劉婷 趙德育

南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院呼吸內(nèi)科210000

急性肺損傷 (acute lung injury,ALI)是由于各種肺內(nèi)和肺外致病因素損傷肺泡上皮細胞及毛細血管內(nèi)皮細胞,導致彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫,從而使得機體出現(xiàn)急性低氧性呼吸功能不全甚至呼吸困難的一種常見的臨床綜合征。ALI具有肺順應性降低、肺有效容積減少、通氣/血流比例失調(diào)以及換氣功能障礙等特征性病理生理的特點,肺部影像學上主要表現(xiàn)為雙肺非均一性的滲出,臨床特點主要是進行性的低氧血癥和呼吸窘迫,其嚴重階段可發(fā)展至ARDS[1]。

ALI/ARDS是一種危害全球人類健康的疾病,盡管目前對于ALI/ARDS的發(fā)病機制和分子機制有了令人矚目的進展,但是其發(fā)病率及病死率依舊居高不下。近期臨床調(diào)查發(fā)現(xiàn)ARDS 在ICU 的發(fā)病率為1%～4%,病死率為22%～65%,而兒科群體的病死率大約為24%[2],因此亟待研究出有效的治療方法。在ALI/ARDS發(fā)病機制中,各種誘因刺激大量炎癥細胞 (中性粒細胞、單核巨噬細胞等)聚集于肺組織,同時炎癥細胞激活并且釋放活性氧(reactive oxygen species,ROS)、腫瘤壞死因子α、IL及彈性蛋白酶等促炎因子,促使炎癥反應不斷惡化[3]。其中ROS可以通過不同的途徑破壞肺微血管內(nèi)皮細胞及上皮細胞,增加肺血管通透性,導致肺水腫形成;同時ROS可以與炎癥因子互成反饋及促進炎癥因子相關(guān)蛋白表達,造成炎癥瀑布樣級聯(lián)反應[4]。本文重點討論ROS在ALI/ARDS發(fā)病機制中的作用以及ROS能否成為ALI/ARDS的靶向治療目標。

1 ROS的來源

ROS是一系列具有特殊化學狀態(tài)且氧化活性高于基態(tài)氧的活性氧簇,主要由氧自由基 (如超氧陰離子、羥自由基、脂氧自由基等)和非自由基含氧物 (如過氧化氫、臭氧、單線態(tài)氧等)組成。ROS主要來源于NADPH 氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide oxidase,NOX)和線粒體。NOX 主要通過將電子從NADPH 轉(zhuǎn)移至分子氧,從而促進ROS的生成;線粒體主要通過電子傳遞鏈產(chǎn)生大量的ROS,同時線粒體產(chǎn)生的ROS可以特異性增加蛋白激酶C的活性,激活NOX,進而誘導更多的ROS產(chǎn)生[5]。

在ALI/ARDS的發(fā)生發(fā)展過程中,ROS主要來源于激活的中性粒細胞和單核細胞表達NOX2,同時近端大氣道延伸到末端細支氣管和肺泡的上皮、內(nèi)皮和間充質(zhì)細胞等表面也可以通過表達不同的NOX 和雙重氧化酶 (dual oxidase,DUOX)從而產(chǎn)生部分ROS,其中主要包括NOX1、NOX2、NOX3、NOX4及DUOX1和DUOX2[6]。

2 ROS的作用機制

過度產(chǎn)生的ROS是ALI/ARDS發(fā)生發(fā)展關(guān)鍵的步驟,既可以影響肺部炎癥細胞的激活和炎癥介質(zhì)的釋放,也可以損傷肺泡-血管內(nèi)皮細胞屏障結(jié)構(gòu),從而導致屏障功能穩(wěn)定性降低[7]。ROS的作用及功能對于補充目前尚未完全闡明的ALI/ARDS發(fā)病機制具有重要意義。下面將從ROS直接氧化作用,ROS與Ca2+、中性粒細胞及中性粒細胞外網(wǎng)狀陷阱 (neutrophil extracellular traps,NETs)的關(guān)系這些方面對ROS導致肺損傷的機制進行闡述。

2.1 ROS的氧化功能 生理情況下ROS清除依賴于機體內(nèi)有效的抗氧化物質(zhì)從而維持動態(tài)平衡,然而在病理情況下如急性炎癥反應時,ROS的產(chǎn)生量遠超過抗氧化系統(tǒng)的清除能力,過量的ROS在體內(nèi)囤積并且通過氧化應激和炎癥級聯(lián)放大作用,破壞組織器官的結(jié)構(gòu)與功能,造成機體代謝紊亂[8]。

ROS氧化作用介導肺損傷的機制[9]包括：(1)氧化細胞膜表面的磷脂成分,造成脂肪酸鏈斷裂、膜結(jié)構(gòu)紊亂、流動性及通透性下降,從而導致肺功能障礙;(2)氧化脂質(zhì)分子導致生成大量血管活性物質(zhì)和促炎分子,比如促進大量血栓素的形成,從而增加肺血管緊張程度及炎癥反應;(3)氧化蛋白質(zhì)肽鏈中的氨基酸,破壞蛋白質(zhì)的基本分子結(jié)構(gòu),改變蛋白質(zhì)的活性及功能,比如氧化抗氧化酶類,造成機體氧化與抗氧化失衡;(4)通過氧化作用活化轉(zhuǎn)錄因子,如激活核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)和蛋白活化因子1 等,增強炎癥靶向蛋白 (細胞間黏附分子、血管細胞間黏附分子1、環(huán)氧合酶2 等)高表達,促進炎癥反應[10];(5)氧化DNA 導致DNA 堿基缺失、點突變及鏈斷裂等,引起細胞損傷甚至細胞死亡。ROS生成增加可以通過自身氧化功能破壞細胞微觀結(jié)構(gòu),從而造成肺血管內(nèi)皮細胞、上皮細胞及平滑肌細胞等結(jié)構(gòu)性或功能性損傷,導致肺泡-血管內(nèi)皮屏障和血管舒縮功能失調(diào),從而加速ALI/ARDS的疾病進程。

2.2 ROS和Ca2+通道 生理劑量的Ca2+是人體內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導因子,其可以維持肺泡-血管內(nèi)皮細胞的緊密連接,從而控制液體平衡,維持正常的肺功能[11]。然而病理劑量的Ca2+大量內(nèi)流進入胞質(zhì)可以促進細胞內(nèi)蛋白激酶活化,活化的蛋白激酶可以通過磷酸化p120-連環(huán)素和內(nèi)皮細胞鈣黏蛋白,破壞細胞間緊密連接[12];同時可以與肌球蛋白輕鏈共同作用導致細胞骨架重新組合?？梢姴±韯┝康腃a2+內(nèi)流可以損傷肺內(nèi)皮細胞之間粘連結(jié)構(gòu),破壞肺泡-血管內(nèi)皮細胞屏障功能,導致大量富含蛋白質(zhì)及炎性細胞的液體滲出到肺泡腔中并且無法被清除,使肺泡與肺間質(zhì)出現(xiàn)彌漫性的肺水腫及透明膜的形成。

瞬時受體電位 (transient receptor potential,TRP)通道家族是內(nèi)皮細胞上Ca2+進入胞質(zhì)的主要通道,其中TRPC、TRPM 和TRPV 3種通道類型是目前研究熱點[13]。而內(nèi)皮細胞TRP通道可以作為ROS的化學傳感器,傳遞Ca2+信號,從而破壞肺泡-血管內(nèi)皮屏障功能[14]。在感染、炎癥、腫瘤等病理狀態(tài)下,過度的氧化應激反應可以調(diào)節(jié)TRPM2、TRPM4和TRPM7 使其通道功能異常,從而促進Ca2+內(nèi)流,最終導致細胞功能破壞及加速疾病本身的進展[15]。Tauseef等[16]在研究脂多糖誘導的肺血管通透性和炎癥反應增加時發(fā)現(xiàn)ROS 可以通過活化的TRPC6 增加Ca2+內(nèi)流,從而損傷肺內(nèi)皮細胞,增加肺血管通透性;同時發(fā)現(xiàn)TRPC6可以激活NF-κB 和上調(diào)TLR4受體,從而促進炎癥反應。Taylor-Clark[17]在研究氣道高反應咳嗽反射時發(fā)現(xiàn),ROS可以與TRPA1和TRPV1之間相互協(xié)調(diào),誘導氣道持續(xù)炎癥反應。可見在ALI/ARDS中,通過阻斷ROS與特異性的氧化敏感TRP 通道相互結(jié)合,抑制細胞Ca2+內(nèi)流,對于治療疾病將提供新的思路。

2.3 ROS與中性粒細胞 在ALI/ARDS發(fā)病機制中,中性粒細胞首先與肺內(nèi)皮細胞之間相互黏附,隨后通過跨細胞途徑進入肺泡腔內(nèi),緊接著釋放大量的ROS、炎癥介質(zhì)、細胞因子及損傷性酶類等,從而損傷肺組織[18]。在ALI/ARDS中,ROS可以作為驅(qū)化因子促使中性粒細胞到達炎癥部位,從而介導炎癥損傷;其次ROS可以作為中性粒細胞活化的激動劑,加速中性粒細胞激活。Barrett等[19]通過研究中性粒細胞在急性炎癥反應如ALI中的作用發(fā)現(xiàn),中性粒細胞的啟動依賴于ROS的產(chǎn)生,ROS 的生成可以促進中性粒細胞的活化,從而導致肺內(nèi)皮屏障功能喪失和器官損傷。肺內(nèi)皮細胞和中性粒細胞之間相互黏附對于中性粒細胞進入肺泡內(nèi)從而釋放一系列有毒物質(zhì)是極其關(guān)鍵的一步,而ROS可以通過活化NF-κB 從而促進肺內(nèi)皮細胞高表達細胞間黏附分子1、血管細胞間黏附分子1和E-選擇蛋白等,導致肺內(nèi)皮細胞和中性粒細胞之間黏附增加。有學者在研究血管滲透性時發(fā)現(xiàn),通過低氧刺激的小鼠可以增加ROS產(chǎn)量,增加的ROS同時促進NF-κB 和細胞黏附分子表達增加,從而促進血管滲漏[20]。在ALI/ARDS中,ROS與中性粒細胞之間的相互調(diào)節(jié),加速了中性粒細胞介導的肺組織損傷。

2.4 ROS與NETs的關(guān)系 NETs是中性粒細胞受到各種病原微生物等刺激形成的一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),主要是以DNA和組蛋白為基本網(wǎng)狀骨架,其上鑲嵌著顆粒蛋白和胞漿蛋白等顆粒狀物[21]。生理劑量的NETs可以固定或捕獲各種病原體,隨后抑制感染的傳播,并最終促進病原體的死亡,然而過量的NETs會加速疾病進展如促進炎癥反應,從而對機體造成損害[22-23]。Liu 等[24]通過研究脂多糖誘導的ALI小鼠模型發(fā)現(xiàn),損傷的肺組織內(nèi)可見大量活化的中性粒細胞以及過量NETs,通過不同方式抑制NETs的產(chǎn)生可以減輕肺水腫、炎癥反應及血管通透性,減緩肺部損傷。

ROS對于中性粒細胞降解成NETs起著極其關(guān)鍵的作用。Hakkim 等通過遺傳分析發(fā)現(xiàn)NETs的形成過程依賴于Raf-MEK-ERK 途徑激活的NOX 及氧化酶所產(chǎn)生的ROS,分別使用c-Raf及MEK 抑制劑可以阻斷ROS生成,導致中性粒細胞降解及NETs 的形成障礙[25]。Stojkov等[26]研究表明過量的ROS可以通過與谷氧還原蛋白相互協(xié)調(diào)進一步促進肌動蛋白和微管蛋白聚合,從而導致大量NETs的形成。在ALI/ARDS中,機體產(chǎn)生過多的ROS可以通過不同的途徑相互作用介導中性粒細胞降解及大量NETs的生成,加速疾病炎癥反應。

3 ALI/ARDS的治療

ALI/ARDS病死率較高,Eddy 等通過對過去5 年ALI/ARDS的治療進行隨機臨床試驗以及meta分析發(fā)現(xiàn),迄今為止沒有特效針對性藥物可以完全控制ALI/ARDS的進展,肺機械通氣治療仍然是目前最佳治療手段[27]。盡管出現(xiàn)了一些新型治療手段包括炎癥因子受體阻滯劑、免疫調(diào)節(jié)、造血干細胞移植以及調(diào)節(jié)基因的活性等,但是由于其過程十分復雜,療效尚不明確[28]。在ALI/ARDS 的發(fā)病機制中,ROS的作用盡管錯綜復雜,但其加速肺組織損傷已經(jīng)明確,目前已有大量的研究證明外源性地增加各種抗氧化劑從而重新構(gòu)建機體氧化/抗氧化的平衡,可以在一定程度上改善ALI/ARDS的預后[29-30]。

目前臨床上對ALI/ARDS 常用的抗氧化劑包括N-乙酰半胱胺酸 (N-acetyl-L-cysteine,NAC)、維生素C、氨溴索和一些富含中草藥成分的藥物如喜炎平、阿魏和枸杞等。近期有研究發(fā)現(xiàn)在脂多糖和H9N2病毒誘導的ALI小鼠模型中,NAC可以抑制氧自由基對肺組織的損傷[31-32]。同時Zhang等[33]進行了一項薈萃分析以評估NAC對成人ARDS的影響,結(jié)果顯示盡管NAC 不能降低患者病死率,但其可以縮短患者在ICU 停留時間。在一項回顧性對照研究中,Marik等[34]發(fā)現(xiàn)早期應用維生素C 聯(lián)合糖皮質(zhì)激素能夠減少嚴重膿毒癥和感染性休克多器官功能障礙的發(fā)生,并顯著降低病死率。氨溴索可促進內(nèi)源性肺泡表面活性物質(zhì)的合成與釋放,同時可直接清除ROS,避免細胞脂質(zhì)受氧化損傷。Wu等[35]進行了一項薈萃分析證明氨溴索可降低ARDS患者血清腫瘤壞死因子α和IL-6,并且增加血清超氧化物歧化酶水平,同時改善患者血氧飽和度和氧分壓水平,其益處可能與氨溴索抗氧化和抗炎特性有關(guān)。中草藥成分已經(jīng)成為當今臨床研究熱點之一,目前研究已經(jīng)證明阿魏酸、枸杞多糖以及穿心蓮內(nèi)酯磺酸鹽等可以通過抑制ROS的生成從而減輕脂多糖介導的ALI大鼠模型中肺組織的肺水腫、肺泡液體滲出、多形核白細胞浸潤以及抑制肺泡灌洗液中炎癥因子釋放[36-38]。

盡管抗氧化劑理論上合理并且臨床研究證實其有效,但仍然存在一定的局限性。首先,抗氧化藥物治療主要針對特異性病理狀態(tài),并不普遍適用于各種肺損傷情況,所以可能存在一定的差異性;其次,目前抗氧化藥物主要研究于動物或者細胞水平,臨床試驗數(shù)量較小,需要進一步深入研究;最后,由于ALI/ARDS的疾病復雜性,氧化應激在疾病調(diào)控方面極其多樣,單獨應用抗氧化劑的治療可能對總體的炎癥反應改善不明顯,而將抗氧化劑與其他藥物同時使用,可能會有顯著的改善作用。進一步深入探索ROS與ALI/ARDS的相互作用將有助于疾病的治療。

4 總結(jié)與展望

ALI/ARDS是一種致病因素眾多、發(fā)病機制復雜、病情進展迅速、治療手段有限、發(fā)病率及病死率高的異質(zhì)性綜合征。目前研究表明盡管同樣的治療方法對于不同的患者療效也可能存在顯著的差異性,因此需要對ALI/ARDS的發(fā)病機制、分子免疫方向以及基因多態(tài)性進行更深入的探索及研究,發(fā)現(xiàn)患者之間的個體差異,找到準確的致病因素及預后評價方法,采取個性化的治療方案,才能有效地提高治療效果。對于如何應用抗氧化劑達到最佳的治療效果還需要進一步深入研究,同時ROS在ALI/ARDS中的作用部分是通過氧化還原敏感轉(zhuǎn)錄因子及蛋白質(zhì)修飾途徑共同作用,所以通過對轉(zhuǎn)錄因子的特異性和靶向遺傳控制將為我們提供一種新的控制和治療疾病方法。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突