炎性细胞因子调节肺上皮钠通道在ALI/ARDS发生发展中的研究进展

郑俊雅，张 珍，李鲁新，段新鹏

(牡丹江医学院，黑龙江 牡丹江 157011)

ALI/ARDS是一类临床上较为常见的危害严重的肺部疾病，常由于心源性以外的各种肺内、外致病因素引起肺部毛细血管通透性增高，富含蛋白质的液体渗出进而导致肺水肿及透明膜形成，最终导致的急性、进行性呼吸衰竭，有时伴有肺间质的纤维化。ALI/ARDS患者常伴有明显的肺部炎症，表现为肺容积减少、肺顺应性降低和严重通气/血流比例失调，阻止了正常的气体交换，从而引起低氧血症，严重的甚至会引起死亡[1]。肺泡是肺部气体交换的主要场所，从空气中吸入的氧气进入肺泡后，要依次经过肺泡内表面的液膜、肺泡上皮细胞膜、毛细血管的内皮细胞膜等膜结构向血液扩散。其中肺泡内表面的液膜对呼吸至关重要，主要由Starling力和钠的主动转运调控。Starling力的大小决定了水从血管内运输到血管外或组织间的速率，而另一个影响肺泡液层厚度的调节机制是钠离子的主动转运。因此介导钠离子转运的ENaC在维持肺泡液层正常生理功能方面至关重要[2]。ALI/ARDS发生的相关细胞因子可以通过影响ENaC通道的活性和表达，破坏组织局部的水钠平衡。了解ENaC通道的基本性能和其在肺部炎症反应中所发挥的作用，对于ALI/ARDS的治疗具有重要的意义。本文主要对肺部相关细胞因子介导的ENaC通道的病理生理机制进行简要概述。

1 ENaC通道在急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征中的作用

1.1 肺的生理学呼吸系统的主要功能是气体交换，而肺的解剖和生理功能进化趋势是如何更为有效地进行分配气体。肺泡内气体的扩散是通过表面积很大、富有弹性的薄膜进行。人类的肺组织由一系列分支管道组成，支气管在肺内反复分支可达23～25级，直至盲端形成肺泡。肺泡细胞有两种主要细胞类型：鳞状I型和立方形Ⅱ型细胞。大部分肺泡表面积由肺泡Ⅰ型细胞组成，其余部分(≈2～5%)为肺泡Ⅱ型细胞，两种细胞类型都有助于肺泡液转运[3]。而肺泡Ⅱ型细胞还能分泌肺泡表面活性物质(二棕榈酰卵磷脂)，以降低肺泡表面张力，增加肺顺应性。总之，肺的解剖结构和生理学特性有利于肺泡空间内气体交换的正常进行。

1.2 ENaC通道的作用及调节ALI/ARDS的主要病理特征是肺水肿。ALI/ARDS肺水肿的形成是由于肺血管通透性增加，导致血管内水分外渗形成水肿液并积聚在肺间质和肺泡腔。肺间质和肺泡腔内水分的重吸收主要依靠存在于肺泡Ⅰ型细胞和肺泡Ⅱ型细胞的钠水转运系统，主要由ENaC通道、水通道和Na+-K+-ATP酶等组成。肺泡腔内液体的吸收过程，一般先是水肿液中的Na+通过肺泡上皮细胞顶端膜ENaC通道进入细胞内，再经上皮细胞基底外侧的Na+-K+-ATP酶进入肺间质。肺泡腔内的液体则由Na+转运后造成的渗透压梯度驱动，或通过水通道蛋白(aquaporin，AQP)进入肺间质而后吸收入血液循环。肺泡上皮液体重吸收与渗出平衡形成稳态，以期代偿ALI/ARDS的肺水肿状态。一些研究者提出，ATP酶活性也在经上皮Na+转运中发挥了作用。通过许多研究已经证明了Na+转运是肺泡表面液体转运的主要驱动力[4]，而且研究者还发现顶端膜ENaC通道的抑制剂可以降低液体清除速率，可见ENaC通道在ALI/ARDS病程中起到了至关重要的作用。

ENaC通道由α、β、γ 3个亚单位组成，人类的ENaC通道的三个亚单位分别由SCNN1A、SCNN1B、SCNN1G基因所编码[5]。每个亚单位约有650～700个氨基酸，每一个亚单位经过两次跨膜后，在胞外形成约50 kD大小的结构域，其环状结构充当了天线感受器的角色，能够感知流体剪切力。胞内有两个氨基和羧基，约有8～10 kD大小。ENaC通道由两个α亚单位、一个β亚单位和γ亚单位组成，这四个亚单位形成一个中心孔道，来控制离子流动。ENaC通道是机械感受器通道，具有门控特性，对阿米洛利(Amiloride，保钾利尿药)高度敏感，会被其阻断。ENaC通道还可以受细胞的肿胀程度所调节[6-7]，细胞处于低渗溶液环境中时，细胞体积增大，ENaC通道被激活，活性增加；细胞处于高渗溶液时，细胞体积皱缩，ENaC通道的活性受到抑制。ENaC通道负责钠离子的限速重吸收，对于维持钠的自身平衡、细胞外液量和血压起重要作用。

肺部ENaC通道的三个亚基在内质网中组装、聚集最后运送到肺泡液层的顶端膜侧，对Na+离子具有高选择性。α-ENaC是ENaC通道的重要组成部分，是功能性ENaC通道在顶端膜上表达所必需的元件，对于正常肺功能具有重要的作用。研究者发现缺乏α-ENaC表达的新生鼠在出生后40 h内死亡。功能获得性ENaC基因突变可引起一种罕见的遗传性高血压—Liddle综合征[8]；而假性醛固酮减少症(Pseudohypoaldosteronism,PHA)是由ENaC通道部分功能丧失引起的，与正常水平相比，PHA的患者气道表面液体量增加了一倍。研究者将小鼠体内肺泡Ⅱ型细胞的泛素连接酶NEDD4-2敲除后，ENaC通道蛋白的表达水平增加的同时ENaC通道介导的电流大小也会增大[9]。另外，过度表达β-ENaC单位的转基因小鼠模型中，研究者发现β-ENaC亚单位过表达可增加ENaC通道的活性，引起气道表面的脱水、粘液阻塞和肺部炎症，与囊性纤维化(Cystic fibrosis, CF)模型中观察到的许多特征相类似[10-11]。总而言之，这些研究都强调了正常的ENaC通道表达和调节对于气道通气功能的完成具有重要的意义。

2 相关炎性细胞因子对ENaC的调控作用

在炎症期间，大多数细胞能够分泌各种传递炎症信号的小分子量蛋白，称为炎性细胞因子。一些最早的研究揭示了支气管肺泡灌洗液中大量和持续的炎性细胞因子增加与急性呼吸窘迫综合征中不利的结果之间存在相关性。总体而言，急性肺损伤会增加细胞因子水平，快速导致肺泡液积聚，水肿，最终导致急性呼吸窘迫[12]。因此，炎性细胞因子产生了一个前馈周期来减少肺ENaC通道的表达和活性。

2.1 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)TNF超家族包含19个成员，最初因其在细胞凋亡中的作用而被命名。这个家族研究最多的成员是TNF-α，其在增加其他细胞因子的免疫应答和分泌中起重要作用。TNF-α参与肺水肿的发生，ARDS患者TNF-α含量明显升高[13]。

虽然TNF-α可以结合两种不同的受体，从而参与不同的信号通路，但其在气道调控中的作用大部分都集中在TNF受体1上。大量的体外和体内模型实验均已证实TNF-α对ENaC通道的作用一方面依赖于受体的激活，另一方面也存在非受体依赖机制[14]。

肿瘤坏死因子受体1介导的NF-κB活化可增加细胞因子(IL-1，IL-8，IL-6)的产生。它还能够增加粘附分子的表达，包括血管细胞粘附分子和细胞间粘附分子(ICAM，intercellular cell adhesion molecule)。在新鲜分离的肺泡Ⅱ型细胞中，TNF-α能够降低α-ENaC和γ-ENaC的mRNA水平和蛋白质表达，同时也能够降低阿米洛利敏感的经上皮细胞电流的大小[14]。近期的研究工作也发现α-ENaC可以特异性的结合TNF-α衍生的TIP肽，延缓肺泡清除率的降低，在一定程度上对肺水肿的发生起到保护作用[15]。

TNF-α在内皮细胞活化中起着特别重要的作用，同时也影响上皮细胞紧密连接屏障。紧密连接处的破坏不仅导致渗出物增加，而且还可以降低肺泡液清除率[16]。TNF-α降低紧密连接蛋白和粘膜闭塞蛋白1的表达，增加肺泡通透性[17]。因此，TNF-α在ARDS的发展中具有关键且多方面的作用。TNF-α不仅调节钠离子和水分吸收，而且还破坏紧密连接屏障和内皮完整性，并有利于炎症性环境的形成。

2.2 转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)TGF-β1是一类致病性细胞因子，其在ARDS发生之前已经涉及ALI的早期阶段[18]。与健康对照组相比，ARDS患者TGF-β1水平明显升高[19]。有研究表明TGF-β1减少了肺上皮细胞中阿米洛利敏感的钠离子转运。此外，TGF-β1通过ERK1/2途径降低了ALI模型中α-ENaC的mRNA水平和蛋白质表达，从而促进肺泡水肿。有趣的是，TGF-β也被发现在ENaC通道转运钠离子过程中起着不可或缺的作用[20]。Peters等首先证明了ENaC通道在肺部急性调控作用。他们发现TGF-β通过与ENaC-β的相互作用来诱导ENaC通道蛋白内化[21]。总之，TGF-β参与多种机制来降低ENaC通道表达，从而有助于ARDS和肺水肿的形成[22]。

2.3 干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)IFN是由英国科学家Isaacs于1957年利用鸡胚绒毛尿囊膜研究流感病毒干扰现象时首先发现的，是一种细胞因子，具有抑制细胞分裂、调节免疫、抗病毒、抗肿瘤等多种作用。IFN家族包括I型和II型，INF-γ是II型IFN家族的唯一成员，在结构上与其他IFN不同。炎症期间，INF-γ由多种免疫细胞分泌，但主要由T淋巴细胞分泌。INF-γ增加诱导性一氧化氮合酶的水平和一氧化氮产生。但是关于INF-γ在ENaC通道活性中的作用知之甚少。采用人支气管上皮细胞的研究显示，应用INF-γ可导致上皮细胞钠离子转运能力显著降低，部分学者推测这可能与ENaC通道活性有关[23]。

2.4 白介素(interleukin，IL)几种白介素与ALI的早期阶段相关，其中研究最多是IL-1β，这种细胞因子在ALI和ARDS的发病机理中起着不同的作用。在ALI患者的肺泡灌洗液以及肺水肿液中IL-1β水平升高。与血清相比，肺泡灌洗液中IL-1β水平较高，表明存在与TGF-β类似的情况。Pugin等早期的一项研究表明，肺泡灌洗液中存在的细胞因子IL-1β最具生物活性，因此有人认为可能来源于早期浸润性嗜中性粒细胞[24]。ARDS患者的肺泡灌洗液中ICAM-1的表达增加，而IL-1抑制剂能够减少ICAM-1的增加。最近的一些研究已经显示IL-1β直接影响ENaC的表达。IL-1β可以通过p38-MAPK依赖性作用，降低ENaC通道的mRNA水平和蛋白表达。此外，应用IL-1β可以降低顶端侧ENaC通道蛋白和阿米洛利敏感性上皮细胞电流大小。体外模型实验表明通过细胞因子信号传导抑制因子1来降低IL-1β水平，从而逆转IL-1β对ENaC通道的抑制作用[25]。

此外，IL-4可以显著降低ENaC通道的γ和β亚单位表达；并且研究者还发现α-ENaC亚单位水平没有改变[26]。应用 IL-4和IL-13减少了阿米洛利敏感的上皮细胞电流大小，这与应用IL-4受体拮抗剂的作用相反。尽管这些发现是在研究过敏性疾病中证实的，但可以推断炎症状态下IL-4 / IL-13水平升高和ENaC通道功能降低有关。

最近的一些研究者发现ARDS患者外周血中IL-17的含量明显升高，并且IL-17的含量与氧合指数呈负相关：IL-17水平越高，患者的氧合指数越低。同时IL-17升高明显的ARDS患者预后较差[27]。Righetti RF等发现拮抗IL-17后可以保护脂多糖所诱导ALI引起的炎症反应，其主要机制是通过减少细胞因子的表达和氧化应激反应来实现的[28]。当ALI小鼠的IL-17基因敲除后，可以增加ENaC通道的表达以及活性，提高肺泡清除率，可以明显缓解ALI的炎症反应[29]。这表明抗IL-17药物在治疗ALI方面的研究价值，以及ENaC通道可能成为新的药物靶点。

3 结论

了解炎性细胞因子的作用对于研究ALI/ARDS发生发展是十分重要的。当“抗炎”细胞因子(如IL-10和IL-1受体拮抗剂)水平降低时，患者的死亡率增加。机体肺部炎症反应中所产生的细胞因子可以作为ALI/ARDS病程检测的生物学标志物，对于ALI/ARDS的预防和预后起到指示性的作用。当前的研究需要更多的工作才能了解多种细胞因子在疾病进展中的多重作用。尽管如此，炎性细胞因子似乎通过多种机制降低了ENaC通道在肺泡中的表达、肺泡顶端侧定位和活性，从而降低了肺部清除率，引起水钠潴留，导致ALI/ARDS。肺泡ENaC通道的活性直接影响钠离子的转运，所形成的渗透梯度又影响水的吸收，这对于机体肺部呼吸的调节起到重要的作用。在发生炎症反应时，肺组织的ENaC通道也可以通过结合相应细胞因子，来延缓ALI/ARDS的病程。现阶段人们对于肺部ENaC通道和细胞因子的研究并不是十分完善，相关细胞因子对于ENaC通道的作用机制还不是很明确，现有的研究标明可能与机体细胞的内吞作用以及ENaC通道的磷酸化水平有关。鉴于ENaC通道在维持肺泡功能上的突出作用，深入了解炎症细胞因子调节ENaC通道活性中的作用，为ENaC通道作为可能的治疗靶点提供可能性，必将有助于ALI/ARDS治疗方案的改进和有效药物的研发。