劉玉東 段爭

河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院呼吸二科,石家莊 050000

OSAHS是一種困擾著3%～7%中年人群的常見呼吸系統(tǒng)病癥[1],其以在睡眠過程中反復(fù)出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣為特征,造成各組織和器官的反復(fù)低氧-復(fù)氧過程,產(chǎn)生對心血管、腦血管和呼吸系統(tǒng)的損傷,還能導(dǎo)致物質(zhì)代謝紊亂,引起肥胖、糖尿病、血脂異常和高尿酸血癥[2]。在各個(gè)系統(tǒng)的影響中,作為與氣態(tài)氧直接接觸的呼吸系統(tǒng),肺損傷是最常見、最早,也是最嚴(yán)重的。目前研究最為廣泛的是以間歇性低氧 (intermittent hypoxia,IH)模擬OSAS來探究對肺組織的影響。但是IH 對肺組織的具體影響及相關(guān)機(jī)制還不十分清楚。本文主要以O(shè)SAS為例,從氧化應(yīng)激、炎癥損傷、線粒體損傷等方面來綜述IH 對肺組織的損傷及可能機(jī)制。

1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指機(jī)體內(nèi)活性氧化物 (reactive oxygen species,ROS)生成和內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)清除ROS能力之間的失衡。ROS包含有各種各樣的化學(xué)物質(zhì),如超氧化物陰離子、過氧化氫和羥自由基。它們是以細(xì)胞呼吸和代謝的副產(chǎn)物或通過包括線粒體電子傳遞鏈、黃嘌呤氧化酶、細(xì)胞色素P-450、脂氧合酶、一氧化氮合酶、過氧化物酶體和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶在內(nèi)的特異性酶而產(chǎn)生的。正常條件下,ROS是一種必不可少的信號分子,但是過高的ROS水平可以刺激氧化應(yīng)激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路而導(dǎo)致細(xì)胞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA 等破壞,產(chǎn)生氧化應(yīng)激損傷[3]。Wang等[4]進(jìn)行的一項(xiàng)以IH 模擬OSAS的研究中,多個(gè)氧化應(yīng)激指標(biāo)被檢測,研究結(jié)果顯示IH 導(dǎo)致超敏C反應(yīng)蛋白、8-異前列腺素和丙二醛水平的明顯增高以及超氧化物歧化酶和谷胱甘肽水平的明顯降低,表明了IH 誘導(dǎo)了肺組織的氧化應(yīng)激反應(yīng)。Tuleta等[5]的研究實(shí)驗(yàn)表明IH 打破了小鼠肺內(nèi)的氧化還原平衡,增加了肺組織內(nèi)自由基的釋放,從而導(dǎo)致了肺組織的氧化應(yīng)激損傷。da Rosa等[6]也證實(shí)了在暴露于IH 的大鼠肺組織中,作為氧化應(yīng)激標(biāo)志的脂質(zhì)過氧化物的水平也是升高的,與以上研究結(jié)果一致,提示IH 通過氧化應(yīng)激反應(yīng)參與了肺損傷的過程。

當(dāng)肺組織受到氧化應(yīng)激損傷后,多種抗氧化機(jī)制與通路被激活,以減輕氧化應(yīng)激反應(yīng),主要有核因子κB[7]、PI3K/Akt[8]、紅系衍生核因子相關(guān)因子2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)/血紅素氧合酶1 (heme oxygenase-1,HO-1)等通路,以Nrf2/HO-1 通路最為重要。Kelch ECH 關(guān)聯(lián)蛋白1 (Kelch ECH associating protein 1,Keap1)-Nrf2/HO-1通路是體內(nèi)對由ROS 和親電物質(zhì)誘導(dǎo)的內(nèi)源性及外源性應(yīng)激所作出的細(xì)胞保護(hù)反應(yīng)的主要途徑。Keap1富含半胱氨酸,是一種能與Nrf2結(jié)合并通過泛素蛋白酶體促進(jìn)其降解的阻遏蛋白。Nrf2是堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子家族的一名成員,在肺中表達(dá)很旺盛,其通過與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合而誘導(dǎo)抗氧產(chǎn)物及解毒酶和蛋白質(zhì)的表達(dá),在細(xì)胞保護(hù)中起到了重要作用。HO-1 又稱熱休克蛋白32,是一種受多種應(yīng)激誘導(dǎo)的誘導(dǎo)酶。盡管Nrf2幾乎在所有類型的組織和細(xì)胞中廣泛表達(dá),但是由于其天然負(fù)性調(diào)節(jié)劑Keap1的存在,使其通過26S蛋白酶體途徑泛素化而降解,所以在基礎(chǔ) (穩(wěn)態(tài))條件下它的蛋白表達(dá)量表達(dá)在較低水平。反復(fù)低氧-復(fù)氧狀態(tài)下,機(jī)體內(nèi)會產(chǎn)生多余的ROS,氧化還原平衡便被打破,Keap1 中的C151被修飾而發(fā)生構(gòu)象改變,影響了其與Nrf2 之間的相互作用,Keap1與Nrf2之間的親和力減弱,結(jié)果Nrf2 不再被泛素化而變得穩(wěn)定,新生成的Nrf2在細(xì)胞質(zhì)中積累,并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)與小Maf蛋白結(jié)合形成二聚體,在它的靶基因可調(diào)控區(qū)與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合以促進(jìn)這些靶基因的轉(zhuǎn)錄,主要有超氧化物歧化酶、HO-1、醌氧化還原酶1和谷胱甘肽過氧化物酶等[9]。Wang等[4]的研究將IH 組按氧氣濃度 (12.5%、10%、7.5%、5%)分為4 個(gè)等級,暴露時(shí)間為12周,結(jié)果顯示肺組織氧化應(yīng)激損傷程度隨氧氣濃度下降而持續(xù)加重,而蛋白質(zhì)免疫印跡顯示Nrf2和HO-1蛋白表達(dá)水平并沒有持續(xù)升高；7.5%組Nrf2 表達(dá)最高,10%組HO-1表達(dá)最高,其機(jī)制可能為短期IH 暴露可使Nrf2/HO-1持續(xù)激活,長期IH 暴露則可能抑制此通路,此推斷在低氧對心臟和腎臟影響的研究中被部分證實(shí)。Kuang等[10]所做的研究證明在低氧條件下,大鼠心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞中Nrf2和HO-1的m RNA 和蛋白表達(dá)量會暫時(shí)性升高。Sun等[11]進(jìn)行的IH 對小鼠腎臟的抗氧化反應(yīng)與氧化損傷的研究顯示,短期IH (3～7 d)暴露腎臟Nrf2和HO-1的表達(dá)水平顯著升高,抗氧化物的水平也顯著升高,并伴隨著丙二醛的降低；然而長期 (8周)IH 暴露時(shí)腎的Nrf2和HO-1的水平逐漸恢復(fù)至正常,抗氧化物水平顯著降低,腎的炎癥、氧化損傷、細(xì)胞死亡和纖維化都顯著加重。

2 炎癥損傷

IH 在導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷的同時(shí)也伴隨著加重的炎癥反應(yīng)。ROS水平的增加將導(dǎo)致細(xì)胞黏附過程、白細(xì)胞活化和炎癥過程的增加[12]。da Rosa等[6]已證明IH 除了能加重肺部的炎癥反應(yīng),還能引起肝臟的炎癥反應(yīng)。Gonchar 和Mankovska[13]指出IH 能誘導(dǎo)肺內(nèi)循環(huán)單核細(xì)胞的積累并促進(jìn)它們分化為表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的促炎性肺巨噬細(xì)胞,這些肺巨噬細(xì)胞可能通過某些途徑加重了炎性反應(yīng)。Lu等[14]的研究表明IH 組大鼠血清和支氣管肺泡灌洗液中IL-6、核因子κB和腫瘤壞死因子α的濃度顯著增高；肺組織HE染色顯示IH 組大鼠肺泡壁和肺泡間隙有炎性細(xì)胞浸潤,并且炎性評分顯著增高；在電鏡下可觀察到肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞的核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)明顯被破壞。肺泡低氧除了導(dǎo)致單核細(xì)胞,還能導(dǎo)致巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞在肺血管中的聚集。Wang等[4]的研究已證實(shí)IH 導(dǎo)致支氣管肺泡灌洗液中總蛋白含量增加,并且氧濃度越低蛋白含量越高；Giemsa染色顯示IH 以一種濃度依賴的方式增加支氣管肺泡灌洗液中白細(xì)胞、單核細(xì)胞和多核巨細(xì)胞的數(shù)量。

在低氧導(dǎo)致的炎癥損傷過程中,肺血管內(nèi)皮細(xì)胞與肺泡巨噬細(xì)胞 (alveolar macrophages,AMOs)之間的相互聯(lián)系似乎發(fā)揮了重要作用。在多種血管床中,血管內(nèi)皮細(xì)胞激活是一種重要的低氧反應(yīng)。血管內(nèi)皮細(xì)胞能釋放大量促進(jìn)白細(xì)胞向缺氧或損傷部位聚集的促炎性分子和黏附分子。肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞對缺血-再灌注損傷的反應(yīng)不足以獨(dú)自驅(qū)動肺損傷的進(jìn)展。而AMOs的激活增強(qiáng)了低氧導(dǎo)致的內(nèi)皮細(xì)胞的促炎性反應(yīng)。McCourtie等[15]做的一項(xiàng)研究表明AMOs的釋放產(chǎn)物能增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞對肺缺血-再灌注損傷的反應(yīng),并且將內(nèi)皮細(xì)胞暴露于激活的AMOs介質(zhì)中,其在對缺氧-復(fù)氧的反應(yīng)中化學(xué)因子的釋放會增加。另外,在交互實(shí)驗(yàn)中,激活的內(nèi)皮細(xì)胞介質(zhì)同樣可以增加AMOs中單核細(xì)胞趨化蛋白1的生成[15]。AMOs通過增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞中炎性細(xì)胞因子的釋放從而加速肺缺血-再灌注損傷的進(jìn)展,這可能反過來對AMOs有一定的正反饋,表明了AMOs的活化可能通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞而加重肺泡低氧導(dǎo)致的炎性反應(yīng)。

3 線粒體損傷

線粒體是具有多種細(xì)胞功能的細(xì)胞內(nèi)能量生成的基本細(xì)胞器,其通過電子傳遞來消耗O2生成大量ATP,從而與真核細(xì)胞互利共生。在大多數(shù)哺乳動物中,線粒體被認(rèn)為是ATP的主要提供者,在線粒體中超過95%的ATP都是通過氧化反應(yīng)合成[16]。線粒體不僅是ATP的生成場所,而且是 ROS 的生成場所及作用靶點(diǎn)。Taivassalo 和Hussain[17]觀察到暴露于慢性IH 中的大鼠,膈肌的線粒體和膜成分中超氧陰離子水平顯著增加,這些發(fā)現(xiàn)表明線粒體是低氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的主要靶點(diǎn)。線粒體是高度動態(tài)的細(xì)胞器,不斷地進(jìn)行著聚變和裂變,形成一個(gè)橫跨細(xì)胞整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。線粒體的聚變和裂變,也稱為融合和裂變,對許多生物學(xué)過程都很重要,包括線粒體生物合成、周轉(zhuǎn)、亞細(xì)胞分布、細(xì)胞分裂和凋亡之間的穩(wěn)態(tài)。這種線粒體動態(tài)改變在線粒體質(zhì)量控制中發(fā)揮了重要作用,使正常的細(xì)胞代謝和呼吸得以維持。當(dāng)對外界刺激產(chǎn)生應(yīng)激時(shí),線粒體結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著改變,包括碎裂和嵴重塑,其功能發(fā)生障礙。Nunnari和Suomalainen[16]已經(jīng)證明線粒體功能障礙與包括衰老、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病在內(nèi)的多種病理生理過程密切相關(guān)。

OSAS的主要特點(diǎn)就是慢性IH,反復(fù)的低氧-復(fù)氧過程使ROS在體內(nèi)過量生成。當(dāng)線粒體受到損傷時(shí),ROS 便從線粒體呼吸鏈中生成[18],ROS的持續(xù)生成可通過脂質(zhì)過氧化、DNA 損傷和蛋白損傷造成細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷[4]。Taivassalo和Hussain[17]的研究指出ROS可改變線粒體的結(jié)構(gòu)和功能,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明ROS的過量生成可能導(dǎo)致線粒體蛋白的氧化應(yīng)激損傷。當(dāng)線粒體蛋白受到損傷,線粒體功能發(fā)生障礙,能量供應(yīng)不足,最終可導(dǎo)致細(xì)胞的損傷甚至凋亡。線粒體是能量生成場所,其在氧穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用,主要表現(xiàn)在線粒體利用O2以ATP及線粒體膜電位的形式產(chǎn)生能量,并且這種生物學(xué)機(jī)制具有可調(diào)控性。Zhu等[19]的研究發(fā)現(xiàn)與常氧組相比,低氧條件下ATP的生成明顯減少。因此,可推斷OSAS患者體內(nèi)ROS生成增多,ATP生成減少,線粒體對過多的ROS產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)及線粒體能量供應(yīng)不足共同作用,最終導(dǎo)致線粒體穩(wěn)態(tài)失衡,線粒體功能障礙,誘發(fā)了細(xì)胞凋亡。

綜上,在IH 對肺組織造成的損傷中,ROS似乎占據(jù)了核心地位,ROS的過量生成通過氧化應(yīng)激損傷、炎癥損傷、線粒體損傷等機(jī)制導(dǎo)致了肺組織損傷。而ROS在體內(nèi)低水平穩(wěn)定存在是ROS清除及ROS生成相互平衡的結(jié)果,因此,當(dāng)IH 對肺組織造成損傷時(shí),可通過增強(qiáng)ROS清除能力或者減少ROS生成來減弱肺組織損傷。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突