血管內(nèi)皮糖萼在膿毒癥急性肺損傷病理機(jī)制及診斷治療中的作用

陳加弟，龔迪，易玉虎，陳懌

1暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院急診科，廣州 510632；2暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院眼科，廣州 510632；3暨南大學(xué)附屬東莞醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，廣東東莞 523900

膿毒癥(sepsis)是指宿主對(duì)感染的反應(yīng)失控而導(dǎo)致的危及生命的器官功能障礙[1]。膿毒癥往往累及多個(gè)器官系統(tǒng)，且常因器官衰竭而導(dǎo)致患者死亡[2]，其中肺組織受損尤為常見，發(fā)生率超過40%[3]，在臨床上常表現(xiàn)為急性肺損傷(acute lung injury，ALI)或急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)[4]。早在20世紀(jì)80年代，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)糖萼與肺泡滲出及間質(zhì)水腫有著密切關(guān)系[5]，但直到近10年，糖萼的具體生理結(jié)構(gòu)功能及其在ALI病理機(jī)制中的作用才逐漸清晰。本文就血管內(nèi)皮糖萼(vascular endothelial glycocalyx，VEG)在膿毒癥ALI病理機(jī)制及診斷治療中的作用進(jìn)行綜述。

1 VEG的結(jié)構(gòu)與功能

VEG是位于血管內(nèi)皮細(xì)胞管腔面細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物，層厚0.1～1.0 μm，由血管內(nèi)皮細(xì)胞合成分泌，是構(gòu)成血管內(nèi)皮表面的重要結(jié)構(gòu)，其主體成分為蛋白聚糖和糖蛋白。蛋白聚糖具有核心蛋白和帶負(fù)電荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。GAG的主要成分包括透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)、硫酸乙酰肝素(heparan sulphate，HS)、硫酸軟骨素、角蛋白和硫酸皮膚素等，其中HS的含量最高，占比達(dá)50%～90%。核心蛋白骨架主要包含多配體蛋白聚糖(syndecan)、磷脂酰肌醇蛋白聚糖(glypican)和基底膜蛋白聚糖等成分，是VEG發(fā)揮主要生理功能的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。位于蛋白聚糖之下的糖蛋白主要由E-選擇素、P-選擇素、細(xì)胞間黏附分子(intercellular adhesion molecules，ICAM)和血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子(vascular cell adhesion molecule，VCAM)等具有影響血細(xì)胞黏附、游走和浸潤(rùn)，干預(yù)凝血、止血和纖溶功能的蛋白分子組成[6]。目前認(rèn)為，VEG是微循環(huán)功能的重要調(diào)節(jié)器，對(duì)維持內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定、抑制微血栓形成、調(diào)節(jié)微循環(huán)血流、調(diào)控血細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的作用、防止炎性細(xì)胞黏附、維護(hù)血管壁屏障功能的完整等均具有重要作用(圖1)。糖萼生理結(jié)構(gòu)完整性的破壞將直接造成相應(yīng)組織器官出現(xiàn)以下改變：(1)廣泛微循環(huán)血栓形成；(2)血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能異常；(3)促進(jìn)循環(huán)中炎性細(xì)胞滾動(dòng)、黏附并游走至血管外的組織間隙；(4)血管壁完整性下降和血管通透性增加，加重組織器官水腫，導(dǎo)致細(xì)胞組織代謝障礙[7-8]。在各種病理因素的作用下，基質(zhì)金屬蛋白酶、乙酰肝素酶和唾液酸酶等的活性及濃度異常均可引發(fā)VEG損傷[9]，該病理生理變化已被證實(shí)是誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化、缺血/再灌注損傷和糖尿病并發(fā)癥等病理損傷的始動(dòng)因素[6]。

圖1 VEG的主要結(jié)構(gòu)及組成成分Fig.1 The main structure and components of VEG

2 肺VEG在膿毒癥ALI病理機(jī)制中的作用

肺VEG在膿毒癥ALI/ARDS發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用。在哺乳動(dòng)物的組織器官中，與肺外血管(糖萼層厚0.6～0.8 μm)相比，肺泡毛細(xì)血管糖萼層更厚(可達(dá)1.5 μm以上)，且HS更為富集[10-14]。這種糖萼在肺內(nèi)分布的優(yōu)勢(shì)，與防止肺水腫和增強(qiáng)對(duì)外界抗原的耐受性等作用有關(guān)，因此在膿毒癥發(fā)病過程中糖萼結(jié)構(gòu)功能障礙也較其他器官更為嚴(yán)重，直接導(dǎo)致肺成為膿毒癥首發(fā)打擊或打擊最為嚴(yán)重的器官。Inagawa等[15]通過腹腔注射脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)建立小鼠膿毒癥模型，在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡下觀察小鼠肺VEG，發(fā)現(xiàn)注射LPS后48 h，VEG出現(xiàn)崩解破壞現(xiàn)象，表明肺VEG降解在膿毒癥ALI/ARDS的發(fā)病機(jī)制中具有核心地位[12,15-16]。

2.1 膿毒癥ALI/ARDS時(shí)肺VEG的損傷機(jī)制 在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，生理狀態(tài)下VEG處于合成與降解的動(dòng)態(tài)平衡。Schmidt等[12]發(fā)現(xiàn)，膿毒癥時(shí)炎性介質(zhì)如白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、血管生成素-2(angiopoietin-2，ANGPT-2)等可使肺組織內(nèi)乙酰肝素酶(heparanase，HPSE)的活性及濃度異常增高，進(jìn)而加速糖萼結(jié)構(gòu)的崩解[12,17]。HPSE是一種存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi)的肝素酶Ⅲ類似物，由血管內(nèi)皮細(xì)胞或中性粒細(xì)胞等體細(xì)胞分泌釋放，可特異性分解HS，導(dǎo)致糖萼降解。此外，血管生成素(angiopoietins，ANGPTs)及其受體內(nèi)皮細(xì)胞酪氨酸激酶型受體-2(endothelial tyrosine kinase receptor-2，Tie-2)也是調(diào)節(jié)糖萼合成與降解動(dòng)態(tài)平衡的重要信號(hào)通路[7]。ANGPTs家族共包括4種亞型，起主要生理作用的ANGPT-1、ANGPT-2亞型大部分由血管內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞分泌產(chǎn)生，Tie-2是整個(gè)家族的共同受體，其中ANGPT-1/Tie-2的結(jié)合可促進(jìn)糖萼形成與修復(fù)，維持血管內(nèi)皮功能穩(wěn)定，而ANGPT-2/Tie-2的結(jié)合可加速糖萼降解，造成血管內(nèi)皮損傷。ANGPT-1與ANGPT-2之間存在數(shù)量競(jìng)爭(zhēng)性抑制的關(guān)系，膿毒癥ALI時(shí)，大量過表達(dá)的ANGPT-2可通過競(jìng)爭(zhēng)阻斷ANGPT-1與Tie-2的結(jié)合(圖2)，抑制Tie-2磷酸化[18-20]。此外，膿毒癥時(shí)肺VEG的修復(fù)重建功能受到明顯抑制，是促進(jìn)ALI/ARDS進(jìn)展的關(guān)鍵機(jī)制[21](圖2)。Yang等[21]指出，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體1(fibroblast growth factor receptor 1，F(xiàn)GFR1)/HS生物合成酶exostosin-1(EXT-1)信號(hào)通路是調(diào)控肺VEG修復(fù)的主要分子機(jī)制：糖萼重建源于糖萼崩解并釋放出HS片段，HS可直接激活成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2(fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2)形成HS-FGF2復(fù)合物，激活FGFR1和EXT-1的表達(dá)，最終啟動(dòng)肺VEG修復(fù)程序。但在膿毒癥小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GFR1和EXT-1的表達(dá)下調(diào)，致使肺VEG重建出現(xiàn)明顯的延遲和抑制[22]。值得注意的是，Yang等[21]和Oladipupo等[23]發(fā)現(xiàn)，由于FGFR信號(hào)的組織差異性，肺VEG修復(fù)先于其他系統(tǒng)內(nèi)皮組織，甚至是在全身炎癥反應(yīng)仍較明顯時(shí)。

圖2 膿毒癥時(shí)肺VEG降解致ALI發(fā)生的模擬圖Fig.2 Simulation diagram of ALI caused by VEG degradation in sepsis

2.2 肺VEG在肺損傷發(fā)生發(fā)展中的作用 目前認(rèn)為，ALI/ARDS發(fā)病的細(xì)胞基礎(chǔ)是肺血管內(nèi)皮和肺泡上皮急性損傷，繼而引發(fā)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和肺血管通透性增加[3,24]。VEG受損與炎癥失控是ALI/ARDS的兩個(gè)關(guān)鍵病理生理環(huán)節(jié)[25-26]。肺VEG降解不僅增加了肺毛細(xì)血管的通透性，形成以大量蛋白質(zhì)滲出為主的肺水腫[27]，還可顯著提高肺毛細(xì)血管中性粒細(xì)胞的變形和黏附能力，使其更易游走至肺間質(zhì)并釋放炎性介質(zhì)，在肺組織中形成“瀑布式”的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[28]。

首先，VEG是內(nèi)皮細(xì)胞抵御損傷的防護(hù)屏障，可影響各種分子物質(zhì)對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞屏障的穿透能力。VEG最淺層帶負(fù)電荷，與血液中多種蛋白質(zhì)產(chǎn)生靜電斥力，阻礙白蛋白等大分子物質(zhì)通過。因此，VEG損傷可直接導(dǎo)致靜電斥力消失，加之內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接隨著VEG結(jié)構(gòu)完整性被破壞而變得疏松，可造成血管通透性顯著增加，血液中水分和血漿蛋白可外滲到肺間質(zhì)和肺泡中，啟動(dòng)并加重肺水腫[27,29]。

其次，VEG在維持微血管生理功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可調(diào)節(jié)血管張力和凝血狀態(tài)[28,30]。VEG與舒血管物質(zhì)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的生成有關(guān)。Mochizuki等[31]、Kumagai等[32]和Yen等[33]先后證實(shí)，VEG參與內(nèi)皮細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力(主要是血流引起的剪切應(yīng)力)的傳感與轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而促進(jìn)eNOS的分泌釋放，發(fā)揮調(diào)節(jié)血管張力和血流量、抑制血小板聚集和黏附等作用，所以肺VEG損傷可誘發(fā)肺毛細(xì)血管收縮和血流量減少。

第三，VEG損傷可激活并增強(qiáng)炎性細(xì)胞的活性，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)失控。VEG裂解出的HS片段與LPS具有類似的作用，可通過激活依賴于MyD88的Toll樣受體4(Toll-like receptor-4，TLR-4)將信號(hào)傳導(dǎo)至下游的核因子-κB(NF-κB)，導(dǎo)致IL-6、TNF-α等炎性介質(zhì)的生成和釋放增加。同時(shí)炎性介質(zhì)濃度的升高又可促進(jìn)HPSE的活化，從而導(dǎo)致VEG降解加速，產(chǎn)生更多的HS片段，形成閉環(huán)式的正反饋調(diào)節(jié)[34]。有研究發(fā)現(xiàn)，VEG的降解暴露出血管內(nèi)皮細(xì)胞的表面黏附分子，致使中性粒細(xì)胞、單核-巨噬細(xì)胞等炎性細(xì)胞更易黏附于內(nèi)皮細(xì)胞，并進(jìn)一步跨內(nèi)皮遷移至血管外的組織間隙中導(dǎo)致炎癥播散[12,35]。生理狀態(tài)下，HS和syndecan-1可與部分趨化因子相結(jié)合，而在ARDS狀態(tài)下，VEG降解后釋放出的趨化因子可直接導(dǎo)致中性粒細(xì)胞的募集和游走，進(jìn)而形成“瀑布式”的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)。

3 VEG在膿毒癥ALI診斷治療中的作用

VEG損傷是啟動(dòng)ALI/ARDS的關(guān)鍵扳機(jī)，在膿毒癥ALI/ARDS診斷評(píng)估和指導(dǎo)治療等方面具有重要價(jià)值。有研究指出，膿毒癥ALI/ARDS患者外周血中HPSE含量和活性明顯上調(diào)，并在外周血中檢測(cè)到糖萼降解相關(guān)產(chǎn)物濃度增加[36]。通過檢測(cè)VEG降解產(chǎn)物評(píng)估ALI/ARDS患者病情嚴(yán)重程度，并以VEG為作用靶點(diǎn)治療肺損傷成為近年來糖萼相關(guān)研究的熱點(diǎn)。

3.1 VEG作為膿毒癥ALI/ARDS診斷標(biāo)志物Syndecan-1在多個(gè)臨床報(bào)告中已被用作反映糖萼損傷的標(biāo)志物[15,37]。近期一項(xiàng)臨床研究回顧性調(diào)查135例膿毒癥合并ARDS患者發(fā)現(xiàn)，血漿syndecan-1水平與ARDS嚴(yán)重程度直接相關(guān)，且可預(yù)測(cè)發(fā)生肺外器官衰竭及死亡的風(fēng)險(xiǎn)[37]。HS是組成VEG的重要物質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)，在膿毒癥合并ARDS患者體循環(huán)中HS水平呈明顯升高的趨勢(shì)，且其水平與病情嚴(yán)重程度密切相關(guān)。ARDS并發(fā)休克患者HS水平可升高至對(duì)照組的4倍，以90 d結(jié)局進(jìn)行亞組分析，死亡組的HS水平為存活組的3倍[38]。作為哺乳動(dòng)物體內(nèi)唯一可水解VEG的酶，HPSE的濃度在膿毒癥并發(fā)ALI[12]和腎衰竭[39]時(shí)可升高，在感染性休克時(shí)升高更為明顯。值得注意的是，不同致病原感染所致的HPSE水平升高程度存在顯著差異，其中革蘭陰性菌感染患者的HPSE水平和活性最高[40]。

3.2 基于VEG的膿毒癥ALI/ARDS治療靶點(diǎn) 由于ANGPTs/Tie-2軸信號(hào)通路具有調(diào)控VEG生成和降解動(dòng)態(tài)平衡的重要功能，有研究指出，作為ANGPTs家族中促VEG降解的ANGPT-2是膿毒癥ARDS的一個(gè)新型生物標(biāo)志物[18,41]。Han等[19]在小鼠膿毒癥模型中運(yùn)用單克隆免疫球蛋白ANGPT-2結(jié)合抗體(ANG2-binding and Tie2-activating antibody，ABTAA)阻斷ANGPT-2/Tie-2的結(jié)合，使VEG破壞得到明顯緩解，從而減輕了小鼠ALI并提高了其存活率。Margraf等[42]發(fā)現(xiàn)，輸注6%羥乙基淀粉具有抑制HPSE和透明質(zhì)酸酶釋放的作用，可減少syndecan-1和HA的脫落，對(duì)VEG的完整性具有一定保護(hù)作用，可減輕膿毒癥ARDS患者肺血管通透性的異常。

鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)是一種鞘磷脂，通過作用于細(xì)胞表面G蛋白偶聯(lián)受體S1P1發(fā)揮作用，對(duì)血管內(nèi)皮具有一定的保護(hù)效應(yīng)[43]。Zeng等[44]的體外研究發(fā)現(xiàn)，激活S1P并促進(jìn)其與S1P1受體結(jié)合可有效抑制syndecan-1脫落，進(jìn)而保護(hù)糖萼免受病理損傷。該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究證實(shí)，上述保護(hù)作用的完成需要一個(gè)關(guān)鍵步驟——S1P由紅細(xì)胞釋放并轉(zhuǎn)運(yùn)至血管內(nèi)皮細(xì)胞，血漿中的白蛋白為該過程的主要運(yùn)載工具[45]。因此，在膿毒癥復(fù)蘇期間使用白蛋白或新鮮血漿具有保護(hù)糖萼完整性及改善患者預(yù)后的作用[46-48]。

在膿毒癥ALI發(fā)病機(jī)制中，肺血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的HPSE扮演了啟動(dòng)并加速VEG降解的角色，因此抑制HPSE過度活化成為一種具有較好前景的膿毒癥ALI/ARDS治療方法[12]。Schmidt等[12]通過盲腸結(jié)扎和穿孔造模的小鼠膿毒癥模型發(fā)現(xiàn)，單次注射肝素(在造模后24 h內(nèi))可抑制肺血管內(nèi)皮通透性的異常增加，使用HPSE抑制劑可完全遏制膿毒癥誘導(dǎo)的VEG破壞，而肝素可與內(nèi)皮糖萼非共價(jià)結(jié)合，促使蛋白構(gòu)象變化，鞏固VEG結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)其功能，最終改善糖萼降解[12]。

4 總結(jié)與展望

近年來關(guān)于VEG的研究逐漸增多，VEG作為血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌合成的重要物質(zhì)，參與維持內(nèi)皮結(jié)構(gòu)功能的生理活動(dòng)。在病理狀態(tài)下，VEG降解表明血管內(nèi)皮發(fā)生損傷，與血管滲漏、間質(zhì)水腫、炎癥播散、氧化應(yīng)激、血管收縮甚至彌散性血管內(nèi)凝血等各種病理性損傷的發(fā)生直接相關(guān)。大量證據(jù)表明，VEG在膿毒癥ALI中扮演著極為關(guān)鍵的角色，且以VEG作為靶點(diǎn)采取各種手段調(diào)控其異?？砂l(fā)揮顯著的肺保護(hù)作用?，F(xiàn)階段大部分以VEG為切入點(diǎn)進(jìn)行的膿毒癥ALI研究基于細(xì)胞或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，臨床研究的數(shù)量、規(guī)模和質(zhì)量參差不齊，影響了VEG作為膿毒癥ALI診斷標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)在臨床的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，但未來其可能是導(dǎo)致膿毒癥集束化救治策略如液體復(fù)蘇、炎癥抑制和血流動(dòng)力學(xué)分析等方面發(fā)生根本性變革的關(guān)鍵因素。