肺血管内皮细胞通透性与急性呼吸窘迫综合征

赵云峰 姜艳平 吴学玲

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是广泛的肺泡上皮和毛细血管内皮损伤、内皮细胞通透性增加所致的渗透性肺水肿和顽固性低氧血症为特点的临床综合征，是危重症患者常见的一种并发症［1-2］。引起ARDS的原因很多，包括各种类型的休克、创伤、感染、吸入有毒气体、误吸、药物过量、代谢紊乱、血液系统疾病等［3-4］。ARDS的病理生理机制比较复杂，目前尚不完全明确，有些致病因子可以直接作用于肺泡膜引起肺损伤，有些主要通过激活中性粒细胞、巨噬细胞。血小板等间接引起肺损伤。大量中性粒细胞在趋化因子作用下聚集于肺泡上皮和毛细血管内皮，释放自由基、蛋白酶和炎性介质等，导致上皮和内皮细胞损伤，致使内皮细胞通透性增加，大量液体渗出。当渗出的液体超过淋巴回流负荷时，就积存在间质，甚至渗入肺泡腔内，造成肺水肿，严重影响气体交换、导致患者缺氧以致死亡。肺血管内皮细胞通透性的研究是ARDS研究中的一个重要方向。

一、肺毛细血管内皮细胞与内皮细胞损伤

血管内皮细胞是连续性排列在血管内壁的高度分化的单层扁平细胞，其胞体呈扁平的三角形，长5 ～45 μm，宽 15 μm，核与血管纵轴平行［5］。血管内皮细胞是血液到组织液的最主要屏障，内皮细胞的屏障功能对维持血管内外营养物质的交换、大分子的转运和血管内外的水、电解质平衡起着重要的调节作用。内皮细胞通透性主要由内皮细胞间的连接进行调控。与大多数细胞一样，内皮细胞的连接方式主要有紧密连接、黏附连接、缝隙连接和韧带连接［6］。这种连接是由排列在胞膜和胞浆的转运蛋白构成，这些转运蛋白可以发生合成和分解的动态转变，从而使内皮细胞能够快速改变细胞间连接的构型，允许血浆成分和循环血细胞通过。这种动态转变的发生是快速、可逆的，连接结构破坏和再次合成仅仅在几分钟之内。在ARDS时肺血管内皮细胞受损伤，出现超微结构改变，通透性增加。

肺微血管内皮细胞完整性受损是许多肺部疾病病理生理过程中一个重要环节。在严重感染、创伤、休克、药物损伤、理化刺激等情况下，由于内毒素、补体、血小板、趋化因子、细胞因子等作用诱导血管内皮细胞激活，发生结构和功能改变，导致内皮细胞通透性增加。电镜下观察发现:弥漫性肺泡损害时，内皮细胞超微结构改变包括细胞肿胀、内皮间隙连接增宽、胞饮囊泡数量增加、内皮细胞坏死、纤维蛋白形成及基底膜中断等［7］。

1.炎性损伤和细胞凋亡:虽然ARDS病因各异、肺损伤病理生理机制迄今也未完全阐明，但许多研究已经证实:ARDS是细胞和体液介导的急性炎症反应，是系统性炎症反应综合征的一部分［8］。血管内皮细胞激活后，可分泌多种细胞因子，参与组成复杂的细胞因子网络，如干扰素-β(interferon-β，IFN-β)，白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)，肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等。同时，这些细胞因子可作用于内皮细胞，影响其结构和功能。例如这些细胞因子可促进黏附分子在内皮细胞表达，表达血管细胞黏附分子、整合素族黏附分子和选择素族黏附分子;TNF-α，IL-1，IL-4等则促进内皮细胞参与免疫应答和炎症反应，而另有一些细胞因子则抑制内皮细胞参与免疫和炎症反应，如IL-6，IL-8等。另一方面，血管内皮细胞激活后，细胞膜表面受体表达迅速上调，如嗜中性白细胞受体、L-选择素、P-选择素，细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule，ICAM-1)、ICAM-2等，这些物质促进白细胞滚动、黏附和局部免疫炎性反应发生［9］。白细胞发生大量迁移并在肺毛细血管内大量聚集，首先附壁流动并黏附于内皮细胞，启动炎性反应。有研究显示白细胞缺乏的动物难以发生ARDS［10］。Hamacher等［11］研究显示内皮细胞暴露于ARDS患者肺泡灌洗液中，可发生显著细胞毒现象。ARDS患者血清中TNF-α、血管抑素的水平显著升高。中和TNF-α、血管抑素可以显著抑制早期ARDS患者肺泡灌洗液中内皮细胞的细胞毒作用。

感染性休克是ARDS最常见的诱因，细菌释放的内毒素主要成分脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)可通过 Toll样受体-4(toll-like receptors 4，TLR-4)激活内皮细胞，引起多形核白细胞在肺内聚集。研究显示阻断TLR-4可以显著降低中性粒细胞的蓄积和肺内激活，降低肺通透性，减少炎性介质产生。内毒素也可以直接作用于肺血管内皮细胞，介导血管活性物质的释放和肺渗透性的分子改变，如TNF-α、凝血酶、血栓素、血栓烷A2、内皮素-1等，并启动细胞内信号转导通路，从而导致骨架蛋白的解聚和重组，最终使内皮细胞通透性增加。腹膜内和鼻内注射LPS也可以显著激活信号传导及转录激活因子，介导细胞核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)激活，启动炎性反应［7］。

体外实验表明:LPS介导内皮细胞损伤，主要表现为细胞核缩小、核固缩、细胞间连接扩大，最后导致细胞脱落坏死。细胞脱落坏死造成内皮细胞通透性增高，可能与LPS激活细胞内酪氨酸蛋白激酶，从而激活下游的信号转导通路、诱导细胞凋亡有关［12］。有研究显示:LPS刺激引起肌动蛋白细胞骨架解聚、大分子物质跨膜漏出等内皮屏障功能障碍时，出现半胱天冬酶活性增高，并能检测到小带黏附蛋白、局部黏附蛋白、凋亡蛋白酶等下游蛋白裂解产物及DNA裂解片段，提示有内皮细胞凋亡的存在［12-13］。

2.氧化应激损伤和细胞凋亡:各种氧自由基和氧化产物可以引起一系列的氧化应激损伤，在ARDS中活性氧(reactive oxygen species，ROS)扮演着重要角色［14］。上调表达的ROS激活下游分子产生级联反应，导致NF-κB活化，启动炎性发应，继而引起内皮细胞屏障功能损害，渗透性增加，巨噬细胞、炎性细胞增加［15］。ROS也可以引起血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor，VEGF)升高，继而引起血管渗透性增加，给予抗氧化剂可以显著降低VEGF水平和血管通透性［16］。在炎性反应中，白细胞进行较为活跃的需氧代谢所产生的过氧化基团、氢氧化基团等氧化自由基，也可损伤血管内皮细胞。

病理状态下，炎性反应、缺血再灌注损伤等可导致氧自由基大量产生，同时机体对氧自由基的清除能力也降低［17］。

ROS可以通过内在和外在途径诱导血管内皮细胞凋亡、脱落，肺通透性增加。活性氧介导的肺上皮细胞和血管内皮细胞坏死的机制尚未完全明确。目前有研究显示:ROS可以激活丝裂原活化蛋白激酶，引起细胞凋亡蛋白酶级联反应。使用化学抑制剂抑制c-Jun N-末端激酶或细胞外信号调节激酶通路，可以抑制上皮细胞坏死和肺动脉内皮细胞的高氧损伤［14，18］。

二、内皮细胞功能障碍与通透性增加

内皮细胞通透性增加、屏障结构受到破坏是ARDS发生最关键的环节。内皮细胞自身收缩产生的向心力，细胞—细胞以及细胞—基质之间的连接力，这两种力量之间的动态平衡维持着血管内皮细胞的通透性。两者之间的平衡力通过细胞骨架来连接，在细胞骨架结构中与细胞通透性关系密切的是微丝。微丝主要由F-肌动蛋白、肌球蛋白、α-辅肌动蛋白等组成，这些蛋白均具有可收缩性［19］。当内皮细胞受到各种炎症介质、血小板活化因子、凝血酶等刺激时，F-肌动蛋白发生重排，中心张力增加，使得细胞强烈收缩，导致内皮细胞间隙形成，引起通透性增加和细胞脱落。

内毒素的主要成分LPS主要通过以下三个途径引起内皮细胞通透性增加:①LPS直接激活内皮细胞启动炎性反应，迅速引起细胞骨架蛋白的解聚和重组，细胞与细胞间、细胞与基膜间的黏附连接松解、分离，从而导致细胞旁路开放、内皮细胞间缝隙形成;②LPS激活炎性介质三磷酸肌醇，动员细胞内钙池中Ca2+，使细胞内Ca2+浓度升高，激活Ca2+依赖的肌球蛋白轻链激酶，继而发生下游分子磷酸化，肌球蛋白轻链构型发生变化，肌动蛋白/肌球蛋白相互作用，引起内皮细胞收缩，通透性增加;③LPS刺激肺泡巨噬细胞释放 TNF-α、IL-1等细胞因子。TNF-α使肌球蛋白重排，从而增加内皮细胞通透性，肌动蛋白细胞骨架装配对维持内皮的屏障功能十分重要，肌动蛋白重排是LPS介导内皮屏障功能障碍的重要原因。

VEGF是重要的血管通透因子，对水的通透性是组胺的 50000 倍，可以引起血管渗漏［1，20］。体外研究显示:VEGF能够使ARDS患者内皮细胞通透性增加50%。特异性VEGF抗体可以抑制VEGF，并且消除渗漏作用，提示VEGF在调节ARDS肺泡－毛细血管通透性方面有着重要作用。VEGF引起微血管通透性增加，可能与钙离子内流增加有关。

凝血酶增加人肺动脉内皮细胞通透性的机制是:①诱发细胞外周的张力丝内部重组和细胞间隙的形成;②诱发位于肌动蛋白张力丝内部的肌球蛋白轻链磷酸化;③破坏位于细胞周边紧密连接蛋白和黏连连接蛋白，进而破坏肺泡上皮-内皮屏障，导致血管通透性增加［21］。

目前已经有大量的研究和电子显微镜观察证实:在血管内皮细胞通透性变化中，旁路转运扮演着重要角色。内皮细胞之间旁路间隙的形成是通过竞争性的收缩力、紧张的向心力、黏附细胞－细胞和细胞－细胞外基质的牵引力量共同调节细胞形状的变化。Ca2+/钙调蛋白依赖的肌球蛋白轻链激酶磷酸化可以显著提高内皮细胞收缩性，因此影响细胞内Ca2+的因素可以改变细胞通透性［22］。

由于内皮细胞不属于快速自我更新的细胞群体，因此内皮细胞凋亡后降低了内皮细胞储备，致使血管内皮间隙增大，通透性增高，从而导致通透性水肿、ARDS的发生。

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