第七章 缺血 - 再灌注损伤 ischemia-reperfusion injury

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第七章 缺血 - 再灌注损伤 isch

emia-reperfusion injury

邓华菲

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目的和要求

• 掌握缺血 - 再灌注损伤、无复流现象的概念；缺血－再灌注损伤的发生机制。

• 熟悉呼吸爆发的概念、缺血 - 再灌注损伤时机体的功能和代谢变化、缺血 - 再灌注损伤的原因和条件。

• 了解心肌顿抑的概念和发生机制、防治缺血 - 再灌注损伤的病理生理基础。

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病例 患者，男， 54 岁，因胸闷、大汗 1 h 急诊入院。体查：

血压 65/40 mmHg ，意识淡漠，心率 37 次 /min ，律齐。既往有高血压病史 10 年，否认冠心病史。心电图示Ⅲ度房室传导阻滞。给予阿托品、多巴胺、低分子右旋糖酐等进行扩冠治疗。入院上午 10 时用尿激酶静脉溶栓。 10 时40 分出现阵发性心室颤动（室颤），立即给予除颤，至 1

1 时 20 分反复发生室性心动过速、室颤，共除颤 7 次，同时给予利多卡因、小剂量异丙肾上腺素后心律转为窦性，血压平稳，意识清楚。冠状动脉造影证实：右冠状动脉上段 85% 狭窄，中段 78% 狭窄。

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问题

• 为什么溶栓后出现严重的心律失常 ?

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研究简史

• 1955 年 Sewell 首次报道再灌注损伤现象 ------ 结扎狗冠状动脉后，如果突然解除结扎恢复血流，部分动物立即发生心室纤维颤动而死亡；

• 1960 年 Jennings 第一次提出心肌再灌注损伤的概念，证实再灌注会引起心肌超微结构不可逆坏死，包括爆发性水肿、组织结构崩解、收缩带形成和线粒体内磷酸钙颗粒形成。

• 1968 年， Ames 率先报道脑缺血再灌注损伤；• 1972 年， Flore 率先报道肾缺血再灌注损伤；• 1978 年， Modry 率先报道肺缺血再灌注损伤；• 1981 年， Greenberg 率先报道肠缺血再灌注损伤。

第一节 概 述

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心脏介入手术

经皮冠状动脉腔内

成形术（ PTCA ）

放置支架

PTCA结合支架治疗冠心病患者，成功率较高，长期生存率较高

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冠脉支架置入前后

1967年， Bulkley 和Hutchins发现冠脉血管再通后的病人发生心肌细胞反常性坏死。

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1 2 3 4h

损伤程度加重

单纯缺血

缺血再灌

实验与临床资料证明冠脉重新恢复血流后，有可能造成更严重的心肌损伤

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缺血 - 再灌注损伤（ ischemia-reperfusion injury, IRI ）：

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。

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概述

缺血 - 再灌注损伤是指 :

A. 缺血后引起的损伤

B. 缺血后恢复血流，缺血性损伤加重

C. 缺血后恢复血流引起的后果

D. 再灌注后引起的损伤

E. 不可逆性损伤

[答案 ] B

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第二节 原因和条件原因

引起血流重新恢复的因素

影响因素 1. 缺血时间和程度 2. 侧支循环 3. 对氧的需求程度 4. 再灌注条件

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如：休克治疗后微循环的疏通

体外循环心直视手术

经皮腔内冠脉血管成形术

断肢再植、肠梗阻

溶栓治疗、器官移植等。概述

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下列哪一种情况不会发生缺血 - 再灌注损伤？Ａ．体外循环后Ｂ．PTCA后 Ｃ．器官移植后 D．断肢再植术后 E．输血输液后[答案 ] E

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第三节 发病机制

活性氧大量产生

细胞内钙超载

中性粒细胞活化

高能磷酸化合物生成障碍

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活性氧（ reactive oxygen ）是指化学性质活泼的含氧代谢物，包括氧自由基、单线态氧（ 1O2 ）、 H2O2 、 NO 、脂质过氧化物（ LOOH ）及其裂解产物脂氧自由基（ LO· ）、脂过氧自由基（ LOO· ）等。

一、活性氧的作用

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[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。

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1. 氧自由基O2

线粒体

98~99%ATP

1~2%

NADPH 氧化酶黄嘌呤氧化酶P450 细胞色素单加氧酶

超氧阴离子 O

2-

羟自由基 ·OH单线态氧 1O2

H2O2

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

超氧化物歧化酶

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Fenton 型 Haber-Weiss 反应

线粒体单电子还原生成活性氧

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2. 一氧化氮和脂性自由基

精氨酸 NOS NO 氧自由基 过氧亚硝酸根ONOO-

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·

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NO 和 ONOO- 的生成

21

Vit C 、谷胱甘肽、辅酶 Q

Vit E 、胡萝卜素

自由基的清除 (elimination)

1) 低分子清除剂

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2) 酶性清除剂

自由基的清除 (elimination)

过氧化氢酶 (CAT)

过氧化物酶

超氧化物歧化酶MnSOD CuZnSOD

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生理情况下，自由基的生成与清除处于动态平衡。

Free radical antioxidant

自由基的平衡 (equilibrium)

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病理情况下，如果自由基生成过多或机体抗氧化能力不足，可引发氧化应激 (oxidative stres

s) ，导致细胞损伤。

自由基的平衡 (equilibrium)

Free radical

antioxidant

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肌萎缩性侧索硬化症

英国史蒂芬 ·威廉 ·霍金 - 物理天才

Cu ， Zn-SOD 基因突变

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自由基学说

自由基包括：A．O2-

B．OH﹒· C． H2O2

D． NO﹒ E. 单线态氧 [答案 ]

活性氧包括： A．O2-

B．OH·﹒ C． H2O2

D． Cl· E．单线态氧[答案 ]

A B D

A B C E

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自由基学说

（ 1 ）黄嘌呤氧化酶的形成增多（ 2 ）中性粒细胞呼吸爆发（ 3 ）线粒体功能受损（ 4 ）儿茶酚胺增加和氧化（ 5 ） iNOS表达增强（ 6 ）体内清除活性氧的能力下降

（三）缺血 / 再灌注时活性氧增多的机制

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自由基学说

缺血 - 再灌注时黄嘌呤氧化酶在活性氧生成中的作用

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中性粒细胞被多种因素激活时耗氧量显著增加，产生大量的氧自由基，称为呼吸爆发 (respiratory burst) or

氧爆发 (oxygen burst) 。 自由基学说

(2) 中性粒细胞呼吸爆发

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OO22

HH22OO22

HOClHOCl

NADPHNADPH oxidaseoxidase

NADPHNADPH

MPOMPO

MPOMPO

NADPNADP++

nneeuuttrroopphhiill

OHOH

NONO

OO22--

ONOOONOO--OHOH

中性粒细胞呼吸爆发

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自由基学说

（ 3 ） 线粒体功能受损

缺血 - 再灌注时线粒体产生活性氧示意图

32

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缺氧

交感 - 肾上腺髓质系统兴奋

儿茶酚胺分泌增多

代偿调节作用 氧化产生氧自由基

自由基学说

(4)儿茶酚胺的自身氧化

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（三）活性氧的损伤作用⑴膜脂质过氧化增强

（ lipid peroxidation ）

Ⅰ. 破坏膜的正常结构Ⅱ. 间接抑制膜蛋白功能Ⅲ. 促进自由基及其他生物活性物质生成Ⅳ. 减少 ATP 生成

⑵抑制蛋白质的功能

⑶破坏核酸及染色体（ 4 ）细胞间基质破坏

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H2O

LH OH·＋ L·

＋

L· ＋ LOO ·O2

LOO · ＋ L’H LOOH ＋ L ’

膜的脂质过氧化反应

细胞膜磷脂的多聚不饱和脂肪酸受到氧自基的攻击

依赖于铁的脂质过氧化

LOOH ＋ Fe2+ ＋LO ·

OH– ＋ Fe3+

LOOH ＋ Fe3+ LOO · ＋ H+ ＋Fe2+

2 LOOH LO ·

LOO · H+OH–＋ ＋ ＋Fe3+

36破坏膜的正常结构

膜的脂质过氧化

膜不饱和脂肪酸减少

不饱和脂肪酸∕蛋白质比例失调

膜的液态性降低流动性降低通透性增加

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间接抑制膜蛋白功能

膜脂质过脂化

膜液态性降低

细胞信号转导功能抑制

信号分子流动↓受体、 G 蛋白、效应器偶联↓

〔 Na+ 〕 i↑ 、〔 Ca2+ 〕 i↑

膜脂质交联、聚合

钠泵↓、钙泵↓、Na+/ Ca2+ 交换蛋白↓

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促进自由基和其它生物活性物质生成

膜脂质过氧化

激活磷脂酶 C 、D

膜磷脂降解

催化花生四烯酸代谢

自由基、前列腺素、白三烯、血栓素生成

39肌醇磷脂在细胞信号转导中的作用

脂质信号分子生成异常

PIP2

PKCPKC

GqGq

IP3 DG

PLCβ

NE

α1 受体

Ca2 ＋Ca2 ＋ Ca2 ＋

H+

Na+

3Na+

Ca2+

40

减少 ATP 生成

线 粒 体 膜

脂质过氧化

线粒体功能抑制

ATP 产生减少

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⑵ 抑制蛋白质的功能

Ⅰ. 损伤

① 膜离子通道蛋白损伤

② 肌纤维收缩蛋白损伤

③ 肌浆网钙转运蛋白损伤

Ⅱ. 机理

① 细胞结构蛋白和酶的巯基氧化形成二硫键

② 蛋白质氨基酸的残基氧化

胞浆蛋白、膜蛋白及某些酶交联

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自由基对膜的损伤

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⑶ 破坏核酸及染色体 Ⅰ. 损伤 染色体畸变、 细胞死亡 Ⅱ. 机理

OH· 与脱氧核糖核酸、碱基反应 碱基羟化、 DNA 断裂

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活性氧的损伤作用

细胞间基质破坏

氧自由基可使透明质酸酶降解、胶原

蛋白交联，从而使细胞间基质变得疏松、弹性

降低。

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自由基学说

活性氧

膜脂质过氧化

蛋白质功能受抑制

破坏核酸和染色体

破坏膜的正常结构

间接抑制膜蛋白功能

促进自由基和生物活性

物质生成

减少ATP生成

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二、钙超载（ calcium overload ）

[ 钙超载 ] 是指 Ca2+ 在细胞内大量聚集，引

起细胞受损，组织器官功能障碍。

（一）

47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 － 7M

10 － 3M

Ca2+

ATP

ADP

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+

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（二）再灌注引起细胞内钙超载的机制 ⑴ Na+ -Ca2+ 交换异常

⑵ 生物膜损伤

Ⅰ. 细胞内〔 Na+ 〕升高Ⅱ. 细胞内〔 H+ 〕升高

Ⅲ. 蛋白激酶 C （ PKC ）活化

Ⅰ. 细胞膜损伤

Ⅱ. 线粒体膜及肌浆网膜损伤

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细胞内〔 Na+ 〕升高引起钙超载的机理

ATP ↓

Na+

K+

〔 Na+ 〕↑

Na+

Ca 2+

Ca2 + ↑

50

细胞内〔 H+ 〕升高引起钙超载的机理

Na+

H+

〔 Na+ 〕↑

Na+

Ca 2+Ca2 + ↑

H+ ↑

H+ ↓

51

H+

Na+3Na+

Ca2+

PKC

Ca2+Ca2+

肌浆网肌 丝

α1

GP PLCPIP2

DG

IP3

蛋白激酶 C （ PKC ）活化

去甲肾上腺素

α1

52

儿茶酚胺↑

α1 受体

β 受体

L- 型钙通道开放， Ca2+ 内流

钙通道拮抗剂能阻断 Ca2+ 内流

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Ⅰ. 细胞膜损伤

① 细胞膜外板与糖被膜（ glycocalyx ）分离

正常时，由 Ca2+ 紧密连接在一起

无钙液灌流后，二者分离，通透性增加

② 磷脂酶激活，膜磷脂降解

③ 氧自由基，引起膜脂质过氧化

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Ⅱ. 线粒体及肌浆网膜损伤

① 线粒体膜损伤

能量生成不足，钙泵功能降低

② 肌浆网膜损伤

钙泵功能抑制

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钙超载引起再灌注损伤的机制

线粒体功能障碍激活钙依赖性降解酶等多种酶促进活性氧生成破坏细胞骨架加重酸中毒 :高能磷酸盐水解，释出 H+

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⑴ 线粒体功能障碍

ATP↓

MPTP开放

（ 2) 促进氧自由基生成

Ca2+ 依赖性蛋白酶活性↑

加速黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶

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线粒体 肌浆网

损伤刺激

肌浆 Ca2+↑

ATP酶

ATP↓

磷脂酶

磷脂分解

蛋白酶

膜和骨架蛋白破坏

核酶

染色体 损伤

激活多种酶

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三、白细胞的作用１ 再灌注时白细胞增加的机制

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白细胞聚集的机制 ⑴ 趋化因子生成增多

如白三烯、血小板活化因子、补体 C3a 、 C

sa 、激肽、 IL-8 等

⑵ 细胞粘附分子生成增多 （ cell adhesion moleculels, CAM ）

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细胞粘附分子种类 ① 白细胞整合素家族 白细胞功能相关抗原（ LFA-1 ， CD18CD11

a ）

巨噬细胞分化抗原 -1 （ Mac-1, CD18/CD11

b ）

糖蛋白 150/95 （ GP150/95, CD18/CD11c ）

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②选择素家族

L-选择素（ leucocyte-selectin ）

E-选择素（ endothelium-selectin ）

P-选择素 （ platelet- selectin ）

③免疫球蛋白超家族 细胞间粘附分子（ ICAM-1 ， ICAM-2 ） 血管细胞粘附分子 -1 （ VCAM-1 ） 血小板 - 内皮细胞粘附分子（ PECAM-1 ）

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释放活性氧

2.白细胞聚集在缺血 - 再灌注损伤中的作用

阻塞微循环微血管内血液流变学改变微血管口径改变微血管通透性增加再灌注

损伤

释放各种颗粒成分

产生各种促炎性细胞因子

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Ⅰ. 血液流变学变化

① 中性粒细胞 “滚动”、粘附

② 血小板粘附、聚集

③ 红细胞变形能力降低、缗钱状叠连

④ 血浆粘滞性增高

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Ⅱ. 微血管口径的变化

① 血管内皮细胞肿胀

ATP 不足，钠泵功能降低

②微血管收缩

血管内皮细胞、中性粒细胞释放内皮素

血管紧张素Ⅱ、血栓素 A2 等

③微血管受压

缺血细胞肿胀，压迫微血管

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Ⅲ . 微血管壁通透性增高

① 自由基损伤

② 中性粒细胞粘附

细胞间质水肿

中性粒细胞进入细胞间隙

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局部组织在缺血一段时间后，重新恢复血流，不能再通，缺血区得不到充分的灌注，称此为无复流现象（ no-reflow phenomenon）。

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Ⅰ. 产生和释放自由基 中性粒细胞激活、内皮细胞损伤Ⅱ.释放溶酶 弹性硬蛋白酶、胶原酶和明胶酶作用最大， 几乎能降解基质中所有成分。Ⅲ. 产生和释放细胞因子 实验研究发现，大鼠的下肢缺血 - 再灌注时， IL-1 、 TNF 和 IL- 6 都显著增加。

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四、高能磷酸化合物生成障碍

• 1. 线粒体受损

• 2.ATP合成的前身物质减少

线粒体的结构

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IRI的主要发病机制

再灌注

中性粒细胞

无复流 致炎因子↑氧自由基↑ 钙超载

细胞损伤

缺血

O2 Ca2+

细胞坏死缺血损伤恢复

70

第四节 机体主要器官的缺血 -再灌注损伤

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1.心脏缺血 - 再灌注损伤㈠心功能的变化

⑴ 再灌注性心律失常

Ⅰ. 影响因素Ⅱ. 发生机理

⑵心肌顿抑

Ⅰ. 什么是心肌抑顿

Ⅱ. 发生机理

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Ⅰ.影响因素

① 再灌前心肌缺血的时间

② 缺血心肌的数量和缺血程度

③必须有功能上可以恢复的心肌细胞

④再灌注条件（速度、压力、温度等）

⑤电解质紊乱

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Ⅱ. 发生机理

①钙反常

Ca2+ 内流，出现持续性内向电流，形成延

迟后除极，传导减慢，心律失常。

②心肌动作电位时程的不均一性

缺血区、缺血边缘区动作电位恢复不一致

③再灌注时，细胞内外离子分布紊乱。

④儿茶酚胺增多，心肌自律性升高

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夹闭狗的冠状动脉 15min ，并未引起心肌坏

死，但再灌注血流恢复正常后，心肌收缩功能

抑制可持续 12 h 。 Braunwald 和 Kloner 首先用

心肌顿抑（ myocardial stunning ）一词来描述

这一现象。 心肌顿抑

75心肌顿抑的发生机理

肌原纤维过度收缩

收缩蛋白损伤

线粒体损 伤

心肌顿抑

缺血∕再灌注

膜脂质过氧化磷 酸 钙 沉 积

自由基钙超载 钙超载

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㈡心肌代谢变化 ⑴ 缺血期

ATP↓CP↓ 合成减少

ADP↑AMP↑ ATP 降解增加 ⑵ 再灌注期

ATP↓ ↓ CP↓ ↓ 线粒体损伤

ADP↓AMP↓

ATP 、 CP 不足

再灌注冲洗作用

77

㈢心肌超微结构的变化

⑴ 细胞膜破坏

⑵ 线粒体肿胀、嵴断裂、溶解、空泡形成、

基质内致密颗粒增多

⑶ 肌原纤维断裂、节段性溶解、出现收缩带

⑷心肌出血、坏死

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1968 年由 Ames 率先报道脑缺血 -再灌注损伤。

二、脑缺血 - 再灌注损伤

临床表现：感觉、运动或意识严重障碍

79

脑 IRI 机制 ？

兴奋毒性 机制（ 1 ）渗透性损伤： AMPA-R ，钠水内流（ 2 ）钙依赖性损伤： NMDA-R ， Ca2+ 内流

（ 1）兴奋毒性氨基酸的毒性作用：谷氨酸（ 2）脑细胞易受活性氧损伤①NC 细胞膜富含不饱和脂肪酸②仅含中等 SOD和 GSHpx，无 CAT③富含铁离子

80

脑 IRI 损伤的变化

脑组织学变化脑水肿

脑细胞坏死

81

第五节 IRI 的防治原则

消除缺血原因，尽早恢复血流

采用低压、低温、低 pH 、低流、低钙、低钠及高钾再灌注

清除活性氧

减轻钙超载

中性粒细胞抑制剂的应用

启动内源性保护机制㈥

82

缺血预适应（ IPC ） 多次短暂地缺血可提高缺血组织对缺血的耐受性，对随后的长时间缺血（或再灌注）损伤具有保护作用的现象。

83

药理性预适应是缺血预适应研究的最重要意义之一。

它是根据缺血预适应机制，通过药物激发或模拟机体内源性物质（腺苷、缓激肽、CGRP 、 PGI2 、 NO 等）而呈现的心脏保护作用。

84

缺血后适应 全面恢复再灌注前短暂多次预再灌、停灌处理，可减轻缺血 - 再灌注损伤。

85

小结

IRI概念

IRI损伤的发生机制

重要器官的 IRI损伤的变化

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复习思考题名词解释：缺血 - 再灌注损伤、钙超载、 no-reflow phen

omenon

1.缺血再灌注时氧自由基生成增多的机制是什么？

2.简述自由基的损伤作用。 3.论述缺血 - 再灌注损伤细胞内 Ca2+ 超载的机

制？4.灌注损伤时氧自由基的增多与钙超载的关系

如何？

87

e-

O2 O . 2

e-

H 2 O 22H+

e-

OH. H+

e-

H 2 O H+

超氧阴离子 过氧化氢 羟自由基

单线态氧 ------ 氧分子两个外层电子自旋方向相同， 1O2 分布在两个外层轨道上。如果其中 一个电子自旋方向改变（反向）， 则在紫外光谱上呈一条单线。 Back

88 半衰期长，不属于氧自由基。

单线态氧（书写为 1O2 ) （ singlet oxygen ）两个外层轨道，一个电子发生反向自旋改变

外层轨道两电子自旋方向相反 在紫外光谱中呈现一条直线

Sigma 单线态氧 (1∑gO2)

两个不配对电子，占据两个相邻轨道。 半衰期短， 属于氧自由基。

delta 单线态氧 (1 △ gO2)

两个电子在同一轨道上，不含不配对电子。

89

㈠酶性清除剂

⑴存在于细胞脂质部分的自由基清除剂

⑵存在于细胞内外水相中的自由基清除剂

⑴ 超氧化物歧化酶⑵ 过氧化氢酶

⑶谷胱甘肽过氧化物酶

㈡低分子清除剂

㈢其它

90

超氧化物歧化酶（ superoxide dismulase, SOD ）

CuZnSOD 在细胞浆内

MnSOD 在线粒体内

催化两个分子 O ·2 发生岐化反应

O ·2 + O ·

2 + 2H+ SOD H2O2+ O2

超氧化物歧化酶

91

过氧化氢酶

过氧化氢酶（ catalase,CAT ，触酶）

主要存在于细胞的过氧化氢体内

可清除过氧化氢

2H2O2 CAT 2H2O + O2

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谷胱甘肽过氧化物酶（ glutathione peroxidase, GSH-p

x ） 主要存在于胞浆和线粒体内 能清除过氧化氢、过氧化脂质

H2O2 + 2GSH GSH-px GSSG+ 2H2O

ROOH+2GSH GSH-px GSSG + ROH+H2O

2R + 2GSH GSH-px GSSG + RH谷胱甘肽过氧化物酶

93

⑴存在于细胞脂质部分的自由基清除剂 Ⅰ. 维生素 E

还原 O · 2 、 1O2 、脂质自由基 Ⅱ. 维生素 A

清除 O · 2 、抑制脂质过氧化⑵存在于细胞内外水相中的自由基清除剂 Ⅰ. 维生素 C

同维 E ，并协助维持 VE 活性

Ⅱ. 还原型谷胱甘肽（ GSH ）低分子清除剂