第三节　缺血/再灌注损伤的机制

　　关于再灌注损伤的发生机制问题，到目前为止，学说虽多而且有的学说也颇为有力，便尚未得到彻底阐明。兹介绍如下：

　　一、无复流现象

　　无复流现象（no-reflow phenomenon）是在犬的实验中发现的。结扎犬的冠状动脉造成局部心肌缺血后，再打开结扎的动脉，使血流重新开放，缺血区并不能得到充分的灌注，故称此现象为无复流或无再灌。这种无复流现象不仅见于心肌，而且也见于脑、肾骼肌缺血后再灌注时。即再灌注损伤实际上是缺血的延续和叠加，缺血细胞并未能得到血液灌注，而是继续缺血，因而损伤加重。所以发生无复流现象，可能与下列因素有关（以心肌为例）：

　　（一）心肌细胞肿胀 由于缺血引起细胞膜Na⁺-K⁺泵功能障碍，从而使钠、水在细胞内潴留，因而再灌注时缺血区心肌细胞发生肿胀，压迫微血管。

　　（二）血管内皮细胞肿胀 缺血及再灌注时也发生内皮细胞肿胀，内皮细胞向管腔伸出突起造成管腔狭窄，阻碍血液灌流。内皮细胞的肿胀与氧自由基的增多有关，因为氧自由基可以使血管内皮细胞膜受损，水钠乃进入内皮细胞而引起细胞水肿。

　　（三）心肌细胞的收缩缺血所致的心肌细胞收缩形成严重收缩带，压迫微血管，使缺血区某部分得不到血液重新灌注。心肌细胞的肿胀与收缩带可同时存在。

　　（四）微血管堵塞　Feinburg及其同事曾证明，缺血一定时间后血管内血小板的沉积增加2倍。又证明心肌及肠管缺血后的无复流区内白细胞（主要是中性粒细胞）的聚集明显增加，从组织学上可见白细胞嵌顿、阻塞毛细血管。正常灌注情况下，每2433μm到3261μm长的毛细血管可发现一个白细胞，而在缺血时增加10倍，平均292μm长的毛细血管即有一个白细胞。缺血时红细胞作叠连状聚集，但这不是血管阻塞的主要原因。因为叠连状红细胞的解聚较白细胞与内皮细胞粘着的分离要容易得多。此外也有人解释无复流现象是由于纤维蛋白塞和微血栓形成所致。但有人在再灌前用链激酶进行纤溶并未减轻无复流现象。

　　微血管的堵塞还与花生四烯酸的代谢产物前列环毒（PGI₂）和血栓素A₂（TXA₂）之间的失衡密切相关。PCI₂主要由血管内皮生成，除了有很强的扩血管作用以外，还能抑制血小板的聚集。TXA₂主要由血小板生成，不仅是很强的缩血管物质，而且也是一种引起血小板聚集的因子，因此是一个很强的致血栓形成的物质。缺血缺氧时，一方面因为血管内皮细胞受损而致PCI₂生成减少，另方面缺氧又可使血小板释放TXA₂增多，因而发生强烈的血管收缩和血小板的聚集并进一步释放TXA₂，从而促使血栓形成和血管堵塞。动物实验也证明，应用TXA₂合成酶抑制药可以使缺血/再灌注以后的冠脉血流改善。

　　二、钙超载

　　如前所述，钙反常（无钙灌流后用含钙溶液再灌注）时细胞内钙超载，引起严重的功能及结构障碍。钙反常的原因不甚明了，但主要的损伤是在无钙灌流期出现的细胞膜外板（external lamina）与糖被膜（glycocalyx）表面的分离（两者由Ca²⁺连结在一起）。细胞膜的这种损伤为再灌注时钙的大量内流提供了条件。在长期缺血缺氧后再给氧或再灌注时也可引起细胞内钙超载。

　　缺血后再灌注时细胞内钙超载的机制尚无定论，但可能与下列因素有关，如图11－1哺乳类钙代谢模式图所示：

图11－1 哺乳类细胞钙代谢模式图

　　①电压依赖性钙通道；②质膜钙泵ATP酶；③Na⁺-Ca²⁺交换；④线粒体；⑤肌浆网；⑥细胞内蛋白或阴离子结合的钙；⑦膜磷脂的极性头部；⑧结合于质膜糖被的钙

　　（一）钠的平衡障碍 有人证明，再灌注时钙超载是由于钠平衡障碍所致。因为在缺血缺氧时发生了细胞酸中毒，细胞内pH值降低，所以在再灌注时细胞内外形成pH梯度差，由于Na⁺-H⁺交换，致细胞内钠增加，然后又依Na⁺-Ca²⁺交换机制使细胞外钙大量内流造成细胞钙超载。

　　（二）细胞膜通透性增高缺血缺氧引起的细胞酸中毒在再灌注时通过细胞内外Na⁺-H⁺交换和Na⁺-Ca²⁺交换而使细胞内钙增加，而细胞内钙增加可激活磷脂酶，使膜磷脂降解，细胞膜通透性增高，故在灌注时细胞外钙顺着浓度梯度而大量内流，细胞膜通透性增高的更重要的原因可能是再灌注时氧自由基的大量产生。氧自由基可引发细胞膜的脂质过氧化，使膜受损，通透性增高。

　　（三）线粒体受损 有些学者认为原发性损伤在于线粒体。如所周知，缺血时线粒体结构的功能障碍出现最早，表现为线粒体肿胀、嵴断裂。线粒体膜流动性降低，氧化磷酸化功能受损ATP生成障碍。因此，使上述损伤更为严重。

　　ATP减少使肌膜及肌浆网膜钙泵功能障碍，由于钙泵功能障碍不能排出和摄取细胞浆中过多的钙，致使细胞浆中游离钙浓度增加而造成钙超载。细胞浆中过多的钙最终形成磷酸盐沉积于线粒体，使线粒体结构及功能更加破坏。

　　细胞钙超载是再灌注损伤的一个重要特征，但目前，仍未能搞清它究竟是再灌注损伤的原因抑制或结果。

　　三、白细胞的作用

　　白细胞（主要是中性粒细胞）出现于梗塞的心肌中已为尸检所证实。1984年Mullane及其同事证明，冠状动脉堵塞60分钟时心肌组织就有白细胞出现，5小时后在缺血区有大量的白细胞聚集。根据Engler及其同事的研究，再灌注时白细胞数非但不减少反而增加。以犬心肌缺血为模型，再灌注仅5分钟，心内膜中性粒细胞就增加25％，缺血轻的组织白细胞聚集也少。

　　组织缺血和再灌注时白细胞浸润增加的机制还不十分清楚。可能是由于组织受损时，细胞膜磷脂降解，花生四烯酸代谢产物增多，其中有些物质具有很强的趋化作用，因而就能吸引大量白细胞进入组织或粘附于血管内皮，而白细胞本身又能释放很多具有趋化作用的炎性介质，如白三烯之一的LTB₄,从而使微循环中白细胞进一步增加。

　　白细胞积聚对组织的损伤作用在于：

　　（一）嵌顿、堵塞毛细血管有助于形成无复流现象。微动脉及微静脉亦有大量白细胞粘附于内皮细胞，虽不一定堵塞血流，但粘附的白细胞仍可损伤组织并释放趋化因子从而吸引更多的细胞。

　　（二）白细胞可以增加血管通透性，水肿组织的含水量与白细胞密度呈正相关，说明白细胞可能引发水肿。白细胞增加血管通透性、引发水肿的机制与白细胞释放的某些炎症介质有关。

　　（三）激活的中性粒细胞释放溶酶体酶，可使组织发生蛋白水解性破坏和液化。

　　（四）中性粒细胞可通过产生氧自由基而损伤组织。

　　白细胞在缺血再灌注损伤的作用，可被以下实验结果证明：

　　1．用除去白细胞的血液进行再灌注，可以防止水肿产生并减轻再灌性损伤。

　　2．抗炎药减轻组织白细胞浸泣，可缩小梗塞面积。实验证明布洛芬（ibuprofen）对心肌具有保护作用，主要是由于抑制白细胞浸润的作用所致。

　　3．用补体抑制药降低补体，从而减少白细胞浸润，可能减轻组织损伤。丝氨酸蛋白酶抑制药，可以缩小心肌梗塞，而这种酶恰是一种在心肌缺血时能激活补体的酶。因此这种酶的抑制药，可通过抑制补体的激活而抑制白细胞浸润，从而减轻心肌损伤。

　　四、高能磷酸化合物的缺乏

　　心肌正常情况下以有氧代谢形式生成三磷酸腺苷（ATP）供作功需要。心肌缺血时则转为无氧代谢为主，ATP合成减少，以致心舒缩功能障碍。在犬的实验中证明，心肌严重缺血15分钟（结扎冠状动脉左旋支），心肌发生可逆性损伤。此时如果得到血液再灌注，则细胞并不死亡。但有很多报告指出，短时间缺血后，收缩功能长时间不能恢复。究其原因，多认为与ATP水平的低下有关。研究证明缺血15分钟时不仅ATP减少60％。总腺苷酸池也减少50％。ADP也轻度减少（可能转为ATP或AMP），AMP明显升高，但其升高程度小于ATP减少辐度。再灌注20分钟ATP明显回升，但只接近正常的一半，再灌注24小时仍然维持在低水平上，只有在再灌注4天后ATP及总腺苷池才近于恢复，但仍低于非缺血区（图11－2）。

图11－2 心肌缺血/再灌注时ATP、Ca²⁺、K⁺的变化

　　以大鼠离体作功心脏为模型（Neely氏模型），先在20℃低温下给心脏停跳液，再短时间全心缺血（夹住主动脉）后，再灌注生理溶液。结果是给停跳液30分钟再缺血30分钟后，ATP几乎完全丧失，ADP明显减少，AMP明显增加，总腺苷酸量显著降低。再灌注60分钟可使ATP明显回升，但不及正常对照的一半，而总腺苷酸量则明显低于给停跳液后，比正常对照减少50％。上述研究提示缺血及再灌注损伤的心肌有氧代谢性发生严重损伤，影响能量代谢及心肌功能的恢复。

　　再灌注时高能磷酸化合物之所以恢复慢且总腺苷酸水平明显下降，可能与下列因素有关。

　　（一）缺血心肌的代谢障碍主要表现为对氧的利用能力受限，有氧代谢严重受损。在缺血进入不可逆阶段再灌注时，氧的利用并不增加，心肌只能利用运至心肌的氧的17％。氧的利用能力受限与缺血及再灌注所致线粒体受损有关。

　　（二）ATP合成的前身物质（腺苷、肌苷、次黄嘌呤等）在再灌时被冲洗出去，使心肌失去再合成高能磷酸化合物的物质基础。实验证明在再灌注液中补充肌苷或谷氨酸能促进ATP的合成及心功能的恢复。

　　3.线粒体膜发生氧自由基诱发的脂质过氧化反应使线体受损。线粒体膜富有磷脂，线粒体在缺氧时又是产生自由基的场所，因此极易引起膜脂过氧化使线粒体功能障碍。

　　五、自由基的作用

　　自由基（free radical）是具有一个不配对电子的原子和原子团的总称。由氧诱发的自由基称为氧自由基或活性氧，如超氧阴离子（O₂）、羟自由基（OH·）及单线态氧（¹O₂，激发态放出一个光子）等非脂性自由基。H₂O₂非自身基，但也是一种氧化作用很强的活性氧。氧自由基与多聚不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物烷自由基（L·）、烷氧基（LO·）、烷过氧基（LOO·）等属于脂性自由基。氧自由基和脂性自由基的性质极为活泼，易于失去电子（氧化）或夺取电子（还原），特别是其氧化作用强，故具有强烈的引发脂质过氧化的作用。在生理情况下，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，同时释放能量，但也有1～2％的氧接受一个电子生成O_2，或再接受一个电子生成H₂O₂。但由于细胞内存有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（glrtathione peroxidase, GSH-PX）等抗氧化酶类可以及时清除它们，所以对机体并无有害影响。在病理条件下，由于活性氧产生的过多或抗氧化酶类活性下降，则可引发链式脂质过氧化反应损伤细胞膜系并进而使细胞死亡。

　　（一）细胞内氧自由基的生成

　　分子氧在线粒体细胞色素氧化酶系统中接受一个电子而被还原生成O₂。

O₂^e- → O₂^-