何 苗綜述，張 紅審校

0 引 言

體外循環(huán)(cardio pulmonary bypass，CPB)后肺損傷是心臟手術最常見的并發(fā)癥，嚴重的表現(xiàn)為急性肺損傷(acute lung injury，ALI)或急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratorydistress syndrome，ARDS)，同時由此導致的肺功能障礙也是體外循環(huán)患者死亡的主要原因之一［1-2］。多數學者認為缺血再灌注損傷及全身炎癥反應(血液與管道的接觸、肝素-魚精蛋白及內毒素生成等)可能是CPB肺損傷發(fā)生的重要原因，但其具體機制目前尚不十分清楚。近年來，細胞凋亡在CPB的發(fā)病機制中越來越受到重視，從凋亡的角度來研究CPB相關性肺損傷，有助于進一步揭示其發(fā)病機制并通過細胞凋亡的調控為減輕CPB后肺損傷提供新的手段?，F(xiàn)將近年的相關研究綜述如下。

1 肺組織細胞凋亡

細胞調亡是由多種控制的細胞自主的有序的死亡。與不同，細胞凋亡不是一件被動的過程，它涉及一系列基因的激活、表達及調控，是適應生存環(huán)境而主動爭取的一種死亡過程，又稱為細胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)。細胞凋亡或PCD在細胞更新和受損細胞的清除中起著至關重要的作用，并在多種疾病的病理生理過程中發(fā)揮關鍵作用［3］。細胞凋亡不足或凋亡過度均可引起機體發(fā)生相應的病理生理變化，細胞凋亡過度時則會導致過多的組織細胞壞死及相應器官組織的功能障礙。

實驗發(fā)現(xiàn)，在CPB肺損傷模型中，支氣管上皮、肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞等處，出現(xiàn)凋亡樣改變，其凋亡率隨時間呈上升趨勢，提示細胞凋亡可能參與CPB肺損傷的過程［4］。研究證實，在大鼠Ⅱ型肺泡上皮細胞(typeⅡ alveolar epithelial cells，AT-Ⅱ)的培養(yǎng)液中加入CPB患者術后血清，可導致AT-Ⅱ的凋亡率上升，DNA電泳可見明顯的DNA碎裂梯帶［5］。同時 Aebert等［3］發(fā)現(xiàn)，CPB 后患者的血清可明顯誘導內皮細胞凋亡，而患者CPB前、肺葉切除術患者及健康志愿者的血清未發(fā)現(xiàn)其促內皮細胞凋亡的作用。因此，目前認為CPB后肺組織細胞凋亡的主要是Ⅱ型肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞，而這2種細胞在維持肺臟正常功能中起到重要的作用。

2 CPB肺組織細胞凋亡的誘因

多種因素參與誘導CPB肺組織細胞凋亡的發(fā)生，其中氧化應激、缺血再灌注損傷、全身炎癥反應是其主要因素。以上因素并不直接引起細胞凋亡，而是通過一定的信號傳遞方式激活生存與死亡的相關基因，然后激活細胞執(zhí)行死亡。當肺組織細胞過度凋亡時可導致CPB術后肺功能、生理、生化和組織學的改變，造成氣體交換障礙、肺力學的改變及肺水腫［6］。

2.1 氧化應激反應 在細胞凋亡的諸多誘因中氧化應激，尤其是脂質過氧化物與細胞凋亡的發(fā)生有密切關系［7］。正常情況下，機體內氧化損傷和抗氧化能力處于動態(tài)平衡，而CPB可破壞此平衡，誘發(fā)細胞凋亡［8］。CPB期間及術后，交感神經系統(tǒng)及腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活可以導致全身氧化應激增強而誘發(fā)和加重肺細胞凋亡。CPB時可通過NADPH氧化酶和NADH氧化酶的作用形成大量的氧自由基，氧自由基的產生和其它代謝產物所導致的氧化性應激可以通過直接裂解DNA、氧化膜脂質或上調凋亡相關調控基因而誘導細胞凋亡［9］。同時肺缺血期間肺缺氧以及再灌注即刻產生的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)可導致線粒體膜損傷和細胞色素C的釋放，啟動caspase介導的PCD或細胞凋亡［10］。再灌注損傷早期，ROS的產生增加也與炎癥介質如細胞因子和黏附分子的上調有關，這些細胞因子可引起多形核中性粒細胞(polymorpho-nuclear leukocyte，PMN)的聚集，最終導致炎癥反應、血栓形成、補體激活和細胞凋亡［10-11］。Klass等［6］在豬CPB模型中發(fā)現(xiàn)，CPB和心臟驟?？杉せ頡OS介導肺組織損傷和肺細胞凋亡;使用ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸后可明顯減少caspase-3陽性細胞的數量及羥基-2-脫氧鳥苷的水平，減少肺細胞凋亡，減輕CPB后肺損傷。硝基酪氨酸是機體氧化應激的主要標志之一，研究證實硝基酪氨酸的形成與血管功能障礙呈正相關，可能與CPB后肺組織細胞凋亡及肺功能障礙有關［6］。

2.2 肺缺血再灌注損傷(lung ischemia reperfusion injury，LIRI) 現(xiàn)已明確LIRI可誘導肺細胞凋亡［12-13］。實驗證實，在肺缺血再灌注組的大鼠肺組織中發(fā)現(xiàn)大量的凋亡細胞，而假手術組(僅開胸組)的大鼠肺組織中幾乎沒有凋亡細胞［14］。LIRI誘導肺細胞凋亡與肺的解剖特殊性有一定關系。肺有2組血液循環(huán)系統(tǒng)，包括肺循環(huán)及支氣管循環(huán)。正常情況下，支氣管動脈僅提供全肺約1% ～3%的血供;CPB期間，支氣管動脈能為肺提供部分血供，但分布不均。CPB期間阻斷段腔靜脈后肺動脈血供停止，此時肺得不到充分降溫，因此處于缺氧和相對高代謝狀態(tài)，易發(fā)生內皮細胞損傷。在肺動脈恢復血供后，富含高張力氧的血液進入肺，導致缺血再灌注損傷。其中，LIRI導致的Na+泵失活與Ca2+超載是引發(fā)肺組織細胞凋亡的重要因素［15］。CPB肺缺血過程中易導致Na+泵失活，再灌注后細胞內Ca2+濃度增加，導致鈣超載。線粒體是細胞內鈣超載攻擊的重要靶點，Ca2+依賴性蛋白酶被激活，破壞細胞骨架與細胞膜的完整性，引起能量代謝障礙，膜通透性增加，線粒體內膜和外膜間隙釋放細胞色素C和凋亡誘導因子，促進細胞凋亡或壞死。

2.3 全身炎癥反應 Kirklin等［16］于20世紀80年代初首次提出CPB誘發(fā)全身炎癥反應的概念。CPB期間，血液與管道的接觸、缺血再灌注損傷、機血回輸、血液稀釋以及內毒素等因素均可激活補體系統(tǒng)而介導全身炎性反應［2，9］。CPB所導致的全身炎癥反應是造成臟器血管內皮功能紊亂和相關器官實質細胞損傷的主要原因之一。CPB引起的炎性反應可引發(fā)肺組織細胞凋亡，其中，PMN在肺內的聚集、激活、凋亡延遲和細胞因子是導致CPB后肺組織細胞凋亡的重要因素［17］。

2.3.1 PMN的聚集、激活及凋亡延遲 CPB誘發(fā)的炎癥反應中，白細胞特別是PMN占據主要地位，它不僅具有化學趨化性，且反應迅速［17］。PMN在肺內聚集、激活及凋亡延遲是CPB后肺細胞凋亡的重要環(huán)節(jié)，其機制與氧自由基的形成、炎癥介質及中性粒細胞彈性蛋白酶的釋放有關［18］?；罨腜MN可釋放超氧陰離子、過氧化氫、羥自由基等氧自由基，直接或間接損傷肺血管內皮細胞，促發(fā)其凋亡。許多研究表明，主動脈開放后左-右房出現(xiàn)明顯的粒細胞數目差異，說明大量的PMN在肺內聚集，這種現(xiàn)象與C5a誘導、白細胞介素-8(interleukin-8，IL-8)的趨化及肺循環(huán)突然開放有關［19］。

2.3.2 細胞因子 細胞因子是由 、分泌的、能調節(jié)細胞功能的小分子多肽。細胞因子可以在多種細胞系中誘導細胞凋亡。其中與CPB肺細胞凋亡密切相關的主要為腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)及IL。而肺源性TNF-α的表達及釋放增加是誘導CPB后肺組織細胞凋亡的重要因素［20］。TNF-α可直接誘導肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞凋亡以及間接調節(jié)單核細胞和巨噬細胞等免疫細胞的功能。通過支氣管或肺動脈灌注TNF-α抗體可有效降低肺組織細胞的凋亡指數，抗細胞凋亡基因Bcl-2蛋白表達明顯增加［21］。TNF-α主要通過死亡受體途徑誘導肺組織細胞凋亡，TNF-α與腫瘤壞死因子受體結合后，通過Fas相關死亡結構域蛋白使procaspase-8聚集，產生成熟的caspase-8，并激活下游的效應 caspase，致使細胞凋亡［22］。TNF-α 亦可激活線粒體途徑誘發(fā)細胞凋亡，但其分子機制尚不清楚［23］。

IL亦與CPB后肺細胞凋亡相關。實驗證實，CPB后促炎性因子 IL-1、IL-6、IL-8的水平明顯增加［9］;通過上調抗炎性細胞因子IL-10的表達，以及下調TNF-a和IL-8的水平，可有效抑制肺組織細胞凋亡，減輕肺損傷［24］。Fischer等［25］在 IL-10 的基因轉染模型中也證實，IL-10主要通過抑制凋亡方式改善LIRI，其機制可能是通過抑制炎癥和T細胞介導的免疫反應實現(xiàn)。因此，促炎和抗炎細胞因子之間的平衡很大程度上決定了CPB后患者肺功能的狀態(tài)。

3 調控CPB肺細胞凋亡的分子機制

CPB肺細胞調亡涉及一系列基因的激活、表達及調控，但其確切的調控途徑尚無定論。目前認為線粒體通路、死亡受體通路以及內質網通路參與這一過程。而CPB后肺組織細胞內各種凋亡與抗凋亡分子之間的平衡狀態(tài)可能直接決定細胞的轉歸和結局。以下分子機制為近年來CPB肺組織細胞凋亡的研究熱點。

3.1 Caspase家族 天冬氨酸特異的半胱氨酸蛋白酶是一類與凋亡密切相關的蛋白水解酶家族，能夠特異性的切割靶蛋白天冬氨酸殘基上的肽鍵，從而導致細胞凋亡，分為起始型 Caspase和執(zhí)行型Caspase 2大類。起始型Caspase在凋亡信號的作用下被切割激活，激活的起始型 Caspase對執(zhí)行型Caspase進行切割并使之激活，被激活的執(zhí)行型Caspase通過對靶蛋白的水解，導致細胞凋亡。Caspase家族主要通過死亡受體通路介導細胞凋亡，也可通過線粒體途徑導致DNA損傷致使凋亡的發(fā)生，同時caspase-12可協(xié)同其他應激分子通過內質網通路介導細胞程序性死亡。Razi等［11］在大鼠LIRI模型中發(fā)現(xiàn)，減少caspase-2及caspase-3表達，可顯著增加血紅素加氧酶-1等抗氧化酶的生成，減少肺泡灌洗液中中性粒細胞數量和炎癥因子的水平，降低肺細胞的凋亡指數，減輕LIRI。

3.2 Bcl-2家族 Bcl-2家族控制著線粒體外膜和內膜的通透性，因此是線粒體凋亡途徑的主要調控者，它們通過激活一系列下游基因發(fā)揮調節(jié)凋亡的作用。Bcl-2家族主要分為2類:即抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-W 等)及促凋亡蛋白(如 Bax、Bcl-Xs、Bak、Bid等)。其中 Bcl-2和 Bax是其代表性成員，與CPB相關性肺細胞凋亡密切相關，而Bcl-2/Bax比率直接決定了細胞的存亡。Bax與Bcl-2有較高的同源性，Bax和Bcl-2通過形成同源或異源二聚體來調節(jié)細胞凋亡。當Bax形成同源二聚體時誘導細胞凋亡，當Bax與Bcl-2形成異源二聚體時則抑制細胞凋亡［26］。研究證實CPB期間，隨著肺組織細胞凋亡的上升，肺組織Bax蛋白表達增多，而Bcl-2表達明顯減少且Bcl-2/Bax降低，提示Bcl-2家族可能參與CPB肺組織細胞凋亡的過程［15，21］。目前認為，Bcl-2的表達與Fas誘導細胞凋亡有某種程度的偶聯(lián)，Bcl-2可抑制或阻斷Fas介導的凋亡［21］。

3.3 Fas/FasL 死亡因子受體(Fas)/死亡因子配體(FasL)系統(tǒng)是死亡受體通路的經典代表之一，在生理程序性細胞死亡中起著至關重要的作用，并與促炎癥反應存在相互作用［27］。Fas屬于TNF受體/生長因子受體超家族，F(xiàn)asL是一種屬于 TNF家族的Ⅱ型膜蛋白，能與Fas結合，形成死亡誘導信號復合體，介導以caspase-8為主的凋亡反應，最終導致DNA斷裂，促使凋亡［28］。雖然表達 Fas的細胞為多見，但表達FasL的細胞不多，因此肺組織細胞是否發(fā)生凋亡很大程度上取決于肺組織中是否有FasL的表達。研究顯示，F(xiàn)asL在正常兔肺組織中僅有輕微表達，而在CPB過程中表達明顯上調，提示Fas/FasL系統(tǒng)的活化可能參與CPB肺細胞凋亡的發(fā)生機制［29］。

3.4 PI3K/Akt PI3K/Akt通路廣泛存在細胞中，參與細胞生長、增殖、分化及調節(jié)的過程。Akt處于該通路的中心環(huán)節(jié)，是PI3K的直接靶基因，是細胞生長、存活、蛋白質合成、細胞周期調控和細胞凋亡的中介物，是重要的抗凋亡調節(jié)因子［30］。許多細胞因子、生長因子和物理刺激等都可通過激活PI3K而使Akt磷酸化，活化的Akt通過多種信號途徑影響下游一系列效應分子的活化狀態(tài)，在細胞內發(fā)揮著抑制凋亡、促進增殖的生物學效應。以下幾種機制可能與PI3K/Akt信號通路的抗細胞凋亡有關:①使Bad磷酸化:活化的Akt可使Bad的Serl36磷酸化，與14-3-3蛋白結合、與Bcl-xL等解離，使其不能發(fā)揮促凋亡作用;同時穩(wěn)定線粒體膜電位，阻斷細胞色素C的釋放［31］。②使caspase磷酸化:活化的 Akt可使caspase-9的Serl96位點磷酸化而失去蛋白水解酶的活性，從而抑制其促凋亡作用。③抑制糖原合成酶3的活性，加速細胞凋亡;同時加快糖酵解的速度，使ATP的生成增加抑制細胞凋亡。④活化核轉錄因子 κB(nuclear factor κB ，NF-κB)，NF-κB 進入細胞核后，促進細胞增殖，抑制細胞凋亡。實驗發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt信號通路與大鼠CPB后肺損傷有關，但其是否涉及調控CPB后肺組織細胞調亡的過程，尚需進一步證實［32］。

除上述分子機制外，有絲分裂原活化的蛋白激酶超家族可能也參與CPB肺細胞凋亡的過程［13，32］。以上分子并不是獨立存在的，而是相互聯(lián)系、相互影響，構成錯綜復雜的網絡，共同調控CPB肺組織細胞凋亡。雖然現(xiàn)已明確細胞凋亡參與了CPB肺損傷的過程，但其地位及機制尚有待明確。

4 結 語

綜上所述，肺組織細胞凋亡與CPB肺損傷有密切關系。目前，TNF-α抗體、氧自由基清除劑等在抗CPB肺細胞凋亡中取得突破性的進展，因此深入研究CPB肺細胞凋亡的發(fā)生發(fā)展及其分子調控機制、探尋其有效的干預方式，對減少CPB后肺部并發(fā)癥，提高患者的治愈率具有重要意義，并將為臨床CPB肺保護發(fā)現(xiàn)新的治療策略和方向。

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