氧化应激在脓毒症中的发病机制

江勉君，史忠亮，毛凯凤，郭力恒

(1.广州中医药大学第二临床医学院，广州 510403； 2.广州中医药大学第二附属医院重症医学科，广州 510120)

脓毒症是指感染引起的全身炎症反应综合征，是机体过度炎症反应或炎症失控所致。脓毒症的发病机制十分复杂，其本质是宿主对感染反应失调。脓毒症是临床急危重症患者的严重并发症之一，伴随多器官、多系统损伤，包括线粒体损伤、肺损伤、心脏功能障碍[1]、脑损伤[2]、肝损伤和胃肠道损伤等。尽管目前对脓毒症的病理生理有了进一步认识，但其病死率仍居高不下，目前临床上主要采取消除病因、积极控制感染、对症支持等治疗措施[3]，尚无特效药物可干预。脓毒症时氧化应激损伤机制为病原体及其毒素激活的炎症反应以及宿主本身不断释放的炎症介质，影响线粒体内氧化呼吸链的偶联过程，造成活性氧类(reactive oxygen species，ROS)生成增多[4]。细菌毒素脂多糖可增加一氧化氮合酶及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4的表达，也导致ROS生成增多[5]，进而启动氧化应激反应。增高的ROS能够损伤线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，mtDNA突变可降低细胞核DNA甲基转移酶活性，导致整个细胞DNA甲基化降低；ROS还能够直接引起局部组织细胞结构中脂质的氧化，破坏细胞结构，导致组织损伤；抗氧化治疗可以减轻氧化应激，改善线粒体功能及器官功能障碍[6]。现就氧化应激在脓毒症中的作用机制予以综述。

1 氧化应激导致脓毒症线粒体损伤的机制

线粒体是细胞合成和代谢的物质中心[7]，脓毒症氧化应激会引起线粒体损伤和功能障碍，最终导致组织、器官损伤[8-9]。全身炎症反应综合征指任何致病因素作用于机体所引起的全身炎症反应。脓毒症是机体过度炎症反应或炎症失控所致的全身炎症反应。脓毒症时，细菌产生的内毒素类脂A抑制抗氧化酶活性，产生过量ROS，导致线粒体腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)不足，细胞能量生成障碍[10]。ROS在破坏线粒体内膜上的电子传递链(electron transport chain，ETC)时，也会导致细胞能量生成障碍。ETC是指位于线粒体内膜的一系列酶复合物，是ROS产生的主要部位。正常情况下，ETC通过进行氧化磷酸化反应，消耗体内85%～90%的氧气为机体供能，同时产生少量的能够被体内抗氧化酶清除的ROS，ETC受损后会产生过量ROS，导致细胞凋亡[11]。磷脂是线粒体内膜的主要成分，参与呼吸和各种离子泵所需酶类的活化。磷脂中的心磷脂是重要物质，能够维持多种酶的活性，而ROS攻击线粒体内膜时，会使心磷脂显著减少，破坏相关酶的活性[12]。Liaudet等[13]在脓毒症幼鼠模型中发现，ROS的大量增加会导致线粒体膜脂质的破坏，同时损伤相关酶的活性和内膜的结构完整性。脓毒症时，呼吸爆发可产生大量氧自由基，氧自由基会使线粒体的跨膜物质转运系统功能紊乱，最主要的是形成钙超载，Ca2+参与细胞的兴奋收缩偶联，是体内重要的第二信使，钙超载破坏了细胞内外Ca2+浓度的稳态，致使线粒体内Ca2+大量聚积，使细胞正常功能无法维持，导致线粒体、细胞、组织功能障碍[14]。钙超载通过激活诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，加重氧化应激反应和氮化应激反应，导致线粒体氧化磷酸化反应过程受阻，进而导致ATP合成减少，能量生成不足，并且能够产生更多的活性分子，形成恶性循环，破坏机体功能[15]。ROS及钙超载可直接或间接损伤mtDNA[16]，引起mtDNA突变[17]，影响其转录和表达，这是由于mtDNA对微环境变化的敏感性和突变的易向性，只有在mtDNA完整表达时才能维持线粒体的全部功能。来源于线粒体的ROS是损伤线粒体的关键，因此，减轻线粒体氧化应激反应是治疗脓毒症的潜在方法。

2 氧化应激导致脓毒症器官损伤的作用机制

脓毒症时，除了病原体及其毒素直接损害机体，宿主自身也起着关键作用。脓毒症时病原体及其毒素等大量促炎因子和宿主自身的抗炎因子释放诱导产生ROS，导致体内氧化-还原状态失衡，引起氧化性应激反应，最终伤及组织细胞、器官系统。治疗脓毒症时，抗氧化治疗值得重视。活化蛋白C是唯一曾获得美国食品药品管理局批准的可用于脓毒症治疗的药物，但其不良反应较大，且并未显著降低患者病死率，已不再用于临床[18-19]。已有临床研究证实，早期给予参附注射液治疗能改善脓毒症患者组织缺氧，使丙二醛水平显著降低，超氧化物歧化酶活性显著升高，减轻机体氧化应激反应，降低患者病死率[20]。从氧化应激方面着手，可能为脓毒症的防治提供新的策略，但进一步的治疗效果还需更多的临床试验证实。

2.1氧化应激下的脓毒症肺损伤 在脓毒症多器官功能障碍综合征中，肺是最容易受累且受损最早的器官，常见的急性呼吸窘迫综合征或急性肺损伤是脓毒症患者直接死亡的原因[21]。脓毒症导致肺损伤的关键是脓毒症过程中释放大量细胞因子及大量炎症细胞，通过氧化应激反应产生大量的自由基，能与各种细胞成分发生反应，这种反应不仅能破坏细胞的结构和功能，且不可逆，对机体造成永久性损害[22]。另外，氧化应激通过增加炎症介质的释放激活核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)，使NF-κB结合到大量基因启动子上，而基因启动子能够参与炎症反应，产生大量炎症细胞因子[23]。

与氧化应激密切相关的核因子E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)和Keap1(recombinant kelch like ECH associated protein 1)在脓毒症急性肺损伤中也起重要作用。Nrf2在细胞的防御与保护中起重要作用，具有抗氧化应激、抗炎与抑制调节细胞凋亡等功能[24]；而Keap1上的半胱氨酸残基非常敏感，常被看作是一个氧化应激感受器，当氧化应激发生后，Nrf2与Keap1解离进入细胞核，并与抗氧化反应元件(antioxidant reaction original，ARE)相互作用，调控下游的抗氧化蛋白表达[25]。在抗氧化的信号通路中，Nrf2/ARE是重要的信号通路。因此，上调肺组织Nrf2信使RNA表达及增加血清中Nrf2含量，启动ARE相关抗氧化蛋白超氧化物歧化酶和谷胱甘肽可以改善氧合功能，从而抑制氧化应激反应，减轻脓毒症肺损伤。

2.2氧化应激下的心肌损伤 脓毒症病程中，心脏是常见的受累及靶器官，心肌损伤成为多器官功能障碍综合征的始动环节[26]。以心肌糖代谢、脂类代谢紊乱和线粒体损伤等为主的心肌能量代谢是脓毒症心肌细胞损伤的初始环节和诱发心功能障碍的重要危险因素。脓毒症状态下，病原体及炎症因子能够刺激单核巨噬细胞产生呼吸爆发，生成大量的ROS及活性氮类(reactive nitrogen species，RNS)，ROS/RNS能够直接损伤心肌细胞的细胞器及膜结构，导致心肌细胞功能障碍甚至自溶，ROS/RNS通过使内皮细胞脂质过氧化、蛋白质氧化和硝化来损伤血管内皮细胞[27]。ROS/RNS还能使白细胞及血小板的黏附作用发生异常，增加毛细血管渗透性，过量ROS引发的心肌细胞脂类、蛋白和DNA过氧化反应，使细胞膜完整性被破坏，是导致细胞凋亡的重要因素[28]。研究发现，脓毒症患者的血管舒张反应较差，微循环障碍，可能是因为氧化应激反应使内皮细胞的内皮型一氧化氮合酶上调，使内皮细胞依赖的血管舒张反应减弱，促进细胞凋亡[29]。NF-κB通过生成细胞因子可引发炎症反应，而ROS可上调NF-κB，导致炎症反应加重[27]。另外，肿瘤坏死因子和血管黏附因子等可刺激ROS的产生，由于ROS主要产生于线粒体，通过降低线粒体中ROS产量，提高线粒体中抗氧化酶活性，是有效减轻脓毒症心肌组织氧化应激损伤的重要措施[28]。

2.3氧化应激下的脓毒症脑病 脓毒症脑病发生最早且发生率最高[30]。脓毒症相关脑病大鼠海马可产生大量氧化应激因子及炎症细胞因子，导致脑损伤，在不同脑区，特别是海马和皮质易出现早期氧化应激反应[31]。研究证实，在脓毒性脑病的发生、发展中起关键作用的主要是神经炎症、氧化应激和凋亡，而氧化应激在脓毒症脑病中的主要作用是破坏血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)功能[11]。肿瘤坏死因子-α[32]、ROS、RNS[33]和基质金属蛋白酶等炎症因子可能是导致BBB功能破坏的重要因素。脂多糖通过激活小胶质细胞增加ROS的产生，而ROS是引起BBB通透性改变的关键[34]。ROS引起BBB破裂的关键是诱导细胞骨架紧密连接的重组以及激活蛋白激酶B通路和磷脂酰肌醇-3-激酶通路，使闭锁蛋白和紧密连接蛋白封闭蛋白5重新分配及消失[35]。紧密连接蛋白闭锁蛋白能被酶源性一氧化氮合酶降解。iNOS的表达激活肌醇三磷酸使得内质网释放Ca2+，iNOS还能激活肌球蛋白激酶，而磷酸化的肌球蛋白轻链能引起肌动蛋白介导的内皮细胞收缩，最终导致黏附连接的断裂[36]。

2.4氧化应激下的脓毒症肝损伤 脓毒症肝损伤病理机制的关键是氧化应激反应[37]。ROS和RNS是氧化应激的主要产物，其中，ROS是引发肝细胞广泛凋亡的重要因素。肝细胞膜的多不饱和脂肪酸是氧化应激损伤的重要场所，ROS能够将肝细胞膜的多不饱和脂肪酸降解成脂质过氧化物，形成肝细胞脂质过氧化，ROS损伤线粒体后，线粒体将释放细胞色素C，触发肝细胞凋亡；脓毒症可显著增加肝脏中的iNOS含量，iNOS诱导产生大量一氧化氮，一氧化氮通过与线粒体细胞色素氧化酶反应来抑制色素氧化酶的活性，引起电子链传递障碍，形成超氧化物，进一步损伤线粒体蛋白的功能和结构；且一氧化氮可与超氧阴离子O2-反应，快速生成强氧化性的过氧化亚硝酸离子(ONOO-)，虽然ONOO-的半衰期只有1 s，但能够与各种分子发生氧化反应，最终导致细胞凋亡[38]。

肝窦内皮细胞是氧化应激损伤的另一重要场所，肝窦内皮细胞表面的多糖包被层可被ROS和RNS降解，内皮细胞的凋亡信号通路由此引发，在氧化应激和炎症因子作用下，内皮细胞转变为促凝的状态，导致窦内形成大量微血栓，加重了循环障碍和肝损伤[37]。肝脏作为高能量代谢的器官，对氧供的微小变化尤为敏感。脓毒症时，ROS增多，氧供减少，常发生肝脏低灌注，引起肝细胞线粒体休眠。

2.5氧化应激下的脓毒症胃肠功能损伤 氧化应激引起的肠黏膜通透性变化使肠黏膜损伤在脓毒症病程中起着不可忽视的作用[39]。而肠黏膜屏障是胃肠道抵御脓毒症攻击最重要的结构，肠道细菌/内毒素移位与脓毒症学说认为，由革兰阴性菌大量分泌的肠道内毒素释放入体内可能是脓毒症的重要致病因素[40]。大量内毒素及细菌通过移位进入血循环后，刺激机体释放大量炎症介质，产生大量ROS，导致线粒体ATP生成不足，影响能量供应；此外，炎症因子通过级联效应能够诱发肠黏膜功能障碍[41]。肠黏膜是阻止外源有害有毒物质进入其他器官、组织结构的重要屏障。肠道黏膜上皮细胞、黏液层和细胞间紧密连接三者构成肠黏膜。其中，细胞间紧密连接由结构蛋白和功能蛋白组成。细胞间紧密连接的结构蛋白包括能够调节细胞间通透性的闭合蛋白和参与构成只允许水分子和小分子物质通过的“小孔”结构密封蛋白，氧化应激能够改变细胞间紧密连接的组成和结构，进而影响胃肠道上皮通透性[42]。氧自由基的大量释放还可能是导致胃肠道动力障碍的原因之一[43]。一氧化氮是已知的能够抑制胃肠运动的神经递质，而强烈的氧化应激导致一氧化氮生成增多，氧化应激反应通过增加一氧化氮来抑制胃肠道动力[44]。对于脓毒症而言，应用能够减少胃肠动力抑制性物质释放的胃肠促动力药物及抗氧化药物对改善胃肠动力至关重要[45]。

3 小 结

脓毒症病理基础是全身炎症反应，相关毒素及炎症介质激活免疫反应及相关补体途径，使促炎及抗炎过程失控，导致炎症风暴。炎症风暴协同氧化应激反应，共同损伤全身血管内皮和线粒体，最终损伤脓毒症患者各器官、各系统。在脓毒症病程中，线粒体作为重要的能量及物质代谢中心，更易遭受氧化应激损伤[46-47]。线粒体损伤的关键是产生大量ROS，ROS积聚及抗氧化酶无法将其清除，使得线粒体ATP生成不足，细胞所需能量供给严重缺乏[48]，最终可致脓毒症患者多脏器、多系统功能障碍[49]。早期确诊脓毒症并判断其严重程度，选择合理治疗措施，是稳定脓毒症患者病情、减少多脏器及多系统并发症发生的有效手段。