缺血-再灌注损伤
在缺血基础上恢复血流后组织损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血-再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury)。
缺血再灌注损伤出现了钙反常、氧反常和pH反常现象，提示钙-氧和pH的异常变化是损伤的主要因素和发生机制。
  • 钙反常(calcium paradox)：以无钙溶液灌流离体大鼠心脏2min后再以含钙溶液灌注时，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。
  • 氧反常(oxygen paradox)：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。
  • pH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。
缺血再灌注损伤的常见原因：
  • 组织器官缺血后恢复血液供应，如休克时微循环的疏通、心肺复苏。
  • 新的医疗技术应用，如经皮冠状动脉介入术(PCI)、溶栓疗法、体外循环下心内直视手术等。
  • 断肢再植和器官移植等。
缺血再灌注损伤的影响因素：
  • 缺血时间。缺血时间短，无明显的再灌注损伤；缺血时间长，发生不可逆损伤，反而不会出现再灌注损伤。
  • 组织器官。对氧的依赖程度越高的器官越容易发生缺血再灌注损伤，如心、脑。
  • 侧支循环的形成(collateral circulation)，可缩短组织器官的缺血时间和减轻缺血程度。
  • 再灌注条件，包括灌注液的压力、温度、pH等。

1 缺血再灌注损伤的发生机制

1.1 自由基损伤作用

自由基(free radical)是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。包括氧自由基(oxygen free radical, OFR)，如超氧阴离子(superoxide anion)；脂性自由基，如烷自由基、烷氧自由基；其他自由基。
单线态氧(singlet oxygen)（氧分子外层电子轨道上两个不配对的电子发生反向自旋改变）和过氧化氢(hydrogen peroxide, H2O2)虽不是自由基，但氧化作用很强，常与氧自由基共同称为活性氧(reactive oxygen species, ROS)；基态氧(O2)虽然属于自由基（双自由基），但化学活泼性并不强，有时不认为是活性氧。
机体内活性氧产生过多或清除减少，可导致体内氧化损伤与抗氧化防御之间平衡紊乱，引发氧化应激反应(oxidative stress)。

1.1.1 自由基的代谢

生理情况下，自由基的产生与清除维持动态平衡。
  • 自由基的产生：氧通常是通过细胞色素氧化酶系统接受4个电子还原成水，但有1%~2%的氧接受一个电子生成超氧阴离子，或再接受一个电子生成过氧化氢，接受三个电子则生成羟自由基。
  • 自由基的清除
    • 酶性抗氧化剂：超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)（根据辅基不同分为Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、 Fe-SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-PX)和过氧化氢酶(catalase, CAT)等。
    • 非酶性抗氧化剂：主要包括维生素E、C、A和泛醌等。

1.1.2 缺血再灌注损伤导致自由基增多

  • 线粒体电子传递链受损。缺血缺氧时，细胞内ATP减少，ATP依赖的Ca2+泵运转障碍，Ca2+进入线粒体增多。
    • 导致线粒体氧化磷酸化功能障碍，细胞色素氧化酶系统功能失调，电子传递链受损，以致再灌注时进入细胞内的氧分子形成活性氧增多。
    • 导致Mn-SOD活性降低，自由基清除减少。
  • 血管内皮细胞黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)增多。组织缺血时，一方面因为Ca2+进入细胞激活Ca2+依赖性蛋白水解酶，使黄嘌呤脱氢酶(XD)转化为XO；另一方面因ATP分解生成次黄嘌呤(hypoxanthine)。再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织，XO催化次黄嘌呤生成黄嘌呤，继而又将黄嘌呤转化为尿酸，这两个过程都会释放出大量电子，被氧分子接受后产生大量的活性氧。
  • 中性粒细胞呼吸爆发(respiratory burst)。中性粒细胞在吞噬活动时被激活，耗氧量显著增加，摄入的O2大部分在NADPH氧化酶和NADH氧化酶催化下接受电子产生氧自由基，用于杀灭病原微生物。
  • 儿茶酚胺自身氧化。过多的儿茶酚胺可通过自身氧化产生大量氧自由基。
  • 诱导型一氧化氮合酶表达增强。中性粒细胞和单核细胞未激活时有诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)的低表达，缺血再灌注损伤导致白细胞激活后iNOS表达上调，导致NO·等自由基的生成。内皮型一氧化氮合酶在四氢叶酸缺乏时亦催化自由基生成。

1.1.3 自由基引起组织损伤

自由基的化学性质极为活泼，可与各种细胞成分发生反应，造成细胞结构损伤和功能代谢障碍。
  • 膜脂质过氧化增强：膜磷脂富含多价不饱和脂肪酸，易发生脂质过氧化(lipid peroxidation)，是自由基损伤细胞的早期表现。
    • 细胞膜结构破坏。
    • 细胞器膜结构破坏，包括线粒体功能抑制（减少ATP生成）、溶酶体破裂释放溶酶体酶、肌质网钙泵活性降低导致细胞内钙超载。
    • 脂质信号分子异常。肌醇磷脂的过氧化可使前列腺素(PG)、IP3和DAG等生成障碍，从而导致细胞信号转导异常。
    • 促进自由基及其他生物活性物质的生成。
    • 间接抑制膜蛋白功能。
  • 蛋白质结构与功能受损。
    • 直接抑制作用：使巯基氧化形成二硫键，也可使氨基酸残基氧化，严重影响蛋白质的结构和功能。
    • 间接抑制作用：脂质过氧化可使膜脂质发生交联、聚合，从而间接抑制钙泵、钠泵、钠钙交换体等的功能，导致钙超载和细胞肿胀等。
  • 核酸和染色体功能异常。

1.2 钙超载

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(calcium overload)。正常状态下维持细胞内外钙浓度差的机制有：
  • 细胞膜对Ca2+的低通透性。
  • 细胞膜上的钙泵和钠钙交换体。
  • 肌质网和线粒体膜上的钙泵和钠钙交换体。
  • 钙与特殊配基形成可逆钙复合物。

1.2.1 缺血再灌注损伤导致钙超载

细胞内钙超载主要发生在再灌注期，主要原因是钙内流增加。
  • 钠钙交换异常，反向转运增强。
    • 直接激活：缺血时ATP生成减少，钠钾泵运转障碍，细胞内Na+含量明显升高。再灌注时胞内高Na+除激活钠泵外还激活钠钙交换蛋白的反向转运。
    • 间接激活：缺血时由于无氧酵解增强使H+生成增多，导致组织间液和细胞内酸中毒。再灌注时细胞外H+浓度迅速下降，细胞内外形成显著的pH梯度差，激活细胞膜的H+-Na+交换蛋白，细胞内Na+浓度增加，继发性激活钠钙交换蛋白反向转运。此外PKC活化也通过激活H+-Na+交换蛋白间接激活钠钙交换蛋白的反向转运。
  • 儿茶酚胺增加。一方面作用于α受体，促进肌质网钙释放通道开放和H+-Na+交换，另一方面作用于β受体，增加L型钙通道的开放。
  • 生物膜损伤。
    • 细胞膜损伤：对Ca2+的通透性增加，再灌注时Ca2+顺浓度差大量进入细胞内。细胞内Ca2+增加可激活磷脂酶，促使膜磷脂降解，进一步增加细胞膜对Ca2+的通透性，形成恶性循环。再灌注时生成大量的自由基，加重细胞膜损伤。
    • 肌浆网膜与线粒体膜损伤：钙泵功能障碍使肌浆网对Ca2+的摄取减少，导致细胞内Ca2+浓度升高；大量钙盐沉积于线粒体，造成线粒体氧化磷酸化障碍，ATP生成减少，细胞膜和钙泵能量供应不足，引起钙超载；自由基的损伤及膜磷脂的降解也使线粒体膜损伤，使ATP生成进一步减少。

1.2.2 钙超载引起组织损伤

  • 线粒体损伤。
    • 胞质内Ca2+明显增多，刺激线粒体钙泵摄钙，线粒体因此消耗大量ATP。
    • 进入线粒体的Ca2+形成不溶性磷酸钙，干扰线粒体的氧化磷酸化，使ATP生成减少，活性氧产生增多和清除减少。
    • 线粒体通透性转换孔(mPTP)开放，线粒体膜通透性增加，线粒体内的细胞色素c等促凋亡物质进入胞质，激活caspase-9及caspase-3，诱导细胞凋亡。
  • 钙依赖性蛋白酶激活。
    • 激活磷脂酶，促使膜磷脂降解，造成细胞膜结构受损。
    • 激活Ca2+依赖性蛋白水解酶，催化次黄嘌呤生成黄嘌呤，继而转化为尿酸，释放出大量电子，导致活性氧的产生增加。
    • 激活某些ATP酶，导致高能磷酸盐分解，加重细胞内酸中毒。
    • 激活胞内的蛋白酶，使细胞膜和结构蛋白分解。
  • Ca2+通过促进XD-XO转化和线粒体功能受阻导致自由基增加，

1.3 白细胞损伤作用

1.3.1 缺血再灌注损伤白细胞聚集和激活

  • 黏附分子表达增加。整合素、选择素等导致局部中性粒细胞增多聚集，促使中性粒细胞黏附、滚动、游出到细胞间隙。
  • 趋化因子产生增多，吸引大量白细胞进入损伤组织。

1.3.2 白细胞聚集和激活引起组织损伤

  • 微血管壁通透性增高和微循环阻塞。白细胞的趋化、聚集、激活可合成与释放大量致炎物质，导致组织炎症反应过度激活，炎症反应引起微血管床及血液流变学改变进而产生无复流现象(no-reflow phenomenon)。无复流现象是缺血再灌注损伤中微循环障碍的主要表现。
    • 致炎物质增加微血管壁通透性，引发组织水肿，导致血液浓缩。
    • 损伤的血管内皮细胞在再灌注时细胞肿胀，导致管腔狭窄。
    • 白细胞黏附在血管内皮细胞上不易分离，易嵌顿堵塞。
  • 细胞损伤。激活的中性粒细胞课释放大量的ROS和各种蛋白水解酶及促炎细胞因子，导致组织细胞损伤。

2 心肌缺血再灌注损伤的变化

2.1 心功能变化

  • 心肌舒缩功能降低。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的可逆性舒缩功能降低的现象。自由基爆发性生成和钙超载是主要发病机制。只要时间充足则可以恢复。
  • 电生理紊乱。缺血期ST段抬高、R波增高，再灌注期ST段不抬高、R波降低、出现病理性U波。再灌注性心律失常(reperfusion arrhythmia)指缺血心肌再灌注过程中出现的心律失常，以室性心律失常居多。
    • 再灌注时缺血区和非缺血区、缺血区内部的心肌细胞动作电位时程不均一，增强兴奋折返。
    • 钙超载，导致一过性内相电流，引发延迟后除极。

2.2 心肌能量代谢变化

长时间的缺血再灌注时，由于自由基和钙超载等对线粒体的损伤使心肌能量合成减少。加之再灌注血流的冲洗，合成高能磷酸化合物的底物不足，造成心肌能量合成进一步降低。

2.3 心肌细胞超微结构变化

主要表现为心肌细胞线粒体的改变，包括线粒体数目减少、线粒体肿胀、空泡化、线粒体嵴减少或消失、颗粒密集、线粒体内外膜断裂等。此外还可出现肌原纤维断裂，收缩带坏死和横纹消失，内质网扩张空泡化等。

3 缺血再灌注损伤的防治

  • 尽早恢复血流，缩短缺血时间。
  • 采用低压、低温、低钙再灌注液。
  • 改善能量代谢：补充糖酵解底物和外源性ATP，纠正酸中毒。
  • 抗氧化治疗。
  • 减轻钙超载：应用钙通道阻滞药、钠钙交换抑制剂。
  • 中性粒细胞抑制剂。

参考资料

[1] 臧伟进，吴立玲主编：心血管系统，人民卫生出版社，2015