Ischemia-reperfusion injury ( 缺血 - 再灌注损伤 ) 病理生理学 1
第一节缺血性损伤 ( ischemia injury ) 缺血性损伤 : 是指各种原因造成的局部组织器官的缺血, 常常使组织细胞发生损伤 缺血性心肌损伤 缺血性脑损伤 缺血性肾损伤 缺血性肠损伤 2
缺血 - 再灌注损伤 (Ischemia-reperfusion injury) 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 具有普遍性的特点 : 心肌, 胃肠道, 肾脏, 肝, 肺, 肢体, 皮肤和脑组织 3
缺血 - 再灌注损伤的常见原因及发生条件 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 4
第一节缺血 - 再灌注损伤的常见 原因及发生条件 5
一 常见原因 组织器官缺血后恢复血液供应 如休克时微循环的疏通 冠状动脉痉挛的缓解 心脏骤停后心脑肺复苏等 新的医疗技术的应用 如动脉搭桥术 PTCA 溶栓疗法等血管再通术后, 心脏外科体外循环术 器官移植及断肢再植等 缺血 - 再灌注损伤 缺血 - 再灌注 6
二 缺血 - 再灌注损伤的发生条件 (Conditions of IR injury) 1 Duration of ischemia ( 缺血时间 ) 缺血时间过短或过长都不易发生再灌注损伤 不同动物 同种器官发生再灌注损伤所需的缺血时间不同 同种动物, 不同器官发生再灌注损伤所需的缺血时间也不同 家兔 (min) 心脏脑肝脏肾脏小肠骨骼肌 时间 40 30 45 60 60 240 7
2 Collateral circulation ( 侧支循环 ) 冠状动脉 侧支循环 的建立是渐进性的 3 Dependency on oxygen supply ( 需氧程度 ) 8
4 Condition of reperfusion ( 再灌注的条件 ) 灌流液的压力和温度 灌流液中离子的浓度 5 缺血前已有疾患 9
第二节缺血 - 再灌注损伤的发生机制 (Mechanisms of IR Injury) Overproduction of free radicals [Ca 2+ ] i overload Neutrophil activation no-reflow phenomenon Lack of high-energy phosphate compound 10
一 自由基的作用 ( 一 ) 自由基的概念 指在外层电子轨道上具有单个不配对电子的原子 原子团或分子的总称 表示方法 : 氯自由基 (Cl ) 羟自由基(OH ) 甲基自由基 (CH3 ); 一氧化氮 (NO) 11
自由基产生途径 具有共价键的化合物发生均裂 H 2 O H + OH 电子的转移 ( 电子的俘获 ) e O 2 O 2 e CCl 4 CCl 3 + Cl 自由基的特性 化学性质极其活泼 半衰期短 高度的氧化活性 12
( 二 ) 自由基的分类 1 氧自由基 (Oxygen free radical,ofr) 2 氮自由基(Nitrogen free radical,nfr) 3 半醌类自由基(Semiquinone radical) 13
1 氧自由基 (Oxygen free radical,ofr) 氧自由基 : 以氧为中心的自由基 种类 : 超氧阴离子 (O ) 和羟自由基 (OH ) 作用 : 强氧化性 2 ground state ( 基态 ) Superoxide anion ( 超氧化物阴离子 ) Hydroxyl radical ( 羟自由基 ) 14
活性氧 (Reactive oxygen species,ros) 概念 : 化学性质活泼的一类含氧物质的总称 种类 : 氧自由基, 及其衍生物如过氧化氢 (H 2 O 2 ) 单线态氧 ( 1 O 2 ), 脂性自由基等 Superoxide anion ( 超氧化物阴离子 ) e 2H+ Hydrogen peroxide ( 过氧化氢 ) 15
脂性自由基 (lipid free radical) 指氧自由基与多价不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物, 也属于活性氧 脂自由基 (lipid free radical, L ) 脂氧自由基 (lipid oxygen free radical, LO ) 脂过氧自由基 (lipid peroxy free radical, LOO ) 16
活性氧的产生 2 O 是导致活性氧连锁反应的始动环节 : 体内的酶促 反应, 如黄嘌呤氧化酶 醛氧化酶 NADH 氧化酶 过氧化物酶等均可促使其生成 17
2 O 通过歧化反应而生成过氧化氢 SOD O 2. + O 2. + 2H + -----------> H 2 O 2 + O 2 自发 2 O 的毒性 slow fast 18
活性氧的清除 酶性抗氧化剂 非酶性抗氧化剂 19
2 氮自由基(Nitrogen free radical,nfr) 一氧化氮 (Nitric oxide,no) 20
二氧化氮 过氧亚硝基阴离子 ONOO HOONO NO 2 + OH + H + 过氧亚硝基阴离子 过氧亚硝酸 21
( 三 ) 自由基的生物学意义 生理作用 调节蛋白的活性 作为信号转导分子起作用 抗菌 消炎和抑制肿瘤 病理作用 oxidative stress ( 氧化应激 ) 22
( 四 ) 缺血再灌注时自由基生成增多机制 黄嘌呤氧化酶途径 (Xanthine oxidase pathway) 中性粒细胞途径 (Neutrophils pathway ) 线粒体途径 (mitochondrial pathway) 儿茶酚胺自氧化增强 NOS 参与了缺血再灌注过程中自由基的释放 23
1 Xanthine oxidase pathway ( 黄嘌呤氧化酶途径 ) 90% ( 钙依赖性蛋白水解酶 ) 10% 24
2 Neutrophils pathway ( 中性粒细胞途径 ) 缺血再灌注 黄嘌呤氧化酶系统 补体系统激活 ROS 白三烯等趋化因子 C3 片段 中性粒细胞聚集并激活 中性粒细胞激活时伴耗氧量显著增加的现象, 称呼吸爆发 (respiratory burst) 或氧爆发 (oxygen burst) 25
3 mitochondrial pathway ( 线粒体途径 ) 生理理情况下, 线粒体是产生 ROS 的主要场所 再灌注时 Ca2+ 超载, 使线粒体功能受损, 细胞色素氧化酶系统被抑制 大量的氧进入, 氧经单电子还原成氧自由基增多 Ca2+ 超载使 Mn-SOD 活性下降, 清除超氧阴离子的能力下降 26
4 儿茶酚胺自氧化增强 H 2 O 2 27
5 NOS 参与了缺血再灌注过程中自由基的释放 四氢生物蝶呤 (tetrahydrobiopterin,bh4) 是 NOS 的必要辅助因子 28
( 五 ) 自由基对细胞的损伤作用 (Free radical injury) 29
1 脂质过氧化 ( lipid peroxidation) 脂质过氧化物及其降解产物 ( 醛类及烃类 ) 的作用 降低膜的流动性 改变膜酶 离子通道的脂质微环境 促进花生四烯酸代谢反应, 增加炎症介质形成 使呼吸链活性受损 : 线粒体膜中富含心磷脂, 具有高度不饱和性 30
2 对蛋白质的损伤作用 蛋白质断裂 蛋白质 - 蛋白质交联 二硫交联 -S-S- 脂质 - 蛋白质交联 OH HO OH HO CH 3 -S- O 脂质 - 脂质交联 氨基酸氧化 脂肪酸氧化 从氧化的脂肪酸释出的丙二醛 MDA 31
3 对核酸的破坏作用 80% induced by OH 32
二 钙超载 ( calcium overload ) 钙超载 (calcium overload): 指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 33
一 细胞钙的稳态调节 34
( 二 ) 再灌注时细胞内钙超载的发生机制 (Mechanism of calcium overload) 35
1 膜通透性增加 ( membrane permeability damage) 缺血使细胞膜外板 (external lamina) 和糖被 ( glycocalyx ) 分离 磷脂酶激活, 使膜磷脂降解 细胞紧密连接破坏 膜脂质过氧化 36
2 Na + /Ca 2+ 交换异常 细胞内高 Na + 细胞内高 H + 37
3 线粒体功能障碍 导致细胞膜和肌浆网膜钙泵能量供应不足 4 儿茶酚胺增加 α1 肾上腺素受体激动 β 肾上腺素受体激动 38
( 三 ) 钙超载引起的再灌注损伤作用 促进氧自由基生成 激活钙依赖性降解酶 磷脂酶激活 : 增加膜的通透性 蛋白酶激活 : 细胞骨架破坏 核酸内切酶活化 : 核酸分解 39
线粒体功能障碍 干扰线粒体氧化磷酸化, 使能量代谢障碍 开放线粒体通透性转换孔 40
Na+/Ca2+ 交换形成一过性内向离子流 是引起心律失常的主要原因 延迟后除极 (delayed after depolarization ) 41
三 白细胞激活 (Neutrophil activation) 临床实验发现犬心缺血后再灌注 5min, 中性粒细胞增加了 25% 42
( 一 ) 缺血再灌注时白细胞聚集的原因 1 趋化因子生成增加 再灌注损伤可使膜磷脂降解 花生四烯酸代谢产物增多 ( 白三烯 PGE2 血小板活化因子 补体和激肽等 ) 白细胞进入组织或吸附于血管内皮 白细胞激活 释放具有趋化作用的炎性介质 ( 如白三烯等 ) 43
2 细胞粘附分子生成增加 粘附分子 ( adhesion molecule ): 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粘附的一大类分子的总称 粘附分子的类型 选择素 (selectin):p- 选择素,E- 选择素 整合素 (Intergrin) 细胞间粘附分子 (intercellular adhesion molecule, ICAM) 血小板内皮细胞粘附分子 (platelet-endothelial cell adhesion molecule, PECAM) 44
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( 二 ) 白细胞聚集造成的再灌注损伤机制 1 微血管损伤 血液流变学的作用微血管口径改变通透性增加 白细胞粘附在血管内皮细胞上 阻塞微循环 白细胞激活 激活磷脂酶 A2, 分解花生四烯酸 白细胞激活 激活磷脂酶 A2, 分解花生四烯酸 大量血小板沉积和红细胞缗钱状聚集 产生血管活性物质 ( 白三烯, 血小板激活因子等 ) 产生血管活性物质 ( 白三烯, 血小板激活因子等 ) 毛细血管阻塞 血管收缩 血管通透性增加 46
2 细胞损伤 产生自由基 炎症介质释放增加 释放酶性颗粒成分 : 降解细胞外液基质 47
四 无复流现象 (no-reflow phenomenon) 无复流现象 : 解除缺血原因, 缺血区并不能得到充分的灌注 一个随时间而发展的过程 冠状动脉无复流住院病死率和心肌梗死发生率分别比未发生无复流的患者高 10 倍 48
无复流现象的发生机制 (1) 心肌细胞肿胀和心肌细胞痉缩 (2) 血管内皮细胞肿胀 (3) 微血管通透性增加 (4) 微血管痉缩和堵塞 1 2 4 4 3 4 49
五 高能磷酸化合物缺乏 (Lack of high-energy phosphate compound) 机制 线粒体受损 ATP 的前身物质减少 50
第三节 缺血 - 再灌注损伤时机体的 功能 代谢变化 51
一 心肌缺血再灌注损伤 心肌收缩舒张功能降低 : 心肌顿抑 (myocardial stunning) 再灌注性心律失常 ( Reperfusion arrhythmia ): 以室性为主 心肌能量代谢变化 (Alteration of myocardium metabolism) 心肌超微结构变化 (Alteration of myocardium ultrastrcuture) 短期缺血早期恢复灌注时, 心肌收缩功能不能迅速恢复, 在较长一段时间内 ( 数天到数周 ), 心肌收缩功能可逆性低下的现象, 称为心肌顿抑 (myocardial stunning) 52
二 脑缺血再灌注损伤 脑水肿 脑细胞坏死 病理性慢波 54
三 其他器官缺血再灌注损伤 肺 肾 肠 骨骼 55
第四节缺血 - 再灌注损伤防治的病理生理基础 (Pathophysiological basis of preventrion and treatment ) 56
尽早恢复血流, 减少缺血时间 控制再灌注条件 低压 低流 低温 低 PH 低钠 低钙 改善缺血组织的代谢 补充糖酵解底物 : 葡萄糖 ATP 氢醌 CytC 抗氧化 - 消除自由基 减轻钙超载 抑制炎症反应失控 57
缺血预处理 缺血后处理 58