高海拔低氧環(huán)境下的微循環(huán)變化※

蔣白麗綜述；湯 鋒，李占全，3審校

(1.青海大學(xué)高原醫(yī)學(xué)研究中心，西寧 810001；2.青海省人民醫(yī)院，西寧 810007；3.青海大學(xué)附屬醫(yī)院，西寧 810001)

高海拔地區(qū)具有低氧的環(huán)境特點，而機體為適應(yīng)新環(huán)境必然會從多方面做出調(diào)整，微循環(huán)會隨之發(fā)生哪些改變成為學(xué)界關(guān)注的熱點。雖然高海拔低氧是微循環(huán)改變的使動因素，但是對它們的變化及機制的研究結(jié)論不一。為更系統(tǒng)地闡釋高海拔低氧環(huán)境下的微循環(huán)變化及機制，本文就相關(guān)內(nèi)容綜述如下。

1.高海拔低氧適應(yīng)者的微循環(huán)生理特點及機制

有觀點認(rèn)為，高海拔低氧環(huán)境不適宜人類居住，而安第斯高原上的安第斯人，青藏高原上的藏族人，以及塞米恩高原上的埃塞俄比亞人經(jīng)過自然選擇生存了下來。其中，藏族人在高海拔地區(qū)生活時間最長，對低氧的耐受性最強，是高海拔低氧適應(yīng)最好的人群。目前研究表明藏族人的動脈氧含量并不比上升到同海拔高度的平原人高，在逐步暴露于低壓低氧環(huán)境時，他們表現(xiàn)出更強的血管舒縮運動和神經(jīng)血管控制，以維持微循環(huán)流量，從而實現(xiàn)組織氧合，更好地適應(yīng)低氧[1，2]，故低氧適應(yīng)的機制更傾向于被忽視的微循環(huán)功能的差異。藏族人在低氧環(huán)境下由肺表面活性物質(zhì)層、肺泡上皮細(xì)胞層、上皮基底膜、基質(zhì)層、毛細(xì)血管的基膜層和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞層構(gòu)成的氣-血屏障的換氣功能增強。藏族人微血管舒張，能夠維持舌下毛細(xì)血管密度和微循環(huán)血流不變[3]。此外藏族后裔夏爾巴人表現(xiàn)出較高的氧卸載率，使得他們具有持續(xù)性的外周微循環(huán)灌注[4]。說明高海拔低氧適應(yīng)人群有持續(xù)的微循環(huán)灌注，這種持續(xù)灌注在高海拔低氧適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[5]。適應(yīng)人群在低氧環(huán)境下不會發(fā)生明顯的交感神經(jīng)興奮，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)不被激活，故循環(huán)血量和血壓無明顯變化，血管保持舒張狀態(tài)，微循環(huán)灌注通暢，無腺苷、乳酸等代謝產(chǎn)物的堆積。是什么原因致使高海拔適應(yīng)人群擁有這樣的微循環(huán)特點？有研究認(rèn)為，藏族人體內(nèi)較高的NO水平是其保持較低的肺動脈壓和持續(xù)的微循環(huán)灌注的主要機制之一[6]。通過一個具有四類代表性阻力血管的分支微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的計算模型，可以預(yù)測內(nèi)皮衍生NO對微血管壓力-流量響應(yīng)的影響，在缺氧或缺血期間，NO的缺乏會導(dǎo)致在給定的血管壓力下所有級別的血管直徑減小[7]。宮內(nèi)環(huán)境相對缺氧，推測在高海拔低氧地區(qū)妊娠，胎兒缺氧會加劇，而事實上高海拔地區(qū)的胎兒依然可以發(fā)育良好，足月分娩，原因在于胎兒可以通過增加NO的產(chǎn)生來適應(yīng)母體和胎盤的低氧血癥[8]。內(nèi)源性的CO是一種與NO相似的生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)效應(yīng)物質(zhì)。低氧可瞬間增加血紅素氧合酶-1基因的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致CO和膽紅素的產(chǎn)生增加。CO在血管系統(tǒng)中具有血管舒張，抗血管平滑肌、血管外基質(zhì)及內(nèi)皮細(xì)胞增殖和抗炎特性，而膽紅素是一種抗氧化劑，它們可以協(xié)同增強機體對低氧的耐受能力[9]。高海拔低氧適應(yīng)人群除了舒張微循環(huán)血管之外，增加組織細(xì)胞供氧的另一個策略是增加微血管密度。為了明確高海拔自然缺氧環(huán)境下胎兒微循環(huán)的變化特征，利用暗視野成像技術(shù)觀察了出生在秘魯?shù)淖阍陆】敌律鷥旱钠つw微循環(huán)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)新生兒的血管密度明顯增加[10]。此外，藏族人較低水平的血紅蛋白保障了血液流變學(xué)及動力學(xué)的穩(wěn)定(維持微循環(huán)持續(xù)灌注)。上述微循環(huán)模式均有助于增加高海拔低氧適應(yīng)者組織細(xì)胞的供氧。為了進一步尋找藏族低氧適應(yīng)的機制，格日力課題組對高海拔世居藏族進行基因測序后發(fā)現(xiàn)EGLN1、EPAS1、PPARA這三個關(guān)鍵性的低氧調(diào)節(jié)基因[11]，是高海拔低氧適應(yīng)者微循環(huán)變化的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。

2.高海拔低氧失適應(yīng)者的微循環(huán)生理特點及機制

2.1 急性高原病(AMS)

環(huán)境低氧導(dǎo)致肺泡氣氧分壓降低，經(jīng)過肺換氣后肺毛細(xì)血管內(nèi)紅細(xì)胞所攜帶的氧含量下降，因此通過體循環(huán)到達組織細(xì)胞的氧含量也隨之下降。絕大多數(shù)人會啟動一系列代償機制來適應(yīng)低氧環(huán)境，適度的微循環(huán)改變可以使機體更好地適應(yīng)低氧環(huán)境。而部分人的微循環(huán)改變超出生理范疇達到病理水平，短時間內(nèi)形成微循環(huán)障礙，出現(xiàn)AMS。

2.1.1 高原肺水腫(HAPE)

HAPE是高原低氧引發(fā)的肺毛細(xì)血管壓力升高、肺血氣交換屏障通透性增加所致的肺泡液生成過多、重吸收減少的一種非心源性肺水腫[12]。正常時肺毛細(xì)血管壓平均為7 mmHg、血漿膠體滲透壓為25 mmHg，而肺部的組織液靜水壓和膠體滲透壓都很低，故肺毛細(xì)血管的有效濾過壓為負(fù)值，這一負(fù)壓有利于毛細(xì)血管和肺泡的氣體交換。HAPE患者肺動脈壓在進入高原數(shù)小時后迅速增加，平均肺動脈壓介于35～55 mmHg[13]，而肺毛細(xì)血管壓介于20～26 mmHg[14]。升高的肺毛細(xì)血管壓致使肺毛細(xì)血管組織液生成增加，嚴(yán)重影響肺換氣，進而使動脈血含氧量降低，致組織器官毛細(xì)血管網(wǎng)內(nèi)的氧供急劇下降。低氧時細(xì)胞ATP生成減少，難以維持鈉鉀泵的正常運轉(zhuǎn)，加之氧自由基生成增加，損害了氣血屏障的完整性，進一步加重了肺換氣功能障礙，最終引發(fā)HAPE，此時低氧所致的肺泡上皮細(xì)胞鈉通道和水通道功能障礙影響肺泡液的重吸收，這對于HAPE患者來說屬于疊加損害。由此可見，HAPE的使動因素為低氧所引發(fā)的肺動脈壓升高。肺動脈壓升高一方面是由于低氧刺激交感神經(jīng)使之興奮，通過釋放腎上腺素能神經(jīng)遞質(zhì)引發(fā)肺血管平滑肌內(nèi)鈣離子升高，繼而使肺循環(huán)微動脈收縮，致肺毛細(xì)血管壓升高[15]。另一方面是由于低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)引發(fā)的血管活性物質(zhì)異常，其中HAPE患者舒血管因子NO水平明顯降低引發(fā)肺血管收縮所致[16]。研究證實HAPE患者血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放的縮血管因子內(nèi)皮素-1(Endothelin，ET-1)水平升高[17，18]。可見HAPE是高壓介導(dǎo)的滲透型肺水腫，而隨著缺氧的繼續(xù)，肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞受損，開始出現(xiàn)非感染性炎癥反應(yīng)，這也是在高原肺水腫患者的肺泡灌洗液中檢測到炎性介質(zhì)的原因，可見炎癥不是引發(fā)HAPE的初始病因，但是炎癥介質(zhì)的加入可進一步增加毛細(xì)血管的通透性，加重HAPE患者缺氧。這一觀點目前仍存在爭議。

2.1.2 高原腦水腫(HACE)

HACE是在急性缺氧條件下，腦毛細(xì)血管靜水壓升高及血腦屏障通透性增加所致的嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。腦的氧耗占全身氧耗的20%，腦組織的代謝以有氧代謝為主，同時腦組織中的氧和能量的儲備很少，故對缺氧的耐受性最差。因腦血流可以自身調(diào)節(jié)，故低氧時神經(jīng)調(diào)節(jié)對其腦微循環(huán)血流影響不大，但對體液調(diào)節(jié)敏感性較強。當(dāng)機體吸入的氧分壓降低時，去氧血紅蛋白的含量升高，可以通過何爾登效應(yīng)結(jié)合更多的CO2但卻不易釋放，致使血液中CO2的含量增加，低氧和高二氧化碳均可通過刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞生成和釋放NO，對微動脈有較強的舒張作用，使腦毛細(xì)血管灌注增加，致腦毛細(xì)血管靜水壓升高，引發(fā)血管源性腦水腫[19，20]。低氧同樣可以使ATP的生成減少、氧自由基的產(chǎn)生增加，損害血腦屏障，加重血管源性腦水腫，嚴(yán)重時會并發(fā)腦實質(zhì)細(xì)胞水腫[21]。而胼胝體中的含鐵血黃素沉積被認(rèn)為是HACE患者血腦屏障受損后的微出血所致，是低氧所致血腦屏障受損的最客觀證據(jù)[22]。但近期也有學(xué)者提出HACE是由于腦微循環(huán)靜脈流出受限所致[23]?？傊徽撌悄X血管源性水腫還是腦實質(zhì)水腫，均會導(dǎo)致顱內(nèi)壓升高，升高的顱內(nèi)壓壓迫微靜脈，血液回流受限進一步增加腦毛細(xì)血管靜水壓，故靜脈流出受限也參與急性腦水腫的發(fā)病。亦有研究表明微循環(huán)部位的炎癥反應(yīng)同樣也參與了HACE。動物實驗顯示，低氧會伴隨著炎癥和活性氧生成、腦內(nèi)白細(xì)胞的聚集，抗炎藥物和過表達抗氧化基因均可減輕大鼠缺氧相關(guān)的腦水腫[24]。而在人體內(nèi)目前尚無直接證據(jù)表明炎癥參與HACE的發(fā)病，Song等[25]檢測了志愿者進入高原前后的細(xì)胞因子腫瘤壞死因子α、白介素-1β和白介素-6的水平，推測炎癥可能通過破壞血腦屏障參與HACE的形成。因此，對于HACE患者來說，降低低氧所致的顱內(nèi)高壓，改善腦內(nèi)微循環(huán)是治療的重點。

2.2 慢性高原病(CMS)

CMS是長期生活在海拔高度2 500米以上地區(qū)的移居者或部分世居者，對高原低氧環(huán)境逐漸失去習(xí)服而發(fā)生的臨床綜合征，主要以紅細(xì)胞增多、低氧血癥為主要臨床特征，常伴有肺動脈高壓。CMS患者通過逐漸增加氧氣的載體，即紅細(xì)胞的數(shù)量來緩解缺氧。初期無任何癥狀，但隨著紅細(xì)胞數(shù)量的不斷增多，微循環(huán)出現(xiàn)血流緩慢甚至斷流。CMS患者微循環(huán)發(fā)生障礙，是并發(fā)全身多種癥狀和體征的病理基礎(chǔ)。僅從微循環(huán)障礙的角度出發(fā)，也不難理解為什么CMS的患者會出現(xiàn)血栓和出血共存的現(xiàn)象，及為什么CMS患者的血小板較正常對照者減少[26]。臨床研究顯示，CMS患者微循環(huán)管袢數(shù)目增多，管袢畸形比例均顯著增多。血流速度在大部管袢均減慢，嚴(yán)重者出現(xiàn)血流停滯，紅細(xì)胞呈積聚狀[27]。CMS患者的尸檢顯示，心肌內(nèi)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞增生腫脹；肺毛細(xì)血管高度擴張淤血，肺泡壁增厚，間質(zhì)小血管彈力纖維明顯增多，肺動脈平滑肌增生，中層毛細(xì)血管增生及出血；腦底及軟腦膜的血管擴張充血或血管破裂，并有腦內(nèi)點狀或片狀出血，腦細(xì)胞腫脹，間質(zhì)水腫；胃粘膜水腫，有點狀或片狀出血[28，29]。綜上所述，不論是在CMS的活體還是離體組織中我們均可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)生了明顯的微循環(huán)障礙。微循環(huán)主要受循環(huán)血量、血粘度和血管壁舒縮的影響。其中，血液的高粘滯性是影響微循環(huán)有效灌注的重要因素之一，這是探討微循環(huán)改變機制時不容忽視的問題。血粘度升高則微循環(huán)阻力加大，血液流速減慢至微循環(huán)時可能出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。而紅細(xì)胞壓積、形態(tài)和紅細(xì)胞的聚集性及變形性的改變是引起血粘度升高的關(guān)鍵因素。血液粘度隨紅細(xì)胞比容、聚集性的增高及變形性的降低而升高。血液流變學(xué)研究顯示，CMS患者全血呈高粘滯狀態(tài)，紅細(xì)胞壓積、聚集性明顯升高，變形性下降，表明CMS患者存在嚴(yán)重的微循環(huán)障礙[30，31]。在CMS的動物模型中發(fā)現(xiàn)，模擬高原缺氧一周和兩周時，大鼠紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生代償性改變以利于高原習(xí)服；缺氧三周時，大鼠全血粘度、血漿粘度、紅細(xì)胞凋亡率及紅細(xì)胞變形指數(shù)等指標(biāo)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，提示此時紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能出現(xiàn)失代償；缺氧四周時，紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的變化導(dǎo)致大鼠毛細(xì)血管內(nèi)滯留過多變形性下降的紅細(xì)胞，增加了血栓形成的概率，導(dǎo)致大鼠微循環(huán)障礙，從而加重組織細(xì)胞缺氧狀態(tài)[32]。CMS患者紅細(xì)胞比容增加，聚集性升高，變形性下降，全身呈高粘滯狀態(tài)，微循環(huán)血流緩慢，加之缺氧的組織細(xì)胞、受損的血管內(nèi)皮細(xì)胞、變形性差極易發(fā)生溶血的紅細(xì)胞，共同激活機體內(nèi)源性和外源性凝血系統(tǒng)極易形成微循環(huán)血栓，嚴(yán)重影響微循環(huán)灌注[33]。在此過程中，會消耗部分血小板，這也正是CMS患者體內(nèi)血小板較正常對照者偏低的主要原因之一。另外，因微循環(huán)內(nèi)血液還可以經(jīng)過受損的內(nèi)皮細(xì)胞外滲，使CMS患者同時出現(xiàn)血栓和出血并存現(xiàn)象。導(dǎo)致組織細(xì)胞缺氧，刺激機體產(chǎn)生更多的紅細(xì)胞，使血液變得更加黏稠，進一步加重了微循環(huán)障礙，如此往復(fù)，機體陷入“低氧→組織細(xì)胞缺氧→紅細(xì)胞增多→微循環(huán)障礙→組織細(xì)胞缺氧→紅細(xì)胞增多”的惡性循環(huán)之中。但此時微循環(huán)會通過增加微血管的數(shù)量來緩解組織細(xì)胞缺氧，研究發(fā)現(xiàn)CMS患者骨髓中促紅細(xì)胞生成素(EPO)和血管生成因子(VEGF)表達升高，微血管密度增加，提示EPO和VEGF參與CMS患者新生血管生成[34，35]。動物實驗表明紅細(xì)胞增多癥的雄性大鼠冠狀動脈微循環(huán)的小動脈顯著增加。但是增加的小動脈并不能完全緩解微循環(huán)灌注所致的組織細(xì)胞缺氧[36]。另一項動物實驗發(fā)現(xiàn)小鼠皮層微血管新生明顯并出現(xiàn)正常的血流[37]。可見，CMS的微循環(huán)變化以紅細(xì)胞增殖和微血管增生為突出特點。而發(fā)生上述微循環(huán)改變的機制為在低氧條件下HIF與低氧反應(yīng)原件(HRE)結(jié)合，啟動下游基因EPO、VEGF的表達，進而調(diào)控微循環(huán)的變化。

3.展望

高海拔低氧所致的微循環(huán)變化是急慢性高原病的病理基礎(chǔ)，在低氧所致疾病機制研究中占有重要地位。因此，高海拔低氧環(huán)境下的微循環(huán)變化更值得進一步探討。對于此項研究，大批科研工作者反復(fù)考察低氧信號調(diào)控通路上的各個編碼基因的功能及相互作用，而忽略了在轉(zhuǎn)錄前后具有重要調(diào)控作用的非編碼RNA比如微小RNA(microRNA)和長鏈非編碼RNA(lncRNA)在高海拔低氧調(diào)控中的作用，它們可能通過與低氧調(diào)控基因相互作用參與調(diào)控高海拔低氧所致的微循環(huán)變化，從這個方面出發(fā)來揭示高海拔低氧環(huán)境下的微循環(huán)變化不失為一個新思路。