ARDS基因组学相关生物标志物及临床研究现状

左海涛 陈永青 杨志华 李雪飞 谢建军 胡曼青

急性呼吸窘迫综合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS)是多种病因引起的肺泡毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质及肺泡水肿，以进行性低氧血症和呼吸窘迫为临床特征[1]。ARDS是重症监护病房常见的危重症，临床死亡率极高，早期发现并积极干预对于改善ARDS预后非常重要[2]。近年来的研究表明，个体遗传基因突变涉及ARDS的发病过程，对ARDS基因突变标志物的检测有助于预测疾病易感性，便于对死亡风险进行分层，并可能揭示新的治疗靶点[3]。本文就近年来ARDS基因组学相关生物标志物及临床研究现状予以综述。

ARDS病理生理学的分子研究

ARDS涉及多种复杂的病理生理学改变，临床特征的异质性可能与潜在的生物遗传学差异有关。在多种危险因素作用下，ARDS肺组织发生广泛的炎症反应，导致肺泡上皮细胞和内皮细胞释放多种炎症分子和炎症介质。II型肺泡上皮细胞损伤和内皮细胞的活化可导致肺血管阻塞，引起肺泡中蛋白质沉积以及炎症性肺水肿形成，使肺组织的通透性增加[4]。研究发现，ARDS患者肺组织中血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)水平明显降低，VEGF是一种可影响血管通透性的糖蛋白，具有复杂的多效生物活性。VEGF可维持正常的肺泡结构，促进血管内皮细胞迁移、增殖和血管形成，通过上皮再生参与肺损伤后组织修复。VEGF也可促进毛细血管通透性增加，损害肺泡-毛细血管屏障的完整性，导致肺水肿形成[5]。因此，VEGF对ARDS肺组织的病理生理改变具有双向调节作用。

ARDS除了肺泡毛细血管内皮细胞屏障出现功能障碍外，肺组织嗜中性粒细胞聚集和多种炎症因子异常表达也影响ARDS的病理生理学过程[6]。病原体相关分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PAMP)是病原体赖以生存而变化较少的主要部分，使病原体很难产生突变而逃脱固有免疫的作用。例如：PAMP中的革兰氏阴性细菌脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)，可激活多种信号通路，触发炎症介质释放，导致肺泡-毛细血管屏障功能障碍。Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)是参与非特异性免疫的一类重要蛋白质分子，可识别坏死组织与细胞碎片，诱导炎性介质表达，引起炎性细胞浸润到肺泡腔，进一步导致肺部炎症反应并损害呼吸功能。游离线粒体DNA和线粒体肽属内源性损伤相关分子模式(Damage-associated molecular patterns，DAMPs)，在调节对肺损伤的反应中也发挥关键作用。DAMPs是宿主来源的分子结构，具有调节病原体识别及受体激活的作用。DAMPs来自受损和死亡细胞、细胞外基质或作为免疫调节蛋白存在于细胞间质中。DAMPs既可以充当TLR激动剂或拮抗剂，又可以调节TLR和NOD样受体信号级联。这种多样化的分子类型可能作为ARDS的重要治疗靶标[7]。

ARDS易感基因研究

目前，ARDS相关基因及生物标记物研究，多集中在鉴定生物学候选基因编码中的遗传变异风险方面，涉及细胞生长和发育、组织通透性、血管代谢、氧化应激及凝血反应等[8]。与ARDS易感性相关的基因类型，与不同的种族遗传有关。例如：以欧洲人为研究对象的ARDS患者，Egl-9家族低氧诱导因子1基因变异与30 d内ARDS死亡风险增加独立相关。该因子和低氧诱导因子降解脯氨酰羟化酶，是人类对低氧环境适应性反应的关键调节剂，在组织低氧和炎症反应之间提供联系。目前，Egl-9家族不同基因突变状态对ARDS易感性的影响尚不明确[9]。

ARDS早期即存在肺血管收缩和纤维增生，53%的ARDS持续机械通气超过5 d可出现纤维化病变[10]。有研究报道了特发性肺纤维化常见风险基因变异与ARDS易感性的关联。粘蛋白5B(Mucin 5B,MUC5B)基因启动子的多态性显示与特发性肺纤维化的临床相关性较大。MUC5B等位基因变异纯合子有中等程度的ARDS发生风险(OR：1.47；95%CI：1.02～2.1)。研究支持在ARDS和特发性肺纤维化之间可能存在共同的遗传风险[11]。另外，晚期糖基化终产物(Advanced glycosylation end-products，AGEs)特异性受体基因变体，可表达编码肺上皮细胞损伤的标记物。有研究分析了AGEs可溶性受体和内源性分泌性AGEs的血浆水平，AGEs基因变异与ARDS风险增加和AGEs可溶性受体血浆浓度升高相关。根据血浆AGEs可溶性受体水平有助于确定ARDS易感目标人群[12]。

在对ARDS的实验动物模型研究中，也将miRNA作为为治疗靶标，以降低炎症性细胞因子，如白介素-1(Interleukin-1,IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(Tumour necrosis factor alpha-α,TNF-α)的表达，减少细胞凋亡及肺损伤。细胞凋亡异常可触发肺损伤，涉及与凋亡相关的多种蛋白质，包括Bax、Bcl-2和裂解半胱天冬酶-3等，也被称为肺损伤生物标记物，在ARDS的早期阶段即可出现明显变化[13-14]。Fang等[15]研究了血管紧张素转换酶2(Angiotensin converting enzyme 2，ACE2)作为潜在的miRNA调节剂，对暴露于LPS的肺微血管内皮细胞进行功能获得和功能丧失研究，以确定miRNA在LPS诱导的细胞凋亡和炎症反应中的作用。研究发现，LPS(1μg/mL)可明显诱导内皮细胞中miRNA的表达。miRNA沉默可以阻断LPS诱导的ACE2抑制，并伴有凋亡减少以及IL-1β和TNF-α的产生。ACE2的过度表达可削弱MiRNA介导的内皮细胞凋亡。miRNA耗竭则减弱LPS暴露小鼠的肺部炎症反应、中性粒细胞浸润和血管通透性，并恢复ACE2表达。研究表明，miRNA介导LPS引起的肺内皮细胞凋亡和急性肺损伤，与对ACE2的抑制作用有关。ACE2被认为是miRNA的靶基因。

其他有关ARDS易感基因的研究，涉及免疫应答、炎症因子、血小板功能异常等方面。例如，防御素是生物免疫系统中的重要调节分子，有学者研究了防御素β1基因变异与ARDS易感性和存活率的关系。研究表明，rs1800972点的G等位基因携带者更易发生ARDS且预后不良。防御素β1基因转录及转录后RNA的稳定性异常，与ARDS风险增大和预后较差有关[16]。由于有丝分裂原激活蛋白激酶1调节与炎症和凋亡有关的细胞内信号传导途径，发生遗传变异后可能影响与ARDS相关的炎症和转录修饰过程[17]。同样，血小板可通过参与炎症反应和血管内凝血来影响ARDS的发病过程。富含亮氨酸重复序列的16A基因的遗传变异，可影响血小板形成，与ARDS风险降低有关[18]。尽管ARDS相关候选基因研究尚存在局限性，初步研究结果提供了遗传基因变异与ARDS易感性具有较强的关联性。

ARDS与全基因组关联研究

全基因组关联研究(Genome-wide association studies，GWAS)可在全基因组层面上验证基因与疾病的关联，目前已经揭示数百种涉及多种复杂疾病易感性和不良预后的基因变异。对欧洲人群与创伤相关ARDS患者GWAS的关联研究，使用Illumina公司的人Quad 610芯片进行全基因组基因分型，在B淋巴母细胞系中采用定量性状基因座分析进行功能验证。单核苷酸多态性功能评估显示，rs471931在11q13.3上对酪氨酸磷酸酶受体F型多肽相互作用蛋白α-1基因中的mRNA表达产生顺式调节作用。该基因编码脂蛋白-α，参与细胞粘附、整联蛋白表达和细胞-基质间相互作用，编码基因突变参与了创伤相关ARDS的发病过程。研究支持对ARDS发病风险进行多中心GWAS研究的可行性，初步确定了潜在的候选风险基因[19]。

Rautanen等[20]分析了因严重脓毒症、肺炎或腹腔内感染性休克而入住ICU的欧洲成年ARDS患者的28 d死亡率。在三个独立的队列研究中完成了GWAS评估。研究确定了FER基因的一个常见变异，与肺炎引起的败血症死亡风险降低有关。该基因编码的蛋白质是FPS/FES非跨膜受体酪氨酸激酶家族成员。具有调节细胞与细胞间粘附，并通过生长因子受体介导从细胞表面到细胞骨架的信号传导。生存分析结果显示，与非携带者相比，具有FER变异的ARDS患者90 d内死亡风险更大。FER变异可以作为肺炎引起严重ARDS患者生存的预后因素。另一项独立的GWAS研究发现，有14个基因位点与ARDS 28 d死亡率增加相关，这些基因编码空泡蛋白13同源物A和富含半胱氨酸分泌蛋白LCCL结构域2。前者含有有害的错义变体，编码分子通过反式高尔基体网络进行蛋白质循环控制，在自噬降解中起重要的调节作用。后者的蛋白质产物与先天免疫有关，在败血性休克中减少，与降钙素原水平的变化有关，是脓毒症最有效的生物标记之一[21]。

总之，对具有ARDS发病危险个体进行相关基因及生物标记物检测，有助于识别疾病易感性，便于对患者进行危险分层，以确定治疗目标及分析预后。由于大多数GWAS是在欧洲人群中进行的，不同种族ARDS的基因易感性可能存在差异，因此有必要在不同人群中进行研究，以发现更多的特异性ARDS易感基因。不同人群中大样本的GWAS研究，将增进对ARDS遗传基因突变的认识，有助于改善ARDS患者的预后。