临床执医-病理生理学-007缺血-再灌注损伤

病理生理学：缺血时产生的自由基作用于细胞膜，生成白三烯(LT)等具有很强的趋化性，可吸引大量中性粒细胞聚集并激活。再灌注期间组织重新获得氧，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量氧自由基，即呼吸爆发或氧爆发，而进一步造成组织细胞的损伤。

七、缺血-再灌注损伤

• 《病理生理学》- 1.原因及条件
  • 概述
    • 机体的组织细胞必须持续不断地获得氧、生成ATP以维持正常的功能代谢，充足的血液灌注对于维持氧及营养物质的供应至关重要。由于各种原因造成组织血液灌注减少而使细胞发生损伤，称为缺血性损伤。缺血时间越长，细胞就可能出现不可逆损伤而导致器官、系统功能障碍。因此，尽快恢复器官血流灌注是缺血性损伤最重要的治疗策略。但是，大量实验研究及临床证据表明，恢复某些缺血组织器官的血液灌注及氧供反而会加重组织损伤，此现象称为缺血-再灌注损伤。
    • 一、常见原因
      • 组织器官缺血后恢复血液供应，如休克时微循环的疏通，断肢再植和器官移植等；某些医疗技术的应用，如溶栓疗法、冠脉搭桥术等；体外循环条件下的心脏手术、肺血栓切除手术。
    • 二、常见条件
      • (一)缺血时间
        • 再灌注损伤与缺血时间有相关性。缺血时间短，恢复血供后可无明显的再灌注损伤。缺血时间长，恢复血供则易导致再灌注损伤。若缺血时间过长，缺血器官因发生不可逆性损伤，甚至坏死，而观察不到再灌注损伤。另外，不同器官发生再灌注损伤所需的缺血时间不同，如冠状动脉一般为15~45分钟，肝脏一般为45分钟，肾脏一般为60分钟，小肠大约为60分钟，骨骼肌甚至为4小时。不同动物再灌注损伤所需的缺血时间也不同，如小动物相对较短，大动物相对较长。
      • (二)侧支循环
        • 缺血后侧支循环容易形成者，因缩短缺血时间和减轻缺血程度，不易发生再灌注损伤。
      • (三)需氧程度
        • 心脑等需氧量高的器官易发生缺血-再灌损伤。
      • (四)再灌注的条件
        • 再灌注液体压力大小、温度、pH值以及电解质的浓度都与再灌注损伤密切相关。降低再灌注液的速度、压力、温度、pH值及Ca2+、Na+含量，能减轻再灌注损伤；或适当增加灌注液K+、Mg2+含量，有利于减轻再灌注损伤。
• 《病理生理学》- 2.发生机制
  • 概述
    • 缺血-再灌注损伤的发生机制尚未彻底阐明，目前认为自由基生成增多、细胞内钙超载和炎症反应过度激活是缺血-再灌注损伤的重要发病机制。
  • 一、自由基增多
    • (一)自由基概念及分类
      • 自由基是指在外层电子轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团或分子。在形成分子时，化学键中电子必须成对出现，而在反应中自由基必须夺取其他物质的一个电子，使自己形成稳定的结构，因此自由基化学性质非常活泼。生物体系中自由基主要有：
      • 1.氧自由基
        • 由于特殊的电子排列结构，氧分子(O2)极易形成自由基，这些由氧分子形成的自由基统称为氧自由基(OFR)，如超氧阴离子、羟自由基和一氧化氮自由基等。羟自由基是目前发现最活跃的氧自由基。体内还有其他的化学性质活泼的含氧化合物，如过氧化氢(H2O2)、单线态氧、臭氧等，这些化合物与含氧自由基统称为活性氧(ROS)。
      • 2.其他自由基
        • 由氧自由基与多价不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物为脂性自由基，如烷自由基、烷氧自由基、烷过氧自由基等。
    • (二)自由基的生成与清除
      • 1.生成
        • (1)氧化磷酸化过程中单电子还原
          • 生理状况下，O2通过线粒体细胞色素氧化酶系统，接受4个电子还原成水，经过氧化磷酸化同时生成能量ATP。其中，只有1%~2%的氧在获得1个电子时还原生成超氧阴离子，获得2个电子生成H2O2，获得3个电子生成羟自由基。
        • (2)其他反应中生成
          • 体内的许多酶促反应和非酶促反应可通过单电子转移而产生自由基。
            • ①酶促反应：醛氧化酶、黄嘌呤氧化酶、线粒体呼吸链有关酶等可通过酶促反应产生自由基；
            • ②非酶促反应：电离辐射、氧合血红蛋白氧化分解、中性粒细胞及巨噬细胞吞噬细菌的过程、光敏反应、某些抗癌药物等在体内可产生自由基。
      • 2.清除
        • 由于自由基化学性质活泼，在体内可引起脂类过氧化、破坏蛋白质、核酸结构与功能，引起机体损伤。为防御自由基对机体的损害，体内存在两类重要的化学物质，及时清除自由基而维护机体正常生理功能。
        • (1)抗氧化物质
          • 辅酶Q、维生素E、β-胡萝卜素、维生素C、谷胱甘肽等，这些物质能提供电子使自由基还原而清除自由基。
        • (2)抗氧化酶
          • 超氧化物歧化酶(SOD)可歧化超氧阴离子生成H2O2，过氧化氢酶可清除H2O2，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)可清除羟自由基。
    • (三)缺血-再灌注导致自由基增多的机制
      • 1.线粒体损伤
        • 线粒体是细胞氧化磷酸化反应的主要场所，当缺血缺氧时细胞内氧分压降低、线粒体氧化磷酸化功能障碍，ATP生成减少，Ca2+进入线粒体增多，细胞色素氧化酶系统功能失调，电子传递链受损，SOD、过氧化氢酶、GSH-Px等抗氧化酶类活性下降，以致再灌阶段进入细胞内的氧经单电子还原而形成的活性氧增多，特别是线粒体内H2O2及羟自由基生成增多。
      • 2.中性粒细胞聚集及激活
        • 中性粒细胞在吞噬活动时耗氧量显著增加，所摄取的氧绝大部分经细胞内NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化，接受电子形成氧自由基，用以杀灭病原微生物。
        • 缺血时产生的自由基作用于细胞膜，生成白三烯(LT)等具有很强的趋化性，可吸引大量中性粒细胞聚集并激活。再灌注期间组织重新获得氧，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量氧自由基，即呼吸爆发或氧爆发，而进一步造成组织细胞的损伤。
      • 3.黄嘌呤氧化酶形成
        • 增多黄嘌呤氧化酶(XO)的前身是黄嘌呤脱氢酶(XD)， 这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内。正常时只有10%以XO的形式存在，90%为XD。缺血时，使XD大量转变为XO。再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织，黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤转变为黄嘌呤并进而催化黄嘌呤转变为尿酸的两步反应中，都以分子氧为电子接受体，从而产生大量的尿酸和H2O2。因此，再灌注时组织内羟自由基、H2O2等活性氧大量增加。
      • 4.儿茶酚胺自身氧化
        • 增加缺血-再灌注也是一种应激反应，交感-肾上腺髓质系统兴奋产生大量儿茶酚胺。一方面具有代偿调节作用；另一方面，通过自氧化可产生大量的氧自由基。
    • (四)自由基增多引起机体损伤的机制
      • 自由基性质极为活泼，可与其他物质反应，甚至相互反应形成二聚体或多聚体。自由基可破坏多糖，氧化蛋白质，使不饱和脂肪酸过氧化，造成细胞结构功能障碍，甚至水解。
      • 1.膜脂质过氧化
        • 细胞膜脂质双分子层对于维持膜结构完整及功能正常至关重要。自由基与不饱和脂肪酸作用引发脂质过氧化反应，使膜结构受损、功能障碍，引起以下损伤:
        • (1)细胞及细胞器膜结构破坏
          • 脂质过氧化使膜不饱和脂肪酸减少，以致不饱和脂肪酸/蛋白质的比例失调；细胞膜及线粒体、溶酶体等细胞器膜的液态性、流动性降低及通透性升高，可使细胞外Na+与Ca2+内流增加，引起细胞水肿及钙超载。
        • (2)生物活性物质生成增多
          • 膜脂质过氧化可激活磷脂酶C和磷脂酶D，进一步分解膜磷脂，催化花生四烯酸代谢反应，生成多种生物活性物质促进再灌注损伤。
        • (3)ATP生成减少
          • 线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能抑制，ATP生成减少，细胞能量代谢障碍加重。
      • 2.蛋白质功能抑制
        • 自由基与活性氧可与细胞结构蛋白和酶的巯基氧化形成二硫键，使氨基酸残基氧化，胞质及膜蛋白和某些酶交联形成二聚体或更大的聚合物，直接损伤蛋白质的功能。同时膜磷脂微环境的改变共同导致跨膜离子梯度异常，Na+、Ca2+内流，细胞肿胀与Ca2+超载。脂质过氧化可抑制膜受体、G蛋白与效应器的耦联，引起细胞信号转导功能障碍。
      • 3.核酸破坏与DNA断裂
        • 自由基可使核酸碱基羟化及DNA断裂，这种作用80%为羟自由基所致。
        • 总之，缺血-再灌注会使自由基生成增多，特别是氧自由基与活性氧，从而加重细胞损伤。由于氧化物质增多而抗氧化防御机制降低之间的不平衡导致的损伤，又被称为“氧化应激”。
  • 二、钙超载
    • 生理情况下，细胞内游离Ca2+浓度约为0.1μmol/L，细胞外游离Ca2+浓度约为1.0mmol/L，细胞膜内外Ca2+浓度相差1万倍，细胞内Ca2+约44%存在于线粒体和内质网。正常情况下，细胞通过一系列转运机制维持细胞内外Ca2+巨大的浓度梯度，保持细胞内低钙的状态，称为钙稳态。当各种原因引起细胞Ca2+转运机制异常、细胞内Ca2+含量增多，导致细胞结构损伤和功能代谢障碍，称为钙超载。
    • (一)缺血-再灌注导致钙超载的机制
      • 细胞内钙超载主要发生在再灌注期，主要原因是钙内流增加，而不是钙外流减少。再灌注时钙超载的发生机制目前尚未完全清楚。
    • (二)钙超载引起机体损伤的机制
      • 1.能量代谢障碍
        • 聚集于胞质内Ca2+被线粒体摄取时可消耗大量ATP，同时进入线粒体的Ca2+与含磷酸根的化合物结合，形成不溶性磷酸钙，既干扰线粒体的氧化磷酸化，使ATP生成减少，又损伤线粒体膜而加重细胞能量代谢障碍。
      • 2.细胞膜及结构蛋白分解
        • 细胞内Ca2+增加可激活磷脂酶类，促使膜磷脂降解，造成细胞膜结构受损。还可激活钙依赖性蛋白酶活性，促进细胞膜和结构蛋白的分解；激活核酸内切酶，引起染色体的损伤。
        • 缺血-再灌注可使线粒体渗透性转导孔开放，既可使线粒体呼吸功能抑制，又可导致细胞色素C(CytC)释放及凋亡蛋白酶激活，启动细胞凋亡途径。缺血-再灌注可使溶酶体膜破裂，溶酶体内蛋白水解酶逸出引起细胞自溶。
      • 3.加重酸中毒
        • 细胞能量代谢障碍，有氧氧化生成ATP减少，无氧酵解增强，乳酸增多，细胞酸中毒；细胞内Ca2+浓度升高可激活某些ATP酶，导致细胞高能磷酸盐水解，释放出大量H+，加重细胞内酸中毒。
        • 综上所述，钙超载既是缺血-再灌注的结果，又是缺血-再灌注细胞损伤的原因。细胞内Ca+聚积不仅激活磷脂酶，使膜磷脂降解，又进一步增加细胞膜对Ca2+的通透性，促进钙超载。
  • 三、炎症反应过度激活
    • 一般认为，缺血-再灌注引起的细胞无菌性坏死引发的炎症反应与微生物感染后血管反应类似。缺血-再灌注可使体内免疫反应被激活，特别是无菌性炎症反应，主要涉及通过固有及适应性免疫系统的免疫细胞聚集与活化，补体系统激活。其中，白细胞聚集、激活介导的微血管损伤在脏器缺血-再灌注损伤的发生中起重要作用。
    • (一)缺血-再灌注引起炎症反应过度激活的机制
      • 缺血-再灌注时，白细胞(主要是中性粒细胞)明显增加。以犬心肌缺血为例，再灌注仅5分钟，心内膜中性粒细胞即增加25%，而缺血较轻的组织白细胞集聚较少。
    • (二)炎症反应引起机体损伤的机制
      • 1.微血管损伤
        • (1)微血管血液流变学改变
          • 正常情况下，血细胞位于血管中心流动，与血管内皮细胞基本不接触，以保证血液的高速流动。缺血-再灌损伤可引起大量中性粒细胞聚集、黏附在血管内皮细胞上，而且不易分离，极易嵌顿、堵塞微循环血管；加之内皮细胞肿胀、血小板黏附、微血栓形成和组织水肿等，更易形成无复流现象，加重组织缺血缺氧。无复流现象是指恢复血液灌注后，缺血区依然得不到充分的血液灌注的现象。
        • (2)微血管通透性增高
          • 缺血可损伤内皮细胞，使间隙增大，同时激肽等炎症因子可使微血管通透性增高，引发组织液外渗，又可导致血液浓缩，加重无复流现象。中性粒细胞自血管内游出并释放细胞因子又使微血管通透性进一步增高。
      • 2.细胞损伤
        • 激活的中性粒细胞与血管内皮细胞可释放大量的活性物质，如自由基、蛋白酶、溶酶体酶等，不但改变了自身的结构和功能，而且造成周围组织细胞损伤。如血管内皮细胞和中性粒细胞表面的黏附分子暴露，两者的亲和力增强，可促使中性粒细胞黏附于血管壁，穿过血管壁趋化游走，使白细胞浸润等炎症反应进一步过度激活。
• 临床执医 病理生理学 007 缺血-再灌注损伤