第十章 缺血再灌注损伤 Ischemia-reperfusion injury

心脏介入手术 放置支架 经皮冠状动脉腔内成形术（PTCA） PTCA结合支架治疗冠心病患者，成功率较高，长期生存率较高

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。

研究历史 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；

研究缺血-再灌注损伤的临床意义 器官缺血后恢复血供：休克、冠脉痉挛、心脏骤停后复苏 血管再通术：动脉搭桥、溶栓疗法 体外循环术 器官移植及断肢再植术

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

定义 是指组织器官在缺血一段时间的基础上恢复血流后，组组损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血-再灌注损伤。 缺血再灌注损伤 (ischemia-reperfusion injury) 是指组织器官在缺血一段时间的基础上恢复血流后，组组损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血-再灌注损伤。

缺血-再灌注损伤的相关概念 钙反常(calcium paradox) 氧反常(oxygen paradox) pH反常( pH paradox)

缺血-再灌注损伤的相关概念 钙反常（calcium paradox）是指以无钙溶液灌流离体大鼠心脏2分钟后再以含钙溶液灌流时，心肌电信号异常、心脏功能、代谢及形态结构发生异常变化的现象。

缺血-再灌注损伤的相关概念 氧反常(oxygen paradox)是指预先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。

缺血-再灌注损伤的相关概念 pH反常(pH paradox)是指缺血后再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而加重细胞损伤。

缺血-再灌注损伤的相关概念 钙反常(calcium paradox) 无钙液灌注 含钙液 心肌损伤加重 低氧灌注/缺氧培养 复氧 损伤加重 氧反常(oxygen paradox) pH反常(pH paradox) 再灌注时纠酸 损伤加重

第一节 缺血-再灌注损伤的原因及条件 一、原因 组织器官缺血后恢复血液供应 一些新的医疗技术的应用 体外循环下心脏手术 第一节 缺血-再灌注损伤的原因及条件 一、原因 组织器官缺血后恢复血液供应     一些新的医疗技术的应用     体外循环下心脏手术     心脏骤停后心、肺、脑复苏     其它 断肢再植和器官移植等

二、影响因素 缺血时间 侧支循环 需氧程度 再灌注条件

第二节 缺血-再灌注损伤的发生机制 Mechanisms of I/R injury 自由基的作用 钙超载 白细胞的作用

一、自由基的作用 （一）自由基的概念与分类 （二）自由基的代谢 （三）缺血－再灌注时自由基生成增多的机制 （四）自由基引起缺血－再灌注损伤的机制

（一）自由基的概念和分类 自由基（free radical）是在外层电子轨道上含有单个不配对电子的原子、原子团和分子的总称。

（一）自由基的概念和分类 氧自由基 (oxygen free radical，OFR) 即由氧诱发的自由基。 包括超氧阴离子(O2 · )、羟自由基(OH ·) 氧自由基 活性氧(reactive oxygen species,ROS) 单线态氧(1O2) H2O2

（一）自由基的概念和分类 脂性自由基(lipid free radical) 其他(others) 如Cl·、CH3·、NO·等。 指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L ·、LO · 、LOO ·等。 其他(others) 如Cl·、CH3·、NO·等。

（二）自由基的代谢 生理状态下，98% O2 O2+4e-+4H+→H2O 1%~2% O2经单电子还原: OH• O2 • _ O2 • _ 可在Fe2＋或Cu2＋的催化下与H2O2反应生成OH·，这种由金属离子催化的反应称为Fenton反应。

（三）自由基生成增多的机制 1. 黄嘌呤氧化酶形成增多  2. 中性粒细胞聚集及激活 3. 线粒体功能受损 4. 儿茶酚胺增加和氧化

黄嘌呤氧化酶（XO）由黄嘌呤脱氢酶(XD) 在 Ca2+依赖性蛋白酶的催化作用下生成。 1.黄嘌呤氧化酶的形成增多: 　 黄嘌呤氧化酶（XO）由黄嘌呤脱氢酶(XD) 在 Ca2+依赖性蛋白酶的催化作用下生成。 　缺血缺氧时，ATP减少使离子转运功能障，Ca2+ 进入细胞内激活 Ca2+依赖性蛋白酶，使 XD生成 XO增多；同时ATP降解产物次黄嘌呤大量堆积。 　再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织。 XO 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，释放出大量电子，为分子氧接受后可产生大量O2 · 、 OH·、 H2O2。

缺血期 再灌注期 O2 +e-→O2. +H2O2 H2O2 →OH· 黄嘌呤氧化酶形成增多 ADP ATP AMP XO 黄嘌呤+ e- 次黄嘌呤 XO 再灌注期 （+） 钙依赖性蛋白酶 XD （+） Ca2+ Ca2+ Ca2+ O2 +e-→O2. +H2O2 H2O2 →OH·

2.中性粒细胞激活： 组织缺血可激活补体系统，或经细胞膜分解产生白三烯、C3片段等，可吸引、激活中性粒细胞。 再灌注时，组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，称为呼吸爆发(respiratory burst)或氧爆发，摄入的氧在 NADPH 氧化酶和 NADH 氧化酶的催化下，接受电子产生大量氧自由基。

呼吸爆发或氧爆发（respiratory burst or oxygen burst） 中性粒细胞激活 缺血期 (+) 补体系统 细胞膜分解 C3 白三烯 (+) (+) NADH氧化酶 再灌注期 O2 O2 O2. NADPH氧化酶 O2 呼吸爆发或氧爆发（respiratory burst or oxygen burst） O2 O2

缺氧 3.线粒体损伤： 氧自由基 细胞色素 氧化酶系统功能失调 ATP 线粒体Ca2+ 氧单电子还原 细胞内氧分压 Mn—SOD 生成增多 清除减少

4.儿茶酚胺增加和氧化 ： 缺血,缺氧 交感－肾上腺髓质系统 儿茶酚胺 氧化 氧自由基 （＋）

（四）自由基引起I/R损伤的机制 1. 膜脂质过氧化增强 自由基的化学性质极为活泼，特别是其氧化作用强，可与各种细胞成分反应，造成细胞结构损伤和功能代谢障碍。 1. 膜脂质过氧化增强 2. 蛋白质功能抑制 3. 核酸及染色体破坏

（四）自由基引起I/R损伤的机制 1.膜脂质过氧化增强 ⑴ 破坏膜的正常结构； ⑵ 间接抑制膜蛋白功能； ⑶ 促进自由基及其他生物活性物质生成； ⑷ 减少ATP生成

1.膜脂质过氧化增强 ⑴ 破坏膜的正常结构 脂质 过氧化 膜不饱和 脂肪酸 不饱和脂肪酸/ 蛋白质比例失调 膜液态性 流动性 膜通透性 Ca2+内流

⑵ 间接抑制膜蛋白功能 膜蛋白功能 膜脂质交联、聚合 膜脂质过氧化 胞内[Na+]、[Ca2+] 细胞肿胀、钙超载 (－) 膜蛋白功能 (钙泵,钠泵,Na+/Ca2+交换蛋白) 胞内[Na+]、[Ca2+] 细胞肿胀、钙超载 膜脂质过氧化 膜蛋白、G蛋白与效应器的偶联 细胞信号转导功能障碍

膜脂质 过氧化 ⑶ 促进自由基及其他生物活性物质生成 磷脂酶C 磷脂酶D 膜磷脂分解 花生四烯酸 白三烯 过氧化物 前列腺素内过氧化物 脂氧合酶 白三烯 过氧化物 环氧合酶 前列腺素内过氧化物 OH. TXA2 PG 自由基 (+)

⑷ 减少ATP生成 膜脂质 过氧化 线粒体功能 ATP 细胞能量代谢障碍加重 (－)

（四）自由基引起I/R损伤的机制 2.蛋白质功能抑制 自由基可使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，胞浆及膜蛋白和某些酶之间交联，形成二聚体、多聚体，直接损伤蛋白质的功能。

（四）自由基引起I/R损伤的机制 3.核酸及染色体破坏 主要表现：染色体畸变 核酸碱基改变 DNA断裂 这主要是由于OH·的作用所致，OH·易与DNA和碱基反应使其结构改变。

自由基对膜的损伤

二、钙超载（Calcium overload） 缺血-再灌注损伤时，再灌注区[Ca2+]i↑↑且其浓度升高的程度往往与细胞受损程度呈正相关。 各种原因引起的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称为钙超载。 钙超载的发生机制 钙超载引起缺血-再灌注损伤的机制

二、钙超载（Calcium overload） Na + -Ca 2+载体 Ca2+ B Pr 线粒体 肌浆网 Ca 2+ Ca2+泵 Ca2+ [Ca2+]e：10-3M [Ca2+]i：10-7M VOC ROC 细胞内Ca2+的稳态调节

（一）钙超载的发生机制 1. Na+-Ca2+交换异常 2. 生物膜损伤

1. Na+/Ca2+交换异常 Na+/Ca2+ 交换蛋白是一种跨膜蛋白，以三个Na+交换一个Ca2+的比例进行双相转运。生理条件下，其功能主要是将胞内的钙运出细胞，维持细胞内低钙。 3Na+/Ca2+ Na+/Ca2+ 交换蛋白反向转运增强是缺血-再灌损伤时Ca2+进入细胞的主要途径。

1.Na+/Ca2+交换异常 缺血 Na+ Ca2+ ⑴细胞内高钠对Na+/Ca2+交换蛋白的直接激活 钠泵活性 [Na+]i ATP (+) Na+－Ca2+ 交换蛋白 再灌注 Na+ Ca2+

1.Na+/Ca2+交换异常 缺血 ⑵细胞内高H+对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活 组织间液H+↓ 细胞内H+仍高 酸中毒 交换蛋白 (+) Na+－Ca2+ 交换蛋白 再灌注 组织间液H+↓ 细胞内H+仍高 H+－Na+

1.Na+/Ca2+交换异常 3Na+/Ca2+ Na+↑ Na+/H+ 胞内高Na+的影响 胞内高H+的影响

细胞膜 PIP2 DG IP3 PKC Ca2+ 儿茶酚胺 ⑶蛋白激酶C（PKC）活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活1 α1受 体 Gq 磷脂酶C PIP2 DG + IP3 PKC 肌浆网 Ca2+ （＋） 儿茶酚胺 细胞膜 H+ Na+交换蛋白 Na+-Ca+交换

1.Na+/Ca2+交换异常 ⑶蛋白激酶C（PKC）活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活1 NE H+ Ca2+ Gq PIP2 DG PLCβ NE α1受体 Ca2＋ H+ Na+ 3Na+ Ca2+

ATP NE + β-R cAMP 通道开放 L型Ca2+通道 Ca2+内流 ⑶蛋白激酶C（PKC）活化对Na+/Ca2+交换蛋白的间接激活2 ATP （+） NE + β-R 腺苷酸 环化酶 cAMP （+） 通道开放 L型Ca2+通道 Ca2+内流

2. 生物膜损伤 生物膜结构的完整是维持细胞内及细胞亚单位内环境稳定的必要条件。细胞膜损伤可使其通透性增加，细胞外 Ca2+顺浓度梯度进入细胞增多，加重细胞功能紊乱和结构破坏。

⑴ 细胞膜损伤 缺血 细胞膜结构破坏 [Ca2+]i (+) 磷脂酶 膜磷脂降解 再灌注→自由基↑ 膜脂质过氧化 膜通透性

⑵ 肌浆网膜损伤 肌浆网膜损伤 胞浆[Ca2+] 膜磷脂降解 自由基 钙泵功能障碍

(3) 线粒体膜损伤 线粒体膜损伤 ATP 膜磷脂降解 自由基 氧化磷酸化 (－) 钙超载 钙泵障碍

(二) 钙超载引起I/R损伤的机制 H＋ 1.促进氧自由基生成 2.加重酸中毒 XD 钙依赖性蛋白酶 [Ca2+]i 氧自由基 XO (+) 钙依赖性蛋白酶 氧自由基 XD XO 2.加重酸中毒 [Ca2+]i (+) ATP酶 H＋ 高能磷酸盐水解

(二) 钙超载引起I/R损伤的机制 3.破坏细胞（器）膜 4.线粒体功能障碍 线粒体 摄Ca2+ 消耗ATP 磷酸钙↓ 抑制氧化 磷酸化 [Ca2+]i (+) 磷脂酶 膜磷脂降解 细胞(器)膜受损 降解产物 (花生四烯酸、溶血磷脂) 4.线粒体功能障碍 线粒体 摄Ca2+ 消耗ATP 磷酸钙↓ 抑制氧化 磷酸化 ATP

(二) 钙超载引起I/R损伤的机制 5.激活其它酶的活性 [Ca2+] 蛋白酶 膜和结构蛋白分解 核酶 染色体损伤 肌原纤维过度收缩 钙超载 (+) 肌原纤维过度收缩 钙超载 心肌缺血－再灌注损伤 心肌缺血－再灌注 心肌动作电位后延迟后除极 再灌注性心律失常

三、白细胞的作用 （一）缺血-再灌注时白细胞增多的机制 1. 黏附分子生成增多     2. 趋化因子生成增多

三、白细胞的作用

三、白细胞的作用 黏附分子（adhesion molecule） 又称细胞粘附分子，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黏附的一大类分子的总称，如整合素、选择素、细胞间黏附分子、血管细胞黏附分子等，在维持细胞结构完整和细胞信号转导中起重要作用。

黏附分子生成增多 缺血再灌注→中性粒细胞和血管内皮细胞的多种粘附分子表达↑→中性粒细胞与受损的血管内皮细胞之间广泛粘附、聚集 黏附分子生成增多     缺血再灌注→中性粒细胞和血管内皮细胞的多种粘附分子表达↑→中性粒细胞与受损的血管内皮细胞之间广泛粘附、聚集 激活的中性粒细胞→TNF、IL-1/6等→血管内皮细胞和中性粒细胞表面的粘附分子暴露，亲和力↑→中性粒细胞穿过血管壁趋化游走 白细胞浸润

趋化因子生成增多 细胞膜磷脂降解，花生四烯酸代谢产物↑ 中性粒细胞与血管内皮细胞释放炎性介质↑ 趋化作用

（二）白细胞介导缺血-再灌注损伤的机制 细胞损伤 微血管损伤 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

（二）白细胞介导缺血-再灌注损伤的机制 无复流现象（no-reflow phenomenon）：在再灌注时放开结扎动脉，重新恢复血流，部分缺血区并不能得到充分的血液灌流的现象。 在犬的心肌实验中发现。 见于心肌、脑、肾、骨骼肌等。 缺血再灌注时，中性粒细胞激活及其致炎因子的释放是引起无复流现象的病理生理学基础。

（二）白细胞介导缺血-再灌注损伤的机制

再灌注时血管内皮细胞与白细胞激活 组织 正常情况下，血管内皮细胞与血液中的中性粒细胞有相互排斥作用，这是保证微血管灌注的重要条件。

粘附 初始粘附 牢固粘附 持续的缺血缺氧 N聚集和激活 趋化（PAF、LTs） 组织 定位 释放 白细胞组织浸润的机制

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

缺血-再灌注损伤的发生机制 XO形成增多 膜脂质过氧化增强 中性粒细胞聚集激活 蛋白质功能抑制 自由基 线粒体损伤 儿茶酚胺增加和氧化 核酸及染色体破坏 促进氧自由基生成 Na+/Ca2+交换异常 加重酸中毒 钙超载 破坏细胞（器）膜 生物膜损伤 线粒体功能障碍 激活其它酶的活性 血管内皮细胞与白细胞激活 微血管损伤 白细胞作用 细胞损伤

第三节 缺血－再灌注损伤时机体的功能、代谢变化 心肌缺血-再灌注损伤的变化 脑缺血-再灌注损伤的变化 肺缺血-再灌注损伤的变化 肠缺血-再灌注损伤的变化 肾缺血-再灌注损伤的变化 肝缺血-再灌注损伤的变化 其他

一、心脏缺血-再灌注损伤的变化 (一) 心功能变化 1. 心肌舒缩功能降低 静止张力 发展张力 心肌在静止状态下受前负荷作用而被拉长时产生的张力 心肌收缩时产生的主动张力 心肌顿抑 (myocardial stunning) 指缺血心肌在恢复血液灌注后一段时间内出现可逆性收缩功能降低的现象。 机制： 1.自由基爆发性生成 2. 细胞内钙超载

一、心脏缺血-再灌注损伤的变化 2.再灌注性心律失常 reperfusion arrhythmia即缺血心肌再灌注过程中出现的心律失常。 以室性心律失常最为多见。 基本条件： 机制： 再灌注区必须存在有功能上可以恢复的心肌细胞 再灌注前缺血时间的长短 缺血心肌的数量、缺血的程度及再灌注恢复的速度 心肌动作电位时程不均一 心肌动作电位后延迟后除极的形成 心肌电生理特性改变 纤颤阈降低 NO减少

一、心脏缺血-再灌注损伤的变化 （二）心肌能量代谢变化 ATP、磷酸肌酸含量降低 ATP合成的前体物质不足 心肌代谢变化 缺血心肌对氧利用障碍 再灌注期高能磷酸化合物含量可进一步降低：线粒体的损伤、再灌注血流的冲刷，造成高能磷酸化合物的底物ADP、AMP等物质含量下降。

一、心脏缺血-再灌注损伤的变化 （三）心肌超微结构变化 再灌注还可造成不可逆性损伤，出现心肌出血、坏死。 细胞膜破坏 肌原纤维结构破坏 线粒体损伤 心肌超微 结构变化 再灌注还可造成不可逆性损伤，出现心肌出血、坏死。

Na+/Ca2+ 心肌收缩功能↓ 可逆性I/R损伤 O2_. H2O2 胞浆Na+超载 OH. 脂质过氧化 蛋白质及酶失活 肌浆网钙 转运蛋白↓ 质膜通透性↑ 离子泵活性↓ 线粒体 损伤 收缩蛋白 损伤 钙超载 ATP生成↓ Ca2+敏感性↓ 心肌收缩功能↓

二、脑缺血-再灌注损伤的变化 （一）脑能量代谢变化 脑组织富含磷脂，脂质过氧化是脑损伤的主要特征。

二、脑缺血-再灌注损伤的变化 （二）脑氨基酸代谢变化 兴奋性氨基酸降低（谷氨酸、天冬氨酸） 抑制性氨基酸增多（丙氨酸、γ-氨基丁酸、牛磺酸、甘氨酸）

二、脑缺血-再灌注损伤的变化 （三）脑组织学变化 脑水肿 脑细胞坏死 脑组织学变化 主要是由于大量脂质过氧化物生成使脑细胞膜结构破坏和钠泵功能障碍。

三、肺缺血-再灌注损伤的变化 1978年Modry报道了肺再灌注综合征 肺不张伴肺气肿 肺水肿 肺组织学变化

上皮和绒毛分离，上皮坏死，固有层破损、肠壁出血和溃疡 四、肠缺血-再灌注损伤的变化 肠粘膜损伤为主要特征: 上皮和绒毛分离，上皮坏死，固有层破损、肠壁出血和溃疡 有毒物质吸收增多 肠缺血 间质水肿 再灌注 肠管cap通透性

五、肾缺血-再灌注损伤的变化 1972年Flore研究肾缺血-再灌注损伤 再灌注 肾组织损伤明显 加重 表现：线粒体的损伤 再灌注 肾组织损伤明显 加重 表现：线粒体的损伤 以急性肾小管坏死最严重 急性肾功能衰竭或肾移植失败

六、肝缺血-再灌注损伤的变化 七、其他 肝缺血-再灌注损伤：肝细胞坏死、线粒体肿胀 骨骼肌缺血-再灌注损伤：肌肉微血管和细胞损伤，自由基生成增多，脂质过氧化增强 广泛缺血-再灌注损伤：多器官功能障碍综合征

第四节 缺血-再灌注损伤防治的 病理生理基础 第四节 缺血-再灌注损伤防治的 病理生理基础 一、消除缺血原因，尽早恢复血流 二、控制再灌注条件 三、改善缺血组织代谢 四、清除自由基 五、减轻钙超载 六、中性粒细胞抑制剂的应用 七、细胞保护剂的应用 八、其他

一、消除缺血原因，尽早恢复血流 这是防治再灌注损伤的首要环节。应针对缺血原因，采取有效措施，缩短组织缺血时间，尽早恢复血流。 多次短暂缺血预处理可以增强细胞对缺血的耐受性，是调动机体内源性保护机制的有效措施。

二、控制再灌注条件 低压、低流灌注可避免因灌注氧和液体量骤增而引起的自由基过量生成及组织水肿； 低温有助于降低组织代谢率，减少耗氧量和代谢产物的堆积； 低pH可减轻细胞内液碱化，抑制磷脂酶和蛋白酶对细胞的分解，降低Na+/Ca2+交换的过度激活； 低钙可减轻因钙超载所致的细胞损伤； 低钠有助于减轻细胞肿胀； 高钾能减轻大量钾的丢失程度。

补充糖酵解底物：磷酸己糖、ATP、氢醌、CytC等 三、 改善缺血组织代谢 补充糖酵解底物：磷酸己糖、ATP、氢醌、CytC等 纠正酸中毒 四、 清除自由基 （1）低分子清除剂: VitE 、VitA VitC、半胱氨酸、GSH和 NADPH等。 （2）酶性清除剂: SOD、CAT、GSH-Px、ceruloplasmin 其他：别嘌呤醇（XO）、二甲基亚砜（OH · ）、中药制剂等

SOD (Cu2+Zn2+-SOD/Mn2+-SOD) 主要功能：清除H2O2和OH· 的前身O2 CAT 主要功能：催化H2O2分解为水和氧 GSH-Px 主要功能：清除各种生物大分子的过氧化物 Ceruloplasmin 主要功能：使Fe2＋ Fe3＋，防止Fenton 反应的发生，抑制了OH· 的生成。 可在Fe2＋或Cu2＋的催化下与H2O2反应生成OH·，这种由金属离子催化的反应称为Fenton反应。

五、减轻钙超载 六、中性粒细胞抑制剂的应用 中性粒细胞抗血清、羟基脲 七、细胞保护剂的应用 八、其他 缺血预处理 维拉帕米 Na+－H＋/ Na+－Ca2+交换蛋白抑制剂 六、中性粒细胞抑制剂的应用 中性粒细胞抗血清、羟基脲 非甾体抗炎药物、脂氧化酶和环氧化酶抑制剂、前列环素等 七、细胞保护剂的应用 牛磺酸、金属硫蛋白等 八、其他 缺血预处理 甘露醇、前列腺素E1、L－精氨酸等