR的生成; 2、激活ATPase, ATP水解增加，细胞内酸中毒； 3、激活蛋白酶和磷脂酶-造成细胞损害； 4、激活核酶，引起染色体损伤； 5、损伤线粒体,ATP生成减少； 6、再灌注性心律失常：Na+/Ca2+交换，迟后除极; 7、肌原纤维过度收缩： 恢复能量供应、钙超载-肌原纤维过度收缩 缺血再灌注使缺血期堆积的H+迅速移出、 减少H+对心肌的抑制作用,钙超载引起再灌注损伤的可能机制,钙超负荷激活多种酶-造成细胞损害,在大多数可见细胞中，心肌纤维的横纹丢失，细胞核模糊。注意在纤维上有许多无规律暗红的呈波浪状的收缩带经过。,收缩带坏死：,三 微血管的损伤和白细胞的作用,（一）再灌注时，血管内皮细胞损伤与白细胞激活的机制： 1、血管内皮细胞损伤的机制： 2、白细胞激活的机制： 1）粘附分子大量释放、合成增加； 2）膜磷脂降解,释放趋化因子:如白三烯、PAF； 3）白细胞本身释放具有趋化作用的炎症介质；,粘附分子（adhesion molecule）：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、血小板内皮细胞粘附分子等，在维持细胞结构完整和细胞信号转导中起重要作用。,（二）血管内皮和中性粒细胞介导的缺血再灌损伤,1. 微血管损伤： 微血管血液流变学的改变：白细胞粘附； 无复流现象（no-reflow phenomenon）: 缺血组织 恢复血液 供应后，部分缺血组织不能得到充分的血液灌流 微血管口径的改变：内肿、外压、缩血管物质释放； 微血管通透性增高：自由基损伤、中性粒细胞粘附；,2. 细胞损伤： 激活的中性粒可产生氧自由基或释放溶酶体酶，损伤、破坏细胞；无复流加重组织缺氧,四 高能磷酸化合物缺乏,1、缺血再灌通过钙超载、自由基生成增多损伤线粒体； 2、线粒体功能受损，氧的利用能力下降； 3、 ATP合成的前体，如腺苷、肌苷等流失；,第三节 再灌注损伤时机体的功能、代谢变化,1. 心肌舒缩功能降低：,表现： 心输出量减少； 心室内压最大变化速率降低； 左室舒张末压升高；,心肌顿抑（myocardial stunning）: 缺血心肌在血已 经恢复或基本恢复正常后一定时间内，出现的可逆性收缩功能降低的现象。,心肌顿抑是缺血再灌的表现形式之一，自由基爆发性生成和钙超载是其主要发病机制,(一)、心脏功能变化：,一、心肌缺血再灌注损伤的变化：,再灌注性心律失常发生的机制：,1、心肌损伤 传导性与不应期的暂时不均 一性 折返激动 2、缺血 儿茶酚胺释放增加 心肌自律 性提高； 3、钙超载 Na+/Ca2+交换增加 一过性内 向离子流 迟后除极 4、缺血再灌使心肌纤颤阈降低,2.再灌注性心律失常： 室性心律失常最多见，冠脉再通时发生率5080。,（二）心肌能量代谢变化 能量代谢变化： 1、 ATP 减少，ATP/ADP； 磷酸肌酸（CP）含量降低。 2、ADP、AMP及其降解产物含量升高 原因： 1、线粒体损伤； 2、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。,1心肌细胞肿胀和间质水肿 高能磷酸化合物储备减少 细胞内酸中毒 钠泵失活 细胞内钠离子增加 水肿 2心肌超微结构变化 膜磷脂的破坏、肌原纤维结构的破坏、线粒体损伤、收缩带坏死。,（三）心肌超微结构变化,二 脑的缺血-再灌注损伤,一、脑能量代谢变化 ： 1.ATP、CP、Glu，乳酸明显增加 2.cAMP ，激活磷脂酶，膜磷脂降解 3.自由基增加，膜脂质过氧化 二、脑氨基酸代谢变化： 兴奋性氨基酸减少：谷氨酸、天冬氨酸 抑制性氨基酸增多：-氨基丁酸、甘氨酸 三、脑组织学变化： 脑水肿、脑细胞坏死,三 其他器官的变化,肠：粘膜损伤（特征性损害）广泛上皮与绒毛分离，上皮坏 死，固有层破损，出血及溃疡形成,肾：肾功能受损，以急性肾小管坏死最严重,骨骼肌：肌肉微血管和实质损伤,小肠血管内皮细胞中的XD、XO活性在体内各 脏器中是最高的，再灌注时易产生大量自由基,凋亡(apoptosis): 又称程序性细胞死亡(