谷氨酰胺對膿毒癥器官保護作用的研究進展

胡志凱，范 駿

(南昌大學第二附屬醫(yī)院急診科,南昌 330006)

膿毒癥是嚴重燒傷、創(chuàng)傷、休克和感染等危重病的主要死亡原因之一，其發(fā)病率高、病情發(fā)展迅速、治療費用高、醫(yī)療資源消耗巨大，是全球亟待解決的公共衛(wèi)生難題和學術研究的前沿熱點。2017年全球膿毒癥患者有近4890萬例，其中1100萬例膿毒癥相關的死亡，占全球總死亡人數的19.7%[1]。膿毒癥患者往往預后不良，生活質量下降，背負沉重的經濟負擔[2]。膿毒癥被最新定義為由于宿主對感染的反應失調而導致的危及生命的器官功能障礙[3]，這提示器官功能障礙在膿毒癥患者預后中起著關鍵作用，膿毒癥器官功能保護對膿毒癥治療有重要臨床意義。

谷氨酰胺是人體中含量最豐富，用途最廣的氨基酸。在每個細胞中，谷氨酰胺都能作為底物去合成核苷酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)、抗氧化劑以及其他有助于維持細胞完整性和功能的物質[4]。對于危重患者如膿毒癥，谷氨酰胺被認為是一種“條件必需”氨基酸，并且低谷氨酰胺水平往往提示預后不良[5]。膿毒癥期間，多種器官會出現不同程度的功能障礙。本文查閱近年來國內外相關的文獻，擬對谷氨酰胺對膿毒癥時器官保護作用作一綜述。

1 谷氨酰胺對腦的保護

膿毒癥初期大量的炎癥因子“瀑布樣”釋放，最終會導致感染性休克。膿毒癥以及感染性休克將會破壞血腦屏障、炎癥因子大量進入，同時也會有神經毒性反應，導致中樞神經系統(tǒng)變得脆弱?；颊呱窠浌δ馨l(fā)生改變，從開始的精神錯亂到昏迷，這種綜合征被稱作膿毒癥相關性腦病(sepsis-associated encephalopathy，SAE)[6]。由于液體復蘇、抗生素治療、血管活性藥物應用及器官功能支持等“集束化”治療已取得顯著進展，膿毒癥幸存者的數量正在逐步增加[2]。但是有超過半數的存活患者伴隨著長期的嚴重的認知功能障礙[7]，嚴重影響著患者日后的生存質量。谷氨酰胺作為一種“條件性必需”氨基酸，有助于膿毒癥患者的大腦保護。有研究報道谷氨酰胺可能是通過增加蛋白質氧連-N-乙酰葡糖胺(O-linked-N-acetyl-glucosamine，O-GlcAc)修飾有關[8]。LUO等[9]通過實驗證明了谷氨酰胺通過增強熱休克蛋白70(heat shock protein70,HSP70)的表達，來減輕腦損傷，促進神經恢復。HSP70是一種應激誘導蛋白，已經被很多研究證實能夠保護神經系統(tǒng)，可能存在多種機制。首先HSP70通過抗細胞凋亡途徑，可以減輕腦組織的損傷[10]。其次，HSP70還可以調節(jié)炎癥途徑，它能夠降低NF-κB的活性[11]，NF-κB活性的降低隨之影響TNF-α的表達[12]，減輕炎癥對大腦的損傷。谷氨酰胺還可以影響膿毒癥大鼠腦內的血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF)及其受體來保護腦功能[13]。PDGF是調節(jié)細胞生長和分裂的生長因子之一，可以有效地保護神經系統(tǒng)，促進神經的修復[14]。

2 谷氨酰胺對于心臟的保護

膿毒癥發(fā)生時，患者經常會伴隨心功能障礙，膿毒癥所導致的這種特殊的心功能障礙稱之為膿毒癥所致心肌病(sepsis-induced cardiomyopathy，SIC)。膿毒癥引起SIC的機制很多，現在有越來越多的證據表明生物能量和代謝紊亂在其發(fā)展中起著關鍵性的作用。由于心臟高度依賴大量的三磷腺苷(adenosine triphosphate,ATP)來維持其功能，線粒體功能受損會導致心臟功能障礙。膿毒癥時期線粒體的功能發(fā)生改變，導致氧化磷酸化減少、ATP產生減少、活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加以及細胞凋亡增加[15]。據相關研究顯示，HSP70能減輕膿毒癥小鼠的線粒體損傷以及防止心肌細胞凋亡[16]。另外，HSP70還能夠減輕膿毒癥誘導的自噬來保護心肌細胞[17]。細胞色素氧化酶(cytochrome oxidase，COX)是電子傳遞鏈的末端氧化酶，在線粒體產生ATP的過程中起著重要的作用。膿毒癥期間給予谷氨酰胺能夠消除線粒體COX抑制，改善心功能[18]。谷氨酰胺還可以降低半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteine-containing aspartate-specific proteases-3，caspase-3)基因和蛋白的表達來降低心肌細胞凋亡的程度[19]。caspase是一個蛋白水解酶家族，對所有的凋亡信號都是不可或缺的。其中caspase-3是最重要的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶之一，它能分解細胞蛋白，是細胞凋亡的執(zhí)行者。

3 谷氨酰胺對于肺的保護

肺是膿毒癥最常累及的靶器官，大量釋放的炎癥因子會對肺造成嚴重的損傷，導致患者出現急性肺損傷(acute lung injury，ALI)甚至急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)。在這種情況下，HSP對于減輕肺炎癥損傷有著至關重要的作用。有許多研究都證明了谷氨酰胺能增強HSP70的表達從而減輕肺損傷[20]。組織受損感染時，HSP70被釋放到胞外，附著在細胞表面誘導這巨噬細胞產生TNF-α，可使其濃度達到原來的200多倍[21]。此外，HSP70還能誘導T細胞表達IL-10等抗炎因子[22]。此外谷氨酰胺還能抑制膿毒癥小鼠高遷移率族蛋白-1(high mobility group box protein-1，HMGB-1)的表達，減輕ALI、提高存活率[23]。氧化應激是ALI損傷的另一個重要因素，NADPH氧化酶-1產生的ROS在肺損傷中有關鍵性的作用[24]。CHUANG等[25]發(fā)現補充谷氨酰胺的膿毒癥小鼠肺部的NADPH氧化酶-1 mRNA顯著減少，有效地減輕了肺損傷。谷氨酰胺還能提高γδ T細胞在肺中的百分比、促進分泌、阻止凋亡，能夠有效地抵御炎癥對肺的損傷[26]。

4 谷氨酰胺對肝臟的保護

肝臟是人體最大的腺體和重要的免疫器官，負責清除細菌和內毒素。細胞焦亡是一種依賴caspase-1/4/5/11介導的一種新型的程序性細胞死亡，是膿毒癥肝損害的機制之一。適度的細胞焦亡有助于機體清除細菌和病原體，但是焦亡反應過強則會導致器官損傷甚至衰竭[27]。PAI等[28]通過研究發(fā)現對膿毒癥小鼠進行谷氨酰胺預處理可以在膿毒癥早期上調caspase-1和caspase-11介導的肝細胞焦亡，而在膿毒癥晚期下調其介導的凋亡，進而改善肝功能。caspase-1[29]和caspase-2[30]分別是細胞焦亡經典途徑和非經典途徑中的關鍵因子。此外谷氨酰胺還能通過生成谷胱甘肽來保護肝細胞免受氧化應激的損害、并提高肝臟中HSP72的表達來減輕肝臟損傷[31]。

5 谷氨酰胺對于腸道的保護

膿毒癥時期，腸道由于缺血缺氧導致蠕動減弱，無法有效地清除細菌，導致腸道內致病菌大量繁殖，并且腸道屏障被破壞，為細菌的入侵提供了一個快速通道[32]。因此，保護腸道屏障成為了控制膿毒癥進展的一個關鍵要素。谷氨酰胺是血液和骨骼肌中含量最豐富的氨基酸，是腸上皮細胞修復以及增殖不可缺少的能源物質[33]。谷氨酰胺保護腸道屏障的機制有很多。1)谷氨酰胺可以激活多種MAPK途徑來刺激腸上皮細胞的增殖，幫助腸道屏障快速修復[34]。2)谷氨酰胺能夠提高緊密連接蛋白在腸上皮細胞的表達[35]，緊密連接蛋白對于保持腸屏障的完整性以及防止病原體的入侵具有重要意義[36]。3)谷氨酰胺能增加腸上皮內淋巴細胞(intestinal intraepithelial lymphocytes，ILEs)中TCRγδ IELs[37]和CD8αα+TCRαβ+IELs[38]的組成比例，阻止其凋亡并且下調其所產生的的炎癥介質，減輕腸道內的炎癥反應。TCRγδ IELs和CD8αα+TCRαβ+IELs都是存在于腸上皮內淋巴細胞中的具有免疫調節(jié)作用的細胞，能保護黏膜屏障的完整、抵御細菌和病原體的入侵[39]。4)谷氨酰胺能夠抑制NF-κB的表達和激活，并且下調TNF-α的釋放，對于減輕腸道損傷至關重要[40-41]。

6 谷氨酰胺對于腎臟的保護

腎臟也是膿毒癥常累及的器官之一，一旦膿毒癥并發(fā)急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)，其死亡率可能增加6～8倍[42]。膿毒癥導致腎損傷的機制很復雜，其中炎癥是最主要的要素。膿毒癥會導致T淋巴細胞調節(jié)失衡，加劇炎癥反應，導致多器官功能受損[43]。HOU等[44]發(fā)現谷氨酰胺能夠逆轉膿毒癥導致的T淋巴細胞的減少以及促進CD4+T細胞的活化，從而減輕膿毒癥免疫紊亂和腎臟損傷。此外程序性細胞死亡-1(programmed cell death，PD-1)與T淋巴細胞的耗竭有密切的關系，相關研究已經發(fā)現谷氨酰胺能夠下調T、B淋巴細胞上PD-1的表達，抑制淋巴細胞的凋亡，減輕腎臟損傷[45]。KIM等[46]發(fā)現，谷氨酰胺可通過抑制14-3-3蛋白的c-Jun末端激酶磷酸化抑制急性腎損傷腎小管細胞凋亡。

7 展望

盡管谷氨酰胺對膿毒癥器官功能保護的研究取得一些進展，但谷氨酰胺在膿毒癥的臨床應用仍存在一些爭議，特別是谷氨酰胺的給藥時機、給藥途徑和劑量都需要多中心、大樣本的進一步持續(xù)深入研究。