缺血再灌注Word文档格式.docx
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休克、心肺脑复苏。
缺血基础上的2.组织器官缺血后血流恢复:
器官移植及断肢再植
血液再灌注。
3.某一血管再通后:
动脉搭桥术、PTCA、溶栓疗法
(二)影响因素
1.缺血时间
2.侧枝循环
3.需氧程度
4.再灌注条件:
低温(25℃)、低压、低pH、低钠、低钙液灌流。
1黄嘌呤氧化酶形成↑
氧自由基2中性粒细胞的作用
第二节发生机制钙超载3线粒体的作用
白细胞激活4儿茶酚胺的自身氧化
一、自由基的作用
(一)概念与分类
1.自由基(freeradical)的概念:
自由基(freeradical)系指外层轨道上有单个不配对价电子的原子、原子团和分子的总称,又称游离基。
2.分类
(1)氧自由基(oxygenfreeradical,OFR):
概念:
其中由氧诱发产生的自由基称为氧自由基
种类:
超氧阴离子(O·
-2)
羟自由基(OH·
)
一线态氧(1O2)
活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)和活性氮(reactivenitrogenspecies,RNS)则是指由氧(氮)形成、并在分子组成上含有氧(氮)的一类化学性质非常活泼的物质总称。
(OFR和H2O2及NO)
(2)脂性自由基:
OFR与不饱和脂肪酸作用后生成的中间产物。
烷自由基(L·
)、烷氧基(LO·
)、烷过氧基(LOO·
(二)氧自由基的生成、清除及损伤作用
约50年前,人们就发现了生物学中存在自由基(CommnerB,etal,1954)。
1956年,DenhamHarman提出了“氧自由基可作为酶促反应的产物在体内产生”的假说,并将自由基比喻成潘多拉的罪恶之盒(Pandora’sboxofevils)。
实际上,在体内同时存在着自由基产生和清除两个系统(见表1),共同维持机体的氧化-抗氧化平衡(Oxidant-antioxidantbalance),即“氧化还原稳态”(RedoxHomeostasis),和自由基有利和有害作用间的微妙平衡。
在病理条件下,由于活性氧产生过多或抗氧化酶活性下降,可导致氧化应激损伤(Oxidativestressinjury)甚至细胞死亡。
自由基及其衍生物犹如一把“双刃剑”:
(1)作为生理功能的信号转导分子,其适度浓度可发挥有益生物学作用,诸如调节血管张力。
抑制血小板粘附,诱导亚铁血红素加氧酶基因的表达,激活核因子kB(nuclearfactorkB,NF-kB)等转录因子(transcriptionfactor),参与细胞增殖和分化等;
(2)高浓度则可损害细胞所有主要成分,参与许多疾病和病理过程的发生。
例如,动脉粥样硬化、心脑血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病、癌症、肌萎缩、风湿性关节炎(rheumatoidarthritis)、急性呼吸窘迫综合征、人类免疫缺陷病毒感染、阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructivesleepapnea)、衰老、休克、氧中毒、炎症和缺血-再灌注损伤等。
表1机体活性氧的来源和抗氧化防御机制
活性氧的来源
机体抗氧化防御机制
内源性
外源性
酶性
非酶性
NAD(P)H氧化酶
线粒体
过氧物酶体
细胞色素P450
黄嘌呤氧化酶
环加氧酶
脂加氧酶
γ-谷氨酰转肽酶
环境毒素
电离辐射
紫外线
电场
化学疗法
炎症细胞因子
超氧化物岐化酶
过氧化氢酶
谷胱甘肽过氧化物酶
Prion蛋白(PrPc)
谷胱甘肽
Thioredoxin(硫代氧化还原素)
Glutaredoxin(谷氨氧化还原素)
维生素C,A,E
硫辛酸
尿酸盐
泛醌(辅酶Q)
丙酮酸盐
1.OFR的生成途径:
O2e-O2-·
e-+2H+H2O2e-+H+OH·
e-+H+H2O(正常)
H2O
2.氧自由基的清除
细胞内氧自由基的清除:
主要靠自由基清除剂(radicalscavenger)。
(1)低分子自由基清除剂:
存在于细胞脂质部分的脂溶性自由基清除剂(VE和VA等);
水溶性自由基清除剂(Vc和谷胱甘肽等)。
(2)酶性自由基清除剂:
细胞的过氧化氢酶(catalase,CAT)及过氧化物酶(peroxidase)可清除H2O2。
超氧化物歧化酶(superoxidedismudase,SOD)可清除O2-·
。
3.自由基的损伤作用
自由基极为活泼,可和各种细胞成分(膜磷脂、蛋白、核酸)发生反应,导致细胞功能障碍和结构破坏:
(1)生物膜脂质过氧化增强再灌注时大量形成的自由基,尤其是OH.,可引发生物膜中多价不饱和脂肪酸均裂,形成脂性自由基和脂质过氧化物,使膜受体、膜蛋白酶、离子通道和膜转运系统等的脂质微环境改变,导致:
①膜结构破坏──膜的液态性和流动性减弱,通透性增强;
②抑制膜蛋白功能──离子泵失灵和细胞内信号传递障碍;
③线粒体功能受损──ATP生成减少。
(2)细胞内Ca2+超载自由基引起细胞膜通透性增强,细胞外Ca2+内流;
膜上Na+-K+-ATP酶失活,使细胞内Na+升高,Na+-Ca2+交换增强;
线粒体膜的液态及流动性改变,导致线粒体功能障碍,ATP生成减少,使质膜与肌浆网钙泵失灵,不能将肌浆中过多的Ca2+泵出或摄取入肌浆网。
这些导致Ca2+超载,成为细胞致死原因。
(3)DNA断裂和染色体畸变自由基对细胞的毒性作用主要表现为染色体畸变,核酸碱基改变或DNA断裂。
这种作用80%为OH.所致。
OH.与脱氧核糖及碱基反应并使其发生改变。
外面无组蛋白保护的线粒体DNA(mtDNA),对氧化应激和线粒体膜的脂质过氧化较敏感,故易受自由基损伤,造成碱基片段丢失、碱基修饰及插入突变等。
(4)蛋白质变性和酶活性降低氧自由基和脂质过氧化物可攻击蛋白质形成蛋白质自由基,引起蛋白质分子肽链断裂,修饰酶活性中心的氨基酸,使酶的巯基氧化。
脂质过氧化物的产物──丙二醛是重要的交联因子,可引起胞浆和膜蛋白及某些酶交联成二聚体或更大聚合物。
这些可造成蛋白质(包括酶)的变性和功能丧失。
如肌纤维蛋白巯基氧化,可使其对Ca2+反应性降低,结果抑制心肌收缩力。
(5)诱导炎症介质产生ROS作为强大氧化还原剂,可导致脂质过氧化和胞内游离钙增加,进而激活质膜磷脂酶A2(PLA2)和脂加氧酶及环加氧酶,通过花生四烯酸代谢,形成具有高度生物活性的前列腺素、血栓素、白三烯等。
ROS也激活转录因子,例如核因子-kB,刺激后期白细胞黏附分子(leukocyteadhesionmolecule)和细胞因子(cytokine)基因的表达。
因此,ROS可增加I/R后白细胞激活,趋化和白细胞-内皮细胞的黏附。
(三)缺血—再灌注时OFR增多的机制
1.黄嘌呤氧化酶形成↑
ATP→ADP→AMP→黄嘌呤核苷黄嘌呤脱氢酶
↓↓Ca2+
缺次黄嘌呤核苷黄嘌呤氧化酶
血↓↓
期次黄嘌呤黄嘌呤+O2-·
+H2O2
再O2→←黄嘌呤氧化酶
灌尿酸+O2-·
注↓
期OH·
内皮细胞中的黄嘌呤酶
黄嘌呤氧化酶(xanthineoxidase,XO)10%
黄嘌呤脱氢酶(xanthinedehydrogenase,XD)90%
缺氧:
使次黄嘌呤堆积;
再灌注:
1.钙超载使XD转变为XO,进而在代谢黄嘌呤时产生O·
-2;
2.恢复氧供,提供生成O·
-2的氧。
2.中性粒细胞的作用中性粒细胞在吞噬过程中,其摄取氧的绝大部分(70%-90%)在其含量丰富的NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下接受电子生成氧自由基,用以杀灭病原微生物及异物。
白细胞吞噬时拌耗氧量显著增加的现象,称为呼吸爆发(respiratoryburst)或氧爆发。
有人发现,梗死24h后心肌内白细胞浸润可增加17倍。
一般认为,XO系统引起自由基生成增加是原发性的,而中性粒细胞所致者为继发。
3.线粒体的作用缺血和再灌注使ATP减少,Ca2+经钙泵摄入肌浆网减少,进入线粒体增多,使线粒体细胞色素氧化酶系统功能失调,以致进入细胞内的氧,经4价还原形成水减少,经单电子还原而形成的氧自由基增多。
同时,Ca2+进入线粒体内,使含MnSOD和过氧化氢酶和过氧化物酶活性下降,也导致氧自由基增多
4.儿茶酚胺的自身氧化在缺血缺氧的应激刺激下,交感-肾上腺髓质系统分泌大量儿茶酚胺,后者在自氧化生成肾上素红的过程产生O2-·
二、钙超载(calciumoverload)
(一)钙超载的概念
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。
在正常情况下,细胞内钙浓度为10-8~10-7mol/L,细胞外钙浓度为10-3~10-2mol/L。
约44%细胞内钙存在于胞内钙库(线粒体和内质网),细胞内游离钙仅为细胞内钙的0.005%。
上述电化学梯度的维持,取决于生物膜对钙的不自由通透性和转运系统的调节。
(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。
一般认为,细胞外钙跨膜进入是细胞内钙释放的触发因素,细胞内钙浓度增加主要取决于内钙释放。
1)质膜钙通道主要有两大类型:
①电压依赖性钙通道(voltagedepententcalciumchannel,VDC)可分为L型、T型、N型等亚型;
②受体操纵性钙通道(receptoroperatedcalciumchannel,ROC),亦称配体门控性钙通道(ligandgatedcalciumchannel,LGC),此类受体由多个亚基组成,当其与激动剂结合后,通道便开放。
2)胞内钙库释放通道钙库钙释放通道(calciumreleasechannel)属于受体操纵性钙通道,包括三磷酸肌醇操纵的钙通道(IP3受体通道),ryanodine敏感的钙通道。
偶联于横小管和肌浆网的ryanodine受体钙通道同时开放,产生局部游离钙浓度升高—“钙火花”(Ca2+spark)。
自发性钙火花是细胞内钙释放的基本单位,它成为钙波引发和传播的位点,构成了心肌细胞兴奋-收缩偶联的基础。
(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。
1)钙泵的作用钙泵即Ca2+-Mg2+-ATP酶,它存在于质膜、内质网膜和线粒体膜上。
当[Ca2+]i升高到一定程度,该酶被激活,水解ATP供能,将Ca2+泵出细胞或泵入内质网及线粒体,使细胞内Ca2+浓度下降。
2)Na+-Ca2+交换Na+-Ca2+交换蛋白是一种双向转运方式的跨膜蛋白,通过一种产电性电流(以3个Na+交换1个Ca2+),参与细胞内钙稳态的维持。
Na+-Ca2+交换,主要受跨膜Na+梯度调节。
生理条件下,Na+顺着电化学梯度进入细胞,而Ca2+则逆着电化学梯度移出细胞。
3)Ca2+-H+交换[Ca2+]i升高时,被线粒体摄取,H+则排至胞液。
2.再灌注时细胞内钙超载的机制
再灌注时细胞内钙超载的机制如下:
(1)Na+-Ca2+交换异常缺血时ATP生成减少,钠泵失灵,导致细胞内Na+升高和细胞内酸中毒。
再灌注时恢复能源和pH值,细胞内外pH梯度差激活Na+-H+交换,使细胞内Na+进一步增多,激活Na+-Ca2+交换蛋白,细胞外Ca2+大量内流。
这是细胞内钙超载的主要机制。
(2)细胞膜通透性增高①细胞外板(externallamina)与糖被(glycocalyx)表面由Ca2+相连,缺血或无钙灌流使两者的分离;
②再灌注时,H+-Na+交换和Na+-Ca2+交换增强,细胞内钙增加,激活磷脂酶,使膜磷脂降解;
③细胞内游离钙浓度增加,引起微管和微丝收缩,导致心肌细胞之间的紧密连接(润盘)破坏;
④再灌注时,细胞膜脂质过氧化增强而使结构破坏。
上述机制,导致细胞膜通透性增高。
再灌注时,Ca2+顺着化学梯度大量内流,导致细胞内钙超载。
有人认为,这是再灌注时细胞内钙超载的主要原因,因为曾观察到心肌细胞的收缩波是由细胞的两端逐渐移向中央。
(3)线粒体功能障碍缺血-再灌注时产生大量氧自由基,可使线粒体膜流动性降低,氧化磷酸化障碍,ATP生成减少,使质膜和肌浆网膜的钙泵功能失灵,不能排出和摄取细胞浆中过多的钙,致胞浆内游离钙增加。
(4)儿茶酚胺增多缺血时,内源性儿茶酚胺释放增加,心肌α和β受体的密度也增加。
①α1肾上腺素能受体激活G蛋白-磷脂酶C(PLC)介导的细胞传导通路,促进磷脂酰肌醇分解,生成三磷酸肌醇(IP3)和甘油二脂(DG)。
IP3可促使肌浆网释放Ca2+,而DG激活蛋白激酶C(PKC),刺激H+-Na+交换,进而引起Na+-Ca2+交换,使细胞内钙超负荷。
②β受体兴奋,通过受体依赖性钙通道和电压依赖性L-型钙通道,引起Ca2+内流增加。
3.钙超载引起再灌注损伤的机制
(1)线粒体功能障碍再灌注时细胞内Ca2+增加,线粒体摄取过程中消耗大量ATP,同时进入线粒体的Ca2+与磷酸根形成磷酸钙沉积,干扰线粒体的氧化磷酸化,使ATP生成减少。
(2)激活钙依赖性降解酶细胞内游离钙增加,使Ca2+与钙调蛋白(CaM)结合增多,进而激活多种钙依赖性降解酶(degradativeenzyme)。
其中,磷脂酶(phospholipase)导致细胞膜及细胞器膜受损,产生的膜磷脂降解产物花生四烯酸和溶血卵磷脂等可加重细胞功能紊乱;
蛋白酶(protease)、核酸内切酶(endonuclease)的活化,可引起细胞骨架和核酸的分解。
(3)促进氧由基生成钙超负荷使钙敏感蛋白水解酶活性增高,促使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶,使自由基生成增加。
另外,钙依赖性磷脂酶A2的激活,使花生四烯酸(AA)生成增加,通过环加氧酶和脂加氧酶作用产生大量H2O2和OH。
(4)引起心律失常再灌注时,通过Na+-Ca2+交换形成一过性内向离子流,在心肌动作电位后形成短暂除极;
持续Ca2+内流,可形成动作电位的“第二平台期”,引发早期后除极或延迟后除极等,进而引起心律失常。
(5)肌原纤维挛缩和破坏细胞骨架再灌注时,重新获得能量并排除抑制心肌收缩的H+,加之细胞内游离钙增加,可使肌原纤维挛缩、断裂,超微结构出现收缩带,生物膜机械损伤,细胞骨架破坏。
三、微血管损伤和白细胞的作用
嗜中性粒细胞(Neutrophils)是再灌注损伤的主要效应器细胞。
人们观察到,如果中性粒细胞功能被抑制或本身被消耗,实验性冠脉闭塞所致的梗塞面积减少;
用除去白细胞的血液再灌注,可防止水肿产生和减轻再灌注损伤;
用补体抑制药可减少白细胞侵润和减轻组织损伤。
白细胞在缺血-再灌注损伤中的作用,日益受到重视。
1.缺血-再灌注时白细胞增多机制
(1)趋化因子生成增多①再灌注损伤时,细胞膜磷脂降解,花生四烯酸代谢产物增多,其中白三烯、PGE2、血小板活化因子(PAF)以及补体和激肽等,具有很强白细胞趋化作用;
②白细胞本身释放许多具有趋化作用的炎症介质,如LTB4。
这些趋化因子,吸引大量白细胞进入缺血组织。
(2)细胞粘附分子生成增多粘附分子(adhensionmolecule)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,如整合素、选择素、细胞间粘附分子、血管细胞粘附分子及血小板内皮细胞粘附分子等,在维持细胞结构完整和细胞信号传导中起重要作用。
正常情况下,血管内皮细胞和血液中流动的中性粒细胞互相排斥,是保证微循环灌流的重要条件。
缺血-再灌注诱导血管内皮细胞和白细胞表达和分泌的细胞粘附分子增多,导致局部白细胞增多、聚集(aggregation),促使白细胞与内皮细胞粘附(adherence)、滚动(rolling〕、激活和穿过血管壁趋化游走(transmigration)到细胞间隙。
2.白细胞介导缺血-再灌注损伤的机制
(1)机械阻塞作用由于白细胞体积大而僵硬、变形能力弱,与血管内皮细胞粘附后,极易滚动、嵌顿和堵塞毛细血管,促进形成无复流现象,加重组织缺血缺氧。
(2)炎症反应失控白细胞(多形核白细胞、巨噬细胞、单核细胞)激活,释放大量促炎细胞因子,如TNFα、IL-1、IL-8;
脂质炎症介质,如白三烯(LTs)、血栓素A2(TXA2)、血小板活化因子(PAF)等;
氧自由基,如O2。
、OH。
等;
溶酶体酶,如蛋白酶、胶原酶、弹性蛋白酶等,导致血管通透性增加和组织损伤。
四、无复流现象
无复流现象(no-reflowphenomenon)是指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,它实际上是缺血的延续和叠加。
该现象首次在家兔脑缺血实验中观察到(MajnoG等,1967年)该现象,继之在犬冠脉结扎实验中得到证实(KlonerRA等,1974年),实际上可见于各种组织器官。
临床上可用它解释为什么纠正缺血措施有时不能奏效,例如,器官功能障碍在再灌注后依然存在(如心肌顿抑),器官移植失败或梗塞面积扩大等。
无复流现象不象是再灌注时发生的即刻事件,而是一个无复流区随再灌注时间延长而增加的过程。
缺血期内皮细胞和心肌细胞水肿,导致原发无复流区;
随再灌注开始,水肿加重,心肌挛缩,血小板、纤维蛋白和白细胞阻塞,引起无复流区的扩大;
溶栓、血管成形术或其他经皮介入疗法使正常血流恢复,导致动脉粥样硬化斑块形成的微栓塞、血凝块和血小板栓塞释放进入微循环,对无复流现象起“推波助澜”的作用
心肌无复流现象的发生机制:
(1)心肌细胞肿胀 心肌缺血时,ATP降解产物——腺苷(adenosine)、肌苷(inosine)、次黄嘌呤(hypoxanthine)和黄嘌呤(xanthine)生成增多,引起细胞内渗透压升高;
细胞膜Na+-K+泵失灵,细胞内钠水潴留;
再灌注时自由基生成增加,引起细胞膜损伤。
这些导致缺血区心肌细胞发生肿胀,压迫微血管。
(2)血管内皮细胞肿胀 缺血再灌注时,血管内皮细胞肿胀(机制同上),向管腔伸出突起,造成管腔狭窄和血流受阻。
(3)微血管通透性增高自由基损伤和白细胞粘附释放的炎症介质,可导致微血管通透性增高,导致细胞间质水肿,压迫微血管。
(4)心肌细胞孪缩 缺血-再灌注时,细胞内钙超载,心肌细胞挛缩形成收缩带,压迫微血管。
(5)微血管痉挛和堵塞 缺血-再灌注时,由于交感神经兴奋,肾素-血管紧张素系统和内皮细胞、白细胞和血小板激活所产生的儿茶酚胺、血管紧张素、内皮素、白三烯、TXA2等,均有收缩血管的作用,导致内皮细胞依赖性血管舒张减弱。
Feinburg等观察到,缺血一定时间后血管内血小板沉积增加2倍,心肌及肠管无复流区内白细胞(主要是中性粒细胞)聚集增加10倍,可见,白细胞嵌顿是微血管血流阻塞的主要原因。
微血管痉挛和堵塞,还与前列环素(PGI2)和血栓素A2(TXA2)之间的平衡失调密切相关。
PGI2主要由血管内皮生成,具有扩血管和抑制血小板聚集的作用。
TXA2主要由血小板生成,作用恰恰相反。
缺血-再灌注时,血管内皮细胞受损,导致PGI2生成减少,同时激活血小板,释放TXA2增多,导致血管强烈收缩和血小板聚集,促使血栓形成和血管堵塞。
动物实验证明,应用TXA2合成酶抑制药可以使缺血/再灌注后的冠状血流改善。
(6)内皮素的作用内皮素(endothelin,ET)由Yanagisawa等首先分离出(1988),由ET-1、ET-2和ET-3组成。
ET-1主要来自血管内皮细胞,也可产生于平滑肌和心肌细胞等。
各种生长因子、细胞因子和血管活性物质,均可刺激ET-1表达。
ET-1是已知最强的内源性血管收缩剂,与血管紧张素Ⅱ有协同作用,能激活中性粒细胞产生氧自由基和炎症介质,激活PLC-IP3信号传导途径,使细胞内游离钙浓度增加。
这些可导致冠状动脉强裂收缩,促进无复流现象的发生。
(7)补体的作用缺血-再灌注可引起补体激活,其中作用最强的是C5a,其作用比C3a约强20倍。
除刺激白细胞激活和趋化外,可通过诱导产生单核细胞化学诱导蛋白1〔monocytechemoattractantprotein,MCP〕,TNF,IL-1和IL-6,进一步放大炎症反应。
C3b裂解形成的iC3b,是白细胞通过2整合素〔integrin,〕、CD11b–CD18(Mac-1)黏附到血管内皮细胞的特异性配基。
C5b-9能激活内皮细胞NF-kB,增加白细胞粘附分子的转录和表达;
诱导内皮细胞性IL-8和MCP的分泌,促进细胞激活和趋化;
抑制内皮细胞依赖性舒张和减少内皮细胞cGMP,改变血管张力。
这样,补体通过改变血管稳态和增加白细胞和内皮细胞的黏附,影响血液流向缺血器官。
小结:
1基本机制:
OFR作用和钙超载;
2OFR的作用和其它所有学说都有关系;
钙超载是细胞不可逆死亡的共同通路。
第三节机体的变化
一、心肌缺血-再灌注损伤的变化
(一)心功能变化
1.再灌注性心律失常
特点:
(1)形式上:
室性心律失常为主
(2)发生率上:
远远高于缺血VA
(3)其发生率受缺血状态影响
2.心舒缩功能↓
缺血大于30分钟,较重
缺血小于15分钟,较轻
“痴呆心
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