重度中暑相关血管内皮细胞损伤的机制及研究进展

胡玲玲，倪 军，张 静

随着气候变暖和热浪袭击，全球范围内中暑（Heat Streak，HS）发病率日益增加。HS是一种威胁生命的疾病，临床上常将其分为轻、中、重度中暑，而重度中暑又称为热射病，是中暑有关的疾病中最严重的阶段，在热相关性疾病中死亡率占据首位，其特征是体内核心温度大于40℃、伴有中枢神经系统功能障碍和严重的机体代谢紊乱[1-2]。据预测，到2050 年与中暑相关的死亡人数可能增加到目前年度基线的近2.5倍[3]。根据致热因素的不同，重度中暑可分为“经典型（非劳力型）”和“劳力型”两种。在经典型（非劳力型）中暑中，致热因素主要源自外源性热，可以发生于没有从事体力活动时，如热浪期间；而劳力型中暑，致热因素主要来自机体的内源性热，与经典型比较，更容易并发严重的横纹肌溶解、肾功能损害和弥散性血管内凝血[1]。

经典型的中暑是由于暴露于高热环境和不良的散热机制，好发于生理适应能力已经受到损害的人群，如患有慢性病或者生活不能自理的人群，以及老年人。青春期前儿童也被视为该类疾病的高危人群[4]。儿童对经典型中暑的易感性归因于高体表面积与质量比导致吸热率增加、体温调节系统不发达，血容量较小限制热传导导致机体热量积累增加，出汗率降低。劳累性中暑是一种突发医疗事件，性质为偶发性，与剧烈的体力活动直接相关。常见于运动员、工人（如消防员和农业工人）、士兵和其他从事剧烈活动的人群，劳累性中暑甚至可能在劳累后的60 min内发生，并且可能在不暴露于高温环境情况下触发[5]。

弥散性血管内凝血是重度中暑的常见并发症。温度控制失调会导致血管内皮细胞损伤、损伤相关分子模式释放、过度炎症和高凝，并抑制纤维蛋白溶解，从而产生中暑诱导的凝血功能障碍。多器官功能衰竭是重度中暑的最重要特征。在此疾病中重度中暑主要通过两种途径导致多脏器功能衰竭（Multiple Organ Dysfunction Syndrome，MODS），其一是皮肤血流量增加，肠道血流量减少，导致肠上皮屏障通透性升高，启动免疫反应，触发全身炎症反应综合征；其二是重度中暑导致血管内皮细胞损伤，继而导致微血管血栓和消耗性凝血，最终可导致MODS[6]。弥散性血管内凝血（Disseminated Intravascular Coagulation，DIC）和MODS共同导致重度中暑的高死亡率。

大量的研究数据表明，血管内皮细胞损伤在重度中暑的发生发展过程中起着至关重要的作用。因此，我们可通过对血管内皮细胞损伤的机制进行研究，以指导临床对重度中暑的诊治。

1 重度中暑与血管内皮细胞损伤

血管内皮细胞由内皮细胞单层和血管糖萼层组成，在全身炎症、血管通透性、血液凝固和宿主免疫反应中起关键作用。研究表明，重度中暑时血管内皮细胞持续暴露于血流变化中产生的一系列剪切应力，这可能对血管内皮的功能和结构产生重大影响[7]。血管内皮细胞损伤是重度中暑的主要特征；它由凝血障碍甚至弥散性血管内凝血引发，参与全身炎症反应综合征（Systemic Inflammation Response Syndrome，SIRS）诱导微血栓形成，导致微循环障碍和重度中暑伴MODS[8-9]。随着科学研究的深入，研究人员发现炎症和血栓形成之间存在一个血管内皮细胞介导的网络，共同促进MODS的发展[10]。重度中暑时，血管内皮损伤引起的炎性细胞黏附和凝血障碍导致弥散性血管内凝血，这是一种以广泛的血管内血栓形成为特征的综合征，可损害各种器官的血液供应[11]。因此，预防内皮细胞损伤是降低重度中暑高热休克率的潜在策略。

2 血管内皮细胞损伤的机制

2.1 热应激与血管内皮细胞损伤 热应激造成体温调节严重失衡导致核心体温高于正常水平，进而发生重度中暑。大量实验研究表明，当机体处于极端高温（49℃～50℃）热打击时可对大多数细胞结构及其功能造成损害，细胞在5 min内即可发生坏死[12]。热应激可能破坏血管结构的完整性和稳定性，进而导致炎症反应和全身多器官功能衰竭[13]。由于巨核细胞对高温暴露的敏感性，中暑还会抑制骨髓中血小板的释放。中暑引起的凝血激活和纤维蛋白形成临床表现为DIC[14]。热应激进展为中暑是由于体温调节失败、急性期反应过度和热休克蛋白表达突变所致。被动热暴露引起的热应激促进内毒素从肠粘膜泄漏到体循环，以及白细胞介素-1（Interleukin 1，IL-1）或白细胞介素-6（Interleukin 6，IL-6）蛋白从肌肉向体循环的移动[15]。这导致白细胞和血管内皮细胞过度激活，主要表现为各种细胞因子和高迁移率族蛋白B1（High Mobility Group Box 1 protein，HMGB1）的释 放，HMGB1 是一种信号组织和细胞损伤的内源性分子，这些过程共同导致SIRS[14]。热应激状态下，机体肠黏膜屏障遭到破坏，通透性增加，肠道毒性物质包括细菌或者内毒素移位，使热应激引起的急性期反应加剧，炎症细胞活化、细胞因子生成，爆发“细胞因子或者炎症介质风暴”，启动血管内皮细胞损伤和凝血功能紊乱的病理生理过程[16]。高温应激可通过细胞凋亡、广泛出血、血栓形成和白细胞跨壁迁移直接诱导内皮细胞死亡，并伴有微血管内皮细胞损伤，这也是重度中暑的显著特征[7]。

2.2 肠道功能紊乱与血管内皮细胞损伤 肠道菌群（Gut Microbiota，GM）由上万亿个共生微生物组成，通过摄取机体内的营养成分维持生存和代谢水平，与机体共同应答外界环境，调节各类代谢和免疫活动，维持机体稳定性。肠道菌群紊乱及细菌移位增加重症中暑的发病率。重症中暑发生的机制可能与肠道屏障破坏、肠源性内毒素进入循环及产生大量炎性因子相关[17]。肠道微生物群通过诱导一氧化氮（Nitric Oxide，NO）产生、促进炎症反应和血栓形成等影响机体的血管稳态。Catry等[18]研究表明用菊糖型果聚糖（Inulin-Type Fructans，ITFs）靶向改善肠道微生物群是治疗内皮功能障碍的新方法。当肠道微生物群和关键肠肽发生变化时，可明显改善机体血管内皮细胞功能障碍，小鼠的肠系膜和颈动脉血管内皮功能障碍时，经过ITFs干预后，可激活一氧化氮合酶途径，完全逆转载脂蛋白E基因敲除，小鼠肠道菌群中产生的NO菌和AKK菌（Akkermansia muciniphila）的丰度增加，而参与次生胆汁酸合成的细菌类群的丰度降低，这表明肠道微生物群和关键肠肽均具有短期适应性，ITFs通过调节肠道微生物群的数量和种类，防止机体血管内皮功能障碍，这一结果为进一步的研究重症中暑模型中肠道菌群紊乱与血管内皮损伤的关系提供条件[18-19]。重度中暑引起的肠道血流减少导致胃肠道缺血，对细胞活力和细胞壁通透性产生不利影响，由此产生的氧化和亚硝化应激损伤细胞膜，打开紧密的细胞间连接，使内毒素和可能的病原体泄漏到体循环中，压倒肝脏的解毒能力，导致机体发生内毒素血症[20]。

2.3 氧化应激与血管内皮细胞损伤 重度中暑通过氧化应激诱导内皮细胞损伤，从而刺激活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）生成、脂质过氧化和脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）损伤[21]。ROS是氧代谢的副产物，包括超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基[22]。ROS通过靶向蛋白质、多糖、DNA和脂质，增加血管内皮细胞损伤率[23]。重度中暑诱导的ROS积累可导致氧化损伤和线粒体稳态以及细胞功能的紊乱[24]。研究表明，各种酶系统催化的活性氧生成与内皮功能障碍密切相关[25]。这些酶系统产生的ROS可引起氧化应激，从而导致线粒体功能障碍、内皮功能障碍、血管粘附分子异常、通透性增加、炎症介质释放，最终导致器官功能障碍[26]。在Jin[25]的实验中，通过构建经典的严重中暑大鼠模型，评估了热应激（Heat Stress，HS）期间超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD)和活性氧的水平，观察了热应激期间微循环的情况，结果表明，氧化应激水平的变化与局部微循环障碍密切相关，如微血管血流量减少和血管反应性异常。向大鼠供应SOD可有效抑制热应激时ROS的产生，从而改善氧化应激引起的局部微循环障碍。

2.4 炎症反应与血管内皮细胞损伤 越来越多的证据表明，内皮细胞功能障碍的特点是血管壁内炎症反应增加[27]。重度中暑会引发内皮细胞、白细胞和上皮细胞的协同应激反应，从而保护组织免受损伤并促进细胞修复。这种炎症反应由热休克蛋白的分子伴侣家族以及血浆和组织中促炎和抗炎因子水平的变化介导[4]。重度中暑时的炎症介质激活可能引发多器官功能衰竭，在体内中枢介导多种作用，包括产生发热、白细胞增多、急性期蛋白质的加速合成、血管内皮细胞激活[28]。白介素1-β（Interleukin 1-β，IL-1β）是重度中暑早期出现的最早的促炎介质之一，可增强单核细胞毒性和其他促炎介质的产生，如IL-6 和α肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF-α），IL-6 参与刺激急性期蛋白和抑制活性氧的产生以及活化白细胞释放蛋白水解酶。白细胞介素-10（Interleukin 10，IL-10）是参与急性期反应的主要抗炎细胞因子。随着持续高温，急性生理改变（包括循环衰竭、低氧血症和代谢需求增加）及直接的热相关细胞毒性效应升级，导致炎症反应的失调，重度中暑相关的炎症反应类似于全身炎症反应综合征[4]。热损伤还通过炎症直接或间接诱导细胞毒性效应，导致非程序性坏死和程序性细胞死亡，即凋亡、坏死性下垂和热下垂[29]。有人认为SIRS是由循环信使核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）介导的，这些RNA触发细胞因子和HMGB1的释放，导致白细胞和内皮细胞过度激活。与感染性休克非常相似，SIRS可导致临床状态迅速恶化，导致弥散性血管内凝血、多器官功能衰竭。研究表明，内皮细胞糖萼具有多种功能，包括维持血管完整性、通透性、剪切应力和炎症反应[30]。完整的糖萼可以调节白细胞捕获、募集和外渗的程度，重度中暑时炎症状态下血管内皮细胞糖萼层的性质发生明显变化。

3 重度中暑相关血管内皮细胞损伤的治疗措施

3.1 降低体温 重度中暑的核心是中心体温的升高，因此，快速有效的降温是治疗中暑的基石。Song[31]等人认为，降温的目标是使核心体温在10 min～40 min内迅速降至39℃以下，2 h降至38.5℃以下。目前没有药物可以加速冷却，阿司匹林和扑热息痛等解热剂对重度中暑患者无效，因为发烧和高温通过不同的生理途径升高核心体温[4]。为使降温速度达到每分钟0.2℃～0.35℃，目前公认的治疗方法是在冷水中浸泡[4]。对于经典型中暑的老年人，可选择耐受性更好的治疗措施，如传导或蒸发冷却，包括冷冻静脉输液、冰袋、冷袋或湿纱布和还有扇风。此外血管内降温速率高，能维持稳定的温度及血流动力学稳定。研究表明，降低体温可抑制炎症反应，减轻血管内皮细胞的损伤。中暑后的低温是一种双相体温调节反应，故不建议中暑患者过度降温，因为它有时会导致体温过低[32]。

3.2 药物治疗 目前，针对重症中暑患者的治疗临床上主要为降低体温对症治疗，虽然这种治疗能够明显降低患者的核心体温和改善相应症状，但对患者体内炎性因子、内皮细胞损伤的治疗无明显作用[33]。Chen[34]等研究表明，血必净注射液有调节免疫功能、抑制炎症介质释放作用，可明显降低循环内皮细胞计数、血栓调节蛋白及血管假性血友病因子水平，提示血必净注射液对重症中暑所致血管内皮细胞损伤具有一定的保护作用。Chen[35]等人的研究表明，丹参酮IIA磺酸钠的治疗可以减轻炎症反应、主动脉内皮细胞凋亡和弥散性血管内凝血进而改善多器官功能损伤。Tong[36]等研究发现，重度中暑时，乌司他丁能维护血管正常舒缩功能及维护内皮细胞完整性，使得内皮细胞表达的细胞间黏附分子-1（Intercellular Adhesion Molecule-I，ICAM-1）和白细胞分化抗原11B（Cluster of Differentiation-11B，CD11B）明显减少，通过减少白细胞与血管内皮细胞的黏附，进而明显减少血管内皮细胞的损伤。研究表明，姜黄素具有抗肿瘤、抗感染、抗氧化应激以及抑制炎症反应等药理活性[37]。Zhang[37]等通过构建热打击细胞模型研究发现，姜黄素能显著抑制热打击诱导的内皮细胞凋亡和炎性细胞因子产生，对热打击诱导的血管内皮细胞损伤具有保护作用。异丙酚又称丙泊酚，是一种快速而短效的镇静药物。近年来大量研究证实，异丙酚的非镇静作用对于细胞及器官具有明显的保护性[38]。Li[39]等研究表明，异丙酚在热损伤过程中具有抗氧化损伤、抗凋亡以及保护线粒体的作用。这些药物对临床重症中暑中血管内皮细胞的保护发挥重要作用，降低了重度中暑患者的死亡率。

3.3 其他治疗 目前除了降低体温和药物治疗，也发现了新的潜在的治疗策略。Truong[40]等研究结果表明，吸入2%氢气可降低血清内毒素、多配体蛋白聚糖-1、丙二醛和肿瘤坏死因子-α水平，而超氧化物歧化酶水平升高，显著提高重度中暑大鼠的存活率，并部分保留了内皮糖萼的厚度，通过其抗氧化和抗炎作用减轻了对血管内皮糖萼的损伤。Huang[41]等通过研究解偶联蛋白2（Uncouplingprotein 2，UCP2）缺失对重度中暑诱导的人脐静脉内皮细胞线粒体功能的影响，发现UCP2 可以保护重度中暑诱导的血管内皮细胞损伤，并增强线粒体功能。实验研究表明，上述新型的治疗方法对血管内皮细胞具有保护作用，对于临床疗效仍需进一步探索。

4 总结和展望

综上所述，在重度中暑的发展过程中，主要通过热应激、炎症反应、氧化应激、肠道功能紊乱等机制损伤血管内皮细胞。而损伤的血管内皮细胞本身作为一种炎症反应，使其进一步发生发展造成MODS和SIRS。重度中暑疾病中，血管内皮细胞损伤的作用机制十分复杂，至今仍尚不明确，需要进一步探讨和研究。保护血管内皮细胞的完整性，有利于重度中暑的救治及预后，降低重度中暑的病死率和MODS的患病率，从而提高重度中暑患者的治愈率。目前对于减少血管内皮细胞的损伤主要是通过降低体温及药物治疗等有效措施，深入理解重度中暑的病理生理机制，可确定有效的临床治疗方法，降低重度中暑患者的死亡率和改善预后。