缺血-再灌注损伤

这是一个关于缺血-再灌注损伤的思维导图，主要内容有：概述、发生机制、机体的功能及代谢变化、防治的病理、生理基础。

缺血-再灌注损伤

• 概述
  • 基本概念
    • 缺血-再灌注损伤（IRI）: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的现象
  • 常见原因和常见条件
    • 常见原因
      • ①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、器官移植等）
      • ②某些医疗技术的应用（如溶栓疗法、冠脉搭桥术以及经皮冠状动脉介入治疗等）
      • ③体外循环条件下的心脏手术、肺血栓切除手术、心肺复苏、脑复苏等
    • 常见条件
      • （1）缺血时间【首要因素】：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。但缺血时间过长，缺血器官因发生不可逆损伤，甚至坏死，而观察不到再灌注损伤。不同器官、不同动物发生再灌注损伤所需的缺血时间也不同。
      • （2）侧支循环：缺血后侧支循环容易形成→缩短缺血时间和减轻缺血程度，不易发生再灌注损伤
      • （3）需氧程度：心、脑等需氧量高的器官容易发生缺血-再灌注损伤。
      • （4）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。
• 发生机制
  • 自由基增多
    • 概述
      • 自由基定义：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。
      • 特点：体内存在时间短、化学性质极为活泼，易失去电子/夺获电子，易与其他物质反应形成新自由基（连锁反应）
      • 种类
        • 氧自由基(OFR):由氧分子形成的自由基，如超氧阴离子（O2·-）、羟自由基（OH·）和一氧化氮自由基（NO·）等
        • 脂性自由基：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；如烷自由基(L·）、烷氧自由基（LO·）、烷过氧自由基（LOO·）
        • 其他:氯自由基（Cl·)、甲基自由基（CH3·）
      • 活性氧（ROS）：指由氧生成的、具有比较强的氧化和还原性质的含氧代谢物；包括氧自由基、非自由基的含氧衍生物。如过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）、臭氧等
      • 自由基的生成
        • （1）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，同时释放ATP。仅1%~2%的氧获单电子还原成超氧阴离子，获得2个电子生成H2O2，获得3个电子生成OH·
        • （2）病理情况下，如血色病是铁代谢障碍而造成铁离子负荷过多，H2O2可在Fe3+/Cu2+的催化下更快的生成OH·
        • （3）其他反应中生成：体内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
      • 自由基的清除
        • 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
        • ②抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）可歧化超氧阴离子生成H2O2;过氧化氢酶可以清除H2O2 ；谷胱甘肽过氧化物酶可清除OH·
    • 自由基增多的机制
      • 1.线粒体损伤
        • （1）缺氧时：ATP↓→嘌呤核苷酸循环、苹果酸/天冬氨酸翻转→延胡索酸过量→琥珀酸积聚
        • （2）再灌注时：入胞的氧经单电子还原而形成的氧自由基
      • 2.中心粒细胞聚集及激活
        • （1）缺血时：产生的自由基作用于细胞膜产生LT等物质→趋化中心粒细胞聚集并激活
        • （2）再灌注时：获得大量氧→中心粒细胞吞噬活动增强的同时耗氧量显著增加，其摄入大部分氧在NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下产生大量氧自由基并造成细胞损伤
        • （3）当氧自由基生成过多、清除过少→即可损害细胞
      • 3.黄嘌呤氧化酶（XO）增多
        • （1）正常时：黄嘌呤氧化酶（XO）及其前身黄嘌呤脱氢酶（XD）主要存在于毛细血管内皮细胞内 XO占10% XD占90%
        • （2）缺血时：①Ca2+入胞激活Ca2+依赖性蛋白水解酶使得XD大量转变为XO；②氧分压↓→次黄嘌呤大量堆积
        • (3)再灌注时：大量氧进入缺血组织→XO在催化次黄嘌呤转变为黄嘌呤并进而转变为尿素的两步反应中，释放出大量电子、生成大量自由基。
      • 4.儿茶酚胺自身氧化增加
        • （1）应激时释放大量儿茶酚胺
        • （2）儿茶酚胺在MAO的作用于自氧化而形成的氧自由基↑
    • 自由基增多引起机体损伤的机制
      • 1.膜脂质过氧化增强
        • （1）膜脂质过氧化：自由基与膜内多价不饱和脂肪酸作用，形成脂质自由基和过氧化物并造成损害（恶性循环）；使自由基损伤细胞的早期表现
        • （2）主要损害表现
          • ①破坏膜的正常结构： 膜不饱和脂肪酸↓→不饱和脂肪酸/蛋白质比例失调； 通透性↑→细胞外Ca2+内流↑； 溶酶体膜破坏→释放溶酶体酶细胞结构破坏；肌浆网膜破坏→细胞内钙超载； 线粒体膜破坏→ATP生成↓
          • ②间接抑制膜蛋白质功能：脂质之间交联/聚合→转运功能、信号传导功能障碍
      • 2.蛋白功能抑制
        • （1）直接抑制作用：①蛋白质的巯基氧化②形成二硫键并交联；②促进蛋白质降解
        • （2）间接抑制作用：见膜脂质过氧化主要损害表现的②
      • 3.核酸破坏与DNA断裂：80%由OH·引起
  • 细胞内钙超载
    • 概述
      • 1.钙超载：各种原因引起的胞质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
      • 2.正常情况下细胞内外钙浓度差的维持
        • （1)入细胞质：①电压门控钙通道；②受体门控钙通道；③肌浆网IP3依赖性钙通道
        • （2）出细胞质：①钙泵（细胞膜/细胞器膜）；②Na+ Ca2+交换体（细胞膜/细胞器膜）
      • 3.Na+ Ca2+交换体：不消耗ATP→仅依赖于跨膜电化学梯度
        • （1）正向转运（正常）：1个Ca2+出细胞质、3个Na+入细胞质
        • （2）反向转运（动作电位达到峰值时短暂发生；异常情况时也会发生）
    • 细胞内钙超载机制——再灌注期钙内流↑
      • 1.Na+ Ca2+交换异常（最主要）
        • （1）直接激活（细胞内高Na+）
          • ①缺血时：ATP↓→钠泵（-）→细胞内Na+浓度↑
          • ②再灌注时：细胞获得能量→钠泵（+)→细胞内高钠→Na+Ca2+反向交换（+）→大量钙内流
        • （2）间接激活（细胞内高H+)
          • ①缺血时：无氧代谢→组织间液/细胞内酸中毒
          • ②再灌注时：组织间液H+浓度↓但细胞内仍高→细胞膜H+ Na+交换→细胞外钠内流
          • ③再灌注后：细胞内高钠→Na+ Ca2+反向交换（+）→大量钙内流
      • 2.蛋白激酶C（PKC）激活 内源性儿茶酚胺↑
        • （1）内源性儿茶酚胺↑→α1受体→激活G蛋白-磷脂酶C介导的信号转导通路→IP3促进内质网内Ca2+释放、DG经激活PKC促进H+ Na+交换和Na+ Ca2+交换→促进胞外Ca2+内流
        • （2）内源性儿茶酚胺↑→β受体→PKA途径→激活L型钙通道→促进胞外Ca2+内流
      • 3.生物膜损伤
        • （1）细胞膜损伤（通透性↑）：①缺血；②自由基→脂质过氧化；③细胞内钙含量↑→激活磷脂酶→加速膜磷脂降解
        • （2）线粒体膜和肌浆网膜损伤→缓冲作用丧失
        • （3)高钙引起微管微丝收缩过度→心肌细胞闰盘损伤→大量钙内流
      • 4.线粒体ATP生成障碍（关键因素）
    • 钙超载引起缺血-再灌注损伤的机制
      • 1.钙离子依赖性蛋白酶激活（“一多三降解”）
        • （1）促进XO生成→自由基↑（互为因果）
        • （2）细胞膜/结构蛋白降解
        • （3）核酶→染色体损伤
      • 2.细胞膜损伤
        • ①细胞内钙浓度↑→激活磷脂酶→膜磷脂降解→细胞膜结构受损
        • ②膜脂质过氧化→膜磷脂降解产物→加重细胞紊乱
        • ③细胞膜通透性↑→促进钙内流→加重钙超载
      • 3.线粒体功能障碍
        • ①线粒体过多摄入Ca2+→ATP消耗↑
        • ②进入线粒体的Ca2+与含磷酸根的化合物形成不溶性磷酸钙→干扰氧化磷酸化、损伤线粒体膜
      • 4.加重细胞内酸中毒：激活ATP酶→高能磷酸盐水解、释放大量H+
      • 5.其他
        • ①心肌纤维过度收缩→形成收缩带；
        • ②Na+ Ca2+交换形成一过性内向电子流→后除极化→再灌注性心律失常
  • 炎症反应过度激活
    • 缺血再灌注引起白细胞增多的机制
      • 1.趋化因子生成↑：①细胞膜磷脂降解↑→产生LT/PAE/补体；②白细胞本身释放炎性介质和趋化因子
      • 2.黏附分子生成↑
    • 白细胞介导缺血-再灌注损伤的机制（中心粒细胞在缺血-再灌注损伤中的作用）
      • 1.微循环障碍/微血管损伤
        • （1）微循环血管口径改变（狭窄）：缩血管物质释放↑、舒血管物质释放↓、细胞肿胀、微血栓形成
        • （2）微循环血管通透性↑：自由基和炎症介质的作用：结果可引起间质水肿→压迫微血管
        • （3）微循环血流改变：①血液浓缩；②白细胞在微循环嵌顿、堵塞；③血小板聚集、粘附、形成微血栓
      • 2.细胞损伤：激活的白细胞和血管内皮细胞释放大量致炎因子
• 机体的功能及代谢变化
  • 心肌缺血-再灌注损伤的变化
    • 心功能变化
      • 1.心肌舒缩功能↓
        • （1）表现：心输出量CO↓、心室舒张末期压力（VEDP）/心室收缩峰压（VPSP）↓、心室最大变化速率↓
        • （2）再灌注性心肌顿抑：心肌并未因缺血而发生不可逆损伤；但在再灌注血流已经恢复/基本恢复正常后一定时间内心肌出现的可逆性舒缩功能降低的现象；经过一段时间抗损伤/修复后可完全恢复正常（最基本的特征：收缩功能延迟恢复）
        • （3）机制
          • ①自由基破坏膜蛋白，引起细胞内外离子分布异常、心肌舒缩功能↓
          • ②自由基和钙超载损伤线粒体→心肌能量代谢障碍
          • ③自由基和钙超载损伤收缩蛋白→抑制心肌收缩功能
          • ④自由基破坏肌浆网膜、抑制钙泵活性→钙超载、心肌舒缩功能↓
      • 2.再灌注性心律失常
        • （1）定义：是指在心肌再灌注过程中出现的心律失常，是造成猝死的重要原因
        • （2）特点：①再灌注区功能上可恢复的心肌细胞越多越容易发生；②缺血心肌细胞越多、程度越重、再灌注速度越快越易发生；③以室性心律失常，特别是室性心动过速和室颤最常见
        • （3）机制
          • ①再灌注心肌之间APD的不均一性（最主要机制）→增强心肌折返
          • ②钙超载→一过性内向电流→延迟后除极
          • ③自由基↑→线粒体损伤、ATP生成↓→细胞离子通道发生改变
          • ④儿茶酚胺↑→α受体（+）→自律性↑
    • 心肌能量代谢的变化
      • ①缺血时：ATP等高能磷酸化合物含量↓，AMP、腺苷等代谢产物↑
      • ②再灌注时:线粒体损伤&底物不足→ATP、CP不升反降
  • 脑缺血-再灌注损伤的变化
    • 1.细胞代谢变化：①乳酸明显↑；②缺血期cAMP↑、cGAP↓,再灌注后cAMP进一步↑、cGMP进一步↓→提示缺血再灌注时脂质过氧化反应↑；③兴奋氨基酸↓/抑制性氨基酸↑
    • 2.组织学变化：脑水肿、脑细胞坏死
    • 3.机制：自由基作用、钙超载、兴奋性氨基酸（如GLu）的毒性作用
• 防治的病理生理基础
  • 1.消除缺血原因、尽早恢复血流（预防的关键措施）
  • 2.控制再灌注条件：低压、低流、低温、低PH、低钠及低钙液灌注
  • 3.改善缺血组织能量代谢、减轻再灌注损伤
  • 4.清除与减少自由基
    • 自由基清除剂
      • 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
      • ②抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）可歧化超氧阴离子生成H2O2;过氧化氢酶可以清除H2O2 ；谷胱甘肽过氧化物酶可清除OH·
    • 减少自由基生成：转铁蛋白、铜蓝蛋白等可结合游离Fe2+、Cu2+而减少自由基生成
  • 5.减轻钙超载：如钙通道阻滞剂（异博定、硝苯地平）、线粒体Ca2+转运体以及Na+H+交换体可减轻Ca2+超载
  • 6.应用细胞保护剂与抑制剂：增强组织及细胞对内环境紊乱的耐受力、抑制缺血再灌的继发损伤环节而起细胞保护作用
  • 7.激活内源性保护机制
    • （1）缺血预适应：是长期缺血前、实施多次短暂缺血与再灌的循环可减轻损伤
    • （2）缺血后适应：与缺血预适应相反，是在时间缺血后、实施多次短暂缺血与再灌的循环可减轻损伤。
    • （3）远程缺血预适应：是指对心脏和脑以外的非重要器官进行重复缺血或缺氧，从而改善血管功能状态提高远隔重要器官对严重缺血或缺氧的耐受能力
• 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
• OH·是目前发现最活跃的氧自由基
• 呼吸爆发/氧爆发：再灌注时，组织重新获得O2供应，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，在NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下产生大量氧自由基并造成细胞损伤