第七章缺血 再灌注損傷 Ischemia Reperfusioninjury 教學目標 1 掌握缺血 再灌注損傷 自由基 活性氧 鈣超載 無復流現象和呼吸爆發的概念 缺血 再灌注損傷的發生機制 2 熟悉心肌 腦缺血 再灌注損傷的變化 心肌頓抑的概念3 了解缺血 再灌注損傷發生的原因和條件 防治缺血 再灌注損傷的病理生理學基礎 講授提綱 第一節概述和病因學第二節發病機制 重點 第三節缺血 再灌注損傷時機體的代謝和功能變化第四節防治原則 患者男 54歲 因胸悶 大汗1小時入急診病房 患者于當日上午7時30分突然心慌 胸悶伴大汗 含服硝酸甘油不緩解 上午9時來診 體檢 血壓65 40mmHg 意識淡漠 雙肺無異常 心率37次 min 律齊 既往有高血壓病史10年 否認冠心病史 心電圖示 度房室傳導阻滯 診斷 急性下壁 右室心肌梗死合并心源性休克 給予阿托品 多巴胺 低分子葡聚糖等治療 上午10時用尿激酶靜脈溶栓 10時40分出現陣性心室纖顫 立即除顫 至11時20分反復發生室性心動過速 室顫及阿 斯綜合征 共除顫7次 同時給予利多卡因 小劑量異丙腎上腺素后心律轉為竇性 血壓平穩 意識清楚 11時30分癥狀消失 病人住院治療22天康復出院 請分析 本例病人入院后為什么在溶栓后出現了嚴重的心律失常 其發病機制可能有哪些 第一節概述和病因學 在心肌缺血恢復血流后 缺血心肌的損傷反而加重 年 Jennings第一次提出心肌再灌注損傷的概念 6 年 Bulkley和Hutchins發現冠脈搭橋血管再通后的病人發生心肌細胞反常性壞死 1972年 Flore研究腎缺血 再灌注損傷 1978年 Modry報道了肺再灌注綜合征 1981年 Greenberg等證實貓小腸缺血3小時后再灌注時 粘膜損傷更嚴重以上說明再灌注損傷幾乎可在每一種組織器官發生 1968年 Ames率先報道腦缺血 再灌注損傷 氧反常 鈣反常 pH反常 低氧 缺氧 正常氧供 無鈣 含鈣 損傷加重 酸中毒 糾正酸中毒 基礎實驗 pHparadox oxygenparadox calciumparadox 二 缺血再灌注損傷的原因和條件 一 原因先缺血 后再灌 二 影響因素1 缺血時間和缺血程度2 組織器官的結構 功能和代謝特點 需氧程度 側支循環等3 再灌注條件 低溫 低壓 低PH 低鈉 低鈣 1 缺血時間和缺血程度 缺血時間過短或過長都不易發生再灌注損傷 缺血時間對大鼠再灌注心律失常的影響 2 組織器官的結構 功能和代謝特點 1 需氧程度對氧需求高者 容易發生缺血 再灌注損傷 2 側支循環容易形成者 不易發生缺血 再灌注損傷 3 器官原有的功能狀態 3 再灌注條件 低壓 低溫 低PH 低鈉 低鈣液灌注 可使再灌注損傷減輕 或適當增加K Mg2 含量 也有利于減輕缺血 再灌注損傷 活性氧的損傷作用鈣超載白細胞的損傷作用 第二節發病機制 一 活性氧的損傷作用 氧自由基 oxygenfreeradical 以氧為中心的自由基稱為氧自由基 如 超氧陰離子 O2 羥自由基 OH Fenton型Haber Weiss反應 3 H2O2 本身不是自由基 但是在Cu2 Fe2 的作用下 可以生成 OH 2 單線態氧 singleoxygen 是一種能量較高的激發態氧 其氧分子在同一外層電子軌道中有兩個自旋方向相反的電子 這種氧分子在紫外光譜中呈現一條單線 故稱單線態氧 4 氮中心自由基 包括一氧化氮 NO 過氧亞硝酸根 ONOO 一氧化氮的淵源 這位偉大的科學家就是阿爾弗雷德 貝恩哈德 諾貝爾 諾貝爾出生于瑞典斯德哥爾摩 1864年 諾貝爾以硝化甘油為主要原料發明了安全炸藥 被稱為最偉大的科學家 他一生共獲得技術發明專利355項 并在全世界20多個國家開設了約100家公司和工廠 積累了巨額財富 1998年R Furchgott等三位美國科學家因對NO信號轉導機制的研究而獲得諾貝爾生理和醫學獎 RobertF Furchgott LouisJ Ignarro FeridMurad 弗奇戈特伊格納羅穆拉德 5 脂性自由基指氧自由基與多不飽和脂肪酸作用后生成的中間代謝產物 包括脂性過氧化物 LOOH 脂氧自由基 LO 脂過氧自由基 LOO 等 1 線粒體產生的活性氧增多2 黃嘌呤氧化酶途徑產生的活性氧增多3 白細胞呼吸爆發產生大量氧自由基4 兒茶酚胺的自身氧化5 誘導性NOS表達增強6 體內清除活性氧的能力下降 1 線粒體產生活性氧增加 缺血 再灌注 鈣超載 均可線粒體產生的活性氧增多 血管內皮細胞內富含黃嘌呤酶類 neutrophil 白細胞吞噬時伴耗氧量顯著增加 在缺血 再灌注的情況下產生大量氧自由基的現象 稱呼吸爆發 RespiratoryBurst 3 白細胞呼吸爆發產生大量氧自由基 單胺氧化酶 5 誘導型NOS表達增強 缺血再灌注導致白細胞活化后 iNOS表達上調 導致NO大量生成 NO及其代謝產物OONO HOONO 和 OH都可導致組織損傷 6 體內清除活性氧的能力下降 缺氧導致細胞中抗氧化酶的活性降低 致氧自由基清除減少 體內活性氧增多 SODCATGSH Px Cu Zn Mn SOD 清除H2O2 CAT H2O2 2GSH2H2O GSSG GSH Px 三 活性氧引起缺血 再灌注損傷的機制 膜脂質過氧化蛋白質失活DNA損傷細胞間基質破壞 膜脂質過氧化 lipidperoxidation 1 破壞膜的正常結構 2 促進其他生物活性物質生成 3 細胞信號轉到功能異常 質膜 細胞器膜 1 破壞膜的正常結構 細胞器膜結構破壞 溶酶體破裂釋放溶酶體酶 破壞細胞 線粒體腫脹 功能障礙 產能減少 肌漿網Ca2 ATP酶活性降低使攝取的Ca2 減少 導致細胞內鈣超載 2 促進其他生物活性物質生成 脂質過氧化可以激活PLC PLD 分解膜磷脂 催化花生四烯酸代謝反應 使生物活性物質白三烯 血栓素 PGE等生成增多 促進再灌注損傷 3 細胞信號轉導功能異常 脂質過氧化可以抑制膜受體 G蛋白與效應器的偶聯 導致細胞信號轉導障礙 蛋白質斷裂 蛋白質 蛋白質交聯 S S CH3 S 脂質 脂質交聯 O 二硫交聯 脂質 蛋白質交聯 氨基酸氧化 OH HO 脂肪酸氧化 OH HO 2 蛋白質失活 3 DNA損傷 堿基修飾 DNA斷裂和DNA交聯 4 細胞間質破壞活性氧可以使透明質酸降解 膠原蛋白交聯 從而使細胞間基質變得疏松 彈性降低 活性氧的損傷作用鈣超載白細胞的損傷作用 一 細胞內Ca2 的穩態調節 二 鈣超載 calciumoverload 二 細胞內鈣超載的產生機制 各種原因引起的細胞內鈣含量異常增多并導致細胞結構損傷和功能代謝障礙的現象 稱為鈣超載 calciumoverload 1 細胞膜通透性增加 2 ATP依賴性離子泵功能障礙 3 Na Ca2 交換異常 4 兒茶酚胺增多 細胞膜通透性增加 1 缺血造成細胞膜外板與糖被分離 使細胞膜對鈣的通透性大大增加 2 細胞內Ca2 增加又可激活磷脂酶 使膜磷脂降解 細胞膜通透性進一步增高 3 當再灌注時 鈣離子順細胞內外的濃度差大量進入細胞內 2 ATP依賴性離子泵功能障礙缺血時線粒體膜受損 抑制氧化磷酸化過程 使ATP生成減少 抑制鈣泵活性 引起鈣超載 再灌注時血流的恢復帶來大量Ca2 使細胞內鈣迅速增多 3 Na Ca2 交換異常缺血缺氧時 細胞內pH降低 細胞內酸中毒 恢復灌注使細胞內外形成pH梯度差 Na H 交換增強 加上Na K ATP酶活性降低 使細胞內Na 增加 從而使Na Ca2 交換發生反向轉運 細胞外Ca2 大量內流 造成細胞內鈣超載 4 兒茶酚胺增多缺血 再灌注時兒茶酚胺大量產生 通過 受體激活磷脂酶C 產生三磷酸肌醇 IP3 導致內質網 肌漿網上鈣通道開放 使細胞內鈣庫釋放鈣 通過 受體激活腺苷酸環化酶 使cAMP生成增加 cAMP激活PKA 使L型鈣通道磷酸化而促進鈣內流 4 兒茶酚胺增多 破壞線粒體結構和功能 合成減少 線粒體通透性轉運孔道開放 促進活性氧生成 激活其他酶的活性 三 鈣超載引起缺血 再灌注損傷的機制 1 破壞線粒體結構和功能 1 ATP合成減少 Ca2 PO43 Ca3 PO4 2 ATP 三 鈣超載引起缺血 再灌注損傷的機制 影響電子傳遞和氧化磷酸化 2 線粒體通透性轉運孔道開放 MPTP 主要功能 促進線粒體基質中的質子外流和ATP ADP在線粒體和細胞質中的轉換 MPTP高通透性持久開放后果 線粒體跨膜電位遭到破壞 ATP合成終止 氧自由基大量產生 線粒體細胞色素C進入胞質 激活半胱氨酸蛋白酶 誘發細胞凋亡 線粒體釋放Ca2 入胞質 鈣超載 激活蛋白水解酶 磷脂酶 使細胞膜受損 細胞壞死 3 促進活性氧生成 黃嘌呤脫氫酶 黃嘌呤氧化酶 鈣超載 Ca2 依賴性蛋白酶 次黃嘌呤 黃嘌呤 尿酸 4 激活其它酶的活性 線粒體 肌漿網 損傷刺激 肌漿Ca2 ATP酶 ATP 磷脂酶 磷脂分解 蛋白酶 膜和骨架蛋白破壞 核酶 染色體損傷 鈣超載激活多種酶的活性 活性氧的損傷作用鈣超載白細胞的損傷作用 一 白細胞聚集的機制 三 白細胞的作用 1 趨化因子生成增多缺血組織受損 膜磷脂降解 花生四烯酸代謝產物增多 白三烯等 具有很強的趨化作用 吸引白細胞至缺血組織和粘附于血管內皮細胞 2 黏附分子生成增多缺血 再灌注時 血管內皮和白細胞表達大量的粘附分子 粘附分子 指細胞合成的 可促進細胞與細胞之間 細胞與細胞外基質之間粘附的一類大分子的總稱 一 白細胞聚集的機制 三 白細胞的作用 二 白細胞聚集在缺血 再灌注損傷中的作用 阻塞微循環釋放活性氧釋放各種顆粒成分產生各種促炎細胞因子 二 白細胞聚集在缺血 再灌注損傷中的作用 1 阻塞微循環 引起無復流現象 no reflowphenomenon 細胞粘附 聚集 堵塞血管增加血管通透性 組織水腫 無復流 無復流現象 no reflowphenomenon 恢復血液灌注后 缺血區依然得不到充分血流灌注的現象稱無復流現象 2 釋放活性氧 呼吸爆發 自由基釋放 損傷內皮 增加血管壁通透性 導致組織水腫 3 釋放各種顆粒成分 酶性成分 彈性蛋白酶 膠原酶和明膠酶非酶性成分 次氯酸和氯胺4 產生各種促炎細胞因子 TNF 和IL 1 引起炎癥瀑布反應 ROS 鈣超載 白細胞 代謝 功能改變 IRI機制小結 IRI的主要發病機制 再灌注 中性粒細胞 無復流 致炎因子 氧自由基 鈣超載 細胞損傷 缺血 O2 Ca2 細胞壞死 缺血損傷恢復 第三節IRI時機體的功能及代謝變化 一 心臟缺血 再灌注損傷 細胞膜破壞肌原纖維結構破壞線粒體損傷 一 心肌超微結構變化 二 心肌功能代謝變化1 缺血 再灌注性心律失常 心肌頓抑和微血管頓抑 心肌頓抑和微血管頓抑心肌頓抑 myocardialstunning 指心肌經短暫缺血并恢復供血后 在一段較長時間內處于 低功能狀態 常需數小時或數天才可恢復正常功能的現象 微血管頓抑 myocardialstunning 指心肌冠狀血管經短暫缺血并恢復供血后 在一段較長時間對擴張血管物質反應遲鈍的現象 微血管并未壞死 屬可逆性損傷 二 腦IRI損傷的變化 腦組織富含磷脂 脂質過氧化是腦損傷的主要特征 腦能量代謝變化 腦氨基酸代謝變化 腦組織學變化 興奮性氨基酸降低 谷氨酸 天門冬氨酸 抑制性氨基酸增多 丙氨酸 氨基丁酸 腦水腫腦細胞壞死 三 小腸的IRI 粘膜損傷為主要特征 上皮細胞損傷 炎性細胞浸潤 出血和潰瘍 1981年Greenberg介紹了腸缺血 再灌注損傷 黃嘌呤酶活性高 缺血再灌注時產生大量自由基 第四節防治原則 1 縮短缺血時間