炎症介质在海水淹溺急性肺损伤发生机制中的作用

王 凡，韩志海

炎症介质在海水淹溺急性肺损伤发生机制中的作用

王 凡，韩志海

海水淹溺导致的急性肺损伤越来越受重视。其病情进展快，发病机制复杂，救治困难。淹溺导致海水吸入可激活急性炎症反应，炎症细胞、炎症因子释放可形成级联反应，引起肺局部甚至全身炎症反应综合征，多种炎症介质包括细胞因子中的肿瘤坏死因子-α、白介素-1β、白介素-6、白介素-8，核因子-κB、中性粒细胞及活性氧、蛋白酶参与了炎症反应的启动和增强过程。作者就炎症介质在海水淹溺急性肺损伤发生机制中的作用进行综述。

海水淹溺；急性肺损伤；炎症介质

近年来，海水淹溺所致的急性肺损伤越来越受重视，淹溺导致海水吸入不仅会直接损伤肺实质细胞，而且还会通过激活急性炎症反应，引起肺局部甚至全身炎症反应综合征，形成海水淹溺型急性肺损伤(seawaterdrowninginduced-acutelunginjury，SWD-ALI)，其损伤严重程度明显重于其他类型肺损伤，若未得到及时治疗或疗效不明显可进行性发展为海水淹溺型急性呼吸窘迫综合征(seawater drowning inducedacute respiratory distress syndrome，SWD-ARDS)[1]。其病情进展快，发病机制复杂且尚未完全阐明，救治困难，目前对其发生机制的研究主要侧重于炎症介质及其信号传导通路，作者对此作一综述。

1 病理生理学变化

低氧血症和代谢性酸中毒是淹溺后最主要的病理生理学改变。当淹溺发生时机体通常都会自动屏住呼吸，继而因口咽部或喉部存有液体诱发喉痉挛，引起不自主的呼吸暂停，导致氧气耗竭、二氧化碳不能排除，出现高碳酸血症、低氧血症和酸中毒。海水吸入后可导致肺损伤，主要是肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞受损，肺间质水肿，造成肺通气和弥散功能障碍，进一步引起低氧血症和代谢性酸中毒[2]。既往观点考虑由于海水的高钠、高渗特性会导致肺组织、血液、组织液之间产生极大的浓度梯度，当海水进入肺泡，Na+、Cl-会迅速进入血液和组织液，可形成高钠、高氯和高渗血症；但近年来的研究表明，淹溺后并不会导致严重的电解质紊乱及血液浓缩，这可能与进入肺内的海水量不大有关[3]。

2 相关炎症介质及其作用

淹溺导致海水吸入可激活急性炎症反应，炎症细胞、炎症因子释放可形成级联反应，引起肺局部甚至全身炎症反应综合征，后者是导致ALI/ARDS多种病理过程的主要因素。在这一损伤过程中，多种炎症介质包括细胞因子、转录因子、活性氧、蛋白酶参与了炎症反应的启动和增强过程。

2.1 细胞因子研究发现在海水淹溺导致急性肺损伤的动物模型中，多种细胞因子出现增高，其中肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素(interleukin，IL)-1β、IL-6、IL-8被称为最有影响的促炎细胞因子，而抗炎细胞因子IL-10在抑制过度炎症反应、重建体内炎症因子和抗炎介质的平衡中起重要作用[4]。文献报道，海水淹溺兔模型血清和肺组织中TNF-α先于其他细胞因子增高，体现了其炎症启动因子的作用，同时它与肺通透指数、肺损伤程度的动态演变密切相关[5]。此外，TNF-α与 IL-1β、IL-6、IL-10细胞因子浓度的相关性也体现了其核心炎症介质的作用。TNF-α能够直接损伤肺内皮细胞、诱导中性粒细胞迁移活化和毛细血管渗漏[6]。而在TNF-α和肿瘤坏死因子受体1敲除的动物实验中，则不出现肺中性粒细胞聚集和血管通透性增加的现象[7]。高渗透压可以激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK)，p38 MAPK是中性粒细胞活化导致的炎症反应信号传导通路中的关键酶[8]。TNF-α可激活人肺微血管内皮细胞表面的细胞间黏附分子-1，进而活化一系列的信号物质，从而激活p38 MAPK和核因子(nuclear factor，NF)-κB，诱导产生多种细胞因子如IL-6、IL-8、转化生长因子-β等，形成炎性损伤的级联放大效应导致肺损伤[9-11]。

另外，促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、γ-干扰素等能增加肺上皮细胞对凋亡相关因子(factor-related apoptosis，FAS)的敏感性，FAS-FAS配体(FAS ligand，FASL)介导的死亡受体信号途径的调控是肺组织细胞凋亡的重要分子机制[12]。韩峰等[13]及Han等[14]研究发现，海水干预后，大鼠肺组织中 FAS、FASL和活化胱天蛋白酶-3(caspase-3)表达明显升高，并且随着海水暴露时间的延长更为显著，表明海水可导致大鼠肺损伤和肺组织细胞凋亡。在海水导致的ALI大鼠模型中肺组织细胞凋亡数量和凋亡相关因子caspase-3表达明显增加，凋亡抑制因子B淋巴细胞瘤-2则降低[15]。目前认为参与细胞凋亡的信号传导通路主要有2条:外源性通路即死亡受体通路，通过FASL、TNF-α或TNF相关凋亡诱导配基与细胞表面的死亡受体结合而激活；内源性通路是由线粒体调控的，由线粒体外膜破坏而触发，释放细胞色素C(cytochrome-C，Cyt-C)以及其他的促凋亡因子进入细胞质[16]。刘庆晴等[17]在动物实验中观察到海水注入后肺组织野生型p53(wild type p53，wtp53)基因及Cyt-C的mRNA和蛋白表达明显升高，活化的caspase-3表达也相应升高，且与wtp53和Cyt-C表达升高的趋势一致。提示wtp53升高后可能通过诱导内源性通路参与了肺组织细胞凋亡的调控，海水通过升高wtp53诱发细胞凋亡的机制可能在wtp53上游即已发生，淹溺导致的缺氧和氧化应激可能触发了此反应。

2.2 NF-κB在海水吸入导致急性肺损伤的研究中，越来越多的证据表明NF-κB在炎症因子的调控中发挥重要的作用，并在炎症反应的启动和放大过程中扮演了重要角色[18-20]。受到海水刺激后，肺组织释放的大量细胞因子可导致NF-κB抑制蛋白的降解，进而NF-κB磷酸化并从细胞质移位至细胞核内，进一步导致大量促炎因子的释放，使肺组织的屏障功能受损、通透性增加、炎症细胞聚集，从而引起肺损伤[21]。动物实验证实，海水灌注后，随着时间的延长及肺损伤程度的加重，NF-κB的活性进行性升高，表明SWD-ALI早期NF-κB激活参与了肺损伤发生、发展过程[4]。NF-κB活化的调节途径有正、负反馈2个方向，其中TNF-α、IL-1β既是NF-κB活化的激动剂，又是受其调节的转录产物[22-24]；而抗炎细胞因子IL-10等则有抑制NF-κB活化的功能[24-25]，NF-κB状态取决于占优势的调节方式。TNF-α、IL-1β是在全身及局部炎症反应早期起重要作用的炎症细胞因子，也是构成炎性损伤级联放大效应的重要组成部分。芮萌等[4]发现，海水淹溺后早期伴随NF-κB活性的上升，肺组织中TNF-α、IL-1β浓度也在相应增加，尤其IL-1β在监测的24 h内始终与NF-κB的活性保持相关性，该正反馈机制促进了炎症反应的扩大和持续；IL-10表达量虽然也明显增加，但其抗炎反应不足以对抗炎症反应，正负反馈调节的不协调性进一步导致大量促炎和抗炎介质的释放及组织的损伤，最终导致ALI。另外，NF-κB转录活性的升高可导致肺泡上皮细胞间紧密连接蛋白的表达量降低，从而影响肺泡上皮的屏障功能，导致其通透性增加，参与肺水肿的发生[26-27]。研究表明，NF-κB活化的信号传导通路除p38 MAPK通路外，还可能与小G蛋白RhoA/Rho相关激酶通路的激活有关，RhoA属于Ras单体鸟苷三磷酸酶超家族中的一员，通过激活下游靶分子RhoA/Rho相关激酶调节细胞的多种生物学行为[28-29]。

2.3 中性粒细胞及活性氧研究表明，在海水淹溺动物模型中，可见肺泡灌洗液中性粒细胞计数及百分比明显升高，肺组织髓过氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、中性粒细胞弹性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)均显著升高[30]。MPO可作为中性粒细胞的活性标志，用于判断其在肺内的浸润程度[31]，激活的中性粒细胞产生大量氧自由基；MDA是氧自由基使细胞膜中多价不饱和脂肪酸发生氧化反应的终产物，其浓度可反映脂质过氧化或氧化应激的程度[32]，中性粒细胞还可释放NE引起级联炎症反应导致肺损伤[33]。所以，研究者认为在SWD-ALI早期，中性粒细胞是主要的炎症效应细胞，由其衍生的氧化应激反应与NE的释放，协同介导了肺组织损伤。中性粒细胞作为机体非特异防御反应的主要执行者，在炎症反应中起重要作用，其适时、适度的凋亡既有利于有效的发挥防御功能，又有助于避免炎症反应的过度激活、扩散和迁移[16，34]。研究发现SWD-ALI病变过程中，中性粒细胞不仅存在数量和比例的增加，而且凋亡也受到显著抑制，ALI形成后1 h内中性粒细胞凋亡存在一过性的升高；之后，随着肺损伤的加重，中性粒细胞凋亡抑制逐渐加重，至6 h凋亡比例降至最低，直至24 h才恢复至接近基础水平[35]。

2.4 低氧诱导因子-1低氧诱导因子-1(hypoxiainducible factor-1，HIF-1)是一种氧依赖转录激活因子，也是一种重要的炎症调节因子，参与调节急慢性炎症反应[36]，HIF-1α亚基是HIF-1的功能性亚基。研究表明，在海水干预下，人肺泡上皮细胞HIF-1α蛋白的表达与TNF-α、IL-6的表达呈相关性，提示HIF-1α在海水干预诱导肺泡上皮细胞炎症反应的过程中可能起重要作用[37]。但目前对于HIF-1的相关研究较少，尚无法明确其确切作用及机制。

2.5 丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员STE20相关脯氨酸丙氨酸丰富的蛋白激酶最近有文献报道，在海水高渗透压的刺激下，细胞通过转录和翻译上调丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员STE20(sterile 20)相关脯氨酸丙氨酸丰富的蛋白激酶(STE20-related praline/alaninerich kinase，SPAK)的表达，调节下游的相关分子磷酸化，参与肺的炎症反应，加重了急性肺损伤的程度[38]。SPAK属于STE20激酶家族，与细胞膜上的离子共同转运体相互作用，参与了钠氯离子运输和渗透细胞体积的调控[39]。SPAK参与了细胞对渗透压调节的信号传导，在高渗刺激的情况下SPAK表达上调，继而可以通过激活p38 MAPK通路参与高渗刺激时的炎症反应[40]，但是其确切的作用有待进一步的研究证实。

3 SWD-ALI与脂多糖导致的ALI的比较

在脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)引起的ALI中，炎症介质同样发挥了重要作用。与SWD-ALI相似，LPS同样可活化多种信号通路导致炎症级联反应的发生，如NF-κB通路、p38 MAPK通路以及信号转导-转录活化因子-3信号通路，参与LPS致ALI的主要炎性介质包括NE、基质金属蛋白酶、TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8等[41-42]。但有研究表明，海水吸入较LPS所致的ALI引起的肺水肿、肺泡内出血、炎性细胞浸润更加严重[43]。

4 小结与展望

淹溺导致海水吸入后不仅直接损伤肺实质细胞，同时激活急性炎症反应，引起肺局部甚至全身炎症反应综合征。在细胞水平上表现为中性粒细胞等炎症细胞的浸润，在分子水平上表现为转录因子的显著激活、细胞因子的过度表达、炎症介质的大量产生，各类炎症因子相互作用共同调控机体的炎症反应。另外，海水吸入后可直接或通过炎症反应间接刺激导致凋亡程序的改变，使得中性粒细胞凋亡受到抑制，肺泡上皮细胞凋亡增加，从而导致肺损伤。尽管目前已发现了许多与SWD-ALI发生相关的因子，但其确切发生机制仍未阐明，然而炎症介质在SWD-ALI中的主要地位已受到广泛重视，研究者们希望从炎症介质出发找到治疗SWD-ALI的有效方法。有动物实验表明，对于SWD-ALI，用6～8 mL/kg小潮气量机械通气对肺内炎症有一定的抑制作用，且无机械通气导致肺损伤，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肿中，地塞米松可抑制海水诱导的NF-κB活化，同时上调紧密连接蛋白水平，减轻肺水肿。尿胰蛋白酶抑制剂可通过抑制NF-κB、TNF-α和NE，抑制中性粒细胞浸润并增加IL-10的作用而减轻SWD-ALI[1]，其他如丹参酮ⅡA、乙酰化白藜芦醇均可抑制炎症反应而在治疗肺损伤中发挥一定的作用[15，20]。但目前多数研究局限于动物实验，相关临床研究报道较少。需要进一步的研究更全面地揭示其发病机制，对炎症反应与抗炎反应的失衡进行系统、深入研究，从海水淹溺伤患者中获取临床资料，并从临床救治中总结经验，为治疗方案的制定提供更多的依据。

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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 本文编辑:徐海琴)

全军医学科研十二五计划科研课题(CWS11J180)

100048北京，海军总医院呼吸内科(王 凡，韩志海)

韩志海，E-mail:hzhngh＠sina.com