整合素在急性肺損傷中作用與機(jī)制的研究進(jìn)展

王 爽， 余 壯 綜述， 李 泉 審校

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院麻醉科，上海 200120)

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是由于各種致病因素?fù)p傷肺泡毛細(xì)血管膜，造成血管通透性增加，肺泡表面活性物質(zhì)功能失調(diào)。這些病理生理改變協(xié)同促進(jìn)了彌漫性肺泡和肺間質(zhì)水腫的發(fā)生，并最終導(dǎo)致急性低氧性呼吸功能不全，直接威脅患者的生命。各種直接和間接因素均可造成急性肺損傷，其中直接因素有肺炎、胸部創(chuàng)傷，吸入性肺損傷等，間接因素有膿毒癥、胰腺炎、輸血、創(chuàng)傷等。急性肺損傷可進(jìn)一步發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)，死亡率高達(dá)40%～50%。盡管目前臨床對危重患者的監(jiān)護(hù)和支持治療管理已有所改善，但其死亡率仍居高不下；因此明確急性肺損傷的發(fā)生發(fā)展機(jī)制對其治療預(yù)后顯得至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，整合素不但是一類重要的細(xì)胞黏附分子，而且也是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體分子，當(dāng)細(xì)胞外基質(zhì)與整合素受體結(jié)合后，調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附、遷移、增殖和分化等功能。

1 整合素家族概況

目前在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)24種有功能的整合素，每個(gè)整合素均由一個(gè)α亞基和一個(gè)β亞基通過非共價(jià)鍵結(jié)合成異源二聚體,其中α亞基有17種，β亞基有8種。每個(gè)亞基均為由一個(gè)相對大的胞外區(qū)、短的跨膜片段和相對短的胞內(nèi)區(qū)構(gòu)成的跨膜蛋白。胞外區(qū)與其配體結(jié)合，胞內(nèi)區(qū)與細(xì)胞內(nèi)各種信號蛋白結(jié)合，將細(xì)胞外的信號傳導(dǎo)到細(xì)胞內(nèi)，調(diào)整細(xì)胞骨架，調(diào)控基因表達(dá)，調(diào)節(jié)細(xì)胞活動等。急性肺損傷主要由上皮細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞損傷和炎癥因子釋放引起，因此控制炎癥介質(zhì)釋放或白細(xì)胞招募，減輕肺水腫是其主要研究重點(diǎn)。早期研究主要集中于白細(xì)胞表面含有β2亞基的整合素，這些整合素能夠募集血循環(huán)中的白細(xì)胞到損傷或感染的部位。近年來，大量研究[5-7]表明，整合素在急性肺損傷和感染性休克中發(fā)揮重要作用。αv整合素與β亞基可形成5個(gè)亞家族即αvβ1、αvβ3、αvβ5、αvβ6、αvβ8，可識別含線性精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(arginine-glycine-aspartic acid, RGD)三肽序列的配體，包括玻連蛋白，纖維蛋白原，未被活化的轉(zhuǎn)化生子因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)的LAP(latency-associated protein)復(fù)合物及其他細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，這些蛋白在大多數(shù)細(xì)胞中的表達(dá)受到嚴(yán)格的空間調(diào)控，參與調(diào)節(jié)血管的生長和通透性及組織炎癥和纖維化，在多種常見肺部疾病中起著重要作用。整合素αvβ3表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板中。發(fā)生膿毒癥時(shí)，αvβ3在肺中的表達(dá)上調(diào)[10]。αvβ5幾乎在所有細(xì)胞中表達(dá)。在發(fā)育過程中它的表達(dá)受到嚴(yán)格調(diào)控，其在生長、傷口愈合、血管生成中發(fā)揮重要作用。整合素αvβ6主要表達(dá)在上皮細(xì)胞中，尤其是發(fā)生炎癥或者損傷的肺等臟器的上皮細(xì)胞中[11]。研究[12]認(rèn)為，αvβ8是一種上皮生長抑制分子，在正常細(xì)胞中表達(dá)，但在致瘤性轉(zhuǎn)化的細(xì)胞中不表達(dá)。

2 整合素在急性肺損傷炎癥反應(yīng)中的作用

2.1 對中性粒細(xì)胞的作用

眾所周知，肺損傷是各種炎癥細(xì)胞、炎癥因子促炎-抗炎綜合作用的結(jié)果。肺部發(fā)生炎癥時(shí)，各種炎癥細(xì)胞和炎癥因子在肺內(nèi)聚集；聚集的過程和損傷機(jī)制尤為復(fù)雜，并且與整合素息息相關(guān)。中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞作為重要的炎癥細(xì)胞，在其中發(fā)揮的作用尤為重要。

2.1.1 招募作用 中性粒細(xì)胞是第一個(gè)由活化的肺泡巨噬細(xì)胞釋放趨化因子招募到炎癥感染部位的白細(xì)胞[13]，即中性粒細(xì)胞穿過血管內(nèi)皮細(xì)胞及上皮細(xì)胞進(jìn)入肺泡內(nèi)，產(chǎn)生氧化劑、蛋白酶和陽離子肽等發(fā)揮抗炎作用。但在病理情況下，這些物質(zhì)過多釋放到細(xì)胞外會破壞正常肺組織。中性粒細(xì)胞在脂多糖、酸、輸血相關(guān)的急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)中起關(guān)鍵作用。ARDS患者支氣管肺泡灌洗液(bronch-oalveolar lavage fluid,BAL)中的中性粒細(xì)胞的濃度與病情的嚴(yán)重程度和預(yù)后有關(guān)，中性粒細(xì)胞減少，肺損傷減輕[14]。中性粒細(xì)胞遷移到肺泡內(nèi)不破壞肺泡毛細(xì)血管屏障，但這一步驟是導(dǎo)致急性肺損傷的重要前提。整合素β2與中性粒細(xì)胞的招募密切相關(guān)。在中性粒細(xì)胞次級和三級顆粒中大量儲存CD11/CD18，當(dāng)受到趨化因子刺激后，快速釋放，表達(dá)于細(xì)胞表面，介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞與中性粒細(xì)胞的黏附。通過阻斷特定的黏附分子比如LFA-1(CD11a/CD18)和Mac-1(CD11b/CD18)抑制中性粒細(xì)胞募集，有效地減輕膿毒癥引起的肺損傷。同樣，采用乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶抑制劑使肺泡巨噬細(xì)胞表達(dá)的CXC趨化因子產(chǎn)量減少，細(xì)胞表面表達(dá)的黏附分子相應(yīng)減少，最終有效抑制了中性粒細(xì)胞的募集，減輕膿毒癥引起的肺損傷[15]。但限制其應(yīng)用的主要問題是整合素β2過少會引起白細(xì)胞黏附缺陷，會造成復(fù)發(fā)性細(xì)菌感染(即肺炎、牙齦炎、膿腫或腹膜炎)。研究[16]發(fā)現(xiàn)，在肺炎鏈球菌導(dǎo)致的急性肺損傷模型中，野生型小鼠和整合素β3基因敲除的小鼠肺泡灌洗液中，中性粒細(xì)胞數(shù)目差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，β3整合素對肺內(nèi)中性粒細(xì)胞的募集無明顯作用。乳脂球表皮生長因子8(MFG-8)通常是缺血再灌注肺損傷時(shí)單核細(xì)胞分泌的物質(zhì)，在HL-60細(xì)胞中與αvβ3整合素結(jié)合，使中性粒細(xì)胞的CD11b/CD18表達(dá)減少，降低內(nèi)皮細(xì)胞與中性粒細(xì)胞的親和力，減少中性粒細(xì)胞的募集。另外，MAPK通路激活，引起p38和ERK MAP激酶磷酸化，通過GRK2依賴途徑下調(diào)CXCR2的表達(dá)，降低對中性粒細(xì)胞的趨化作用，減少了中性粒細(xì)胞的遷移[17]。在臭氧引起的急性肺損傷模型中，中性粒細(xì)胞以CD18依賴的方式遷移到肺。氣道上皮細(xì)胞b6上調(diào)的部位決定中性粒細(xì)胞遷移的部位，這與后續(xù)氣道上皮細(xì)胞損傷的修復(fù)及增殖有關(guān)[18]。

2.1.2 活化作用 中性粒細(xì)胞從其他部位遷移到肺，不足以構(gòu)成肺損傷，還需要中性粒細(xì)胞活化，活化后的中性粒細(xì)胞才能從血管移動到肺間質(zhì)繼而滲入肺泡腔，導(dǎo)致肺炎癥反應(yīng)與組織水腫。中性粒細(xì)胞的活化及細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與整合素密切相關(guān)。整合素信號包括細(xì)胞外基質(zhì)與整合素受體結(jié)合所觸發(fā)的由外到內(nèi)的信號以及整合素與配體結(jié)合后調(diào)節(jié)細(xì)胞外活動的由內(nèi)到外的信號[19-20]。在整合素介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞活化時(shí)Src家族蛋白酪氨酸激酶的活化至關(guān)重要，β2整合素與配體結(jié)合引起Src酪氨酸家族激酶的活化從而引起后續(xù)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[21]。中性粒細(xì)胞的激活也需要Src酪氨酸激酶的活化，它的活化則通過經(jīng)典的磷酸ITAM信號通路介導(dǎo)[22]，再下游的信號機(jī)制目前仍不清楚。同時(shí)，由于研究技術(shù)的限制，目前清楚的由內(nèi)到外的信號機(jī)制較少。有研究[23-24]表明，可能與其相關(guān)的信號分子有Rap1、CALDAG-GEFI。在整合素信號通路與其他相關(guān)信號分子的作用下，中性粒細(xì)胞活化、黏附、遷移、呼吸爆發(fā)、脫顆粒反應(yīng)，最終造成組織損傷。

2.2 對巨噬細(xì)胞的作用

肺空氣界面結(jié)構(gòu)擁有一個(gè)復(fù)雜的免疫細(xì)胞群體，包括駐地間質(zhì)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞，以及巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)依賴的肺泡巨噬細(xì)胞[25-26]。肺泡巨噬細(xì)胞是肺部防御病原微生物和肺損傷的第一道防線，位于肺泡和氣道表面，對維持肺泡穩(wěn)態(tài)和對抗吸入的顆粒微生物至關(guān)重要。革蘭陰性菌表面的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激時(shí)，LPS首先與血清的LPS結(jié)合蛋白(LPS binding protein,LBP)結(jié)合，然后再與肺泡巨噬細(xì)胞表面的CD14分子結(jié)合，CD14通過GPI錨定于細(xì)胞膜，LPS以LPS-LBP-CD14三體復(fù)合物形式活化TLR4信號傳導(dǎo)，通過MyD88依賴和非依賴兩條路徑，最終激活NF-κB，產(chǎn)生各種炎癥介質(zhì)[27]。最近研究[28-29]表明，肺微環(huán)境比巨噬細(xì)胞的來源更影響肺泡巨噬細(xì)胞的行為，這表明巨噬細(xì)胞所處的環(huán)境決定它們的功能和表型，而不依賴于它最初的來源。Guth等[29]證實(shí)這是由于肺泡上皮細(xì)胞中有豐富的GM-CSF，使肺泡巨噬細(xì)胞表達(dá)高水平的CD11c。整合素在調(diào)控肺內(nèi)微環(huán)境有重要作用。β6基因敲除的小鼠與野生型小鼠的巨噬細(xì)胞表型不同，前者CD11c+CD11b+的表型較多，后者CD11c+CD11b-表型多。非感染的β6基因敲除小鼠Ⅰ型IFN的活性增強(qiáng)，巨噬細(xì)胞處于激活狀態(tài)，營造了抗微生物肺內(nèi)微環(huán)境。感染后的β6基因敲除小鼠能產(chǎn)生更多的磷酸化的IRF3和STAT1，使機(jī)體處于防御狀態(tài)，減輕肺損傷，提高感染小鼠的存活率[30]。β6整合素能激活肺內(nèi)TGF-β1，參與調(diào)節(jié)多種與免疫反應(yīng)和肺纖維化相關(guān)基因的表達(dá)，對調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞增強(qiáng)Ⅰ型IFN活性能力沒有影響，然而具體機(jī)制還不清楚[31]。但是從長遠(yuǎn)角度看，β6基因敲除的老鼠過度產(chǎn)生巨噬細(xì)胞源性基質(zhì)金屬蛋白酶12，引起肺組織破壞和肺氣腫[32]。

3 整合素對損傷肺通透性的影響

在急性肺損傷時(shí)，肺血管內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞的完整性遭到破壞，通透性增加，富含蛋白的水腫液滲出，氣體交換受損，引起低氧血癥和呼吸衰竭。作為內(nèi)皮功能紊亂的新的標(biāo)志物，內(nèi)皮微顆粒在發(fā)生膿毒癥相關(guān)肺損傷的小鼠血清中顯著升高[33]。因此，除了調(diào)控炎癥反應(yīng)程度，控制急性肺損傷，另一種被關(guān)注的方式是針對最終后果即肺水腫程度來干預(yù)急性肺損傷，即改變肺血管內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞的狀態(tài)。比如利用這一原理的藥物川芎嗪便是通過減少肺血管血漿內(nèi)皮微粒CD31+的釋放，降低肺血管通透性，減輕了LPS引起的膿毒癥肺損傷[34]。通過用整合素基因敲除的小鼠或使用相應(yīng)整合素封閉抗體，Sheppard已經(jīng)發(fā)現(xiàn)αvβ3、αvβ5、αvβ6多種急性肺損傷模型中調(diào)節(jié)肺泡毛細(xì)血管通透性發(fā)揮重要作用。

3.1 肺血管內(nèi)皮細(xì)胞

肺血管通透性增加一直被認(rèn)為是急性肺損傷的主要病理特征，對肺水腫的形成發(fā)揮重要作用。αvβ1在肺泡血管內(nèi)皮細(xì)胞中起保護(hù)作用，LPS可以使αvβ1整合素表達(dá)下調(diào)，肺血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加，導(dǎo)致炎癥因子的釋放增多，進(jìn)而引起ARDS。同樣有保護(hù)作用的還有β3。研究[35]發(fā)現(xiàn)，β3基因敲除的小鼠能夠使血管通透性增加，這是因?yàn)樵黾恿藘?nèi)皮細(xì)胞表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子受體2(VEGF-R2)，增強(qiáng)了內(nèi)皮細(xì)胞對VEGF的反應(yīng)。腹腔注射LPS和CLP以及氣管內(nèi)給予LPS引起急性肺損傷模型中，β3基因敲除的小鼠比野生型小鼠死亡率顯著增加且血管滲出增加，是因?yàn)槔忙羦β3封閉性抗體破壞磷酸鞘氨醇(SIP)，抑制了Rac1蛋白的活化，影響了肌動蛋白細(xì)胞骨架，使內(nèi)皮屏障功能受損[36]。但是在前期研究中，β3基因敲除和野生型小鼠CLP模型的生存率得到相反結(jié)果[37]。這可能是由于兩者小鼠CLP模型嚴(yán)重程度不同，TLR信號通路的參與程度不同，其次是所用小鼠的雌雄不同。同樣是αv整合素，αvβ5的作用則不同。對小鼠腹腔注射LPS或進(jìn)行CLP，β5基因敲除小鼠與野生型小鼠相比有更少的炎癥物質(zhì)的滲出和更高的存活率。將αvβ5抗體作用于人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞，都可減弱LPS引起的內(nèi)皮細(xì)胞阻抗增加的效應(yīng)，并能增加細(xì)胞骨架應(yīng)力纖維的形成，從而增強(qiáng)了血管屏障功能。這是因?yàn)棣?作用于VEGF,TGF-β和凝血酶激，最終激活RhoA，促進(jìn)了肌動蛋白應(yīng)力纖維的形成，破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障，增加了內(nèi)皮細(xì)胞通透性。功能性阻斷avβ5能相對預(yù)防大鼠因缺血再灌注和和高潮氣量通氣引起的血管通透性增強(qiáng)，前者是通過VEGF發(fā)揮作用，后者則是通過激活TGF-β發(fā)揮作用[38]。

3.2 肺泡上皮細(xì)胞

肺泡上皮細(xì)胞的破壞也造成通透性的增加，作為只表達(dá)在上皮細(xì)胞上的整合素，αvβ6發(fā)揮重要作用。健康人群一般很難檢測到αvβ6，只有在損傷、炎癥或剛出生時(shí)能檢測到它的表達(dá)，β6表達(dá)上調(diào)是上皮細(xì)胞對損傷或炎癥的早期反應(yīng)[11]。相反，αvβ8在正常細(xì)胞上表達(dá)，而在癌變的細(xì)胞上表達(dá)喪失，αvβ6、αvβ8都在維持肺泡上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用。作為同樣被證實(shí)能通過激活[39]。使用RGD或β6抗體處理的CLP小鼠能夠減少肺部EBA滲透指數(shù)，肺部的炎癥減輕[40]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)敲除或用抗體阻斷αvβ6或TGF-α后，能保護(hù)LPS或高潮氣量通氣造成的肺泡上皮細(xì)胞的破壞，減少滲出，減輕急性肺損傷的程度。這在博來霉素引起的急性肺損傷也得到證實(shí)[41]，其作用機(jī)制是β6基因敲除小鼠抑制TGF-β的激活，而TGF-β本身能夠去除ENac的α亞基，減少肺泡II型上皮細(xì)胞表達(dá)ENac，不利于鈉的清除，加重肺水腫。因此，αvβ6整合素在膿毒癥時(shí)通過激活血管內(nèi)皮細(xì)胞上TGF-β來增加上皮細(xì)胞通透性，引起炎癥介質(zhì)釋放及水腫清除困難，加重對組織器官的損害[42]。

4 展 望

綜上所述，整合素在急性肺損傷發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，它參與調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞的遷移和活性、炎癥的程度、肺泡毛細(xì)血管屏障功能，為臨床及時(shí)干預(yù)和治療急性肺損傷病程進(jìn)展提供理論基礎(chǔ)。影響肺損傷嚴(yán)重程度與轉(zhuǎn)歸的因素眾多，反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，整合素可以與多種分子形成緊密聯(lián)系的龐大網(wǎng)絡(luò)信號通路，但其如何在這一網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用仍需進(jìn)一步研究。