肺内皮多糖包被与急性肺损伤的研究进展

方 辰 综述，张剑锋 审校

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肺内皮多糖包被与急性肺损伤的研究进展

方 辰 综述，张剑锋 审校

内皮多糖包被（endothelial glycocalyx, EG）位于血管内皮细胞腔面，由蛋白聚糖（proteoglycan, PG）、糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）、膜糖蛋白及血浆蛋白组成。肺血管内皮的多糖包被可阻止中性粒细胞黏附和外渗，并影响内皮通透性的活性调控。多糖包被在急性肺损伤（acute lung injury, ALI）的发生、发展过程中可能起着重要的作用。对多糖包被的保护或重构可能是急性肺损伤临床治疗的一个新思路。

多糖包被；内皮细胞；急性肺损伤

EG是指位于血管内皮细胞腔面的一层复杂多成分大分子，EG是血浆-内皮细胞之间相互作用的媒介或屏障。研究发现[1-3]，在生理条件下，EG具有维持血管通透性、抑制细胞间黏附等血管保护作用；在ALI的发生、发展中出现EG被破坏[4,5]，提示EG可能参与ALI的发生并影响其预后。现就EG与ALI的研究进展作一综述。

1 多糖包被的结构

EG主要由PG、GAG、膜糖蛋白及黏附在此层上的血浆蛋白组成（图1）。PG与内皮细胞膜紧密结合，为GAGs与内皮细胞的连接提供支持[6]。GAGs包括硫酸乙酰肝素（heparan sulphate, HS）、硫酸软骨素（Chondroitin sulfate, CS）、透明质酸（hyaluronic acid, HA）及硫酸角质素等成分。HS是血管内皮细胞腔面的主要组成成分，包含大量血浆蛋白的结合位点，并通过与核心蛋白（多配体聚糖和磷脂酰肌醇聚糖）的连接参与信号转导[7,8]。HA具有强大的保水性能，能结合高于自身重量一万倍的水份，对EG体积及网状结构的维持和稳定具有重要作用[9]。膜糖蛋白由内皮细胞合成并分泌，主要包括内皮细胞黏附分子如E选择素、P选择素、整合素、细胞间黏附分子1（intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1）、血管细胞黏附分子1（vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1）及血小板内皮细胞黏附分子1（platelet endothelial cell adhesion molecule-1, PECAM-1），及一些影响凝血、止血和纤溶系统的糖蛋白[10]。膜糖蛋白亦在细胞信号传导和炎性细胞渗出中起重要作用[11]。

2 多糖包被的作用

研究表明，EG在血管内皮表面形成了一个具有炎性屏障、机械传导功能的动态分子层，即内皮表面层（endothelial surface layer, ESL），其为维持血管内皮功能的关键调节因素[12]。

ESL通过多种机制参与中性粒细胞渗出的调控，包括内皮细胞黏附标记的暴露以及趋化因子的形成，引导中性粒细胞在血管内移动[13,14]。高度硫酸化的GAGs可使 ESL带负电荷，从而形成跨内皮蛋白梯度，通过Starling力调节液体流动[15]。此外，GAGs可影响由一氧化氮（nitric oxide, NO）介导的血管舒张[16]。

肺内血管ESL的厚度明显大于全身其他部位血管ESL的厚度。野生型C57BL/6小鼠的活体显微镜观察实验中发现，肺微血管ESL平均厚度为1.67 μm，远高于提睾肌微血管ESL（0.67 μm）[17,18]。虽然较厚的肺ESL对血红蛋白氧含量并不产生影响，但肺ESL厚度的增加（更精确地说，是EG这种结构的差异）可能对内皮屏障功能产生影响。研究显示，肺ESL可调节血管内皮表面黏附分子的暴露，从而阻碍中性粒细胞的黏附和外渗；并且肺ESL还参与血管内皮通透性的活性调控，以维持血管内外水和蛋白质平衡[19]。

图1 内皮细胞表层结构的模式图和电子显微镜图

3 多糖包被与ALI

目前认为，ALI和急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是由肺血管内皮屏障功能障碍所引发的一种疾患，在ALI/ARDS发生过程中，炎性因子刺激导致内皮和上皮屏障通透性增加，从而导致肺实变和严重的低氧血症[20]。

3.1 肺多糖包被是防止中性粒细胞外渗的屏障 ESL是炎性细胞和内皮表面之间的屏障。血浆中GAGs片段浓度增加是炎性疾病（如脓毒症休克）的特征之一，提示EG降解与炎性组织损伤相关[4,5]。由EG降解与全身微血管中中性粒细胞黏附的关联可推测，脓毒症诱导的肺ESL损伤可导致中性粒细胞黏附和炎性肺损伤的发作[17]。研究显示，脓毒症发病30 min，肺ESL即出现大量损耗，ESL的降解可能与内皮肝素酶相关[17]。肝素酶介导的ESL损耗增加，引发肺动脉内皮表面黏附分子（ICAM-1，VCAM-1）的暴露，导致循环中活化的中性粒细胞附着和外渗增加，引起炎性刺激。肝素酶抑制药可阻止黏附分子的暴露并减少炎性损伤。弥漫性肺损伤是ALI/ARDS的病理特征之一，在脓毒症患者的肺组织活检中肺内肝素酶浓度增加，且血浆中HS活性增加[17]。上述研究提示，肺ESL的基本功能是调节内皮表面黏附分子暴露及调控中性粒细胞由血管进入肺内[17]。

肺ESL影响中性粒细胞黏附和移行可能存在多个作用机制。在全身血管中， HS作为白细胞L-选择素配体使中性粒细胞缓慢滚动，此功能取决于GAGs硫酸化[21]。尽管L-选择素与肺微血管中中性粒细胞附壁及肺损伤的发病有关，但L-选择素和白细胞滚动并不是中性粒细胞从肺微循环外渗的关键[22]。此外，在炎性肺损伤中GAGs可作为中性粒细胞刺激趋化因子的存储库[21,23]。HS也可使趋化因子从小鼠肺血管内皮细胞的基底趋化至管腔表面[21]。并且在炎性环境下，血管具有适应EG结构的能力，提示ESL对中性粒细胞外渗调节可能存在多种途径[24]。

3.2 多糖包被作为阻碍液体和蛋白渗出的屏障 ESL是血管内皮屏障的重要结构成分，阻碍液体和蛋白的外渗。GAGs通过形成带电网状物覆盖在细胞-细胞连接处，调节血管渗透压梯度，有助于流体流量的Starling调节。研究显示，EG降解可导致蛋白质和液体外渗增加，提示ESL决定着血管渗透压梯度，这对以前的Starling定律是一种完善[25-27]。但在肺动脉内皮中，ESL是否具有阻碍液体和蛋白渗出的屏障作用，对此目前尚不明确。牛肺微血管内皮细胞的体外研究显示，EG的HS降解可直接引起内皮细胞渗透性增加[28]，但上述发现在离体大鼠肺研究中并未得到证实[29]。有研究显示，用标记蛋白灌注离体小鼠肺，液体和蛋白通透性均未随EG的降解而改变[26]。有研究报道，静脉使用肝素酶-Ⅲ使肺内ESL快速降解，这并不能使小鼠肺水肿加重[19]。以上研究提示，与全身血管系统相比，肺血管EG对于液体和蛋白质屏障的作用不大，其机制尚不清楚。

近期研究显示，EG的非GAGs成分对血管屏障功能亦起一定作用[30]。离体研究显示，内皮细胞表面糖蛋白的唾液酸降解可导致内皮通透性增加[30]。目前尚不清楚对通透性的这种效应是由于唾液酸被动的血管屏障作用，还是由于唾液酸残基损耗而触发导致通透性升高的内皮信号级联反应，但细胞表面唾液酸的降解则与内皮细胞从基底膜的脱落有关，这提示顶端信号向基底表面的传导[30]。此外，使用神经氨酸酶降解唾液酸能加强屏障功能，提示含唾液酸的糖蛋白能主动调节屏障功能，而不是简单的被动结构[30]。

3.3 肺多糖包被和NO诱导血管内皮细胞通透性的关系 虽然肺EG的GAGs对液体和蛋白质的屏障作用不大，但其损失可能引起信号级联反应，最终改变血管通透性。在NO介导的血管舒张系统传导中，GAGs（如HS和HA）对血管切应力的传导至关重要[16,31,32]。虽然EG控制NO介导血管舒张的机制尚不清楚，但研究推测可能与EG可调控NO生物利用度有关[33]，或EG有调节内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）活性的潜在能力[34]。

EG或ESL有影响NO介导机械力转导的能力。牛肺微血管内皮细胞通过NO介导的方式增加通透性，以调节跨内皮压力刺激[28]。这种跨内皮压力梯度被细胞表面HS感知并转导，用肝素酶-Ⅲ处理后可引起通透性增加。离体灌注鼠肺模型研究显示，增加血管压力时，主要通过HS介导的方式来增强内皮通透性[29]。上述发现与肺损伤密切相关，提示血管扩张在ALI/ARDS中潜在的重要性[35]。值得注意的是，除血管扩张外，其他物理力如潮气量也与ALI/ARDS高度相关。事实上，高潮气量一方面诱导内皮NO的产生，另一方面增加内皮细胞环磷酸鸟苷（cyclic guanosinc monophosphate，cGMP）的浓度，而cGMP产生可能导致血管内皮功能障碍[36]。但EG降解并不妨碍压力诱导的cGMP产生，提示在NO介导的机械传导调节潮气量作用中，ESL的作用尚需进一步评估。呼吸机相关性肺损伤的发病机制是否与ESL缺失有关目前尚不清楚。

4 小 结

综上所述，肺EG可阻碍中性粒细胞黏附和外渗、影响物理应力的内皮转导，对内皮通透性具有活性调控作用，在急性肺损伤病理过程中可作为阻碍液体和蛋白渗出的屏障，同时可能影响NO介导的内皮通透性。但内皮EG在急性肺损伤中的确切作用尚需进一步研究来揭示。

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（2015-10-27 收稿 2015-12-16 修回）

（责任编辑 郭 晓）

Research progress on pulmonary endothelial gycocalyx and acute lung injury

FANG Chen and ZHANG Jianfeng. Department of Emergency, The First Hospital Affiliated to Guangxi Medical University, Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530021, China

Located on the luminal surface of vascular endothelial cells， the endothelial glycocalyx is composed of proteoglycan, glycosaminoglycan, glycoproteins and a wide array of molecules from plasma. Pulmonary endothelial glycocalyx serves as a barrier to neutrophil adhersion and extravasation. And it also has an impact on the active regulation of endothelial permeability. Endothelial glycocalyx plays a pivotal role in acute lung injury. Protection or reconstruction of glycocalyx may prove to be a new therapeutic approach for acute lung injury.

glycocalyx；endothelial cell；acute lung injury

R655.3

10.13919/j.issn.2095-6274.2016.01.013

国家自然科学基金项目（81360290）；广西自然科学基金项目（2014GXNSFAA118195）

方 辰，硕士研究生在读，E-mail: fangchen54@yeah.net

530021 南宁，广西壮族自治区广西医科大学第一附属医院急诊科

张剑锋，E-mail: zhangjianfeng930@163.com