炎性細胞因子調(diào)節(jié)肺上皮鈉通道在ALI/ARDS發(fā)生發(fā)展中的研究進展

鄭俊雅，張 珍，李魯新，段新鵬

(牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

ALI/ARDS是一類臨床上較為常見的危害嚴重的肺部疾病，常由于心源性以外的各種肺內(nèi)、外致病因素引起肺部毛細血管通透性增高，富含蛋白質(zhì)的液體滲出進而導(dǎo)致肺水腫及透明膜形成，最終導(dǎo)致的急性、進行性呼吸衰竭，有時伴有肺間質(zhì)的纖維化。ALI/ARDS患者常伴有明顯的肺部炎癥，表現(xiàn)為肺容積減少、肺順應(yīng)性降低和嚴重通氣/血流比例失調(diào)，阻止了正常的氣體交換，從而引起低氧血癥，嚴重的甚至?xí)鹚劳鯷1]。肺泡是肺部氣體交換的主要場所，從空氣中吸入的氧氣進入肺泡后，要依次經(jīng)過肺泡內(nèi)表面的液膜、肺泡上皮細胞膜、毛細血管的內(nèi)皮細胞膜等膜結(jié)構(gòu)向血液擴散。其中肺泡內(nèi)表面的液膜對呼吸至關(guān)重要，主要由Starling力和鈉的主動轉(zhuǎn)運調(diào)控。Starling力的大小決定了水從血管內(nèi)運輸?shù)窖芡饣蚪M織間的速率，而另一個影響肺泡液層厚度的調(diào)節(jié)機制是鈉離子的主動轉(zhuǎn)運。因此介導(dǎo)鈉離子轉(zhuǎn)運的ENaC在維持肺泡液層正常生理功能方面至關(guān)重要[2]。ALI/ARDS發(fā)生的相關(guān)細胞因子可以通過影響ENaC通道的活性和表達，破壞組織局部的水鈉平衡。了解ENaC通道的基本性能和其在肺部炎癥反應(yīng)中所發(fā)揮的作用，對于ALI/ARDS的治療具有重要的意義。本文主要對肺部相關(guān)細胞因子介導(dǎo)的ENaC通道的病理生理機制進行簡要概述。

1 ENaC通道在急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征中的作用

1.1 肺的生理學(xué)呼吸系統(tǒng)的主要功能是氣體交換，而肺的解剖和生理功能進化趨勢是如何更為有效地進行分配氣體。肺泡內(nèi)氣體的擴散是通過表面積很大、富有彈性的薄膜進行。人類的肺組織由一系列分支管道組成，支氣管在肺內(nèi)反復(fù)分支可達23～25級，直至盲端形成肺泡。肺泡細胞有兩種主要細胞類型：鱗狀I(lǐng)型和立方形Ⅱ型細胞。大部分肺泡表面積由肺泡Ⅰ型細胞組成，其余部分(≈2～5%)為肺泡Ⅱ型細胞，兩種細胞類型都有助于肺泡液轉(zhuǎn)運[3]。而肺泡Ⅱ型細胞還能分泌肺泡表面活性物質(zhì)(二棕櫚酰卵磷脂)，以降低肺泡表面張力，增加肺順應(yīng)性?？傊?，肺的解剖結(jié)構(gòu)和生理學(xué)特性有利于肺泡空間內(nèi)氣體交換的正常進行。

1.2 ENaC通道的作用及調(diào)節(jié)ALI/ARDS的主要病理特征是肺水腫。ALI/ARDS肺水腫的形成是由于肺血管通透性增加，導(dǎo)致血管內(nèi)水分外滲形成水腫液并積聚在肺間質(zhì)和肺泡腔。肺間質(zhì)和肺泡腔內(nèi)水分的重吸收主要依靠存在于肺泡Ⅰ型細胞和肺泡Ⅱ型細胞的鈉水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，主要由ENaC通道、水通道和Na+-K+-ATP酶等組成。肺泡腔內(nèi)液體的吸收過程，一般先是水腫液中的Na+通過肺泡上皮細胞頂端膜ENaC通道進入細胞內(nèi)，再經(jīng)上皮細胞基底外側(cè)的Na+-K+-ATP酶進入肺間質(zhì)。肺泡腔內(nèi)的液體則由Na+轉(zhuǎn)運后造成的滲透壓梯度驅(qū)動，或通過水通道蛋白(aquaporin，AQP)進入肺間質(zhì)而后吸收入血液循環(huán)。肺泡上皮液體重吸收與滲出平衡形成穩(wěn)態(tài)，以期代償ALI/ARDS的肺水腫狀態(tài)。一些研究者提出，ATP酶活性也在經(jīng)上皮Na+轉(zhuǎn)運中發(fā)揮了作用。通過許多研究已經(jīng)證明了Na+轉(zhuǎn)運是肺泡表面液體轉(zhuǎn)運的主要驅(qū)動力[4]，而且研究者還發(fā)現(xiàn)頂端膜ENaC通道的抑制劑可以降低液體清除速率，可見ENaC通道在ALI/ARDS病程中起到了至關(guān)重要的作用。

ENaC通道由α、β、γ 3個亞單位組成，人類的ENaC通道的三個亞單位分別由SCNN1A、SCNN1B、SCNN1G基因所編碼[5]。每個亞單位約有650～700個氨基酸，每一個亞單位經(jīng)過兩次跨膜后，在胞外形成約50 kD大小的結(jié)構(gòu)域，其環(huán)狀結(jié)構(gòu)充當了天線感受器的角色，能夠感知流體剪切力。胞內(nèi)有兩個氨基和羧基，約有8～10 kD大小。ENaC通道由兩個α亞單位、一個β亞單位和γ亞單位組成，這四個亞單位形成一個中心孔道，來控制離子流動。ENaC通道是機械感受器通道，具有門控特性，對阿米洛利(Amiloride，保鉀利尿藥)高度敏感，會被其阻斷。ENaC通道還可以受細胞的腫脹程度所調(diào)節(jié)[6-7]，細胞處于低滲溶液環(huán)境中時，細胞體積增大，ENaC通道被激活，活性增加；細胞處于高滲溶液時，細胞體積皺縮，ENaC通道的活性受到抑制。ENaC通道負責(zé)鈉離子的限速重吸收，對于維持鈉的自身平衡、細胞外液量和血壓起重要作用。

肺部ENaC通道的三個亞基在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中組裝、聚集最后運送到肺泡液層的頂端膜側(cè)，對Na+離子具有高選擇性。α-ENaC是ENaC通道的重要組成部分，是功能性ENaC通道在頂端膜上表達所必需的元件，對于正常肺功能具有重要的作用。研究者發(fā)現(xiàn)缺乏α-ENaC表達的新生鼠在出生后40 h內(nèi)死亡。功能獲得性ENaC基因突變可引起一種罕見的遺傳性高血壓—Liddle綜合征[8]；而假性醛固酮減少癥(Pseudohypoaldosteronism,PHA)是由ENaC通道部分功能喪失引起的，與正常水平相比，PHA的患者氣道表面液體量增加了一倍。研究者將小鼠體內(nèi)肺泡Ⅱ型細胞的泛素連接酶NEDD4-2敲除后，ENaC通道蛋白的表達水平增加的同時ENaC通道介導(dǎo)的電流大小也會增大[9]。另外，過度表達β-ENaC單位的轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，研究者發(fā)現(xiàn)β-ENaC亞單位過表達可增加ENaC通道的活性，引起氣道表面的脫水、粘液阻塞和肺部炎癥，與囊性纖維化(Cystic fibrosis, CF)模型中觀察到的許多特征相類似[10-11]?？偠灾?，這些研究都強調(diào)了正常的ENaC通道表達和調(diào)節(jié)對于氣道通氣功能的完成具有重要的意義。

2 相關(guān)炎性細胞因子對ENaC的調(diào)控作用

在炎癥期間，大多數(shù)細胞能夠分泌各種傳遞炎癥信號的小分子量蛋白，稱為炎性細胞因子。一些最早的研究揭示了支氣管肺泡灌洗液中大量和持續(xù)的炎性細胞因子增加與急性呼吸窘迫綜合征中不利的結(jié)果之間存在相關(guān)性?？傮w而言，急性肺損傷會增加細胞因子水平，快速導(dǎo)致肺泡液積聚，水腫，最終導(dǎo)致急性呼吸窘迫[12]。因此，炎性細胞因子產(chǎn)生了一個前饋周期來減少肺ENaC通道的表達和活性。

2.1 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)TNF超家族包含19個成員，最初因其在細胞凋亡中的作用而被命名。這個家族研究最多的成員是TNF-α，其在增加其他細胞因子的免疫應(yīng)答和分泌中起重要作用。TNF-α參與肺水腫的發(fā)生，ARDS患者TNF-α含量明顯升高[13]。

雖然TNF-α可以結(jié)合兩種不同的受體，從而參與不同的信號通路，但其在氣道調(diào)控中的作用大部分都集中在TNF受體1上。大量的體外和體內(nèi)模型實驗均已證實TNF-α對ENaC通道的作用一方面依賴于受體的激活，另一方面也存在非受體依賴機制[14]。

腫瘤壞死因子受體1介導(dǎo)的NF-κB活化可增加細胞因子(IL-1，IL-8，IL-6)的產(chǎn)生。它還能夠增加粘附分子的表達，包括血管細胞粘附分子和細胞間粘附分子(ICAM，intercellular cell adhesion molecule)。在新鮮分離的肺泡Ⅱ型細胞中，TNF-α能夠降低α-ENaC和γ-ENaC的mRNA水平和蛋白質(zhì)表達，同時也能夠降低阿米洛利敏感的經(jīng)上皮細胞電流的大小[14]。近期的研究工作也發(fā)現(xiàn)α-ENaC可以特異性的結(jié)合TNF-α衍生的TIP肽，延緩肺泡清除率的降低，在一定程度上對肺水腫的發(fā)生起到保護作用[15]。

TNF-α在內(nèi)皮細胞活化中起著特別重要的作用，同時也影響上皮細胞緊密連接屏障。緊密連接處的破壞不僅導(dǎo)致滲出物增加，而且還可以降低肺泡液清除率[16]。TNF-α降低緊密連接蛋白和粘膜閉塞蛋白1的表達，增加肺泡通透性[17]。因此，TNF-α在ARDS的發(fā)展中具有關(guān)鍵且多方面的作用。TNF-α不僅調(diào)節(jié)鈉離子和水分吸收，而且還破壞緊密連接屏障和內(nèi)皮完整性，并有利于炎癥性環(huán)境的形成。

2.2 轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)TGF-β1是一類致病性細胞因子，其在ARDS發(fā)生之前已經(jīng)涉及ALI的早期階段[18]。與健康對照組相比，ARDS患者TGF-β1水平明顯升高[19]。有研究表明TGF-β1減少了肺上皮細胞中阿米洛利敏感的鈉離子轉(zhuǎn)運。此外，TGF-β1通過ERK1/2途徑降低了ALI模型中α-ENaC的mRNA水平和蛋白質(zhì)表達，從而促進肺泡水腫。有趣的是，TGF-β也被發(fā)現(xiàn)在ENaC通道轉(zhuǎn)運鈉離子過程中起著不可或缺的作用[20]。Peters等首先證明了ENaC通道在肺部急性調(diào)控作用。他們發(fā)現(xiàn)TGF-β通過與ENaC-β的相互作用來誘導(dǎo)ENaC通道蛋白內(nèi)化[21]。總之，TGF-β參與多種機制來降低ENaC通道表達，從而有助于ARDS和肺水腫的形成[22]。

2.3 干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)IFN是由英國科學(xué)家Isaacs于1957年利用雞胚絨毛尿囊膜研究流感病毒干擾現(xiàn)象時首先發(fā)現(xiàn)的，是一種細胞因子，具有抑制細胞分裂、調(diào)節(jié)免疫、抗病毒、抗腫瘤等多種作用。IFN家族包括I型和II型，INF-γ是II型IFN家族的唯一成員，在結(jié)構(gòu)上與其他IFN不同。炎癥期間，INF-γ由多種免疫細胞分泌，但主要由T淋巴細胞分泌。INF-γ增加誘導(dǎo)性一氧化氮合酶的水平和一氧化氮產(chǎn)生。但是關(guān)于INF-γ在ENaC通道活性中的作用知之甚少。采用人支氣管上皮細胞的研究顯示，應(yīng)用INF-γ可導(dǎo)致上皮細胞鈉離子轉(zhuǎn)運能力顯著降低，部分學(xué)者推測這可能與ENaC通道活性有關(guān)[23]。

2.4 白介素(interleukin，IL)幾種白介素與ALI的早期階段相關(guān)，其中研究最多是IL-1β，這種細胞因子在ALI和ARDS的發(fā)病機理中起著不同的作用。在ALI患者的肺泡灌洗液以及肺水腫液中IL-1β水平升高。與血清相比，肺泡灌洗液中IL-1β水平較高，表明存在與TGF-β類似的情況。Pugin等早期的一項研究表明，肺泡灌洗液中存在的細胞因子IL-1β最具生物活性，因此有人認為可能來源于早期浸潤性嗜中性粒細胞[24]。ARDS患者的肺泡灌洗液中ICAM-1的表達增加，而IL-1抑制劑能夠減少ICAM-1的增加。最近的一些研究已經(jīng)顯示IL-1β直接影響ENaC的表達。IL-1β可以通過p38-MAPK依賴性作用，降低ENaC通道的mRNA水平和蛋白表達。此外，應(yīng)用IL-1β可以降低頂端側(cè)ENaC通道蛋白和阿米洛利敏感性上皮細胞電流大小。體外模型實驗表明通過細胞因子信號傳導(dǎo)抑制因子1來降低IL-1β水平，從而逆轉(zhuǎn)IL-1β對ENaC通道的抑制作用[25]。

此外，IL-4可以顯著降低ENaC通道的γ和β亞單位表達；并且研究者還發(fā)現(xiàn)α-ENaC亞單位水平?jīng)]有改變[26]。應(yīng)用 IL-4和IL-13減少了阿米洛利敏感的上皮細胞電流大小，這與應(yīng)用IL-4受體拮抗劑的作用相反。盡管這些發(fā)現(xiàn)是在研究過敏性疾病中證實的，但可以推斷炎癥狀態(tài)下IL-4 / IL-13水平升高和ENaC通道功能降低有關(guān)。

最近的一些研究者發(fā)現(xiàn)ARDS患者外周血中IL-17的含量明顯升高，并且IL-17的含量與氧合指數(shù)呈負相關(guān)：IL-17水平越高，患者的氧合指數(shù)越低。同時IL-17升高明顯的ARDS患者預(yù)后較差[27]。Righetti RF等發(fā)現(xiàn)拮抗IL-17后可以保護脂多糖所誘導(dǎo)ALI引起的炎癥反應(yīng)，其主要機制是通過減少細胞因子的表達和氧化應(yīng)激反應(yīng)來實現(xiàn)的[28]。當ALI小鼠的IL-17基因敲除后，可以增加ENaC通道的表達以及活性，提高肺泡清除率，可以明顯緩解ALI的炎癥反應(yīng)[29]。這表明抗IL-17藥物在治療ALI方面的研究價值，以及ENaC通道可能成為新的藥物靶點。

3 結(jié)論

了解炎性細胞因子的作用對于研究ALI/ARDS發(fā)生發(fā)展是十分重要的。當“抗炎”細胞因子(如IL-10和IL-1受體拮抗劑)水平降低時，患者的死亡率增加。機體肺部炎癥反應(yīng)中所產(chǎn)生的細胞因子可以作為ALI/ARDS病程檢測的生物學(xué)標志物，對于ALI/ARDS的預(yù)防和預(yù)后起到指示性的作用。當前的研究需要更多的工作才能了解多種細胞因子在疾病進展中的多重作用。盡管如此，炎性細胞因子似乎通過多種機制降低了ENaC通道在肺泡中的表達、肺泡頂端側(cè)定位和活性，從而降低了肺部清除率，引起水鈉潴留，導(dǎo)致ALI/ARDS。肺泡ENaC通道的活性直接影響鈉離子的轉(zhuǎn)運，所形成的滲透梯度又影響水的吸收，這對于機體肺部呼吸的調(diào)節(jié)起到重要的作用。在發(fā)生炎癥反應(yīng)時，肺組織的ENaC通道也可以通過結(jié)合相應(yīng)細胞因子，來延緩ALI/ARDS的病程?，F(xiàn)階段人們對于肺部ENaC通道和細胞因子的研究并不是十分完善，相關(guān)細胞因子對于ENaC通道的作用機制還不是很明確，現(xiàn)有的研究標明可能與機體細胞的內(nèi)吞作用以及ENaC通道的磷酸化水平有關(guān)。鑒于ENaC通道在維持肺泡功能上的突出作用，深入了解炎癥細胞因子調(diào)節(jié)ENaC通道活性中的作用，為ENaC通道作為可能的治療靶點提供可能性，必將有助于ALI/ARDS治療方案的改進和有效藥物的研發(fā)。