第三节 组织或器官缺血再灌注损伤
循环停滞性缺氧是临床最常见的一类缺氧，其对组织或器官的损伤，往往在缺血期较小，主要发生于缺血后的再灌注期，为了使高压氧在对缺血再灌注损伤治疗中具有更强的针对性，避免增加损伤，有必要对组织或器官的缺血再灌注损伤概况有所了解。
近年来，随着休克治疗的进步，如休克时微循环的疏通，冠状动脉痉挛的缓解等；一些新医疗技术的应用，如动脉搭桥术、溶栓疗法、经皮腔内冠脉血管成形术；以及心外科体外循环、心肺脑复苏、断肢再植和器官移植等方法的应用和推广，使许多组织器官缺血后重新得到血液灌注。多数情况下，缺血后再灌注可使组织器官功能得到恢复，损伤的结构得以重塑，患者病情好转康复；但是，有时缺血后再灌注，不仅不能使组织、器官功能恢复，反而会加重组织、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）。
现已证实，心、脑、肝、肾、肺、胃肠道、肢体及皮肤等多种组织器官都存在缺血再灌注损伤的现象。在对其发生机制的实验研究中发现，以无钙溶液灌流离体大鼠心脏2min后，再以含钙溶液灌流时，心肌电信号异常、心脏功能、代谢及形态结构发生异常变化，这种现象称为钙反常（calcium 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，称为氧反常（oxygen 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，但在再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而加重细胞损伤，称为pH反常（pH paradox）。这些提示了钙、氧和pH可能参与再灌注损伤的发生发展。
一、缺血再灌注损伤的形成条件
并不是所有缺血的器官在血流恢复后都会发生缺血再灌注损伤，许多因素可以影响其发生及其严重程度，常见的影响因素如下：
1.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，反而不会产生再灌注损伤。例如，阻断大鼠左冠状动脉5～10min，恢复血供后心律失常的发生率很高。短于2min或超过20min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40min，全脑血流阻断一般为30min，肝脏一般为45min（部分肝血流阻断），肾脏一般为60min，小肠大约为60min，骨骼肌可达4h。
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，经恢复血流后进一步加重或转化为不可逆性损伤。
2.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。
3.需氧程度
因氧易接受电子，形成的氧自由基增多，因此，对氧需求高的组织，容易发生再灌注损伤，如心，脑等。
4.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、pH值以及电解质的浓度都与再灌注损伤密切相关。再灌注压力愈高，造成的再灌注损伤愈严重；适当降低灌注液的温度、pH值，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。
二、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阐明。目前认为自由基的作用、细胞内钙超载和白细胞的集聚与激活是缺血再灌注损伤的重要环节。
1.黄嘌呤氧化酶形成增多
黄嘌呤氧化酶（xanthene oxidase，XO）的前身是黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，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，大量氧分子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O2·和H2O2，后者再在金属离子参与下形成更为活跃的·OH。因此，再灌注时组织内O2·、·OH、H2O2等活性氧大量增加。
2.中性粒细胞集聚及激活
中性粒细胞（neutrophils）在吞噬活动时耗氧量显著增加，所摄取的氧绝大部分经细胞内NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化，接受电子型氧自由基，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生成抗氧化剂不足时，中性粒细胞形成的氧自由基就可损害组织细胞。缺血再灌注时，由黄嘌呤氧化酶的作用所产生的自由基起原发的、主要的作用，这些自由基作用于细胞膜后产生的物质如三烯及补体系统激活产生的C3片段等，具有很强的趋化活性，可吸引大量中性粒细胞集聚激活。尤其再灌注期间组织重新获得O2，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生氧自由基，即呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发（oxygen burst），而进一步造成组织细胞损伤。
3.细胞内钙超载
多数研究认为，细胞内钙超载发生在再灌注期，且是钙离子内流增加，而不是钙离子外流减少所造成的，主要原因是缺血再灌注引起Na+-Ca2+交换蛋白反向转运增强。
三、缺血再灌注损伤的防治
缺血再灌注损伤的发生机制目前尚不十分清楚，故再灌注损伤的防治尚处于实验研究和临床试验观察阶段。目前认为，缺血再灌注损伤的防治应从以下几个方面着手。
1.消除缺血原因，尽早恢复血流
这是预防再灌注损伤的首要环节。针对缺血原因，采取有效措施，尽可能在发生再灌注损伤所需的缺血时间之前恢复血流，减轻缺血性损伤，避免严重的再灌注损伤。在黄金时间窗口期应用高压氧治疗，可尽早恢复缺血组织器官的供氧，以减轻损伤。
2.控制再灌注条件
采用适当低温、低压、低pH值、低流、低钙、低钠及高钾液灌注可减轻再灌注损伤。低压、低流灌注可避免原缺血组织中氧和液体量急剧增高而产生大量自由基及引起组织水肿；适当低温灌注有助于降低缺血组织代谢率，减少耗氧量和代谢产物的堆积；低pH值灌注可减轻细胞内液碱化，抑制磷脂酶和蛋白酶对细胞的分解，降低Na+-Ca2+交换的过度激活；低钙液灌注可减轻因钙超载所致的细胞损伤；低钠液灌注有利于细胞肿胀的减轻；高钾液灌注能减轻因再灌注引起的原缺血组织大量钾的丢失程度。
3.改善缺血组织代谢
缺血组织有氧代谢低下，酵解过程增强，因而补充糖酵解底物如酸己糖有保护缺血的作用；外源性ATP作用于细胞表面与ATP受体结合，可使细胞膜蛋白磷酸化，有利于细胞膜功能恢复，并可穿过细胞膜进入细胞直接供能；针对缺血时线粒体损伤所致的氧化磷酸化受阻，可以应用氢醌、细胞色素等进行治疗，延长缺血组织的可逆性改变期限。实验证明，细胞色素C能增加线粒体ADP磷酸化；醌类化合物则能加速电子传递或将电子直接传递给氢。当然，纠正酸中毒也是改善缺血组织代谢、减轻再灌注损伤的重要措施之一。
4.清除自由基
自由基的产生是有机体在正常或病理条件下的常见现象，在进化过程中也形成了一系列对抗自由基、防止其损伤的系统。这一防护系统主要有两大类：低分子自由基清除剂及酶性自由基清除剂。
（1）低分子清除剂：
①存在于细胞脂质部分的自由基清除剂，如维生素E（α生育酚）、维生素A（β胡萝卜素）等；②存在于细胞内外水相中的自由基清除剂，如半胱氨酸、维生素C（抗坏血酸）、还原型谷甘肽（GSH）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）等。这些自由基清除剂，能提供电子使自由基还原，如维生素E能还原O2·、1O2及脂性自由基等；维生素C具有相同的作用，而且可协助维持维生素E处于有活性的还原状态；维生素A是1O2的有效清除剂并能抑制脂质过氧化，与维生素E有协同作用；细胞质中的GSH与NADPH在CAT、GSH-PX等抗氧化酶的协同作用下，能还原H2O2、过氧化脂质、二硫化物及某些自由基。
（2）酶性清除剂：
主要有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）及铜蓝蛋白（ceruloplasmin）等。
5.减轻钙超载
以往的实验证明：在再灌注前或再灌注即刻使用钙通道阻滞剂（如维拉帕米等），可减轻再灌注期间细胞内钙超载和维持细胞的钙稳态，可根据病情适当选用。近年来，研究表明，应用Na+-H+交换蛋白及Na+-Ca2+交换蛋白抑制剂可以更有效地防止钙超载的发生。
6.中性粒细胞抑制剂的应用
采用中性粒细胞抗血清或抗中性粒细胞代谢药羟基脲，可明显缩小缺血再灌注后心肌的梗死面积。进一步研究表明，非甾体抗炎药物、脂氧化酶和环氧化酶抑制剂、前列环素及抑制中性粒细胞黏附的单克隆抗体均有减轻缺血再灌注损伤的作用。
7.细胞保护剂的应用
有学者提出了细胞保护的概念，即某些因素或药物，不是通过改变器官组织的血流量，而是直接增强组织、细胞对内环境紊乱的耐受力而产生细胞保护作用。许多内、外源性细胞保护剂应用于缺血再灌注损伤，收到了良好的效果，如牛磺酸、金属硫蛋白等，具有抗脂质过氧化、调节Ca2+及溶酶体膜的作用。
8.其他
以往研究表明，缺血预处理（ischemic preconditioning，IPreC）对缺血再灌注损伤脏器有一定的保护作用，而且它的保护作用具有器官普遍性，其机制可能与其对“触发因子-调节介质-终末效应器”通路的影响有关。近年来，动物实验结果显示，缺血后处理（ischemic postconditioning，IPostC）对心肌及其他脏器缺血再灌注损伤也有较好的防治作用，其作用机制尚不清楚。另外，细胞间黏附分子单克隆抗体、肿瘤坏死因子单克隆抗体、甘露醇，前列腺素E及L-精氨酸等均有一定的抗缺血再灌注损伤作用。
对于一些可能遭受缺血再灌注损伤的患者，可提前采用高压氧治疗，在治疗出舱后的短时间内，产生一种相对缺氧状态，可能具有缺氧预适应的效果。