细胞因子风暴在脓毒症急性肺损伤中的作用机制研究进展

白 雪 ，杨 杰，杨丽婷，张 亮，吕 刚，张 玲

脓毒症是全世界死亡和危重疾病的主要原因，也是导致住院死亡的首要因素，是全球范围内的主要疾病负担[1]。脓毒症被定义为由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍，脓毒症对感染反应失调主要变现为细胞因子风暴和免疫抑制，这种不平衡的免疫反应影响重要器官的生理稳态，包括肾脏、肝脏、肺和心脏，并演变成多器官功能障碍综合征(MODS)[2]。在受伤的器官中，肺是第一个也是最常见的器官衰竭，急性肺损伤(ALI)是脓毒症患者死亡率的最关键预后因素之一。一项流行病学调查纳入了我国44个重症监护病房的2 322例脓毒症患者，结果显示68.2%的脓毒症患者合并ALI，90 d病死率达35.5%[3]。本文通过概述脓毒症急性肺损伤中细胞因子风暴的损伤机制、促炎细胞因子的分类及生物学功能、细胞因子风暴的治疗等方面的研究进展，以期为脓毒症急性肺损伤中细胞因子风暴的防治提供新策略或新思路。

1 细胞因子风暴与脓毒症急性肺损伤

细胞因子风暴(CS)是指多种组织和细胞(主要是免疫细胞)在外界刺激(如病毒、细菌)的影响下，对免疫系统失去负反馈机制而过度分泌产生具有广泛生物活性的促炎细胞因子的过程。这些细胞因子继续驱动其他免疫细胞的正反馈，并将免疫细胞招募到炎症部位，导致炎症和器官损伤程度的指数增长。它是自身免疫系统不断的极端激活和攻击的结果。感染时宿主的先天性和适应性免疫反应、病毒的毒力及其逃避宿主免疫反应的能力之间的平衡共同决定了疾病的严重程度及预后。轻度感染时，在宿主有限的抵抗力作用下，被破坏的内稳态很快可以恢复正常。重度感染时，机体的免疫系统被过度激活，免疫平衡被打破，导致促炎细胞因子[包括IL-6、IL-8、IL-1β、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)，趋化因子如CCL2、CCL5、CCL3和干扰素诱导蛋白(IP-10)]的过度和失控释放，引发CS，导致肺微血管通透性增加、间质和肺泡肺水肿、肺不张和透明膜形成等，最终导致急性肺损伤，甚至死亡[4]。

2 促炎细胞因子在脓毒症中的损伤机制

2.1 IL-1β:在脓毒症患者中，死亡患者的IL-1β水平高于存活者，表明IL-1β水平高与脓毒症结局相关[5]。IL-1β是IL-1家族的成员，在炎症小体(尤其是NLRP3)活化后产生。IL-1受体的激活会促进扩增级联反应，并诱导各种炎性基因的合成，如IL-6、IL-8、MCP-1、COX-2、IκBα、IL-1α、IL-1β和MKP-1。

2.2 IL-2: IL-2是由抗原激活的T细胞分泌的一种细胞因子，受体分为IL-2Rα、IL-2Rβ和IL-2Rγ。IL-2的产生受到严格的调节，并且在很大程度上局限于活化的CD4+T细胞，但是在被抗原呈递细胞活化之后，活化的CD4+T细胞瞬时产生大量的IL-2，这进一步增强了IL-2Rα的表达并因此增强了高亲和力的IL-2受体，促进了T细胞的扩增和分化。由活化的CD4+T细胞分泌的IL-2也可以以旁分泌的方式作用于其他免疫细胞，包括产生IL-2的Treg细胞。IL-2的大量分泌将激活三种主要的信号通路，包括JAK-STAT通路(主要激活JAK1、JAK3、STAT5A和STAT5B)、RAS-MAP激酶通路和PI 3/AKT通路，导致免疫反应失控[6]。

2.3 IL-6: IL-6一直是CS的重要中心因子，高水平的IL-6可以激活凝血系统，增加血管通透性，为炎症的快速扩散提供条件。IL-6 信号通过两种不同的机制发生。第一个需要与广泛表达的细胞相关gp130 (CD130)和膜结合的IL-6受体 (IL-6R)结合，IL-6R与巨噬细胞、中性粒细胞、肝细胞和一些T细胞相关，并介导经典的IL-6信号传导，当 IL-6水平较低时，IL-6信号传导占主导地位。然而，当IL-6水平升高时，可溶性 IL-6R(sIL-6R；反式IL-6信号传导)也可以启动反式信号传导，导致JAK STAT通路激活。目前的模型报告表明，IL-6的抗炎特性是通过经典信号传导介导的，而促炎反应是通过可溶性受体的反式IL-6信号传导而介导的。另外，高水平的IL-6很可能会引发促炎性IL-6介导的信号级联反应。与sIL-6R结合的IL-6可与膜结合的gp130结合，从而激活JAK/STAT通路。由于gp130在许多效应细胞中广泛表达，因此高水平的IL-6会导致更强大的免疫激活[7]。在健康对照组中，IL-6水平被认为是检测不到的，或低于10 pg/m，然而，严重脓毒症患者发病时的平均IL-6水平显著升高。此外，IL-6水平在脓毒症幸存者中下降，而在非幸存者群体中则保持较高的水平[8]。

2.4 IL-17:IL-17是T辅助细胞17通路中的关键促炎细胞因子。IL-17细胞因子家族由6种蛋白(IL-17A至IL-17F))和5种受体(IL-17RA至IL-17RE)组成。IL-17受体广泛分布于不同组织的常见细胞类型中。根据应答细胞的性质，IL-17R的连接启动导致转录因子NF-κB、IκB、AP1和C-EBP信号通路的激活，这些转录因子以组织特异性方式诱导基因的转录。其中最相关的是炎性细胞因子(TNF、IL-6、IL1β、G-CSF、GM-CSF)、趋化因子(IL8、CXCL1、CXCL2、CXCL5、CCL2、CCL7、CCL20)、基质金属蛋白酶(MMP1、MMP3、MMP9、MMP12和MMP13)，以及保护上皮屏障功能的不同蛋白质。促炎细胞因子如TNF、IL-1β、IFNγ，GM-CSF、IL-22、IL-17A和IL-17F细胞因子通过募集和激活中性粒细胞，以及在较小程度上激活单核细胞，在针对胞外细菌和真菌的生理免疫应答中发挥着核心作用[9]。

2.5 TNF-α:TNF-α是细胞因子网络的启动因子，可诱导IL-6、IL-8等促炎因子的产生，是一种重要的全身反应性介质，在脓毒症的发病过程中起着重要的作用。TNF-α在脓毒症合并细胞因子释放综合征(CRS)患者中水平升高，远超健康对照人群。

2.6 粒细胞集落刺激因子:粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)，最初被发现是一种从内毒素发炎的肺部释放的血细胞生长因子粒细胞-CSF ；粒细胞集落刺激因子(G-CSF)是另一种重要的骨髓生长因子；G-CSF 由基质细胞、内皮细胞和巨噬细胞产生，其产生的主要刺激是细菌产物和促炎细胞因子。GM-CSF可刺激中性粒细胞和巨噬细胞的增殖并增强二者的吞噬作用，使巨噬细胞表面的Toll样受体表达上调，促进促炎细胞因子(如TNF、IL-6、IL-1β等)分泌，诱导分化为M1型巨噬细胞，造成组织损伤。G-CSF可与表达在中性粒细胞的粒细胞CSF受体结合，启动细胞内JAK/STAT/信号转导抑制因子(SOCS)和丝氨酸-苏氨酸激酶(Akt)信号通路，促进中性粒细胞增殖和趋化。中性粒细胞成熟时间的减少会导致不成熟、功能较差的表型，可能会减少良好(功能性)中性粒细胞的丰度。感染导致招募未成熟的功能失调的中性粒细胞，这些细胞清除碎片的能力较低，感染持续导致更多的促炎因子和紧急粒细胞生成，导致肺部充满了更多未成熟的功能失调的中性粒细胞，使病情进一步恶化[10]。

2.7 趋化因子家族:T淋巴细胞是许多趋化因子的重要来源，并表达多种分子受体。中性粒细胞和巨噬细胞分别在IL-8和MCP-1的趋化作用下迁移到感染部位，同时分泌其他趋化因子以招募更多细胞参与清除病原体。不同趋化因子可趋化相同细胞上的受体，趋化因子与其受体之间的复杂关系使趋化因子能够在各种微环境中迅速补充，促成炎症风暴的疾联放大[11]。

3 针对细胞因子的治疗

细胞因子风暴的一般治疗策略包括维持器官功能、控制潜在疾病和消除异常免疫系统激活的触发因素以及靶向免疫调节，以限制激活的免疫系统的附带损害。

3.1 选择性细胞因子阻断治疗

3.1.1 IL-1受体拮抗剂：IL-1是一种在CS中起主导作用的促炎细胞因子。研究表明，IL-1抑制剂可降低脓毒血症引起的CS患者的死亡率。一项研究Anakinra在严重脓毒症中使用的Ⅲ期随机对照试验分析表明，在没有任何严重不良反应的情况下，具有 MAS 特征的脓毒症患者的生存率显著提高[12]。此外，Canakinumab是一种人类抗 IL-1β单克隆抗体，可阻断 IL-1β 与 IL-1 受体的相互作用。目前有1项已注册的观察性研究，Anakinra和Canakinumab IL-1阻滞剂具有相当好的安全性，但会导致肝酶水平升高、肌病和轻度白细胞减少症[13]。

3.1.2 IL-6受体拮抗剂：最常用的抗 IL-6 抗体是Tocilizumab，它是一种人源化抗体，通过作用于IL-6R和sIL-6R来阻断IL-6信号传导，因此在IL-6水平高的情况下尤其有效。但需注意Tocilizumab完全抑制IL-6信号转导，全阻断IL-6信号传导的主要副作用是中性粒细胞减少、血小板减少和肝酶异常[14]。Siltuximab 是一种直接靶向IL-6并防止与可溶性和膜结合的IL-6受体结合的嵌合mAb，也正在进行研究。

3.2 选择性通路抑制剂: Fedratinib (JAK2抑制剂)、Baricitinib (JAK1/JAK2、JAK1/JAK3、JAK1/酪氨酸激酶2和JAK2/酪氨酸激酶2抑制剂)、Ruxolitinib(JAK1、JAK2抑制剂)和Tofacitinib(JAK1/JAK2、JAK1/JAK3 和 JAK2/JAK2抑制剂)正在研发或已进入临床试验，上述抑制剂可以抑制JAK的活性，从而减少相关的细胞因子。据报道，使用JAK抑制剂会导致严重的细菌、分枝杆菌、真菌和病毒感染，在脓毒症中应谨慎使用[15]。

除上述方法外，临床应用还包括靶向IL-2R、IL-1R和TNFα 来治疗CS。此外，正在开发的MCP-1和MIP1B抑制剂也表现出针对CS的治疗前景。

3.3 血液净化治疗:体外血液净化疗法已被用作在脓毒症和感染性休克期间去除中等分子量循环炎症介质如细胞因子(IL-1、IL-6、TNFα)(<40 kDa)、趋化因子和补体。近年来，出现了一些具有高吸附水平的高通量膜，通过离子电荷相互作用，可以提高对中高分子量溶质的去除率。例如，oXiris可以有效吸附炎症介质并额外吸附表面带负电荷的内毒素。香港的一项前瞻性病例对照研究发现，与对照组相比，在oXiris治疗48 h后，序贯器官衰竭评估(SOFA)的得分显著改善[16]。带有oXiris过滤器的CRRT可以有效去除感染性休克患者的内毒素和TNF-α、IL-6、IL-8及IFN-γ。此外，cytoorb(cyto orbents Corporation，NJ，USA)是一种生物相容性吸收剂，已在欧盟(EU)获批用于体外细胞因子去除。它可以独立模式(血液灌流)使用，或插入持续肾脏替代治疗(CRRT)回路(与常规血液过滤器相关)、心肺旁路(CPB)或体外膜氧循环回路中。Cytoorb具有强大的吸附能力，它以浓度依赖性方式吸附大小在5～60 kDa的疏水性低分子和中分子物质。它还能针对许多关键的炎症介质，如 IL-1β、IL-6、TNF-α和IL-10[17]。

3.4 天然免疫抑制剂:穿心莲内酯、大蒜素、姜黄素、没食子酸、姜酚、褪黑激素、胡椒碱、槲皮素、白藜芦醇等天然免疫抑制剂可通过抑制炎性信号通路，从而降低血清促炎细胞因子和趋化因子的产生和释放。上述免疫抑制剂存在于多种植物中，在一定剂量内被认为是无毒或低毒的，具有副作用小、安全性高的特点[18]。

3.5 中药:芦根、大青叶、金银花、连翘、紫苏叶、薄荷、黄芪等中草药，多酚、丹参酮、肉桂酰胺、泡桐树果实的甲醇提取物、甘草酸及其苷元代谢物等中药成分，以及清开灵注射液、鱼腥草注射液、板蓝根冲剂、热毒宁注射液、参麦注射液等中药均可抑制炎症反应，降低血清TNF-α、IL-6、IL-8 水平。中药及中成药安全性高，在抗炎中表现出巨大的潜力，在脓毒症肺损伤中具有巨大的临床研究价值及治疗前景[19]。

细胞因子作为“双刃剑”既可参加免疫应答，发挥抗感染、诱导凋亡等功能，又可在一定条件下参与上述炎症因子风暴的发生。在这篇综述中，我们强调了病理性细胞因子风暴在脓毒症肺损伤中的致病机制，以帮助研究人员设计适当的治疗策略。脓毒症威胁着世界各地人类健康。脓毒症的治疗也应针对和抑制炎症级联反应，减轻细胞因子风暴引起的病理损伤，平衡免疫反应，使其能够在不引发严重细胞因子风暴的情况下对抗病原体感染。此外，重要的是要注意CS易感人群如老人、儿童等和耐药人群之间免疫功能和免疫系统特征的差异，以制定适当的治疗方案来控制不同类型个体CS，也不应忽视个体易患CS的可能性，这通常与基因多态性相关。总之，感染引起的细胞因子风暴严重影响人类的健康，并可能导致患者多器官功能衰竭和死亡。我们相信，通过对细胞因子风暴的病理损伤机制的深入了解，未来可以找到更有效和高度特异性的治疗策略。