缺血再灌注损伤的发病机制

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1、缺血缺血-再灌注损伤的发病机制再灌注损伤的发病机制Mechanism Underlying Ischemia-Reperfusion InjuryWhat is reperfusion injury? Why is it important?R.G. is a 48-year-old man who suffered an acute anterior myocardial infarction and received fibrinolytic therapy. The patient died 12 hours after reperfusion. K.R. is a 68-year-ol

2、d diabetic woman who underwent conventional coronary artery bypass graft surgery and developed low output syndrome after reperfusion postoperatively. 概念概念(Concept) 缺血器官在恢复血液缺血器官在恢复血液灌注后缺血性损伤进一灌注后缺血性损伤进一步加重的现象，称为缺步加重的现象，称为缺血血-再灌注损伤再灌注损伤.概念概念(Concept) 氧反常（氧反常（oxygen paradox）：）：用用低氧低氧或或无氧无氧液灌注后再恢复液灌注后再

3、恢复正常氧正常氧供应器官的损供应器官的损伤不见恢复反而更趋严重。伤不见恢复反而更趋严重。 pH反常（反常（pH paradox）：）：器官在再灌注时器官在再灌注时pH从从酸性酸性恢复到恢复到正常正常时细胞损伤加重时细胞损伤加重的现象。的现象。 钙反常（钙反常（calcium paradox）：）：器官在器官在无钙无钙溶液灌流后恢复溶液灌流后恢复正常含钙正常含钙溶液灌流导致溶液灌流导致的细胞外钙离子大量内流而引起细胞损伤加重的现象。的细胞外钙离子大量内流而引起细胞损伤加重的现象。 缺血缺血-再灌注损伤发生的条件再灌注损伤发生的条件 Conditions Predisposing to Ische

4、mia-Reperfusion (I/R) Injury缺血时间的长短缺血时间的长短再灌注时灌流液的条件（灌注液的成分，灌流温度，压力等再灌注时灌流液的条件（灌注液的成分，灌流温度，压力等) 组织器官缺血前的功能状态（缺氧耐受性，侧枝循环，高胆固醇组织器官缺血前的功能状态（缺氧耐受性，侧枝循环，高胆固醇血症，糖尿病，高血压）血症，糖尿病，高血压） 问题：问题：缺血缺血-再灌注损再灌注损伤？伤？氧反常氧反常,钙反常钙反常,和和pH反常？反常？缺血缺血-再灌注损伤的发生机制再灌注损伤的发生机制Mechanisms of I/R Injury 自由基的损伤作用（自由基的损伤作用（Injury by

5、Free Radicals）钙超载（钙超载（Calcium Overload）血管内皮细胞和中性粒细胞间的相互作用（血管内皮细胞和中性粒细胞间的相互作用（Interaction between endothelial cells and neutrophils） 指在外层电子轨道含有一个或多个不配对电子的原子、原子团或分子。为表达不配对电子，常常在其分子式后方或上方加一个点（如R）。自由基（自由基（Free Radicals)氧自由基（氧自由基（Oxygen Free Radicals）活性氧（活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS):超氧阴离子超氧阴离子,羟自由基羟

6、自由基,单线态氧单线态氧 (singlet oxygen, 1O2),过氧化氢过氧化氢(hydrogen peroxide, H2O2）.氧自由基: 由氧衍生的自由基.超氧阴离子（superoxide anion, O2 ）羟自由基（hydroxyl radical, OH）-脂性自由基:氧自由基与不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物.烷自由基（L）烷氧自由基（LO）烷过氧自由基（LOO）脂性自由基（脂性自由基（Lipid Free Radicals）其它: 如氯自由基(Cl),甲基自由基(CH3),一氧化氮(NO),过氧亚硝基(OONO-)抗氧化物酶抗氧化物酶 (Antioxidant En

7、zymes)OH.超氧物岐化酶超氧物岐化酶过氧化氢酶过氧化氢酶O2_.H2O2H2OFe2+H2O2ROOHH2OROHNADP+谷胱甘肽氧化酶谷胱甘肽氧化酶+ H2O谷胱甘肽还原酶谷胱甘肽还原酶GSSGGSHNADPH + H+问题：问题：氧自由基？活性氧？氧自由基？活性氧？超氧物岐化酶超氧物岐化酶,过氧过氧化氢酶化氢酶,谷胱甘肽氧谷胱甘肽氧化酶催化何种反应化酶催化何种反应?1.黄嘌呤氧化酶（黄嘌呤氧化酶（Xanthine Oxidase）2.中性粒细胞（中性粒细胞（Neutrophils）3.线粒体（线粒体（Mitochondria）活性氧与缺血活性氧与缺血-再灌注损伤再灌注损伤ROS &

8、 I/R Injury黄嘌呤氧化酶与缺血黄嘌呤氧化酶与缺血-再灌注损伤再灌注损伤Xanthine Oxidase & I/R Injury黄嘌呤 + O2 H2O2蛋白酶OH次黄嘌呤 ATPAMP黄嘌呤氧化酶黄嘌呤脱氢酶O2-.allopurinol -黄嘌呤氧化酶理论的一些注意点黄嘌呤氧化酶理论的一些注意点Some Issues Related to the Xanthine Oxidase Hypothesis动物种类，器官，组织分布差异（主要存在于动物种类，器官，组织分布差异（主要存在于肝和肠道。在人，猪和兔的心含量很低）。肝和肠道。在人，猪和兔的心含量很低）。黄嘌呤脱氢酶转为氧化酶的量

9、及时间不能解释黄嘌呤脱氢酶转为氧化酶的量及时间不能解释一些器官的一些器官的I/R发生。发生。黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶作用下生成尿酸。尿酸黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶作用下生成尿酸。尿酸为为ROS,RNS清除剂。清除剂。缺氧条件下黄嘌呤氧化酶可还原硝酸盐，亚硝缺氧条件下黄嘌呤氧化酶可还原硝酸盐，亚硝酸盐为一氧化氮。一氧化氮可减轻酸盐为一氧化氮。一氧化氮可减轻I/R损伤损伤。中性粒细胞与缺血中性粒细胞与缺血-再灌注损伤再灌注损伤Neutrophils & I/R Injury呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发（oxygen burst）：中性粒细胞在吞噬活动时耗氧量明显增加的现象。线粒体与

10、活性氧线粒体与活性氧Mitochondria & ROS线粒体与活性氧线粒体与活性氧Mitochondria & ROSNADH(Site I)Succinate(Site II)CytochromeOxidaseFe-S c1 Cyt cUbiquinoneUbisemiquinoneUbiquinolO2H2O.O2_.H2O2泛醌泛半醌二氢泛醌hypoxianormoxiarotenone myxothiazol antimycin ATTFA线粒体与缺血线粒体与缺血-再灌注损伤再灌注损伤Mitochondria & I/R InjuryI/R增加增加ROS释放，抑制线粒体源的释放，抑制

11、线粒体源的ROS生成可降低生成可降低I/R损伤。损伤。I/R降低线粒体超氧物岐化酶活性，含量，及降低线粒体超氧物岐化酶活性，含量，及mRNA。升高线粒体内升高线粒体内ROS清除剂含量可降低清除剂含量可降低I/R损伤。损伤。Plasma membrane: lipoxygenases, cyclooxygenases, NADPH oxidaseMitochondria: electron transport system Cytosol:xanthine oxidase, hemoglobin, catecholamines, riboflavin, Transition metals (Fe

12、2+/3+, Cu1+/2+)Peroxisome:oxidases, flavoproteinsEndoplasmic reticulum:mixed-function oxidasecytochromes P-450 and b5Cellular Sources of Free Radicals氧自由基损伤发生机制氧自由基损伤发生机制Mechanism Underlying the Injury Caused by Oxygen Free Radicals1. 膜脂质过氧化膜脂质过氧化 膜结构破坏膜结构破坏,膜蛋白质功能抑制膜蛋白质功能抑制,ATP生成减少生成减少2. 蛋白质分子肽链断裂蛋

13、白质分子肽链断裂,酶的巯基氧化酶的巯基氧化,蛋白及某些酶相互交联、聚合蛋白及某些酶相互交联、聚合 蛋白质变性和酶活性降低蛋白质变性和酶活性降低3. DNA断裂和染色体畸变断裂和染色体畸变4. 诱导炎症介质产生诱导炎症介质产生 问题：问题：氧自由基损伤氧自由基损伤发生的机制发生的机制?钙超载的发生机制钙超载的发生机制:激活激活Na+/Ca2+交换交换Mechanism of Calcium Overload:Activation of Na+/Ca2+ Exchanger缺血缺氧 无氧酵解 H+H+/Na+交换胞内Na+ATP 钠泵 Na+/Ca2+交换Ca2+内流 钙超载钙超载钙超载的发生机制

14、钙超载的发生机制: 生物膜损伤生物膜损伤Mechanism of Calcium Overload: Membrane Injury 缺血缺氧 钙超钙超载载Ca2+通透性细胞膜细胞膜:肌浆网肌浆网:钙泵排Ca2+ Ca2+内流 贮Ca2+Ca2+通透性钙泵Ca2+释出 缺血缺氧 钙超载引起缺血再灌注损伤的机制钙超载引起缺血再灌注损伤的机制Mechanism of I/R Injury Induced by Calcium Overload 1.激活激活Ca2+依赖性的磷脂酶依赖性的磷脂酶 膜磷脂分解膜磷脂分解, 膜膜受损受损2.激活激活Ca2+依赖性的蛋白酶，依赖性的蛋白酶，加速加速XD转化为

15、转化为XO，促进，促进ROS生成生成; 膜受损膜受损3.大量大量Ca2+在在线粒体内以磷酸钙的形式沉积，干内以磷酸钙的形式沉积，干扰氧化磷酸化过程，使扰氧化磷酸化过程，使ATP生成减少生成减少4. 核酸内切酶核酸内切酶 核染色质受损核染色质受损问题：问题：钙超载发生钙超载发生的的Na+/Ca2+交换机制交换机制?血管内皮细胞和中性粒细胞间的相互作用血管内皮细胞和中性粒细胞间的相互作用Interaction between Endothelial Cells and Neutrophils再灌注时再灌注时:趋化因子趋化因子(chemokines)生成增多生成增多: 膜磷脂分解膜磷脂分解 LTs,

16、PGs,PAF,补体补体,激肽激肽.内皮细胞与中性粒细胞细胞黏附分子生成增多内皮细胞与中性粒细胞细胞黏附分子生成增多: 如选择素（如选择素（selectin）如整）如整合素（合素（integrin)等等.中性粒细胞滚动中性粒细胞滚动,黏附黏附,进入缺血组织。进入缺血组织。释放释放ROS.Mechanisms Mediating Increased Leukocyte-Endothelial Adhesion缺血缺血-再灌注损伤时机体的功能变化再灌注损伤时机体的功能变化Functional Changes in I/R Injury 一些其它器官在缺血一些其它器官在缺血-再灌再灌注损伤过程中的变

17、化特点：注损伤过程中的变化特点：心脏心脏,脑，肺，胃肠道。脑，肺，胃肠道。缺血缺血-再灌注对心脏的损伤再灌注对心脏的损伤Functional Changes of the Heart in I/R Injury 无复流现象无复流现象 心肌顿抑心肌顿抑 再灌注性心律失常再灌注性心律失常 心肌坏死心肌坏死无复流现象无复流现象 (No-Reflow Phenomenon) 解除缺血原因后缺血组织得不到充分血液灌流解除缺血原因后缺血组织得不到充分血液灌流。受损血管内皮细胞肿胀受损血管内皮细胞肿胀血小板及纤维蛋白栓塞血小板及纤维蛋白栓塞中性粒细胞与内皮细胞黏附中性粒细胞与内皮细胞黏附,嵌顿嵌顿,堵塞毛细

18、血堵塞毛细血管管 ROS 中性粒细胞黏附中性粒细胞黏附,微血管通透性增高，微血管通透性增高，组织水肿组织水肿缺血组织收缩，微血管被挤压缺血组织收缩，微血管被挤压Genesis of No-Flow PhenomenonCoronaryocclusionReperfusionEndothelial damageTissue edemaOxygen free radicalPlatelet/fibrinLeukocytesTissue contracture问题：问题：无复流现象无复流现象及机制及机制? 心肌并未因缺血发生不可逆性损伤，但在再灌注血流已恢复或基本恢复正常后的一定时间内心肌出现的可逆

19、性收缩功能降低的现象。心肌顿抑（心肌顿抑（Myocardial Stunning）可逆性可逆性I/R损伤损伤OH.脂质过氧化，蛋白质及酶失活脂质过氧化，蛋白质及酶失活线粒体线粒体损伤损伤收缩蛋白收缩蛋白损伤损伤肌浆网钙肌浆网钙转运蛋白转运蛋白膜通透性膜通透性离子泵活性离子泵活性钙超载钙超载ATP钙敏感性钙敏感性心肌收缩功能心肌收缩功能胞内胞内Na+超载超载Na+/Ca2+交换交换心肌顿抑的发生机制心肌顿抑的发生机制Mechanisms of Myocardial Stunning再灌注性心律失常再灌注性心律失常Reperfusion Arrhythmias缺血心肌和正常心肌之间因传导性和不应期

20、存在差异，可导致兴奋折返的缺血心肌和正常心肌之间因传导性和不应期存在差异，可导致兴奋折返的发生发生增多的儿茶酚胺作用于增多的儿茶酚胺作用于受体，使得心肌自律性增高、纤颤阈值降低受体，使得心肌自律性增高、纤颤阈值降低活性氧和钙超载导致心肌细胞损伤、活性氧和钙超载导致心肌细胞损伤、ATP生成减少、生成减少、ATP敏感性钾通道激敏感性钾通道激活等改变心肌电生理特性活等改变心肌电生理特性 问题：问题：心肌顿抑的定义心肌顿抑的定义及发生机制？及发生机制？胃肠道在缺血胃肠道在缺血-再灌注损伤过程中的再灌注损伤过程中的变化特点变化特点(I/R Injury of Gastrointestinal Tract

21、)小肠血管内皮细胞中的黄嘌呤脱氢酶和黄嘌呤氧化酶活性为各脏器中最小肠血管内皮细胞中的黄嘌呤脱氢酶和黄嘌呤氧化酶活性为各脏器中最高，再灌注时易于产生大量高，再灌注时易于产生大量ROS。严重的肠严重的肠I/R损伤的特征为广泛的肠上皮坏死，固有层破损、出血及溃疡，损伤的特征为广泛的肠上皮坏死，固有层破损、出血及溃疡，造成广泛的肠吸收功能障碍，肠黏膜通透性增高，大量细菌、内毒素等造成广泛的肠吸收功能障碍，肠黏膜通透性增高，大量细菌、内毒素等入血，造成菌血症或内毒素血症。入血，造成菌血症或内毒素血症。脑在缺血脑在缺血-再灌注损伤过程中的变化再灌注损伤过程中的变化特点特点(I/R Injury of th

22、e Brain) 脑对缺氧最敏感，其活动主要靠有氧氧化脑对缺氧最敏感，其活动主要靠有氧氧化提供能量，缺血时间长可引起不可逆性损提供能量，缺血时间长可引起不可逆性损伤。伤。脑是一个富含磷脂的器官，脂质过氧化是脑是一个富含磷脂的器官，脂质过氧化是脑脑I/R损伤的主要原因。损伤的主要原因。 脑最明显的组织学变化是脑水肿及脑细胞脑最明显的组织学变化是脑水肿及脑细胞坏死。脂质过氧化是脑水肿的主要原因。坏死。脂质过氧化是脑水肿的主要原因。肺在缺血肺在缺血-再灌注损伤过程中的变化再灌注损伤过程中的变化特点特点(I/R Injury of the Lungs) 肺是全身静脉血液回流的滤器。创伤和休克复苏时常导

23、致代谢产物、肺是全身静脉血液回流的滤器。创伤和休克复苏时常导致代谢产物、炎症细胞及炎症介质等从缺血周围组织流出滞留于肺，产生大量炎症细胞及炎症介质等从缺血周围组织流出滞留于肺，产生大量ROS等毒性物质，造成肺损伤。等毒性物质，造成肺损伤。肺肺I/R损伤主要表现为肺水肿和肺出血损伤主要表现为肺水肿和肺出血 缺血缺血-再灌注损伤防治的原则再灌注损伤防治的原则 Principles of the Treatment of I/R Injury)尽量缩短缺血时间尽量缩短缺血时间控制再灌注条件控制再灌注条件(低压低流灌流可避免再灌注时因氧和液体量的供应突然增加低压低流灌流可避免再灌注时因氧和液体量的供应

24、突然增加而引起大量而引起大量ROS生成及组织水肿；低温可降低减少代谢产物聚积；低生成及组织水肿；低温可降低减少代谢产物聚积；低pH可抑可抑制磷脂酶和蛋白酶对细胞的分解，减轻制磷脂酶和蛋白酶对细胞的分解，减轻Na+/H+交换的过度激活；低钙可减轻交换的过度激活；低钙可减轻钙超载所致的细胞损伤钙超载所致的细胞损伤)。缺血缺血-再灌注损伤防治的原则再灌注损伤防治的原则 Principles of the Treatment of I/R Injury)清除氧自由基清除氧自由基补充能量补充能量中性粒细胞抑制剂中性粒细胞抑制剂腺苷可通过腺苷可通过解除微血管痉挛；解除微血管痉挛；抑制中性粒细胞粘附，减少抑

25、制中性粒细胞粘附，减少ROS生生成；成；减少血小板聚集；减少血小板聚集；恢复内皮细胞和心肌细胞的能量贮备等机恢复内皮细胞和心肌细胞的能量贮备等机制减轻制减轻I/R损伤。损伤。缺血缺血-再灌注损伤防治的原则再灌注损伤防治的原则 Principles of the Treatment of I/R Injury)细胞保护剂细胞保护剂,在缺血期使用山莨菪碱、牛磺酸、糖皮质激素等细胞保护在缺血期使用山莨菪碱、牛磺酸、糖皮质激素等细胞保护剂或稳定细胞膜制剂，可减轻细胞剂或稳定细胞膜制剂，可减轻细胞I/R损伤。损伤。反复短暂的缺血可以调动机体组织的内在保护机制，使机体对随后出反复短暂的缺血可以调动机体组织

26、的内在保护机制，使机体对随后出现的更长时间的严重缺血产生耐受性，称为缺血预处理（现的更长时间的严重缺血产生耐受性，称为缺血预处理（ischemic preconditioning, IPC）。）。 The size of an infarct resulting from a 40-min occlusion of a branch of a dogs coronary artery could be greatly reduced if the heart were subjected to 4 brief periods of 5 min of ischemia and 5 min of

27、reperfusion prior to sustained ischemia. The heart adapted itself within minutes to become resistant to ischemia-induced infarction.Murry CE et al. Preconditioning with ischemia: a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium. Circulation 74:11241136, 1986.Ischemic Preconditioning (PC, IPC) Ac

28、ute preconditioning:(classical preconditioning) within 2 h protein synthesis-independentDelayed preconditioning:(ischemic tolerance) 24 h - 72 h after the initial insult altered gene expressionsynthesis of proteins (antioxidant enzymes, NO synthase, etc.).Limit or spare infarct sizeMitigate myocardi

29、al stunningImprove Arrhythmias Cardioprotections by PC Blunt the impaired endothelial-dependent relaxation.Ameliorate capillary plugging, leukocyte adhesion, and emigration.Reduce venous protein leakage effects of prolonged ischemia. Microcirculation Protections by PC问题：问题：缺血预处理缺血预处理?Vocabularyische

30、mia-reperfusion injury (缺血缺血-再灌注损伤再灌注损伤)oxygen paradox, calcium paradox, pH paradox (氧反氧反常常,钙反常钙反常,pH反常反常)reactive oxygen species (ROS,活性氧活性氧)oxygen free radicals (氧自由基氧自由基)superoxide anion, hydrogen peroxide, hydroxyl radical (超氧阴离子超氧阴离子,过氧化氢过氧化氢,羟自由基羟自由基)antioxidant enzymes （抗氧化物酶（抗氧化物酶)xanthine oxidase(黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶)respiratory burst (呼吸爆发呼吸爆发),oxygen burst (氧爆发）氧爆发）calcium overload (钙超载钙超载)no-reflow phenomenon (无复流现象无复流现象)myocardial stunning (心肌顿抑）心肌顿抑）ischemic preconditioning (缺血预处理缺血预处理)Thanks! 谢谢！谢谢！