肺內(nèi)皮多糖包被與急性肺損傷的研究進展

方 辰 綜述，張劍鋒 審校

? 綜述 | REVIEWS ?

肺內(nèi)皮多糖包被與急性肺損傷的研究進展

方 辰 綜述，張劍鋒 審校

內(nèi)皮多糖包被（endothelial glycocalyx, EG）位于血管內(nèi)皮細(xì)胞腔面，由蛋白聚糖（proteoglycan, PG）、糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）、膜糖蛋白及血漿蛋白組成。肺血管內(nèi)皮的多糖包被可阻止中性粒細(xì)胞黏附和外滲，并影響內(nèi)皮通透性的活性調(diào)控。多糖包被在急性肺損傷（acute lung injury, ALI）的發(fā)生、發(fā)展過程中可能起著重要的作用。對多糖包被的保護或重構(gòu)可能是急性肺損傷臨床治療的一個新思路。

多糖包被；內(nèi)皮細(xì)胞；急性肺損傷

EG是指位于血管內(nèi)皮細(xì)胞腔面的一層復(fù)雜多成分大分子，EG是血漿-內(nèi)皮細(xì)胞之間相互作用的媒介或屏障。研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，在生理條件下，EG具有維持血管通透性、抑制細(xì)胞間黏附等血管保護作用；在ALI的發(fā)生、發(fā)展中出現(xiàn)EG被破壞[4,5]，提示EG可能參與ALI的發(fā)生并影響其預(yù)后?，F(xiàn)就EG與ALI的研究進展作一綜述。

1 多糖包被的結(jié)構(gòu)

EG主要由PG、GAG、膜糖蛋白及黏附在此層上的血漿蛋白組成（圖1）。PG與內(nèi)皮細(xì)胞膜緊密結(jié)合，為GAGs與內(nèi)皮細(xì)胞的連接提供支持[6]。GAGs包括硫酸乙酰肝素（heparan sulphate, HS）、硫酸軟骨素（Chondroitin sulfate, CS）、透明質(zhì)酸（hyaluronic acid, HA）及硫酸角質(zhì)素等成分。HS是血管內(nèi)皮細(xì)胞腔面的主要組成成分，包含大量血漿蛋白的結(jié)合位點，并通過與核心蛋白（多配體聚糖和磷脂酰肌醇聚糖）的連接參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[7,8]。HA具有強大的保水性能，能結(jié)合高于自身重量一萬倍的水份，對EG體積及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的維持和穩(wěn)定具有重要作用[9]。膜糖蛋白由內(nèi)皮細(xì)胞合成并分泌，主要包括內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子如E選擇素、P選擇素、整合素、細(xì)胞間黏附分子1（intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1）、血管細(xì)胞黏附分子1（vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1）及血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子1（platelet endothelial cell adhesion molecule-1, PECAM-1），及一些影響凝血、止血和纖溶系統(tǒng)的糖蛋白[10]。膜糖蛋白亦在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和炎性細(xì)胞滲出中起重要作用[11]。

2 多糖包被的作用

研究表明，EG在血管內(nèi)皮表面形成了一個具有炎性屏障、機械傳導(dǎo)功能的動態(tài)分子層，即內(nèi)皮表面層（endothelial surface layer, ESL），其為維持血管內(nèi)皮功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素[12]。

ESL通過多種機制參與中性粒細(xì)胞滲出的調(diào)控，包括內(nèi)皮細(xì)胞黏附標(biāo)記的暴露以及趨化因子的形成，引導(dǎo)中性粒細(xì)胞在血管內(nèi)移動[13,14]。高度硫酸化的GAGs可使 ESL帶負(fù)電荷，從而形成跨內(nèi)皮蛋白梯度，通過Starling力調(diào)節(jié)液體流動[15]。此外，GAGs可影響由一氧化氮（nitric oxide, NO）介導(dǎo)的血管舒張[16]。

肺內(nèi)血管ESL的厚度明顯大于全身其他部位血管ESL的厚度。野生型C57BL/6小鼠的活體顯微鏡觀察實驗中發(fā)現(xiàn)，肺微血管ESL平均厚度為1.67 μm，遠高于提睪肌微血管ESL（0.67 μm）[17,18]。雖然較厚的肺ESL對血紅蛋白氧含量并不產(chǎn)生影響，但肺ESL厚度的增加（更精確地說，是EG這種結(jié)構(gòu)的差異）可能對內(nèi)皮屏障功能產(chǎn)生影響。研究顯示，肺ESL可調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮表面黏附分子的暴露，從而阻礙中性粒細(xì)胞的黏附和外滲；并且肺ESL還參與血管內(nèi)皮通透性的活性調(diào)控，以維持血管內(nèi)外水和蛋白質(zhì)平衡[19]。

圖1 內(nèi)皮細(xì)胞表層結(jié)構(gòu)的模式圖和電子顯微鏡圖

3 多糖包被與ALI

目前認(rèn)為，ALI和急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是由肺血管內(nèi)皮屏障功能障礙所引發(fā)的一種疾患，在ALI/ARDS發(fā)生過程中，炎性因子刺激導(dǎo)致內(nèi)皮和上皮屏障通透性增加，從而導(dǎo)致肺實變和嚴(yán)重的低氧血癥[20]。

3.1 肺多糖包被是防止中性粒細(xì)胞外滲的屏障 ESL是炎性細(xì)胞和內(nèi)皮表面之間的屏障。血漿中GAGs片段濃度增加是炎性疾?。ㄈ缒摱景Y休克）的特征之一，提示EG降解與炎性組織損傷相關(guān)[4,5]。由EG降解與全身微血管中中性粒細(xì)胞黏附的關(guān)聯(lián)可推測，膿毒癥誘導(dǎo)的肺ESL損傷可導(dǎo)致中性粒細(xì)胞黏附和炎性肺損傷的發(fā)作[17]。研究顯示，膿毒癥發(fā)病30 min，肺ESL即出現(xiàn)大量損耗，ESL的降解可能與內(nèi)皮肝素酶相關(guān)[17]。肝素酶介導(dǎo)的ESL損耗增加，引發(fā)肺動脈內(nèi)皮表面黏附分子（ICAM-1，VCAM-1）的暴露，導(dǎo)致循環(huán)中活化的中性粒細(xì)胞附著和外滲增加，引起炎性刺激。肝素酶抑制藥可阻止黏附分子的暴露并減少炎性損傷。彌漫性肺損傷是ALI/ARDS的病理特征之一，在膿毒癥患者的肺組織活檢中肺內(nèi)肝素酶濃度增加，且血漿中HS活性增加[17]。上述研究提示，肺ESL的基本功能是調(diào)節(jié)內(nèi)皮表面黏附分子暴露及調(diào)控中性粒細(xì)胞由血管進入肺內(nèi)[17]。

肺ESL影響中性粒細(xì)胞黏附和移行可能存在多個作用機制。在全身血管中， HS作為白細(xì)胞L-選擇素配體使中性粒細(xì)胞緩慢滾動，此功能取決于GAGs硫酸化[21]。盡管L-選擇素與肺微血管中中性粒細(xì)胞附壁及肺損傷的發(fā)病有關(guān)，但L-選擇素和白細(xì)胞滾動并不是中性粒細(xì)胞從肺微循環(huán)外滲的關(guān)鍵[22]。此外，在炎性肺損傷中GAGs可作為中性粒細(xì)胞刺激趨化因子的存儲庫[21,23]。HS也可使趨化因子從小鼠肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的基底趨化至管腔表面[21]。并且在炎性環(huán)境下，血管具有適應(yīng)EG結(jié)構(gòu)的能力，提示ESL對中性粒細(xì)胞外滲調(diào)節(jié)可能存在多種途徑[24]。

3.2 多糖包被作為阻礙液體和蛋白滲出的屏障 ESL是血管內(nèi)皮屏障的重要結(jié)構(gòu)成分，阻礙液體和蛋白的外滲。GAGs通過形成帶電網(wǎng)狀物覆蓋在細(xì)胞-細(xì)胞連接處，調(diào)節(jié)血管滲透壓梯度，有助于流體流量的Starling調(diào)節(jié)。研究顯示，EG降解可導(dǎo)致蛋白質(zhì)和液體外滲增加，提示ESL決定著血管滲透壓梯度，這對以前的Starling定律是一種完善[25-27]。但在肺動脈內(nèi)皮中，ESL是否具有阻礙液體和蛋白滲出的屏障作用，對此目前尚不明確。牛肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的體外研究顯示，EG的HS降解可直接引起內(nèi)皮細(xì)胞滲透性增加[28]，但上述發(fā)現(xiàn)在離體大鼠肺研究中并未得到證實[29]。有研究顯示，用標(biāo)記蛋白灌注離體小鼠肺，液體和蛋白通透性均未隨EG的降解而改變[26]。有研究報道，靜脈使用肝素酶-Ⅲ使肺內(nèi)ESL快速降解，這并不能使小鼠肺水腫加重[19]。以上研究提示，與全身血管系統(tǒng)相比，肺血管EG對于液體和蛋白質(zhì)屏障的作用不大，其機制尚不清楚。

近期研究顯示，EG的非GAGs成分對血管屏障功能亦起一定作用[30]。離體研究顯示，內(nèi)皮細(xì)胞表面糖蛋白的唾液酸降解可導(dǎo)致內(nèi)皮通透性增加[30]。目前尚不清楚對通透性的這種效應(yīng)是由于唾液酸被動的血管屏障作用，還是由于唾液酸殘基損耗而觸發(fā)導(dǎo)致通透性升高的內(nèi)皮信號級聯(lián)反應(yīng)，但細(xì)胞表面唾液酸的降解則與內(nèi)皮細(xì)胞從基底膜的脫落有關(guān)，這提示頂端信號向基底表面的傳導(dǎo)[30]。此外，使用神經(jīng)氨酸酶降解唾液酸能加強屏障功能，提示含唾液酸的糖蛋白能主動調(diào)節(jié)屏障功能，而不是簡單的被動結(jié)構(gòu)[30]。

3.3 肺多糖包被和NO誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性的關(guān)系 雖然肺EG的GAGs對液體和蛋白質(zhì)的屏障作用不大，但其損失可能引起信號級聯(lián)反應(yīng)，最終改變血管通透性。在NO介導(dǎo)的血管舒張系統(tǒng)傳導(dǎo)中，GAGs（如HS和HA）對血管切應(yīng)力的傳導(dǎo)至關(guān)重要[16,31,32]。雖然EG控制NO介導(dǎo)血管舒張的機制尚不清楚，但研究推測可能與EG可調(diào)控NO生物利用度有關(guān)[33]，或EG有調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）活性的潛在能力[34]。

EG或ESL有影響NO介導(dǎo)機械力轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力。牛肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞通過NO介導(dǎo)的方式增加通透性，以調(diào)節(jié)跨內(nèi)皮壓力刺激[28]。這種跨內(nèi)皮壓力梯度被細(xì)胞表面HS感知并轉(zhuǎn)導(dǎo)，用肝素酶-Ⅲ處理后可引起通透性增加。離體灌注鼠肺模型研究顯示，增加血管壓力時，主要通過HS介導(dǎo)的方式來增強內(nèi)皮通透性[29]。上述發(fā)現(xiàn)與肺損傷密切相關(guān)，提示血管擴張在ALI/ARDS中潛在的重要性[35]。值得注意的是，除血管擴張外，其他物理力如潮氣量也與ALI/ARDS高度相關(guān)。事實上，高潮氣量一方面誘導(dǎo)內(nèi)皮NO的產(chǎn)生，另一方面增加內(nèi)皮細(xì)胞環(huán)磷酸鳥苷（cyclic guanosinc monophosphate，cGMP）的濃度，而cGMP產(chǎn)生可能導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能障礙[36]。但EG降解并不妨礙壓力誘導(dǎo)的cGMP產(chǎn)生，提示在NO介導(dǎo)的機械傳導(dǎo)調(diào)節(jié)潮氣量作用中，ESL的作用尚需進一步評估。呼吸機相關(guān)性肺損傷的發(fā)病機制是否與ESL缺失有關(guān)目前尚不清楚。

4 小 結(jié)

綜上所述，肺EG可阻礙中性粒細(xì)胞黏附和外滲、影響物理應(yīng)力的內(nèi)皮轉(zhuǎn)導(dǎo)，對內(nèi)皮通透性具有活性調(diào)控作用，在急性肺損傷病理過程中可作為阻礙液體和蛋白滲出的屏障，同時可能影響NO介導(dǎo)的內(nèi)皮通透性。但內(nèi)皮EG在急性肺損傷中的確切作用尚需進一步研究來揭示。

[1]Levick J R, Michel C C. Microvascular fluid exchange and the revised Starling principle [J]. Cardiovasc Res, 2010, 87（2）: 198-210.

[2]van den Berg B M, Vink H, Spaan J A. The endothelial glycocalyx protects against myocardial edema [J]. Circ Res, 2003, 92（6）: 592-594.

[3]Lipowsky H H. The endothelial glycocalyx as a barrier to leukocyte adhesion and its mediation by extracellular proteases [J]. Ann Biomed Eng, 2012, 40（4）: 840-848.

[4]Nelson A, Berkestedt I, Schmidtchen A, et al. Increased levels of glycosaminoglycans during septic shock: relation to mortality and the antibacterial actions of plasma [J]. Shock, 2008, 30（6）: 623-627.

[5]Steppan J, Hofer S, Funke B, et al. Sepsis and major abdominal surgery lead to flaking of the endothelial glycocalix [J]. J Surg Res, 2011, 165（1）: 136-141.

[6]Broekhuizen L N, Mooij H L, Kastelein J J, et al. Endothelial glycocalyx as potential diagnostic and therapeutic target in cardiovascular disease [J]. Curr Opin Lipidol, 2009, 20（1）: 57-62.

[7]Gao L, Lipowsky H H. Composition of the endothelial glycocalyx and its relation to its thickness and diffusion of small solutes [J]. Microvasc Res, 2010, 80（3）: 394-401.

[8]van Teeffelen J W, Brands J, Stroes E S, et al. Endothelial glycocalyx: sweet shield of blood vessels [J]. Trends Cardiovasc Med, 2007, 17（3）: 101-105.

[9]Tarbell J M, Ebong E E. The endothelial glycocalyx: a mechano-sensor and transducer [J]. Sci Signal, 2008, 1（40）: pt8.

[10]溫 克, 賀平年, 婁建石. 血管內(nèi)皮細(xì)胞糖萼與心血管疾病[J]. 中國藥理學(xué)通報, 2008，24（8）: 981-984.

[11]Reitsma S, Slaaf D W, Vink H, et al. The endothelial glycocalyx: composition, functions, and visualization [J]. Pflugers Arch, 2007, 454（3）: 345-359.

[12]Pries A R, Secomb T W, Gaehtgens P. The endothelial surface layer [J]. Pflugers Arch, 2000, 440（5）: 653-666.

[13]Mulivor A W, Lipowsky H H. Role of glycocalyx in leukocyte-endothelial cell adhesion [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2002, 283（4）: H1282-H1291.

[14]Massena S, Christoffersson G, Hjertstrom E, et al. A chemotactic gradient sequestered on endothelial heparan sulfate induces directional intraluminal crawling of neutrophils [J]. Blood, 2010, 116（11）: 1924-1931.

[15]Curry F R. Microvascular solute and water transport [J]. Microcirculation, 2005, 12（1）: 17-31.

[16]Florian J A, Kosky J R, Ainslie K, et al. Heparan sulfateproteoglycan is a mechanosensor on endothelial cells [J]. Circ Res, 2003, 93（10）: e136-e142.

[17]Schmidt E P, Yang Y, Janssen W J, et al. The pulmonary endothelial glycocalyx regulates neutrophil adhesion and lung injury during experimental sepsis [J]. Nat Med, 2012, 18（8）: 1217-1223.

[18]Smith M L, Long D S, Damiano E R, et al. Near-wall micro-PIV reveals a hydrodynamically relevant endothelial surface layer in venules in vivo [J]. Biophys J, 2003, 85（1）: 637-645.

[19]Yang Y, Schmidt E P. The endothelial glycocalyx: an important regulator of the pulmonary vascular barrier [J]. Tissue Barriers, 2013, 1（1）: e234941-e234946.

[20]Matthay M A, Ware L B, Zimmerman G A. The acute respiratory distress syndrome [J]. J Clin Invest, 2012, 122（8）: 2731-2740.

[21]Wang L, Fuster M, Sriramarao P, et al. Endothelial heparan sulfate deficiency impairs L-selectin and chemokinemediated neutrophil trafficking during inflammatory responses [J]. Nat Immunol, 2005, 6（9）: 902-910.

[22]Doyle N A, Bhagwan S D, Meek B B, et al. Neutrophil margination, sequestration, and emigration in the lungs of L-selectin-deficient mice[J]. J Clin Invest, 1997, 99（3）: 526-533.

[23]Parish C R. The role of heparan sulphate in inflammation [J]. Nat Rev Immunol, 2006, 6（9）: 633-643.

[24]Patterson A M, Gardner L, Shaw J, et al. Induction of a CXCL8 binding site on endothelial syndecan-3 in rheumatoid synovium [J]. Arthritis Rheum, 2005, 52（8）: 2331-2342.

[25]Adamson R H. Permeability of frog mesenteric capillaries after partial pronase digestion of the endothelial glycocalyx [J]. J Physiol, 1990, 428（1）: 1-13.

[26]Chappell D, Jacob M, Hofmann-Kiefer K, et al. Hydrocortisone preserves the vascular barrier by protecting the endothelial glycocalyx [J]. Anesthesiology, 2007, 107（5）: 776-784.

[27]Salmon A H, Satchell S C. Endothelial glycocalyx dysfunction in disease: albuminuria and increased microvascular permeability [J]. J Pathol, 2012, 226（4）: 562-574.

[28]Dull R O, Mecham I, McJames S. Heparan sulfates mediate pressure-induced increase in lung endothelial hydraulic conductivity via nitric oxide/reactive oxygen species [J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2007, 292（6）: L1452-L1458.

[29]Dull R O, Cluff M, Kingston J, et al. Lung heparan sulfates modulate K（fc） during increased vascular pressure: evidence for glycocalyx-mediated mechanotransduction [J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2012, 302（9）: L816-L828.

[30]Cioffi D L, Pandey S, Alvarez D F, et al. Terminal sialic acids are an important determinant of pulmonary endothelial barrier integrity [J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2012, 302（10）: L1067-L1077.

[31]Mochizuki S, Vink H, Hiramatsu O, et al. Role of hyaluronic acid glycosaminoglycans in shear-induced endothelium-derived nitric oxide release [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2003, 285（2）: H722-H726.

[32]Pahakis M Y, Kosky J R, Dull R O, et al. The role of endothelial glycocalyx components in mechanotransduction of fluid shear stress [J]. Biochem Biophys Res Commun, 2007, 355（1）: 228-233.

[33]Kumagai R, Lu X,Kassab G S. Role of glycocalyx in flowinduced production of nitric oxide and reactive oxygen species [J]. Free Radic Biol Med, 2009, 47（5）: 600-607.

[34]Tkachenko E, Rhodes J M, Simons M. Syndecans: new kids on the signaling block [J]. Circ Res, 2005, 96（5）: 488-500.

[35]National Heart, Lung, and Blood Institute Acute Respiratory Distress Syndrome（ARDS） Clinical Trials Network, Wiedemann H P, Wheeler A P, et al. Comparison of two fluid-management strategies in acute lung injury [J]. N Engl J Med, 2006, 354（24）: 2564-2575.

[36]Schmidt E P, Damarla M, Rentsendorj O, et al. Soluble guanylyl cyclase contributes to ventilator-induced lung injury in mice [J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2008, 295（6）: L1056-L1065.

（2015-10-27 收稿 2015-12-16 修回）

（責(zé)任編輯 郭 曉）

Research progress on pulmonary endothelial gycocalyx and acute lung injury

FANG Chen and ZHANG Jianfeng. Department of Emergency, The First Hospital Affiliated to Guangxi Medical University, Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530021, China

Located on the luminal surface of vascular endothelial cells， the endothelial glycocalyx is composed of proteoglycan, glycosaminoglycan, glycoproteins and a wide array of molecules from plasma. Pulmonary endothelial glycocalyx serves as a barrier to neutrophil adhersion and extravasation. And it also has an impact on the active regulation of endothelial permeability. Endothelial glycocalyx plays a pivotal role in acute lung injury. Protection or reconstruction of glycocalyx may prove to be a new therapeutic approach for acute lung injury.

glycocalyx；endothelial cell；acute lung injury

R655.3

10.13919/j.issn.2095-6274.2016.01.013

國家自然科學(xué)基金項目（81360290）；廣西自然科學(xué)基金項目（2014GXNSFAA118195）

方 辰，碩士研究生在讀，E-mail: fangchen54@yeah.net

530021 南寧，廣西壯族自治區(qū)廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院急診科

張劍鋒，E-mail: zhangjianfeng930@163.com