間歇性低氧對肺組織的損傷及機制

劉玉東 段爭

河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院呼吸二科,石家莊 050000

OSAHS是一種困擾著3%～7%中年人群的常見呼吸系統(tǒng)病癥[1],其以在睡眠過程中反復出現(xiàn)呼吸暫停和低通氣為特征,造成各組織和器官的反復低氧-復氧過程,產(chǎn)生對心血管、腦血管和呼吸系統(tǒng)的損傷,還能導致物質代謝紊亂,引起肥胖、糖尿病、血脂異常和高尿酸血癥[2]。在各個系統(tǒng)的影響中,作為與氣態(tài)氧直接接觸的呼吸系統(tǒng),肺損傷是最常見、最早,也是最嚴重的。目前研究最為廣泛的是以間歇性低氧 (intermittent hypoxia,IH)模擬OSAS來探究對肺組織的影響。但是IH 對肺組織的具體影響及相關機制還不十分清楚。本文主要以OSAS為例,從氧化應激、炎癥損傷、線粒體損傷等方面來綜述IH 對肺組織的損傷及可能機制。

1 氧化應激

氧化應激是指機體內活性氧化物 (reactive oxygen species,ROS)生成和內源性抗氧化系統(tǒng)清除ROS能力之間的失衡。ROS包含有各種各樣的化學物質,如超氧化物陰離子、過氧化氫和羥自由基。它們是以細胞呼吸和代謝的副產(chǎn)物或通過包括線粒體電子傳遞鏈、黃嘌呤氧化酶、細胞色素P-450、脂氧合酶、一氧化氮合酶、過氧化物酶體和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶在內的特異性酶而產(chǎn)生的。正常條件下,ROS是一種必不可少的信號分子,但是過高的ROS水平可以刺激氧化應激信號轉導通路而導致細胞蛋白質、脂質和DNA 等破壞,產(chǎn)生氧化應激損傷[3]。Wang等[4]進行的一項以IH 模擬OSAS的研究中,多個氧化應激指標被檢測,研究結果顯示IH 導致超敏C反應蛋白、8-異前列腺素和丙二醛水平的明顯增高以及超氧化物歧化酶和谷胱甘肽水平的明顯降低,表明了IH 誘導了肺組織的氧化應激反應。Tuleta等[5]的研究實驗表明IH 打破了小鼠肺內的氧化還原平衡,增加了肺組織內自由基的釋放,從而導致了肺組織的氧化應激損傷。da Rosa等[6]也證實了在暴露于IH 的大鼠肺組織中,作為氧化應激標志的脂質過氧化物的水平也是升高的,與以上研究結果一致,提示IH 通過氧化應激反應參與了肺損傷的過程。

當肺組織受到氧化應激損傷后,多種抗氧化機制與通路被激活,以減輕氧化應激反應,主要有核因子κB[7]、PI3K/Akt[8]、紅系衍生核因子相關因子2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)/血紅素氧合酶1 (heme oxygenase-1,HO-1)等通路,以Nrf2/HO-1 通路最為重要。Kelch ECH 關聯(lián)蛋白1 (Kelch ECH associating protein 1,Keap1)-Nrf2/HO-1通路是體內對由ROS 和親電物質誘導的內源性及外源性應激所作出的細胞保護反應的主要途徑。Keap1富含半胱氨酸,是一種能與Nrf2結合并通過泛素蛋白酶體促進其降解的阻遏蛋白。Nrf2是堿性亮氨酸拉鏈轉錄因子家族的一名成員,在肺中表達很旺盛,其通過與抗氧化反應元件結合而誘導抗氧產(chǎn)物及解毒酶和蛋白質的表達,在細胞保護中起到了重要作用。HO-1 又稱熱休克蛋白32,是一種受多種應激誘導的誘導酶。盡管Nrf2幾乎在所有類型的組織和細胞中廣泛表達,但是由于其天然負性調節(jié)劑Keap1的存在,使其通過26S蛋白酶體途徑泛素化而降解,所以在基礎 (穩(wěn)態(tài))條件下它的蛋白表達量表達在較低水平。反復低氧-復氧狀態(tài)下,機體內會產(chǎn)生多余的ROS,氧化還原平衡便被打破,Keap1 中的C151被修飾而發(fā)生構象改變,影響了其與Nrf2 之間的相互作用,Keap1與Nrf2之間的親和力減弱,結果Nrf2 不再被泛素化而變得穩(wěn)定,新生成的Nrf2在細胞質中積累,并轉移到細胞核內與小Maf蛋白結合形成二聚體,在它的靶基因可調控區(qū)與抗氧化反應元件結合以促進這些靶基因的轉錄,主要有超氧化物歧化酶、HO-1、醌氧化還原酶1和谷胱甘肽過氧化物酶等[9]。Wang等[4]的研究將IH 組按氧氣濃度 (12.5%、10%、7.5%、5%)分為4 個等級,暴露時間為12周,結果顯示肺組織氧化應激損傷程度隨氧氣濃度下降而持續(xù)加重,而蛋白質免疫印跡顯示Nrf2和HO-1蛋白表達水平并沒有持續(xù)升高；7.5%組Nrf2 表達最高,10%組HO-1表達最高,其機制可能為短期IH 暴露可使Nrf2/HO-1持續(xù)激活,長期IH 暴露則可能抑制此通路,此推斷在低氧對心臟和腎臟影響的研究中被部分證實。Kuang等[10]所做的研究證明在低氧條件下,大鼠心臟微血管內皮細胞中Nrf2和HO-1的m RNA 和蛋白表達量會暫時性升高。Sun等[11]進行的IH 對小鼠腎臟的抗氧化反應與氧化損傷的研究顯示,短期IH (3～7 d)暴露腎臟Nrf2和HO-1的表達水平顯著升高,抗氧化物的水平也顯著升高,并伴隨著丙二醛的降低；然而長期 (8周)IH 暴露時腎的Nrf2和HO-1的水平逐漸恢復至正常,抗氧化物水平顯著降低,腎的炎癥、氧化損傷、細胞死亡和纖維化都顯著加重。

2 炎癥損傷

IH 在導致氧化應激損傷的同時也伴隨著加重的炎癥反應。ROS水平的增加將導致細胞黏附過程、白細胞活化和炎癥過程的增加[12]。da Rosa等[6]已證明IH 除了能加重肺部的炎癥反應,還能引起肝臟的炎癥反應。Gonchar 和Mankovska[13]指出IH 能誘導肺內循環(huán)單核細胞的積累并促進它們分化為表達誘導型一氧化氮合酶的促炎性肺巨噬細胞,這些肺巨噬細胞可能通過某些途徑加重了炎性反應。Lu等[14]的研究表明IH 組大鼠血清和支氣管肺泡灌洗液中IL-6、核因子κB和腫瘤壞死因子α的濃度顯著增高；肺組織HE染色顯示IH 組大鼠肺泡壁和肺泡間隙有炎性細胞浸潤,并且炎性評分顯著增高；在電鏡下可觀察到肺泡Ⅱ型上皮細胞的核膜和內質網(wǎng)明顯被破壞。肺泡低氧除了導致單核細胞,還能導致巨噬細胞和中性粒細胞在肺血管中的聚集。Wang等[4]的研究已證實IH 導致支氣管肺泡灌洗液中總蛋白含量增加,并且氧濃度越低蛋白含量越高；Giemsa染色顯示IH 以一種濃度依賴的方式增加支氣管肺泡灌洗液中白細胞、單核細胞和多核巨細胞的數(shù)量。

在低氧導致的炎癥損傷過程中,肺血管內皮細胞與肺泡巨噬細胞 (alveolar macrophages,AMOs)之間的相互聯(lián)系似乎發(fā)揮了重要作用。在多種血管床中,血管內皮細胞激活是一種重要的低氧反應。血管內皮細胞能釋放大量促進白細胞向缺氧或損傷部位聚集的促炎性分子和黏附分子。肺動脈內皮細胞對缺血-再灌注損傷的反應不足以獨自驅動肺損傷的進展。而AMOs的激活增強了低氧導致的內皮細胞的促炎性反應。McCourtie等[15]做的一項研究表明AMOs的釋放產(chǎn)物能增強內皮細胞對肺缺血-再灌注損傷的反應,并且將內皮細胞暴露于激活的AMOs介質中,其在對缺氧-復氧的反應中化學因子的釋放會增加。另外,在交互實驗中,激活的內皮細胞介質同樣可以增加AMOs中單核細胞趨化蛋白1的生成[15]。AMOs通過增強內皮細胞中炎性細胞因子的釋放從而加速肺缺血-再灌注損傷的進展,這可能反過來對AMOs有一定的正反饋,表明了AMOs的活化可能通過調節(jié)內皮細胞而加重肺泡低氧導致的炎性反應。

3 線粒體損傷

線粒體是具有多種細胞功能的細胞內能量生成的基本細胞器,其通過電子傳遞來消耗O2生成大量ATP,從而與真核細胞互利共生。在大多數(shù)哺乳動物中,線粒體被認為是ATP的主要提供者,在線粒體中超過95%的ATP都是通過氧化反應合成[16]。線粒體不僅是ATP的生成場所,而且是 ROS 的生成場所及作用靶點。Taivassalo 和Hussain[17]觀察到暴露于慢性IH 中的大鼠,膈肌的線粒體和膜成分中超氧陰離子水平顯著增加,這些發(fā)現(xiàn)表明線粒體是低氧誘導的氧化應激的主要靶點。線粒體是高度動態(tài)的細胞器,不斷地進行著聚變和裂變,形成一個橫跨細胞整個區(qū)域的網(wǎng)絡。線粒體的聚變和裂變,也稱為融合和裂變,對許多生物學過程都很重要,包括線粒體生物合成、周轉、亞細胞分布、細胞分裂和凋亡之間的穩(wěn)態(tài)。這種線粒體動態(tài)改變在線粒體質量控制中發(fā)揮了重要作用,使正常的細胞代謝和呼吸得以維持。當對外界刺激產(chǎn)生應激時,線粒體結構會發(fā)生顯著改變,包括碎裂和嵴重塑,其功能發(fā)生障礙。Nunnari和Suomalainen[16]已經(jīng)證明線粒體功能障礙與包括衰老、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病在內的多種病理生理過程密切相關。

OSAS的主要特點就是慢性IH,反復的低氧-復氧過程使ROS在體內過量生成。當線粒體受到損傷時,ROS 便從線粒體呼吸鏈中生成[18],ROS的持續(xù)生成可通過脂質過氧化、DNA 損傷和蛋白損傷造成細胞的氧化應激損傷[4]。Taivassalo和Hussain[17]的研究指出ROS可改變線粒體的結構和功能,其實驗結果還表明ROS的過量生成可能導致線粒體蛋白的氧化應激損傷。當線粒體蛋白受到損傷,線粒體功能發(fā)生障礙,能量供應不足,最終可導致細胞的損傷甚至凋亡。線粒體是能量生成場所,其在氧穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關鍵性的作用,主要表現(xiàn)在線粒體利用O2以ATP及線粒體膜電位的形式產(chǎn)生能量,并且這種生物學機制具有可調控性。Zhu等[19]的研究發(fā)現(xiàn)與常氧組相比,低氧條件下ATP的生成明顯減少。因此,可推斷OSAS患者體內ROS生成增多,ATP生成減少,線粒體對過多的ROS產(chǎn)生的應激反應及線粒體能量供應不足共同作用,最終導致線粒體穩(wěn)態(tài)失衡,線粒體功能障礙,誘發(fā)了細胞凋亡。

綜上,在IH 對肺組織造成的損傷中,ROS似乎占據(jù)了核心地位,ROS的過量生成通過氧化應激損傷、炎癥損傷、線粒體損傷等機制導致了肺組織損傷。而ROS在體內低水平穩(wěn)定存在是ROS清除及ROS生成相互平衡的結果,因此,當IH 對肺組織造成損傷時,可通過增強ROS清除能力或者減少ROS生成來減弱肺組織損傷。

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