線粒體形態(tài)功能障礙抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)與內(nèi)毒素性肺損傷

王 麗， 余劍波

內(nèi)毒素性急性肺損傷（endotoxin induced acute lung injury，ALI）是指由感染、外傷、休克及中毒等各種心源性以外因素導(dǎo)致的彌漫性肺實質(zhì)損傷，重者可發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS），造成多器官功能衰竭等嚴重并發(fā)癥，由于其癥狀嚴重，發(fā)展快，病死率高，目前仍然是該領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點課題。但ALI的發(fā)病機制復(fù)雜且迄今尚未完全闡明，現(xiàn)有機制研究涉及蛋白酶失衡學(xué)說、促炎抗炎失衡學(xué)說、氧化抗氧化失衡學(xué)說等。近來研究發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)多種抗氧化應(yīng)激因子如超氧歧化酶、谷胱甘肽、α-硫辛酸、膽紅素、維生素E、維生素C等均與抗氧化應(yīng)激相關(guān)。本文就線粒體抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)與ALI的關(guān)系進行綜述。

1 ALI的表現(xiàn)及可能機制

內(nèi)毒素的主要成分為脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），主要存在于革蘭陰性細菌細胞壁外膜中，覆蓋于細胞壁的黏肽上。ALI的主要表現(xiàn)包括三個層面：1）分子層面，表現(xiàn)為肺組織內(nèi)多種炎性因子和炎性介質(zhì)的過表達；2）細胞層面，表現(xiàn)為炎性細胞的大量聚集和浸潤；3）組織層面，表現(xiàn)為彌漫性肺泡及肺血管內(nèi)皮細胞損傷、肺組織水腫及肺不張等病理特征[1]。

目前ALI涉及多種可能病理生理機制，如抗炎/促炎失衡[2]、促凝/抗凝反應(yīng)失衡[3]、氧化/抗氧化失衡[2]、細胞凋亡紊亂[4]、Na+通道失常[5]及中性粒細胞彈性蛋白酶失衡[6]等，其中氧化/抗氧化失衡是目前研究的熱點。氧化/抗氧化失衡理論認為ALI的發(fā)病機制為：正常狀態(tài)下，機體可產(chǎn)生少量的活性氧自由基(ROS)參與正常代謝，同時體內(nèi)存在清除自由基，抑制自由基反應(yīng)的體系，正常情況下，氧自由基和抑制自由基的反應(yīng)是相互平衡的；但當機體遭受LPS刺激時，體內(nèi)超氧陰離子(O2-)、羥自由基(OH)、過氧化氫(H2O2)及過氧亞硝基陰離子等ROS產(chǎn)生過多，氧化物產(chǎn)生超出氧化物的清除，導(dǎo)致氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)失衡。體內(nèi)過多的ROS一方面對細胞造成直接損傷，攻擊細胞膜的不飽和脂肪酸從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，修飾某些氨基酸殘基破壞蛋白質(zhì)和酶引起功能受損，直接攻擊核酸產(chǎn)生突變[7]；另一方面，ROS可作為第二信使，激活與氧化還原反應(yīng)有關(guān)的不同信號通路，從而促進炎性反應(yīng)[8-10]。

2 線粒體的抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)

線粒體是機體進行氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要場所，線粒體內(nèi)多種抗氧化因子的表達和參與代謝是有效抵制了機體的氧化/抗氧化失衡。正常生理狀態(tài)下，機體通過線粒體內(nèi)存在的多種抗氧化因子能夠快速清除過量的ROS，保持氧化和抗氧化動態(tài)平衡，維持機體正常生理活動[11]。當抗氧化系統(tǒng)功能出現(xiàn)障礙時，ROS過量蓄積，導(dǎo)致氧化抗氧化系統(tǒng)功能失衡，ROS可與周圍分子發(fā)生反應(yīng)，直接或間接氧化或損傷DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，誘發(fā)基因突變、蛋白質(zhì)變性和脂質(zhì)過氧化，引起細胞的凋亡或死亡，稱為氧化應(yīng)激。為減少機體損傷，線粒體通過酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng)發(fā)揮作用[12-14]。

2.1 超氧化物歧化酶（superoxide disrnutase，SOD） SOD具有Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD三種類型。其中Mn-SOD是一種線粒體酶，由外界刺激誘導(dǎo)合成，能消除大量氧自由基，阻止氧化/抗氧化失衡產(chǎn)生的過量自由基對蛋白質(zhì)、DNA和脂質(zhì)的破壞。SOD表達水平在與線粒體氧化應(yīng)激損傷有關(guān)的疾病中具有重要意義，SOD活力高低可反映機體清除自由基的能力。SOD表達水平越高，活力越高，表明機體消除自由基能力越強，減緩甚至消除過量自由基導(dǎo)致的氧化/抗氧化失衡，從而減少由這一機制導(dǎo)致的內(nèi)毒素肺損傷；SOD表達水平越低，活力越低，則表明消除自由基能力越弱，從而無法更好的維持機體內(nèi)氧化/抗氧化平衡，結(jié)果導(dǎo)致內(nèi)毒素肺損傷的加深[15]。

Huang等[16]認為SOD是體內(nèi)氧自由基清除劑，可維持氧化/抗氧化應(yīng)激平衡，其表達水平反映的是機體自由基的清除能力；該研究小組對20例上肢缺血再灌注的手術(shù)患者在麻醉后靜脈泵注右美托咪定（0.5 μg/kg，10 min完成），結(jié)果顯示經(jīng)過右美托咪定預(yù)處理患者的SOD表達水平顯著高于對照組，且右美托咪定預(yù)處理組的肺損傷水平優(yōu)于對照組，提示右美托咪定預(yù)處理可有效升高上肢缺血再灌注損傷性肺損傷患者血樣中SOD的表達水平，從而緩解患者由于氧化/抗氧化應(yīng)激失衡導(dǎo)致的內(nèi)毒素性肺損傷。

屈亞云等[17]認為SOD作為體內(nèi)清除氧自由基的抗氧化劑，其正常的表達水平是避免內(nèi)毒素性肺損傷的首要物質(zhì)，對調(diào)節(jié)機體內(nèi)細胞氧化與抗氧化平衡起著至關(guān)重要的作用；該小組研究顯示，在胸腔鏡手術(shù)單肺通氣時預(yù)輸注依達拉奉可減少SOD的釋放，有效抑制機體氧化應(yīng)激反應(yīng)，減輕肺組織的損傷程度，保護患者肺組織。

王鑫[18]認為SOD活力的降低意味著清除氧自由基能力的下降，進而導(dǎo)致了氧化/抗氧化應(yīng)激的失衡。其研究發(fā)現(xiàn)，急性百草枯中毒大鼠在中毒早期出現(xiàn)SOD活力下降現(xiàn)象，百草枯中毒狀態(tài)的大鼠機體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，產(chǎn)生了大量的自由基，從而需要消耗大量的SOD清除自由基，由此導(dǎo)致了SOD活力的下降，脂質(zhì)過氧化反應(yīng)增強，從而誘發(fā)內(nèi)毒素性肺損傷，該小組通過血必凈預(yù)處理的方法緩解了百草枯中毒大鼠的內(nèi)毒素性肺損傷，研究后認為其機制可能與血必凈能改善SOD活力有關(guān)。

Meng等[19]通過研究小潮氣量高頻機械通氣對糖尿病模型小鼠內(nèi)毒性肺損傷發(fā)現(xiàn)，隨著機械通氣時間延長，抗氧化指標SOD表達水平下降明顯，機體內(nèi)產(chǎn)生過量的氧自由基，可見糖尿病小鼠體內(nèi)氧化/抗氧化應(yīng)激平衡更容易被機械通氣破壞。

Sun等[20]認為SOD是氧自由基清除酶，能直接清除氧自由基，反映機體的抗氧化能力。

2.2 谷胱甘肽過氧化物酶（GSHPx） GSHPx是一種可以清除過氧化氫的酶，在線粒體抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)中起著重要的抗氧化作用，其主要生理功能是維持細胞內(nèi)較低的氫過氧化物水平，減少潛在的自由基損傷，從而避免內(nèi)毒素性肺損傷[21]。

Zhu等[22]認為GSHPx與SOD是機體內(nèi)重要的兩種抗氧化保護酶。該小組建立ALI大鼠模型，解剖后檢測GSHPx的活力值為（5.90±0.22）U/g protein，而正常大鼠肺組織GSHPx的活力值為（12.8±0.15）U/g protein，ALI大鼠體內(nèi)GSHPx活力顯著降低，氧化/抗氧化應(yīng)激失衡，從而導(dǎo)致了內(nèi)毒性肺損傷的發(fā)生，肺組織損傷明顯加重。其另外兩組高、低劑量蘆丁預(yù)處理的研究結(jié)果表明，可通過預(yù)處理的方式增加機體的抗氧化能力從而保護肺組織，且高劑量蘆丁組的GSHPx活力值上升到（7.96±0.12）U/g protein，低劑量蘆丁組的活力值僅上升到（6.92±0.23）U/g protein，氧化/抗氧化應(yīng)激失衡的恢復(fù)具有藥物劑量依賴性，其研究的意義在于為ALI救治及緩解內(nèi)毒素性肺損傷相關(guān)研究提供了新方向[23]。

Johnstone等[24]報道了GSHPx與內(nèi)毒性肺損傷的相關(guān)性。其研究發(fā)現(xiàn)在內(nèi)毒素性肺損傷的SPF級BALB/c小鼠肺組織中GSHPx下降明顯，但經(jīng)過和厚樸酚預(yù)處理后，可顯著增加或恢復(fù)GSHPx指標水平，從而有利于其清除自由基，減緩肺組織損傷，這表明和厚樸酚可通過清除ROS、抗氧化作用途徑緩解急性肺損傷。

Du等[25]研究發(fā)現(xiàn)，對照組大鼠的GSH-Px水平為（37.81±0.36）μmol/L，高于ALI大鼠的GSH-Px水平（26.10±0.43）μmol/L。GSHPx抗氧化緩解內(nèi)毒素性肺損傷的機制可能是：（1）GSHPx催化過氧化物（主要是過氧化氫）還原；（2）GSHPx催化脫氫抗壞血酸還原酶；其催化過程中的“供氫體”是谷胱甘肽（GSH），內(nèi)毒素性肺損傷發(fā)生時機體氧化應(yīng)激反應(yīng)增強，首先遭到破壞的是肺泡上皮細胞，從而引起氧化/抗氧化失衡，緩解氧化/抗氧化失衡的發(fā)生是緩解ALI的主要治療指導(dǎo)原則。

2.3 血紅素氧化酶（HO） HO是血紅素代謝的限速酶，廣泛存在于所有器官組織中。HO共有三種同工酶，分別是HO-1、HO-2、HO-3，近年的研究表明，缺氧、缺血再灌注肺損傷可造成HO-1表達增多[26]。HO-1及其代謝產(chǎn)物CO、膽紅素和亞鐵可有效清除ROS，在氧化應(yīng)激反應(yīng)中起到保護作用，成為有效的抗氧化應(yīng)激因子。

HO-1是一種應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白，在機體抵抗應(yīng)激損傷中扮演著重要角色。一項LPS誘導(dǎo)的ALI/ARDS大鼠實驗探討了HO-1對線粒體融合蛋白(Mitofusin-1, Mfn1)的影響，通過RT-PCR及Western blotting研究表明，與對照組相比，LPS組的Mfn1表達水平降低而HO-1表達水平上調(diào)；經(jīng)過氯化血紅素治療后，Mfn1表達水平顯著增強，HO-1同時增強；經(jīng)過HO-1抑制劑Znpp-IX抑制表達后，Mfn1與HO-1表達水平同時下降；進一步研究表明，HO-1及Mfn1的表達受P13K/AKT通路調(diào)控。最終研究結(jié)果表明，上調(diào)HO-1表達可減輕LPS誘導(dǎo)的大鼠ALI/ARDS的氧化應(yīng)激，PI3K/Akt通路激活對HO-1上調(diào)有調(diào)節(jié)作用[27]。該研究闡明了HO-1通過線粒體融合蛋白Mfn1減輕氧化應(yīng)激的新思路，為進一步闡明HO-1抗氧化應(yīng)激的機制提供了機會，為設(shè)計針對ALI/ARDS治療的線粒體靶向性HO-1干預(yù)措施提供了機會。

一項涉及80只大鼠的實驗設(shè)計了LZ組和SS組兩組感染性休克大鼠模型，LZ組處理方式為腹腔內(nèi)注射1 ml Znpp-IX，SS組處理方式為1mL 50 mmol/L的碳酸氫鈉，結(jié)果SS組大鼠死亡13只，LZ組大鼠死亡19只；LZ組的HO-1mRNA及HO-1蛋白表達水平顯著低于SS組；LZ組死亡率高的原因為更嚴重的應(yīng)激損傷和終末器官損傷。HO-1/內(nèi)源性CO與感染性休克大鼠的死亡率存在一定的相關(guān)性[28]。

我們一項研究表明，電針刺激足三里穴和內(nèi)關(guān)穴可通過上調(diào)HO-1水平緩解兔內(nèi)毒性休克誘發(fā)的心肌損傷[29]。另一項研究表明，活化蛋白-1(AP-1)在電針上調(diào)內(nèi)毒性休克兔肺組織中HO-1的表達水平中扮演著重要角色[30-31]，內(nèi)毒素休克誘發(fā)的新西蘭兔急性肺損傷時，電針刺激可通過活化AP-1而上調(diào)HO-1表達進而起到肺保護的作用，減少內(nèi)毒素性氧化應(yīng)激肺損傷。p38MAPK信號通路同樣參與到了內(nèi)毒性休克誘發(fā)急性肺損傷大鼠肺組織HO-1表達水平上調(diào)中[32]，抑制p38MAPK信號通路可導(dǎo)致內(nèi)毒素性休克大鼠肺組織HO-1表達水平上調(diào)。除可緩解肺損傷外，HO-1在感染性休克大鼠腎功能損傷中同樣具有一定的保護作用[33]，為探討感染性休克時腎功能損傷的防治措施提供了依據(jù)。

2.4 膽紅素 膽紅素也是一種抗氧化劑，研究表明膽紅素含有活性氫原子和一個延伸的共雙鍵系統(tǒng)，抑制線粒體脂質(zhì)過氧化，清除ROS，實現(xiàn)抗氧化應(yīng)激的能力[2]。

Batta等[34]認為膽紅素是生命系統(tǒng)的“救星”，膽紅素不僅僅是血紅素分解代謝的最終產(chǎn)物，作為重要的抗氧化劑，其具有中和自由基，防止脂質(zhì)過氧化的功能。研究表明[35]，不同劑量的膽紅素對大鼠急性肺損傷保護作用的差異，大劑量膽紅素連續(xù)灌胃組（40 mg）比小劑量膽紅素連續(xù)灌胃組（20 mg）的肺損傷保護作用更為明顯，SOD、MDA、GSHPx等指標改善效果更為顯著，膽紅素通過其抗氧化作用對抗大鼠急性肺損傷并且存在劑量依賴性。

袁芳潤等[36]研究發(fā)現(xiàn)膽紅素對ALI大鼠的水通道蛋白1（AQP-1）、水通道蛋白5（AQP-5）的表達水平可產(chǎn)生影響，膽紅素可能是通過cAMP信號途徑調(diào)節(jié)AQP-1、AQP-5表達改善水代謝，減輕肺水腫狀態(tài)，從而對急性肺損傷具有保護作用。

2.5 其他 α-硫辛酸既具有水溶性又具有脂溶性，不僅能再生抗氧化物質(zhì)、清除ROS，減弱氧化應(yīng)激，使神經(jīng)生長因子等物質(zhì)逐漸恢復(fù)正常，并能刺激神經(jīng)纖維再生[10]。

張偉等[37]認為硫辛酸可減少血液中CD18陽性細胞數(shù)，并且下調(diào)肺組織ICAM-1的表達，從而減輕肺損傷。其研究對象為腎缺血再灌注老年大鼠，腎缺血再灌注大鼠的內(nèi)毒素性肺損傷的探查通過肺組織形態(tài)學(xué)探查實現(xiàn)。在硫辛酸保護的大鼠模型中，肺損傷程度較輕，而在沒有硫辛酸保護的大鼠模型中，肺損傷程度較重，因此該小組認為硫辛酸可減緩腎缺血再灌注造成的內(nèi)毒素性肺損傷。進一步對實驗大鼠CD18陽性細胞術(shù)和ICAM-1表達水平研究發(fā)現(xiàn)，硫辛酸預(yù)處理后，CD18陽性細胞數(shù)和ICAM-1表達水平下降，表明硫辛酸對肺組織的保護作用在于維持促炎/抗炎應(yīng)激的平衡。

維生素E[38]、維生素D[39]及其他植化性抗氧化物質(zhì)[40]具有協(xié)同加成的作用減少組織氧化損傷，發(fā)揮抗氧化作用。維生素C依靠可逆的脫氫反應(yīng)來完成抗氧化作用，維生素E不僅可以保護生物膜結(jié)構(gòu)和功能，還能有效的清除氧自由基，是一種重要的抗氧化劑。

3 小結(jié)

綜上所述，以線粒體為發(fā)生場所的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)在抵抗ALI的過程中發(fā)揮著重要作用，其主要機制為通過多種抗氧化因子，如SOD、GSHPx、HO、膽紅素、α-硫辛酸、以及維生素D、維生素E等，減少自由基的產(chǎn)生，維持線粒體內(nèi)氧化/抗氧化系統(tǒng)的平衡。

4 展望

目前內(nèi)毒素性肺損傷發(fā)病迅速，但臨床上缺乏行之有效的治療手段。線粒體抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)存在多種信號通路，隨著研究不斷深入，可以為今后臨床上研究治療內(nèi)毒素性肺損傷提供多種思路。另外，除功能發(fā)生改變外，線粒體發(fā)生抗氧化應(yīng)激時伴隨著形線粒體形態(tài)上的改變，如線粒體的融合和分裂等[41]，進一步探討線粒體形態(tài)改變與線粒體抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)，對線粒體動力學(xué)及遺傳學(xué)研究具有重要意義，并有望為相關(guān)疾病的治療提供新的思路方向。