活性氧作用于急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征的研究进展

刘婷 赵德育

南京医科大学附属儿童医院呼吸内科210000

急性肺损伤 (acute lung injury,ALI)是由于各种肺内和肺外致病因素损伤肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞,导致弥漫性肺间质及肺泡水肿,从而使得机体出现急性低氧性呼吸功能不全甚至呼吸困难的一种常见的临床综合征。ALI具有肺顺应性降低、肺有效容积减少、通气/血流比例失调以及换气功能障碍等特征性病理生理的特点,肺部影像学上主要表现为双肺非均一性的渗出,临床特点主要是进行性的低氧血症和呼吸窘迫,其严重阶段可发展至ARDS[1]。

ALI/ARDS是一种危害全球人类健康的疾病,尽管目前对于ALI/ARDS的发病机制和分子机制有了令人瞩目的进展,但是其发病率及病死率依旧居高不下。近期临床调查发现ARDS 在ICU 的发病率为1%～4%,病死率为22%～65%,而儿科群体的病死率大约为24%[2],因此亟待研究出有效的治疗方法。在ALI/ARDS发病机制中,各种诱因刺激大量炎症细胞 (中性粒细胞、单核巨噬细胞等)聚集于肺组织,同时炎症细胞激活并且释放活性氧(reactive oxygen species,ROS)、肿瘤坏死因子α、IL及弹性蛋白酶等促炎因子,促使炎症反应不断恶化[3]。其中ROS可以通过不同的途径破坏肺微血管内皮细胞及上皮细胞,增加肺血管通透性,导致肺水肿形成;同时ROS可以与炎症因子互成反馈及促进炎症因子相关蛋白表达,造成炎症瀑布样级联反应[4]。本文重点讨论ROS在ALI/ARDS发病机制中的作用以及ROS能否成为ALI/ARDS的靶向治疗目标。

1 ROS的来源

ROS是一系列具有特殊化学状态且氧化活性高于基态氧的活性氧簇,主要由氧自由基 (如超氧阴离子、羟自由基、脂氧自由基等)和非自由基含氧物 (如过氧化氢、臭氧、单线态氧等)组成。ROS主要来源于NADPH 氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide oxidase,NOX)和线粒体。NOX 主要通过将电子从NADPH 转移至分子氧,从而促进ROS的生成;线粒体主要通过电子传递链产生大量的ROS,同时线粒体产生的ROS可以特异性增加蛋白激酶C的活性,激活NOX,进而诱导更多的ROS产生[5]。

在ALI/ARDS的发生发展过程中,ROS主要来源于激活的中性粒细胞和单核细胞表达NOX2,同时近端大气道延伸到末端细支气管和肺泡的上皮、内皮和间充质细胞等表面也可以通过表达不同的NOX 和双重氧化酶 (dual oxidase,DUOX)从而产生部分ROS,其中主要包括NOX1、NOX2、NOX3、NOX4及DUOX1和DUOX2[6]。

2 ROS的作用机制

过度产生的ROS是ALI/ARDS发生发展关键的步骤,既可以影响肺部炎症细胞的激活和炎症介质的释放,也可以损伤肺泡-血管内皮细胞屏障结构,从而导致屏障功能稳定性降低[7]。ROS的作用及功能对于补充目前尚未完全阐明的ALI/ARDS发病机制具有重要意义。下面将从ROS直接氧化作用,ROS与Ca2+、中性粒细胞及中性粒细胞外网状陷阱 (neutrophil extracellular traps,NETs)的关系这些方面对ROS导致肺损伤的机制进行阐述。

2.1 ROS的氧化功能 生理情况下ROS清除依赖于机体内有效的抗氧化物质从而维持动态平衡,然而在病理情况下如急性炎症反应时,ROS的产生量远超过抗氧化系统的清除能力,过量的ROS在体内囤积并且通过氧化应激和炎症级联放大作用,破坏组织器官的结构与功能,造成机体代谢紊乱[8]。

ROS氧化作用介导肺损伤的机制[9]包括：(1)氧化细胞膜表面的磷脂成分,造成脂肪酸链断裂、膜结构紊乱、流动性及通透性下降,从而导致肺功能障碍;(2)氧化脂质分子导致生成大量血管活性物质和促炎分子,比如促进大量血栓素的形成,从而增加肺血管紧张程度及炎症反应;(3)氧化蛋白质肽链中的氨基酸,破坏蛋白质的基本分子结构,改变蛋白质的活性及功能,比如氧化抗氧化酶类,造成机体氧化与抗氧化失衡;(4)通过氧化作用活化转录因子,如激活核转录因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)和蛋白活化因子1 等,增强炎症靶向蛋白 (细胞间黏附分子、血管细胞间黏附分子1、环氧合酶2 等)高表达,促进炎症反应[10];(5)氧化DNA 导致DNA 碱基缺失、点突变及链断裂等,引起细胞损伤甚至细胞死亡。ROS生成增加可以通过自身氧化功能破坏细胞微观结构,从而造成肺血管内皮细胞、上皮细胞及平滑肌细胞等结构性或功能性损伤,导致肺泡-血管内皮屏障和血管舒缩功能失调,从而加速ALI/ARDS的疾病进程。

2.2 ROS和Ca2+通道 生理剂量的Ca2+是人体内重要的信号转导因子,其可以维持肺泡-血管内皮细胞的紧密连接,从而控制液体平衡,维持正常的肺功能[11]。然而病理剂量的Ca2+大量内流进入胞质可以促进细胞内蛋白激酶活化,活化的蛋白激酶可以通过磷酸化p120-连环素和内皮细胞钙黏蛋白,破坏细胞间紧密连接[12];同时可以与肌球蛋白轻链共同作用导致细胞骨架重新组合。可见病理剂量的Ca2+内流可以损伤肺内皮细胞之间粘连结构,破坏肺泡-血管内皮细胞屏障功能,导致大量富含蛋白质及炎性细胞的液体渗出到肺泡腔中并且无法被清除,使肺泡与肺间质出现弥漫性的肺水肿及透明膜的形成。

瞬时受体电位 (transient receptor potential,TRP)通道家族是内皮细胞上Ca2+进入胞质的主要通道,其中TRPC、TRPM 和TRPV 3种通道类型是目前研究热点[13]。而内皮细胞TRP通道可以作为ROS的化学传感器,传递Ca2+信号,从而破坏肺泡-血管内皮屏障功能[14]。在感染、炎症、肿瘤等病理状态下,过度的氧化应激反应可以调节TRPM2、TRPM4和TRPM7 使其通道功能异常,从而促进Ca2+内流,最终导致细胞功能破坏及加速疾病本身的进展[15]。Tauseef等[16]在研究脂多糖诱导的肺血管通透性和炎症反应增加时发现ROS 可以通过活化的TRPC6 增加Ca2+内流,从而损伤肺内皮细胞,增加肺血管通透性;同时发现TRPC6可以激活NF-κB 和上调TLR4受体,从而促进炎症反应。Taylor-Clark[17]在研究气道高反应咳嗽反射时发现,ROS可以与TRPA1和TRPV1之间相互协调,诱导气道持续炎症反应。可见在ALI/ARDS中,通过阻断ROS与特异性的氧化敏感TRP 通道相互结合,抑制细胞Ca2+内流,对于治疗疾病将提供新的思路。

2.3 ROS与中性粒细胞 在ALI/ARDS发病机制中,中性粒细胞首先与肺内皮细胞之间相互黏附,随后通过跨细胞途径进入肺泡腔内,紧接着释放大量的ROS、炎症介质、细胞因子及损伤性酶类等,从而损伤肺组织[18]。在ALI/ARDS中,ROS可以作为驱化因子促使中性粒细胞到达炎症部位,从而介导炎症损伤;其次ROS可以作为中性粒细胞活化的激动剂,加速中性粒细胞激活。Barrett等[19]通过研究中性粒细胞在急性炎症反应如ALI中的作用发现,中性粒细胞的启动依赖于ROS的产生,ROS 的生成可以促进中性粒细胞的活化,从而导致肺内皮屏障功能丧失和器官损伤。肺内皮细胞和中性粒细胞之间相互黏附对于中性粒细胞进入肺泡内从而释放一系列有毒物质是极其关键的一步,而ROS可以通过活化NF-κB 从而促进肺内皮细胞高表达细胞间黏附分子1、血管细胞间黏附分子1和E-选择蛋白等,导致肺内皮细胞和中性粒细胞之间黏附增加。有学者在研究血管渗透性时发现,通过低氧刺激的小鼠可以增加ROS产量,增加的ROS同时促进NF-κB 和细胞黏附分子表达增加,从而促进血管渗漏[20]。在ALI/ARDS中,ROS与中性粒细胞之间的相互调节,加速了中性粒细胞介导的肺组织损伤。

2.4 ROS与NETs的关系 NETs是中性粒细胞受到各种病原微生物等刺激形成的一种网状结构,主要是以DNA和组蛋白为基本网状骨架,其上镶嵌着颗粒蛋白和胞浆蛋白等颗粒状物[21]。生理剂量的NETs可以固定或捕获各种病原体,随后抑制感染的传播,并最终促进病原体的死亡,然而过量的NETs会加速疾病进展如促进炎症反应,从而对机体造成损害[22-23]。Liu 等[24]通过研究脂多糖诱导的ALI小鼠模型发现,损伤的肺组织内可见大量活化的中性粒细胞以及过量NETs,通过不同方式抑制NETs的产生可以减轻肺水肿、炎症反应及血管通透性,减缓肺部损伤。

ROS对于中性粒细胞降解成NETs起着极其关键的作用。Hakkim 等通过遗传分析发现NETs的形成过程依赖于Raf-MEK-ERK 途径激活的NOX 及氧化酶所产生的ROS,分别使用c-Raf及MEK 抑制剂可以阻断ROS生成,导致中性粒细胞降解及NETs 的形成障碍[25]。Stojkov等[26]研究表明过量的ROS可以通过与谷氧还原蛋白相互协调进一步促进肌动蛋白和微管蛋白聚合,从而导致大量NETs的形成。在ALI/ARDS中,机体产生过多的ROS可以通过不同的途径相互作用介导中性粒细胞降解及大量NETs的生成,加速疾病炎症反应。

3 ALI/ARDS的治疗

ALI/ARDS病死率较高,Eddy 等通过对过去5 年ALI/ARDS的治疗进行随机临床试验以及meta分析发现,迄今为止没有特效针对性药物可以完全控制ALI/ARDS的进展,肺机械通气治疗仍然是目前最佳治疗手段[27]。尽管出现了一些新型治疗手段包括炎症因子受体阻滞剂、免疫调节、造血干细胞移植以及调节基因的活性等,但是由于其过程十分复杂,疗效尚不明确[28]。在ALI/ARDS 的发病机制中,ROS的作用尽管错综复杂,但其加速肺组织损伤已经明确,目前已有大量的研究证明外源性地增加各种抗氧化剂从而重新构建机体氧化/抗氧化的平衡,可以在一定程度上改善ALI/ARDS的预后[29-30]。

目前临床上对ALI/ARDS 常用的抗氧化剂包括N-乙酰半胱胺酸 (N-acetyl-L-cysteine,NAC)、维生素C、氨溴索和一些富含中草药成分的药物如喜炎平、阿魏和枸杞等。近期有研究发现在脂多糖和H9N2病毒诱导的ALI小鼠模型中,NAC可以抑制氧自由基对肺组织的损伤[31-32]。同时Zhang等[33]进行了一项荟萃分析以评估NAC对成人ARDS的影响,结果显示尽管NAC 不能降低患者病死率,但其可以缩短患者在ICU 停留时间。在一项回顾性对照研究中,Marik等[34]发现早期应用维生素C 联合糖皮质激素能够减少严重脓毒症和感染性休克多器官功能障碍的发生,并显著降低病死率。氨溴索可促进内源性肺泡表面活性物质的合成与释放,同时可直接清除ROS,避免细胞脂质受氧化损伤。Wu等[35]进行了一项荟萃分析证明氨溴索可降低ARDS患者血清肿瘤坏死因子α和IL-6,并且增加血清超氧化物歧化酶水平,同时改善患者血氧饱和度和氧分压水平,其益处可能与氨溴索抗氧化和抗炎特性有关。中草药成分已经成为当今临床研究热点之一,目前研究已经证明阿魏酸、枸杞多糖以及穿心莲内酯磺酸盐等可以通过抑制ROS的生成从而减轻脂多糖介导的ALI大鼠模型中肺组织的肺水肿、肺泡液体渗出、多形核白细胞浸润以及抑制肺泡灌洗液中炎症因子释放[36-38]。

尽管抗氧化剂理论上合理并且临床研究证实其有效,但仍然存在一定的局限性。首先,抗氧化药物治疗主要针对特异性病理状态,并不普遍适用于各种肺损伤情况,所以可能存在一定的差异性;其次,目前抗氧化药物主要研究于动物或者细胞水平,临床试验数量较小,需要进一步深入研究;最后,由于ALI/ARDS的疾病复杂性,氧化应激在疾病调控方面极其多样,单独应用抗氧化剂的治疗可能对总体的炎症反应改善不明显,而将抗氧化剂与其他药物同时使用,可能会有显著的改善作用。进一步深入探索ROS与ALI/ARDS的相互作用将有助于疾病的治疗。

4 总结与展望

ALI/ARDS是一种致病因素众多、发病机制复杂、病情进展迅速、治疗手段有限、发病率及病死率高的异质性综合征。目前研究表明尽管同样的治疗方法对于不同的患者疗效也可能存在显著的差异性,因此需要对ALI/ARDS的发病机制、分子免疫方向以及基因多态性进行更深入的探索及研究,发现患者之间的个体差异,找到准确的致病因素及预后评价方法,采取个性化的治疗方案,才能有效地提高治疗效果。对于如何应用抗氧化剂达到最佳的治疗效果还需要进一步深入研究,同时ROS在ALI/ARDS中的作用部分是通过氧化还原敏感转录因子及蛋白质修饰途径共同作用,所以通过对转录因子的特异性和靶向遗传控制将为我们提供一种新的控制和治疗疾病方法。

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