高海拔低氧环境下的微循环变化※

蒋白丽综述；汤 锋，李占全，3审校

(1.青海大学高原医学研究中心，西宁 810001；2.青海省人民医院，西宁 810007；3.青海大学附属医院，西宁 810001)

高海拔地区具有低氧的环境特点，而机体为适应新环境必然会从多方面做出调整，微循环会随之发生哪些改变成为学界关注的热点。虽然高海拔低氧是微循环改变的使动因素，但是对它们的变化及机制的研究结论不一。为更系统地阐释高海拔低氧环境下的微循环变化及机制，本文就相关内容综述如下。

1.高海拔低氧适应者的微循环生理特点及机制

有观点认为，高海拔低氧环境不适宜人类居住，而安第斯高原上的安第斯人，青藏高原上的藏族人，以及塞米恩高原上的埃塞俄比亚人经过自然选择生存了下来。其中，藏族人在高海拔地区生活时间最长，对低氧的耐受性最强，是高海拔低氧适应最好的人群。目前研究表明藏族人的动脉氧含量并不比上升到同海拔高度的平原人高，在逐步暴露于低压低氧环境时，他们表现出更强的血管舒缩运动和神经血管控制，以维持微循环流量，从而实现组织氧合，更好地适应低氧[1，2]，故低氧适应的机制更倾向于被忽视的微循环功能的差异。藏族人在低氧环境下由肺表面活性物质层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜、基质层、毛细血管的基膜层和毛细血管内皮细胞层构成的气-血屏障的换气功能增强。藏族人微血管舒张，能够维持舌下毛细血管密度和微循环血流不变[3]。此外藏族后裔夏尔巴人表现出较高的氧卸载率，使得他们具有持续性的外周微循环灌注[4]。说明高海拔低氧适应人群有持续的微循环灌注，这种持续灌注在高海拔低氧适应中发挥关键作用[5]。适应人群在低氧环境下不会发生明显的交感神经兴奋，肾素-血管紧张素-醛固酮系统不被激活，故循环血量和血压无明显变化，血管保持舒张状态，微循环灌注通畅，无腺苷、乳酸等代谢产物的堆积。是什么原因致使高海拔适应人群拥有这样的微循环特点？有研究认为，藏族人体内较高的NO水平是其保持较低的肺动脉压和持续的微循环灌注的主要机制之一[6]。通过一个具有四类代表性阻力血管的分支微循环网络的计算模型，可以预测内皮衍生NO对微血管压力-流量响应的影响，在缺氧或缺血期间，NO的缺乏会导致在给定的血管压力下所有级别的血管直径减小[7]。宫内环境相对缺氧，推测在高海拔低氧地区妊娠，胎儿缺氧会加剧，而事实上高海拔地区的胎儿依然可以发育良好，足月分娩，原因在于胎儿可以通过增加NO的产生来适应母体和胎盘的低氧血症[8]。内源性的CO是一种与NO相似的生物信号转导效应物质。低氧可瞬间增加血红素氧合酶-1基因的转录，导致CO和胆红素的产生增加。CO在血管系统中具有血管舒张，抗血管平滑肌、血管外基质及内皮细胞增殖和抗炎特性，而胆红素是一种抗氧化剂，它们可以协同增强机体对低氧的耐受能力[9]。高海拔低氧适应人群除了舒张微循环血管之外，增加组织细胞供氧的另一个策略是增加微血管密度。为了明确高海拔自然缺氧环境下胎儿微循环的变化特征，利用暗视野成像技术观察了出生在秘鲁的足月健康新生儿的皮肤微循环情况，结果发现高海拔地区新生儿的血管密度明显增加[10]。此外，藏族人较低水平的血红蛋白保障了血液流变学及动力学的稳定(维持微循环持续灌注)。上述微循环模式均有助于增加高海拔低氧适应者组织细胞的供氧。为了进一步寻找藏族低氧适应的机制，格日力课题组对高海拔世居藏族进行基因测序后发现EGLN1、EPAS1、PPARA这三个关键性的低氧调节基因[11]，是高海拔低氧适应者微循环变化的遗传学基础。

2.高海拔低氧失适应者的微循环生理特点及机制

2.1 急性高原病(AMS)

环境低氧导致肺泡气氧分压降低，经过肺换气后肺毛细血管内红细胞所携带的氧含量下降，因此通过体循环到达组织细胞的氧含量也随之下降。绝大多数人会启动一系列代偿机制来适应低氧环境，适度的微循环改变可以使机体更好地适应低氧环境。而部分人的微循环改变超出生理范畴达到病理水平，短时间内形成微循环障碍，出现AMS。

2.1.1 高原肺水肿(HAPE)

HAPE是高原低氧引发的肺毛细血管压力升高、肺血气交换屏障通透性增加所致的肺泡液生成过多、重吸收减少的一种非心源性肺水肿[12]。正常时肺毛细血管压平均为7 mmHg、血浆胶体渗透压为25 mmHg，而肺部的组织液静水压和胶体渗透压都很低，故肺毛细血管的有效滤过压为负值，这一负压有利于毛细血管和肺泡的气体交换。HAPE患者肺动脉压在进入高原数小时后迅速增加，平均肺动脉压介于35～55 mmHg[13]，而肺毛细血管压介于20～26 mmHg[14]。升高的肺毛细血管压致使肺毛细血管组织液生成增加，严重影响肺换气，进而使动脉血含氧量降低，致组织器官毛细血管网内的氧供急剧下降。低氧时细胞ATP生成减少，难以维持钠钾泵的正常运转，加之氧自由基生成增加，损害了气血屏障的完整性，进一步加重了肺换气功能障碍，最终引发HAPE，此时低氧所致的肺泡上皮细胞钠通道和水通道功能障碍影响肺泡液的重吸收，这对于HAPE患者来说属于叠加损害。由此可见，HAPE的使动因素为低氧所引发的肺动脉压升高。肺动脉压升高一方面是由于低氧刺激交感神经使之兴奋，通过释放肾上腺素能神经递质引发肺血管平滑肌内钙离子升高，继而使肺循环微动脉收缩，致肺毛细血管压升高[15]。另一方面是由于低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)引发的血管活性物质异常，其中HAPE患者舒血管因子NO水平明显降低引发肺血管收缩所致[16]。研究证实HAPE患者血管内皮细胞释放的缩血管因子内皮素-1(Endothelin，ET-1)水平升高[17，18]。可见HAPE是高压介导的渗透型肺水肿，而随着缺氧的继续，肺毛细血管内皮细胞和肺上皮细胞受损，开始出现非感染性炎症反应，这也是在高原肺水肿患者的肺泡灌洗液中检测到炎性介质的原因，可见炎症不是引发HAPE的初始病因，但是炎症介质的加入可进一步增加毛细血管的通透性，加重HAPE患者缺氧。这一观点目前仍存在争议。

2.1.2 高原脑水肿(HACE)

HACE是在急性缺氧条件下，脑毛细血管静水压升高及血脑屏障通透性增加所致的严重的中枢神经系统功能障碍。脑的氧耗占全身氧耗的20%，脑组织的代谢以有氧代谢为主，同时脑组织中的氧和能量的储备很少，故对缺氧的耐受性最差。因脑血流可以自身调节，故低氧时神经调节对其脑微循环血流影响不大，但对体液调节敏感性较强。当机体吸入的氧分压降低时，去氧血红蛋白的含量升高，可以通过何尔登效应结合更多的CO2但却不易释放，致使血液中CO2的含量增加，低氧和高二氧化碳均可通过刺激血管内皮细胞生成和释放NO，对微动脉有较强的舒张作用，使脑毛细血管灌注增加，致脑毛细血管静水压升高，引发血管源性脑水肿[19，20]。低氧同样可以使ATP的生成减少、氧自由基的产生增加，损害血脑屏障，加重血管源性脑水肿，严重时会并发脑实质细胞水肿[21]。而胼胝体中的含铁血黄素沉积被认为是HACE患者血脑屏障受损后的微出血所致，是低氧所致血脑屏障受损的最客观证据[22]。但近期也有学者提出HACE是由于脑微循环静脉流出受限所致[23]。总之，不论是脑血管源性水肿还是脑实质水肿，均会导致颅内压升高，升高的颅内压压迫微静脉，血液回流受限进一步增加脑毛细血管静水压，故静脉流出受限也参与急性脑水肿的发病。亦有研究表明微循环部位的炎症反应同样也参与了HACE。动物实验显示，低氧会伴随着炎症和活性氧生成、脑内白细胞的聚集，抗炎药物和过表达抗氧化基因均可减轻大鼠缺氧相关的脑水肿[24]。而在人体内目前尚无直接证据表明炎症参与HACE的发病，Song等[25]检测了志愿者进入高原前后的细胞因子肿瘤坏死因子α、白介素-1β和白介素-6的水平，推测炎症可能通过破坏血脑屏障参与HACE的形成。因此，对于HACE患者来说，降低低氧所致的颅内高压，改善脑内微循环是治疗的重点。

2.2 慢性高原病(CMS)

CMS是长期生活在海拔高度2 500米以上地区的移居者或部分世居者，对高原低氧环境逐渐失去习服而发生的临床综合征，主要以红细胞增多、低氧血症为主要临床特征，常伴有肺动脉高压。CMS患者通过逐渐增加氧气的载体，即红细胞的数量来缓解缺氧。初期无任何症状，但随着红细胞数量的不断增多，微循环出现血流缓慢甚至断流。CMS患者微循环发生障碍，是并发全身多种症状和体征的病理基础。仅从微循环障碍的角度出发，也不难理解为什么CMS的患者会出现血栓和出血共存的现象，及为什么CMS患者的血小板较正常对照者减少[26]。临床研究显示，CMS患者微循环管袢数目增多，管袢畸形比例均显著增多。血流速度在大部管袢均减慢，严重者出现血流停滞，红细胞呈积聚状[27]。CMS患者的尸检显示，心肌内毛细血管内皮细胞增生肿胀；肺毛细血管高度扩张淤血，肺泡壁增厚，间质小血管弹力纤维明显增多，肺动脉平滑肌增生，中层毛细血管增生及出血；脑底及软脑膜的血管扩张充血或血管破裂，并有脑内点状或片状出血，脑细胞肿胀，间质水肿；胃粘膜水肿，有点状或片状出血[28，29]。综上所述，不论是在CMS的活体还是离体组织中我们均可以发现其发生了明显的微循环障碍。微循环主要受循环血量、血粘度和血管壁舒缩的影响。其中，血液的高粘滞性是影响微循环有效灌注的重要因素之一，这是探讨微循环改变机制时不容忽视的问题。血粘度升高则微循环阻力加大，血液流速减慢至微循环时可能出现断流现象。而红细胞压积、形态和红细胞的聚集性及变形性的改变是引起血粘度升高的关键因素。血液粘度随红细胞比容、聚集性的增高及变形性的降低而升高。血液流变学研究显示，CMS患者全血呈高粘滞状态，红细胞压积、聚集性明显升高，变形性下降，表明CMS患者存在严重的微循环障碍[30，31]。在CMS的动物模型中发现，模拟高原缺氧一周和两周时，大鼠红细胞结构与功能发生代偿性改变以利于高原习服；缺氧三周时，大鼠全血粘度、血浆粘度、红细胞凋亡率及红细胞变形指数等指标出现转折点，提示此时红细胞结构与功能出现失代偿；缺氧四周时，红细胞结构与功能的变化导致大鼠毛细血管内滞留过多变形性下降的红细胞，增加了血栓形成的概率，导致大鼠微循环障碍，从而加重组织细胞缺氧状态[32]。CMS患者红细胞比容增加，聚集性升高，变形性下降，全身呈高粘滞状态，微循环血流缓慢，加之缺氧的组织细胞、受损的血管内皮细胞、变形性差极易发生溶血的红细胞，共同激活机体内源性和外源性凝血系统极易形成微循环血栓，严重影响微循环灌注[33]。在此过程中，会消耗部分血小板，这也正是CMS患者体内血小板较正常对照者偏低的主要原因之一。另外，因微循环内血液还可以经过受损的内皮细胞外渗，使CMS患者同时出现血栓和出血并存现象。导致组织细胞缺氧，刺激机体产生更多的红细胞，使血液变得更加黏稠，进一步加重了微循环障碍，如此往复，机体陷入“低氧→组织细胞缺氧→红细胞增多→微循环障碍→组织细胞缺氧→红细胞增多”的恶性循环之中。但此时微循环会通过增加微血管的数量来缓解组织细胞缺氧，研究发现CMS患者骨髓中促红细胞生成素(EPO)和血管生成因子(VEGF)表达升高，微血管密度增加，提示EPO和VEGF参与CMS患者新生血管生成[34，35]。动物实验表明红细胞增多症的雄性大鼠冠状动脉微循环的小动脉显著增加。但是增加的小动脉并不能完全缓解微循环灌注所致的组织细胞缺氧[36]。另一项动物实验发现小鼠皮层微血管新生明显并出现正常的血流[37]。可见，CMS的微循环变化以红细胞增殖和微血管增生为突出特点。而发生上述微循环改变的机制为在低氧条件下HIF与低氧反应原件(HRE)结合，启动下游基因EPO、VEGF的表达，进而调控微循环的变化。

3.展望

高海拔低氧所致的微循环变化是急慢性高原病的病理基础，在低氧所致疾病机制研究中占有重要地位。因此，高海拔低氧环境下的微循环变化更值得进一步探讨。对于此项研究，大批科研工作者反复考察低氧信号调控通路上的各个编码基因的功能及相互作用，而忽略了在转录前后具有重要调控作用的非编码RNA比如微小RNA(microRNA)和长链非编码RNA(lncRNA)在高海拔低氧调控中的作用，它们可能通过与低氧调控基因相互作用参与调控高海拔低氧所致的微循环变化，从这个方面出发来揭示高海拔低氧环境下的微循环变化不失为一个新思路。