海水吸入型急性肺损伤发病机制的研究进展

陈 敏,金发光

(空军军医大学唐都医院呼吸和危重症科,西安 710038;* 通讯作者,E-mail:jinfag@fmmu.edu.cn)

随着我国海洋资源开发、海上作业频繁和国内外旅游业的发展，海水淹溺的病例数呈逐年增长的趋势。由于海水低温、高渗、含有多种金属离子和细菌的特点，其引发的肺损伤与其他因素导致的肺损伤不尽相同。机体吸入海水后造成明显的炎性细胞聚集、肺水肿、气道堵塞，引起细胞损伤进行性加重，造成难以纠正的低氧血症和酸中毒，从而导致肺损伤的发生[1]。有研究表明，海水吸入型急性肺损伤(seawater inhalation induced acute lung injury，SW-ALI)相比淡水吸入导致的肺损伤，其病情进展更加迅速，从而引起更加严重的肺部乃至全身性的损伤[2]，如不及时干预和救治，可能很快进展为海水吸入型急性呼吸窘迫综合征(seawater inhalation induced acute respiratory distress syndrome，SW-ARDS)，病死率明显上升[3]。近年来，很多文献报道了SW-ALI的发病机制和救治策略，取得了一系列成果。本文对SW-ALI的病理生理机制的研究进展作一综述。

1 SW-ALI的实质和病理学特征

1.1 SW-ALI的实质

SW-ALI的实质为肺部急性炎症反应和海水吸入型肺水肿，这两方面因素相互促进，导致恶性循坏，加速了急性肺损伤的进展。在临床上SW-ALI患者常表现为进行性低氧血症和呼吸衰竭。SW-ALI的发生是由直接和间接的肺损伤因素共同导致的。一方面，直接肺损伤因素是指海水在渗透压驱动下进入肺泡，引起肺泡腔肿胀和组织缺氧；另一方面，间接肺损伤因素是通过多种信号转导途径启动全身性炎症反应，各种炎症因子进入肺泡，导致肺泡结构和功能异常以及肺损伤的发生。

1.2 SW-ALI的病理学特征

海水吸入可导致机体肺组织明显膨胀、体积增大，肺表面可见散在出血点，肺组织切面可见暗红色斑片。其病理学特征为：弥漫性肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞损伤，肺间质大量炎性细胞浸润，并伴有肺泡腔内透明膜形成；电镜下可见肺泡上皮细胞肿胀并出现空泡，肺间质细胞结构破坏，肺部毛细血管基底膜暴露，管腔内可见大量血小板聚集。

2 SW-ALI的发病机制学说

近些年来，国内外学者对SW-ALI的发病机制进行了多角度的研究与探索，初步阐明了炎症反应、细胞凋亡、离子通道、氧化应激、干细胞受损、肺表面活性蛋白降低等多种关键机制参与了SW-ARDS的发生和发展过程。

2.1 炎症反应机制

目前，炎症反应机制仍然是公认的SW-ALI的主要发病机制。该机制认为多种细胞参与了海水淹溺性肺损伤的炎症反应过程，如多核型白细胞(PMN)、巨噬细胞(macrophages)、肺泡上皮细胞、毛细血管内皮细胞等。有研究表明[4]，高渗透压是SW-ALI最为重要的启动因素，可诱导产生缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor 1-alpha，HIF-1α)的高表达，引发下游炎症因子过度反应，从而导致肺组织缺氧。以HIF-1α为中心的肺损伤理论越来越受到广泛的关注，该理论认为海水吸入一方面通过HIF-1α介导了肺水肿的发生，另一方面通过“HIF-1α—炎症因子—肺组织炎症反应”途径，形成迅速恶化的炎症反应和组织损伤，形成一个以HIF-1α为中心的肺损伤逐渐加重的恶性循环[5]。另外，核转录因子κB(NF-κB)在急性肺损伤中发挥了重要作用[5-8]，其在SW-ALI炎症反应中处于中心地位。有文献表明[9]，在SW-ALI大鼠模型中，海水刺激可诱导NF-κB及其下游多种炎症因子(如IL-6、IL-1β、TNF-α)表达水平明显增加，而应用1α-25羟基维生素D3干预后可显著降低NF-κB的表达，引起炎症因子表达减少，从而减轻了大鼠的肺部炎症反应。

2.2 细胞凋亡机制

细胞凋亡机制认为细胞凋亡通过各种机制在SW-ALI的发生发展中发挥了重要作用。有研究表明，Fas/FasL通路介导的肺泡上皮细胞凋亡在海水诱导的急性肺损伤发病机制中起重要作用[10]。众所周知，线粒体是细胞内凋亡通路中不可或缺的一部分，处于中心地位。有文献表明[11]，海水刺激可以导致线粒体膜电位降低，膜通透性增加，细胞色素C(线粒体内外膜中的一种水溶性蛋白)从线粒体释放进入细胞质中；同时，细胞色素C与凋亡蛋白酶活化因子1(apoptosis protease activating factor-1，APAF-1)紧密结合形成凋亡复合体，进一步激活Capspase-9等一系列的凋亡相关蛋白酶，触发级联反应，最终导致不可逆转的细胞凋亡。此外，在海水淹溺急性肺损伤动物模型中，多核型白细胞(PMN)的凋亡延迟可加重肺部炎症反应。因此，海水吸入一方面可以诱导肺上皮细胞的凋亡增加，另一方面可以导致炎症细胞的凋亡延迟，二者联合作用加速了海水淹溺性肺损伤的进展。

2.3 离子通道机制

离子通道机制是指海水刺激可诱导肺组织中水通道蛋白(apuaporins，AQPs)的表达和钠离子通道(ENaC)、Na+-K+-ATP酶(NKA)的失活，导致主动转运功能障碍，引起肺水肿并促使SW-ARDS的形成。水通道蛋白是一种镶嵌在细胞膜内、协助细胞液体转运的内在膜蛋白，其内部的偶极力与极性可帮助水分子旋转并穿越狭窄的通道，控制水分子进出细胞[12]。有文献报道[13]，通过建立SW-ALI大鼠模型，发现海水吸入后大鼠肺组织AQP1和AQP5 mRNA表达水平显著增加，而AQP3和AQP4 mRNA表达水平无显著变化，肺组织中Na+-K+-ATP酶活性显著降低。Hoffert等[14]设计了高渗模拟液刺激小鼠肺上皮细胞(MLE-15)的细胞实验，发现高渗刺激后MLE-15细胞中AQP5的表达增加，在24 h达到峰值，之后在细胞返回到等渗介质的数小时内恢复到基线水平。该实验初步证实了AQP5的高表达是由高渗刺激诱导产生的，而这种诱导需要细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的参与。

2.4 氧化应激机制

氧化应激机制认为：海水刺激一方面可迅速激活内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)信号通路，升高活性氧基团(reactive oxygen species，ROS)水平，另一方面ERS与ROS之间相互影响、共同促进，形成了一种恶性循环，从而导致了急性肺损伤的发生和发展[15,16]。有研究表明，在SW-ALI发生中多种氧化应激的相关分子，如丙二醛(MDA)、髓过氧化物酶(MPO)和总超氧化物歧化酶(T-SOD)的表达明显升高，进一步损害线粒体DNA(mtDNA)，引起mtDNA的突变或诱导凋亡的发生[17]。由于内质网(endoplasmic reticulum，ER)是调节蛋白质合成、加工、易位和修饰的细胞器，ER氧化环境的变化和钙离子含量的改变可导致ER stress，并产生活性氧，扰乱细胞的内稳态环境[18]。越来越多的证据表明[19]，ERS与ROS在细胞凋亡、增殖和转化等过程中发挥重要作用。有研究报道，分别应用N-乙酰基-L-半胱氨酸(NAC)及H2O2模拟还原性环境和氧化性环境，初步证实了mtDNA在氧化环境中对细胞的损伤作用显著，而使用NAC干预后细胞的损伤作用减轻，并推断ERS参与调节了海水诱导的肺泡上皮细胞中ROS的合成[20]。因此，氧化应激机制初步阐明了细胞在海水刺激后发生氧化应激，通过细胞内活性氧增加、线粒体损伤、内质网应激等共同导致了SW-ALI的发生。

2.5 干细胞受损机制

干细胞受损机制表明：间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)是骨髓来源的具有高度自我修复和多向分化的成体干细胞，可分泌多种血管生长因子、趋化因子等，具有强大的组织修复作用。有文献报道[21,22]，海水刺激通过β-catenin过表达激活经典的Wnt/β-catenin通路，一方面可提高间充质干细胞的增殖和迁移能力(定向迁移到受损的肺组织)，另一方面可通过干细胞的增殖和修复有效缓解急性肺损伤的进展。Wnt/β-catenin通路已被证明能够促进大鼠骨髓间充质干细胞分化成为Ⅱ型肺泡上皮细胞，继而发挥各种生物学功能，促进自身向受损肺组织迁移和定殖[23]。但是该研究仅限于动物和细胞实验层面，其具体机制还有待进一步阐明。

2.6 肺表面活性蛋白降低机制

肺表面活性物质(pulmonary surfactant，PS)是肺泡Ⅱ型上皮细胞分泌的具有降低肺泡表面张力、维持肺泡正常形态和生物学功能的一种磷脂蛋白。它主要有SP-A、SP-D两种活性成分，在调节局部免疫和炎症过程中发挥了重要作用[24,25]。海水吸入后损伤肺泡Ⅱ型上皮细胞和毛细血管内皮细胞，导致肺表面活性蛋白的合成和释放受阻，引起肺部毛细血管通透性升高、肺组织结构破坏，最终造成SW-ALI的发生。研究发现，SP-A在淹溺后呈进行性下降，SP-A mRNA在淹溺后2 h明显下降，并发现SP-A可通过受损的毛细血管渗入血浆，使血清SP-A浓度增高[26]。此外，在支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid，BALF)中检测到的SP-A浓度与疾病进展相反。因此，血清和BALF中SP-A的浓度对早期诊断SW-ALI有重要的意义。肺表面活性蛋白降低机制为SW-ALI的发生发展提供了另一个的视角，也为进一步认识和研究SW-ALI的发病机制提供了理论依据。

当然，上述几种机制在SW-ALI的发展过程中往往不是孤立存在的，而是相互影响的。针对这些机制采取适当的措施进行干预，可有效缓解SW-ALI的进展，这为我们探索SW-ALI的临床救治提供了理论基础。

3 小结与展望

如上所述，SW-ALI的发病机制错综复杂，涉及炎症反应、细胞凋亡、离子通道、氧化应激、干细胞受损、肺表面活性蛋白降低等多个层面。这些机制之间相互影响、相互联系，共同导致了SW-ALI的发生发展。但是，目前的研究并没有针对海水的固有特性展开更为深入的机制探索，这也是临床工作中SW-ALI救治无法取得突破性进展的重要原因。因此，海水吸入型肺损伤的探索任重道远，其发病机制和治疗策略还需要进一步深入研究。