缺血-再灌注损伤的发生机制尚未彻底阐明，目前认为自由基生成增多、细胞内钙超载和炎症反应过度激活是缺血-再灌注损伤的重要发病机制。

• 一、自由基增多

1. 自由基的概念及分类

自由基(free radical) 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。

自由基的特点：

化学性质非常活泼，易夺取其他物质的一个电子；氧化性强，半衰期短。

2. 自由基的生成与清除

（1）生成

①氧化磷酸化过程中单电子还原

②其他反应中生成

体内的许多酶促反应和非酶促反应可通过单电子转移而产生自由基。

（2）清除

①抗氧化物质

辅酶Q、维生素E、β-胡萝卜素、维生素C、谷胱甘肽等提供电子使自由基还原，清除自由基

②抗氧化酶

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)可歧化生成H2O2

过氧化氢酶( catalase )可清除H2O2

谷胱甘肽过氧化物酶( glutathione peroxidase , GSH-Px)可清除OH·

3. 缺血-再灌注导致自由基增多的机制

（1）线粒体损伤

线粒体是细胞氧化磷酸化反应的主要场所，当缺血缺氧时细胞内氧分压降低、线粒体氧化磷酸化功能障碍，ATP生成减少，Ca2+进入线粒体增多，细胞色素氧化酶系统功能失调，电子传递链受损，SOD、catalase、GSH-Px等抗氧化酶类活性下降，以致再灌阶段进入细胞内的氧经单电子还原而形成的活性氧增多，特别是线粒体内H2O2及OH·生成增多。

（2）中性粒细胞聚集及激活

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，接受电子形成氧自由基，用以杀灭病原微生物。

缺血时，大量中性粒细胞聚集并激活；

再灌注期间，组织重新获得氧，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量的氧自由基，即呼吸爆发或氧爆发，进一步造成组织细胞的损伤。

（3）黄嘌呤氧化酶形成增多

正常情况下黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）占10%，其前身黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase, XD）占90%，这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内。

一方面，缺血组织ATP生成减少，并相继分解为ADP、AMP、腺嘌呤核苷（adenine nucleoside）、次黄嘌呤核苷（hypoxanthine nucleoside）和次黄嘌呤（hypoxanthine）, 次黄嘌呤自身不能代谢生成黄嘌呤（xanthine），因此在缺血组织内大量积聚。

另一方面，ATP缺乏使钙泵功能发生障碍，造成细胞内Ca²⁺大量积聚，激活细胞内Ca²⁺依赖性蛋白水解酶，促使黄嘌呤脱氢酶大量转化为黄嘌呤氧化酶。

再灌注时，大量分子氧随血液进入缺血组织，在黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤生成黄嘌呤，并进而催化黄嘌呤转变为尿酸（uric acid）的两步反应中，都以分子氧为电子接受体，生成大量的O₂^-和H₂O₂。

H₂O₂在Fe²⁺参与下可形成化学性质更为活泼的OH·。

上述反应在再灌注早期尤为强烈，产生大量活性氧。

（4）儿茶酚胺自氧化增强

缺血-再灌注也是一种应激反应，交感-肾上腺髓质系统兴奋产生大量儿茶酚胺。

一方面具有代偿调节作用；

另一方面，通过自氧化可产生大量的氧自由基。

4. 自由基增多引起机体损伤的机制

自由基性质极为活泼，可与其他物质反应，甚至相互反应形成二聚体或多聚体。自由基可破坏多糖，氧化蛋白质，使不饱和脂肪酸过氧化，造成细胞结构功能障碍，甚至水解。

（1）膜脂质过氧化

自由基与不饱和脂肪酸作用引发脂质过氧化( lipid peroxidation)反应，使膜结构受损、功能障碍，引起以下损伤：

细胞及细胞器膜结构破坏

生物活性物质生成增多

ATP生成减少

（2）蛋白质功能抑制

自由基与活性氧可与细胞结构蛋白和酶的巯基氧化形成二硫键，使氨基酸残基氧化，胞质及膜蛋白和某些酶交联形成二聚体或更大的聚合物，直接损伤蛋白质的功能，如离子通道蛋白或转运体功能抑制。

同时膜磷脂微环境的改变共同导致跨膜离子梯度异常，Na⁺、Ca²⁺内流，细胞肿胀与Ca²⁺超载。

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）核酸破坏与DNA断裂

自由基可使核酸碱基羟化及DNA断裂,这种作用80%为OH·所致。

总之，缺血-再灌注会使自由基生成增多，特别是氧自由基与活性氧，从而加重细胞损伤。

由于氧化物质增多而抗氧化防御机制降低之间的不平衡导致的损伤，又被称为“氧化应激"。

• 二、钙超载

生理情况下，细胞内游离Ca²⁺浓度约为0.1µmol/L，细胞外游离Ca²⁺浓度约为1.0mmol/L， 细胞膜内外Ca²⁺浓度相差1万倍。

细胞通过转运机制维持细胞内外钙浓度差，保持细胞内低钙的状态，称为钙稳态。

细胞Ca2+转运模式图

当各种原因引起细胞Ca²⁺转运机制异常、细胞内Ca2+含量增多，导致细胞结构损伤和功能代谢障碍，称为钙超载( calcium overload) 。

1. 缺血-再灌注导致钙超载的机制

（1）Na⁺-Ca²⁺交换异常

Na⁺/Ca²⁺交换蛋白的反向运转增强是导致缺血-再灌注时Ca²⁺超载的主要途径.

直接激活

间接激活

（2）蛋白激酶C（PKC）激活

组织缺血时，儿茶酚胺（CA）释放增加，作用于α1和β肾上腺素能受体，可以间接的激活钠钙交换蛋白。

（3）生物膜损伤

生物膜包括细胞膜及细胞器膜，其结构与功能完整是维持细胞内外离子平衡的重要保证。

缺血时由于：①细胞膜对Ca²⁺的通透性增大，因此Ca²⁺内流增加；②ATP产生减少，细胞膜及肌浆网钙泵功能低下而不能充分排出或储存Ca²⁺，亦导致胞浆内Ca²⁺增多。缺血-再灌注过程中生成的大量氧自由基，通过引发膜的脂质过氧化，导致膜结构受损，一方面细胞膜对Ca²⁺的通透性增高，细胞外Ca²⁺内流增多；另一方面肌浆网通透性增高，贮存的Ca²⁺释出增多，以上均促成钙超载的发生。

2. 钙超载引起机体损伤的机制

（1）能量代谢障碍

聚集于胞质内Ca²⁺被线粒体摄取时可消耗大量ATP，同时进入线粒体的Ca²⁺与含磷酸根的化合物结合，形成不溶性磷酸钙，既干扰线粒体的氧化磷酸化，使ATP生成减少，又损伤线粒体膜而加重细胞能量代谢障碍。

（2）细胞膜及结构蛋白分解

细胞内Ca²⁺增加可激活磷脂酶类，促使膜磷脂降解，造成细胞膜结构受损。

还可激活钙依赖性蛋白酶活性，促进细胞膜和结构蛋白的分解，激活核酸内切酶，引起染色体的损伤。

（3）加重酸中毒

细胞能量代谢障碍，有氧氧化生成ATP减少，无氧酵解增强，乳酸增多，细胞酸中毒；

细胞内Ca²⁺浓度升高可激活某些ATP酶，导致细胞高能磷酸盐水解，释放出大量H⁺，加重细胞内酸中毒。

综上所述，钙超载既是缺血-再灌注的结果,，又是缺血-再灌注细胞损伤的原因。

细胞内Ca²⁺聚积不仅激活磷脂酶，使膜磷脂降解，又进-步增加细胞膜对Ca²⁺的通透性，促进钙超载。

• 三、炎症反应过度激活

1. 缺血-再灌注引起炎症反应过度激活的机制

缺血-再灌注时，白细胞(主要是中性粒细胞)明显增加。

组织缺血-再灌注时白细胞浸润增加的可能机制：

（1）黏附分子生成增多  

中性粒细胞激活可使细胞黏附分子表达增加。

（2）趋化因子与细胞因子生成增多 

再灌注时，细胞膜磷脂降解，花生四烯酸其代谢产物增多，其中白三烯、血小板活化因子、补体、激肽等具有很强的趋化活性，能吸引大量中性粒细胞进入缺血组织。中性粒细胞自身也能合成、释放多种具有趋化作用的炎症介质。

2. 炎症反应引起机体损伤的机制

（1）微血管损伤

①微血管血液流变学改变

正常情况下，血细胞位于血管中心流动，与血管内皮细胞基本不接触，以保证血液的高速流动。

缺血-再灌损伤可引起大量中性粒细胞聚集、黏附在血管内皮细胞上，而且不易分离，极易嵌顿、堵塞微循环血管；加之内皮细胞肿胀、血小板黏附、微血栓形成和组织水肿等，更易形成无复流(no-reflow)现象，加重组织缺血缺氧。

无复流现象：恢复血流灌注后，缺血区依然得不到充分的血液灌流的现象。

②微血管通透性增高

（2）细胞损伤

激活的中性粒细胞与血管内皮细胞可释放大量的活性物质

白细胞浸润等炎症反应进一步过度激活

• 总结：

缺血-再灌注损伤发生的基本机制，主要是缺血再灌注的过程中自由基生成增多、钙超载及炎症反应过度激活，三者相互作用、协同作用，最终引起细胞、机体损伤。