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        炎癥介質在海水淹溺急性肺損傷發(fā)生機制中的作用

        2015-01-22 07:31:07韓志海
        轉化醫(yī)學雜志 2015年5期
        關鍵詞:中性粒細胞海水

        王 凡,韓志海

        炎癥介質在海水淹溺急性肺損傷發(fā)生機制中的作用

        王 凡,韓志海

        海水淹溺導致的急性肺損傷越來越受重視。其病情進展快,發(fā)病機制復雜,救治困難。淹溺導致海水吸入可激活急性炎癥反應,炎癥細胞、炎癥因子釋放可形成級聯(lián)反應,引起肺局部甚至全身炎癥反應綜合征,多種炎癥介質包括細胞因子中的腫瘤壞死因子-α、白介素-1β、白介素-6、白介素-8,核因子-κB、中性粒細胞及活性氧、蛋白酶參與了炎癥反應的啟動和增強過程。作者就炎癥介質在海水淹溺急性肺損傷發(fā)生機制中的作用進行綜述。

        海水淹溺;急性肺損傷;炎癥介質

        近年來,海水淹溺所致的急性肺損傷越來越受重視,淹溺導致海水吸入不僅會直接損傷肺實質細胞,而且還會通過激活急性炎癥反應,引起肺局部甚至全身炎癥反應綜合征,形成海水淹溺型急性肺損傷(seawaterdrowninginduced-acutelunginjury,SWD-ALI),其損傷嚴重程度明顯重于其他類型肺損傷,若未得到及時治療或療效不明顯可進行性發(fā)展為海水淹溺型急性呼吸窘迫綜合征(seawater drowning inducedacute respiratory distress syndrome,SWD-ARDS)[1]。其病情進展快,發(fā)病機制復雜且尚未完全闡明,救治困難,目前對其發(fā)生機制的研究主要側重于炎癥介質及其信號傳導通路,作者對此作一綜述。

        1 病理生理學變化

        低氧血癥和代謝性酸中毒是淹溺后最主要的病理生理學改變。當淹溺發(fā)生時機體通常都會自動屏住呼吸,繼而因口咽部或喉部存有液體誘發(fā)喉痙攣,引起不自主的呼吸暫停,導致氧氣耗竭、二氧化碳不能排除,出現(xiàn)高碳酸血癥、低氧血癥和酸中毒。海水吸入后可導致肺損傷,主要是肺泡上皮細胞和肺毛細血管內皮細胞受損,肺間質水腫,造成肺通氣和彌散功能障礙,進一步引起低氧血癥和代謝性酸中毒[2]。既往觀點考慮由于海水的高鈉、高滲特性會導致肺組織、血液、組織液之間產生極大的濃度梯度,當海水進入肺泡,Na+、Cl-會迅速進入血液和組織液,可形成高鈉、高氯和高滲血癥;但近年來的研究表明,淹溺后并不會導致嚴重的電解質紊亂及血液濃縮,這可能與進入肺內的海水量不大有關[3]。

        2 相關炎癥介質及其作用

        淹溺導致海水吸入可激活急性炎癥反應,炎癥細胞、炎癥因子釋放可形成級聯(lián)反應,引起肺局部甚至全身炎癥反應綜合征,后者是導致ALI/ARDS多種病理過程的主要因素。在這一損傷過程中,多種炎癥介質包括細胞因子、轉錄因子、活性氧、蛋白酶參與了炎癥反應的啟動和增強過程。

        2.1 細胞因子研究發(fā)現(xiàn)在海水淹溺導致急性肺損傷的動物模型中,多種細胞因子出現(xiàn)增高,其中腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、IL-8被稱為最有影響的促炎細胞因子,而抗炎細胞因子IL-10在抑制過度炎癥反應、重建體內炎癥因子和抗炎介質的平衡中起重要作用[4]。文獻報道,海水淹溺兔模型血清和肺組織中TNF-α先于其他細胞因子增高,體現(xiàn)了其炎癥啟動因子的作用,同時它與肺通透指數(shù)、肺損傷程度的動態(tài)演變密切相關[5]。此外,TNF-α與 IL-1β、IL-6、IL-10細胞因子濃度的相關性也體現(xiàn)了其核心炎癥介質的作用。TNF-α能夠直接損傷肺內皮細胞、誘導中性粒細胞遷移活化和毛細血管滲漏[6]。而在TNF-α和腫瘤壞死因子受體1敲除的動物實驗中,則不出現(xiàn)肺中性粒細胞聚集和血管通透性增加的現(xiàn)象[7]。高滲透壓可以激活p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38 MAPK),p38 MAPK是中性粒細胞活化導致的炎癥反應信號傳導通路中的關鍵酶[8]。TNF-α可激活人肺微血管內皮細胞表面的細胞間黏附分子-1,進而活化一系列的信號物質,從而激活p38 MAPK和核因子(nuclear factor,NF)-κB,誘導產生多種細胞因子如IL-6、IL-8、轉化生長因子-β等,形成炎性損傷的級聯(lián)放大效應導致肺損傷[9-11]。

        另外,促炎細胞因子TNF-α、IL-1β、γ-干擾素等能增加肺上皮細胞對凋亡相關因子(factor-related apoptosis,F(xiàn)AS)的敏感性,F(xiàn)AS-FAS配體(FAS ligand,F(xiàn)ASL)介導的死亡受體信號途徑的調控是肺組織細胞凋亡的重要分子機制[12]。韓峰等[13]及Han等[14]研究發(fā)現(xiàn),海水干預后,大鼠肺組織中 FAS、FASL和活化胱天蛋白酶-3(caspase-3)表達明顯升高,并且隨著海水暴露時間的延長更為顯著,表明海水可導致大鼠肺損傷和肺組織細胞凋亡。在海水導致的ALI大鼠模型中肺組織細胞凋亡數(shù)量和凋亡相關因子caspase-3表達明顯增加,凋亡抑制因子B淋巴細胞瘤-2則降低[15]。目前認為參與細胞凋亡的信號傳導通路主要有2條:外源性通路即死亡受體通路,通過FASL、TNF-α或TNF相關凋亡誘導配基與細胞表面的死亡受體結合而激活;內源性通路是由線粒體調控的,由線粒體外膜破壞而觸發(fā),釋放細胞色素C(cytochrome-C,Cyt-C)以及其他的促凋亡因子進入細胞質[16]。劉慶晴等[17]在動物實驗中觀察到海水注入后肺組織野生型p53(wild type p53,wtp53)基因及Cyt-C的mRNA和蛋白表達明顯升高,活化的caspase-3表達也相應升高,且與wtp53和Cyt-C表達升高的趨勢一致。提示wtp53升高后可能通過誘導內源性通路參與了肺組織細胞凋亡的調控,海水通過升高wtp53誘發(fā)細胞凋亡的機制可能在wtp53上游即已發(fā)生,淹溺導致的缺氧和氧化應激可能觸發(fā)了此反應。

        2.2 NF-κB在海水吸入導致急性肺損傷的研究中,越來越多的證據(jù)表明NF-κB在炎癥因子的調控中發(fā)揮重要的作用,并在炎癥反應的啟動和放大過程中扮演了重要角色[18-20]。受到海水刺激后,肺組織釋放的大量細胞因子可導致NF-κB抑制蛋白的降解,進而NF-κB磷酸化并從細胞質移位至細胞核內,進一步導致大量促炎因子的釋放,使肺組織的屏障功能受損、通透性增加、炎癥細胞聚集,從而引起肺損傷[21]。動物實驗證實,海水灌注后,隨著時間的延長及肺損傷程度的加重,NF-κB的活性進行性升高,表明SWD-ALI早期NF-κB激活參與了肺損傷發(fā)生、發(fā)展過程[4]。NF-κB活化的調節(jié)途徑有正、負反饋2個方向,其中TNF-α、IL-1β既是NF-κB活化的激動劑,又是受其調節(jié)的轉錄產物[22-24];而抗炎細胞因子IL-10等則有抑制NF-κB活化的功能[24-25],NF-κB狀態(tài)取決于占優(yōu)勢的調節(jié)方式。TNF-α、IL-1β是在全身及局部炎癥反應早期起重要作用的炎癥細胞因子,也是構成炎性損傷級聯(lián)放大效應的重要組成部分。芮萌等[4]發(fā)現(xiàn),海水淹溺后早期伴隨NF-κB活性的上升,肺組織中TNF-α、IL-1β濃度也在相應增加,尤其IL-1β在監(jiān)測的24 h內始終與NF-κB的活性保持相關性,該正反饋機制促進了炎癥反應的擴大和持續(xù);IL-10表達量雖然也明顯增加,但其抗炎反應不足以對抗炎癥反應,正負反饋調節(jié)的不協(xié)調性進一步導致大量促炎和抗炎介質的釋放及組織的損傷,最終導致ALI。另外,NF-κB轉錄活性的升高可導致肺泡上皮細胞間緊密連接蛋白的表達量降低,從而影響肺泡上皮的屏障功能,導致其通透性增加,參與肺水腫的發(fā)生[26-27]。研究表明,NF-κB活化的信號傳導通路除p38 MAPK通路外,還可能與小G蛋白RhoA/Rho相關激酶通路的激活有關,RhoA屬于Ras單體鳥苷三磷酸酶超家族中的一員,通過激活下游靶分子RhoA/Rho相關激酶調節(jié)細胞的多種生物學行為[28-29]。

        2.3 中性粒細胞及活性氧研究表明,在海水淹溺動物模型中,可見肺泡灌洗液中性粒細胞計數(shù)及百分比明顯升高,肺組織髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、中性粒細胞彈性蛋白酶(neutrophil elastase,NE)均顯著升高[30]。MPO可作為中性粒細胞的活性標志,用于判斷其在肺內的浸潤程度[31],激活的中性粒細胞產生大量氧自由基;MDA是氧自由基使細胞膜中多價不飽和脂肪酸發(fā)生氧化反應的終產物,其濃度可反映脂質過氧化或氧化應激的程度[32],中性粒細胞還可釋放NE引起級聯(lián)炎癥反應導致肺損傷[33]。所以,研究者認為在SWD-ALI早期,中性粒細胞是主要的炎癥效應細胞,由其衍生的氧化應激反應與NE的釋放,協(xié)同介導了肺組織損傷。中性粒細胞作為機體非特異防御反應的主要執(zhí)行者,在炎癥反應中起重要作用,其適時、適度的凋亡既有利于有效的發(fā)揮防御功能,又有助于避免炎癥反應的過度激活、擴散和遷移[16,34]。研究發(fā)現(xiàn)SWD-ALI病變過程中,中性粒細胞不僅存在數(shù)量和比例的增加,而且凋亡也受到顯著抑制,ALI形成后1 h內中性粒細胞凋亡存在一過性的升高;之后,隨著肺損傷的加重,中性粒細胞凋亡抑制逐漸加重,至6 h凋亡比例降至最低,直至24 h才恢復至接近基礎水平[35]。

        2.4 低氧誘導因子-1低氧誘導因子-1(hypoxiainducible factor-1,HIF-1)是一種氧依賴轉錄激活因子,也是一種重要的炎癥調節(jié)因子,參與調節(jié)急慢性炎癥反應[36],HIF-1α亞基是HIF-1的功能性亞基。研究表明,在海水干預下,人肺泡上皮細胞HIF-1α蛋白的表達與TNF-α、IL-6的表達呈相關性,提示HIF-1α在海水干預誘導肺泡上皮細胞炎癥反應的過程中可能起重要作用[37]。但目前對于HIF-1的相關研究較少,尚無法明確其確切作用及機制。

        2.5 絲氨酸/蘇氨酸激酶家族成員STE20相關脯氨酸丙氨酸豐富的蛋白激酶最近有文獻報道,在海水高滲透壓的刺激下,細胞通過轉錄和翻譯上調絲氨酸/蘇氨酸激酶家族成員STE20(sterile 20)相關脯氨酸丙氨酸豐富的蛋白激酶(STE20-related praline/alaninerich kinase,SPAK)的表達,調節(jié)下游的相關分子磷酸化,參與肺的炎癥反應,加重了急性肺損傷的程度[38]。SPAK屬于STE20激酶家族,與細胞膜上的離子共同轉運體相互作用,參與了鈉氯離子運輸和滲透細胞體積的調控[39]。SPAK參與了細胞對滲透壓調節(jié)的信號傳導,在高滲刺激的情況下SPAK表達上調,繼而可以通過激活p38 MAPK通路參與高滲刺激時的炎癥反應[40],但是其確切的作用有待進一步的研究證實。

        3 SWD-ALI與脂多糖導致的ALI的比較

        在脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)引起的ALI中,炎癥介質同樣發(fā)揮了重要作用。與SWD-ALI相似,LPS同樣可活化多種信號通路導致炎癥級聯(lián)反應的發(fā)生,如NF-κB通路、p38 MAPK通路以及信號轉導-轉錄活化因子-3信號通路,參與LPS致ALI的主要炎性介質包括NE、基質金屬蛋白酶、TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8等[41-42]。但有研究表明,海水吸入較LPS所致的ALI引起的肺水腫、肺泡內出血、炎性細胞浸潤更加嚴重[43]。

        4 小結與展望

        淹溺導致海水吸入后不僅直接損傷肺實質細胞,同時激活急性炎癥反應,引起肺局部甚至全身炎癥反應綜合征。在細胞水平上表現(xiàn)為中性粒細胞等炎癥細胞的浸潤,在分子水平上表現(xiàn)為轉錄因子的顯著激活、細胞因子的過度表達、炎癥介質的大量產生,各類炎癥因子相互作用共同調控機體的炎癥反應。另外,海水吸入后可直接或通過炎癥反應間接刺激導致凋亡程序的改變,使得中性粒細胞凋亡受到抑制,肺泡上皮細胞凋亡增加,從而導致肺損傷。盡管目前已發(fā)現(xiàn)了許多與SWD-ALI發(fā)生相關的因子,但其確切發(fā)生機制仍未闡明,然而炎癥介質在SWD-ALI中的主要地位已受到廣泛重視,研究者們希望從炎癥介質出發(fā)找到治療SWD-ALI的有效方法。有動物實驗表明,對于SWD-ALI,用6~8 mL/kg小潮氣量機械通氣對肺內炎癥有一定的抑制作用,且無機械通氣導致肺損傷,但其可加重肺泡萎陷程度[44]。另有研究表明,在大鼠海水淹溺性肺水腫中,地塞米松可抑制海水誘導的NF-κB活化,同時上調緊密連接蛋白水平,減輕肺水腫。尿胰蛋白酶抑制劑可通過抑制NF-κB、TNF-α和NE,抑制中性粒細胞浸潤并增加IL-10的作用而減輕SWD-ALI[1],其他如丹參酮ⅡA、乙?;邹继J醇均可抑制炎癥反應而在治療肺損傷中發(fā)揮一定的作用[15,20]。但目前多數(shù)研究局限于動物實驗,相關臨床研究報道較少。需要進一步的研究更全面地揭示其發(fā)病機制,對炎癥反應與抗炎反應的失衡進行系統(tǒng)、深入研究,從海水淹溺傷患者中獲取臨床資料,并從臨床救治中總結經(jīng)驗,為治療方案的制定提供更多的依據(jù)。

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        Role of inflammatory mediators in the pathogenesis of seawater drowning induced-acute lung injury

        WANG Fan,HAN Zhihai
        (Department of Respiration,Navy General Hospital,Beijing 100048,China)

        Increasing importance has been attached to seawater drowning induced-acute lung injury(SWD-ALI)due to its rapid progression,complicated pathogenesis and ineffective therapy. Seawater aspiration caused by drowning can activate acute inflammatory response and release inflammatory related cells and factors,which can perform cascade reaction leading to partial inflammation in lung or systemic inflammatory response syndrome.A variety of inflammatory mediators participate initiation and enhancement of inflammatory response such as cytokines including tumor necrosis factor-α(TNF-α),interleukin(IL)-1β,IL-6,IL-8,nuclear factor(NF)-κB,neutrophils,reactive oxygens,proteases and so on.In this paper,the effect of inflammatory mediators on pathogenesis of SWD-ALI is reviewed.

        Seawater drowning;Acute lung injury;Inflammatory mediators

        R835.2

        A

        2095-3097(2015)05-0311-05

        10.3969/j.issn.2095-3097.2015.05.016

        2014-12-22 本文編輯:徐海琴)

        全軍醫(yī)學科研十二五計劃科研課題(CWS11J180)

        100048北京,海軍總醫(yī)院呼吸內科(王 凡,韓志海)

        韓志海,E-mail:hzhngh@sina.com

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