病理生理学第十章

415第十章缺血－再灌注损伤缺血－再灌注损伤(ischemia-reperfusioninjury)或称再灌注损伤，是指组织缺血一段时间，当血流重新恢复后，组织的损伤程度较缺血时进一步加重、器官功能进一步恶化的综合征。缺血-再灌注损伤早已为临床观察和动物实验所证实。如有些休克病人经过早期复苏，在血流动力学和血氧供应恢复后，反见组织细胞损伤加重、脏器功能进一步降低；动物实验亦发现，缺血（血流量降至正常的20％）3小时后再灌注1小时所造成的组织损伤，比同样条件下单纯缺血4小时的结果严重得多。缺血－再灌注损伤是当今医学研究中活跃的领域。自1960年Jennings首次提出心肌再灌注损伤以来，临床医生陆续发现在休克治疗、心肺复苏、心脑血管栓塞再通、器官移植时均会发生缺血－再灌注损伤。防治缺血－再灌注损伤直接关系到疾病的治疗效果。因此，对缺血－再灌注损伤机制的阐明具有重要的理论416和实际意义。第一节缺血-再灌注损伤的原因和影响因素一、原因凡能引起血流重新恢复而导致组织损伤的因素都有可能成为再灌注损伤的发生原因，常见的有：1.组织器官缺血后恢复血液供应，如休克时微循环的再灌注、冠状动脉痉挛的解除等。2.一些新的医疗技术的应用，如动脉搭桥术、心脑梗塞时的溶栓疗法等。3.心脏外科体外循环后重新恢复血流供应。4.其他，如断肢再植、器官移植等。二、影响因素缺血再灌注后是否发生再灌注损伤与下列因素有关缺血时间缺血时间长短与再灌注损伤的发生与否有关，在组织器官所能耐受的缺血时间内予以再灌注，可使其功能恢复，一般不引起再灌注损伤；而缺血时间过长使组织细417胞坏死也没有再灌注损伤发生的基础。侧枝循环缺血后容易形成侧枝循环的组织，不易发生再灌注损伤。对氧的需求程度对氧需求高的组织器官，因氧易接受电子使氧自由基产生增多，故容易发生再灌注损伤。电解质浓度实验证明：高钾、高镁对再灌注损伤有保护作用，而钠、钙增多可诱发再灌注损伤。第二节缺血-再灌注损伤的发生机制缺血与再灌注损伤是两个不同的病理过程，同时二者又密切相关。缺血性损伤是再灌注损伤发生、发展的基础。在缺血期，缺血、缺氧导致①ATP合成减少；②分解代谢产物，尤其是嘌呤碱及细胞内酸性代谢产物增多。在此基础上，再灌注后由于恢复供氧产生自由基，并由于钙离子超载及炎症反应等原因引发再灌注损伤。目前认为，缺血－再灌注损伤的发生机制主要与以下三个方面的因素有关。418一、自由基生成增多及其损害作用㈠自由基的概念及分类自由基(freeradical,FR)是指外层轨道上有未配对电子的原子、原子团或分子的总称。因其含有未配对的电子，故化学性质非常活泼，极易与其生成部位的其他物质发生反应，而这种反应的最大特点是以连锁反应的形式进行。1.氧自由基(oxygenfreeradical,OFR)在生理和病理情况下，机体内有多种自由基产生，其中最为重要的是由氧诱发产生的自由基，即氧自由基。氧自由基包括：超氧阴离子（O·2）、羟自由基(·OH)、单线态氧（1O2）。其中，O·2是其它氧自由基产生的基础。催化产生O·2的酶系统，包括NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶和P450细胞色素单加氧酶等。生成的O·2可自发歧化或在超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)的作用下生成非自由基的过氧化氢(H2O2)。O·2和H2O2相互作用产生·OH，该反应被称为Haber-Weiss反应，能被铁离子所加速。由铁离子催化的Haber-Weiss反应称为Fenton反应，可产生·OH。H2O2419还能与Cl-在髓过氧化物酶（myeloperoxidase,MPO）的催化下生成次氯酸（HOCL），后者能与O2反应生成·OH。H2O2可被过氧化氢酶(catalase，CAT)或谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase，GSH-PX)所清除。2.一氧化氮（NO）NO是精氨酸在一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase,NOS)的催化下产生的。单核巨噬细胞、中性粒细胞中的NOS是诱导型的，缺血－再灌注损伤时，白细胞被激活后NOS的活性增强，可大量产生NO；NO有一个不配对电子，故实质上是一种气体自由基。它能与氧自由基反应，产生多种毒性代谢产物。如NO与O2反应产生一种氧化性更强的自由基：过氧亚硝酸根（peroxynitrite,ONOO）,ONOO很稳定，能扩散到邻近细胞造成强烈的细胞损伤。ONOO在生理pH条件下易于质子化生成过氧亚硝酸（peroxynitrousacid,ONOOH），它不稳定，能释放出·OH和NO2或经历分子内的重排产生NO3。4203.脂性自由基是氧自由基与多聚不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物，如烷自由基（L.）、烷氧自由基（LO.）、烷过氧自由基（LOO.）等。H2O2及HOCL虽不是自由基，但它们的化学性质与自由基相似，与氧自由基、一氧化氮(NO)和过氧亚硝酸根(ONOO-)等同属于活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS），即在化学反应性能方面比氧活泼的含氧化合物。图10-1显示了主要活性氧的生成和代谢。图10-1主要活性氧的生成和代谢㈡缺血－再灌注损伤时自由基生成增多的机制1.通过黄嘌呤氧化酶途径产生自由基黄嘌呤脱氢酶（xanthinedehydrogenase,XDH）与黄嘌呤图1421氧化酶（xanthineoxidase,XO）均可催化黄嘌呤和次黄嘌呤的分解代谢，但由于XDH和XO的化学修饰不同，因而反应的结果也不相同。XDH含－SH，以NAD+作为电子受体；而XO含－SS－，催化反应是以O2作为电子受体，因而可以产生氧自由基。这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内，正常时以XDH为主，缺血、缺氧可促使XDH转变为XO。增多的机制目前认为有两种：①ATP生成减少使Ca2+泵功能障碍，Ca2+进入细胞内激活Ca2+依赖性蛋白水解酶，通过有限水解使XDH构象改变，转变为XO。②XDH内部的－SH被氧化为－SS－，使XDH转变为XO。由于黄嘌呤氧化酶形成增多，加之缺血、缺氧时能量消耗，ATP降解为ADP、AMP和次黄嘌呤，造成缺血组织内次黄嘌呤大量堆积。一旦再灌注恢复O2供给时，活性增高的XO就能催化次黄嘌呤代谢产生大量的O（图10-2）。XO抑制剂别嘌呤醇(allopurinol)能减少O·2的生成，使缺血－再灌注损伤的发生率降低。422ATP缺AMP腺嘌呤核苷黄嘌呤脱氢酶（XDH）血次黄嘌呤核苷黄嘌呤氧化酶（XO）次黄嘌呤黄嘌呤+O2+H2OO2XOO2尿酸+O2+H2O2O2+·OH+H2O2缺血-再灌注图10-2黄嘌呤氧化酶在氧自由基生成增多中的作用2.激活的白细胞产生自由基缺血组织细胞释放的蛋白水解酶分解蛋白质产生的蛋白片段，膜磷脂分解生成的花生四烯酸及其代谢产物，如羟基廿碳四烯酸（hydroxy-eicosatetraenoicacid,HETE）和白三烯B4(LTB4)等均为强有力的白细胞激活和趋化物质，可使白细胞激活并聚集于缺血组织及其周围。激活的白细胞又能合423成和释放多种炎症介质，包括促炎细胞因子、脂质炎症介质和炎症趋化因子等，导致白细胞的进一步激活和炎症介质的释放。激活的白细胞通过呼吸爆发(respiratoryburst)或氧爆发(oxygenburst)，大量摄取和消耗氧，摄取的氧经过细胞的NADPH氧化酶和NADH氧化酶的作用，产生包括氧自由基在内的毒性活性氧。3.线粒体有研究表明线粒体是心肌再灌注损伤后氧自由基的主要来源。缺血时间越长，产生的氧自由基越多，最终引起线粒体抗氧化产物耗竭。氧自由基增多的机制在于钙超载使线粒体功能受损，细胞色素氧化酶系统功能失调，致氧经单电子还原成的氧自由基增多，经4价还原形成水减少。4.体内清除自由基能力下降正常机体清除自由基的机制主要有:⑴抗氧化酶类如超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）等。424⑵抗氧化剂如维生素E、维生素C、辅酶Q等。正常体内不断有自由基产生，又不断地被上述正常机制所清除，因而不致于对机体造成损害。但在缺血－再灌注损伤时，体内抗自由基的酶类及抗氧化剂被大量消耗，使自由基的清除不足，最终造成自由基增多。㈢自由基在缺血－再灌注损伤中的作用由于自由基具有极为活泼的反应性，所以它们能和各种细胞成分(膜磷脂、蛋白质、核酸)发生反应，使细胞产生致命性的损伤。1、多价不饱和脂肪酸的过氧化，损伤生物膜·OH的化学性质非常活泼，可引发体内多价不饱和脂肪酸的均裂，形成脂性自由基和脂质过氧化物。生物膜内含有多价不饱和脂肪酸，上述连锁反应改变了膜的结构、膜的流动性和膜的通透性，结果导致质膜上的蛋白（酶、离子通道、转运子、受体等）功能障碍；线粒体的生物氧化功能障碍以及溶酶体酶的释放等。细胞膜的通透性改变可使膜对Ca2+425的通透性增高，线粒体功能障碍使能量生成减少导致钙泵功能障碍，这些都可造成钙超载。2.蛋白质和DNA分子结构的变化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，后者进一步引起蛋白质分子的聚合及肽链的断裂，也可使蛋白质与脂质结合形成聚合物，从而造成蛋白质的变性和功能丧失；氧自由基可使酶分子发生聚合交联，或修饰酶分子活性中心的氨基酸，或与酶分子中金属离子反应而影响酶的活性；氧自由基可使透明质酸降解，胶原蛋白发生交联，从而使细胞外基质变得疏松、弹性降低。氧自由基还可作用于DNA，与碱基发生加成反应而造成对碱基的修饰，并可引起DNA链的断裂；氧自由基还可以引起染色体的畸变和断裂。二、钙超载钙超载（calciumoverload）是指Ca2+在细胞内大量积聚。细胞内Ca2+浓度与细胞受损程度成正相关，钙超载可引起组织器官严重的结构及功能障碍。426（一）细胞内Ca2+的稳态调节（homeostasis）正常情况下细胞内外Ca2+的浓度相差悬殊：细胞内钙浓度（[Ca2+]i）为100nmol/l（10-8~10-7mol/l），而细胞外钙浓度（[Ca2+]e）为2mmol/l（10-3~10-2mol/l），两者相差20000倍；同时细胞内钙分布也是不平均的：约有44％存在于胞内钙库（线粒体及内质网），而胞液中起主要生物活性的游离钙（离子钙）仅为0.005％。如此大的钙电化学梯度的维持，有赖于细胞膜或细胞器膜对钙的不自由通透性及钙转运系统的调节（图10-3）。图10-3细胞内钙转运过程1.Ca2+进入胞液的途径Ca2+进入胞液是顺浓度梯度的过程。⑴质膜钙通道质膜钙通道普遍存在各种组织中，是控制胞外钙跨膜内流的主要途径。目前认为有五大类，其中比较重要的为：图3427①电压依赖性Ca2+通道（Voltageoperatedcalciumchannel，VOC）。此型Ca2+通道的开放与膜电位有关，在膜去极化到一定程度时通道开放，导致胞外的Ca2+跨膜内流;②受体操纵性Ca2+通道（receptoroperatedcalciumchannel,ROC）又称配体门控离子通道(ligandgatedcalciumchannel)。此类受体由多条亚基组成，它们往返穿过细胞膜4～6次（多为4次），这些亚基共同组成离子通道。当其与激动剂结合后，通道便开放，造成离子的跨膜流动。⑵胞内钙库释放通道Ca2+由胞内钙库释放出来是由钙库Ca2+释放通道(calciumreleasechannel)介导的。钙库Ca2+释放通道属于受体操纵性Ca2+通道，包括三磷酸肌醇（IP3）操纵的钙通道(IP3受体通道)、ryanodine敏感的钙通道。2.Ca2+离开胞液的途径Ca2+离开胞液是逆浓度梯度、耗能的过程,它依赖于：⑴Ca2+泵的作用Ca2+泵即Ca2+-ATP酶，由于该酶的活性不仅依赖于Ca2+，还依赖428于Mg2+，故又称Ca2+-Mg2+-ATP酶。它存在于细胞膜、内质网及线粒体膜上。当[Ca2+]i升至一定浓度时，Ca2+-Mg2+-ATP酶被激活，水解ATP供能，并将Ca2+泵出细胞或由内质网、线粒体摄取，从而使胞液的C