ARDS基因組學(xué)相關(guān)生物標(biāo)志物及臨床研究現(xiàn)狀

左海濤 陳永青 楊志華 李雪飛 謝建軍 胡曼青

急性呼吸窘迫綜合征(Acute respiratory distress syndrome,ARDS)是多種病因引起的肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞損傷，造成彌漫性肺間質(zhì)及肺泡水腫，以進(jìn)行性低氧血癥和呼吸窘迫為臨床特征[1]。ARDS是重癥監(jiān)護(hù)病房常見(jiàn)的危重癥，臨床死亡率極高，早期發(fā)現(xiàn)并積極干預(yù)對(duì)于改善ARDS預(yù)后非常重要[2]。近年來(lái)的研究表明，個(gè)體遺傳基因突變涉及ARDS的發(fā)病過(guò)程，對(duì)ARDS基因突變標(biāo)志物的檢測(cè)有助于預(yù)測(cè)疾病易感性，便于對(duì)死亡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分層，并可能揭示新的治療靶點(diǎn)[3]。本文就近年來(lái)ARDS基因組學(xué)相關(guān)生物標(biāo)志物及臨床研究現(xiàn)狀予以綜述。

ARDS病理生理學(xué)的分子研究

ARDS涉及多種復(fù)雜的病理生理學(xué)改變，臨床特征的異質(zhì)性可能與潛在的生物遺傳學(xué)差異有關(guān)。在多種危險(xiǎn)因素作用下，ARDS肺組織發(fā)生廣泛的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞釋放多種炎癥分子和炎癥介質(zhì)。II型肺泡上皮細(xì)胞損傷和內(nèi)皮細(xì)胞的活化可導(dǎo)致肺血管阻塞，引起肺泡中蛋白質(zhì)沉積以及炎癥性肺水腫形成，使肺組織的通透性增加[4]。研究發(fā)現(xiàn)，ARDS患者肺組織中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)水平明顯降低，VEGF是一種可影響血管通透性的糖蛋白，具有復(fù)雜的多效生物活性。VEGF可維持正常的肺泡結(jié)構(gòu)，促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移、增殖和血管形成，通過(guò)上皮再生參與肺損傷后組織修復(fù)。VEGF也可促進(jìn)毛細(xì)血管通透性增加，損害肺泡-毛細(xì)血管屏障的完整性，導(dǎo)致肺水腫形成[5]。因此，VEGF對(duì)ARDS肺組織的病理生理改變具有雙向調(diào)節(jié)作用。

ARDS除了肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障出現(xiàn)功能障礙外，肺組織嗜中性粒細(xì)胞聚集和多種炎癥因子異常表達(dá)也影響ARDS的病理生理學(xué)過(guò)程[6]。病原體相關(guān)分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PAMP)是病原體賴以生存而變化較少的主要部分，使病原體很難產(chǎn)生突變而逃脫固有免疫的作用。例如：PAMP中的革蘭氏陰性細(xì)菌脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)，可激活多種信號(hào)通路，觸發(fā)炎癥介質(zhì)釋放，導(dǎo)致肺泡-毛細(xì)血管屏障功能障礙。Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)是參與非特異性免疫的一類重要蛋白質(zhì)分子，可識(shí)別壞死組織與細(xì)胞碎片，誘導(dǎo)炎性介質(zhì)表達(dá)，引起炎性細(xì)胞浸潤(rùn)到肺泡腔，進(jìn)一步導(dǎo)致肺部炎癥反應(yīng)并損害呼吸功能。游離線粒體DNA和線粒體肽屬內(nèi)源性損傷相關(guān)分子模式(Damage-associated molecular patterns，DAMPs)，在調(diào)節(jié)對(duì)肺損傷的反應(yīng)中也發(fā)揮關(guān)鍵作用。DAMPs是宿主來(lái)源的分子結(jié)構(gòu)，具有調(diào)節(jié)病原體識(shí)別及受體激活的作用。DAMPs來(lái)自受損和死亡細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)或作為免疫調(diào)節(jié)蛋白存在于細(xì)胞間質(zhì)中。DAMPs既可以充當(dāng)TLR激動(dòng)劑或拮抗劑，又可以調(diào)節(jié)TLR和NOD樣受體信號(hào)級(jí)聯(lián)。這種多樣化的分子類型可能作為ARDS的重要治療靶標(biāo)[7]。

ARDS易感基因研究

目前，ARDS相關(guān)基因及生物標(biāo)記物研究，多集中在鑒定生物學(xué)候選基因編碼中的遺傳變異風(fēng)險(xiǎn)方面，涉及細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育、組織通透性、血管代謝、氧化應(yīng)激及凝血反應(yīng)等[8]。與ARDS易感性相關(guān)的基因類型，與不同的種族遺傳有關(guān)。例如：以歐洲人為研究對(duì)象的ARDS患者，Egl-9家族低氧誘導(dǎo)因子1基因變異與30 d內(nèi)ARDS死亡風(fēng)險(xiǎn)增加獨(dú)立相關(guān)。該因子和低氧誘導(dǎo)因子降解脯氨酰羥化酶，是人類對(duì)低氧環(huán)境適應(yīng)性反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，在組織低氧和炎癥反應(yīng)之間提供聯(lián)系。目前，Egl-9家族不同基因突變狀態(tài)對(duì)ARDS易感性的影響尚不明確[9]。

ARDS早期即存在肺血管收縮和纖維增生，53%的ARDS持續(xù)機(jī)械通氣超過(guò)5 d可出現(xiàn)纖維化病變[10]。有研究報(bào)道了特發(fā)性肺纖維化常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)基因變異與ARDS易感性的關(guān)聯(lián)。粘蛋白5B(Mucin 5B,MUC5B)基因啟動(dòng)子的多態(tài)性顯示與特發(fā)性肺纖維化的臨床相關(guān)性較大。MUC5B等位基因變異純合子有中等程度的ARDS發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)(OR：1.47；95%CI：1.02～2.1)。研究支持在ARDS和特發(fā)性肺纖維化之間可能存在共同的遺傳風(fēng)險(xiǎn)[11]。另外，晚期糖基化終產(chǎn)物(Advanced glycosylation end-products，AGEs)特異性受體基因變體，可表達(dá)編碼肺上皮細(xì)胞損傷的標(biāo)記物。有研究分析了AGEs可溶性受體和內(nèi)源性分泌性AGEs的血漿水平，AGEs基因變異與ARDS風(fēng)險(xiǎn)增加和AGEs可溶性受體血漿濃度升高相關(guān)。根據(jù)血漿AGEs可溶性受體水平有助于確定ARDS易感目標(biāo)人群[12]。

在對(duì)ARDS的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型研究中，也將miRNA作為為治療靶標(biāo)，以降低炎癥性細(xì)胞因子，如白介素-1(Interleukin-1,IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(Tumour necrosis factor alpha-α,TNF-α)的表達(dá)，減少細(xì)胞凋亡及肺損傷。細(xì)胞凋亡異?？捎|發(fā)肺損傷，涉及與凋亡相關(guān)的多種蛋白質(zhì)，包括Bax、Bcl-2和裂解半胱天冬酶-3等，也被稱為肺損傷生物標(biāo)記物，在ARDS的早期階段即可出現(xiàn)明顯變化[13-14]。Fang等[15]研究了血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(Angiotensin converting enzyme 2，ACE2)作為潛在的miRNA調(diào)節(jié)劑，對(duì)暴露于LPS的肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行功能獲得和功能喪失研究，以確定miRNA在LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，LPS(1μg/mL)可明顯誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞中miRNA的表達(dá)。miRNA沉默可以阻斷LPS誘導(dǎo)的ACE2抑制，并伴有凋亡減少以及IL-1β和TNF-α的產(chǎn)生。ACE2的過(guò)度表達(dá)可削弱MiRNA介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。miRNA耗竭則減弱LPS暴露小鼠的肺部炎癥反應(yīng)、中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和血管通透性，并恢復(fù)ACE2表達(dá)。研究表明，miRNA介導(dǎo)LPS引起的肺內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和急性肺損傷，與對(duì)ACE2的抑制作用有關(guān)。ACE2被認(rèn)為是miRNA的靶基因。

其他有關(guān)ARDS易感基因的研究，涉及免疫應(yīng)答、炎癥因子、血小板功能異常等方面。例如，防御素是生物免疫系統(tǒng)中的重要調(diào)節(jié)分子，有學(xué)者研究了防御素β1基因變異與ARDS易感性和存活率的關(guān)系。研究表明，rs1800972點(diǎn)的G等位基因攜帶者更易發(fā)生ARDS且預(yù)后不良。防御素β1基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后RNA的穩(wěn)定性異常，與ARDS風(fēng)險(xiǎn)增大和預(yù)后較差有關(guān)[16]。由于有絲分裂原激活蛋白激酶1調(diào)節(jié)與炎癥和凋亡有關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑，發(fā)生遺傳變異后可能影響與ARDS相關(guān)的炎癥和轉(zhuǎn)錄修飾過(guò)程[17]。同樣，血小板可通過(guò)參與炎癥反應(yīng)和血管內(nèi)凝血來(lái)影響ARDS的發(fā)病過(guò)程。富含亮氨酸重復(fù)序列的16A基因的遺傳變異，可影響血小板形成，與ARDS風(fēng)險(xiǎn)降低有關(guān)[18]。盡管ARDS相關(guān)候選基因研究尚存在局限性，初步研究結(jié)果提供了遺傳基因變異與ARDS易感性具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

ARDS與全基因組關(guān)聯(lián)研究

全基因組關(guān)聯(lián)研究(Genome-wide association studies，GWAS)可在全基因組層面上驗(yàn)證基因與疾病的關(guān)聯(lián)，目前已經(jīng)揭示數(shù)百種涉及多種復(fù)雜疾病易感性和不良預(yù)后的基因變異。對(duì)歐洲人群與創(chuàng)傷相關(guān)ARDS患者GWAS的關(guān)聯(lián)研究，使用Illumina公司的人Quad 610芯片進(jìn)行全基因組基因分型，在B淋巴母細(xì)胞系中采用定量性狀基因座分析進(jìn)行功能驗(yàn)證。單核苷酸多態(tài)性功能評(píng)估顯示，rs471931在11q13.3上對(duì)酪氨酸磷酸酶受體F型多肽相互作用蛋白α-1基因中的mRNA表達(dá)產(chǎn)生順式調(diào)節(jié)作用。該基因編碼脂蛋白-α，參與細(xì)胞粘附、整聯(lián)蛋白表達(dá)和細(xì)胞-基質(zhì)間相互作用，編碼基因突變參與了創(chuàng)傷相關(guān)ARDS的發(fā)病過(guò)程。研究支持對(duì)ARDS發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多中心GWAS研究的可行性，初步確定了潛在的候選風(fēng)險(xiǎn)基因[19]。

Rautanen等[20]分析了因嚴(yán)重膿毒癥、肺炎或腹腔內(nèi)感染性休克而入住ICU的歐洲成年ARDS患者的28 d死亡率。在三個(gè)獨(dú)立的隊(duì)列研究中完成了GWAS評(píng)估。研究確定了FER基因的一個(gè)常見(jiàn)變異，與肺炎引起的敗血癥死亡風(fēng)險(xiǎn)降低有關(guān)。該基因編碼的蛋白質(zhì)是FPS/FES非跨膜受體酪氨酸激酶家族成員。具有調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞間粘附，并通過(guò)生長(zhǎng)因子受體介導(dǎo)從細(xì)胞表面到細(xì)胞骨架的信號(hào)傳導(dǎo)。生存分析結(jié)果顯示，與非攜帶者相比，具有FER變異的ARDS患者90 d內(nèi)死亡風(fēng)險(xiǎn)更大。FER變異可以作為肺炎引起嚴(yán)重ARDS患者生存的預(yù)后因素。另一項(xiàng)獨(dú)立的GWAS研究發(fā)現(xiàn)，有14個(gè)基因位點(diǎn)與ARDS 28 d死亡率增加相關(guān)，這些基因編碼空泡蛋白13同源物A和富含半胱氨酸分泌蛋白LCCL結(jié)構(gòu)域2。前者含有有害的錯(cuò)義變體，編碼分子通過(guò)反式高爾基體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行蛋白質(zhì)循環(huán)控制，在自噬降解中起重要的調(diào)節(jié)作用。后者的蛋白質(zhì)產(chǎn)物與先天免疫有關(guān)，在敗血性休克中減少，與降鈣素原水平的變化有關(guān)，是膿毒癥最有效的生物標(biāo)記之一[21]。

總之，對(duì)具有ARDS發(fā)病危險(xiǎn)個(gè)體進(jìn)行相關(guān)基因及生物標(biāo)記物檢測(cè)，有助于識(shí)別疾病易感性，便于對(duì)患者進(jìn)行危險(xiǎn)分層，以確定治療目標(biāo)及分析預(yù)后。由于大多數(shù)GWAS是在歐洲人群中進(jìn)行的，不同種族ARDS的基因易感性可能存在差異，因此有必要在不同人群中進(jìn)行研究，以發(fā)現(xiàn)更多的特異性ARDS易感基因。不同人群中大樣本的GWAS研究，將增進(jìn)對(duì)ARDS遺傳基因突變的認(rèn)識(shí)，有助于改善ARDS患者的預(yù)后。