氧化應(yīng)激在膿毒癥中的發(fā)病機制

江勉君，史忠亮，毛凱鳳，郭力恒

(1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣州 510403； 2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，廣州 510120)

膿毒癥是指感染引起的全身炎癥反應(yīng)綜合征，是機體過度炎癥反應(yīng)或炎癥失控所致。膿毒癥的發(fā)病機制十分復(fù)雜，其本質(zhì)是宿主對感染反應(yīng)失調(diào)。膿毒癥是臨床急危重癥患者的嚴重并發(fā)癥之一，伴隨多器官、多系統(tǒng)損傷，包括線粒體損傷、肺損傷、心臟功能障礙[1]、腦損傷[2]、肝損傷和胃腸道損傷等。盡管目前對膿毒癥的病理生理有了進一步認識，但其病死率仍居高不下，目前臨床上主要采取消除病因、積極控制感染、對癥支持等治療措施[3]，尚無特效藥物可干預(yù)。膿毒癥時氧化應(yīng)激損傷機制為病原體及其毒素激活的炎癥反應(yīng)以及宿主本身不斷釋放的炎癥介質(zhì)，影響線粒體內(nèi)氧化呼吸鏈的偶聯(lián)過程，造成活性氧類(reactive oxygen species，ROS)生成增多[4]。細菌毒素脂多糖可增加一氧化氮合酶及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4的表達，也導(dǎo)致ROS生成增多[5]，進而啟動氧化應(yīng)激反應(yīng)。增高的ROS能夠損傷線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，mtDNA突變可降低細胞核DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性，導(dǎo)致整個細胞DNA甲基化降低；ROS還能夠直接引起局部組織細胞結(jié)構(gòu)中脂質(zhì)的氧化，破壞細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致組織損傷；抗氧化治療可以減輕氧化應(yīng)激，改善線粒體功能及器官功能障礙[6]?，F(xiàn)就氧化應(yīng)激在膿毒癥中的作用機制予以綜述。

1 氧化應(yīng)激導(dǎo)致膿毒癥線粒體損傷的機制

線粒體是細胞合成和代謝的物質(zhì)中心[7]，膿毒癥氧化應(yīng)激會引起線粒體損傷和功能障礙，最終導(dǎo)致組織、器官損傷[8-9]。全身炎癥反應(yīng)綜合征指任何致病因素作用于機體所引起的全身炎癥反應(yīng)。膿毒癥是機體過度炎癥反應(yīng)或炎癥失控所致的全身炎癥反應(yīng)。膿毒癥時，細菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素類脂A抑制抗氧化酶活性，產(chǎn)生過量ROS，導(dǎo)致線粒體腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)不足，細胞能量生成障礙[10]。ROS在破壞線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)時，也會導(dǎo)致細胞能量生成障礙。ETC是指位于線粒體內(nèi)膜的一系列酶復(fù)合物，是ROS產(chǎn)生的主要部位。正常情況下，ETC通過進行氧化磷酸化反應(yīng)，消耗體內(nèi)85%～90%的氧氣為機體供能，同時產(chǎn)生少量的能夠被體內(nèi)抗氧化酶清除的ROS，ETC受損后會產(chǎn)生過量ROS，導(dǎo)致細胞凋亡[11]。磷脂是線粒體內(nèi)膜的主要成分，參與呼吸和各種離子泵所需酶類的活化。磷脂中的心磷脂是重要物質(zhì)，能夠維持多種酶的活性，而ROS攻擊線粒體內(nèi)膜時，會使心磷脂顯著減少，破壞相關(guān)酶的活性[12]。Liaudet等[13]在膿毒癥幼鼠模型中發(fā)現(xiàn)，ROS的大量增加會導(dǎo)致線粒體膜脂質(zhì)的破壞，同時損傷相關(guān)酶的活性和內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)完整性。膿毒癥時，呼吸爆發(fā)可產(chǎn)生大量氧自由基，氧自由基會使線粒體的跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)功能紊亂，最主要的是形成鈣超載，Ca2+參與細胞的興奮收縮偶聯(lián)，是體內(nèi)重要的第二信使，鈣超載破壞了細胞內(nèi)外Ca2+濃度的穩(wěn)態(tài)，致使線粒體內(nèi)Ca2+大量聚積，使細胞正常功能無法維持，導(dǎo)致線粒體、細胞、組織功能障礙[14]。鈣超載通過激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，加重氧化應(yīng)激反應(yīng)和氮化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化反應(yīng)過程受阻，進而導(dǎo)致ATP合成減少，能量生成不足，并且能夠產(chǎn)生更多的活性分子，形成惡性循環(huán)，破壞機體功能[15]。ROS及鈣超載可直接或間接損傷mtDNA[16]，引起mtDNA突變[17]，影響其轉(zhuǎn)錄和表達，這是由于mtDNA對微環(huán)境變化的敏感性和突變的易向性，只有在mtDNA完整表達時才能維持線粒體的全部功能。來源于線粒體的ROS是損傷線粒體的關(guān)鍵，因此，減輕線粒體氧化應(yīng)激反應(yīng)是治療膿毒癥的潛在方法。

2 氧化應(yīng)激導(dǎo)致膿毒癥器官損傷的作用機制

膿毒癥時，除了病原體及其毒素直接損害機體，宿主自身也起著關(guān)鍵作用。膿毒癥時病原體及其毒素等大量促炎因子和宿主自身的抗炎因子釋放誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，導(dǎo)致體內(nèi)氧化-還原狀態(tài)失衡，引起氧化性應(yīng)激反應(yīng)，最終傷及組織細胞、器官系統(tǒng)。治療膿毒癥時，抗氧化治療值得重視。活化蛋白C是唯一曾獲得美國食品藥品管理局批準(zhǔn)的可用于膿毒癥治療的藥物，但其不良反應(yīng)較大，且并未顯著降低患者病死率，已不再用于臨床[18-19]。已有臨床研究證實，早期給予參附注射液治療能改善膿毒癥患者組織缺氧，使丙二醛水平顯著降低，超氧化物歧化酶活性顯著升高，減輕機體氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低患者病死率[20]。從氧化應(yīng)激方面著手，可能為膿毒癥的防治提供新的策略，但進一步的治療效果還需更多的臨床試驗證實。

2.1氧化應(yīng)激下的膿毒癥肺損傷 在膿毒癥多器官功能障礙綜合征中，肺是最容易受累且受損最早的器官，常見的急性呼吸窘迫綜合征或急性肺損傷是膿毒癥患者直接死亡的原因[21]。膿毒癥導(dǎo)致肺損傷的關(guān)鍵是膿毒癥過程中釋放大量細胞因子及大量炎癥細胞，通過氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生大量的自由基，能與各種細胞成分發(fā)生反應(yīng)，這種反應(yīng)不僅能破壞細胞的結(jié)構(gòu)和功能，且不可逆，對機體造成永久性損害[22]。另外，氧化應(yīng)激通過增加炎癥介質(zhì)的釋放激活核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)，使NF-κB結(jié)合到大量基因啟動子上，而基因啟動子能夠參與炎癥反應(yīng)，產(chǎn)生大量炎癥細胞因子[23]。

與氧化應(yīng)激密切相關(guān)的核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)和Keap1(recombinant kelch like ECH associated protein 1)在膿毒癥急性肺損傷中也起重要作用。Nrf2在細胞的防御與保護中起重要作用，具有抗氧化應(yīng)激、抗炎與抑制調(diào)節(jié)細胞凋亡等功能[24]；而Keap1上的半胱氨酸殘基非常敏感，常被看作是一個氧化應(yīng)激感受器，當(dāng)氧化應(yīng)激發(fā)生后，Nrf2與Keap1解離進入細胞核，并與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant reaction original，ARE)相互作用，調(diào)控下游的抗氧化蛋白表達[25]。在抗氧化的信號通路中，Nrf2/ARE是重要的信號通路。因此，上調(diào)肺組織Nrf2信使RNA表達及增加血清中Nrf2含量，啟動ARE相關(guān)抗氧化蛋白超氧化物歧化酶和谷胱甘肽可以改善氧合功能，從而抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，減輕膿毒癥肺損傷。

2.2氧化應(yīng)激下的心肌損傷 膿毒癥病程中，心臟是常見的受累及靶器官，心肌損傷成為多器官功能障礙綜合征的始動環(huán)節(jié)[26]。以心肌糖代謝、脂類代謝紊亂和線粒體損傷等為主的心肌能量代謝是膿毒癥心肌細胞損傷的初始環(huán)節(jié)和誘發(fā)心功能障礙的重要危險因素。膿毒癥狀態(tài)下，病原體及炎癥因子能夠刺激單核巨噬細胞產(chǎn)生呼吸爆發(fā)，生成大量的ROS及活性氮類(reactive nitrogen species，RNS)，ROS/RNS能夠直接損傷心肌細胞的細胞器及膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致心肌細胞功能障礙甚至自溶，ROS/RNS通過使內(nèi)皮細胞脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化和硝化來損傷血管內(nèi)皮細胞[27]。ROS/RNS還能使白細胞及血小板的黏附作用發(fā)生異常，增加毛細血管滲透性，過量ROS引發(fā)的心肌細胞脂類、蛋白和DNA過氧化反應(yīng)，使細胞膜完整性被破壞，是導(dǎo)致細胞凋亡的重要因素[28]。研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥患者的血管舒張反應(yīng)較差，微循環(huán)障礙，可能是因為氧化應(yīng)激反應(yīng)使內(nèi)皮細胞的內(nèi)皮型一氧化氮合酶上調(diào)，使內(nèi)皮細胞依賴的血管舒張反應(yīng)減弱，促進細胞凋亡[29]。NF-κB通過生成細胞因子可引發(fā)炎癥反應(yīng)，而ROS可上調(diào)NF-κB，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)加重[27]。另外，腫瘤壞死因子和血管黏附因子等可刺激ROS的產(chǎn)生，由于ROS主要產(chǎn)生于線粒體，通過降低線粒體中ROS產(chǎn)量，提高線粒體中抗氧化酶活性，是有效減輕膿毒癥心肌組織氧化應(yīng)激損傷的重要措施[28]。

2.3氧化應(yīng)激下的膿毒癥腦病 膿毒癥腦病發(fā)生最早且發(fā)生率最高[30]。膿毒癥相關(guān)腦病大鼠海馬可產(chǎn)生大量氧化應(yīng)激因子及炎癥細胞因子，導(dǎo)致腦損傷，在不同腦區(qū)，特別是海馬和皮質(zhì)易出現(xiàn)早期氧化應(yīng)激反應(yīng)[31]。研究證實，在膿毒性腦病的發(fā)生、發(fā)展中起關(guān)鍵作用的主要是神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激和凋亡，而氧化應(yīng)激在膿毒癥腦病中的主要作用是破壞血腦屏障(blood-brain barrier，BBB)功能[11]。腫瘤壞死因子-α[32]、ROS、RNS[33]和基質(zhì)金屬蛋白酶等炎癥因子可能是導(dǎo)致BBB功能破壞的重要因素。脂多糖通過激活小膠質(zhì)細胞增加ROS的產(chǎn)生，而ROS是引起B(yǎng)BB通透性改變的關(guān)鍵[34]。ROS引起B(yǎng)BB破裂的關(guān)鍵是誘導(dǎo)細胞骨架緊密連接的重組以及激活蛋白激酶B通路和磷脂酰肌醇-3-激酶通路，使閉鎖蛋白和緊密連接蛋白封閉蛋白5重新分配及消失[35]。緊密連接蛋白閉鎖蛋白能被酶源性一氧化氮合酶降解。iNOS的表達激活肌醇三磷酸使得內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+，iNOS還能激活肌球蛋白激酶，而磷酸化的肌球蛋白輕鏈能引起肌動蛋白介導(dǎo)的內(nèi)皮細胞收縮，最終導(dǎo)致黏附連接的斷裂[36]。

2.4氧化應(yīng)激下的膿毒癥肝損傷 膿毒癥肝損傷病理機制的關(guān)鍵是氧化應(yīng)激反應(yīng)[37]。ROS和RNS是氧化應(yīng)激的主要產(chǎn)物，其中，ROS是引發(fā)肝細胞廣泛凋亡的重要因素。肝細胞膜的多不飽和脂肪酸是氧化應(yīng)激損傷的重要場所，ROS能夠?qū)⒏渭毎さ亩嗖伙柡椭舅峤到獬芍|(zhì)過氧化物，形成肝細胞脂質(zhì)過氧化，ROS損傷線粒體后，線粒體將釋放細胞色素C，觸發(fā)肝細胞凋亡；膿毒癥可顯著增加肝臟中的iNOS含量，iNOS誘導(dǎo)產(chǎn)生大量一氧化氮，一氧化氮通過與線粒體細胞色素氧化酶反應(yīng)來抑制色素氧化酶的活性，引起電子鏈傳遞障礙，形成超氧化物，進一步損傷線粒體蛋白的功能和結(jié)構(gòu)；且一氧化氮可與超氧陰離子O2-反應(yīng)，快速生成強氧化性的過氧化亞硝酸離子(ONOO-)，雖然ONOO-的半衰期只有1 s，但能夠與各種分子發(fā)生氧化反應(yīng)，最終導(dǎo)致細胞凋亡[38]。

肝竇內(nèi)皮細胞是氧化應(yīng)激損傷的另一重要場所，肝竇內(nèi)皮細胞表面的多糖包被層可被ROS和RNS降解，內(nèi)皮細胞的凋亡信號通路由此引發(fā)，在氧化應(yīng)激和炎癥因子作用下，內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榇倌臓顟B(tài)，導(dǎo)致竇內(nèi)形成大量微血栓，加重了循環(huán)障礙和肝損傷[37]。肝臟作為高能量代謝的器官，對氧供的微小變化尤為敏感。膿毒癥時，ROS增多，氧供減少，常發(fā)生肝臟低灌注，引起肝細胞線粒體休眠。

2.5氧化應(yīng)激下的膿毒癥胃腸功能損傷 氧化應(yīng)激引起的腸黏膜通透性變化使腸黏膜損傷在膿毒癥病程中起著不可忽視的作用[39]。而腸黏膜屏障是胃腸道抵御膿毒癥攻擊最重要的結(jié)構(gòu)，腸道細菌/內(nèi)毒素移位與膿毒癥學(xué)說認為，由革蘭陰性菌大量分泌的腸道內(nèi)毒素釋放入體內(nèi)可能是膿毒癥的重要致病因素[40]。大量內(nèi)毒素及細菌通過移位進入血循環(huán)后，刺激機體釋放大量炎癥介質(zhì)，產(chǎn)生大量ROS，導(dǎo)致線粒體ATP生成不足，影響能量供應(yīng)；此外，炎癥因子通過級聯(lián)效應(yīng)能夠誘發(fā)腸黏膜功能障礙[41]。腸黏膜是阻止外源有害有毒物質(zhì)進入其他器官、組織結(jié)構(gòu)的重要屏障。腸道黏膜上皮細胞、黏液層和細胞間緊密連接三者構(gòu)成腸黏膜。其中，細胞間緊密連接由結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白組成。細胞間緊密連接的結(jié)構(gòu)蛋白包括能夠調(diào)節(jié)細胞間通透性的閉合蛋白和參與構(gòu)成只允許水分子和小分子物質(zhì)通過的“小孔”結(jié)構(gòu)密封蛋白，氧化應(yīng)激能夠改變細胞間緊密連接的組成和結(jié)構(gòu)，進而影響胃腸道上皮通透性[42]。氧自由基的大量釋放還可能是導(dǎo)致胃腸道動力障礙的原因之一[43]。一氧化氮是已知的能夠抑制胃腸運動的神經(jīng)遞質(zhì)，而強烈的氧化應(yīng)激導(dǎo)致一氧化氮生成增多，氧化應(yīng)激反應(yīng)通過增加一氧化氮來抑制胃腸道動力[44]。對于膿毒癥而言，應(yīng)用能夠減少胃腸動力抑制性物質(zhì)釋放的胃腸促動力藥物及抗氧化藥物對改善胃腸動力至關(guān)重要[45]。

3 小 結(jié)

膿毒癥病理基礎(chǔ)是全身炎癥反應(yīng)，相關(guān)毒素及炎癥介質(zhì)激活免疫反應(yīng)及相關(guān)補體途徑，使促炎及抗炎過程失控，導(dǎo)致炎癥風(fēng)暴。炎癥風(fēng)暴協(xié)同氧化應(yīng)激反應(yīng)，共同損傷全身血管內(nèi)皮和線粒體，最終損傷膿毒癥患者各器官、各系統(tǒng)。在膿毒癥病程中，線粒體作為重要的能量及物質(zhì)代謝中心，更易遭受氧化應(yīng)激損傷[46-47]。線粒體損傷的關(guān)鍵是產(chǎn)生大量ROS，ROS積聚及抗氧化酶無法將其清除，使得線粒體ATP生成不足，細胞所需能量供給嚴重缺乏[48]，最終可致膿毒癥患者多臟器、多系統(tǒng)功能障礙[49]。早期確診膿毒癥并判斷其嚴重程度，選擇合理治療措施，是穩(wěn)定膿毒癥患者病情、減少多臟器及多系統(tǒng)并發(fā)癥發(fā)生的有效手段。