内毒素致急性肺损伤的发病机制研究进展

赵利利，戎 浩，孙芳云

内毒素致急性肺损伤的发病机制研究进展

赵利利，戎 浩，孙芳云*

急性肺损伤(Acute lung injury，ALI)是由肺内外各种致伤因素引起的症状严重、发展快、病死率高的临床危重症，由内毒素引起的急性肺损伤最为常见。因此对于内毒素引起的急性肺损伤的发病机制的研究极其重要。本文就近年来国内外期刊对内毒素致急性肺损伤的发病机制进行初步论述，为进一步研究内毒素性急性肺损伤提供依据。

肺损伤；内毒素；发病机制；脂多糖

0 引言

急性肺损伤(ALI)是指由心源性以外各种肺内外致病因素导致的急性、进行性加重的呼吸衰竭，是以肺泡-毛细血管通透性增加为特征的肺部炎性综合反应。急性肺损伤的发病机制较多，多由细菌内毒素引起。内毒素的活性成分脂多糖(LPS)是ALI的重要致病因子[1]，肺脏是其损伤的敏感靶器官之一[2]。内毒素性急性肺损伤的发生涉及多种病理生理机制，可分为LPS直接损伤和LPS间接损伤(主要有炎症学说、氧化应激及细胞凋亡等)，其中炎症反应研究最多。本文主要从炎症学说、氧化应激、细胞凋亡及离子变化等概述了内毒素所致ALI的发病机制研究进展。

1 炎症学说(炎症反应与细胞因子失衡)

LPS进入机体后被LBP(脂多糖结合蛋白)识别，然后与CD14结合，形成LPS/LBP/CD14，其通过信号转导通路活化炎症细胞释放大量炎症因子的过程错综复杂，迄今尚未完全阐明。本部分内容对炎症反应中Toll受体、MAPK及核因子κB(NF-κB)信号转导和细胞因子失衡进行概述。

1.1 Toll样受体(TLR) TLR是新近发现的先天免疫系统中的细胞跨膜受体及模式识别受体之一，在急性炎症反应、细胞信号转导及细胞凋亡中起重要作用。

TLR4是第一个被发现的TLR成员，目前普遍认为，TLR4是LPS信号从细胞外至细胞内的跨膜转导受体。TLR4可直接与LPS结合，也可与LBP-LPS-CD14结合，将信号转入胞内，并启动炎症反应，其激活将引起一系列下游分子的活化，放大炎症反应。TLR4/NFκB通路分为MyD88(髓样分化蛋白88)非依赖途径和MyD88依赖途径。MyD88非依赖途径是MyD88接头蛋白MAL(MyD88接头蛋白)掌控的，TLR4与MAL相互作用，激活NF-κB[3-4]。MyD88依赖途径是TLR4与MyD88相互作用，活化MyD88，使之与IL-1相关的酶(IRAK)磷酸化，从而激活NF-κB[5]。研究表明，TLR4信号除了可以激活NF-κB，还可导致细胞凋亡，TLR-4的下游分子-MyD88 MAL/TIRAP(含有TIR结构域的适配蛋白)、IRAK-1和TRAF-6参与调节LPS介导的细胞凋亡信号通路[6]。因此，TLR4、CD14作为LPS诱导的细胞应答的顶点，在LPS介导的ALI的发病机制中发挥重要作用。如果能调节TLR4的信号转导，就可能在不同的病理阶段将炎性反应水平调控在合适水平，从而有利于ALI的防治，可作为药物发展的目标[7]。

1.2 MAPK信号转导通路 MAPK是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。研究证实，MAPKs信号转导通路存在于大多数细胞内，将胞外刺激信号转导至细胞及其核内，并引起细胞生物学反应。一般的MAPK由p38亚型、胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)及ERK5构成[8]。LPS能激活所有的MAPKs，然后作用于各自的底物，从而通过转录因子而调节细胞因子TNF、IL-1、IL-6及IL-8等促炎因子的表达，MAPKs在LPS介导的ALI中发挥重要作用[9]。

以往研究证实，p38 丝裂原激活蛋白酶(p38MAPK)在ALI的炎症反应和细胞凋亡中发挥重要的作用，且内毒素是其主要激活剂之一。LPS能显著刺激肺组织p38MAPK的磷酸化，激活后的p38MAPK可以促进释放更多炎症介质，p38MAPK的活化可能与ALI的发生和发展有密切关系，但有待进一步研究[10-11]。也有研究表明，抑制p38MAPK活化可减轻LPS介导的通过Fas/Fasl途径引起的肺泡上皮细胞凋亡肺损伤[12]。

1.3 NF-κB信号转导通路 NF-κB是一种重要的转录因子，与目的基因结合位点结合，启动和调控一系列参与炎症反应的炎症因子基因表达，参与ALI的炎性反应进程，介导肺脏等器官功能损害[13]。研究表明，IKK/I-κB/ NF-κB信号通路是活化NF-κB的重要通路[14]，LPS刺激后启动信号转导，激活NF-κB，从而发挥作用。NF-κB的持续活化与肺损伤的严重程度有关，阻断NF-κB途径有利于ALI的治疗[15-16]。此外，NF-κB还与促/抗凋亡信号有联系。其通过促进一些新的基因或诱导抗凋亡蛋白的表达发挥促/抗凋亡作用[6]。MyD88、MAL/TIRAP、IRAK-1和TNAF-6对LPS介导的NF-κB的激活和凋亡均有促进作用，虽然这些上游信号分子有相同性，但是LPS/Tlr-4介导的NF-κB的激活和凋亡是相互独立的[6]。

1.4 细胞因子失衡 内毒素诱导产生的细胞因子主要有IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、TNF-a、iNOS和IL-10(保护作用)等[17]。这些细胞因子不仅可以直接导致肺损伤，还可以激活其他信号通路，促进炎症因子的表达，导致肺损伤；下调促炎因子或上调抗炎因子的产生，使其保持平衡，可使肺内环境由促炎反应向抗炎反应转变，从而阻止肺内反应继续进展。

2 氧化应激

氧化应激是指在遭受各种有害刺激(如LPS)时，体内超氧阴离子(·O2-)、羟自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)及过氧亚硝基阴离子等活性氧自由基(ROS)产生过多，氧化物产生超出氧化物的清除，导致氧化系统与抗氧化系统失衡。研究表明，氧过多可引起ALI，减少细胞增殖，激活炎症反应，促进细胞毒性，引起DNA损害，引起细胞损伤，激活促凋亡信号通路，导致肺泡上皮细胞和内皮细胞死亡[18]。虽然ROS对于LPS导致的细胞凋亡的作用还不明确，但可以确定的是ROS可以增加线粒体膜通透性，促进促凋亡因子的释放[6]。ROS可以导致促炎因子(如细胞色素c)的释放，从而激活Caspase 9 (半胱氨酸蛋白酶9)，启动内源性凋亡途径即线粒体凋亡途径。而且，ROS还可以激活Caspase-3、Caspase-8，从而导致细胞凋亡[18]。也有研究显示，ROS产生增多或抗氧化系统降低可提高氧化磷脂的水平，氧化磷脂与肺部损伤、感染及细胞凋亡关系密切[6,19]。ROS还可以激活NF-κB[20]。因此，减少ROS的产生或增强抗氧化系统，可能有效地治疗ALI。近年研究显示，全氟化碳对氧及二氧化碳具有高溶解度，溶解和释放时间更短，释放快速且表面张力低，有可能成为治疗ALI有效的治疗药物[21]。

3 细胞凋亡

首先，细胞内存在抗凋亡因子(如：Fasl、Bcl-2、Bcl-xl及A1等)和促凋亡因子(如Fas、Bax、Bad及Bak等)，两者相互制约，维持动态平衡[6]。但当LPS入侵机体时，这种动态平衡被打破，随着两者活性的改变，促凋亡因子占据主导地位，细胞凋亡加速，当LPS得到控制或去除后，大量的凋亡细胞不能恢复，从而造成组织损伤。

其次，细胞凋亡涉及一系列蛋白，如Caspases家族蛋白、Bacl-2家族蛋白等。其中Caspases家族是直接导致细胞解体的蛋白酶体系，在细胞凋亡机制网中居中心地位，未活化时以酶原的形式存在，一旦被激活最终可导致细胞凋亡。Caspases分为3类：凋亡启动因子、凋亡执行因子和炎症介导因子，构成级联放大效应[22]。已有研究表明，LPS能激活Caspases-1、Caspases-3、Caspases-6、Caspases-8，导致内皮细胞凋亡[6]。其中Caspases-8位于凋亡级联反应的顶点，属于凋亡启动因子，几乎能够激活所有的Caspases而诱发凋亡[23-24]。Caspases-3和 Caspases-6位于级联反应的下游，属于凋亡执行因子，与其特异性底物相互作用，诱导细胞凋亡。Caspases-1属于炎症介导因子，根据起始激活的Caspases不同，凋亡激活的途径分为3种：外源性途径(死亡受体途径)、内源性途径(线粒体途径)、内质网相关细胞凋亡[22]。外源性途径(死亡受体途径)：死亡受体(Fas、TNF-α)直接或间接与Fas相关死亡结构域(FADD)结合形成复合物，然后激活Caspases-8，最后导致细胞凋亡。目前认为内质网应激(ERS)介导了一种新的凋亡通路，参与了ALI的病理生理过程，持续性的ERS可导致内质网功能失代偿，同时启动内质网相关的凋亡程序，是内毒素引起肺损伤的重要机制[22-25]。Caspase-12是Caspase家族中唯一定位于内质网中的的分子，仅在ERS通路中被活化，且在ERS促凋亡通路中具有重要的作用[26-27]。最近研究显示，Caspase-4也参与ERS引起的细胞凋亡[22]。另外，ERS可通过磷酸化的IRE-1(抑制物阻抗性激酶1)激活JNK途径，同时作用于TRAF2启动一系列磷酸化反应，从而促进细胞凋亡的发生[28]。因此，对过度的ERS实施干预可能成为今后治疗急性肺部损伤的新途径。

ALI时，LPS不断激活PMNs(肺内多形核中性粒细胞)，使其在肺泡腔内可达90%以上，延迟PMNs的凋亡，导致过度炎症，造成肺组织严重损伤[29]。但其具体机制还有待进一步研究。

4 其他

4.1 钠泵 肺水肿是内毒素性肺损伤并发急性呼吸功能衰竭的主要病理基础。肺泡Ⅱ型上皮细胞(ACEⅡ)上的钠泵在肺水肿清除中起重要作用。研究表明，ALI时，人矢量肺泡ACEⅡ转运的肺泡液体清除下降[30]。LPS对上皮钠通道和Na+-K+-ATP酶具有抑制作用。此外，LPS激活ACEⅡ细胞，释放大量炎症介质，对急性肺损伤的发生、发展同样起着不可忽视的作用[31]。

4.2 Ca2+通道 经典瞬时受体电位(TRPC)通道是一种非选择性阳离子通道，主要存在于细胞膜，对钙离子具有通透性。LPS促进二酰甘油(DAG)的产生，DAG可激活TRPC6，后者调节Ca2+内流。Ca2+内流可激活肌球蛋白轻链激酶，不但能增加肺血管渗透性，发生肺水肿与肺不张，引起肺损伤，还可以促进MyD88和IRAK4，从而激活NF-κB，引起肺部炎症[32]。

5 结语

内毒素性急性肺损伤的发病率及死亡率很高，严重威胁着人类的健康。然而其发病机制错综复杂，尚无有效的治疗方案。目前，对内毒素性急性肺损伤的发病机制的研究主要通过抑制炎症反应、抗氧化及抑制细胞凋亡等发挥治疗作用。目前，分子生物学技术的发展及内毒素相关研究的不断深入，为研究内毒素性肺损伤的病理机制和治疗提供了更为广阔的空间，也为减少临床上内毒素的病死率提供了更多的治疗方案。

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Pathogenesis research on lipopolysaccharide-induced acute lung injury

ZHAO Li-li,RONG Hao,SUN Fang-yun*

(Lab for Basic Research of Life Science,Tibet University for Nationalities,Shanxi 712082,China)

Acute lung injury (ALI) is a severe symptom with fast development and high case fatality rate,mainly induced by lipopolysaccharide.Thus,it is very important to study the pathogenesis of ALI caused by lipopolysaccharide.This paper preliminarily discusses the pathogenesis on endotoxin-induced ALI by reviewing the articles in domestic and foreign periodicals,to provide the basis for further research on endotoxin-induced ALI.

Lung injury;Endotoxin;Pathogenesis;Lipopolysaccharide

2014-10-28

西藏民族学院医学院生命科学基础研究实验室，陕西 712082

2011年西藏自治区科技厅自然科学基金项目

10.14053/j.cnki.ppcr.201504026

*通信作者