第一节 概述
一、缺血-再灌注损伤的概念
近年来，随着休克治疗的进步以及动脉搭桥术、溶栓疗法、心脏外科体外循环、心肺脑复苏、断肢再植和器官移植等方法的建立和推广应用，使许多组织器官缺血后重新得到血液再灌注。多数情况下，缺血后再灌注可使组织器官功能得到恢复，损伤的结构得到修复，患者病情好转康复；但有时缺血后再灌注，不仅不能使组织、器官功能恢复，反而加重组织、器官的功能障碍和结构损伤。这种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 ），又称再灌注损伤（reperfusion injury）。
二、缺血-再灌注损伤的原因
凡能引起重新恢复血流而导致组织损伤的因素，都可能成为再灌注损伤的发生原因。
常见的有：
（1）组织器官缺血后恢复血液供应 如休克时微循环的疏通、冠状动脉痉挛的缓解等。
（2）一些新的医疗技术的应用 如动脉搭桥术、溶栓疗法、经皮腔内冠脉血管成形术等。
（3）体外循环下心脏手术。
（4）心脏骤停后心、肺、脑复苏。
（5）其他 断肢再植和器官移植等。
第二节 缺血-再灌注损伤的影响因素
一、缺血时间
首先影响再灌注损伤的是缺血时间。缺血时间短，恢复血供后可无明显的再灌注损伤，因为所有器官都能耐受一定时间的缺血。缺血时间长，恢复血供则易导致再灌注损伤。若缺血时间过长，缺血器官会发生不可逆性损伤，甚至坏死，反而不会出现再灌注损伤。例如，阻断大鼠左冠状动脉5～10分钟，恢复血供后心律失常的发生率很高，但短于2分钟或超过20分钟的缺血，心律失常较少发生。另外，不同动物、不同器官发生再灌注损伤所需的缺血时间不同，小动物相对较短，大动物相对较长。如家兔心肌再灌注损伤所需的缺血时间一般为40分钟，肝脏一般为45分钟，小肠大约为60分钟，骨骼肌甚至为4小时。
再灌注损伤与缺血时间的依赖关系，提示在缺血过程中组织发生的某些变化，是再灌注损伤发生的基础，再灌注损伤实质上是将缺血期的可逆性损伤经恢复血流转化为不可逆性损伤。
二、侧支循环
缺血后侧支循环容易形成者，可因缩短缺血时间和减轻缺血程度，不易发生再灌注损伤。
三、对氧的需求程度
因氧易接受电子，形成氧自由基增多，因此，对氧需求高者，容易发生再灌注损伤，如心、脑等。
四、再灌注的条件
研究发现，再灌注时的压力大小、灌注液的温度以及电解质的浓度都与再灌注损伤密切相关。再灌注压力越高，造成的再灌注损伤越严重；适当降低再灌注液温度，则能减轻再灌注损伤；减少灌注液中的Ca2＋、Na＋含量，或适当增加K＋、Mg2＋含量，有利于减轻再灌注损伤。
第三节 缺血-再灌注损伤的发生机制
缺血-再灌注损伤的发生机制尚未彻底阐明。目前认为，自由基的作用、细胞内钙超载和白细胞的激活是缺血再灌注损伤的重要发病学环节。
一、自由基的作用（一）自由基的概念和分类
自由基（free radical）是外层电子轨道上有一个或多个不配对电子的原子、原子团和分子的总称。自由基的种类很多，可分为：
1．氧自由基
由氧诱发的自由基称为氧自由基（oxygen free radical，OFR），如超氧阴离子（O－·2）和羟
自由基（OH·），属于非脂性自由基。单线态氧（1O2）及过氧化氢（H2O2）不是自由基，但氧化作用很强，与氧自由基共同组成为活性氧（reactive oxygen species，ROS）。
2．脂性自由基
指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，如自由基（L·）、烷氧自由基（LO·），烷过氧自由基（LOO·）等。
3．其他
如氯自由基（C1·）、甲基自由基（CH3·）、一氧化氮（NO·）等。
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作用。
（二）自由基的代谢
氧分子属于双自由基，因为它的两个外层电子轨道中的每一个轨道都带有一个末配对电子，但两者自旋方向相同。氧分子与还原剂反应即得到两个电子，形成自旋方向相反的电子对。氧分子还原能力有限，反应活性也较低，所以氧在基态情况下是一种相对较弱的氧化剂。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，由于细胞内存在有超氧化物歧化酶（SOD）、谷脱甘肽过氧化物酶（GSH -PX）及过氧化氢酶（CAT）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，进而使细胞死亡。
（二）缺血-再灌注时自由基生成增多的机制
1．黄嘌呤氧化酶的形成增多
黄嘌呤氧化酶（XO）的前身是黄嘌呤脱氢酶（XD）。这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内。正常时只有10%以XO 的形式存在，90%为XD。缺血时，一方面由于ATP 减少，膜泵功能障碍，Ca2＋进入细胞激活Ca2＋依赖性蛋白水解酶使XD 大量转变为XO；另一方面ATP 不能用来释放能量，并依次降解为ADP、AMP 和次黄嘌呤，故在缺血组织内次黄嘌呤大量堆积。再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织，黄嘌呤氧化酶再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，都同时以分子氧为电子接受体，从而产生大量的O－·2和H2O2，后者再在金属离子参与下形成OH·。因此，再灌注时组织内O－·2、OH·等氧自由基大量增加。
2．中性粒细胞的聚集及激活
中性粒细胞（neutrophils）在吞噬活动时耗氧量显着增加，所摄取的氧绝大部分经细胞内的NADPH 氧化酶和NADH氧化酶的作用而形成氧自由基，并用以杀灭病原微生物。
如果氧自由基生成过多或机体清除自由基的酶系统活性不足或抗氧化剂不足时，中性粒细胞形成的氧自由基就可损害组织。在再灌注时，由黄嘌呤氧化酶的作用所产生的氧自由基起原发的、主要的作用；这些自由基作用于细胞膜后产生的具有趋化活性的物质如LTB4等，可吸引大量中性粒细胞到局部聚集，并释放氧自由基等物质，而进一步损害组织。
3．线粒体功能受损
缺氧时细胞内氧分压降低及缺氧使ATP 减少，Ca2＋进入线粒体增多而使线粒体功能受损，细胞色素氧化酶系统功能失调，以致进入细胞内的氧，经单电子还原而形成的氧自由基增多，而经4价还原而形成的水减少。当然，Ca2＋进入线粒体内可使含Mn 的SOD 减少，氧自由基的清除下降，因此氧自由基水平增高。
4．儿茶酚胺的增加和氧化
在各种应激包括缺氧的条件下，交感-肾上腺髓质系统可分泌大量的儿茶酚胺，儿茶酚胺一方面具有重要的代偿调节作用，但另一方面，过多的儿茶酚胺特别是它的氧化产物，往往又成为对机体的有害因素。实验证明，大量的异丙肾上腺素、去甲肾上腺素、肾上腺素均能引起细胞损伤。造成心肌损害的是儿茶酚胺的氧化产物，而非儿茶酚胺本身。儿茶酚胺的氧化能产生具有细胞毒性的氧自由基。肾上腺素代谢产生肾上腺素红的过程中有O－·2产生。
（三）自由基引起缺血-再灌注损伤的机制
自由基具有极为活跃的反应性，能和各种细胞成分（膜磷脂、蛋白质、核酸）发生反应，造成组织细胞严重损伤。
1．膜脂质过氧化增强
自由基同膜脂质不饱和脂肪酸作用引发脂质过氧化反应，使膜结构受损、功能障碍。表现为：
（1）破坏膜的正常结构 脂质过氧化使膜不饱和脂肪酸减少，不饱和脂肪酸／蛋白质的比例失调，细胞膜及细胞器膜如线粒体、溶酶体等液态性、流动性降低及通透性升高，细胞外Ca2＋内流增加。
（2）间接抑制膜蛋白功能 脂质过氧化使膜脂质发生交联、聚合，从而间接抑制膜蛋白如钙泵、钠泵及Na＋／Ca2交换系统等的功能，导致胞浆Na＋、Ca2浓度升高，造成细胞肿胀、钙超载；另外，脂质过氧化可抑制膜受体、G蛋白与效应器的耦联，引起细胞信号转导功能障碍。
（3）促进自由基及其他生物活性物质生成 膜脂质过氧化可激活磷脂酶C、磷脂酶D，进一步分解膜磷脂，催化花生四烯酸代谢反应，在增加自由基生成和增强脂质过氧化的同时，形成多种生物活性物质如前列腺素、血栓素、白三稀等，促进再灌注损伤。
（4）减少ATP 生成 线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能抑制，ATP 生成减少，细胞能量代谢障碍加重。
2．蛋白质功能抑制
在自由基的作用下，由于脂质过氧化作用，胞浆及膜蛋白和某些酶交联成二聚体或更大的聚合物，这种蛋白质的交联使其丧失活性、结构改变，整个细胞丧失功能。
3．核酸及染色体破坏
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。
可见，再灌注能使自由基生成增多，自由基生成增多可加重细胞损伤，两者相互影响，促进再灌注损伤的发生、发展。故自由基是再灌注损伤的极为重要的发病学因素和环节。
二、钙超载
正常时细胞外钙浓度高出细胞内约万倍，这种细胞内外的Ca2＋浓度差的维持是由于：
①细胞膜对钙的低通透性；②钙与特殊配基形成可逆性复合物；③细胞膜钙泵（Ca2＋‐Mg2＋‐ATP 酶）逆电化学梯度将Ca2＋主动转运到细胞外；④通过肌浆网和线粒体膜上的Ca2＋泵和Na＋‐Ca2＋交换将胞浆Ca2＋贮存到细胞器内；⑤通过细胞膜Na＋‐Ca2＋交换，将胞浆Ca2＋转运到细胞外等。再灌注损伤发生时，再灌注区细胞内有过量钙离子积聚，此种现象称为钙超载（calcium overload）。细胞内Ca2＋过量积聚，可引起组织器官严重的功能及结构障碍，且细胞内Ca2＋浓度与细胞受损程度成正相关。
（一）缺血-再灌注时细胞内钙超载的发生机制
再灌注时细胞内钙超载的机制目前尚未完全清楚，可能与下列因素有关。
1．Na＋‐Ca2＋交换异常
Na＋／Ca2＋交换蛋白（Na＋／Ca2＋exchanger）是心肌细胞膜钙转运蛋白之一，在跨膜Na＋、Ca2＋梯度和膜电位驱动下对细胞内外Na＋、Ca2＋进行双向转运，交换比例为3Na＋：
1Ca2＋。生理情况下，Na＋／Ca2＋交换蛋白以正向转运的方式将细胞内Ca2＋转移至细胞外，与肌浆网和细胞膜钙泵共同维持细胞静息状态时的低钙浓度。病理情况下，如细胞内Na＋明显升高或膜正电位等，Na＋／Ca2＋交换蛋白则以反向转运的方式将细胞内Na＋排出，细胞外Ca2＋进入细胞。现已证实，Na＋／Ca2＋交换蛋白反向转运增强是缺血-再灌注损伤时Ca2＋进入细胞的主要途径。
（1）细胞内高Na＋对Na＋／Ca2＋交换蛋白的直接激活 缺血时ATP 生成减少，导致钠泵活性降低，细胞内Na＋含量明显升高。再灌注时缺血细胞重新获得氧及营养物质供应，细胞内高Na＋除激活钠泵外，还迅速激活Na＋／Ca2＋交换蛋白，以反向转运的方式加速Na＋向细胞外转运，同时将大量Ca2＋运入胞浆，从而导致细胞内Ca2＋浓度增加引起细胞损伤。
（2）细胞内高H＋对Na＋／Ca2＋交换蛋白的间接激活 缺血时，由于无氧代谢增强使H＋生成增多，组织间液和细胞内酸中毒，pH 降低。再灌注时，组织间液H＋浓度迅速下降，而细胞内H＋浓度仍然很高，细胞内外形成显着的pH 梯度差，由此激活细胞膜的H＋‐Na＋交换蛋白，促进细胞内H＋排出，细胞外Na＋内流，细胞内Na＋增加。再灌注后，由于恢复了能量供应和pH 值，从而又促进Na＋‐Ca2＋交换，引起胞外Ca2＋大量内流，加重细胞内钙超载。
（3）蛋白激酶C（PKC）活化对Na＋／Ca2＋交换蛋白的间接激活 组织缺血、再灌注时，内源性儿茶酚胺释放增加，一方面作用于α1肾上腺素能受体，激活G蛋白-磷脂酶C（PLC）介导的细胞信号转导通路，促进磷脂酰肌醇（PIP2）分解，生成三磷酸肌醇（IP3）甘油二酯（DG）。其中IP3促进肌浆网释放Ca2＋，DG 经激活PKC 促进H＋‐Na＋交换，进而增加Na＋‐Ca2＋交换，共同使胞浆Ca2＋浓度升高。另一方面儿茶酚胺作用于β 肾上腺素能受体，通过激活腺苷酸环化酶增加L型钙通道的开放，从而促进胞外Ca2＋内流，进一步加重细胞内钙超载。
2．生物膜损伤
细胞膜和细胞内膜性结构是维持细胞内、外以及细胞内各间区离子平衡的重要结构。
生物膜损伤可使其通透性增强，细胞外Ca2＋顺浓度差进入细胞，或使细胞内Ca2＋分布异常，加重细胞功能紊乱与结构破坏。