间歇性低氧对肺组织的损伤及机制

刘玉东 段争

河北医科大学第二医院呼吸二科,石家庄 050000

OSAHS是一种困扰着3%～7%中年人群的常见呼吸系统病症[1],其以在睡眠过程中反复出现呼吸暂停和低通气为特征,造成各组织和器官的反复低氧-复氧过程,产生对心血管、脑血管和呼吸系统的损伤,还能导致物质代谢紊乱,引起肥胖、糖尿病、血脂异常和高尿酸血症[2]。在各个系统的影响中,作为与气态氧直接接触的呼吸系统,肺损伤是最常见、最早,也是最严重的。目前研究最为广泛的是以间歇性低氧 (intermittent hypoxia,IH)模拟OSAS来探究对肺组织的影响。但是IH 对肺组织的具体影响及相关机制还不十分清楚。本文主要以OSAS为例,从氧化应激、炎症损伤、线粒体损伤等方面来综述IH 对肺组织的损伤及可能机制。

1 氧化应激

氧化应激是指机体内活性氧化物 (reactive oxygen species,ROS)生成和内源性抗氧化系统清除ROS能力之间的失衡。ROS包含有各种各样的化学物质,如超氧化物阴离子、过氧化氢和羟自由基。它们是以细胞呼吸和代谢的副产物或通过包括线粒体电子传递链、黄嘌呤氧化酶、细胞色素P-450、脂氧合酶、一氧化氮合酶、过氧化物酶体和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶在内的特异性酶而产生的。正常条件下,ROS是一种必不可少的信号分子,但是过高的ROS水平可以刺激氧化应激信号转导通路而导致细胞蛋白质、脂质和DNA 等破坏,产生氧化应激损伤[3]。Wang等[4]进行的一项以IH 模拟OSAS的研究中,多个氧化应激指标被检测,研究结果显示IH 导致超敏C反应蛋白、8-异前列腺素和丙二醛水平的明显增高以及超氧化物歧化酶和谷胱甘肽水平的明显降低,表明了IH 诱导了肺组织的氧化应激反应。Tuleta等[5]的研究实验表明IH 打破了小鼠肺内的氧化还原平衡,增加了肺组织内自由基的释放,从而导致了肺组织的氧化应激损伤。da Rosa等[6]也证实了在暴露于IH 的大鼠肺组织中,作为氧化应激标志的脂质过氧化物的水平也是升高的,与以上研究结果一致,提示IH 通过氧化应激反应参与了肺损伤的过程。

当肺组织受到氧化应激损伤后,多种抗氧化机制与通路被激活,以减轻氧化应激反应,主要有核因子κB[7]、PI3K/Akt[8]、红系衍生核因子相关因子2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)/血红素氧合酶1 (heme oxygenase-1,HO-1)等通路,以Nrf2/HO-1 通路最为重要。Kelch ECH 关联蛋白1 (Kelch ECH associating protein 1,Keap1)-Nrf2/HO-1通路是体内对由ROS 和亲电物质诱导的内源性及外源性应激所作出的细胞保护反应的主要途径。Keap1富含半胱氨酸,是一种能与Nrf2结合并通过泛素蛋白酶体促进其降解的阻遏蛋白。Nrf2是碱性亮氨酸拉链转录因子家族的一名成员,在肺中表达很旺盛,其通过与抗氧化反应元件结合而诱导抗氧产物及解毒酶和蛋白质的表达,在细胞保护中起到了重要作用。HO-1 又称热休克蛋白32,是一种受多种应激诱导的诱导酶。尽管Nrf2几乎在所有类型的组织和细胞中广泛表达,但是由于其天然负性调节剂Keap1的存在,使其通过26S蛋白酶体途径泛素化而降解,所以在基础 (稳态)条件下它的蛋白表达量表达在较低水平。反复低氧-复氧状态下,机体内会产生多余的ROS,氧化还原平衡便被打破,Keap1 中的C151被修饰而发生构象改变,影响了其与Nrf2 之间的相互作用,Keap1与Nrf2之间的亲和力减弱,结果Nrf2 不再被泛素化而变得稳定,新生成的Nrf2在细胞质中积累,并转移到细胞核内与小Maf蛋白结合形成二聚体,在它的靶基因可调控区与抗氧化反应元件结合以促进这些靶基因的转录,主要有超氧化物歧化酶、HO-1、醌氧化还原酶1和谷胱甘肽过氧化物酶等[9]。Wang等[4]的研究将IH 组按氧气浓度 (12.5%、10%、7.5%、5%)分为4 个等级,暴露时间为12周,结果显示肺组织氧化应激损伤程度随氧气浓度下降而持续加重,而蛋白质免疫印迹显示Nrf2和HO-1蛋白表达水平并没有持续升高；7.5%组Nrf2 表达最高,10%组HO-1表达最高,其机制可能为短期IH 暴露可使Nrf2/HO-1持续激活,长期IH 暴露则可能抑制此通路,此推断在低氧对心脏和肾脏影响的研究中被部分证实。Kuang等[10]所做的研究证明在低氧条件下,大鼠心脏微血管内皮细胞中Nrf2和HO-1的m RNA 和蛋白表达量会暂时性升高。Sun等[11]进行的IH 对小鼠肾脏的抗氧化反应与氧化损伤的研究显示,短期IH (3～7 d)暴露肾脏Nrf2和HO-1的表达水平显著升高,抗氧化物的水平也显著升高,并伴随着丙二醛的降低；然而长期 (8周)IH 暴露时肾的Nrf2和HO-1的水平逐渐恢复至正常,抗氧化物水平显著降低,肾的炎症、氧化损伤、细胞死亡和纤维化都显著加重。

2 炎症损伤

IH 在导致氧化应激损伤的同时也伴随着加重的炎症反应。ROS水平的增加将导致细胞黏附过程、白细胞活化和炎症过程的增加[12]。da Rosa等[6]已证明IH 除了能加重肺部的炎症反应,还能引起肝脏的炎症反应。Gonchar 和Mankovska[13]指出IH 能诱导肺内循环单核细胞的积累并促进它们分化为表达诱导型一氧化氮合酶的促炎性肺巨噬细胞,这些肺巨噬细胞可能通过某些途径加重了炎性反应。Lu等[14]的研究表明IH 组大鼠血清和支气管肺泡灌洗液中IL-6、核因子κB和肿瘤坏死因子α的浓度显著增高；肺组织HE染色显示IH 组大鼠肺泡壁和肺泡间隙有炎性细胞浸润,并且炎性评分显著增高；在电镜下可观察到肺泡Ⅱ型上皮细胞的核膜和内质网明显被破坏。肺泡低氧除了导致单核细胞,还能导致巨噬细胞和中性粒细胞在肺血管中的聚集。Wang等[4]的研究已证实IH 导致支气管肺泡灌洗液中总蛋白含量增加,并且氧浓度越低蛋白含量越高；Giemsa染色显示IH 以一种浓度依赖的方式增加支气管肺泡灌洗液中白细胞、单核细胞和多核巨细胞的数量。

在低氧导致的炎症损伤过程中,肺血管内皮细胞与肺泡巨噬细胞 (alveolar macrophages,AMOs)之间的相互联系似乎发挥了重要作用。在多种血管床中,血管内皮细胞激活是一种重要的低氧反应。血管内皮细胞能释放大量促进白细胞向缺氧或损伤部位聚集的促炎性分子和黏附分子。肺动脉内皮细胞对缺血-再灌注损伤的反应不足以独自驱动肺损伤的进展。而AMOs的激活增强了低氧导致的内皮细胞的促炎性反应。McCourtie等[15]做的一项研究表明AMOs的释放产物能增强内皮细胞对肺缺血-再灌注损伤的反应,并且将内皮细胞暴露于激活的AMOs介质中,其在对缺氧-复氧的反应中化学因子的释放会增加。另外,在交互实验中,激活的内皮细胞介质同样可以增加AMOs中单核细胞趋化蛋白1的生成[15]。AMOs通过增强内皮细胞中炎性细胞因子的释放从而加速肺缺血-再灌注损伤的进展,这可能反过来对AMOs有一定的正反馈,表明了AMOs的活化可能通过调节内皮细胞而加重肺泡低氧导致的炎性反应。

3 线粒体损伤

线粒体是具有多种细胞功能的细胞内能量生成的基本细胞器,其通过电子传递来消耗O2生成大量ATP,从而与真核细胞互利共生。在大多数哺乳动物中,线粒体被认为是ATP的主要提供者,在线粒体中超过95%的ATP都是通过氧化反应合成[16]。线粒体不仅是ATP的生成场所,而且是 ROS 的生成场所及作用靶点。Taivassalo 和Hussain[17]观察到暴露于慢性IH 中的大鼠,膈肌的线粒体和膜成分中超氧阴离子水平显著增加,这些发现表明线粒体是低氧诱导的氧化应激的主要靶点。线粒体是高度动态的细胞器,不断地进行着聚变和裂变,形成一个横跨细胞整个区域的网络。线粒体的聚变和裂变,也称为融合和裂变,对许多生物学过程都很重要,包括线粒体生物合成、周转、亚细胞分布、细胞分裂和凋亡之间的稳态。这种线粒体动态改变在线粒体质量控制中发挥了重要作用,使正常的细胞代谢和呼吸得以维持。当对外界刺激产生应激时,线粒体结构会发生显著改变,包括碎裂和嵴重塑,其功能发生障碍。Nunnari和Suomalainen[16]已经证明线粒体功能障碍与包括衰老、心血管疾病和呼吸系统疾病在内的多种病理生理过程密切相关。

OSAS的主要特点就是慢性IH,反复的低氧-复氧过程使ROS在体内过量生成。当线粒体受到损伤时,ROS 便从线粒体呼吸链中生成[18],ROS的持续生成可通过脂质过氧化、DNA 损伤和蛋白损伤造成细胞的氧化应激损伤[4]。Taivassalo和Hussain[17]的研究指出ROS可改变线粒体的结构和功能,其实验结果还表明ROS的过量生成可能导致线粒体蛋白的氧化应激损伤。当线粒体蛋白受到损伤,线粒体功能发生障碍,能量供应不足,最终可导致细胞的损伤甚至凋亡。线粒体是能量生成场所,其在氧稳态中发挥着关键性的作用,主要表现在线粒体利用O2以ATP及线粒体膜电位的形式产生能量,并且这种生物学机制具有可调控性。Zhu等[19]的研究发现与常氧组相比,低氧条件下ATP的生成明显减少。因此,可推断OSAS患者体内ROS生成增多,ATP生成减少,线粒体对过多的ROS产生的应激反应及线粒体能量供应不足共同作用,最终导致线粒体稳态失衡,线粒体功能障碍,诱发了细胞凋亡。

综上,在IH 对肺组织造成的损伤中,ROS似乎占据了核心地位,ROS的过量生成通过氧化应激损伤、炎症损伤、线粒体损伤等机制导致了肺组织损伤。而ROS在体内低水平稳定存在是ROS清除及ROS生成相互平衡的结果,因此,当IH 对肺组织造成损伤时,可通过增强ROS清除能力或者减少ROS生成来减弱肺组织损伤。

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