- Ischemia-reperfusion injury
主要内容 缺血 - 再灌注损伤及相关概念缺血 - 再灌注损伤的发生机制自由基钙超载白细胞作用及无复流现象心脏缺血 - 再灌注损伤的变化 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 2
概述
缺血再灌注损伤认知过程 1955 Sewell 报道结扎狗冠脉后, 如突然解除结扎恢复血流, 部分动物立即发生室颤死亡 1960 Jennings 首次提出心肌缺血再灌注损伤 1968 Ames 报道脑 IRI 1972 Flore 肾 IRI 1978 Modry 肺 IRI 1981 Greenberg 肠 IRI Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 4
概念 缺血 - 再灌注损伤 (ischemia reperfusion injury, IRI) 组织器官缺血一定时间后恢复血液灌流, 不仅没能恢复其功能, 反而促使缺血所致的组织器官功能代谢障碍及结构破坏进一步加重的病理过程 特点可逆损伤不可逆损伤具有器官普遍性 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 5
缺血 - 再灌注损伤 休克 冠心病 血栓形 成 动脉硬化 血管收 缩 血管受压等 体外循环心肺复苏 冠脉解痉 休克复苏 血栓再通 动脉搭桥术 断肢再植及器官移植 缺血所致缺氧及营养物质缺乏 缺血损伤 自由基 钙超载 白细胞聚集 无复流 缺血再灌注损伤 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 6
缺血 - 再灌注损伤条件 缺血时间及程度 (Duration and severity) 对氧需求程度 (Oxygen demand) 侧支循环的分布 (Collateral circulation) 再灌注的条件 (Components of reperfusion fluid) 氧反常 (Oxygen paradox) 低氧溶液灌注组织器官一定时间后, 再恢复正常氧灌流, 组织损伤反而更趋加重的现象 钙反常 (Calcium paradox) ph 反常 (ph paradox) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 7
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缺血 - 再灌注损伤的发生机制 始动环节 : 能量代谢障碍主要机制 : 自由基生成增多细胞内钙超载白细胞的作用无复流现象能量代谢障碍细胞凋亡 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 9
自由基概念 自由基 (free radical): 指外层轨道上含有至少一个非配对电子的原子 原子团或分子 又称游离基 氧化作用强, 引起强烈氧化应激 (oxidative stress) O 2 - OH Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 10
自由基特点 存在时间短 ; 高度化学活泼性, 氧化性强 结构特异 - 共价键化合物均裂产物 H + OH 均裂 - 自由基 异裂 - 离子 H + + OH - Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 11
自由基的代谢 产生 清除 低分子自由基清除剂 V E, A, C GSH 酶性清除剂过氧化氢酶过氧化物酶超氧化物歧化酶 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 12
自由基的生物学意义 作为中间介质, 少量有益, 参与多种信号通路诱导保护性蛋白介导药物作用调节血管张力调节血小板粘附调节细胞增殖分化 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 13
自由基相关物质 活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 指分子组成上含有氧的一类化学性质极活泼物质的总称 氧自由基 (oxygen free radical, OFR): 以氧为中心的自由基 超氧阴离子 羟自由基 非自由基 过氧化氢 单线态基线态 单线态氧 - 逆向自旋 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 14
自由基相关物质 活性氮 (reactive nitrogen species, RNS) 指分子组成上含有氮的一类化学性质极活泼物质的总称 一氧化氮 过氧亚硝酸盐 硝酰基阴离子 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 15
自由基相关物质 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 ) 烷氧基 (LO ) 烷过氧基 (LOO ) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 16
自由基生成增多的机制 缺血后再灌注, 提供了氧 ( 电子受体 ), 氧自由基生成增多, 同时伴活性氧的清除能力下降 机制 : 1 黄嘌呤氧化酶增多 2 中性粒细胞活化 3 线粒体单电子还原增多 4 儿茶酚胺自氧化增强, 生成自由基 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 17
自由基生成增多的机制 1 黄嘌呤氧化酶增多 ( 血管内皮细胞 ) 原发事件 缺血 ATP 胞内 Ca 2+ Ca2+ 依赖性钙通道 蛋白酶 ADP AMP 腺嘌呤核苷 黄嘌呤脱氢酶 (XD) 1 黄嘌呤氧化酶 (XO) 次黄嘌呤核苷 再灌注 次黄嘌呤黄嘌呤尿酸 O 2 O - 2 +H O 2 O - 2 O 2 +H 2 O 2 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 18 1
自由基生成增多的机制 2 中性粒细胞活化 中性粒细胞 单核巨噬细胞细胞耗氧量增加, 70-90% 摄入 O 2 在 NADPH 氧化酶和 NADH 氧化酶催化下, 生成自由基 称为呼吸爆发或氧爆发 继发事件 : 补体系统和内皮细胞激活 C3a 白三烯 活性氮 (NOS) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 19
自由基生成增多的机制 3 线粒体单电子还原增多 缺血 ATP 钙通道 内质网 Ca 2+ 线粒体 Ca 2+ 再灌注 呼吸链酶活性及抗氧化酶 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 20
自由基生成增多的机制 4 儿茶酚胺自氧化增强, 生成自由基缺血缺氧 交感肾上腺髓质系统激活 儿茶酚胺 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 21 肾上腺素红
自由基的损伤作用 氧化应激 (Oxidative stress): 机体内自由基增多, 并破坏机体氧化 / 还原平衡, 引起细胞氧化损伤的病理过程 破坏膜磷脂 蛋白 核酸 1. 生物膜脂质过氧化 2. 胞内钙超载 3.DNA 断裂染色体畸变 4. 蛋白质变性酶活性降低 5. 诱导炎症介质 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 22
自由基的损伤作用 1. 生物膜脂质过氧化 (Lipid peroxidation) 自由基主要攻击生物膜多价不饱和脂肪酸形成脂性自由基和过氧化脂质 典型产物 :LPO, MDA 细胞膜结构异常或破坏 膜流动性减弱, 通透性增强 膜蛋白功能抑制 受体 离子通道 酶 转运蛋白 线粒体功能受损 能量代谢障碍 细胞凋亡 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 23
自由基的损伤作用 2. 胞内钙超载 3.DNA 断裂染色体畸变 ( 尤其 mtdna) OH 与脱氧核糖及碱基反应 ( 修饰 断裂 交联 ) 4. 蛋白质变性酶活性降低肽键断裂 巯基氧化蛋白交联 - 丙二醛 5. 诱导炎症介质 - 炎症加剧激活磷脂酶 A 2, 花生四烯酸代谢活化转录因子, 细胞因子表达 NO 双重作用 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 24
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现象 钙反常 (calcium paradox): 预先用无钙溶液灌流后再用含钙溶液灌流组织器官, 可造成细胞和器官的代谢和功能障碍及结构破坏加重 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 25
钙超载 一 细胞内钙稳态调节 1. Ca 2+ 进入胞液途径 质膜钙通道电压依赖性 Ca 2+ 通道 受体操纵性 Ca 2+ 通道 ( 配体门控 ) 细胞内钙库释放通道 IP3 受体通道 Ry 敏感钙通道 2. Ca 2+ 离开胞液途径 Ca 2+ -Mg 2+ -ATPase Na + -Ca 2+ 交换体 ( 双向 ) Ca 2+ -H + 交换 ( 线粒体摄钙 ) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 26
钙超载 二 细胞内钙超载机制 1.Na + -Ca 2+ 交换异常 ph 反常 (ph paradox): 缺血引起的代谢性酸中毒是细胞 功能及代谢紊乱的重要原因, 但在再灌注时迅速纠正缺 血组织的酸中毒, 反而会加重组织器官损伤 机制 缺血 ATP Na + -K + -ATPase [Na + ] i 无氧呼吸 [H + ] i 再灌注时, 胞外 ph 恢复,Na + -H + 交换 [Na + ] i Na + -Ca 2+ 交换 钙超载 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 27
钙超载 二 细胞内钙超载机制 2. 细胞膜通透性增加, 钙内流增加 缺血 胞膜外板与糖被分离 胞膜通透性 Na + -Ca 2+ 交换异常 [Ca 2+ ] i 激活 PLA 2 膜磷脂降解 [Ca 2+ ] i 微管和微丝收缩 紧密连接破坏 再灌注时脂质过氧化 膜通透性 3. 线粒体功能障碍 缺血及再灌时线粒体损伤 ATP 钙泵活性 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 28
钙超载 二 细胞内钙超载机制 4. 儿茶酚胺增多受体密度 α 受体 G 蛋白 -PLC IP 3 DG β 受体 G Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 29
钙超载 三 钙超载致细胞损伤的机制 1. 线粒体功能障碍 [Ca 2+ ] i 线粒体摄钙 磷酸钙沉积 氧化磷酸化障碍 ATP 2. 钙依赖性降解酶激活 Ca 2+ 与钙调蛋白结合 磷脂酶 蛋白酶 膜磷脂 细胞骨架蛋白 核酸内切酶核酸 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 30
钙超载 三 钙超载致细胞损伤的机制 3. 促进氧自由基生成钙敏感蛋白水解酶 XO PLA 2, 环加氧酶和脂加氧酶作用, AA H 2 O 2,OH 4. 心律失常 Na + -Ca 2+ 交换 Ca 2+ 内流 除极 早期后除极 (EAD) EAD 晚期后除极 (DAD) DAD 5. 肌原纤维孪缩和细胞骨架破坏 再灌注时 [Ca 2+ ] i Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 31
白细胞的作用 中性粒细胞是再灌注损伤的主要效应细胞 一 白细胞聚集机制 1. 趋化因子生成增多 缺血再灌注 白三烯类 (LTs) PGE 2 血小 板活化因子 (PAF) 补体 激活白细胞释放趋化因子 (LTB 4 ) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 32
白细胞的作用 一 白细胞聚集机制 2. 细胞粘附分子生成增多整合素 选择素 细胞间粘附分子 (ICAM) 血管细胞粘附分子及血小板内皮细胞粘附分子 (PECAM) 等 滚动 内皮细胞与白细胞分 别经选择素及受体间歇式结合 粘附和聚集 白细胞与内皮 细胞经整合素和 ICAM 作用 游走 PECAM 介导白细胞移至内皮细胞间隙 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 33
白细胞的作用 二 白细胞介导细胞损伤机制机械阻塞作用 - 无复流现象白细胞体积大 变形能力弱粘附 滚动 嵌顿时堵塞毛细胞血管炎症反应失控白细胞 单核巨噬细胞 促炎细胞因子 -TNF, IL1, IL8 脂质炎症介质 -LTs, TXA 2, PAF 自由基 溶酶体酶等 后果 : 血管通透性增加, 组织水肿, 细胞损伤 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 34
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 心肌细胞肿胀, 压迫微血管 ATP 降解产物, 渗透压增高 Na + -K + -ATPase 失活, 胞内钠增高自由基, 细胞膜损伤 血管内皮细胞肿胀 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 35
无复流现象 微血管壁通透性增加自由基损伤及白细胞释放炎症介质 - 间质水肿心肌细胞挛缩钙超载微血管痉挛和堵塞血管舒缩物质不平衡白细胞嵌顿补体的作用补体激活, 炎症放大白细胞激活趋化 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 36
其它缺血 - 再灌注损伤的发生机制 能量代谢障碍 1. 氧化磷酸化脱偶联,ATP 线粒体应激,ATP 合成酶功能先升后降自由基致线粒体膜脂质过氧化线粒体功能障碍, 用氧能力降低 2. 高能磷酸化合物缺乏 细胞凋亡 再灌注时高能磷酸化合物的底物如腺苷 肌苷等被血流带走 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 37
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器官缺血 - 再灌注损伤 心脏缺血 - 再灌注损伤脑缺血 - 再灌注损伤肝缺血 - 再灌注损伤肾缺血 - 再灌注损伤胃肠道缺血 - 再灌注损伤肺缺血 - 再灌注损伤多器官功能障碍综合征 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 39
心脏缺血 - 再灌注损伤 ( 一 ) 心功能变化 1. 心肌舒缩功能降低 表现为心输出量减少, 心室内压最大变化速率降低 (±dp/dt max), 左室舒张末期压力 (LVEDP) 升高 2. 心律失常 ( 室速 室颤 ), 机制 : 自由基 钙超载 -EAD DAD 再灌注动作电位时程的不均一性 兴奋折返环路形成 3. 心肌顿抑 (myocardial stunning) 心肌缺血后 - 再灌注, 血流基本恢复正常后, 一定时间内心肌出现可逆性收缩功能降低的现象 ( 无坏死 ) Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 40
心脏缺血 - 再灌注损伤 ( 二 ) 心肌代谢变化氧化磷酸化功能障碍, 线粒体耗氧量 ATP 合成酶活性下降 ATP 及磷酸肌酸含量降低心肌功能障碍 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 41
心脏缺血 - 再灌注损伤 ( 三 ) 心肌超微结构变化 细胞死亡基底膜缺失, 质膜破坏 线粒体肿胀 嵴断裂 溶解 空泡形成, 磷酸钙沉积, 基质内致密颗粒增多 肌原纤维断裂 节段性溶解, 出现收缩带 心肌出血 坏死 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 42
缺血 - 再灌注损伤的防治原则 1. 尽早恢复血流 控制再灌注条件低压 低流 低温 低 ph 低钠 低钙 2. 改善缺血组织的代谢补充糖酵解底物 : 葡萄糖 ATP 3. 清除自由基低分子清除剂 :Vit E, A, C, 半胱氨酸,GSH 和 NADPH 酶性清除剂 :SOD CAT 4. 减轻钙超载 Ca 2+ 离子阻断剂 5. 其他 内外源性细胞保护剂 药物预处理等 Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 43
病例 患者, 男,54 岁, 因胸闷 大汗 1h 入急诊病房 体查 : BP 65/40mmHg,HR 37 次 /min, 律齐, 意识淡漠 高血压病史 10 年, 否认冠心病史 心电图示 Ⅲ 度房室传导阻滞 给予阿托品 多巴胺 低分子右旋糖酐等进行扩冠治疗 入院上午 10 时用尿激酶静脉溶栓 10 时 40 分出现阵发性心室颤动, 立即给予除颤, 至 11 时 20 分反复发生室性心动过速 室颤, 共除颤 7 次, 同时给予利多卡因 小剂量异丙肾上腺素后心律转为窦性, 血压平稳, 意识清楚 思考 : 1. 为什么在溶栓后出现严重的心律失常? 2. 缺血 - 再灌注损伤是否等于缺血 - 再灌注? 3. 缺血 - 再灌注损伤是否可逆? Copyright Dept. of Pathophysiology, N. Bethune college of medicine 44
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