脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件

1、脑缺血缺氧的病理生理及研究进展脑缺血缺氧的病理生理及研究进展脑的重量： 占全身体重的2%-3%脑的血流量： 占全身血流量15-20%脑的氧糖耗量：占全身的20-25， 且几乎无氧糖储备概 述脑的重量： 占全身体重的2%-3%概 述脑缺血brain ischemia 是指脑循环血流量减少为特征的中枢神经系统疾病。临床较为常见，因其发病率、致残率和致死率均较高，严重影响生存质量。脑缺血及研究意义脑缺血及研究意义脑血管的入颅路径脑血管的入颅路径颈内动脉系统 internal carotid artery system 眼动脉 optic artery 大脑前动脉 anterior cerebral

2、artery 前交通动脉 anterior communication artery 大脑中动脉 middle cerebral artery 后交通动脉 posterior communication artery 脉络膜前动脉 anterior choroidal artery 主要供应: 眼及以下组织 额叶 frontal lobe 顶叶 parietal lobe 颞叶 temporal lobe 基底节 basal ganglion 颈内动脉系统 眼动脉 optic ar椎-基底动脉系统vertebral-basilar artery 小脑后下动脉 posterior inferio

3、r cerebellar artery 小脑前下动脉 anterior inferior cerebellar artery 桥脑支 pons artery 内听动脉 internal auditory artery 小脑上动脉 superior cerebellar artery 大脑后动脉 posterior cerebral artery 主要供应： 枕叶 occipital lobe 脑干 brain stem 小脑 cerebellum椎-基底动脉系统 主要供应：急性脑血管病的分类急性脑血管病的分类 概念: 血液由脑血管内逸出，称为脑出血。 内出血血液进入器官、组织或体腔。 外出血血

4、液流出体外。 脑 出 血 cerebral hemorrhage 概念: 脑 出 血 概念： 颈动脉或椎动脉系统-过性供血不足，导致供血区的局灶性神经功能障碍，出现相应的症状及体征。 特点： 一般症状在5分钟内即达高峰，一次发作常持续5-20分钟，最长不超过24小时，但可反复发作。transient ischemic attack ,TIA短暂性脑缺血发作 概念： transient ischemic atta在脑血管腔内，血液发生凝固或血液中某些成分凝集形成的固体质块称为脑血栓。 脑 血 栓 cerebral thrombosis概念:在脑血管腔内，血液发生凝固或血液中某些成分凝集形成的固体

5、质块脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件 由各种原因导致脑动脉血流中断，局部脑组织发生缺血缺氧性坏死或脑软化而出现相应神经功能缺损。脑 梗 死 cerebral infarct概念: 由各种原因导致脑动脑 梗 死 概念:“半暗带”缺血区梗死灶梗死灶中心坏死区周围可恢复的部分血流灌注区。“半暗带”梗死灶梗死灶中心坏死区周围可恢复的部分血流灌注区。脑梗脑水肿脑梗脑水肿 各种病因使脑血管（主要指脑动脉） 发生病变导致脑的急性损害,称为 中风 stroke或卒中apoplexy急性脑血管病 各种病因使脑血管（主要指脑动脉）急性脑血管病脑缺血性病变的病理分期 超早期（16小时）：病变脑组织变化不明显，

6、可见部分血管内皮细胞、神经细胞及星形胶质细胞肿胀，线粒体肿胀空化；急性期（624小时）：缺血区脑组织苍白和轻度肿胀，神经细胞、胶质细胞及内皮细胞呈明显缺血改变； 脑缺血性病变的病理分期 超早期（16小时）：病变脑组织变坏死期（2448小时）：大量神经细胞消失，胶质细胞坏变，中性粒细胞、淋巴细胞及巨噬细胞浸润，脑组织明显水肿；软化期（3天3周）：病变区液化变软；恢复期（34周后）：液化坏死脑组织被格子细胞清除，脑组织萎缩，小病灶形成胶质瘢痕，大病灶形成中风囊，此期持续数月至2年。脑缺血性病变的病理分期 坏死期（2448小时）：大量神经细胞消失，胶质细胞坏变，脑缺血时间 脑组织对缺血缺氧非常敏感，

7、阻断血流30秒钟脑代谢即发生改变，1分钟后神经元功能活动停止，脑动脉闭塞导致缺血超过5分钟可发生脑梗死。脑缺血程度 缺血后神经元损伤具有选择性，轻度缺血时仅有某些神经元丧失，完全持久缺血时缺血区各种神经元、胶质细胞及内皮细胞均坏死。脑缺血/缺氧的病理生理脑缺血时间 脑组织对缺血缺氧非常敏感，阻断血流30秒钟急性脑梗死病灶由中心坏死区及周围的缺血半暗带组成。坏死区由于完全性缺血导致脑细胞死亡，但缺血半暗带仍存在侧枝循环，可获得部分血液供应，尚有大量可存活的神经元，如果血流迅速恢复使脑代谢改善，损伤仍然可逆，神经细胞仍可存活并恢复功能。因此，保护这些可逆性损伤神经元是急性脑梗死治疗的关键。 脑缺血

8、/缺氧的病理生理“半暗带”缺血区梗死灶急性脑梗死病灶由中心坏死区及周围的缺血半暗带组成。坏死区由于脑梗死区血流再通后氧与葡萄糖供应及脑代谢恢复，脑组织损伤理应得到恢复。然而，实际上并非如此，这是因为存在有效时间即再灌注时间窗。如果脑血流再通超过此时间窗时限，脑损伤可继续加剧，产生再灌注损伤。研究证实，脑缺血超早期治疗时间窗为6小时之内。缺血半暗带和再灌注损伤概念的提出，更新了急性脑梗死的临床治疗观念，抢救缺血半暗带的关键是超早期溶栓治疗，减轻再灌注损伤核心是积极采取脑保护措施。 脑缺血/缺氧的病理生理脑梗死区血流再通后氧与葡萄糖供应及脑代谢恢复，脑组织损伤理应缺血-再灌注损伤（Ischemia

9、-reperfusion injury, IRI ）缺血休克、血栓形成、动脉硬化、血管收缩、血管受压等。 组织缺氧 再灌注损伤在恢复供血的过程中，出现缺血组织的功能、结构损伤加重。病情恶化缺血-再灌注损伤缺血休克、血栓形成、动脉硬化、血管收缩、血管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。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。缺血-再灌注损伤的发现1960年 Jennings等 提出心肌IRI的概念。 概念：缺血的脑组

10、织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。脑缺血-再灌注损伤cerebral Ischemia-reperfusion injury概念：脑缺血-再灌注损伤炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenesis）自由基生成增多 高能磷酸化合物缺乏低氧诱导因子的作用炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenes 自由基生成增多（radicals production increase） 概念与分类（conception and classification）概念：分布在外层轨道上的带有不配对电子的原子、分子或原子团。（Free ra

11、dical are a highly reactive group of atoms, molecules or radicals, which carry unpaired electron in outer orbital. ） 自由基生成增多（radicals p 存在时间短； 高度化学活泼性； 氧化性强。自由基的特性 （property of free radicals）自由基的特性 自由基分类 氧自由基 oxygen free radical 脂性自由基 lipid radicals 氮中心自由基 reactive nitrogen species 自由基分 氧自由基（oxygen

12、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 超氧阴离子自由基（superoxide anion, ）羟自由基（hydroxyl radical, OH）O2氧自由基O2 氧自由基（oxygen free radica 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）烷氧自由（LO）烷过氧自由基（LOO）脂性自由基 脂性自由基（lipid radicalL-精氨酸iNOSNADPHNADP+L-胍氨酸

13、 + NOO2NO + O2 ONOO-ONOO- NO2 + OH + H+H2O 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）过氧亚硝基阴离子（ONOO-）RNSL-精氨酸iNOSNADPHNADP+L-胍氨酸 + NOO细胞色素C氧化酶 O2 H2O 【正常】4e-O2 OFR 【缺血】 电子受体和传递电子4e- 呼吸链酶活性O2 H2O 【再灌注】e-OFRCa2+超载自由基增多机制（mechanism of free radical increase）细胞色素

14、C氧化酶 O2 缺血 ATP Ca2+超载 Ca2+依赖性蛋白酶 缺血 ATP Ca2+超载白细胞呼吸爆发产生大量氧自由基O2H2O2HOClNADPH oxidaseNADPHMPOMPONADP+OHNOO2-OONO-OH白细胞吞噬时伴耗氧量显著增加的现象，称呼吸爆发。 白细胞呼吸爆发产生大量氧自由基O2H2O2HOClNADPH缺血/缺氧交感-肾上腺髓质系统兴奋儿茶酚胺分泌增多代偿调节作用氧化产生氧自由基儿茶酚胺的自身氧化产生氧自由基缺血/缺氧交感-肾上腺髓质系统兴奋儿茶酚胺分泌增多代偿调节作自由基损伤作用（mechanisms of free radical injury ）【氧化应

15、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） 蛋白质变性和酶活性降低 DNA损伤和染色体畸变 自由基损伤作用（mechanisms of free rad脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件 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 膜脂质过氧化增强 膜结构破坏 膜脂质过氧化 膜不饱和性异常 膜流动性、通透性 膜蛋白功能抑制；受

16、体失活、泵失灵；信号传递障碍； 线粒体功能受损；ATP生成减少 。 膜结构破坏-S-S-CH3-S-脂质-脂质交联OOHHO脂肪酸氧化OHHO从氧化的脂肪酸释出的丙二醛MDA-S-S-CH3-S-脂质-脂质交联OOHHO脂肪酸氧化OH 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； 攻击酶活性中心部位的氨基酸；激活磷脂酶A2 PG、LT生成 炎症反应加剧蛋白质断裂蛋白质-蛋白质交联-S-S-CH3-S-脂质-脂质交联O二硫交联脂质-蛋白 质交联氨基酸氧化OHHO脂肪酸氧化OHHO 蛋白质变性和酶活性降低【蛋白失活机制】蛋白质断裂蛋

17、白质 DNA损伤和染色体畸变 胸腺嘧啶 5，6-双键 胸腺嘧啶自由基 OH（占80%活性氧）加成反应碱基发生修饰、断裂、交联染色体畸变、断裂 DNA损伤和染色体畸变 OH（占80%活性氧）加成反a physiological balance between ROS production and eliminationROS: O2, H2O2 , 1O2 OH, HOCl Enzymes: SOD, CATNon-enzyme antioxidants: vitamines (E,A,C), thiols, ceruloplasmin, transferrin, uric acid, albu

18、min, mitophagy, etc.a physiological balance betwee 自由基的清除（scavenge free radicals） 酶性清除剂 enzymes scavenger 过氧化氢酶 ( CAT)、过氧化物酶 （POD） H2O2 降解 清除 非酶性清除剂 non-enzyme scavenger VE、VA、VC、半胱氨酸、谷胱甘肽、白蛋白、铜蓝蛋白超氧阴离子降解 清除超氧化物岐化酶（SOD） 糖基化酶 (glycosidase) 清除DNA氧化碱基 线粒体自噬 mitophagy 自由基的清除（scavenge free radiMolecular

19、mechanisms regulating mitophagy. Increases in cellular ROS lead to loss of mitochondrial membrane potential (DCm) which, in turn, signals for mitochondrial fragmentation (fission) and delivery to autophagosomes (mitophagy). Two pathways have been proposed to mediate this process: PINK1 recruits the

20、E3 ligase parkin to damaged mitochondria, which then mediates mitochondrial fragmentation and subsequent targeting to autophagosomes in a process that involves ubiquitination of VDAC and binding to p62. Then p62 targets this complex to autophagosomes by interacting with the autophagic protein LC3. A

21、lternatively, NIX, localized to the mitochondrial outer membrane, interacts directly with GABARAP or LC3 upon decrease of DCm, and thereby mediates the recruitment of damaged mitochondria to autophagosomes. Trends in Biochemical Sciences January 2011, Vol. 36. Molecular mechanisms regulatinprimary h

22、epatocytes28 JANUARY 2011 VOL 331 SCIENCE murine liver lysatesprimary hepatocytes28 JANUARY Red, mitochondria; blue, cytoplasm; green, nucleiRed, mitochondria; blue, cytop炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenesis）自由基生成增多 高能磷酸化合物缺乏低氧诱导因子的作用炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenes细胞内Ca2+超载（Ca2+ overload） 概念： 各种原因引起的细胞内钙

23、含量异常增多并导致细胞结构 损伤和功能代谢障碍。 2Ca2+离开胞液的途径Ca2+泵、Na+-Ca2+交换、Ca2+-H+交换。 （一）细胞内Ca2+稳态调节 1Ca2+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细胞内Ca2+超载（Ca2+ overload） Na + -Ca 2+载体Ca2+ B Pr线粒体内质网Ca 2+ Ca 2+ Ca2+泵Ca2+Ca2+Ca2+e：10-3MCa2+i：10-7MVOCROCCa 2+的稳态调节Na + -Ca 2+载体Ca2+ B Pr线粒体内质网Ca（二）钙超载产生（calc

24、ium 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 胞膜通透性 膜磷脂降解 激活PLA2 胞内Ca2+ 微管和微丝收缩 细胞膜通透性 细胞间紧密连接破坏 再灌注 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 （二）钙超载产生（calcium overload prod2. 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

25、载 3. 线粒体损伤（mitochondrial injury） 胞内游离钙 ROS 线粒体膜损伤 ATP生成 钙泵活性2. Na+-Ca2+交换异常（disorder of NaG蛋白-磷脂酶C IP3 内质网Ca2通道开放CA 受体DG 激活PKC Na+-H+交换、Na+-Ca2+交换 钙超载 胞浆Ca2+受体CA L型钙通道开放 4儿茶酚胺增多（CA increase） G蛋白-磷脂酶C IP3 定义12 Na+/Ca2+交换异常4. 儿茶酚胺增多3 活性氧产生增加定义12 Na+/Ca2+交换异常4. 儿茶酚胺增多3 活性（三）钙超载引起细胞损伤的机制1线粒体功能障碍线粒体内Ca2+

26、 线粒体内磷酸钙沉积 ATP2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 细胞损伤3促进氧自由基生成 XD 损害组织细胞钙超载 激活Ca2+依赖性蛋白酶 环加氧酶、脂加氧酶 XO OFR PLA2激活 花生四烯酸 H2O2和OH（三）钙超载引起细胞损伤的机制2激活钙依赖性降解酶3促进炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenesis）自由基生成增多 高能磷酸化合物缺乏低氧诱导因子的作用炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenes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

27、分子、血管细胞粘附分子及血小板内皮细胞粘附分子等。 炎 症 反 应 加 剧 (inflammatory reaction aggravation)（一） 中性粒细胞的作用（role of neutrophils/PMN）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 不稳定黏附再灌注 WBC表达2-整合素 与VEC(ICAM-1) 牢固黏附 整合素 ( CD11/CD18 )、选择素 2趋化因子生成增多PMN与VEC粘附 PMN激活 释放趋化因子(LTB4) 再灌注 LT、PGE2、PAF、补体 WBC聚集无

28、复流现象(no-reflow phenomenon ) 恢复血液灌注后，缺血区依然得不到充分血流灌注的现象称无复流现象 . 3阻塞微循环 2趋化因子生成增多无复流现象(no-reflow phenO2TNF、 IL-1、 IL-8 LTs、 TXA2、 PAF 、OH ；溶酶体酶2炎症反应失控 WBC聚集、呼吸爆发 胞内NF-B活化 心肌细胞损伤、坏死 炎症介质合成与释放血管通透性炎症介质WBC介导缺血-再灌注损伤的机制1血液流变学的作用 WBC体积大、变形能力、粘附 嵌顿和堵塞 加重缺血/缺氧 O2TNF、 IL-1、 IL-8 2炎症Figure 1 Chronology of blood

29、 circulation and cerebral expression of cytokines, lymphocyte infiltrationand brain infarct growth after mild to moderate brain ischemia. Treg cells prevent delayed lesionexpansion in an IL-10dependent manner. They also temper the proinflammatory cytokine burststarting early time points after ischem

30、ia. Injection of IL-10 in the brain reduces infarct volume. TNF-, tumor necrosis factor-; IFN-, interferon-. Regulatory T cells protect the brain after strokeVOLUME 15 NUMBER 2 FEBRUARY 2009 NATURE MEDICINE （二） 调节性T细胞的作用（role of regulatory T cells）Figure 1 Chronology of blood cTreg cells reduce the

31、early invasion of neutrophils into the brain and the activation of invading T cells(a,b) Topographic map of five accumulated brain sections and representative histological section 24 h after MCAO showing myeloperoxidase-positive (MPO+) neutrophilic granulocytes predominantlylocated in the necrotic a

32、rea and the border of the ischemic zone.(c,d) Topographic map and representative histological section of CD3+ T lymphocytes invadingthe ischemic brain 5 d after MCAO.(e) Immunohistochemical sections showing Treg cells predominantly in the peri-infarct area.Arrows indicate Foxp3+ Treg cells.abcdeInfa

33、rctareaInfarctarea50 m80 m40 m100 mTreg cells reduce the early inIpsilateralContralateralMicroglia are activated after ischemia, are the main source of cerebral TNF-a and are more abundant in brains of Treg celldepleted mice.Statistical analysis of counted IBA-1+ cells in ipsilateral and contralater

34、al regions in control (PBS) and Treg celldepleted mice (anti-CD25) at 24 h and 5 d after MCAO induction. *P 0.01.IpsilateralContralateralMicrog炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenesis）自由基生成增多 高能磷酸化合物缺乏低氧诱导因子的作用炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenes 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 ATP2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

35、的底物高能磷酸化合物缺乏 (lack of high-energy phosphate compound)Ca2+ 2高能磷酸化合物缺乏高能磷酸化合物缺乏 (lack of64一系列生化改变缺血/缺氧细胞能量储备耗竭Na+/K+泵衰竭酸中毒细胞膜去极化电压控制钙通道开放谷氨酸释放细胞内Ca2+浓度升高激活脂酶NMDA，AMPA及代谢性受体激活NO合成酶NO自由基生成蛋白酶核酸内切酶细胞死亡再灌注ABCD图例:A: 钙离子拮抗剂B: 谷氨酸释放抑制剂C :NMDA及非NMDA受体拮抗剂D: 自由基清除剂炎症64一系列生化改变缺血/缺氧细胞能量储备耗竭Na+/K+泵衰炎症反应加剧 细胞内钙超载【发

36、病机制】（Pathogenesis）自由基生成增多 高能磷酸化合物缺乏低氧诱导因子的作用炎症反应加剧 细胞内钙超载【发病机制】（Pathogenes低氧诱导因子的作用(role of hypoxia-inducibe factor)低氧诱导因子的作用(role of hypoxia-induBefore HIF-1 was found, HRE had been identified in the 3-enhancer region of the erythropoietin gene, whose transcription is up-regulated by more than 100-

37、fold by severe hypoxia. Semenza and Wang defined a binding site critical for the hypoxia-inducible function, which involves a transcription factor induced by hypoxia.DISCOVERY OF HIF-1DISCOVERY OF HIF-1STRUCTURE OF HIF-1STRUCTURE OF HIF-1脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件Fig. 2. Structures of the Hif1 gene and HIF

38、-1 protein. The Hif1 gene is composed of 15 exons and 14 introns. HIF-1 protein possesses a basic helix-loop-helix (bHLH) and a PER-ARNT-SIM (PAS) domain, which are involved in HRE-binding and dimerization with ARNT. Its C-terminal contains two transacting domains (TAD) and a nuclear localization si

39、gnal (NLS). The oxygen-dependent degradation domain (ODDD) contains two proline residues (P402 and P564), targeted by prolyl hydroxylases, and a lysine residue (K532), targeted by ARD1 acetyl transferase.Fig. 2. Structures of the Hif1Correlated background HIF-1 (hypoxia-inducible factor-1) pVHL (von

40、 Hippel-Lindau) EGLN (Egl-nine: egg laying nine) Semenza and Wang (1992) identified originally HIF-1 by its binding to a hypoxia response element in the human (EPO) gene. Maxwell et al. (1999) were the first to show that ubiquitination and proteasomal degradation of HIF-1 requires the pVHL, the subs

41、trate recognition subunit for an E3 ubiquitin ligase. Ivan et al. and Jaakkola et al. ( 2001) two laboratories simultaneously reported that oxygen-dependent hydroxylation of a conserved proline residue in HIF-1 was critical for mediating its interaction with pVHL. Epstein et al.(2001) identified the

42、 HIF prolyl hydroxylase in C. elegans and provided evidence for a related family of enzymes in humans: EGLN1, EGLN2, EGLN3 Correlated background脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件脑缺血缺氧的病理生理及研究进展解析课件Figure 1. Simplified schematic modelof oxy

43、gen sensing and HIF regulation.Under hypoxic conditions, HIF-1 isstabilized, undergoes modifications,translocates into the nucleus, recruitscofactors, and activates gene expression.Under normoxic conditions, theODD domain of HIF-1 is hydroxylatedby oxygen-dependent prolyl hydroxylases(targeting HIF-1 forpVHL-mediated proteolytic destruction)and the carboxyl-terminal T