張少康, 劉 楊
(1. 同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科,上海 200120; 2. 大連醫(yī)科大學(xué)研究生院,大連 116044)
膿毒癥患者死亡率高,一直是醫(yī)療界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。膿毒癥患者中大約50%-70%合并凝血功能障礙,其中35%的患者會(huì)進(jìn)展至播散性血管內(nèi)凝血,發(fā)生膿毒癥凝血病(sepsis-induced coagulopathy, SIC)的患者其病死率增加28%-43%。根據(jù)研究,膿毒癥凝血病發(fā)病機(jī)制一方面包括促凝物質(zhì)上調(diào),例如組織因子釋放增加。另一方面包括抗凝物質(zhì)的下調(diào),例如抗凝血酶血栓調(diào)節(jié)蛋白、組織因子途徑抑制物的減少。同時(shí)還包括纖維蛋白溶解機(jī)制受損等。其中以促凝物質(zhì)上調(diào)導(dǎo)致高凝狀態(tài)最為重要。除此之外,糖萼破壞引起的內(nèi)皮環(huán)境紊亂。肝素結(jié)合蛋白通過結(jié)合糖萼對(duì)內(nèi)皮的影響。也可能是SIC發(fā)生發(fā)展的重要生理機(jī)制。本文的目的在于通過近年研究,通過介紹糖萼、肝素結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)、來源以及肝素對(duì)二者的影響來進(jìn)行綜述。
血管內(nèi)皮糖萼是血管內(nèi)皮腔側(cè)表明覆蓋著的一層多糖蛋白質(zhì)復(fù)合物。目前,總結(jié)過去數(shù)十年的研究,Dull等[1]認(rèn)為血管內(nèi)皮糖萼主要包括蛋白聚糖及其糖胺聚糖鏈等。其中糖胺聚糖為糖萼中含量最多的成分,由硫酸乙酰肝素、硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)素和透明質(zhì)酸、多配體蛋白聚糖-1等多種成分組成。而硫酸乙酰肝素是糖胺聚糖的主要成分,占比約50%-90%。
血管內(nèi)皮糖萼的主要生理功能之一在于調(diào)節(jié)血管壁的選擇通透性。負(fù)電性的血管內(nèi)皮糖萼與吸附的血漿成分帶陽離子成分如Na+、左旋精氨酸、陽離子多肽、白蛋白等,共同隔絕血液與內(nèi)皮細(xì)胞直接接觸[2],通過選擇性限制液體和血漿大分子向內(nèi)皮細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn),維持體液平衡和內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。關(guān)于毛細(xì)血管通透性的研究發(fā)現(xiàn),倉鼠的微血管經(jīng)透明質(zhì)酸酶處理后,大分子物質(zhì)又更易穿越血管內(nèi)皮,證明透明質(zhì)酸在糖萼選擇性通透屏障功能中起到重要作用[3]。
血管內(nèi)皮糖萼的另一生理功能是調(diào)控白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間的相互作用。血管內(nèi)皮糖萼在空間上限制了血細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的接觸[4],糖萼破壞以后,白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間的相互作用模式發(fā)生變化,進(jìn)而影響白細(xì)胞的激活、黏附與內(nèi)皮的破壞。另外,血管內(nèi)皮糖萼在內(nèi)皮細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中亦起著重要作用[5]。用酶選擇性去除糖萼的特定糖胺聚糖[5],可抑制剪切力誘導(dǎo)的牛主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的一氧化氮生成,表明血管內(nèi)皮糖萼對(duì)擴(kuò)血管物質(zhì)的釋放有促進(jìn)作用。所以,糖萼有維持血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的功能,包括控制血管通透性和微血管張力,防止微血管血栓形成,調(diào)節(jié)白細(xì)胞黏附[6]。
血管內(nèi)皮糖萼的完整性在維持血管內(nèi)皮的功能中有著不可或缺的作用。Lipowsky等[7]在構(gòu)建的小鼠炎癥模型中觀察到血管內(nèi)皮糖萼在小鼠炎癥發(fā)生發(fā)展過程中出現(xiàn)快速脫落,這可能是因?yàn)檠装Y發(fā)展中炎癥介質(zhì)如活性氧、活性氮、中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶、腫瘤壞死因子等的釋放使糖萼結(jié)構(gòu)的完整性受損,進(jìn)而影響其功能。當(dāng)血管內(nèi)皮糖萼的結(jié)構(gòu)被破壞以后,其掩蓋的血管內(nèi)皮細(xì)胞胞間黏附分子和血管細(xì)胞黏附分子暴露,使得血液循環(huán)中的白細(xì)胞更易與血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生黏附,進(jìn)而引起后續(xù)一系列的生理變化[8]。因此,炎癥反應(yīng)時(shí)糖萼脫落可以被認(rèn)為是血管內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)炎癥介質(zhì)的應(yīng)激反應(yīng)[9]。
膿毒癥時(shí)炎癥反應(yīng)中血管內(nèi)皮糖萼的結(jié)構(gòu)被破壞之后,其功能發(fā)生了下列變化: 首先,血管內(nèi)皮糖萼的屏障功能削弱或喪失,藏匿于其中的多種信號(hào)分子和酶亦同時(shí)喪失,糖萼對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的保護(hù)作用減弱。其次,糖萼的機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)導(dǎo)功能削弱或喪失,產(chǎn)生一系列病理改變,包括血管通透性增加,水腫產(chǎn)生,內(nèi)皮細(xì)胞與白細(xì)胞的相互作用模式發(fā)生變化,凝血系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的失衡以及血管緊張度降低等[10]。以上均表明糖萼的破壞參與了膿毒癥的病理變化。
血管內(nèi)皮糖萼的脫落物在膿毒癥患者的炎癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著促進(jìn)作用。硫酸乙酰肝素是血管內(nèi)皮糖萼糖胺聚糖的主要成分,廣泛存在于血管細(xì)胞表面和基質(zhì)中[11]。一系列的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí),硫酸乙酰肝素是P-和L-選擇素的潛在配體[12],可結(jié)合促炎趨化因子[13],促進(jìn)趨化因子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。血管內(nèi)皮硫酸乙酰肝素還參與調(diào)控炎癥反應(yīng)的多個(gè)階段[14]。因此,糖萼破壞后的產(chǎn)物可參與到炎癥發(fā)生發(fā)展的細(xì)胞分子機(jī)制中。
健康的血管內(nèi)皮被糖萼覆蓋,而膿毒癥凝血功能障礙主要是由于內(nèi)皮進(jìn)行性的破壞和損傷,因此,在膿毒癥中糖萼的破壞增加了血栓形成幾率。一方面,糖萼的脫落增加了受損內(nèi)皮的毛細(xì)血管通透性和細(xì)胞黏附[15]。這使得內(nèi)皮細(xì)胞抗凝、抗栓的作用降低[6]。目前已有研究證實(shí),糖萼中完整的硫酸肝素鏈作為抗凝血酶Ⅲ的結(jié)合位點(diǎn)[16],這是抑制凝血因子的主要抗凝血分子。同樣,組織因子途徑抑制劑(tissue factor pathway inhibijtor, TFPI)也可以與硫酸肝素結(jié)合[17],抑制促凝過程的早期階段。另一方面,糖萼還具有血管內(nèi)穩(wěn)態(tài)所必需的額外功能。糖萼的黏性、彈性、凝膠狀的一致性使它可以作為一個(gè)機(jī)械傳感器,在調(diào)節(jié)血管張力時(shí)起到重要作用[18]。在血管流動(dòng)存在的情況下,完整的糖萼可以將流體剪切力轉(zhuǎn)導(dǎo)到內(nèi)皮細(xì)胞,促使內(nèi)皮型一氧化氮合酶的誘導(dǎo)和一氧化氮的產(chǎn)生,這可以使得血管保持舒張狀態(tài)。這種剪切力的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo),使血管有良好的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力,從而保持合適的血流速率[5]。研究發(fā)現(xiàn),如果內(nèi)皮細(xì)胞糖萼大量破壞丟失,從而暴露內(nèi)皮細(xì)胞表面細(xì)胞間黏附分子1和血管細(xì)胞黏附分子1,將促進(jìn)白細(xì)胞的黏附[19]。而且糖萼的黏性結(jié)構(gòu)在防止血小板異常的血管黏附中也起到重要作用[8]。所以在膿毒癥凝血紊亂過程中,糖萼具有抗凝抗栓、防止血細(xì)胞聚集和抗黏附作用。
肝素結(jié)合蛋白(heparin-binding protein, HBP)是一種來源于中性粒細(xì)胞(polymorphonuclear, PMN)的多功能顆粒蛋白[20],也稱為天青霉素或CAP37,主要存在于PMN的分泌囊泡和嗜藍(lán)顆粒中。PMN在與內(nèi)皮細(xì)胞表面的細(xì)胞黏附分子接觸后被激活[21],隨后HBP釋放導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)皮通透性增加,并進(jìn)一步導(dǎo)致PMN向感染部位的擴(kuò)散[22]。有研究發(fā)現(xiàn),HBP也存儲(chǔ)在嗜酸性顆粒中,但此種細(xì)胞胞吞胞吐傾向較低,僅在PMN滲入組織后才釋放[23]。因此,HBP主要來源于PMN,并激活單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞,誘導(dǎo)血管滲漏和水腫的形成。
HBP已廣泛應(yīng)用于重癥監(jiān)護(hù)室中感染患者的監(jiān)測(cè)。一系列的研究證實(shí)膿毒癥伴器官衰竭患者血漿HBP水平顯著升高,并與其短期內(nèi)死亡率明顯相關(guān),血漿HBP高于正常值上限患者的28 d死亡率是血漿HBP位于正常值范圍內(nèi)患者的4倍[24]。有學(xué)者評(píng)價(jià)HBP與傳統(tǒng)生物標(biāo)志物對(duì)照作為膿毒癥標(biāo)志物的價(jià)值,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重膿毒癥患者在發(fā)生休克前期血漿中HBP水平已經(jīng)升高[25],其時(shí)間窗明顯早于C反應(yīng)性蛋白、IL-6、降鈣素原及乳酸等現(xiàn)有常規(guī)感染性生物標(biāo)志物[26]。同時(shí),血漿HBP在15 ng/mL時(shí)相比于其他感染性指標(biāo)能更好地預(yù)測(cè)膿毒癥的發(fā)生,其靈敏度為87.1%,特異度為95.1%[27]。因此在膿毒癥休克患者中,HBP是預(yù)測(cè)膿毒癥發(fā)生與患者不良預(yù)后的重要標(biāo)志物。
肝素結(jié)合蛋白在膿毒癥凝血病中的研究較少。但研究已證實(shí),激活的PMN釋放HBP會(huì)引發(fā)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷,導(dǎo)致血管滲漏。此過程將提高局部凝血因子水平,也增加暴露內(nèi)皮下外源性凝血因子的機(jī)會(huì),可能參與了局部凝血紊亂。在一項(xiàng)胸心外科圍手術(shù)期HBP水平的研究發(fā)現(xiàn)[28],HBP可與血管內(nèi)皮上的糖蛋白相結(jié)合,從而引起內(nèi)皮功能紊亂,進(jìn)而促進(jìn)SIC的發(fā)生發(fā)展。同時(shí),Aquino-Domínguez等[29]發(fā)現(xiàn)血小板含有、分泌和轉(zhuǎn)譯HBP的能力,且低濃度的HBP可以防止血小板聚集和激活,表明肝素結(jié)合蛋白可能對(duì)凝血過程有重要意義,與SIC的生理機(jī)制存在某些關(guān)系,但仍需進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。
膿毒癥時(shí)激活的中性粒細(xì)胞釋放HBP入血后,HBP如何與內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生作用仍待明確,但已有研究證實(shí)糖萼是HBP的主要結(jié)合部位。在對(duì)肝素結(jié)合蛋白與內(nèi)皮細(xì)胞研究中,刺激中性粒細(xì)胞釋放HBP后與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞共同培養(yǎng)。用硫酸軟骨素酶處理內(nèi)皮細(xì)胞糖萼的糖胺聚糖側(cè)鏈,脫落糖萼所得到上清液經(jīng)凝膠電泳分離,可同時(shí)發(fā)現(xiàn)脫落的HBP存在。進(jìn)一步使用硫酸肝素型蛋白聚糖單抗3G10標(biāo)記,證實(shí)了糖萼的硫酸肝素蛋白聚糖是血管內(nèi)皮表面HBP的主要結(jié)合點(diǎn)[30]。這些發(fā)現(xiàn)提示中性粒細(xì)胞釋放的HBP首先與血管內(nèi)皮表面的糖萼結(jié)合,而不是與內(nèi)皮細(xì)胞直接結(jié)合。
完整的內(nèi)皮具有多種抗凝血特性,這點(diǎn)在膿毒癥患者中尤為重要,當(dāng)內(nèi)皮糖萼破壞增加時(shí),一氧化氮、前列環(huán)素和組織因子途徑抑制劑的產(chǎn)生和釋放[31]會(huì)受到相應(yīng)的影響,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致硫酸肝素的降解,硫酸肝素是血漿中循環(huán)抗凝血酶在內(nèi)皮[32]腔表面和基底膜的結(jié)合點(diǎn),當(dāng)內(nèi)皮糖萼被破壞后,可導(dǎo)致循環(huán)抗凝血酶的缺乏,此外,血管內(nèi)皮表面失去糖萼形成的保護(hù)作用層,將導(dǎo)致白細(xì)胞和血小板在血管內(nèi)皮的黏附和微血栓的形成[33],這一系列的改變加重了膿毒癥患者體內(nèi)的凝血功能紊亂。
肝素是一種具有抗凝血?jiǎng)┖涂寡滋匦缘奶前肪厶?廣泛用于臨床預(yù)防靜脈血栓栓塞,也在膿毒癥凝血病時(shí)抑制異常凝血過程,其機(jī)制仍待明確。目前已知肝素與糖萼中的糖胺聚糖具有類似的結(jié)構(gòu),所不同的是糖基和硫基的位置和數(shù)量不同,所以本身肝素具有作為外源性糖胺聚糖的可能,參加修復(fù)或保護(hù)糖萼[34]。例如Yini等[35]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),肝素的使用減少了糖萼的脫落。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)肝素可抑制硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的降解。從而調(diào)節(jié)血管通透性、微循環(huán)張力、白細(xì)胞和血小板黏附、止血等作用[36]。而在膿毒癥中,肝素通過抑制HPSE和隨后的硫酸肝素分解來保護(hù)糖萼不受降解。一項(xiàng)研究報(bào)道,肺微血管中糖萼變薄是由TNF-α依賴性肝素酶激活后硫酸肝素降解引起的,而肝素治療可削弱這種降解[8]。通過這些研究發(fā)現(xiàn),肝素在多方面對(duì)糖萼具有保護(hù)作用,并通過該方式起到對(duì)內(nèi)皮的保護(hù)作用。
在肝素結(jié)合蛋白早期的研究就發(fā)現(xiàn)其具有與肝素相結(jié)合的能力,這也是其命名的來源,但對(duì)肝素結(jié)合蛋白與肝素其在體內(nèi)的研究不多。一項(xiàng)關(guān)于HBP在心胸外科手術(shù)中的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn),圍手術(shù)期患者靜脈使用大劑量肝素可顯著提高患者血漿HBP水平。與感染相關(guān)的HBP升高不同,這些患者血清HBP的升高并不是中性粒細(xì)胞激活所導(dǎo)致,而是肝素促進(jìn)吸附在內(nèi)皮或者其他細(xì)胞表面上的HBP釋放引起。進(jìn)一步研究明確其機(jī)制為大劑量帶負(fù)電荷的肝素與原本結(jié)合在內(nèi)皮細(xì)胞糖萼中帶負(fù)電荷的蛋白聚糖的HBP結(jié)合,從而使得HBP脫離糖萼進(jìn)入血液,成為可探測(cè)到的游離或與肝素形成復(fù)合體的形式,表現(xiàn)出HBP的顯著升高[28]。
肝素與HBP存在一定競(jìng)爭關(guān)系。HBP釋放后可從循環(huán)中迅速消失,主要分布到肝細(xì)胞,并有部分由脾臟的單核/巨噬細(xì)胞攝取。而一部分HBP通過受體介導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞,該過程稱之為內(nèi)化。有國外學(xué)者為了更詳細(xì)地研究HBP的內(nèi)化過程,將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞與50 μg/mL的HBP預(yù)孵育,觀察HBP被轉(zhuǎn)移進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞的量。發(fā)現(xiàn)如果加入100 μg/mL的肝素,與50 μg/mL HBP和內(nèi)皮細(xì)胞共同孵育,83%±8%的內(nèi)皮細(xì)胞HBP內(nèi)化被阻止。由此可推斷肝素抑制HBP到內(nèi)皮細(xì)胞的內(nèi)化與肝素和糖胺聚糖競(jìng)爭HBP的結(jié)合,使HBP脫離糖萼有關(guān)。此外,實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮表面的硫酸軟骨素和硫酸乙酰肝素等糖萼的結(jié)構(gòu)物質(zhì)是HBP結(jié)合的位點(diǎn),其結(jié)合產(chǎn)物為HBP結(jié)合蛋白多糖[30]。同時(shí)也說明糖萼可作為HBP作用于內(nèi)皮細(xì)胞前的一個(gè)“緩沖區(qū)域”,減少了HBP與內(nèi)皮細(xì)胞直接接觸的機(jī)會(huì)。
肝素與糖萼表面的HBP競(jìng)爭性結(jié)合原理可能與三者蛋白結(jié)構(gòu)和電荷相關(guān)。肝素作為一種糖胺聚糖,是已知帶負(fù)電荷密度最高的生物分子[37]。內(nèi)皮糖萼是一種多糖和蛋白質(zhì)的混合物,在內(nèi)皮細(xì)胞上創(chuàng)造了一個(gè)“不可濕性”的表面,這些多糖產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的負(fù)離子電荷[38]。HBP包含一個(gè)絲氨酸蛋白酶折疊,暴露2個(gè)帶電的斑塊,一個(gè)堿性區(qū)域和一個(gè)酸性區(qū)域,其中堿性區(qū)域帶正電荷并作為肝素的結(jié)合位點(diǎn)[39]。從HBP的帶電斑塊的不同表面模式推斷[38],HBP的正電基團(tuán)與內(nèi)皮糖萼主要組成部分帶負(fù)電荷的糖胺聚糖側(cè)鏈形成離子相互作用是HBP結(jié)合在糖萼的主要原因。當(dāng)血清中肝素濃度增高時(shí),可競(jìng)爭性地結(jié)合帶正電荷的HBP[40],使HBP脫離糖萼,進(jìn)入血液循環(huán),減少HBP被內(nèi)皮細(xì)胞攝入內(nèi)化的機(jī)會(huì),減少HBP造成的內(nèi)皮細(xì)胞激活和內(nèi)皮損傷。其中肝素競(jìng)爭強(qiáng)度與其在血液中的濃度呈正相關(guān)。
肝素可抑制硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的降解,并可作為外源性糖胺聚糖參與修復(fù)糖萼結(jié)構(gòu),從而保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞糖萼的降解,維持糖萼的功能。更關(guān)鍵的是肝素競(jìng)爭性結(jié)合HBP,從而減少HBP在糖萼的錨定,減少HBP在內(nèi)皮細(xì)胞的內(nèi)化作用,從而減少血管內(nèi)皮的損傷,減輕患者的炎癥與凝血功能紊亂,這解釋了肝素[41]保護(hù)血管內(nèi)皮,減少血管通透性,減少白細(xì)胞和血小板異常凝集的機(jī)制。
綜上所述,糖萼是附著在血管內(nèi)皮細(xì)胞表面的一種聚糖蛋白,并具有參與炎癥相關(guān)機(jī)制形成、抗凝抗栓、防止血細(xì)胞聚集和抗黏附作用,而膿毒癥凝血功能障礙或彌散性血管內(nèi)凝血主要是由于內(nèi)皮的進(jìn)行性破壞和損傷,因此,糖萼的完整性在SIC中具有十分重要的意義。中性粒細(xì)胞攜帶的肝素結(jié)合蛋白作為一種參與炎癥進(jìn)程的多功能蛋白,參與了膿毒癥血管內(nèi)皮損傷和凝血功能障礙的病理過程。肝素結(jié)合蛋白作用于內(nèi)皮細(xì)胞時(shí),并非肝素結(jié)合蛋白與內(nèi)皮細(xì)胞直接結(jié)合。肝素結(jié)合蛋白先與糖萼的硫酸肝素蛋白聚糖結(jié)合,進(jìn)而通過內(nèi)皮細(xì)胞的內(nèi)化作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。因?yàn)榈鞍捉Y(jié)構(gòu)和電荷原因,肝素可與糖萼競(jìng)爭性結(jié)合肝素結(jié)合蛋白,并減少肝素結(jié)合蛋白被內(nèi)皮細(xì)胞攝入內(nèi)化的機(jī)會(huì),從而減少肝素結(jié)合蛋白造成的內(nèi)皮細(xì)胞激活和內(nèi)皮損傷。從而減少血管通透性和白細(xì)胞、血小板異常凝集。
糖萼和肝素結(jié)合蛋白均參與了SIC發(fā)生發(fā)展的病理機(jī)制。肝素結(jié)合蛋白被內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)化前先與糖萼結(jié)合,糖萼是肝素結(jié)合蛋白在內(nèi)皮細(xì)胞上的主要結(jié)合位點(diǎn),為肝素結(jié)合蛋白直接作用于內(nèi)皮細(xì)胞提供了一個(gè)“緩沖區(qū)域”。肝素的使用使得肝素結(jié)合蛋白可以脫離糖萼,對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞及糖萼起到保護(hù)作用,減輕了SIC的進(jìn)展。目前對(duì)于肝素結(jié)合蛋白結(jié)合糖萼后參與SIC形成的分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究,明確該機(jī)制能為我們對(duì)膿毒癥患者凝血功能紊亂的監(jiān)測(cè)、治療提供更多的思路和治療方法。
同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2023年5期