ischemia-reperfusion injury （缺血 - 再灌注损伤 ) introduction ◆ sufficient blood flow: o...

IIschemia-schemia-RReperfusion eperfusion IInjurynjury（（缺血缺血 -- 再灌注损伤再灌注损伤 ))

IntroductionIntroduction

◆ Sufficient blood flow:

O2, essential substances ; metabolic

byproducts

◆ Ischemia injury:

◆ Reperfusion: double-edge sword

1 ９５５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。

HistoryHistory

At 1960 ， Jennings brought forward the concept of myocardial ischemia and reperfusion 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

１９ 6 ７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

１９８１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 In clinicclinic

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过程。

Characteristics of IRI ： 1.reversible damage irreversible d

amage 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 Section one ETIOLOGY of IRIETIOLOGY 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

The influence of ischemic duration on The influence of ischemic duration on the occurrence of arrhythmia in ratsthe occurrence of arrhythmia in rats

0102030405060708090

100

%发生率（ ）

5mi n 10mi n 30mi n

mi n)缺血时间（

RVARVTRVF

Section two Section two 　 　 PATHOGENESISPATHOGENESIS 　　 ofof 　　 IRI IRI 　　

Initial change ： dysfunction of energy metabolism

Primary mechanisms ：　　　 free radical↑ 　　 calcium overload

一、一、 Increased generation Increased generation of free radicalsof free radicals

O2

（一）（一） IntroductionIntroduction

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 2. The characteristicscharacteristics of OFR: of OFR: highly reactive highly reactive ， ， 1ms; EPR1ms; EPR

氧自由基生成过程氧自由基生成过程 ---- 氧单电子还原

O2 + e O2

O2+ 2e + 2H+ H2O

2O2 + 3 e + 3H+

HO +

H2OO2 + 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：

⑴线粒体 形成的主要场所之一 正常 :O2+4e+4H+→H2O+ATP 病理 :O2+e→ +e +2H+→H202+e+H+→ OH· +e+H+→H20

⑵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

⑶酶氧化 XO 、 NADPH 氧化酶、醛氧化酶⑷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·+O2

Fenton型 Haber-Weiss 反应：

O·-2 H2O2 OH· + OH-

OH·是活性氧中毒性最强的一种

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 H2O

2 ） 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。（ＮＯ，ＯＮＯＯ ）

·–

（ 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 scavenger

４４ . The clearance of OFR. The clearance of OFR

胞浆：还原性辅酶Ⅱ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). 1). Low MW Radical scavengerLow 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;SOD: superoxide dismutase;CAT:catalase; peroxidaseCAT: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）（二） Elevated generation of Elevated generation of

OFR during ischemia-rep OFR during ischemia-reperfusionerfusion

1. Xanthine Oxidase pathway1. Xanthine Oxidase pathway（（ from VECfrom 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

pausepause

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Ischemia

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 NADHNADPH NADH 氧化酶氧化酶

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. 4. catecholaminecatecholamine pathway 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·

（三）（三） FR induced damageFR 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 dama

ged

2. To cause protein denaturalization 2. To cause protein denaturalization and impaired enzyme activityand 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

OHHOO

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 easy to be damaged

4. To cause calcium overload4. To cause calcium overload

FR→ membrane permeability ↑ → Ca2+ influx ↑

FR→ Sodium pump↓→intracellular Na+ ↑→Na+ / Ca2

+ exchange ↑ →Ca2+ influx ↑

FR→mitochondria membrane →ATP production ↓ →calcium pump ↓ →Ca2+ effuse or intake by endoplasm ↓

5.To cause the production of 5.To cause the production of inflammatory mediatorinflammatory mediator

1) ROS→Ca2+ ↑ PLA2 is activated

The production arachidonic acid (AA)

脂加氧酶 环加氧酶

PG, TXA2, LT

2) ROS→activate NF-κB

The expression of leukocyte adhesion molecule and cytokine

chemotaxis, activation and adhesion of leukocyte

NOS NO and IRINOS NO and IRI

NOS: 三种同型异构体nNOS, eNOS, iNOSNO 的两面性

二、 二、 CCalcium overloadalcium overload（钙超载（钙超载））

各种原因引起细胞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。

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） （一） Regulation of Regulation of calcium calcium balancbalancee

1.Ca1.Ca2+2+ 进入胞液的途径进入胞液的途径

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

（（ 11 ））质膜质膜 CaCa2+2+ 通道通道

①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 )

②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； β1 受体激动剂→磷酸化钙通道，胞外 Ca2+ 内流。

pausepause

（（ 22 ）细胞内贮存钙释放的机制）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受体系统调控

ryanodine 敏感钙通道 : 受 ryanodine受体系统调控

2 Ca2 Ca2+2+ 离开胞液的途径离开胞液的途径

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 →

NaNa++-Ca-Ca2+2+ 交换系统交换系统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 :Summary : 钙平衡的维持钙平衡的维持

Na + -Ca 2+交换蛋白

Ca2+ B Pr

Mt

SR

Ca 2+

Ca 2+

Ca2+ 泵Ca2+

Ca2+

(( 二二 ) the occurence of calcium ove) the occurence of calcium overloadrload

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

11.. Disorder of Na Disorder of Na++ -Ca -Ca2+ 2+ exchangexchangee

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+

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

2．Membrane 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 CA3. 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

α1

Ca2+ Ca2+

IP3DG

PKC

H+

3Na+

Ca2+

Na+

肌丝肌浆网

去甲肾上腺素

PIP2

（三）（三） Damage caused by calcium ovDamage caused by calcium overloaderload

1.To damge mitochondria :→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/RNA

3. 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 : ①缺血 -再灌注→获能、细胞内钙超载→肌原纤维过度收缩。 ②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↓或消除 。

三、 三、 Role of neutrophilRole of neutrophil

Phenomena:1. Neutrophil appears at the ischemia-reperfusion tissue,

the course of the time parallels with the course of injury

2. Toxin released by neutrophil can be detected at the ischemia-reperfusion tissue. (oxidant, enzyme)

3. Inhibition or depletion of neutrophil may alleviate infarction volume cause by experimental coronary artery occlusion.

4. 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 oNeutrophil is the mainly effecting cell of IRIf IRI

(( 一）一） Mechanism of WBC aggregation Mechanism 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 moleculeAdhesion 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 adhesion molecule 血小板内皮细胞粘附分子 :plate-endothelial cell adhe

sion 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（粘附分子（ adhesion moleculeadhesion molecule ）是指：由细）是指：由细胞合成的、可促进细胞与细胞之间、细胞与细胞合成的、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。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 death1. physical block:→no-reflow phenomenon

2. 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、 四、 No-reflow phenomenNo-reflow phenomenononConcept: 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, PGIⅡ 2/TXA2↓6. 补体的作用 :I/R→ complement→★ 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↑

五五、、 Impaired energy metaboliImpaired energy metabolismsm

Experiment: 犬冠脉左旋支 I-15m→ATP↓60%, 总腺苷池↓ 50%, AMP↑↑;

R-20m ATP 升高至 N 一半 , 24h 仍低 , 4d 后近于 N

Mechanism:Mechanism:1.1. 氧化磷酸化脱偶联氧化磷酸化脱偶联 : : 膜脂质过氧化膜脂质过氧化 质子 质子 ATPATP 酶活性酶活性 , , 氧的利用能力氧的利用能力2.2. 高能磷酸化合物缺乏高能磷酸化合物缺乏 :: ATP ATP 合成的前身物质合成的前身物质 :: 腺苷腺苷 ,, 肌苷肌苷 , , 次黄嘌呤次黄嘌呤

六六、、 ApoptosisApoptosis

OFR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 Section 3 IRI of mIRI of major ajor organs organs

一、 一、 Myocardial IMyocardial IRIRI

（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 、 二 、 BrainBrain能量代谢障碍出现病理性脑电慢波脑结构变化 : edema, necrosis

三、 others liver, kidney, intestine, l

ung, MODS

Section 4 Section 4 Principle of TreaPrinciple of Treatmenttment

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 100/75m

mHg ，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？