膿毒癥急性肺損傷的發(fā)生機制及治療研究進展

張宇，盧笑暉，連新寶

山東中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院急診/重癥醫(yī)學科，濟南 250014

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是機體在嚴重感染、休克及創(chuàng)傷等情況下，肺毛細血管內(nèi)皮細胞及肺泡上皮細胞(alveolar epithelial cell，AEC)損傷造成的非心源性肺水腫，臨床主要表現(xiàn)為進行性的低氧血癥及呼吸困難。ALI在重癥監(jiān)護病房最常見，一項流行病學調(diào)查納入了我國44個重癥監(jiān)護病房的2322例膿毒癥患者，結(jié)果顯示68.2%的膿毒癥患者合并ALI，90 d病死率達35.5%[1]。即使是好轉(zhuǎn)出院的患者，在隨后的兩年甚至更長時間里，仍然繼續(xù)遭受著危重病后遺癥帶來的痛苦，包括運動受限、心理后遺癥、生活質(zhì)量下降及經(jīng)濟負擔等[2]。膿毒癥ALI的病理變化主要包括早期炎性滲出、亞急性期組織化增生及晚期纖維化三個階段[3]。經(jīng)有效治療后，大多數(shù)患者可出現(xiàn)炎癥的消退及水腫的緩慢吸收即前兩個階段的表現(xiàn)[4]。如不進行早期干預，進展至膿毒癥休克期時，肺組織灌注逐漸減少，肺毛細血管收縮，肺通氣/灌注失衡加重，往往會對臟器造成不可逆的損害，甚至引起死亡[5]。膿毒癥ALI的發(fā)病機制主要是血管內(nèi)皮損傷、肺泡上皮損傷，對其治療也主要從減輕血管內(nèi)皮損傷及保護肺泡上皮并促進修復兩方面開展。本文主要對膿毒癥ALI的發(fā)病機制及治療研究進展進行綜述。

1 膿毒癥ALI的發(fā)病機制

1.1 血管內(nèi)皮損傷的機制 膿毒癥患者發(fā)生ALI時，多個分子相互作用以復雜的方式損傷肺血管內(nèi)皮。血管內(nèi)皮完整性是由血管內(nèi)皮鈣黏蛋白(VE-cadherin)與內(nèi)皮受體激酶(Tie2)協(xié)同作用建立的，并受血管內(nèi)皮蛋白酪氨酸磷酸酶(VE-PTP)的調(diào)控[6]，內(nèi)皮反應元件結(jié)合蛋白(CREB)對VE-cadherin的轉(zhuǎn)錄及形成至關重要[7]。血管內(nèi)皮細胞連接的穩(wěn)定性是由產(chǎn)生張力的肌動蛋白細絲及產(chǎn)生拉力的肌動蛋白應激纖維共同決定的，二者在生理狀態(tài)下保持著動態(tài)平衡[8]。膿毒癥ALI還可引起肺、腎、肝組織微血管滲漏，組織中Angpt1(Ang1)、Tek(Tie2)、KDR(VEGFR2或Flk-1)基因表達下調(diào)，這些變化與上述基因上RNA聚合酶Ⅱ密度的降低有關，以肺組織中的反應最明顯[9]。內(nèi)皮細胞損傷還涉及炎癥反應、細胞焦亡、氧化應激、細胞凋亡及自噬等多種途徑。

1.1.1 炎癥反應 細菌內(nèi)毒素脂多糖(LPS)是導致膿毒癥ALI急性炎癥的主要刺激因子。LPS誘導膿毒癥動物模型最為常用，微生物LPS通過輔助蛋白，如脂多糖結(jié)合蛋白(LBP)及分化簇14(CD14)與先天免疫細胞中由髓樣分化蛋白2(MD2)及Toll樣受體4(TLR4)組成的表面受體復合物結(jié)合。脂多糖TLR4/MD2復合物激活下游促炎信號通路，包括核因子-κB(NF-κB)激活多種促炎細胞因子的過度釋放，導致急性細胞和(或)器官損傷，形成膿毒癥ALI[10]。

1.1.2 細胞焦亡 全身暴露于LPS會導致嚴重的內(nèi)皮細胞焦亡。這種焦亡由半胱氨酸蛋白酶(Caspases)家族介導，相關的蛋白有Caspase-1、4、5、11[11]?；罨腃aspase-1切割Gasdermin D，使其形成Gasdermin D的N端或C端，Gasdermin D的N端與細胞膜上的磷脂蛋白結(jié)合，形成孔洞并將大量炎性因子釋放到細胞外。Gasdermin D作為焦亡的直接執(zhí)行蛋白，在血管內(nèi)皮細胞損傷中起關鍵作用[12]。

1.1.3 氧化應激 氧化應激在膿毒癥ALI中的作用已有較多文獻報道。膿毒癥炎癥反應過程中釋放了大量細胞因子及炎性細胞，通過氧化應激反應產(chǎn)生大量的活性氧自由基(ROS)，破壞細胞的結(jié)構(gòu)及功能，尤其是可損傷線粒體功能[13]。核因子E2相關因子2(Nrf2)在細胞的防御與保護中起重要作用，具有抗氧化應激、抗炎及抑制細胞凋亡等作用。對膿毒癥動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白與C-激酶1(PICK1)可通過影響肺胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運體底物特異性亞單位XCT來調(diào)節(jié)肺血管內(nèi)谷胱甘肽的合成，其機制是抑制Nrf2的激活[14]。

1.1.4 細胞凋亡及自噬 在膿毒癥ALI血管內(nèi)皮損傷過程中，自噬與凋亡處于一種對抗關系，Bcl-2家族蛋白是自噬與凋亡之間交互作用的調(diào)節(jié)因子。動物實驗研究證實，經(jīng)LPS處理后肺血管內(nèi)皮細胞及肺組織細胞凋亡增加，吞噬功能增強，Bcl-2表達降低，Bad表達增加，PINK1/Parkin信號通路激活，而Bcl-2過表達及Bad基因敲除均可減輕LPS誘導的損傷，抑制細胞凋亡及有絲分裂，提高存活率；膿毒癥可抑制肺組織中Beclin-1蛋白的表達，但不抑制Beclin-1 mRNA的表達，是典型的自噬激活[15]。

1.2 肺泡上皮損傷的機制 肺泡上皮細胞(AEC)由肺泡Ⅰ型(AT-Ⅰ)細胞及肺泡Ⅱ型(AT-Ⅱ)細胞組成。除氣體交換外，肺泡液(AFC)的清除也是AEC的主要功能，AFC清除率與鈉離子在肺泡上皮中通過頂端的上皮鈉通道(ENaC)及基底外側(cè)Na-KATPase的主動轉(zhuǎn)運有關[16]。膿毒癥ALI早期，肺泡基底膜發(fā)生局灶性破壞及剝脫，但細胞形態(tài)不發(fā)生變化，僅表現(xiàn)為上皮鈣黏蛋白(E-cadherin)及β-連環(huán)蛋白(β-catenin)連接上的改變[4]。隨后，肺血管內(nèi)皮的通透性增加，液體及蛋白質(zhì)聚集在肺間質(zhì)內(nèi)引起水腫，此時肺泡上皮的正常緊密屏障受損，隨后水腫液被轉(zhuǎn)移到肺泡內(nèi)，其內(nèi)包含的中性粒細胞數(shù)量及炎性趨化因子的激活程度與AEC損傷及ALI的嚴重程度密切相關[4]。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路在損傷過程中發(fā)揮重要作用，p38 MAPK通過激活Caspase-3及Caspase-7介導AEC的凋亡[17]，死亡相關蛋白激酶1(DAPK1)是一種促凋亡的鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)的絲氨酸/蘇氨酸激酶，也參與了該過程[18]。在動物模型中AEC的脂肪酸氧化(FAO)明顯受損，這種細胞的代謝缺陷可能是由于參與FAO及線粒體生物能量生成的關鍵介質(zhì)[如過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α (PGC-1α)、肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1A(CPT1A)及中鏈酰基輔酶A(MCAD)]表達降低，使細胞處于易凋亡狀態(tài)[19]。適度的自噬可保護細胞免受各種損傷，但過度的自噬尤其是在發(fā)病初期AT-Ⅱ細胞的自噬，則是ALI發(fā)生的主要原因之一，其潛在分子機制尚待進一步研究[20]。

2 膿毒癥ALI的干預治療

2.1 減輕血管內(nèi)皮損傷 炎癥反應是肺血管內(nèi)皮細胞損傷的主要原因，并與細胞焦亡、自噬及氧化應激等多個途徑相互交錯，TLR4介導的炎癥信號通路也參與其中，因此，早期抑制炎癥反應及保護血管內(nèi)皮對膿毒癥ALI的治療尤為重要。

2.1.1 抑制炎癥反應 從人臍血中分離的無限制體細胞(USSCs)[21]及口服非肽B1受體拮抗劑(BI113823)[22]均可抑制促炎細胞因子TNF-α、IL-6及抗炎細胞因子IL-10的水平，明顯提高嚴重膿毒癥大鼠的存活率，內(nèi)源性子宮珠蛋白作為內(nèi)源性抗炎信號在早期的ALI中也起到相似作用[23]。橋蛋白(OPN)是一種由免疫反應細胞產(chǎn)生的分泌型糖蛋白，在多種炎性疾病中起負面作用，經(jīng)抗橋蛋白抗體(OPN Ab)處理的動物肺組織促炎細胞因子及趨化因子的mRNA及蛋白表達明顯降低[24]，提示OPN也可能是治療膿毒癥ALI的潛在靶點。生長停滯及DNA損傷誘導蛋白34(Gadd34)的主要作用是調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激反應及細胞凋亡，體外實驗表明，Gadd34可通過去磷酸化IKKβ抑制巨噬細胞產(chǎn)生促炎細胞因子，減輕LPS誘導的膿毒癥及急性組織損傷[25]，而Gadd45β基因敲除(KO)膿毒癥小鼠的早期肺細胞凋亡率明顯增高，IL-1β、IL-6、IL-10及TNF-α等炎性因子表達明顯升高，提示Gadd45β也具有肺保護作用[26]。瓜氨酸組蛋白H3(CitH3)參與了內(nèi)皮細胞骨架的形成。有研究將最新研制的一種CitH3單克隆抗體用于靶向肽基精氨酸脫亞胺酶(PAD)2及PAD4產(chǎn)生的CitH3，發(fā)現(xiàn)其可減輕炎癥反應，緩解ALI[27]。作為最具代表性的抗炎藥物，糖皮質(zhì)激素的使用一直備受爭議。最新的一項雙盲、單中心隨機對照試驗(RCT)結(jié)果顯示，氫化可的松可明顯改善早期膿毒癥ALI患者的氧合指數(shù)及臨床癥狀，但并不能改善患者的預后，其不良反應主要是血糖升高，但高血糖并不對預后產(chǎn)生影響[28]。動物實驗表明3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶抑制劑(他汀類)能減輕肺損傷小鼠的炎癥反應，臨床研究也進一步證實辛伐他汀可通過降低肝素結(jié)合蛋白水平而改善患者預后[29]。但另一項臨床RCT研究卻顯示瑞舒伐他汀并不能改善膿毒癥ALI合并高炎癥指標患者的預后[30]。

2.1.2 抑制TLR4介導的炎癥信號通路 TLR4是一種表達于免疫細胞表面的先天免疫受體，其介導的信號通路參與了機體多種炎癥反應。動物實驗表明，多肽-金納米顆粒雜化香煙煙霧提取物[31]、烏苯美司衍生物LYRM03[32]可通過抑制巨噬細胞中促炎性介質(zhì)及MyD88依賴的TLR4信號轉(zhuǎn)導通路，減輕其下游的炎癥反應，有助于自噬誘導及隨后的抗氧化蛋白表達，能有效減輕LPS誘導的ALI。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2(NOX2)可抑制LPS誘導的膿毒癥大鼠細胞因子表達、TLR通路信號轉(zhuǎn)導及肺泡重塑，在新生兒膿毒癥小鼠模型中同樣有效[33]。靶向MD2的抑制劑阻斷了TLR4信號通路的傳導，可能是抑制急性炎癥的潛在藥物[34]。肉桂酰胺衍生物中有一種新的MD2抑制劑在體外可阻斷LPS誘導的MD2/TLR4促炎信號的激活，減輕炎癥反應[35]。有研究在分析黃腐酚與MD2分子對接的基礎上，設計合成了39個含5碳連接鏈的雙芳基-1，4-二烯-3-酮類化合物作為MD2抑制劑，可用于開發(fā)針對MD2的抗炎藥[36]。姜黃素衍生的新型MD2抑制劑MAC17及MAC28的抗炎活性最強，對LPS刺激的巨噬細胞分泌細胞因子的抑制率達90%，具有肺保護作用[37]。

2.1.3 保護血管內(nèi)皮 研究顯示，p110γ在膿毒癥ALI患者肺血管內(nèi)皮細胞中的表達減弱，提示p110γ-FOXM1血管修復信號通路受損是肺血管內(nèi)皮損傷及滲出液形成的關鍵因素，激活p110γ-FOXM1內(nèi)皮細胞再生可能是修復血管的一種新策略[38]。糖酵解是內(nèi)皮細胞(ECs)的主要生物能量途徑，糖酵解激活劑PFKFB3在LPS處理的人肺動脈內(nèi)皮細胞(HPAECs)及LPS攻擊的小鼠肺內(nèi)皮細胞中的表達及活性均明顯增加，而內(nèi)皮特異性PFKFB3基因敲除小鼠表現(xiàn)為內(nèi)皮通透性降低、肺水腫減輕、存活率增高，提示抑制糖酵解具有肺保護作用[39]。研究顯示，經(jīng)雌激素相關受體(ERR)α的反向激動劑XCT-790處理的大鼠肺微血管內(nèi)皮細胞(PMVECs)暴露于LPS后，內(nèi)皮細胞通透性增加，緊密連接蛋白ZO-1、Occludin、JAM-A及VE-cadherin表達降低，而ERR的下調(diào)進一步加重了這些作用，沉默ERR基因也加劇了LPS誘導的炎性因子產(chǎn)生及NF-κB p65表達的增加，提示ERR作為一種新的負性調(diào)節(jié)因子在膿毒癥ALI中發(fā)揮重要作用[40]。研究表明，重組人血栓調(diào)節(jié)蛋白可減輕肺毛細血管內(nèi)皮細胞糖萼的損傷，與保留內(nèi)皮細胞特異性分子1及硫酸乙酰肝素6-O-磺基轉(zhuǎn)移酶1(內(nèi)皮糖萼成分)的基因表達有關[41]，而巨噬細胞衍生的脂質(zhì)介質(zhì)MCTR1則可通過ALx/SIRT1/NF-κB/HPA途徑減輕內(nèi)皮細胞糖萼損傷，保護血管內(nèi)皮[42]。

2.2 保護肺泡上皮并促進修復

2.2.1 保護肺泡上皮 A2B腺苷受體(A2BAR)具有保護AEC及減輕肺水腫的作用。一方面A2BAR通過抑制MAPK信號通路介導的線粒體凋亡途徑減輕AEC損傷[17]；另一方面，A2BAR通過激活腺苷酸環(huán)化酶刺激cAMP的形成，促使ENaC提高AFC清除率，從而減輕肺水腫[43]。褪黑素也被證實可通過激活SIRT1/SGK1/Nedd4-2途徑提高ENaC介導的AFC清除率，是一種新的治療策略[44]。miR-34a是一種多功能調(diào)節(jié)劑，參與細胞增殖、凋亡、生長及自噬，可作為保護性因子抑制FoxO3表達，抑制AT-Ⅱ細胞過度的自噬活性，減輕對肺屏障的破壞[45]。

2.2.2 促進AEC修復 一旦AEC開始損傷，細胞將啟動修復程序，該過程可能持續(xù)2~14 d，由于AT-Ⅰ細胞占肺泡上皮面積的95%以上，所以產(chǎn)生新的AT-Ⅰ細胞對于肺泡上皮修復至關重要，AT-Ⅱ細胞作為祖細胞可通過增殖分化形成AT-Ⅰ細胞，在嚴重損傷時，分泌細胞、支氣管肺泡干細胞及角蛋白-5表達(KRT5+)細胞等均可替代祖細胞[46-47]。KRT5+細胞的增殖由缺氧誘導因子(HIF)-Notch及纖維細胞生長因子受體2信號轉(zhuǎn)導驅(qū)動[48]，AT-Ⅱ細胞的增殖受Wnt-β-Catenin誘導，并被Notch及HIF79抑制[49]。FGF10-FGFR2B信號是維持AT-Ⅱ細胞必需的，可以在肺損傷后產(chǎn)生基底細胞，并通過支氣管上皮干細胞促進AEC的再生[50]。Hippo-YAP信號通路通過磷酸化負調(diào)節(jié)其下游效應物YAP的轉(zhuǎn)錄活性，磷酸化的YAP在維持細胞增殖及凋亡穩(wěn)態(tài)中起重要作用，還可調(diào)節(jié)AT-Ⅱ細胞的增殖[51]，同時YAP/TAZ蛋白也參與AT-Ⅱ向AT-Ⅰ分化[52]。黏著斑激酶(FAK)是一種細胞質(zhì)蛋白酪氨酸激酶，通過FAK-PI3K-Akt途徑促進了AEC的增殖及遷移，并阻止細胞凋亡，恢復肺泡的完整性[53]。隨著干/祖細胞研究的進展，靜脈輸注骨髓間充質(zhì)干細胞(MSCs)治療膿毒癥ALI的第1階段臨床試驗顯示患者耐受性良好[54]。有研究表明角質(zhì)細胞生長因子(KGF)在ALI中可能是有益的[55]，但一項隨機、雙盲、安慰劑對照的第2階段研究結(jié)果顯示，KGF并不能改善患者的生理或臨床結(jié)果，甚至可能是有害的[56]。

2.2.3 外泌體在AEC損傷修復中的作用 外泌體的直徑為50~150 nm，是多囊泡核內(nèi)體與母細胞胞膜融合后釋放至胞外形成的，其內(nèi)包含脂質(zhì)、蛋白、受體、mRNA、lncRNA等成分，是細胞間信息傳遞的重要橋梁，目前已成為研究的熱點。研究顯示，MSCs分泌的外泌體包含MicroRNA-377-3p，后者可以通過靶向RPTOR調(diào)節(jié)自噬，抑制炎性因子，促進肺損傷的恢復[57]；而其包含的MicroRNA-30b-3p可下調(diào)SAA3的表達，從而減輕LPS誘導的AT-Ⅱ細胞損傷[58]。

2.2.4 機械通氣與膿毒癥ALI 呼吸機不能治療膿毒癥ALI，而是為肺屏障的修復及藥物發(fā)揮作用爭取時間。小潮氣量、高呼氣末正壓(PEEP)的保護性通氣策略是目前常用的方案，推薦使用初始小潮氣量(6 ml/kg)。研究表明，初始潮氣量每增加1 ml/kg，ICU死亡風險增加23%，與初始潮氣量比較，隨后的潮氣量每增加1 ml/kg，死亡風險增加15%[59]。另一項研究顯示，即使是保護性的通氣策略，也可能會加重肺損傷[60]。既往曾報道高頻振蕩通氣(HFOV)可以減少這種二次損傷發(fā)生，但研究發(fā)現(xiàn)其并不能降低30 d病死率[61]。更先進的通氣模式，如氣道壓力釋放通氣(APRV)、使用時間控制的適應性通氣(TCAV)方案可減輕肺損傷，其可能的機制包括改善肺泡不均勻性膨脹，減少肺泡、肺泡毛細血管的微應變及應力升高，減少肺泡潮氣量，以及通過對抗腹內(nèi)壓的增加來調(diào)節(jié)胸腔內(nèi)的壓力[62]。

3 總結(jié)與展望

血管內(nèi)皮損傷和肺泡上皮損傷可從整體上概括膿毒癥ALI的發(fā)病機制，但這其中包含了復雜的分子機制，尚待進一步研究證實。在治療上，通過動物實驗發(fā)掘潛在的抗炎藥物的研究居多，臨床試驗相對較少。潛在的治療藥物從發(fā)現(xiàn)到臨床應用是一個漫長的過程，部分動物實驗研究提示有效，但臨床試驗卻得到了相反的結(jié)果[29-30,56]。多途徑靶向細胞移植(如間充質(zhì)基質(zhì)細胞)[56]及更優(yōu)化的呼吸機通氣模式[62]有望成為新的治療選擇，但仍須進一步臨床研究進行驗證。