急性脊髓損傷后繼發(fā)肺損傷發(fā)生機制的研究進展

王鳳霞，吳霜

急性脊髓損傷(acute spinal cord injury,ASCI)的常見致病原因為高墜傷和交通事故[1]。呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥是創(chuàng)傷性脊髓損傷患者急性期死亡的主要原因[2]。流行病學調(diào)查表明，ASCI后呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)生率為36%～83%，其中以肺炎、肺不張和呼吸衰竭最為常見[2]。頸髓損傷患者發(fā)生上述呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥的主要原因是膈肌及輔助呼吸肌癱瘓，導致呼吸受限、咳嗽無效、氣道內(nèi)分泌物滯留，但對于低節(jié)段脊髓(胸段脊髓及以下)損傷患者，這些機制顯然是不充分的[3]。近年來，有動物研究顯示ASCI后早期肺組織切片呈現(xiàn)肺充血、出血、水腫、炎性細胞滲出等病理表現(xiàn)，提示肺組織損傷可能是ASCI后早期出現(xiàn)肺部感染、呼吸衰竭等并發(fā)癥的主要原因之一[3]。為進一步明確病因，指導相關臨床治療，降低ASCI后早期呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)生率，現(xiàn)將ASCI后肺損傷發(fā)生機制的研究進展綜述如下。

1 ASCI后肺損傷的病理學依據(jù)

目前，國內(nèi)外已有較多動物研究證實，ASCI后早期肺大體解剖及組織學觀察呈現(xiàn)出肺損傷的病理改變。He等[3]用改良Allen法誘導大鼠T10水平急性脊髓損傷，肺組織大體解剖顯示損傷后12h可見肺組織出血，72h充血、出血、水腫最為嚴重；肺組織切片顯示損傷后12h內(nèi)，肺組織尤其是雙肺下葉出現(xiàn)出血性病變，而肺水腫于傷后24h出現(xiàn)，傷后72h達高峰。Liu等[4]、Jiang等[5]誘導大鼠T10水平急性脊髓損傷后，同樣觀察到了肺出血、水腫等病理表現(xiàn)。Zhu等[6]用鉗夾法制造T6～T7水平脊髓損傷模型，損傷后72h肺組織病理學檢查可見中性粒細胞、巨噬細胞浸潤，以及充血、出血、水腫等肺損傷改變。以上實驗研究說明大鼠ASCI后早期即出現(xiàn)肺充血、出血、水腫等病理改變，這些病理變化可能是ASCI后早期呼吸功能障礙的基礎。

2 全身炎癥反應

越來越多的研究證實，ASCI后早期不僅會引起脊髓組織的炎癥，還會導致全身炎癥反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)，造成多器官功能障礙，危及生命，而肺是ASCI后全身炎癥反應作用的主要靶器官[5]。目前對ASCI后全身炎癥反應的研究，主要集中在循環(huán)炎癥細胞激活后向遠隔器官的遷移、參與炎癥反應的重要因素等方面。

2.1 炎癥細胞的激活和遷移 中性粒細胞和單核/巨噬細胞是ASCI后全身炎癥反應的主要免疫細胞。ASCI后邊緣池中原有的和骨髓中新生成的中性粒細胞釋放入血循環(huán)，循環(huán)中性粒細胞大量增殖。脊髓及周圍組織的受損細胞釋放趨化因子、促炎性細胞因子及其他刺激分子入血，使循環(huán)中性粒細胞獲得更大的氧化爆發(fā)活性，同時通過增加血管內(nèi)皮細胞的粘附性和通透性，促進炎性細胞遷移到受損脊髓或肺、肝和腎等遠隔器官，造成器官損傷[7]。Gris等[7]在大鼠脊髓損傷實驗中，檢測到ASCI后大鼠血循環(huán)中性粒細胞數(shù)明顯增加，肺組織病理切片可見大量中性粒細胞和巨噬細胞浸潤、肺出血、肺泡結(jié)構破壞，肺組織髓過氧化物酶、環(huán)氧化酶-2、脂質(zhì)過氧化物酶、ED-1等中性粒細胞和巨噬細胞活性標志物增加，提示ASCI后血循環(huán)中被激活的炎癥細胞可遷移到肺組織并滲出，造成肺組織的損傷。Bao等[8]亦在ASCI患者中檢測到血液中性粒細胞和單核細胞活性明顯增高，氧自由基、誘導氧化爆發(fā)的關鍵酶、促炎轉(zhuǎn)錄因子NF-κB、脂質(zhì)過氧化物酶的表達增加，提示ASCI后血循環(huán)中性粒細胞、單核細胞被激活，并獲得更大的攻擊性。研究發(fā)現(xiàn)，在燒傷、多發(fā)創(chuàng)傷、感染等疾病造成的全身炎癥反應中，都會出現(xiàn)肺組織內(nèi)中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤[7]。雖然在不同疾病中，炎癥的觸發(fā)因素可能是不同的，但是它們都有一個共同點，就是被激活的中性粒細胞和單核細胞向肺組織內(nèi)遷移并滲出，造成肺損傷，ASCI也不例外。

2.2 與全身炎癥反應發(fā)生有關的重要因素

2.2.1 α4β1、CD11d/CD18整合素 早期研究發(fā)現(xiàn)，α4β1整合素是由人和鼠中性粒細胞、單核細胞等免疫細胞表達的一種跨膜受體，可與血管內(nèi)皮細胞粘附分子-1(Porcine Vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1)結(jié)合，從而介導上述免疫細胞從血管內(nèi)到周圍組織的遷移[9]。近期Fleming等[10]學者亦證實α4β1整合素可介導白細胞在血管內(nèi)皮上的粘附、聚集和滾動，促進白細胞滲出。Bao等[11]在大鼠T4脊髓損傷后2h注入抗α4β1整合素抗體，阻斷α4β1整合素與VCAM-1結(jié)合，傷后24h檢測到肺組織中性粒細胞、巨噬細胞減少，肺組織氧化酶及自由基的濃度降低，肺組織內(nèi)脂質(zhì)過氧化和細胞死亡率降低，提示α4β1整合素在ASCI后全身炎癥反應發(fā)生過程中可能起到一定的作用。

中性粒細胞、單核細胞表達的CD11d/CD18整合素也被證實與ASCI后肺損傷有關。CD11d/CD18整合素在大鼠中與VCAM-1結(jié)合，在人體內(nèi)與人細胞間粘附分子-3(ICAM-3)和VCAM-1結(jié)合，促進上述免疫細胞與細胞外基質(zhì)分子的牢固粘附[12]。Ditor等[13]在脊髓損傷大鼠體內(nèi)注入抗CD11d/CD18整合素抗體可阻止中性粒細胞、單核細胞進入損傷的脊髓，減少脊髓氧化損傷，改善神經(jīng)功能。Bao等[14]利用壓迫法制造大鼠T4、T12脊髓損傷模型，并予CD11d整合素抗體注射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗CD11d治療可減少脊髓損傷后肺中性粒細胞和巨噬細胞的數(shù)目，降低肺組織NF-kB、氧化酶及氧自由基的表達，減少脊髓損傷后肺組織的脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)硝基化和細胞死亡。上述研究證明CD11d/CD18整合素不僅參與了ASCI后脊髓炎癥的發(fā)生，而且介導了ASCI后全身炎癥反應，造成肺等器官損傷。

2.2.2 NLRP3炎性小體 NLRP3炎性小體是一種存在于細胞胞漿中的蛋白復合體，主要由核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)、細胞凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD,ASC)和前體天冬半胱氨酸-1(caspase-1前體)相互結(jié)合形成，是固有免疫的重要組成部分[15]。NLRP3炎性小體可被多種刺激因素激活，導致caspase-1前體活化，產(chǎn)生成熟的caspase-1，從而調(diào)節(jié)白細胞介素-1β(interleukin-1,IL-1β)和白細胞介素-18(IL-18)的激活和釋放，導致炎性反應的發(fā)生[15]。Jiang等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，ASCI后肺組織NLRP3炎性小體表達顯著上調(diào)，予多巴胺D1受體激動劑A-68930抑制NLRP3炎性小體激活，可降低支氣管肺泡灌洗液IL-1β、IL-18水平，減輕ASCI后肺出血、水腫。因此，NLRP3炎性小體可能參與ASCI后全身炎癥反應的發(fā)生，導致肺損傷，抑制該炎性小體激活，可能成為今后治療ASCI后肺損傷的一種措施。

2.2.3 GAPDH/Siah1信號通路 GAPDH即甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)，是細胞質(zhì)中的一種管家蛋白，參與糖酵解反應[17]。在急性損傷情況下，中性粒細胞到達損傷部位，釋放彈性蛋白酶等細胞毒性介質(zhì)，從而產(chǎn)生過量一氧化氮(NO)[18]。NO可以使GAPDH硝基化，之后獲得與一種E3泛素連接酶(Siah1)結(jié)合的能力，形成GAPDH/Siah1復合物，介導GAPDH、Siah1核易位的發(fā)生，導致細胞凋亡信號級聯(lián)的激活[17]。近期研究顯示，GAPDH/Siah1信號通路與急性肺損傷、ASCI后繼發(fā)性損傷等相關。如Takaoka等[19]運用外源性GADPH有效減少了肺部中性粒細胞及促炎細胞因子的浸潤，減輕脂多糖所致急性肺損傷。Huo等[20]采用蛋白免疫印跡法檢測ASCI大鼠細胞核和細胞質(zhì)中GAPDH及Siah1蛋白的表達，結(jié)果顯示，ASCI后12h GAPDH、Siah1在細胞核中的表達即增加，而在細胞質(zhì)中的表達下降，并在損傷后24h達峰值；阻斷GAPDH、Siah1由細胞質(zhì)向細胞核的易位后，脊髓炎癥反應及繼發(fā)性損傷減輕，提示GAPDH/Siah1信號通路介導的核易位可能參與介導ASCI后炎癥和細胞凋亡的發(fā)生。綜合以上研究，提示ASCI后肺損傷的發(fā)生可能與GAPDH/Siah1信號通路介導的級聯(lián)反應有關，阻斷該級聯(lián)反應可預防ASCI后肺部炎性損傷。

2.3 自噬對炎癥的調(diào)控作用 自噬是一個涉及細胞自身結(jié)構通過溶酶體機制而被分解的過程，廣泛存在于機體生理及病理情況下。細胞通過自噬，可降解因炎癥反應損傷的細胞器，并重新利用維持細胞穩(wěn)態(tài)；另一方面，細胞自噬的信號調(diào)控通路可調(diào)節(jié)機體免疫應答、控制或減輕機體的過度炎癥反應[21]。Chu等[22]通過對大鼠ASCI后肺內(nèi)自噬動力學變化的研究，提出ASCI 后肺組織內(nèi)細胞自噬被抑制，可能是ASCI后肺損傷的重要機制之一。ASCI后炎癥細胞遷移到肺內(nèi)，釋放炎癥因子，損傷細胞器，生理情況下，自噬將清除這些受損的細胞器，這在本質(zhì)上有益于細胞存活；然而，如果自噬被阻斷，將導致細胞死亡，擴大炎性損傷[23]。因此，恢復ASCI后肺組織內(nèi)細胞自噬，調(diào)控機體過度的炎癥反應，可能是ASCI后肺損傷一種潛在的治療方法。

3 神經(jīng)源性肺水腫

近年來，在急性脊髓損傷后肺損傷發(fā)生機制的研究中，神經(jīng)源性肺水腫(Neurogenic pulmonary edema，NPE)的研究越來越多。NPE是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)嚴重損害后肺水腫急性發(fā)作為主要特征的一種臨床綜合征，可由脊髓損傷、創(chuàng)傷性腦損傷、動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血、癲癇等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起[24-27]。NPE的典型病理特征是肺血管充血，血管周圍水腫，富含蛋白質(zhì)的水腫液滲出，肺泡內(nèi)積聚水腫液和紅細胞[11]。常在損傷后幾分鐘至幾小時內(nèi)出現(xiàn)，導致肺內(nèi)氧彌散功能障礙，隨之出現(xiàn)進行性低氧血癥，并可進一步發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合癥(acute respiratory distress syndrome,ADRS)，如未能及時診治，死亡率極高[28-29]。盡管有許多NPE相關動物實驗和臨床研究，但NPE確切發(fā)生機制仍未完全明確，目前最為公認的是交感神經(jīng)過度興奮理論，近年來提出觸發(fā)區(qū)激活、顱內(nèi)壓升高也在NPE發(fā)生過程中起到重要作用。

3.1 交感神經(jīng)興奮與NPE 沖擊傷理論和滲透缺陷理論是NPE的經(jīng)典理論，被廣大學者所認可，并認為NPE是這兩種損傷共同造成的結(jié)果。目前這兩種理論也在ASCI后NPE的研究中被證實并加以運用。

3.1.1 沖擊傷理論 Theodore等[30]于1976年提出了著名的沖擊傷理論。該理論認為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后機體發(fā)生應激反應，導致交感神經(jīng)過度興奮，兒茶酚胺類物質(zhì)(腎上腺素、去甲腎上腺素等)大量釋放入血，引起全身血管收縮，血流動力學急劇變化，動脈血壓急劇增高，體循環(huán)大量血液進入肺循環(huán)內(nèi)[30]。一方面，肺毛細血管靜水壓迅速增高，肺組織液生成與回流失衡，大量液體潴留在肺間質(zhì)，從而形成肺水腫；另一方面，血流沖擊造成血管內(nèi)皮損傷，同時由于組胺、神經(jīng)肽等活性物質(zhì)大量釋放，使血管通透性增加，血漿蛋白大量滲出，進一步加重急性肺水腫[30]。沖擊傷理論自提出以來，已在腦出血、顱腦損傷后NPE研究領域得到廣泛認可，近年來該理論也在急性脊髓損傷后肺水腫的研究中得到重視并被證實。Sedy等[31]測定了發(fā)生NPE的大鼠球囊壓迫脊髓前后血液兒茶酚胺水平，結(jié)果顯示球囊壓迫后即刻血液中去甲腎上腺素濃度增加64倍，腎上腺素濃度升高18倍；而未發(fā)生NPE的大鼠，壓迫后血液中去甲腎上腺素升高40倍，腎上腺素水平無明顯變化。由此證明，在脊髓損傷后NPE發(fā)生過程中，血循環(huán)去甲腎上腺素、腎上腺素濃度均明顯升高。他們還指出急性脊髓損傷后NPE發(fā)生的主要機制是：交感神經(jīng)異常興奮引起外周血管收縮，血壓升高，使血容量再分配到肺循環(huán)，并刺激壓力感受器，引起明顯的壓力反射性心動過緩，使大量血液積聚在肺部，從而引發(fā)肺水腫[32]。這些實驗研究結(jié)果以沖擊傷理論為基礎，并加以完善和發(fā)展。

3.1.2 滲透缺陷理論 滲透缺陷理論[33]認為，交感神經(jīng)系統(tǒng)直接作用于肺血管，使肺血管通透性增加，從而導致NPE。肺組織內(nèi)存在兩種腎上腺素受體，即α受體和β受體。α受體介導肺血管收縮，而β受體(主要是β2受體)介導肺血管、支氣管擴張。中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后，肺組織內(nèi)α受體興奮性明顯增高，而β受體興奮性下降。NPE發(fā)展過程中，兒茶酚胺類物質(zhì)與肺血管α1受體結(jié)合，肺內(nèi)血管收縮，肺毛細血管血壓升高，有效濾過壓增加，組織液生成增多；同時，細胞外Ca2+內(nèi)流增加，細胞內(nèi)Ca2+濃度增高，作用于細胞骨架，使細胞收縮，細胞間隙擴大，血管通透性增加。在大鼠脊髓壓迫模型中，用α1-腎上腺素受體抑制劑哌唑嗪、α2-腎上腺素受體抑制劑育亨賓或鈣通道阻滯劑硝苯地平預處理可減輕脊髓壓迫引起的血壓升高，阻止反射性心率減慢，防止ASCI后NPE的發(fā)生[31]。進一步證明脊髓損傷后α受體興奮性及Ca2+濃度的增高在NPE發(fā)展中的重要作用。

3.2 NPE的觸發(fā)區(qū) 一些實驗研究表明，在NPE發(fā)展過程中引起交感神經(jīng)功能紊亂的神經(jīng)元位于腦干、下丘腦和頸髓內(nèi)，被稱為NPE的“觸發(fā)區(qū)”[34]。具體區(qū)域包括延髓的A1和A5區(qū)、后區(qū)、孤束核、內(nèi)側(cè)網(wǎng)狀核和迷走神經(jīng)背核，下丘腦的室旁核和背內(nèi)側(cè)核。A1區(qū)位于延髓腹外側(cè)，由投射到下丘腦的兒茶酚胺神經(jīng)元組成；A5區(qū)位于延髓上部，其神經(jīng)元投射到脊髓交感神經(jīng)節(jié)前中心。A1區(qū)的損傷，A5區(qū)與頸髓之間神經(jīng)通路的中斷，刺激單側(cè)延髓后區(qū)，刺激雙側(cè)孤束核，下丘腦損傷，均被證明可引起交感神經(jīng)功能紊亂，造成嚴重的血流動力學改變，導致NPE的發(fā)生[35]。腦和脊髓損傷時，極有可能是這些區(qū)域的直接損傷，或者是由于破壞了脊髓通路導致與外周神經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)系中斷，從而導致交感神經(jīng)異常放電。

3.3 顱內(nèi)壓升高與NPE 流行病學調(diào)查表明，NPE主要發(fā)生在嚴重中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后顱內(nèi)壓增高的患者。由于顱腔和椎管的密閉結(jié)構，顱內(nèi)及椎管內(nèi)損傷、出血、壓迫，都有可能使顱內(nèi)壓急劇增高[32]。如Sussman等[36]報道1例C5～C7椎體爆裂性骨折并C5脊髓完全性損傷的患者，入院時無顱腦損傷表現(xiàn)，行C4～T1椎體融合術后12d，出現(xiàn)頭痛、惡心和復視，腰椎穿刺檢測顱內(nèi)壓為280mm H2O，但腦脊液檢查、頭部CT掃描均未見異常，診斷為特發(fā)性顱內(nèi)高壓(Idiopathic intracranial hypertension，IIH)，即以不明原因的顱內(nèi)壓升高及相關臨床表現(xiàn)為主要特征的一種綜合征。他們認為該患者顱內(nèi)壓增高的原因是：外力沖擊致C5脊髓完全性損傷時，椎體靜脈叢也受到損害，可能造成靜脈流出道阻塞從而使顱內(nèi)靜脈竇壓力升高，繼而腦脊液生成增多，顱內(nèi)壓上升[36]。顱內(nèi)壓升高后，腦血流灌注減少，腦組織缺血，可能刺激交感神經(jīng)興奮，導致全身性血壓升高和心率下降，從而進一步導致肺水腫的發(fā)生[32]。

4 展望

綜上所述，ASCI后繼發(fā)肺損傷可能是全身炎癥反應、交感神經(jīng)系統(tǒng)過度激活等因素分別或共同作用的結(jié)果。抑制或阻斷參與全身炎癥反應的整合素、炎性小體、信號通路，阻止全身血流動力學急劇變化等措施都被證明有效預防或減輕了ASCI后肺損傷的發(fā)生。但這些實驗研究大多停留在動物實驗階段，有關臨床研究仍較少。相信隨著研究的進展，未來這些措施會應用到ASCI后呼吸系統(tǒng)并發(fā)癥的臨床治療中，降低ASCI患者死亡率，提高患者生存質(zhì)量。