肺爆震伤的分子生物学机制及靶向干预研究进展

王俊男，奚 望，程彭超，杨 潜，王志农

随着当今世界局部冲突频发、恐怖袭击及工业事故等不断增多，爆炸致伤、致死已成为军事人员及平民生命健康的重要威胁。各类爆炸产生的冲击波超压直接作用于机体所造成的损伤称为原发冲击伤或爆震伤[1]，其中肺组织因其含气的特殊结构特征最易损伤，形成的肺爆震伤（Blast Lung Injury，BLI）是爆炸冲击伤最常见的死亡原因之一[2]，对其病理生理及分子生物学变化的认识是BLI伤情判断、早期救治及转归预测等的立足点之一，已成为军事医学和灾害医学的研究重点。

BLI的主要病理生理变化可被概括为[3-5]：冲击波通过散裂力、内爆力和惯性力造成肺泡毛细血管和肺泡壁的广泛损伤，直接引起气胸、肺气肿、气体栓塞、肺出血和肺水肿等，进而继发氧化应激反应、炎性反应及细胞凋亡反应等，使得肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞等遭受进一步损伤，导致肺泡毛细血管通透性增加、肺泡壁结构破坏及肺泡表面活性物质功能障碍，引起或加重肺水肿、通气血流比例失调、肺顺应性和容量降低等，出现急性肺损伤（Acute Lung Injury，ALI）或急性呼吸窘迫综合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）。在BLI的细胞与亚细胞水平变化、分子生物学机制和靶向干预等方面，最新研究取得诸多进展，本文从氧化应激反应、炎性反应、细胞凋亡反应及固有免疫应答等方面对相关研究进展进行综述。

1 分子生物学机制

1.1 氧化应激反应 机体内氧化和抗氧化两大系统既相互制约又相互依存，当氧化系统增强或者抗氧化系统减弱的时候均可表现出氧化应激的状态。氧化系统中活性氧族（Reactive Oxygen Species，ROS）、活性氮族（Reactive Nitrogen Species，RNS）等活性自由基可直接造成组织和细胞的一系列过氧化损伤，并且激活和加剧炎性反应。氧化应激反应在BLI发生发展中发挥关键作用。冲击波作用后肺组织内广泛出血，红细胞破裂，释放出大量游离血红蛋白，游离血红蛋白暴露在细胞外环境被不可逆的氧化为氧代高价铁血红蛋白，大量自由基形成，从而打破平衡，启动氧化应激反应和炎性反应。

早在二十世纪末，Elsayed等[6-9]的一系列实验已观察到爆震伤致肺部抗氧化物质减低、脂质过氧化和血液氧合下降，提示血红蛋白氧化发挥氧化应激损伤始动作用。后续研究进一步证实相关反应的存在。Tong等[10]检测BLI小鼠模型的ROS水平，发现氧化应激反应在伤后3 h已开始，在24 h达到顶峰，随即缓慢下降。组织中抗氧化酶类黑色素瘤分化相关基因-5、肌醇依赖酶-1α表达增加，而超氧化物歧化酶-1表达受抑制。Chavko等[11]的研究发现，BLI发生2 h后，抗氧化酶类及部分趋化因子开始增加，氧化应激及炎性反应激活，蛋白质氧化和硝化作用加强，相关反应在24 h至48 h间最为明显。此外，肺的形态学损伤和炎性的消散与血红素氧合酶-1和二氧化锰超氧化物歧化酶的表达激活相一致。其他研究同样观察到肺内血红蛋白氧化、自由基增加，抗氧化剂消耗及脂质过氧化的现象[7]。Gorbunov等[12]的研究发现，BLI发生3 h后，肺的广泛出血灶中可观察到炎性细胞浸润，髓过氧化物酶、超氧化物歧化酶-1、血红素氧合酶-1及转铁蛋白水平增加，铁元素沉积，酪氨酸残基硝化等，表明氧化应激反应与早期炎症反应密切相关，活性铁、ROS、RNS等起重要作用。

氧化与抗氧化作用的协调显然有助于阻遏BLI发展，抗氧化剂用作BLI干预的相关研究在后文做进一步介绍。

1.2 早期炎性反应 冲击波致肺组织广泛损伤后早期出现炎性细胞聚集浸润，炎性介质、细胞因子等大量释放，炎性失控造成自身持续放大，使得上皮细胞及内皮细胞进一步破坏，进而引起ALI及ARDS。Gorbunov等[13]认为PBLI损伤过程中的炎性反应与各类严重创伤近似，其研究发现，冲击波致肺损伤后1 h，边缘池的中性粒细胞迅速动员至循环池，血液循环中中性粒细胞数量增加至正常水平的2.7倍。在伤后3 h和6 h，中性粒细胞数量分别为正常水平的约5倍和3.5倍，其增加伴随中性粒细胞黏附分子CD11b表达增加和外周血转铁蛋白复合物水平下降。研究显示，在趋化因子作用下，中性粒细胞同样会从骨髓动员入血并活化[14-16]。Chavko等[11,17]的多项实验研究利用髓过氧化物酶活性及中性粒细胞趋化因子-1、细胞间粘附分子和诱导型一氧化氮合酶的表达水平衡量肺组织炎性反应程度，发现大鼠致伤后24 h和48 h之间炎性反应达到顶峰，而后在192 h内逐步减轻至恢复正常。其研究同样发现CD11b水平与炎性反应程度相一致[17]。此外，多项研究[10,15,18-19]表明，大鼠、兔等遭受冲击作用后，血浆中肿瘤坏死因子α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）、 白介素 -1β（Interleukin-1β，IL-1β）、IL-6、IL-12、IL-18等促炎细胞因子及炎性标志物显著升高，且水平和损伤严重程度相关。抗炎细胞因子IL-10水平则受明显抑制。

单核-巨噬细胞在BLI炎性反应及固有免疫反应中发挥复杂作用。Seitz等[20]的研究发现，大鼠BLI伤后早期，支气管肺泡灌洗液和上清液中肺泡巨噬细胞趋化因子水平和肺内巨噬细胞数目增多，且其中化学趋化因子受体-2（Cc Chemokine Receptors-2，CCR-2）和单核细胞趋化蛋白-1（Monocyte Chemotactic Protein-1，MCP-1）的mRNA水平增加。结果表明PBLI导致单核-巨噬细胞的肺内趋化、募集，特异化学趋化因子受体的mRNA上调可代表循环血单核细胞趋化反应的加强。Barnett-Vanes等同样发现PBLI大鼠肺组织中单核巨噬细胞数目和MCP-1水平的快速增加[21]。此外，Niesler等[19]的研究则发现，肺泡巨噬细胞耗竭引起PBLI小鼠支气管肺泡灌洗液中MCP-1、趋化因子RANTES（Regulated on activation, normal T cell expressed and secreted）水平显著提高以及肝库普弗细胞趋化因子释放相对增加，提示肺泡巨噬细胞参与BLI相关局部及全身炎性反应的调控，可能主要发挥抗炎作用。

核因子κB（Nuclear Factor Kappa-B，NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信号通路是控制炎性反应等多种生物学反应的经典通路。研究发现，冲击波致伤后，肺组织NFκB P65、MAPK mRNA表达，与肺损伤情况及肺炎性反应水平一致[22]，相关通路可作为干预的靶通路[23-25]。二甲基精氨酸二甲胺水解酶-1（Dimethylarginine Dimethylaminohydrolase-1，DDAH-1）/非对称性二甲基精氨酸（Asymmetric Dimethylarginine，ADMA）信号通路和磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K）/蛋白激酶B（Protein kinase B，Akt）/叉头框转录因子O1（Forkhead box O1，FoxO1）信号通路也被证实与BLI炎性损伤、氧化应激及细胞凋亡等反应相关[26-28]。

1.3 细胞凋亡反应 细胞凋亡是生物体内由基因控制的自主程序性死亡。BLI中，氧化应激反应及炎性反应促进肺泡上皮细胞、肺血管内皮细胞的凋亡，而组织细胞过度凋亡往往造成进一步损伤，使得呼吸功能下降，疾病发展恶化[29]。目前研究发现，BLI中细胞凋亡主要发生在伤后早期。Liener等[30]首次观察到爆震伤后肺组织细胞凋亡数量明显增加的现象，且发现损伤发生6 h，凋亡即开始发生，在伤后48 h达到顶峰。其他研究同样发现冲击作用可诱发动物模型肺组织细胞的凋亡，在48 h后[31-32]或12-48 h内[10]最为显著。

半胱氨酸蛋白酶家族是细胞凋亡的核心调控分子，可通过内源性的线粒体通路和外源性的死亡受体通路被激活。Bax和Bcl-2分别是重要的凋亡促进和抑制蛋白，与线粒体通路密切相关；而Fas属于肿瘤坏死因子超家族成员，FasL是Fas的天然配体，二者是死亡受体通路的主要作用分子。研究表明相关分子和通路在BLI细胞凋亡中发挥重要作用。Liener等[30]的研究发现，细胞大量凋亡的同时Caspase-8水平明显增加。Seitz等[32]在冲击波诱导肺II型上皮细胞凋亡的过程中发现FasL、Fas、Caspase-8和Caspase-3等水平均显著提高，而Bax和Bcl-2水平无明显变化，提示外源性凋亡途径发挥关键作用。然而国内外多项最新研究[10,29,31]验证了肺组织细胞凋亡中Caspase-3和Bax的影响，说明内源性凋亡途径的作用同样重要。PBLI中细胞凋亡反应的具体机制有待进一步明确。

Liener等[30]的研究显示，肺组织细胞凋亡的发生与BLI致肺内中性粒细胞的积聚与增加无关。Seitz等[32]则发现冲击波致伤48 h后，肺泡Ⅱ型上皮细胞的凋亡增加伴随肺泡内巨噬细胞浸润的增多，提示凋亡反应与巨噬细胞释放炎性介质互相关联。ALI发展中已证实存在炎性细胞的凋亡延迟，可导致炎性反应的加剧，促进损伤发展[33]。在BLI中，细胞凋亡与氧化应激、炎症反应等的相互作用可成为未来研究重点。

1.4 固有免疫应答 以往认为固有免疫系统只针对病原体诱导的组织损伤，近年来已明确组织创伤同样可以通过损伤相关分子模式（Damage-Associated Molecular Pattern，DAMP）激活固有免疫细胞的模式识别受体（Pattern Recognition Receptor，PRR）启动无菌性炎性，表现为中性粒细胞和单核巨噬细胞等的聚集及细胞因子、趋化因子和粘附分子的产生。

近年来发现在BLI中同样存在一系列与炎性反应相关的固有免疫反应。Barnett-Vanes等[21]的研究发现，BLI伤后数小时内外周血及肺组织内中性粒细胞和单核-巨噬细胞的数量显著增加，同时脾脏中单核-巨噬细胞也有增多，B细胞、T细胞及自然杀伤细胞则无明显变化。Flierl等[34]的研究显示，BLI可导致补体系统激活伴随外周血中性粒细胞增加和功能改变，补体片段C5a在其中发挥重要调节作用。补体C3a和高迁移率族蛋白b1（High-Mobility-Group Box 1，HMGB1）也被证明与BLI炎性反应密切相关[35]。HMGB1可作为一种重要的DAMP与PRR结合发挥效应。

Yang等[36]针对神经内分泌激素的作用开展研究，结果表明，在BLI早期，肾上腺激素可通过调控Toll样受体、清道夫受体、白细胞分化抗原14等PRR的表达增强局部巨噬细胞的趋化和吞噬功能，提高促炎细胞因子水平，进一步激活固有免疫应答。Knöferl等[37]观察到伤后2 h血清TNF-α和IL-6明显增高，脾巨噬细胞释放的IL-8增加；伤后24 h血浆细胞因子水平受极大抑制，脾巨噬细胞产生TNF-α、IL-10、IL-12则显著减少。结果表明BLI对远离损伤部位的免疫活性细胞群功能也具一定影响。上述研究提示固有免疫系统在BLI损伤过程中具有重要作用，但具体效应和相关机制尚不明确。

2 分子靶向干预

着眼于BLI发生发展过程中的上述细胞分子变化，国内外学者积极开展BLI的靶向干预研究。国内学者近年来主要开展了综合抗炎、抗氧化应激及抗凋亡等方面作用的干预研究。Liu等[27]的近期研究发现，壳寡糖可通过DDAH-1/ADMA信号通路有效缓解BLI小鼠肺组织的炎性反应、氧化应激反应及凋亡反应，保护肺功能，减轻BLI损伤。Liu等[26]同样发现丹参酮ⅡA在BLI损伤过程中具抗炎、抗氧化应激等保护作用，其机制可能是通过PI3K/Akt/FoxO1信号通路实现。在他们稍早的研究中，已证实T淋巴细胞表面表达的共刺激分子CD28缺陷可通过该通路实现BLI的缓解[28]。中国人民解放军总医院的系列研究通过离体细胞实验和犬BLI模型实验证实全氟化碳的保护效应，发现其作用可能与NF-κB和MAPK信号通路有关，全氟化碳汽化吸入有望成为BLI早期干预的新途径[23-24]。国内学者还发现在BLI中，自由基清除剂依达拉奉发挥抗氧化和调控炎性介质释放的效应，抗炎作用通过抑制NF-κB信号通路实现[25]；丝氨酸蛋白酶抑制剂乌司他丁和弹性蛋白酶抑制剂西维来司钠也被发现可通过抑制多种炎性介质和炎性因子的释放减轻早期肺损伤[38-39]。

国外学者则对于抑制BLI中氧化应激损伤进行了一系列研究。21世纪初，美军研究机构已证实维生素C、维生素E、硫辛酸等抗氧化剂的保护作用[7]。氯高铁血红素可激活血红素氧合酶-1，发挥抗氧化作用，减轻急性肺出血后继发的血红蛋白相关氧化应激损伤，并可激活腺苷酸环化酶，舒张微血管以改善组织灌流，有望用于BLI治疗[40-41]。美国马里兰海军医学研究中心的一项研究证实应用氯高铁血红素可显著提升BLI大鼠的生存率，但具体机制尚不明确，无法判定其保护效果强于一般抗氧化剂[41]。N-乙酰半胱氨酸同样具有抗氧化和抗炎效应，研究发现，在BLI过程中，其主要通过清除自由基、阻滞趋化因子激活、抑制中性粒细胞介导的氧化应激损伤发挥保护作用，而不影响炎性细胞的迁移和浸润[17]。N-乙酰半胱氨酸的抗氧化作用被认为同样与血红素氧合酶-1mRNA的激活相关。另外，一项早期研究表明一氧化氮可能充当抗氧化剂缓解BLI中叔丁基过氧化氢诱导的氧化损伤[42]。

此外，国外学界中各类新兴分子对于BLI的干预研究相当活跃。美国陆军外科研究所[35]发现，早期应用促衰变因子进行补体抑制可显著缓解BLI中的局部和全身炎性反应，其作用通过补体C3a-C3a受体-HMGB1-转录因子通路实现。Hagisawa等[43]所应用的一种新型γ-纤维蛋白原腺苷脂质体可通过促进腺苷信号转导发挥抗炎效应，减轻肺组织爆震损伤，有效提高BLI小鼠生存率。相关的新型纳米药物控释系统应用价值较好。Hubbard等[44]研制的装载地塞米松的高分子多肽纳米颗粒可靶向激活血小板，对BLI兼具抗炎和止血的治疗效果。此外，目前研究发现硫化氢、硫化钠具有一定的抗氧化应激和抗凋亡效应，但对BLI动物模型的器官功能改善不明显，相关保护作用有待进一步研讨[15,45]。

3 展 望

综上所述，BLI的分子生物学机制十分复杂，氧化应激反应、炎性反应、细胞凋亡反应及固有免疫应答等在BLI发生发展中的重要作用已获得广泛认可，但各类反应细节及相互作用机制尚未阐明，应持续加强相关的基础研究探索。在BLI分子靶向干预研究方面，国内学者主要开展了综合抗炎、抗氧化应激及抗凋亡等方面作用的干预研究，而国外研究者对于抑制BLI中氧化应激损伤以及新兴分子干预作用的研究较为深入。笔者认为，目前靶向干预研究尚未形成体系，未来可能需进一步结合BLI机制研究的相关突破针对性地开展探索。