1、心脏缺血-再灌注损伤的发病机制 Mechanism Underlying heart Ischemia-Reperfusion Injury,概念(Concept),1960年Jennings等第一次提出心肌缺血再灌注损伤的概念，缺血心肌恢复再灌注后，病情反而恶化，引起超微结构、功能、代谢及电生理方面发生进一步的损伤，在缺血损伤的基础上再次引起的损伤，称为缺血-再灌注损伤(ischemiareperfusion injury，IRI),缺血再灌注损伤发生的可能机制,自由基、 钙超载、 心肌纤维能量代谢障碍、 中性粒细胞、细胞黏附分子 血管内皮细胞、 细胞凋亡,自由基,自由基（free radi
2、cal）是指在外层电子轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团或分子的总称，又称游离基，如氯自由基（Cl-）、羟自由基（OH-）、甲基自由基（CH3-）等。,自由基（FR）生成,正常细胞内有自由基清除剂超氧化物歧化酶（SOD），使氧自由基转变为过氧化氢，后者又通过触酶及谷胱甘肽过氧化物酶的作用还原为水和分子氧，故小量氧自由基不造成损伤。,自由基（FR）生成,心脏缺血缺氧时，由于 ATP 生成减少，膜泵失灵，钙离子进入细胞增多，激活钙依赖性蛋白酶,使黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase, XD）大量转变为黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase ，XO） 。同时因缺血缺
3、氧，ATP依次分解为 ADP、 AMP、腺苷、肌苷和次黄嘌呤 hypoxanthine ），而次黄嘌呤自身不能代谢生成黄嘌呤（xanthine），使 XO 的底物堆积。,自由基（FR）生成,再灌注时，缺血组织重新得到氧，在缺血时大量蓄积的次黄嘌呤在XO的作用下形成黄嘌呤，继而又催化黄嘌呤转化为尿酸，这两步反应都是以分子氧作为电子受体，结果产生大量的 O2- 和 H2O2 。,再灌注时，缺血组织重新得到氧，在缺血时大量蓄积的次黄嘌呤在XO的作用下形成黄嘌呤，继而又催化黄嘌呤转化为尿酸，这两步反应都是以分子氧作为电子受体，结果产生大量的 O2- 和 H2O2 。,Plasma membrane:
4、lipoxygenases, cyclooxygenases, NADPH oxidase Mitochondria: electron transport system Cytosol: xanthine oxidase, hemoglobin, catecholamines, riboflavin, Transition metals (Fe2+/3+, Cu1+/2+) Peroxisome: oxidases, flavoproteins Endoplasmic reticulum: mixed-function oxidase cytochromes P-450 and b5,Cel
5、lular Sources of Free Radicals,自由基的危害,自由基可介导脂质过氧化,抑制蛋白质功能,诱发血管内皮细胞膜损伤，导致内皮细胞水肿，毛细血管阻塞, 还可促进炎症因子产生，中性粒细胞聚集和活化，从而引发心脏组织损伤。,钙超载,细胞内的钙稳态失调; 各种原因引起的细胞内钙浓度明显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（ calcium overload ）。,钙超载产生的原因,生理条件下， Na+/Ca2+ 交换蛋白转运方向是将细胞内 Ca2+ 运出细胞，与细胞膜钙泵共同维持心肌细胞静息状态的低钙浓度。Na+ /Ca2+ 交换蛋白以 3 个 Na+ 交换 1
6、 个 Ca2+ 的比例对细胞内外 Na+ 、 Ca2+ 进行双相转运。,钙超载产生的原因,缺血使细胞内 ATP 含量减少，钠泵活性降低，造成细胞内钠含量增高。再灌注时缺血的细胞重新获得氧及营养物质供应，细胞内高 Na+ 除激活钠钾泵外，还迅速激活 Na+ /Ca2+ 交换蛋白，以加速 Na+ 向细胞外转运，同时将大量 Ca2+ 转入细胞内，造成细胞内 Ca2+ 超载， 这是缺血再灌注钙超载形成的主要途径。,钙超载的危害,钙超载可以使细胞膜、线粒体和肌浆网膜损伤，进一步增加膜的通透性，使内皮细胞水肿，干扰线粒体氧化磷酸化，使ATP 生成减少；还可以增强Ca2 + 依赖性蛋白酶活性，加速黄嘌呤脱氢
7、酶转化为黄嘌呤氧化酶，促进自由基生成，损伤心脏组织。,钙超载的发生机制:激活Na+/Ca2+交换 Mechanism of Calcium Overload: Activation of Na+/Ca2+ Exchanger,钙超载的发生机制: 生物膜损伤 Mechanism of Calcium Overload: Membrane Injury,钙超载引起缺血再灌注损伤的机制Mechanism of I/R Injury Induced by Calcium Overload,激活Ca2+依赖性的磷脂酶 膜磷脂分解, 膜受损激活Ca2+依赖性的蛋白酶，加速XD转化为XO，促进ROS生成;
8、膜受损大量Ca2+在线粒体内以磷酸钙的形式沉积，干扰氧化磷酸化过程，使ATP生成减少4. 核酸内切酶 核染色质受损,心肌纤维能量代谢障碍,心肌缺血时，随着ATP 含量的下降，细胞膜、肌浆网膜Ca2+-ATP 酶活力及肌浆网钙摄取能力下降，使Ca2+内流增加，并激活膜磷脂酶，使膜磷脂降解为溶血磷脂，导致缺血性肌痉挛，并在此过程中产生氧自由基，进一步产生损害作用；,心肌纤维能量代谢障碍,依赖ATP 的膜泵活性降低，膜电位改变及心电图ST 段改变； 缺血引起的酸中毒可导致心肌纤维收缩性降低。,中性粒细胞激活和粘附分子,正常情况下，循环中的中性粒细胞与血管内皮细胞的相互作用受众多抗炎因子的抑制，使中性
9、粒细胞处于静止状态。 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。,中性粒细胞激活和粘附分子,缺血时，在趋化因子和激活剂作用下中性粒细胞被激活，在粘附分子的作用下粘附并穿越血管壁，进入心肌缺血区，产生炎症反应并引起心肌组织损伤。,中性粒细胞激活和粘附分子,其中起介导作用的粘附分子有肿瘤坏死因子、白介素-1、白介素-6、选择素、整合素和免疫球蛋白超家族等。其中免疫球蛋白超家族中的细胞间粘附分子-1（ICAM-1）是介导中性粒细胞与内皮细胞粘附的主要粘附分子。,中性粒细胞激活和粘附分子,激活的中性粒细胞可释放
10、20 多种蛋白水解酶，包括胶原酶、弹性蛋白酶、金属蛋白酶等，而弹性蛋白酶能水解细胞外基质，如纤维蛋白、纤维连接蛋白、胶原及血浆蛋白，是损伤组织的主要物质。,中性粒细胞激活和粘附分子,中性粒细胞在粘附分子的作用下能特异性粘附于血管内皮细胞，并且活化后的中性粒细胞黏性更高，变形能力更差，难以通过毛细血管前括约肌，造成毛细血管的机械阻塞，导致微循环障碍，产生无复流现象。,中性粒细胞与缺血-再灌注损伤 Neutrophils & I/R Injury,呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发（oxygen burst）：中性粒细胞在吞噬活动时耗氧量明显增加的现象。,Mechanisms
11、Mediating Increased Leukocyte-Endothelial Adhesion,内皮细胞,血管内皮细胞（endothelial cell, EC）：是一薄层的专门上皮细胞，由一层扁平细胞所组成，它形成血管的内壁，是血管管腔内血液及其他血管壁（单层鳞状上皮）的接口，参与体内许多重要功能的调控。,内皮细胞,再灌注时激活的血管内皮细胞产生大量的活性氧，造成脂质过氧化，同时表达的粘附分子如P-选择素、细胞间粘附分子和释放的炎性介质，可导致中性粒细胞与之粘附，并被激活继而释放大量的OFR 等毒性产物及弹力蛋白酶和胶原酶等破坏性蛋白酶，改变了血管通透性及损伤周围的组织细胞。 由于缺氧
12、及活性氧的损伤最终导致内皮细胞破坏、水肿及功能障碍，造成毛细血管阻塞，出现局部缺血区无复流现象。,内皮细胞,再灌注期激活的血管内皮细胞分泌内皮源性舒张因子(主要是一氧化氮,NO)障碍，而分泌血管收缩物质(内皮素，ET)增加，导致冠脉血管收缩、血小板聚集，加重心肌缺血和损伤。有研究表明，缺血再灌注发生的内皮细胞功能障碍及NO 合成减少是导致中性粒细胞聚集的触发因素。,血管内皮细胞和中性粒细胞间的相互作用Interaction between Endothelial Cells and Neutrophils,再灌注时:,Mechanisms Mediating Increased Leukocy
13、te-Endothelial Adhesion,心肌缺血再灌注损伤与细胞凋亡,细胞死亡分为细胞坏死和细胞凋亡 细胞坏死是一种以细胞膜损伤为特征的被动死亡过程，可以引起明显的炎症反应 。 细胞凋亡是指细胞在自身基因调控下启动其内部机制而发生的一种主动性死亡的过程,凋亡细胞的特征表现为核固缩,染色质聚集,染色质DNA片段化,胞质浓缩,凋亡小体的形成等.,心肌缺血再灌注的细胞凋亡发生机制,机制尚未十分明确, 可能与以下因素有关: 中性粒细胞学说。 研究发现,大鼠缺血45min 再灌注4h 导致的凋亡心肌细胞中,用髓过氧化酶活性来测定中性粒细胞的含量,发现其含量为正常心肌组织3 倍多,持续长时间缺血心
14、肌发生凋亡的同时也发现中性粒细胞明显增多,其它实验也证实,缺血再灌注所致的心肌凋亡中大量中性粒细胞聚集;,心肌缺血再灌注的细胞凋亡发生机制,钙稳态失衡学说。 心肌缺血再灌注, 引起了钙稳态的严重失衡。内质网中的Ca2 + 浓度决定着内质网的功能,如蛋白质的合成、运输、转换。缺少Ca2 + ,这些功能下降使细胞生长受到抑制。另外内质网钙的耗竭削弱了蛋白质的翻译过程,而且在细胞分裂的关键时刻不能释放出足够的Ca2 + ,以发挥刺激因子的作用促进有丝分裂的进行,使细胞生长周期停滞于G0 期。另外内源性细胞脱氧核糖核酸酶贮存于肌浆网中,肌浆网中Ca2 + 的耗竭可引起此酶的释放而进入核内从而降解DNA 发生凋亡;,心肌缺血再灌注的细胞凋亡发生机制,Fas 抗原的表达。 此抗原属于肿瘤坏死因子( TNF) 与神经生长因子(NGF) 受体家族,其配体是膜结合细胞因子及一些相关蛋白家族成员,与其配体结合可诱导凋亡的发生; 。,心肌缺血再灌注的细胞凋亡发生机制,氧自由基 研究发现,具有抗氧化作用的受体阻滞剂Carvedilol 在在体兔缺血前给予预处理,然后缺血30min ,再灌4h ,结果发现,预处理组比对照组凋亡细胞数目明显下降,说明OFR 在凋亡中发挥着重要作用。,细胞凋亡的死亡受体通路和线粒体通路模式图,
