缺血再灌注损伤

缺血－再灌注损伤IRI西安交大医学院病理生理学科冯洁1９５５年，Sewell结扎狗冠状动脉后，如突然解除结扎，恢复血流，部分动物室颤而死亡。简史认识就从这简单现象开始１９６０年，Jennings第一次提出心肌再灌注损伤的概念在心肌缺血恢复血流后，缺血心肌的损伤反而加重尽快恢复血供ischemiainjuryreperfusioninjuryAdouble-edgedsword缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusioninjury,IRI）缺血的组织、器官经恢复血液灌流后，不但不能恢复其功能和结构，反而加重其功能障碍和结构损伤的现象,简称再灌注损伤。第一节概述1全身性：休克微血管痉挛解除；心肺复苏2组织器官：器官移植；断肢再植；体外循环下心脏手术3某一血管再通动脉搭桥术；溶栓疗法；介入性心脏手术PTCA原因在组织器官缺血基础上的血液再灌注第一节概述影响因素1.缺血时间缺血时间过短或过长均不易发生IRI不通种属，不同器官发生IRI时间不同2.组织缺血前的状态侧枝循环丰富的组织不易发生IRI需氧量大的器官易发生IRI缺血前有功能状态改变的器官易发生IRI3.再灌注条件低温、低压、低pH、低钠、低钙灌流液灌注，可减轻IRI。第一节概述家兔心肌40min脑30min肝脏45min肾脏60min小肠60min骨骼肌4h缺血-再灌注损伤的现象氧反常（oxygenparadox）用低氧溶液灌注组织器官或在缺氧条件下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。钙反常（calciumparadox）预先用无钙溶液灌流大鼠心脏2min，再用含钙溶液进行灌流时→心肌细胞酶释放↑、肌纤维过度收缩及心肌电信号异常。pH反常（pHparadox）缺血-再灌时，迅速纠正缺血组织的酸中毒，→反而会加重缺血-再灌注损伤。第一节概述自由基生成增多钙超载白细胞的作用与微循环障碍高能磷酸化合物生成障碍IRI的发生是多机制,协同作用所致。[自由基]指外层轨道上有未配对电子的原子、原子团或分子的总称。化学性质非常活泼，极易与其生成部位的其它物质发生连锁反应。自由基概述离子键异裂解离生成正离子与副离子；A∶B――→A++B∶－H∶O∶H――→H++∶O∶H－离子键均裂生成外层轨道含奇数电子的原子或原子团A∶B――→A•+•BH∶O∶H――→H•+·O∶H(OH•)容易接受电子的原子、原子团或分子易生成自由基，氧是体内最重要的受电体之一。........自由基概述自由基的类型①活性氧（ROS）氧自由基（O2∙-，OH∙），H2O2，lO2活性氧：化学性质活泼的含氧物质。②活性氮（RNS）NO、ONOO-、HONOO、NO2-③其他烷自由基(L∙)、烷氧自由基（LO∙）、烷过氧自由基（LOO∙）等，称为脂性自由基。单线态氧1O2：是一种激发态氧（在光敏剂存在下作用于O2激发而产生），反应活性较强，参与许多化学反应，可由O·-2自发歧化产生，也可在髓过氧化物酶（MPO）作用下，由H2O2氧化卤化物产生。可分为两种：1gO2和1ΔgO2O21ΔgO2O·-21gO2几种氧气的最高占有分子轨道Ⅱ*2pⅡ2p自由基的代谢1.活性氧的生成O2+e―――→O2.(超氧阴离子自由基）O2+2e+2H+―――→H2O2O2+3e+3H+―――→H2O+OH·(羟自由基)O2+4e+4H+―――→2H2OO2+光量子―――→lO2(单线态氧)（↑，↑）(↑↓，or↑，↓)自由基概述-O2·-的生成是其他自由基或活性氧生成的基础O2·-的生成途径⑴线粒体O2·-生成的主要场所之一⑵自然氧化如CytC、Hb、Mb、CA、T4等在自然氧化过程中可生成O2·-HbFe2++O2HbFe3++O2·-⑶酶氧化黄嘌呤氧化酶（XO）、NADPH氧化酶、醛氧化酶氧化过程⑷毒物作用CCL4、除草剂白草枯等作用于细胞。⑸电离辐射常可引起共价键化合物的均裂自由基概述活性氧的生成O2线粒体98~99%ATP1~2%NADPH氧化酶黄嘌呤氧化酶P450细胞色素单加氧酶超氧阴离子O2-羟自由基·OH单线态氧1O2SODH2O2谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）过氧化氢酶（CAT）髓过氧化物酶（MPO）清除O2·-的生成途径⑴线粒体O2·-生成的主要场所之一⑵自然氧化如CytC、Hb、Mb、CA、T4等在自然氧化过程中可生成O2·-HbFe2++O2HbFe3++O2·-⑶酶氧化黄嘌呤氧化酶（XO）、NADPH氧化酶、醛氧化酶氧化过程⑷毒物作用CCL4、除草剂白草枯等作用于细胞。⑸电离辐射常可引起共价键化合物的均裂自由基概述H2O2及OH·的生成O2·-+O2·-+2H+H2O2+O2Fenton型Haber-Weiss反应：H2O2OH·+OH-均裂H2O2OH·+OH·OH·是活性氧中毒性最强的一种SODFe2+Fe3+自由基概述2.氧自由基的清除自由基概述低分子清除剂维生素E维生素A维生素CGSH还原O2·-、1O2、脂质自由基清除1O2，抑制脂质过氧化协助维持维生素E的活性状态H2O2+2GSH2H2O+GSSGGSHpx酶性清除剂SOD(MnSOD,CuZnSOD)CAT过氧化物酶2H2O22H2O+O2CATO2.+O2.+2H+H2O2+O2SOD3.活性氮和脂性自由基多聚不饱和脂肪酸氧自由基烷氧自由基LO·烷过氧自由基LOO·O2.-OH·NO精氨酸ONOO-NOSHOONOH+NO2自由基概述IRI诱导自由基产生机制1、黄嘌呤氧化酶的形成↑2、中性粒细胞呼吸爆发3、线粒体单电子还原增多4、儿茶酚胺的自身氧化增强5、诱导型NOS表达增强6、活性氧清除能力下降正常时：血管内皮内XO(xanthineoxidase)XD(xanthinedehydrogenase)10%90%IRI诱导自由基产生机制次黄嘌呤黄嘌呤1、黄嘌呤氧化酶（XO）的形成↑XDNADHNAD＋次黄嘌呤+O2黄嘌呤+O2·-+H2O2XO尿酸+O2·-+H2O2XOOH·IRI诱导自由基产生机制缺血再灌注XDXOATP↓再灌注O2呼吸爆发或氧爆发↑↑组织缺血趋化因子(C3、白三烯等）PMN↑氧自由基细胞损伤IRI诱导自由基产生机制2、中性粒细胞（PMN）呼吸爆发PMN吞噬：正常O2氧自由基↑杀灭病原微生物NADPHNADH氧化酶呼吸爆发或氧爆发NADPH+2O22O·-2+NADP++H+NADH+O2+2H+H2O2+NAD+NADPH氧化酶NADH氧化酶2、中性粒细胞（PMN）呼吸爆发IRI诱导自由基产生机制IRI诱导自由基产生机制3、线粒体单电子还原增多细胞色素氧化酶系统功能失调缺血缺氧ATP↓线粒体内Ca2+↑再灌注O2+抗氧化酶↓氧自由基↑IRI诱导自由基产生机制4、儿茶酚胺的自身氧化缺血缺氧儿茶酚胺调节作用单胺氧化酶氧自由基再灌注O2+5、诱导型NOS表达增强缺血-再灌注NO↑iNOSOH·ONOO-HOONONO2组织损伤Enzymes:SOD,GPX,CATNon-enzymeantioxidants:vitamines(E,A,C),etc.ROS:O2,H2O2,1O2,OH,HOClIRI诱导自由基产生机制6、活性氧清除能力下降自由基的损伤作用1.膜脂质过氧化增强①破坏膜的正常结构自由基的损伤作用膜不饱和脂肪酸减少-→膜不饱和脂肪酸/蛋白质的比例失调-→膜的液态性、流动性↓，通透性↑-→膜功能障碍和Ca2+内流；破坏细胞膜-→膜受体失活、离子通道变构、酶活性改变破坏溶酶体膜-→溶酶体释放破坏线粒体膜-→ATP生成↓破坏肌浆网膜-→细胞内钙超载自由基的损伤作用②间接抑制膜蛋白功能间接抑制钙泵、钠泵及Na+-Ca2+交换系统→胞浆Na+、Ca2+↑→细胞肿胀和钙超载；抑制受体、G蛋白与效应器偶联而影响信号转导；自由基的损伤作用③减少ATP生成线粒体膜脂质过氧化→线粒体功能抑制→ATP↓④促进自由基和其他活性物质生成促进膜磷脂分解、催化花生四烯酸代谢等产生多种生物活性物质（血栓素、白三烯等），促进自由基生成→加重再灌注损伤多聚不饱和脂肪酸氧自由基烷氧自由基LO·烷过氧自由基LOO·2.蛋白质变性和酶活性降低自由基的损伤作用自由基的损伤作用酶、离子通道、受体功能障碍①破坏酶的活性中心-巯基②破坏酶活性所必须的脂质微环境③蛋白之间交联形成多聚物④攻击酶活性中心部位的氨基酸⑤也可激活一些酶3.细胞间基质破坏透明质酸降解、胶原蛋白交联→基质疏松、弹性降低2.蛋白质变性和酶活性降低自由基的损伤作用4.破坏核酸及染色体①碱基修饰②DNA断裂③DNA交联自由基的损伤作用破坏染色体及核酸80%由OH所致钙超载各种原因引起的细胞内钙含量异常↑并导致细胞结构损伤和功能代谢障碍的现象称为钙超载（calciumoverload）或钙反常。二、钙超载维持细胞内外钙稳态的机制〔Ca2+〕〔Ca2+〕受体依赖性钙通道电压依赖性钙通道10－7M10－3MCa2+ATPADP钙泵Na+-Ca2+交换蛋白Ca2+进入胞液的途径Ca2+离开胞液的途径肌质网线粒体Ca2+Na+二、钙超载①Na+/Ca2+交换异常③儿茶酚胺增多②生物膜受损④线粒体ATP生成障碍Na+-Ca2+交换异常（钙超载时进入细胞的主要途径）正常：3个Na+1个Ca2+影响因素：（1）跨膜钠浓度梯度（2）细胞内的氢浓度此外还有Ca2+ATPMg2+Ca2+3Na+K+Na+IRI引起钙超载的机制1Na+/Ca2+交换异常（1）细胞内高Na+的直接激活作用（2）细胞内高H+的间接激活作用ATP↓[Na+]↑Na+Ca2+Ca2+↑缺血细胞内ATP↓钠泵活性↓细胞内Na+↑钠泵、Na+/Ca2+交换蛋白Na+出胞↑Ca2+入胞↑+再灌注氧营养+缺血再灌注H+生成↑组织间液、胞内pH↓↓组织间液H+↓↓，而胞内H+仍很高跨膜H+浓度梯度差↑激活Na+/H+交换蛋白H+外流↑、Na+内流↑继发性激活Na+/Ca2+交换蛋白Ca2+内流↑钙超载细胞内[H+]升高引起钙超载的机理Na+H+[Na+]↑Na+Ca2+Ca2+↑H+↑H+↓无氧代谢pH反常（2）细胞内高H+的间接激活作用缺血细胞膜外板和糖被膜分离膜失去屏障通透性↑↑细胞外Ca2+顺浓度差内流激活磷脂酶膜磷脂降解↑+再灌注自由基生成↑细胞膜脂质过氧化膜结构破坏↑+IRI引起钙超载的机制+细胞膜通透性增加2生物膜损伤线粒体及肌质网膜损伤肌浆网膜损伤钙泵功能抑制肌浆网摄钙↓胞浆钙浓度↑线粒体膜损伤ATP生成↓细胞膜、肌浆网钙泵能量供应不足缺血-再灌注自由基损伤、膜磷脂分解IRI引起钙超载的机制IRI引起钙超载的机制3儿茶酚胺增多缺血-再灌注损伤时，内源性CA↑-→α1受体-→PLC→PIP2分解→IP3→促进Ca2+库释放DG→PKC→Na+-H+交换↑→Na+-Ca2+交换↑[Ca2+]i↑GqPLCα1Ca2+Ca2+IP3DGPKCH+3Na+Ca2+Na+肌丝肌浆网去甲肾上腺素PIP2蛋白激酶C对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活示意图IRI引起钙超载的机制缺血-再灌注损伤时，内源性CA↑-→β受体-→受体门控钙通道开放AC→cAMP→PKA→L型钙通道磷酸化↑→[Ca2+]i↑CalciumChannelCalciumChannel[Ca2+]i↑IRI引起钙超载的机制4线粒体ATP合成功能障碍缺血再灌注ATP↓大量Ca2+进入缺血区钙超载无氧代谢缺血-再灌注线粒体膜损伤钙泵障碍IRI引起钙超载的机制1Na+/Ca2+交换异常2生物膜损伤3儿茶酚胺增多4线粒体ATP合成功能障碍线粒体功能障碍→ATP↓激活钙依赖性降解酶促进氧自由基生成缺血-再灌注性心律失常和收缩带钙超载引起再灌注损伤的机制1．损伤线粒体功能和结构钙超载-→刺激线粒体钙泵摄钙→ATP消耗↑钙盐沉积→干扰电子传递和氧化磷酸化→ATP生成↓通透性转运孔道（MPTP）开放钙超载引起再灌注损伤的机制①膜电位迅速下降及电子传递脱耦联现象②氧自由基大量生成③细胞色素C释放→cas