缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusioninjury).ppt

1、Ischemia-Reperfusion Injury（缺血-再灌注损伤 ),Introduction, Sufficient blood flow: O2, essential substances ; metabolic byproducts Ischemia injury: Reperfusion: double-edge sword,1年，Sewell结扎狗冠状动脉后，如突然解除结扎，恢复血流，动物室颤而死亡。,History,At 1960，Jennings brought forward the concept of myocardial ischemia and reperfus

2、ion injury (心肌再灌注损伤) for the first time,在心肌缺血恢复血流后，缺血心肌的损伤反而加重,6年，Bulkley 和Hutchins发现冠脉搭桥血管再通后的病人发生心肌细胞反常性坏死年，Greenberg等证实猫小肠缺血3h后再灌注1h，粘膜损伤比缺血4h更严重,In clinic,休克、DIC微循环再通 冠脉解痉、各种动脉搭桥术 心脑血管栓塞再通（溶栓治疗、自然再通） 心肺手术体外循环后心肺复苏 断肢再植、器官移植血供恢复等,Ischemia-Reperfusion Injury (IRI)： 部分缺血组织在恢复血液再灌注后，缺血性损伤进一步加重的现象或病理

3、过程。,Characteristics of IRI： 1.reversible damage irreversible damage 2. universal 3. “oxygen paradox”（氧反常) “calcium paradox”（钙反常) “pH paradox” （ pH反常),oxygen paradox：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，这种现象称为氧反常。calcium paradox：预先用无钙溶液灌流大鼠离体心脏2分钟，再用含钙溶液进行灌流，心肌细胞酶释放增加，肌纤维过度收缩及心肌

4、电信号异常，称为钙反常。pH paradox：缺血引起的代谢性酸中毒是细胞功能及代谢紊乱的重要原因，但在再灌注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，称为pH反常。,Section one ETIOLOGY of IRI,一 Causes Reperfusion following ischemia二 Influencing factors 1 duration of ischemia 2 collateral circulation3 dependency on oxygen supply: heart, brain 4 condition on reperfusion,Th

5、e influence of ischemic duration on the occurrence of arrhythmia in rats,Section two PATHOGENESISofIRI,Initial change：dysfunction of energy metabolismPrimary mechanisms：free radical calcium overload,一、Increased generation of free radicals,O2,（一）Introduction,1. free radical（自由基） 外层轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团

6、和分子的总称。,3. Types（1） oxygen free radical (OFR, 氧自由基) 概念：以氧为中心的自由基。 种类：超氧阴离子（O-2）羟自由基（OH） 生成：,2. The characteristics of OFR: highly reactive， 1ms; EPR,氧自由基生成过程-氧单电子还原,O2 + e,O2 ,O2+ 2e + 2H+,H2O2,O2 + 3 e + 3H+,HO + H2O,O2 + 4 e + 4H+,2 H2O,Cytaa3,线粒体是 生成的主要场所之一 (2%-4%) ,O2 ,O-2形成：线粒体 形成的主要场所之一 正常:O2+

7、4e+4H+H2O+ATP 病理:O2+e +e +2H+H202+e+H+ OH +e+H+H20自然氧化 如CytC、Hb、Mb、CA等在自然 氧化过程中可生成O-2 HbFe2+ HbFe3+ O-2酶氧化 XO、NADPH氧化酶、醛氧化酶毒物作用 CCL4、白草枯（除草剂） O-2的生成是其他自由基或活性氧生成的基础,H20,O2 ,O2 ,OH的生成 O-2+ O-2+2H+ H2O2+O2单纯性Haber-Weiss反应： 反应很慢，很难产生 O-2+H2O2 OH + OH+O2Fenton型Haber-Weiss反应： O-2 H2O2 OH + OH- OH是活性氧中毒性最强

8、的一种,SOD,SOD,Fe2+ Fe3+,活性氧（reactive oxygen species, ROS）： 由氧形成、并在分子组成上含有氧的一类化学性质非常活泼的物质总称。（ OFR 、 1O2和H2O2） 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。 活性氮：由氮形成、并在分子组成上含有氮的一类化学性质非常活泼的物质总称。（， ）,（2） 脂性自由基概念：OFR与不饱和脂肪酸作用后生成的中间 产物。种类：烷自由基（L）烷氧基（LO）烷过氧基 （LOO）（3）其它：一氧化氮（NO）、 CL、CH3,Radical scavenge

9、r,. The clearance of OFR,胞浆：还原性辅酶,细胞内外水相：半胱氨酸、Vit C、谷胱甘肽,细胞脂质：Vit E、 Vit A,1). Low MW Radical scavenger,（2）enzyme,过氧化氢酶(CAT),过氧化物酶（H2O2）,超氧化物歧化酶,MnSOD,CuZnSOD,SOD: superoxide dismutase;CAT:catalase; peroxidase,生理情况下，自由基的生成与清除处于动态平衡如果活性氧生成过多或机体抗氧化能力不足，可导致氧化应激损伤(oxidative stress injury), 甚至细胞死亡。,（二）El

10、evated generation of OFR during ischemia-reperfusion,1. Xanthine Oxidase pathway（from VEC）,黄嘌呤氧化酶(XO) 10% 黄嘌呤脱氢酶(XD) 90%XO xanthine oxidaseXD xanthine dehydrogenase,Ca+2依赖性蛋白水解酶,pause,ATP,ADP,AMP,腺嘌呤核苷,次黄嘌 呤核苷,次黄嘌呤,黄嘌呤脱氢酶(XD),黄嘌呤氧化酶(XO),黄嘌呤,+,O2,+,H2O2,O2,XO,O2,+,H2O2,+,尿酸,OH,O2,Ca2+,Ca2+依赖性蛋白酶,Isch

11、emia,Reperfusion,PMN吞噬：,O2,氧自由基,杀灭病原微生物,组织缺血,趋化因子(C3a、白三烯等）,PMN,再灌注,氧自由基,正常,NADPH NADH 氧化酶,O2,细胞损伤,2、Neutrophil pathway,呼吸爆发或氧爆发,缺血缺氧,ATP,线粒体内Ca2+,线粒体功能受损,氧自由基,3、Mitochondria pathway,细胞色素氧化酶系统功能失调,再灌注,O2,+,SOD, CAT, peroxidase活性,4. catecholamine pathway,CA,甲基转移酶,单胺氧化酶,香草扁桃酸（正常代谢）,肾排出,应激时,肾上腺素红,O-2,（

12、三）FR induced damage,1.To produce lipid peroxidation (膜脂质过氧化) (1) membrane structure is damaged (2) membrane proteins are damaged (3) mitochondria membrane is damaged,2. To cause protein denaturalization and impaired enzyme activity,FR attacks protein肽链断裂，酶活性中心-SH氧化，交联 protein /enzyme：变性/功能丧失e.g. 肌纤维

13、蛋白: -SH氧化the reaction to calcium 心肌收缩力,-SHHS-,CH3-S-,磷脂,穿膜糖蛋白,膜表面蛋白,正常细胞膜结构示意图,OH,OOH,OH,HOO,OH,HOO,OH,HO,HOO,OH,HO,OH,CH3-S-,O,-S-S-,蛋白质断裂,蛋白质-蛋白质交联,二硫交联,脂质-蛋白质交联,氨基酸氧化,从氧化的脂肪酸释出的丙二醛,脂质-脂质交联,脂肪酸氧化,3. To lead to DNA breakage and chromosome aberration,80% of the damage is caused by OH,mtDNA is much e

14、asy to be damaged,4. To cause calcium overload,FR membrane permeability Ca2+ influx FR Sodium pumpintracellular Na+ Na+ / Ca2+ exchange Ca2+ influx FRmitochondria membrane ATP production calcium pump Ca2+ effuse or intake by endoplasm ,5.To cause the production of inflammatory mediator,1) ROSCa2+ ,P

15、LA2 is activated,The production arachidonic acid (AA),脂加氧酶,环加氧酶,PG, TXA2, LT,2) ROSactivate NF-B,The expression of leukocyte adhesion molecule and cytokine,chemotaxis, activation and adhesion of leukocyte,NOS NO and IRI,NOS: 三种同型异构体nNOS, eNOS, iNOSNO 的两面性,二、 Calcium overload（钙超载）,各种原因引起细胞内钙含量异常增多并导致

16、细胞结构损伤和功能代谢障碍的现象。,正常: 细胞外Ca2+ 10-3 10-2mol/L 细胞内Ca2+ 10-8 10-7mol/L 细胞内钙44%-mitochondria, 内质网（SR） 游离Ca2+仅0.005% 细胞外Ca2+ 是细胞内Ca2+ 100000倍 维持因素：生物膜的不自由通透钙以及转运系统调节,（一） Regulation of calcium balance,1.Ca2+进入胞液的途径,Ca2+进入胞液是顺浓度梯度的被动过程 细胞外Ca2+跨膜入胞细胞内Ca2+释放 细胞内Ca2+增加主要取决于内Ca2+释放 另外Ca2+还可通过Na+-Ca2+交换蛋白进入胞液,（

17、1）质膜Ca2+通道,电压依赖性Ca2+通道（voltage-dependent calcium channel，VDC）：其活动受膜电压变化的影响. L-型(Lasting-,持续型), T-型(Transitory,短暂型), N-型(Neuronal,神经型)受体操纵性钙通道(receptor-operated calcium channel，ROC)：配体与受体结合后钙通道开放； 1受体激动剂磷酸化钙通道，胞外Ca2+ 内流。,pause,（2）细胞内贮存钙释放的机制,细胞内游离Ca2+主要贮存于内质网(ER)肌浆网(SR)中 1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)操纵钙通道:受IP3受体系

18、统调控 ryanodine敏感钙通道: 受ryanodine受体系统调控,2 Ca2+离开胞液的途径,Ca2+离开胞液是逆浓度梯度、耗能的主动过程:Ca2+-Mg2+ATPase:Ca2+ -H+ exchange: Ca2+ mitochondriaNa+-Ca2+ exchange ,Na+-Ca2+交换系统,Na+-Ca2+交换蛋白是双向转运方式的跨膜蛋白，3 Na+1Ca2+产电电流。主要受跨膜Na+梯度调节而Na+梯度受Na+ K+ATPase及H+ Na +交换的调节,Summary :钙平衡的维持,Na + -Ca 2+交换蛋白,Ca2+ B Pr,Mt,SR,Ca 2+,Ca

19、2+,Ca2+泵,Ca2+,Ca2+,(二) the occurence of calcium overload,1. Disorder of Na+ -Ca2+ exchange 2. Membrane damage： 3. Elevated CA,（l）细胞内高Na+对 Na+Ca2+交换蛋白的 直接激活 （2）细胞内高H+对 Na+Ca2+交换蛋白的 间接激活,1. Disorder of Na+ -Ca2+ exchange,细胞内高Na+对 Na+Ca2+交换蛋白的直接激活,Ischemia,细胞内ATP,钠泵活性,细胞内Na+ ,reperfusion,激活钠泵、Na+ /Ca2+

20、交换蛋白,Na+向外转运， Ca2+运入细胞。,细胞重新获得氧、营养物质供应,+,细胞内高H+对 Na+Ca2+交换蛋白的间接激活,Ischemia,reperfusion,无氧代谢,H+生成,组织间液、细胞内pH,组织间液H+ ，而细胞内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,（2）线粒体及肌浆网膜损伤,2Membrane damage,（l）细胞膜损伤,通透性；离子分布异常。,细胞膜损伤,无钙液灌流,细胞膜外板和糖被膜分离,肌膜失去屏障,Ca2+通透性,正常浓度的含钙液灌流（再灌注）,细

21、胞外Ca2+顺浓度差内流,激活磷脂酶,膜磷脂降解,自由基生成,细胞膜脂质过氧化,膜结构破坏,+,+,线粒体及肌浆网膜损伤,缺血-再灌注,自由基损伤、膜磷脂分解,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,3. Elevated CA：,-R：钙通道胞外钙内流 1 -R ：肌浆网释放钙 H+-Na+交换,Gq,PLC,1,Ca2+,Ca2+,IP3,DG,PKC,H+,3Na+,Ca2+,Na+,肌丝,肌浆网,去甲肾上腺素,PIP2,（三）Damage caused by calcium overload,1.To damge m

22、itochondria :ATP production 2.激活钙依赖性降解酶: Ca2+ -CaM activate 多种钙依赖性降解酶(膜磷脂酶;蛋白酶;核酸内切酶) to degrade membrane , protein and DNA/RNA3. Arrhythmia: （室速、室颤） 3Na+Ca2+交换一过性内向离子流迟后除极,4.The production of OFR: XD XO; PLA2 AA H2O2 ， OH 5.使肌原纤维挛缩，断裂，细胞破坏: 缺血-再灌注获能、细胞内钙超载肌原纤维过度收缩。 缺血-再灌注缺血期堆积的H+迅速移出 H+对心肌收缩的抑制作用或消

23、除 。,三、 Role of neutrophil,Phenomena:Neutrophil appears at the ischemia-reperfusion tissue, the course of the time parallels with the course of injuryToxin released by neutrophil can be detected at the ischemia-reperfusion tissue. (oxidant, enzyme)Inhibition or depletion of neutrophil may alleviate i

24、nfarction volume cause by experimental coronary artery occlusion.Using blood without neutrophil to reperfuse ischemic tissue may prevent edema and alleviate reperfusion injury; Complement inhibitor may attenuate WBC emigration and tissue injury,Neutrophil is the mainly effecting cell of IRI,(一）Mecha

25、nism of WBC aggregation,1. Neutrophils aggregation 1) chemotactic factor : AA C3a, LT, PAF, Kinin Neutrophil LTB4 amount of WBC aggregate into ischemia tissue 2) cellular adhesion molecule :,Adhesion molecule,整合素: integrin; 选择素: selectin细胞间粘附分子: intercellular adhesion molecule血管细胞粘附分子: vessel-cell a

26、dhesion molecule血小板内皮细胞粘附分子:plate-endothelial cell adhesion molecule 在维持细胞结构完整和细胞信号传导中起重要作用,粘附分子（adhesion molecule）是指：由细胞合成的、可促进细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间粘附的一大类分子的总称。,I/R血管内皮细胞和WBC激活表达产生粘附分子白细胞rolling、adhesion和transmigration(穿细胞壁游走)。,Permeability,edema,thrombosis,cellular death,1. physical block:no-reflow p

27、henomenon2. losing control of inflammatory:,基质金属蛋白酶: matrix metalloproteinase, MMPs细胞外基质:胶原蛋白(collagen)和弹性蛋白(elastin),四、 No-reflow phenomenon,Concept:解除缺血原因并没使缺血区得到充分血流灌注的反常现象.是一个无复流区随再灌注时间延长而增加的过程机制:1. 心肌细胞肿胀:压迫2. Swelling of VEC:管腔狭窄3. Permeability:细胞间质水肿,压迫4. 心肌细胞挛缩:压迫5. 微血管痉孪和堵塞: CA, Agn, ET, LT

28、, PGI2/TXA26. 补体的作用:I/Rcomplement炎症介质: C3a, C5a, iC3b, C5b-9 刺激WBC的激活, 趋化和释放; 粘附;抑制VEC舒张炎症放大,血管张力,五、 Impaired energy metabolism,Experiment: 犬冠脉左旋支I-15mATP60%, 总腺苷池50%, AMP; R-20m ATP升高至N一半, 24h 仍低, 4d后近于N,Mechanism:1.氧化磷酸化脱偶联: 膜脂质过氧化 质子ATP酶活性, 氧的利用能力2.高能磷酸化合物缺乏: ATP合成的前身物质:腺苷,肌苷, 次黄嘌呤,六、Apoptosis,OF

29、R,钙超载,血管内皮-中粒细胞,无复流,代谢、能量改变，细胞凋亡,钙超载是细胞不可逆死亡的共同通路,IRI机制小结,Section 3 IRI of major organs,一、 Myocardial IRI,（一）心功能变化:心舒缩功能 （二）心电变化: 再灌注性心律失常(I 15-20m, 猝死) 室速和室颤 机制: 静息膜电位负值;一过性离子流;CA自律性;R 室颤阈;R 离子浓度的快速和突然改变传导性和不应期不均一性兴奋折返（三）心肌能量代谢变化 （四）心肌超微结构变化,二 、 Brain,能量代谢障碍出现病理性脑电慢波脑结构变化: edema, necrosis,三、others

30、liver, kidney, intestine, lung, MODS,Section 4 Principle of Treatment,1. 清除缺血原因, 实施低压、低流、低温 、低PH、低钠、低钙灌注2.抗氧化, 清除自由基 3.改善能量代谢 ATP、CP, Cyt.C 4. 控制炎症反应失控 5. 减轻钙超负荷 6.缺血预适应,本章要点,1.掌握缺血-再灌注损伤概念及相关英语词汇2 .掌握缺血-再灌注损伤的重要发生机制 3 .熟悉心肌、脑缺血-再灌注损伤的变化 4. 了解其他内容,病历,患者,男性,48岁,因胸痛约1小时入院。查体：心电显示急性前间壁心肌梗死。Bp 100/75mmHg，心率37次/分,律齐,意识淡漠. 既往高血压病史10年。 .检查。 入院后约1小时给予尿激酶150万单位静脉溶栓。 用药完毕患者胸痛消失, 但约10分钟时心电监护显示， 出现室性早搏、室上性心动过速及室颤，血压90/65mmHg。立即., 渐为窦性心率, 血压正常。复查心电图为广泛前壁心肌梗死。思考题：为什么患者在接受溶栓治疗胸痛症状消失后又出现严重的心律失常、血压下降？,