病理生理学缺血再灌注损伤.ppt

,缺血-再灌注损伤,(Ischemia-reperfusion injury),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。,本章内容,概述 缺血-再灌注损伤的原因和条件 缺血-再灌注损伤的发生机制* 缺血-再灌注损伤时机体的功能、代谢变化 缺血-再灌注损伤防治的病理生理基础,第一节 概 述,(Introduction),概 念,在缺血的基础上恢复血流后， 组织损伤反而加重,甚至发生不可逆 损伤的现象称为缺血-再灌注损伤 (ischemia-reperfusion injury, IRI)。,第一节 概 述,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。,历 史,认识就从这简单的现象开始,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,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,第二节 缺血-再灌注损伤发生的 原因和条件,缺血-再灌注损伤原因,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,冠脉搭桥 (CABG),PTCA,过长坏死,过短功能恢复,1、缺血时间的长短,影响因素,大鼠在体缺血-再灌注,容易形成侧支循环者，不易发生再灌注损伤。,2、侧支循环,对氧需求高者，容易发生再灌注损伤，如心、脑等。,3、需氧程度,缺血-再灌注损伤的现象,氧反常 （oxygen paradox）,pH反常 （pH paradox）,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,4、再灌注的条件,低压、低温、低pH、低钠,钙反常(calcium paradox): 以无钙溶液 灌流离体大鼠心脏2min后再以含钙溶液 灌注时，心肌电信号异常、心脏功能、 代谢和形态结构发生异常变化，这种 现象称为钙反常。,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，称为氧反常。,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。,pH反常(pH paradox),再灌注时纠酸,损伤加重,低氧灌注/缺氧培养,复氧,损伤加重,氧反常(oxygen paradox),钙反常(calcium paradox),无钙液灌注,含钙液,心肌损伤加重,第三节 缺血再灌注损伤的发生机制,自由基的作用,钙超载,白细胞的作用,自由基(free radical)是指在 外层电子轨道含有单个不配对电子 的原子、原子团或分子。,一、自由基的损伤作用,化学性质活泼 氧化性强 半衰期短,1. 氧自由基 (oxygen free radical，OFR),(一)自由基的种类,2. 脂性自由基 (lipid free radical),1. 氧自由基,e-+H+,H2O,e-,e-+2H+,H2O2,e-+H+,H2O,OH,O2,以氧为中心的自由基称为氧自由基，如超氧阴离子（ ）、羟自由基（ ）。,OH,98% 4e-+4H+ 细胞色素氧化酶系统,1%-2%,SOD,Haber-Weiss反应 (without Fe3+),+ H2O2 O2 + OH- + OH,SLOW,Fenton型 Haber-Weiss反应,FAST,+ H2O2 O2 + OH- + OH,Fe3+,2. 脂性自由基(lipid free radical),氧自由基,+,多价不饱和脂肪酸,L. (烷自由基) LO. (烷氧自由基) LOO. (烷过氧自由基),3. 氮中心自由基：NO、ONOO-,L-精氨酸,L-胍氨酸 + NO,INOS,O2,NADPH,NADP+,NO +,ONOO-,ONOO-,OH + H+,NO2 +,H2O,活性氧（reactive oxygen species, ROS）指化学性质活泼的含氧代谢物。,氧自由基,单线态氧（1O2）,过氧化氢（H2O2）,脂质过氧化物 及其裂解产物,单线态氧 ( 1O2 ),单线态氧：是一种激发态氧，其氧分子两个外层电子轨道中的电子发生反向自旋改变，使外层轨道两个电子自旋方向相反，氧分子的反应能力大大增加。这种氧分子在紫外光谱中呈现一种单线，故称单线态氧。,(二)活性氧的清除,SOD 过氧化氢酶（CAT） 过氧化物酶,抗氧化酶,Mn-SOD CuZn-SOD,清除H2O2,维生素E 维生素A,非酶性抗氧化物,还原 1O2 脂质自由基,清除 1O2 ， 抑制脂质过氧化,GSHpx,+ 2GSH,H2O2,2H2O + GSSG,维生素C GSH,协助维持维生素E 的活性状态,活性氧（reactive oxygen species, ROS）指化学性质活泼的含氧代谢物。,氧自由基,单线态氧（1O2）,过氧化氢（H2O2）,脂质过氧化物 及其裂解产物,（三）自由基生成增多的机制,1.黄嘌呤氧化酶途径 2.中性粒细胞途径 3.线粒体途径 4.儿茶酚胺自身氧化途径,ATP,AMP,次黄嘌呤核苷,腺嘌呤核苷,ADP,次黄嘌呤,缺血期,黄嘌呤脱氢酶 XD（90%）,黄嘌呤氧化酶XO（10%）,Ca2+依赖性蛋白水解酶,再 灌 注 期,黄嘌呤+ +H2O2,尿酸+ +H2O2,O2,OH,XO,1.黄嘌呤氧化酶途径,(+),(+),缺血,缺氧,补体 趋化物质,中性粒细胞 聚集,耗氧,氧经NADPH氧化酶和NADH氧化酶催化生成大量氧自由基,中性粒细胞的呼吸爆发(respiratory burst),2.中性粒细胞途径,C3a，C5a 白三烯,缺氧,ATP,线粒体Ca2+,细胞色素 氧化酶 功能抑制,氧单电子还原,氧自由基,细胞内氧分压,含Mn的SOD,3.线粒体途径,e-+H+,H2O,e-,e-+2H+,H2O2,e-+H+,H2O,OH,O2,98% 4e-+4H+ 细胞色素氧化酶系统,1%-2%,SOD,ONOO-,NO,缺血,缺氧,激活交感-肾上腺髓质系统,儿茶酚胺,单胺氧化酶,氧自由基,4.儿茶酚胺自身氧化途径,(1) 破坏膜的正常结构,脂质 过氧化,膜不饱和 脂肪酸,不饱和脂肪酸/ 蛋白质比例失调,膜液态性 流动性,膜通透性,Ca2+内流,1.膜脂质过氧化作用增强,(2) 间接抑制膜蛋白功能,脂质之间交联,(-),钙泵、钠泵 Na2+/Ca2+交换蛋白,胞内Na2+、Ca2+,钙超载、细胞肿胀,(3) 促进自由基及其它生物活性物质生成,膜脂质 过氧化,磷脂酶C 磷脂酶D,膜磷脂分解,花生四烯酸,脂氧合酶,白三烯,过氧化物,环氧合酶,前列腺素内过氧化物,OH.,TXA2,PG,自由基,(+),(4) 减少ATP生成,蛋白质变性 蛋白质(酶)交联,例：,肌纤维蛋白对Ca2+反应性,心肌收缩力,肌浆网钙转运蛋白受损,钙调节异常,2.蛋白质功能抑制,3.核酸及染色体破坏,80%由OH所致,第三节 缺血再灌注损伤的发生机制,自由基的作用,钙超载,白细胞的作用,Na+-Ca2+交换蛋白,Ca2+泵,Ca2+,Ca2+e：10-3M,Ca2+i：10-7M,VOC,ROC,细胞内Ca2+的稳态调节,结合于质膜糖被的Ca2+,Na+,Ca2+,二、细胞钙超载引起再灌注损伤,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（calcium overload）。,钙反常(calcium paradox): 1966年 Zimmerman和Hulsmann发现用无钙的 “生理盐水溶液” 灌流大鼠离体心脏， 短时间内即发生肌膜损伤，随后恢复 正常含钙的生理溶液，心脏发生更为 严重的结构和功能改变。,1、Na+-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）蛋白激酶C（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 （2）肌浆网膜损伤 （3）线粒体膜损伤,(一)细胞钙超载的机制,2.肌浆网膜损伤,3.线粒体膜损伤,1.细胞膜损伤,3.儿茶酚胺增加,1.细胞内高Na+,Na+,H+,2.细胞内高H+,缺血,ATP,钠泵活性,Na+i,(+),Na+-Ca2+蛋白,酸中毒,再灌注,组织间隙H+ 细胞内H+仍高,(+),Na+-H+ 交换, 细胞内Na+对Na+-Ca2+交换蛋白的直接激活,胞内钙, 细胞内H+对Na2+-Ca2+交换蛋白的间接激活,1、Na2+-Ca2+交换异常, PKC活化对Na+-Ca2+交换蛋白的间接激活,(+),2.生物膜损伤致细胞内钙超载,(1) 细胞膜损伤,无钙液,膜外板与糖被膜分离,Ca2+,磷脂酶,膜磷脂降解,自由基,膜脂质过氧化,(2) 肌浆网膜及线粒体膜损伤,肌浆网Ca2+摄取,钙泵能量不足,膜通透性,线粒体ATP产生,膜磷脂降解,膜脂质过氧化,(二)细胞内钙超载引起缺血再灌注损伤的机制,(+),1.促进氧自由基生成,Ca2+,Ca2+依赖性蛋白酶 (XDXO),2.加重酸中毒,(+),Ca2+,激活某些ATP酶,细胞高能磷酸盐水解,释放大量 H+,加重细胞内酸中毒,3.破坏细胞（器）膜,Ca2+,磷脂酶,膜磷脂分解,膜受损,花生四烯酸、溶血磷脂,(+),4.线粒体功能障碍,线粒体 摄Ca2+,消耗ATP 磷酸钙,抑制氧化 磷酸化,ATP,5.激活其它酶的活性,激活蛋白酶 细胞膜和结构蛋白的分解,激活核酶 染色体损伤,第三节 缺血再灌注损伤的发生机制,自由基的作用,钙超载,白细胞的作用,三、白细胞的作用,1.细胞粘附分子生成增多 2.趋化因子生成增多,(一)再灌注时白细胞聚集的机制,粘附分子,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、血管细胞粘附分子及血小板内皮细胞粘附分子等。 功能：维持细胞结构完整 细胞信号转导,白细胞聚集的机制,(二)白细胞介导缺血再灌注损伤的机制,1. 微血管损伤,无复流现象 (no-reflow phenomenon) 恢复血液灌注后，缺血区的微血管依然得不到充分血流灌注的现象称无复流现象。,2. 细胞损伤 释放大量的致炎物质，如自由基、蛋白酶、溶酶体酶等。,无复流现象(no-flow phenomenon),机制小结：,自由基,钙超载,白细胞,？,缺血-再灌注损伤,第四节 缺血再灌注损伤时 机体的功能及代谢变化,一、心肌缺血再灌注损伤,1、再灌注性心律失常,自由基和钙超载造成的心肌损伤及再灌注后细胞内外离子分布紊乱 表现：室速、室颤,心肌顿抑：在缺血心肌血流 恢复后一段时间内，心肌舒 缩功能仍不能恢复正常的状 态，称为心肌顿抑。,2、心肌舒缩功能降低,3.再灌注对心肌代谢的影响,线粒体受损,能量合成,再灌注,底物冲走,高能磷酸 化合物,4.再灌注对心肌超微结构的影响,基底膜缺失、肌原纤维结构破坏、心内膜下出血性梗死等。,比较心肌缺血损伤和再灌注损伤,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,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,第五节 防治的病理生理基础,尽量缩短脏器缺血时间、尽早恢复血流 低压、低温、低pH、低钠、低钙液灌流 改善缺血组织代谢 清除自由基及活性氧 减轻钙超载：钙拮抗剂 Na+ / Ca2+ 、 Na+ /H+交换抑制剂 中性粒细胞抑制剂的应用：糖皮质激素等 其它药物：细胞保护剂 扩管 稳膜等 启动内源性保护机制 ： 应激蛋白表达 心肌缺血预处理,缺血预处理,指组织器官经反复短暂缺血后，会明显增强对随后较长时间缺血及再灌注损