心臟外科術(shù)后急性肺損傷主要生物標志物的研究進展

張航，虞敏，谷彤彤，袁忠祥

急性肺損傷（acute lung injury，ALI）是心臟外科手術(shù)常見并發(fā)癥之一，發(fā)生率為10%～25%［1］，其主要臨床表現(xiàn)為低氧血癥、呼吸過速、胸片顯示雙肺彌漫性浸潤影，主要發(fā)病機制與體外循環(huán)（cardiopulmonary bypass，CPB）引起的非感染性全身炎癥反應(yīng)綜合征（SIRS）和肺缺血-再灌注損傷有關(guān)。急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）是ALI的嚴重階段，其病死率較高［2］。目前，診斷ALI/ARDS主要依據(jù)《急性呼吸窘迫綜合征：柏林標準》［2］，與1994年歐美共識會議提出的ARDS診斷標準［3］相比，其可行性及可靠性更好，但目前尚缺少早期診斷ALI簡便、有效的臨床指標［4］。生物標志物是指可以標記系統(tǒng)、器官、組織、細胞及亞細胞結(jié)構(gòu)或功能改變的生化指標，可用于疾病診斷。近年來隨著臨床對心臟外科術(shù)后ALI病理生理學研究深入，CPB引起的炎性因子及肺組織缺血-再灌注損傷后的活化細胞分子可能成為診斷ALI的潛在生物標志物。本文綜述了心臟外科術(shù)后ALI主要生物標志物的研究進展，以期為ALI的早期診斷提供參考。

1 中性粒細胞

中性粒細胞是參與ALI發(fā)生、發(fā)展的重要效應(yīng)細胞，屬于肺內(nèi)炎性因子。CPB引起肺組織缺血-再灌注后，中性粒細胞過度激活并聚集于靶組織，產(chǎn)生大量生物活性物質(zhì)（如細胞因子、氧自由基、蛋白酶）釋放大量毒素，進而促進炎性反應(yīng)發(fā)展，導(dǎo)致肺組織損傷。彈性蛋白酶（NE）和髓過氧化物酶（MPO）是中性粒細胞產(chǎn)生的細胞毒性分子，已被證實參與ALI病理生理變化過程。

1.1 NE NE是中性粒細胞激活后產(chǎn)生的一類炎性遞質(zhì)，屬于絲氨酸超家族成員，其主要生理功能是分解中性粒細胞吞噬的外源性有機分子。炎性反應(yīng)時激活的中性粒細胞可釋放大量NE至細胞外，引發(fā)彈性蛋白和膠原蛋白降解，進而導(dǎo)致組織、細胞和血管基底膜損傷。目前主流醫(yī)學觀點認為，NE在ALI的病理生理過程中發(fā)揮著重要作用，主要依據(jù)如下：（1）動物模型ALI和ALI患者NE水平均升高［5］；（2）體外應(yīng)用NE可導(dǎo)致典型的ALI癥狀［6］；（3）抑制NE活性可減輕ALI臨床癥狀［5，7］。既往研究結(jié)果顯示，NE被認為是CPB術(shù)后反映中性粒細胞活化程度的生物標志物［8］，且血漿NE水平升高可增加肺泡-動脈氧分壓差和肺血管阻力［9］。TONZ等［10］研究發(fā)現(xiàn)，心臟病患者行常溫或低溫CPB期間血漿NE水平均明顯升高，在CPB結(jié)束時達峰值，且肺泡-動脈血氧分壓、呼吸指數(shù)、肺內(nèi)分流率等均與血漿NE水平變化一致，提示肺損傷與血漿NE水平有關(guān)。中性粒細胞是參與ALI發(fā)生的重要細胞，而NE是評價中性粒細胞活化程度的客觀指標，故可作為心臟外科術(shù)后ALI發(fā)生的生物標志物。

1.2 MPO MPO存在于中性粒細胞溶酶體內(nèi)，是中性粒細胞胞質(zhì)顆粒的主要組成部分及清除氧自由基的必需酶。肺組織中MPO含量增加提示中性粒細胞在肺內(nèi)聚集、浸潤并伴隨大量氧自由基產(chǎn)生，故肺組織中MPO含量升高常提示肺損傷的發(fā)生。既往研究結(jié)果顯示，ALI患者支氣管肺泡灌洗液（BALF）中MPO活性明顯升高［11］。MCCABE等［12］研究將MPO作為預(yù)測先天性膈疝術(shù)中中性粒細胞活性及肺損傷的血清標志物。AYAZ等［13］研究結(jié)果顯示，中性粒細胞是CPB術(shù)后發(fā)生ALI的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且肺毛細血管內(nèi)皮細胞通透性與血漿MPO水平呈正相關(guān)。因此，MPO作為衡量中性粒細胞激活的客觀指標，可用于評估心臟外科術(shù)后ALI的發(fā)生。

2 炎性細胞因子

炎性細胞因子屬于全身炎性因子。CPB可引起多種炎性細胞激活和一系列炎性因子釋放，進而引發(fā)肺組織損傷。ALI的早期研究主要集中于炎性細胞因子，既往研究結(jié)果顯示，單核細胞趨化因子1（MCP-1）水平與冠狀動脈旁路移植術(shù)（CABG）后并發(fā)肺炎有關(guān)［14］，白介素8（IL-8）水平升高可增加大血管術(shù)后肺泡毛細血管通透性［15］，白介素6（IL-6）、IL-8水平升高可增加CABG后呼吸功能不全發(fā)生率［16］。此外，IL-6、IL-8、白介素10（IL-10）、MCP-1及γ-干擾素誘導(dǎo)蛋白10（IP-10）水平升高均可導(dǎo)致移植肺功能障礙［17］。一項Meta分析結(jié)果顯示，腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白介素1β（IL-1β）、IL-6、IL-8、IL-10可評估ARDS患者預(yù)后［18］。筆者認為由CPB引起的SIRS、膿毒血癥也屬于急性炎性疾病，患者體內(nèi)炎性因子水平亦升高，故炎性細胞因子可作為心臟外科術(shù)后ALI的輔助診斷指標。

3 肺泡上皮細胞損傷標志物

3.1 可溶性晚期糖基化終末產(chǎn)物受體（sRAGE） sRAGE是細胞表面分子免疫球蛋白超家族成員之一，在Ⅰ型肺泡上皮細胞（AEC Ⅰ）中表達水平較高，其作為多配體受體，可通過核因子κB（NF-κB）激活炎性反應(yīng)［19］。既往研究結(jié)果顯示，ARDS患者血漿和肺水腫液sRAGE水平均高于心源性肺水腫患者及健康志愿者［19］。TUINMAN等［20］研究發(fā)現(xiàn)，CABG和瓣膜手術(shù)后患者血漿sRAGE水平均升高，肺泡毛細血管通透性增加；LIU等［21］研究結(jié)果顯示，高水平sRAGE已被證實是兒童心臟術(shù)后發(fā)生ALI的獨立預(yù)測因子。此外，無論兒童還是成年人心臟術(shù)后血漿sRAGE水平升高均會導(dǎo)致氧合指數(shù)下降、ALI發(fā)生風險升高及拔管和住院時間延長［22］。因此，sRAGE在ALI的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，當細胞損傷或機體處于應(yīng)激狀態(tài)時sRAGE可通過受損的毛細血管或肺泡進入血液和肺泡液。

3.2 表面活性蛋白D（SP-D） SP-D屬于親水性蛋白，主要由肺泡 Ⅱ型上皮細胞（AEC Ⅱ）合成、分泌，在肺部防御和免疫調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。BINNIE等［23］研究結(jié)果顯示，在評估ALI/ARDS預(yù)后的生物標志物中，SP-D具有較高的靈敏度及特異度。ENGELS等［24］進行的一項前瞻性研究結(jié)果顯示，術(shù)后1 h合并ALI的患者血漿SP-D水平明顯升高，且CPB-CABG的患者血漿SP-D水平高于行非體外循環(huán)CABG患者，提示術(shù)后血漿SP-D水平與ALI的發(fā)生有關(guān)。楊卿等［25］通過分析49例ICU ARDS患者發(fā)現(xiàn)，發(fā)病早期血清SP-D水平升高是ICU ARDS患者死亡的獨立危險因素。EISNER等［26］研究結(jié)果顯示，血漿SP-D水平升高患者住院期間、呼吸機輔助通氣時間較長，器官衰竭發(fā)生率及病死率較高。因此，SP-D可作為診斷心臟外科術(shù)后ALI的生物標志物，且對評估患者預(yù)后具有重要意義。

3.3 KL-6 KL-6是表達于AEC Ⅱ和呼吸性細支氣管上的糖蛋白。既往研究發(fā)現(xiàn)，血漿KL-6水平與肺損傷嚴重程度和疾病預(yù)后有關(guān)［27］；且各類間質(zhì)性肺疾病患者BALF和血漿KL-6水平均明顯升高［28］；此外，KL-6也是診斷肺移植患者術(shù)后并發(fā)支氣管炎的主要參考指標［29］。KL-6是AEC Ⅱ損傷的特異性標志物［27］，可作為診斷心臟外科術(shù)后ALI的參考指標。

4 支氣管上皮細胞損傷標志物

Clara細胞分布于細支氣管黏膜上，可分泌Clara細胞分泌蛋白（CCSP），因CCSP相對分子量為15 840，故又稱為CC16。CC16具有抗炎、抗氧化、抑制腫瘤細胞生長及轉(zhuǎn)移等多種生物學功能，支氣管上皮表面的CC16是正常人血清濃度的10 000倍，故外周血CC16主要來自呼吸道。ALI發(fā)生時Clara細胞數(shù)量減少，BALF CC16水平下降，而血漿CC16水平升高［30］，且血漿CC16水平升高會增加患者死亡風險［31］。此外，在CABG或瓣膜手術(shù)中，CC16均被作為觀察肺損傷的主要參考指標［24，32］。CC16分子量較小，易擴散至血液，且血漿CC16水平與高病死率有關(guān)，故CC16可作為心臟外科術(shù)后肺損傷的生物標志物。

5 肺血管內(nèi)皮細胞損傷標志物

人內(nèi)皮細胞特異性分子1（ESM-1）主要表達于肺血管內(nèi)皮細胞和腎小管上皮細胞。既往研究結(jié)果顯示，膿毒血癥患者ESM-1水平急劇升高，且其與疾病嚴重程度有關(guān)，可作為判斷膿毒血癥患者預(yù)后的臨床指標［33］。ALI發(fā)生時，ESM-1作為保護因子可阻止中性粒細胞遷移至肺臟，進而減輕肺損傷。MIKKELSEN等［34］通過分析48例嚴重創(chuàng)傷患者發(fā)現(xiàn)，并發(fā)ALI者血漿ESM-1水平低于未并發(fā)ALI者，此外ESM-1＞7 ng/ml患者ALI發(fā)生率較低，較低水平ESM-1提示內(nèi)皮細胞處于易損傷狀態(tài)，可能更易發(fā)展為ARDS。ESM-1作為內(nèi)皮細胞保護因子，可反映內(nèi)皮細胞損傷程度及體內(nèi)炎性反應(yīng)嚴重程度。目前，有關(guān)ESM-1與ALI關(guān)系的研究仍處于早期階段，且不同原因所致的ALI患者ESM-1水平有所不同，還需進一步研究探索。

6 微小RNA（miRNA）

miRNA是從真核生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一類具有調(diào)節(jié)功能的非編碼小RNA，作為一種基因表達的負性調(diào)節(jié)因子，其參與調(diào)節(jié)多數(shù)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及細胞的生命歷程，如細胞的增殖、分化及血管生成、感染-免疫反應(yīng)、細胞間相互作用等。miRNA的表達失調(diào)與一系列疾病相關(guān)，包括心律失常、ARDS、慢性阻塞性肺疾?。–OPD）、糖尿病、慢性感染、腫瘤等。

近年來，miRNA作為一類新型基因調(diào)控分子，在肺損傷的細胞凋亡和炎性反應(yīng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［28，35］。有關(guān)miRNA與細胞凋亡的研究結(jié)果顯示，體內(nèi)缺乏某些特定的miRNA會使細胞凋亡增加，而細胞凋亡參與了ALI的發(fā)生過程［36］。有關(guān)miRNA和AEC Ⅱ的研究結(jié)果顯示，與凋亡相關(guān)的miRNA包括miRNA-449A-5P、miRNA-34b/c-5p、miRNA-200a/c-3p等數(shù)十種凋亡基因，提示miRNA在AECⅡ凋亡過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對ALI具有調(diào)節(jié)作用［37］。在機械通氣所致肺損傷中，高潮氣量可導(dǎo)致miRNA表達發(fā)生明顯變化，故miRNA可能成為機械通氣相關(guān)肺損傷的潛在治療靶點［38］。CPB導(dǎo)致肺缺血-再灌注損傷動物實驗結(jié)果顯示，心肺轉(zhuǎn)流術(shù)后肺組織中miRNA-let-7d、miRNA-21、miRNA-107、miRNA-145、miRNA-146a、miRNA-182、miRNA-192、miRNA-126、miRNA-152、miRNA-16、miRNA-155、miRNA-142-5p、miRNA-223表達明顯上調(diào)，推測miRNA有助于預(yù)測心肺轉(zhuǎn)流術(shù)后肺損傷［39］。miRNA在血漿中的表達處于動態(tài)變化，可反映細胞內(nèi)外信號變化。既往多項研究監(jiān)測過血漿miRNA水平在疾病發(fā)展過程中的變化，其中WANG等［40］研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-146a和miRNA-223能減輕患者SIRS程度，其診斷敗血癥具有較高的靈敏度和特異度；MCLEAN等［28］研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)血miRNA-126、miRNA-17～92簇、miRNA-130、miRNA-21和miRNA-221可作為ALI/ARDS在內(nèi)的多種肺部炎性疾病的生物標志物，可用于預(yù)測肺泡毛細血管功能及修復(fù)再生情況。

miRNA在血液、組織液及其他體液中均可監(jiān)測到，且特定的miRNA在特定的組織中較穩(wěn)定，幾乎不受樣本處理誤差的影響，這使miRNA作為肺損傷新型標志物成為可能。目前，有關(guān)miRNA和ALI關(guān)系的研究仍處于早期階段，且miRNA數(shù)量龐大、種類繁多并多基于細胞或動物實驗研究，許多調(diào)控機制目前仍不十分清楚。但miRNA的差異性表達會影響ALI的發(fā)生發(fā)展，隨著臨床對復(fù)雜和特定miRNA的研究深入，miRNA可能成為ALI的分子治療靶點和新型生物標志物。

7 凝溶膠蛋白

凝溶膠蛋白（gelsolin）是凝溶膠蛋白超家族成員之一，廣泛存在于多種組織和細胞中，其是一種重要的肌動蛋白結(jié)合蛋白，可通過切斷、封端肌動蛋白絲或使肌動蛋白聚集成核等方式而控制肌動蛋白結(jié)構(gòu)。凝溶膠蛋白主要分為胞質(zhì)型凝溶膠蛋白（cGSN）和血漿型凝溶膠蛋白（pGSN），其中pGSN是肌動蛋白清除劑及新型炎性調(diào)節(jié)因子，可通過與多種炎性遞質(zhì)結(jié)合而調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)，其在抑制炎性反應(yīng)擴散過程中發(fā)揮著重要作用。

早在1988年，SMITH等［41］就發(fā)現(xiàn)，油酸誘發(fā)的ALI中有大量肌動蛋白釋放，pGSN水平下降，同時外周血中可以檢測到Actin-凝溶膠蛋白復(fù)合物。近年來，有關(guān)肺臟中凝溶膠蛋白水平的研究報道較多。CHRISTOFIDOU-SOLOMIDOU等［42］研究發(fā)現(xiàn)，在氧化應(yīng)激肺損傷模型中，pGSN水平下降；在靶向損傷肺內(nèi)皮細胞肺損傷模型中，pGSN水平與肺損傷嚴重程度呈負相關(guān)；在高濃度吸氧引發(fā)的肺損傷模型中，pGSN水平下降的同時伴有大面積肺損傷，提示不同原因?qū)е碌腁LI中，pGSN水平下降均能誘導(dǎo)或加重肺損傷。SHI等［43］通過觀察77例行先天性心臟病修補術(shù)的患兒發(fā)現(xiàn)，術(shù)前pGSN水平是預(yù)測術(shù)后發(fā)生ALI的獨立危險因素，且其與ALI嚴重程度呈負相關(guān)，故可將術(shù)前pGSN水平作為先天性心臟病修補術(shù)后肺損傷的早期預(yù)測指標。LEE等［44］研究也證實了外源性補充凝溶膠蛋白制劑能有效緩解ALI引發(fā)的肺泡毛細血管通透性增加、減少肺部炎性細胞浸潤，進而減輕肺損傷嚴重程度。因此，凝溶膠蛋白不僅參與維持肺臟正常生理功能，同時還參與了肺損傷的發(fā)生發(fā)展。

筆者推測心臟術(shù)后并發(fā)ALI時pGSN大量減少的原因可能如下：（1）pGSN大量聚集于肺損傷炎性部位，且還要清除血漿中壞死組織或細胞釋放的肌動蛋白；（2）pGSN與CPB中的大量炎性遞質(zhì)結(jié)合，以減輕炎性反應(yīng)程度。pGSN作為一種新型肺損傷標志物，盡管目前研究結(jié)果顯示其具有肺臟保護作用，但pGSN的具體作用機制仍不清楚，還需進一步研究探討。

8 小結(jié)與展望

心臟外科術(shù)后并發(fā)ALI患者缺乏特異性臨床表現(xiàn)，ALI/ARDS病因不同其發(fā)病機制及細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路亦可能不同。目前認為良好的生物標志物對疾病有很好的預(yù)測作用，但生物標志物易受年齡、性別、種族、時間等影響，故采用高精度、敏感、可靠的實驗測量工具檢測生物標志物顯得非常重要。目前，臨床已發(fā)現(xiàn)20多種與ALI相關(guān)的生物標志物，主要包括炎性因子及白細胞、肺泡上皮細胞、支氣管上皮細胞、肺血管內(nèi)皮細胞來源的生物標志物，其中SP-D、CC16診斷ALI的靈敏度較高。miRNA和凝溶膠蛋白作為新型ALI生物標志物，雖未用于臨床，但有望成為診斷ALI的新途徑。近年來隨著分子生物學不斷發(fā)展，診斷ALI的新型生物標志物被不斷發(fā)現(xiàn)，而ALI的發(fā)病涉及多個環(huán)節(jié)，且單個生物標志物難以反映疾病發(fā)生發(fā)展過程，故應(yīng)聯(lián)合多種生物標志物診斷ALI及評估預(yù)后。