第十三章缺血-再灌注损伤

1休克后迅速补液是否病情都会好转？——不一定。引出第十三章缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusioninjury）教学目标1.掌握自由基、活性氧、缺血-再灌注损伤、氧反常、钙反常、pH反常、钙超载、无复流现象和呼吸爆发的概念2.掌握缺血-再灌注损伤的重要发生机制3.熟悉缺血-再灌注损伤的原因和条件（影响因素）；缺血-再灌注损伤时机体的功能和代谢变化。4.了解防治缺血-再灌注损伤的病理生理基础。第一节概述各种原因造成组织血液灌流量减少，可使细胞发生缺血性损伤（ischemiainjury）,表现为膜电位改变、细胞肿胀、细胞骨架紊乱、ATP减少、细胞酸中毒、离子泵失灵等。近年来，临床上采用溶栓疗法、导管技术、动脉搭桥术、心肺复苏、心脏外科体外循环、断肢再植和器官移植等方法，使许多组织器官缺血后重新得到血液再灌注，把疾病治疗提高到一个新的水平。一、概念在缺血的基础上恢复血流后，组织器官的损伤反而加重的现象称为缺血-再灌注损伤。1.本质：再灌注具有两重性，多数情况使缺血组织和器官的功能结构得以修复，患者病情得到控制。但是，部分患者或动物缺血后再灌注，不仅没使组织器官功能恢复，反而使缺血所致功能代谢障碍和结构破坏进一步加重。2.具有器官普遍性。不同种属（人、兔、大鼠、豚鼠、狗、猪等）和各种组织器官（心、肾、肝、肺、胃肠、脑、肢体和皮肤等）都可发生再灌注损伤1960年，Jennings首先提出此概念，此后出现的氧反常、钙反常和pH反常等概念，与之关系密切。氧反常(oxygenparadox)是指用缺氧溶液灌流组织器官或培养细胞一定时间后，再恢复正常氧供应，组织及细胞的损伤不仅未能恢复，反而更趋严重的现象。2用无钙液灌流后再用含钙液灌流组织器官，可造成细胞和器官的代谢和功能障碍及结构破坏更趋加重，这种现象称为钙反常(calciumparadox)。钙反常首先在心脏灌流时发现，也可见于其他组织器官。缺血后再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而会加重缺血损伤的现象，称为pH反常(pHparadox)，其机制与H+-Na+交换和Na+-Ca2+交换导致细胞内钙超载有关。氧反常、钙反常与缺血-再灌注损伤的主要区别：缺血时不仅缺氧，而且缺少各种代谢基质（包括钙离子）。二、缺血-再灌注损伤的原因和条件（一）原因在组织器官1.全身循环障碍后恢复血液供应：休克、心肺脑复苏。缺血基础上的2.组织器官缺血后血流恢复：器官移植及断肢再植血液再灌注。3.某一血管再通后：动脉搭桥术、PTCA、溶栓疗法（二）影响因素1.缺血时间2.侧枝循环3.需氧程度4.再灌注条件：低温（25℃）、低压、低pH、低钠、低钙液灌流。1黄嘌呤氧化酶形成↑氧自由基2中性粒细胞的作用第二节发生机制钙超载3线粒体的作用白细胞激活4儿茶酚胺的自身氧化一、自由基的作用（一）概念与分类1.自由基（freeradical）的概念：自由基(freeradical)系指外层轨道上有单个不配对价电子的原子、原子团和分子的总称，又称游离基。2.分类3（1）氧自由基(oxygenfreeradical,OFR)：概念：其中由氧诱发产生的自由基称为氧自由基种类：超氧阴离子（O·-2）羟自由基（OH·）一线态氧（1O2）活性氧(reactiveoxygenspecies，ROS)和活性氮(reactivenitrogenspecies,RNS)则是指由氧（氮）形成、并在分子组成上含有氧（氮）的一类化学性质非常活泼的物质总称。（OFR和H2O2及NO）（2）脂性自由基：概念：OFR与不饱和脂肪酸作用后生成的中间产物。种类：烷自由基（L·）、烷氧基（LO·）、烷过氧基（LOO·）（二）氧自由基的生成、清除及损伤作用约50年前，人们就发现了生物学中存在自由基(CommnerB,etal,1954)。1956年，DenhamHarman提出了“氧自由基可作为酶促反应的产物在体内产生”的假说，并将自由基比喻成潘多拉的罪恶之盒（Pandora’sboxofevils）。实际上，在体内同时存在着自由基产生和清除两个系统（见表1），共同维持机体的氧化-抗氧化平衡（Oxidant-antioxidantbalance），即“氧化还原稳态”（RedoxHomeostasis），和自由基有利和有害作用间的微妙平衡。在病理条件下，由于活性氧产生过多或抗氧化酶活性下降，可导致氧化应激损伤（Oxidativestressinjury）甚至细胞死亡。自由基及其衍生物犹如一把“双刃剑”：(1)作为生理功能的信号转导分子，其适度浓度可发挥有益生物学作用，诸如调节血管张力。抑制血小板粘附，诱导亚铁血红素加氧酶基因的表达，激活核因子kB（nuclearfactorkB，NF-kB）等转录因子（transcriptionfactor），参与细胞增殖和分化等；(2)高浓度则可损害细胞所有主要成分，参与许多疾病和病理过程的发生。例如，动脉粥样硬化、心脑血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病、癌症、肌萎缩、风湿性关节炎（rheumatoidarthritis）、急性呼吸窘迫综合征、人类免疫缺陷病毒感染、阻塞性睡眠呼吸暂停（obstructivesleepapnea）、衰老、休克、氧中毒、炎症和缺血-再灌注损伤等。表1机体活性氧的来源和抗氧化防御机制4活性氧的来源机体抗氧化防御机制内源性外源性酶性非酶性NAD(P)H氧化酶线粒体过氧物酶体细胞色素P450黄嘌呤氧化酶环加氧酶脂加氧酶γ-谷氨酰转肽酶环境毒素电离辐射紫外线电场化学疗法炎症细胞因子超氧化物岐化酶过氧化氢酶谷胱甘肽过氧化物酶Prion蛋白（PrPc）谷胱甘肽Thioredoxin(硫代氧化还原素)Glutaredoxin（谷氨氧化还原素）维生素C,A,E硫辛酸尿酸盐泛醌（辅酶Q）丙酮酸盐1.OFR的生成途径：O2e-O2-·e-+2H+H2O2e-+H+OH·e-+H+H2O（正常）H2O2.氧自由基的清除细胞内氧自由基的清除：主要靠自由基清除剂（radicalscavenger）。（1）低分子自由基清除剂：存在于细胞脂质部分的脂溶性自由基清除剂（VE和VＡ等）；水溶性自由基清除剂（Vc和谷胱甘肽等）。（2）酶性自由基清除剂：细胞的过氧化氢酶(catalase,CAT)及过氧化物酶(peroxidase)可清除H2O2。超氧化物歧化酶(superoxidedismudase,SOD)可清除O2-·。3.自由基的损伤作用自由基极为活泼，可和各种细胞成分（膜磷脂、蛋白、核酸）发生反应，导致细胞功能障碍和结构破坏：(1)生物膜脂质过氧化增强再灌注时大量形成的自由基，尤其是OH.，可引发生物膜中多价不饱和脂肪酸均裂，形成脂性自由基和脂质过氧化物，使膜受体、膜蛋白酶、离子通道和膜转运系统等的脂质微环境改变，导致：①膜结构破坏──膜的液态性和流动性减弱，通透性增强；②抑制膜蛋白功能──离子泵失灵和细胞内信号传递障碍；③线粒体功能受损──ATP生成减少。(2)细胞内Ca2+超载自由基引起细胞膜通透性增强，细胞外Ca2+内流；膜上Na+-K+-ATP酶失活，使细胞内Na+升高，Na+-Ca2+交换增强；线粒体膜的液态及流动性改5变，导致线粒体功能障碍，ATP生成减少，使质膜与肌浆网钙泵失灵，不能将肌浆中过多的Ca2+泵出或摄取入肌浆网。这些导致Ca2+超载，成为细胞致死原因。(3)DNA断裂和染色体畸变自由基对细胞的毒性作用主要表现为染色体畸变，核酸碱基改变或DNA断裂。这种作用80%为OH.所致。OH.与脱氧核糖及碱基反应并使其发生改变。外面无组蛋白保护的线粒体DNA(mtDNA)，对氧化应激和线粒体膜的脂质过氧化较敏感，故易受自由基损伤，造成碱基片段丢失、碱基修饰及插入突变等。(4)蛋白质变性和酶活性降低氧自由基和脂质过氧化物可攻击蛋白质形成蛋白质自由基，引起蛋白质分子肽链断裂，修饰酶活性中心的氨基酸，使酶的巯基氧化。脂质过氧化物的产物──丙二醛是重要的交联因子，可引起胞浆和膜蛋白及某些酶交联成二聚体或更大聚合物。这些可造成蛋白质（包括酶）的变性和功能丧失。如肌纤维蛋白巯基氧化，可使其对Ca2+反应性降低，结果抑制心肌收缩力。(5)诱导炎症介质产生ROS作为强大氧化还原剂，可导致脂质过氧化和胞内游离钙增加，进而激活质膜磷脂酶A2(PLA2)和脂加氧酶及环加氧酶，通过花生四烯酸代谢，形成具有高度生物活性的前列腺素、血栓素、白三烯等。ROS也激活转录因子，例如核因子-ｋB,刺激后期白细胞黏附分子（leukocyteadhesionmolecule）和细胞因子（cytokine）基因的表达。因此，ROS可增加I/R后白细胞激活，趋化和白细胞-内皮细胞的黏附。（三）缺血—再灌注时OFR增多的机制1.黄嘌呤氧化酶形成↑ATP→ADP→AMP→黄嘌呤核苷黄嘌呤脱氢酶↓↓Ca2+缺次黄嘌呤核苷黄嘌呤氧化酶血↓↓期次黄嘌呤黄嘌呤+O2-·+H2O2再O2→←黄嘌呤氧化酶灌尿酸+O2-·+H2O2注↓期OH·内皮细胞中的黄嘌呤酶黄嘌呤氧化酶(xanthineoxidase,XO)10%6黄嘌呤脱氢酶(xanthinedehydrogenase,XD)90%缺氧：使次黄嘌呤堆积；再灌注：1.钙超载使XD转变为XO，进而在代谢黄嘌呤时产生O·-2；2.恢复氧供，提供生成O·-2的氧。2.中性粒细胞的作用中性粒细胞在吞噬过程中，其摄取氧的绝大部分（70％－90％）在其含量丰富的NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下接受电子生成氧自由基，用以杀灭病原微生物及异物。白细胞吞噬时拌耗氧量显著增加的现象，称为呼吸爆发（respiratoryburst）或氧爆发。有人发现，梗死24h后心肌内白细胞浸润可增加17倍。一般认为，XO系统引起自由基生成增加是原发性的，而中性粒细胞所致者为继发。3.线粒体的作用缺血和再灌注使ATP减少，Ca2+经钙泵摄入肌浆网减少，进入线粒体增多，使线粒体细胞色素氧化酶系统功能失调，以致进入细胞内的氧，经4价还原形成水减少，经单电子还原而形成的氧自由基增多。同时，Ca2+进入线粒体内，使含MnSOD和过氧化氢酶和过氧化物酶活性下降，也导致氧自由基增多4.儿茶酚胺的自身氧化在缺血缺氧的应激刺激下，交感－肾上腺髓质系统分泌大量儿茶酚胺，后者在自氧化生成肾上素红的过程产生O2-·。二、钙超载（calciumoverload）（一）钙超载的概念各种原因引起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。在正常情况下，细胞内钙浓度为10-8～10-7mol/L，细胞外钙浓度为10-3～10-2mol/L。约44％细胞内钙存在于胞内钙库（线粒体和内质网），细胞内游离钙仅为细胞内钙的0.005％。上述电化学梯度的维持，取决于生物膜对钙的不自由通透性和转运系统的调节。（1)Ca2+进入胞液的途径：Ca2+进入胞液是顺浓度梯度的被动过程。一般认为，细胞外钙跨膜进入是细胞内钙释放的触发因素，细胞内钙浓度增加主要取决于内钙释放。1）质膜钙通道主要有两大类型：①电压依赖性钙通道(voltagedepententcalciumchannel,VDC)可分为L型、T型、N型等亚型；②受体操纵性钙通道(receptoroperatedcalciumchannel,ROC)，亦称配体门控性钙通道(ligandgatedcalciumchannel,LGC)，此类受体由多个亚基组成，当其与激动剂结合后，通道便开放。2）胞内钙库释放通道钙库钙释放通道(calciumreleasechannel)属于受体操7纵性钙通道，包括三磷酸肌醇操纵的钙通道(IP3受体通道)，ryanodine敏感的钙通道。偶联于横小管和肌浆网的ryanodine受体钙通道同时开放，产生局部游离钙浓度升高—“钙火花”(Ca2+spark)。自发性钙火花是细胞内钙释放的基本单位，它成为钙波引发和传播的位点，构成了心肌细胞兴奋-收缩偶联的基础。（2）Ca2+离开胞液的途径：Ca2+离开胞液是逆浓度梯度、耗能的主动过程。1）钙泵的作用钙泵即Ca2+-M