线粒体形态功能障碍抗氧化应激系统与内毒素性肺损伤

王 丽， 余剑波

内毒素性急性肺损伤（endotoxin induced acute lung injury，ALI）是指由感染、外伤、休克及中毒等各种心源性以外因素导致的弥漫性肺实质损伤，重者可发展为急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS），造成多器官功能衰竭等严重并发症，由于其症状严重，发展快，病死率高，目前仍然是该领域关注和研究的热点课题。但ALI的发病机制复杂且迄今尚未完全阐明，现有机制研究涉及蛋白酶失衡学说、促炎抗炎失衡学说、氧化抗氧化失衡学说等。近来研究发现线粒体内多种抗氧化应激因子如超氧歧化酶、谷胱甘肽、α-硫辛酸、胆红素、维生素E、维生素C等均与抗氧化应激相关。本文就线粒体抗氧化应激系统与ALI的关系进行综述。

1 ALI的表现及可能机制

内毒素的主要成分为脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），主要存在于革兰阴性细菌细胞壁外膜中，覆盖于细胞壁的黏肽上。ALI的主要表现包括三个层面：1）分子层面，表现为肺组织内多种炎性因子和炎性介质的过表达；2）细胞层面，表现为炎性细胞的大量聚集和浸润；3）组织层面，表现为弥漫性肺泡及肺血管内皮细胞损伤、肺组织水肿及肺不张等病理特征[1]。

目前ALI涉及多种可能病理生理机制，如抗炎/促炎失衡[2]、促凝/抗凝反应失衡[3]、氧化/抗氧化失衡[2]、细胞凋亡紊乱[4]、Na+通道失常[5]及中性粒细胞弹性蛋白酶失衡[6]等，其中氧化/抗氧化失衡是目前研究的热点。氧化/抗氧化失衡理论认为ALI的发病机制为：正常状态下，机体可产生少量的活性氧自由基(ROS)参与正常代谢，同时体内存在清除自由基，抑制自由基反应的体系，正常情况下，氧自由基和抑制自由基的反应是相互平衡的；但当机体遭受LPS刺激时，体内超氧阴离子(O2-)、羟自由基(OH)、过氧化氢(H2O2)及过氧亚硝基阴离子等ROS产生过多，氧化物产生超出氧化物的清除，导致氧化系统与抗氧化系统失衡。体内过多的ROS一方面对细胞造成直接损伤，攻击细胞膜的不饱和脂肪酸从而导致脂质过氧化，修饰某些氨基酸残基破坏蛋白质和酶引起功能受损，直接攻击核酸产生突变[7]；另一方面，ROS可作为第二信使，激活与氧化还原反应有关的不同信号通路，从而促进炎性反应[8-10]。

2 线粒体的抗氧化应激系统

线粒体是机体进行氧化应激反应的重要场所，线粒体内多种抗氧化因子的表达和参与代谢是有效抵制了机体的氧化/抗氧化失衡。正常生理状态下，机体通过线粒体内存在的多种抗氧化因子能够快速清除过量的ROS，保持氧化和抗氧化动态平衡，维持机体正常生理活动[11]。当抗氧化系统功能出现障碍时，ROS过量蓄积，导致氧化抗氧化系统功能失衡，ROS可与周围分子发生反应，直接或间接氧化或损伤DNA、蛋白质和脂质，诱发基因突变、蛋白质变性和脂质过氧化，引起细胞的凋亡或死亡，称为氧化应激。为减少机体损伤，线粒体通过酶和非酶抗氧化防御系统发挥作用[12-14]。

2.1 超氧化物歧化酶（superoxide disrnutase，SOD） SOD具有Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三种类型。其中Mn-SOD是一种线粒体酶，由外界刺激诱导合成，能消除大量氧自由基，阻止氧化/抗氧化失衡产生的过量自由基对蛋白质、DNA和脂质的破坏。SOD表达水平在与线粒体氧化应激损伤有关的疾病中具有重要意义，SOD活力高低可反映机体清除自由基的能力。SOD表达水平越高，活力越高，表明机体消除自由基能力越强，减缓甚至消除过量自由基导致的氧化/抗氧化失衡，从而减少由这一机制导致的内毒素肺损伤；SOD表达水平越低，活力越低，则表明消除自由基能力越弱，从而无法更好的维持机体内氧化/抗氧化平衡，结果导致内毒素肺损伤的加深[15]。

Huang等[16]认为SOD是体内氧自由基清除剂，可维持氧化/抗氧化应激平衡，其表达水平反映的是机体自由基的清除能力；该研究小组对20例上肢缺血再灌注的手术患者在麻醉后静脉泵注右美托咪定（0.5 μg/kg，10 min完成），结果显示经过右美托咪定预处理患者的SOD表达水平显著高于对照组，且右美托咪定预处理组的肺损伤水平优于对照组，提示右美托咪定预处理可有效升高上肢缺血再灌注损伤性肺损伤患者血样中SOD的表达水平，从而缓解患者由于氧化/抗氧化应激失衡导致的内毒素性肺损伤。

屈亚云等[17]认为SOD作为体内清除氧自由基的抗氧化剂，其正常的表达水平是避免内毒素性肺损伤的首要物质，对调节机体内细胞氧化与抗氧化平衡起着至关重要的作用；该小组研究显示，在胸腔镜手术单肺通气时预输注依达拉奉可减少SOD的释放，有效抑制机体氧化应激反应，减轻肺组织的损伤程度，保护患者肺组织。

王鑫[18]认为SOD活力的降低意味着清除氧自由基能力的下降，进而导致了氧化/抗氧化应激的失衡。其研究发现，急性百草枯中毒大鼠在中毒早期出现SOD活力下降现象，百草枯中毒状态的大鼠机体处于氧化应激状态，产生了大量的自由基，从而需要消耗大量的SOD清除自由基，由此导致了SOD活力的下降，脂质过氧化反应增强，从而诱发内毒素性肺损伤，该小组通过血必净预处理的方法缓解了百草枯中毒大鼠的内毒素性肺损伤，研究后认为其机制可能与血必净能改善SOD活力有关。

Meng等[19]通过研究小潮气量高频机械通气对糖尿病模型小鼠内毒性肺损伤发现，随着机械通气时间延长，抗氧化指标SOD表达水平下降明显，机体内产生过量的氧自由基，可见糖尿病小鼠体内氧化/抗氧化应激平衡更容易被机械通气破坏。

Sun等[20]认为SOD是氧自由基清除酶，能直接清除氧自由基，反映机体的抗氧化能力。

2.2 谷胱甘肽过氧化物酶（GSHPx） GSHPx是一种可以清除过氧化氢的酶，在线粒体抗氧化应激系统中起着重要的抗氧化作用，其主要生理功能是维持细胞内较低的氢过氧化物水平，减少潜在的自由基损伤，从而避免内毒素性肺损伤[21]。

Zhu等[22]认为GSHPx与SOD是机体内重要的两种抗氧化保护酶。该小组建立ALI大鼠模型，解剖后检测GSHPx的活力值为（5.90±0.22）U/g protein，而正常大鼠肺组织GSHPx的活力值为（12.8±0.15）U/g protein，ALI大鼠体内GSHPx活力显著降低，氧化/抗氧化应激失衡，从而导致了内毒性肺损伤的发生，肺组织损伤明显加重。其另外两组高、低剂量芦丁预处理的研究结果表明，可通过预处理的方式增加机体的抗氧化能力从而保护肺组织，且高剂量芦丁组的GSHPx活力值上升到（7.96±0.12）U/g protein，低剂量芦丁组的活力值仅上升到（6.92±0.23）U/g protein，氧化/抗氧化应激失衡的恢复具有药物剂量依赖性，其研究的意义在于为ALI救治及缓解内毒素性肺损伤相关研究提供了新方向[23]。

Johnstone等[24]报道了GSHPx与内毒性肺损伤的相关性。其研究发现在内毒素性肺损伤的SPF级BALB/c小鼠肺组织中GSHPx下降明显，但经过和厚朴酚预处理后，可显著增加或恢复GSHPx指标水平，从而有利于其清除自由基，减缓肺组织损伤，这表明和厚朴酚可通过清除ROS、抗氧化作用途径缓解急性肺损伤。

Du等[25]研究发现，对照组大鼠的GSH-Px水平为（37.81±0.36）μmol/L，高于ALI大鼠的GSH-Px水平（26.10±0.43）μmol/L。GSHPx抗氧化缓解内毒素性肺损伤的机制可能是：（1）GSHPx催化过氧化物（主要是过氧化氢）还原；（2）GSHPx催化脱氢抗坏血酸还原酶；其催化过程中的“供氢体”是谷胱甘肽（GSH），内毒素性肺损伤发生时机体氧化应激反应增强，首先遭到破坏的是肺泡上皮细胞，从而引起氧化/抗氧化失衡，缓解氧化/抗氧化失衡的发生是缓解ALI的主要治疗指导原则。

2.3 血红素氧化酶（HO） HO是血红素代谢的限速酶，广泛存在于所有器官组织中。HO共有三种同工酶，分别是HO-1、HO-2、HO-3，近年的研究表明，缺氧、缺血再灌注肺损伤可造成HO-1表达增多[26]。HO-1及其代谢产物CO、胆红素和亚铁可有效清除ROS，在氧化应激反应中起到保护作用，成为有效的抗氧化应激因子。

HO-1是一种应激诱导蛋白，在机体抵抗应激损伤中扮演着重要角色。一项LPS诱导的ALI/ARDS大鼠实验探讨了HO-1对线粒体融合蛋白(Mitofusin-1, Mfn1)的影响，通过RT-PCR及Western blotting研究表明，与对照组相比，LPS组的Mfn1表达水平降低而HO-1表达水平上调；经过氯化血红素治疗后，Mfn1表达水平显著增强，HO-1同时增强；经过HO-1抑制剂Znpp-IX抑制表达后，Mfn1与HO-1表达水平同时下降；进一步研究表明，HO-1及Mfn1的表达受P13K/AKT通路调控。最终研究结果表明，上调HO-1表达可减轻LPS诱导的大鼠ALI/ARDS的氧化应激，PI3K/Akt通路激活对HO-1上调有调节作用[27]。该研究阐明了HO-1通过线粒体融合蛋白Mfn1减轻氧化应激的新思路，为进一步阐明HO-1抗氧化应激的机制提供了机会，为设计针对ALI/ARDS治疗的线粒体靶向性HO-1干预措施提供了机会。

一项涉及80只大鼠的实验设计了LZ组和SS组两组感染性休克大鼠模型，LZ组处理方式为腹腔内注射1 ml Znpp-IX，SS组处理方式为1mL 50 mmol/L的碳酸氢钠，结果SS组大鼠死亡13只，LZ组大鼠死亡19只；LZ组的HO-1mRNA及HO-1蛋白表达水平显著低于SS组；LZ组死亡率高的原因为更严重的应激损伤和终末器官损伤。HO-1/内源性CO与感染性休克大鼠的死亡率存在一定的相关性[28]。

我们一项研究表明，电针刺激足三里穴和内关穴可通过上调HO-1水平缓解兔内毒性休克诱发的心肌损伤[29]。另一项研究表明，活化蛋白-1(AP-1)在电针上调内毒性休克兔肺组织中HO-1的表达水平中扮演着重要角色[30-31]，内毒素休克诱发的新西兰兔急性肺损伤时，电针刺激可通过活化AP-1而上调HO-1表达进而起到肺保护的作用，减少内毒素性氧化应激肺损伤。p38MAPK信号通路同样参与到了内毒性休克诱发急性肺损伤大鼠肺组织HO-1表达水平上调中[32]，抑制p38MAPK信号通路可导致内毒素性休克大鼠肺组织HO-1表达水平上调。除可缓解肺损伤外，HO-1在感染性休克大鼠肾功能损伤中同样具有一定的保护作用[33]，为探讨感染性休克时肾功能损伤的防治措施提供了依据。

2.4 胆红素 胆红素也是一种抗氧化剂，研究表明胆红素含有活性氢原子和一个延伸的共双键系统，抑制线粒体脂质过氧化，清除ROS，实现抗氧化应激的能力[2]。

Batta等[34]认为胆红素是生命系统的“救星”，胆红素不仅仅是血红素分解代谢的最终产物，作为重要的抗氧化剂，其具有中和自由基，防止脂质过氧化的功能。研究表明[35]，不同剂量的胆红素对大鼠急性肺损伤保护作用的差异，大剂量胆红素连续灌胃组（40 mg）比小剂量胆红素连续灌胃组（20 mg）的肺损伤保护作用更为明显，SOD、MDA、GSHPx等指标改善效果更为显著，胆红素通过其抗氧化作用对抗大鼠急性肺损伤并且存在剂量依赖性。

袁芳润等[36]研究发现胆红素对ALI大鼠的水通道蛋白1（AQP-1）、水通道蛋白5（AQP-5）的表达水平可产生影响，胆红素可能是通过cAMP信号途径调节AQP-1、AQP-5表达改善水代谢，减轻肺水肿状态，从而对急性肺损伤具有保护作用。

2.5 其他 α-硫辛酸既具有水溶性又具有脂溶性，不仅能再生抗氧化物质、清除ROS，减弱氧化应激，使神经生长因子等物质逐渐恢复正常，并能刺激神经纤维再生[10]。

张伟等[37]认为硫辛酸可减少血液中CD18阳性细胞数，并且下调肺组织ICAM-1的表达，从而减轻肺损伤。其研究对象为肾缺血再灌注老年大鼠，肾缺血再灌注大鼠的内毒素性肺损伤的探查通过肺组织形态学探查实现。在硫辛酸保护的大鼠模型中，肺损伤程度较轻，而在没有硫辛酸保护的大鼠模型中，肺损伤程度较重，因此该小组认为硫辛酸可减缓肾缺血再灌注造成的内毒素性肺损伤。进一步对实验大鼠CD18阳性细胞术和ICAM-1表达水平研究发现，硫辛酸预处理后，CD18阳性细胞数和ICAM-1表达水平下降，表明硫辛酸对肺组织的保护作用在于维持促炎/抗炎应激的平衡。

维生素E[38]、维生素D[39]及其他植化性抗氧化物质[40]具有协同加成的作用减少组织氧化损伤，发挥抗氧化作用。维生素C依靠可逆的脱氢反应来完成抗氧化作用，维生素E不仅可以保护生物膜结构和功能，还能有效的清除氧自由基，是一种重要的抗氧化剂。

3 小结

综上所述，以线粒体为发生场所的抗氧化应激反应在抵抗ALI的过程中发挥着重要作用，其主要机制为通过多种抗氧化因子，如SOD、GSHPx、HO、胆红素、α-硫辛酸、以及维生素D、维生素E等，减少自由基的产生，维持线粒体内氧化/抗氧化系统的平衡。

4 展望

目前内毒素性肺损伤发病迅速，但临床上缺乏行之有效的治疗手段。线粒体抗氧化应激系统存在多种信号通路，随着研究不断深入，可以为今后临床上研究治疗内毒素性肺损伤提供多种思路。另外，除功能发生改变外，线粒体发生抗氧化应激时伴随着形线粒体形态上的改变，如线粒体的融合和分裂等[41]，进一步探讨线粒体形态改变与线粒体抗氧化应激系统之间关联，对线粒体动力学及遗传学研究具有重要意义，并有望为相关疾病的治疗提供新的思路方向。