高氧性急性肺损伤与细胞凋亡*

陈　妮，陈　淼

(遵义医学院附属医院 重症医学科, 贵州 遵义　563099)



综述

高氧性急性肺损伤与细胞凋亡*

陈妮，陈淼

(遵义医学院附属医院 重症医学科, 贵州 遵义563099)

氧疗是临床常见的治疗手段，危重患者伴顽固性低氧血症时常常需要高氧治疗，而长久吸入高浓度氧时，易致肺结构及功能异常，高氧性急性肺损伤(HALI)是氧疗最典型的并发症。HALI发病机制尚不完全明确，多数学者认为氧化-抗氧化系统、致炎-抗炎系统的失衡是导致HALI的主要原因，近些年来研究认为细胞凋亡是HALI的重要组织学特点及潜在机制，在其发病过程中具有非常重要的作用，从凋亡角度深入研究HALI已成为热点。本文主要就HALI肺组织细胞凋亡的特点、诱发因素及其分子调控机制的最新研究进展进行综述。

细胞凋亡；高氧；急性肺损伤；活性氧；分子调控机制

高浓度氧治疗是抢救严重低氧血症患者的有效措施之一，对防止器官功能衰竭、争取治疗时机以及挽救患者生命具有重要意义。然而，持续长久吸入高氧易并发高氧性急性肺损伤(hyperoxia-induced acute lung injury，HALI)，进一步可发展为ARDS或新生儿支气管肺发育不良[1]。对顽固性低氧血症患者，通过机械通气联合高浓度氧治疗虽然改善了组织氧供，却导致了HALI发病率在全球范围内的上升，特别是新生儿支气管肺发育不良，国外报道发病率高达30%～40%。HALI发生机制极其复杂，氧化应激反应被认为是HALI重要的发生机制之一，主要通过ROS的大量生成，打破机体氧化、抗氧化系统平衡，最终导致肺组织结构及功能异常。近年来，细胞凋亡在HALI的发病机制中备受关注，从凋亡角度研究HALI，有助于进一步揭示其发病机制，并通过对凋亡的调控为HALI的防治提出新方法，现就近年来HALI中有关细胞凋亡机制的研究进展作一概述。

1　HALI与肺组织细胞凋亡

细胞凋亡(apotosis)是细胞一种生理性、主动性的“自杀行为”，由许多基因产物及细胞因子参与，在调节生物体生长、免疫应答及清除多余或异常细胞中起着重要的作用。细胞凋亡异常将引起一系列病理生理变化，凋亡过度时会导致组织细胞坏死，甚至器官功能障碍或衰竭。研究发现细胞凋亡是ARDS、MODS的潜在机制[2]，在ARDS患者及氧化应激的动物模型中均可见到细胞凋亡，高浓度的氧化应激可导致肺损伤或者肺损伤加重[3]。迄今已明确细胞凋亡是HALI发生的一个相当重要的特征[4]，且其凋亡程度与吸入氧的时间有关。江晓琴等[5]研究表明在高氧暴露4、7和14d均有肺细胞凋亡发生，即肺细胞凋亡贯穿了整个肺细胞损伤修复过程。

高浓度氧主要攻击Ⅱ型肺泡上皮细胞(AEC-Ⅱ)，其凋亡参与了HALI整个发病过程，被认为是HALI基本的发生机制以及显著特点[6-8]，在HALl中起重要作用[9-10]。AEC-Ⅱ凋亡会导致肺泡表面活性物质合成障碍、肺水转运障碍、细胞转分化异常、组织修复障碍、肺纤维化、免疫及凝血功能异常等。研究表明AEC-II于95%的高氧下暴露24h后出现细胞损伤、活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平升高及细胞凋亡[11]，而抑制其凋亡可明显减轻HALI[11-12]。由此可见，肺组织细胞凋亡特别是AEC-II凋亡是HALI发病过程中的重要特征，也是其发病机制之一，调控细胞凋亡是防治HALI的重要环节。

2　HALI肺细胞凋亡诱因

氧化应激、细胞因子是导致HALI肺细胞凋亡的主要因素，主要通过相应的信号传递方式激活细胞并执行死亡。一旦HALI发生肺细胞过度凋亡时，会导致肺血管通透性增加、肺气血屏障功能异常、肺泡表面活性物质合成及分泌障碍造成肺泡塌陷、成纤维细胞增生取代肺泡上皮导致肺纤维化等。

2.1氧化应激氧化应激尤其是脂质过氧化与细胞凋亡的发生关系密切[13]。当体内ROS水平增高，自身抗氧化体系不能抵御便会引起氧化应激导致组织损伤。肺在持续高浓度氧刺激下导致ROS堆积及氧化应激，ROS是细胞凋亡的重要媒介之一，被认为是HALI的重要诱发因素，可作为第二信使触发凋亡信号途径。大量ROS的释放通过多种途径参与肺组织细胞凋亡，如造成线粒体膜通透性转换孔(mPTP)开放,导致CytC和促凋亡因子自线粒体释放，通过线粒体途径介导细胞凋亡[14]。Buccellato等[15]发现，高浓度氧暴露下ROS的产生能导致线粒体膜Bax活化、CytC释放并诱导大鼠肺泡上皮细胞凋亡。ROS的产生堆积和内质网Ca2+水平的升高都是内质网应激所介导的细胞凋亡中的重要事件，ROS能上调细胞内Ca2+浓度，通过内质网途径介导细胞的凋亡[16]。氧化应激、ROS也激活丝裂原活化蛋白激酶家族通路，包括细胞外信号调节激酶(ERK1/2)、c-jun-terminal蛋白激酶(JNK1/2)、p38激酶，其中ERK通过修复DNA及抗氧化机制对高氧肺组织细胞起保护作用，而JNK1 / 2和p38激酶则诱导细胞凋亡[17]。

2.2细胞因子细胞因子是由免疫细胞和某些非免疫细胞经刺激分泌的、能调节细胞功能的小分子多肽，可在多种细胞系中诱导细胞凋亡。高浓度氧可促进肺TNF-α、IL-1β、IL-8等细胞因子表达，其中与HALI肺细胞凋亡密切相关的主要为TNF-α。肿瘤坏死因子受体I(TNFRI)与配体TNF-α结合，形成死亡诱导信号复合体(DISC)，结合Caspase-8前体死亡效应区域并催化Caspase-8前体反式激活，导致自身裂解，形成并释放活性的Caspase-8，激活Caspase-3，导致Caspase级联反应而引起细胞凋亡。Tchikov等[18]报道高氧情况下TNF-α产生并与细胞膜表面死亡受体 TNFRI结合，激活Caspase-8并介导细胞凋亡。

3　HALI肺组织细胞凋亡的分子调控机制

HALI肺组织细胞凋亡涉及一系列基因的激活表达以及调控，多数学者认为线粒体通路、死亡受体通路以及内质网通路参与了这一过程。在HALI病理生理过程中，肺内多种促凋亡与抗凋亡因素互相作用，其均衡状态决定了细胞的转归和结局。以下总结了调控HALI肺细胞凋亡的研究热点。

3.1Caspase家族Caspase家族在细胞凋亡中起着关键作用，能特异性地切断天冬氨酸残基后肽键，从而导致细胞凋亡。Caspase家族主要通过死亡受体通路介导细胞凋亡，也可通过线粒体途径诱导凋亡发生，另外Caspase-12可协同其它应激分子通过内质网通路介导凋亡。Caspase-3是最重要的胱天蛋白酶，在高氧所诱导的细胞凋亡中，Caspase-3介导了其共同途径[9]。刘伟等[19]通过研究早产大鼠在高氧下暴露后IL-8、Caspase-3在肺中的动态表达证实，除了坏死，由Caspase-3介导的细胞凋亡在高氧性肺损伤中发挥了重要作用。

3.2Bcl-2蛋白家族Bcl-2蛋白家族是线粒体凋亡途径的主要调控者，具有抑制和促进细胞凋亡的双重作用，通过激活一系列下游基因发挥调节凋亡的作用。Bcl-2蛋白家族分为促凋亡蛋白(如Bax、Bak、Bid、Bad、Bim)及抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1)两类，促凋亡蛋白在各种不同机制作用下，转位并参与线粒体外膜孔洞形成，使CytC等线粒体内容物释出，诱导细胞凋亡。Budinger等[3]研究发现，线粒体氧化会引发Bax-或Bak-依赖型肺泡上皮细胞的死亡，导致高氧性肺损伤。Buccellato等[15]分离大鼠肺泡上皮细胞并在高氧环境中培养，发现高氧暴露后ROS激活了线粒体膜Bax导致肺泡上皮细胞凋亡，而使用过氧化物酶/超氧化物歧化酶联合剂EUK-134后能阻止高氧诱导的Bax激活、CytC释放以及细胞凋亡，Bcl- xL的超表达能阻止Bax激活、保护高氧诱导的细胞凋亡。黄宇戈等[20]在大鼠动物实验中发现高氧可导致促凋亡蛋白Bax及抗凋亡蛋白Bcl-2的共同升高，细胞存活或者凋亡取决于Bcl-2/Bax比率。

3.3PI3K /Akt信号通路PI3K/Akt通路广泛存在细胞中，参与了许多生物过程的调节，包括细胞生长、分化、凋亡和肿瘤转化。PI3K作为联系胞外信号与细胞应答效应的桥梁分子，可通过多种途径作用于下游信号分子，从而对细胞凋亡起调节作用[21-23]。Akt作为PI3K的直接靶基因，是细胞生长、存活、蛋白质合成、细胞周期调控和细胞凋亡的中介物[24]。PI3K/Akt有抗凋亡及促凋亡作用，以抗细胞凋亡为主，可能与以下机制有关：①直接磷酸化Bad抑制凋亡。②直接磷酸化Caspase：活化的Akt可使Caspase-9的Serl96位点磷酸化而失去蛋白水解酶的活性，从而抑制凋亡。③Akt活化后使糖酵解速度加快、ATP生成增加而抑制凋亡。④促使NF-kB活化并进入细胞核，促进细胞坏死与凋亡。PI3K/Akt作为一种细胞存活通路，参与了高氧诱导的肺上皮细胞死亡[25]。Reddy等[26]通过建立高氧大鼠模型并注射PI3K/Akt抑制剂LY294002，结果发现PI3K/Akt抑制剂增强了高氧所诱导的急性肺损伤，PI3K/Akt信号通路通过调节Nrf2介导的启动子转录活性对HALI具有保护调节作用。Kolliputi等[27]研究发现在HALI中PI3K特异性抑制剂LY2940002能阻止IL-6诱导的Bax的磷酸化并促进细胞凋亡。

3.4丝裂原活化蛋白激酶丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPKs)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，存在于大多数真核细胞内,可被高氧、氧化应激等细胞外刺激信号激活,将胞外信号传递至胞内，参与细胞的生长发育、分化、增殖和凋亡等一系列生物学过程[28]。最具代表性的MAPKs通路包括细胞外调节蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)/SAPK及p38MAPK信号通路，其中JNK/SAPK信号通路与p38MAPK信号通路均属于应激活化蛋白激酶，可被应激刺激激活。体内外实验证明高氧可激活肺组织细胞的ERKK、JNK和p38[17,29]。JNK信号转导通路是MAPKs通路中的重要通路之一。在体外，JNK通路主要介导了氧化应激性肺泡上皮细胞的凋亡[27]。实验发现小鼠高氧高潮气量通气后通过或至少部分通过JNK和ERK信号通路诱导肺细胞凋亡和非凋亡性上皮细胞损伤，导致肺中性粒细胞扣押及巨噬细胞炎性蛋白-2(MIP-2)产生增加[30]。胡兰等[31]研究发现，高氧暴露7d后大鼠肺组织p-JNK蛋白表达明显增强，肺组织呈急性肺损伤典型病理改变，肺组织可见大量TNUEL阳性细胞，而予JNK抑制剂SP600125干预后肺病理损伤及细胞凋亡明显减轻，提示JNK信号通路可被高浓度氧激活并参与高氧性肺损伤的信号转导，发挥促炎症和细胞凋亡效应。

3.5Fas/ FasLFas属于肿瘤坏死因子受体家族，FasL是Fas配体，Fas与其配体FasL相互作用，介导了死亡受体途径，是引发细胞凋亡的主要途径之一。De Paepe等[32]在实验中发现，高体积分数暴露可引起Fas mRNA及蛋白、FasL蛋白表达成倍增加，而用SiRNA致使Fas基因沉默后肺损伤明显减轻，可见Fas/FasL死亡信号传导通路是高体积分数氧诱导细胞凋亡的关键调节者，高氧诱导了肺上皮细胞Fas/FasL的表达及细胞凋亡。

4　展望

肺组织细胞凋亡参与了HALI的发病过程，多种分子机制共同调控着肺细胞凋亡。对HALI的干预，目前研究认为rh-EPO、硫氧还蛋白、MG-132、氧自由基清除剂等在抗HALI肺细胞凋亡上有一定的作用，因此深入研究凋亡在HALI中的地位及其分子调控机制，为探寻确切有效的干预措施、减少HALI发生率、提高治愈率具有重要的意义，并可能成为临床HALI肺保护的新策略、新方向。

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[收稿2016-07-08;修回2016-08-08]

(编辑：王福军)

Hyperoxia-induced acute lung injury and cell apoptosis

ChenNi，ChenMiao

(Department of Critical Care Medicine，Affiliated Hospital of Zunyi Medical University，Zunyi Guizhou 563099，China)

Oxygen therapy is a clinically common treatment. When critically ill patients with refractory hypoxemia, often required hyperoxia treatment, inhaled high concentration oxygen for a long time, it will cause abnormal structure and function of lung tissue. Hyperoxia-induced acute lung injury (HALI) is the most typical syndrome of oxygen therapy and its exact pathogenesis is still unknown. Most scholars believe that the imbalance of oxidation-antioxidant system and inflammatory-anti-inflammatory system are the major reasons of HALI. In recent years, studies showed that cell apoptosis was an important part of the histological characteristics of HALI and underlying mechanisms and played the important role in HALI’s pathogenesis. Therefore, doing HALI research from the perspective of apoptosis has become a hot spot way. This article mainly reviews that HALI lung tissue apoptosis's characteristics, reasons and its latest research progress of hematopoietic regulatory mechanisms.

apoptosis; hyperoxia; acute lung injury; reactive oxygen species；hematopoietic regulatory mechanisms

国家自然科学基金资助项目(NO：8156010205)；遵义市科技支撑计划项目(NO：遵市科合社字[2014]60)。

陈淼，女，主任医师，硕士生导师，研究方向：肺保护，E-mail:764590955@qq.com。

R563

A

1000-2715(2016)04-0430-05