內(nèi)毒素致急性肺損傷的發(fā)病機制研究進展

趙利利，戎 浩，孫芳云

內(nèi)毒素致急性肺損傷的發(fā)病機制研究進展

趙利利，戎 浩，孫芳云*

急性肺損傷(Acute lung injury，ALI)是由肺內(nèi)外各種致傷因素引起的癥狀嚴重、發(fā)展快、病死率高的臨床危重癥，由內(nèi)毒素引起的急性肺損傷最為常見。因此對于內(nèi)毒素引起的急性肺損傷的發(fā)病機制的研究極其重要。本文就近年來國內(nèi)外期刊對內(nèi)毒素致急性肺損傷的發(fā)病機制進行初步論述，為進一步研究內(nèi)毒素性急性肺損傷提供依據(jù)。

肺損傷；內(nèi)毒素；發(fā)病機制；脂多糖

0 引言

急性肺損傷(ALI)是指由心源性以外各種肺內(nèi)外致病因素導(dǎo)致的急性、進行性加重的呼吸衰竭，是以肺泡-毛細血管通透性增加為特征的肺部炎性綜合反應(yīng)。急性肺損傷的發(fā)病機制較多，多由細菌內(nèi)毒素引起。內(nèi)毒素的活性成分脂多糖(LPS)是ALI的重要致病因子[1]，肺臟是其損傷的敏感靶器官之一[2]。內(nèi)毒素性急性肺損傷的發(fā)生涉及多種病理生理機制，可分為LPS直接損傷和LPS間接損傷(主要有炎癥學(xué)說、氧化應(yīng)激及細胞凋亡等)，其中炎癥反應(yīng)研究最多。本文主要從炎癥學(xué)說、氧化應(yīng)激、細胞凋亡及離子變化等概述了內(nèi)毒素所致ALI的發(fā)病機制研究進展。

1 炎癥學(xué)說(炎癥反應(yīng)與細胞因子失衡)

LPS進入機體后被LBP(脂多糖結(jié)合蛋白)識別，然后與CD14結(jié)合，形成LPS/LBP/CD14，其通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路活化炎癥細胞釋放大量炎癥因子的過程錯綜復(fù)雜，迄今尚未完全闡明。本部分內(nèi)容對炎癥反應(yīng)中Toll受體、MAPK及核因子κB(NF-κB)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞因子失衡進行概述。

1.1 Toll樣受體(TLR) TLR是新近發(fā)現(xiàn)的先天免疫系統(tǒng)中的細胞跨膜受體及模式識別受體之一，在急性炎癥反應(yīng)、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細胞凋亡中起重要作用。

TLR4是第一個被發(fā)現(xiàn)的TLR成員，目前普遍認為，TLR4是LPS信號從細胞外至細胞內(nèi)的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)受體。TLR4可直接與LPS結(jié)合，也可與LBP-LPS-CD14結(jié)合，將信號轉(zhuǎn)入胞內(nèi)，并啟動炎癥反應(yīng)，其激活將引起一系列下游分子的活化，放大炎癥反應(yīng)。TLR4/NFκB通路分為MyD88(髓樣分化蛋白88)非依賴途徑和MyD88依賴途徑。MyD88非依賴途徑是MyD88接頭蛋白MAL(MyD88接頭蛋白)掌控的，TLR4與MAL相互作用，激活NF-κB[3-4]。MyD88依賴途徑是TLR4與MyD88相互作用，活化MyD88，使之與IL-1相關(guān)的酶(IRAK)磷酸化，從而激活NF-κB[5]。研究表明，TLR4信號除了可以激活NF-κB，還可導(dǎo)致細胞凋亡，TLR-4的下游分子-MyD88 MAL/TIRAP(含有TIR結(jié)構(gòu)域的適配蛋白)、IRAK-1和TRAF-6參與調(diào)節(jié)LPS介導(dǎo)的細胞凋亡信號通路[6]。因此，TLR4、CD14作為LPS誘導(dǎo)的細胞應(yīng)答的頂點，在LPS介導(dǎo)的ALI的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。如果能調(diào)節(jié)TLR4的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，就可能在不同的病理階段將炎性反應(yīng)水平調(diào)控在合適水平，從而有利于ALI的防治，可作為藥物發(fā)展的目標[7]。

1.2 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 MAPK是細胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。研究證實，MAPKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在于大多數(shù)細胞內(nèi)，將胞外刺激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細胞及其核內(nèi)，并引起細胞生物學(xué)反應(yīng)。一般的MAPK由p38亞型、胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)及ERK5構(gòu)成[8]。LPS能激活所有的MAPKs，然后作用于各自的底物，從而通過轉(zhuǎn)錄因子而調(diào)節(jié)細胞因子TNF、IL-1、IL-6及IL-8等促炎因子的表達，MAPKs在LPS介導(dǎo)的ALI中發(fā)揮重要作用[9]。

以往研究證實，p38 絲裂原激活蛋白酶(p38MAPK)在ALI的炎癥反應(yīng)和細胞凋亡中發(fā)揮重要的作用，且內(nèi)毒素是其主要激活劑之一。LPS能顯著刺激肺組織p38MAPK的磷酸化，激活后的p38MAPK可以促進釋放更多炎癥介質(zhì)，p38MAPK的活化可能與ALI的發(fā)生和發(fā)展有密切關(guān)系，但有待進一步研究[10-11]。也有研究表明，抑制p38MAPK活化可減輕LPS介導(dǎo)的通過Fas/Fasl途徑引起的肺泡上皮細胞凋亡肺損傷[12]。

1.3 NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 NF-κB是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，與目的基因結(jié)合位點結(jié)合，啟動和調(diào)控一系列參與炎癥反應(yīng)的炎癥因子基因表達，參與ALI的炎性反應(yīng)進程，介導(dǎo)肺臟等器官功能損害[13]。研究表明，IKK/I-κB/ NF-κB信號通路是活化NF-κB的重要通路[14]，LPS刺激后啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活NF-κB，從而發(fā)揮作用。NF-κB的持續(xù)活化與肺損傷的嚴重程度有關(guān)，阻斷NF-κB途徑有利于ALI的治療[15-16]。此外，NF-κB還與促/抗凋亡信號有聯(lián)系。其通過促進一些新的基因或誘導(dǎo)抗凋亡蛋白的表達發(fā)揮促/抗凋亡作用[6]。MyD88、MAL/TIRAP、IRAK-1和TNAF-6對LPS介導(dǎo)的NF-κB的激活和凋亡均有促進作用，雖然這些上游信號分子有相同性，但是LPS/Tlr-4介導(dǎo)的NF-κB的激活和凋亡是相互獨立的[6]。

1.4 細胞因子失衡 內(nèi)毒素誘導(dǎo)產(chǎn)生的細胞因子主要有IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、TNF-a、iNOS和IL-10(保護作用)等[17]。這些細胞因子不僅可以直接導(dǎo)致肺損傷，還可以激活其他信號通路，促進炎癥因子的表達，導(dǎo)致肺損傷；下調(diào)促炎因子或上調(diào)抗炎因子的產(chǎn)生，使其保持平衡，可使肺內(nèi)環(huán)境由促炎反應(yīng)向抗炎反應(yīng)轉(zhuǎn)變，從而阻止肺內(nèi)反應(yīng)繼續(xù)進展。

2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指在遭受各種有害刺激(如LPS)時，體內(nèi)超氧陰離子(·O2-)、羥自由基(·OH)、過氧化氫(H2O2)及過氧亞硝基陰離子等活性氧自由基(ROS)產(chǎn)生過多，氧化物產(chǎn)生超出氧化物的清除，導(dǎo)致氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)失衡。研究表明，氧過多可引起ALI，減少細胞增殖，激活炎癥反應(yīng)，促進細胞毒性，引起DNA損害，引起細胞損傷，激活促凋亡信號通路，導(dǎo)致肺泡上皮細胞和內(nèi)皮細胞死亡[18]。雖然ROS對于LPS導(dǎo)致的細胞凋亡的作用還不明確，但可以確定的是ROS可以增加線粒體膜通透性，促進促凋亡因子的釋放[6]。ROS可以導(dǎo)致促炎因子(如細胞色素c)的釋放，從而激活Caspase 9 (半胱氨酸蛋白酶9)，啟動內(nèi)源性凋亡途徑即線粒體凋亡途徑。而且，ROS還可以激活Caspase-3、Caspase-8，從而導(dǎo)致細胞凋亡[18]。也有研究顯示，ROS產(chǎn)生增多或抗氧化系統(tǒng)降低可提高氧化磷脂的水平，氧化磷脂與肺部損傷、感染及細胞凋亡關(guān)系密切[6,19]。ROS還可以激活NF-κB[20]。因此，減少ROS的產(chǎn)生或增強抗氧化系統(tǒng)，可能有效地治療ALI。近年研究顯示，全氟化碳對氧及二氧化碳具有高溶解度，溶解和釋放時間更短，釋放快速且表面張力低，有可能成為治療ALI有效的治療藥物[21]。

3 細胞凋亡

首先，細胞內(nèi)存在抗凋亡因子(如：Fasl、Bcl-2、Bcl-xl及A1等)和促凋亡因子(如Fas、Bax、Bad及Bak等)，兩者相互制約，維持動態(tài)平衡[6]。但當(dāng)LPS入侵機體時，這種動態(tài)平衡被打破，隨著兩者活性的改變，促凋亡因子占據(jù)主導(dǎo)地位，細胞凋亡加速，當(dāng)LPS得到控制或去除后，大量的凋亡細胞不能恢復(fù)，從而造成組織損傷。

其次，細胞凋亡涉及一系列蛋白，如Caspases家族蛋白、Bacl-2家族蛋白等。其中Caspases家族是直接導(dǎo)致細胞解體的蛋白酶體系，在細胞凋亡機制網(wǎng)中居中心地位，未活化時以酶原的形式存在，一旦被激活最終可導(dǎo)致細胞凋亡。Caspases分為3類：凋亡啟動因子、凋亡執(zhí)行因子和炎癥介導(dǎo)因子，構(gòu)成級聯(lián)放大效應(yīng)[22]。已有研究表明，LPS能激活Caspases-1、Caspases-3、Caspases-6、Caspases-8，導(dǎo)致內(nèi)皮細胞凋亡[6]。其中Caspases-8位于凋亡級聯(lián)反應(yīng)的頂點，屬于凋亡啟動因子，幾乎能夠激活所有的Caspases而誘發(fā)凋亡[23-24]。Caspases-3和 Caspases-6位于級聯(lián)反應(yīng)的下游，屬于凋亡執(zhí)行因子，與其特異性底物相互作用，誘導(dǎo)細胞凋亡。Caspases-1屬于炎癥介導(dǎo)因子，根據(jù)起始激活的Caspases不同，凋亡激活的途徑分為3種：外源性途徑(死亡受體途徑)、內(nèi)源性途徑(線粒體途徑)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)細胞凋亡[22]。外源性途徑(死亡受體途徑)：死亡受體(Fas、TNF-α)直接或間接與Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(FADD)結(jié)合形成復(fù)合物，然后激活Caspases-8，最后導(dǎo)致細胞凋亡。目前認為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)介導(dǎo)了一種新的凋亡通路，參與了ALI的病理生理過程，持續(xù)性的ERS可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能失代償，同時啟動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的凋亡程序，是內(nèi)毒素引起肺損傷的重要機制[22-25]。Caspase-12是Caspase家族中唯一定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的的分子，僅在ERS通路中被活化，且在ERS促凋亡通路中具有重要的作用[26-27]。最近研究顯示，Caspase-4也參與ERS引起的細胞凋亡[22]。另外，ERS可通過磷酸化的IRE-1(抑制物阻抗性激酶1)激活JNK途徑，同時作用于TRAF2啟動一系列磷酸化反應(yīng)，從而促進細胞凋亡的發(fā)生[28]。因此，對過度的ERS實施干預(yù)可能成為今后治療急性肺部損傷的新途徑。

ALI時，LPS不斷激活PMNs(肺內(nèi)多形核中性粒細胞)，使其在肺泡腔內(nèi)可達90%以上，延遲PMNs的凋亡，導(dǎo)致過度炎癥，造成肺組織嚴重損傷[29]。但其具體機制還有待進一步研究。

4 其他

4.1 鈉泵 肺水腫是內(nèi)毒素性肺損傷并發(fā)急性呼吸功能衰竭的主要病理基礎(chǔ)。肺泡Ⅱ型上皮細胞(ACEⅡ)上的鈉泵在肺水腫清除中起重要作用。研究表明，ALI時，人矢量肺泡ACEⅡ轉(zhuǎn)運的肺泡液體清除下降[30]。LPS對上皮鈉通道和Na+-K+-ATP酶具有抑制作用。此外，LPS激活A(yù)CEⅡ細胞，釋放大量炎癥介質(zhì)，對急性肺損傷的發(fā)生、發(fā)展同樣起著不可忽視的作用[31]。

4.2 Ca2+通道 經(jīng)典瞬時受體電位(TRPC)通道是一種非選擇性陽離子通道，主要存在于細胞膜，對鈣離子具有通透性。LPS促進二酰甘油(DAG)的產(chǎn)生，DAG可激活TRPC6，后者調(diào)節(jié)Ca2+內(nèi)流。Ca2+內(nèi)流可激活肌球蛋白輕鏈激酶，不但能增加肺血管滲透性，發(fā)生肺水腫與肺不張，引起肺損傷，還可以促進MyD88和IRAK4，從而激活NF-κB，引起肺部炎癥[32]。

5 結(jié)語

內(nèi)毒素性急性肺損傷的發(fā)病率及死亡率很高，嚴重威脅著人類的健康。然而其發(fā)病機制錯綜復(fù)雜，尚無有效的治療方案。目前，對內(nèi)毒素性急性肺損傷的發(fā)病機制的研究主要通過抑制炎癥反應(yīng)、抗氧化及抑制細胞凋亡等發(fā)揮治療作用。目前，分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展及內(nèi)毒素相關(guān)研究的不斷深入，為研究內(nèi)毒素性肺損傷的病理機制和治療提供了更為廣闊的空間，也為減少臨床上內(nèi)毒素的病死率提供了更多的治療方案。

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Pathogenesis research on lipopolysaccharide-induced acute lung injury

ZHAO Li-li,RONG Hao,SUN Fang-yun*

(Lab for Basic Research of Life Science,Tibet University for Nationalities,Shanxi 712082,China)

Acute lung injury (ALI) is a severe symptom with fast development and high case fatality rate,mainly induced by lipopolysaccharide.Thus,it is very important to study the pathogenesis of ALI caused by lipopolysaccharide.This paper preliminarily discusses the pathogenesis on endotoxin-induced ALI by reviewing the articles in domestic and foreign periodicals,to provide the basis for further research on endotoxin-induced ALI.

Lung injury;Endotoxin;Pathogenesis;Lipopolysaccharide

2014-10-28

西藏民族學(xué)院醫(yī)學(xué)院生命科學(xué)基礎(chǔ)研究實驗室，陜西 712082

2011年西藏自治區(qū)科技廳自然科學(xué)基金項目

10.14053/j.cnki.ppcr.201504026

*通信作者