創(chuàng)傷膿毒癥的免疫和代謝改變

李博昊，談林華

（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院外科重癥監(jiān)護(hù)室，浙江 杭州 310051）

膿毒癥（sepsis）是由于宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào)而導(dǎo)致的危及生命的器官功能障礙綜合征[1]。它是一種異質(zhì)性綜合征，在不同隊(duì)列中的結(jié)果不同。創(chuàng)傷膿毒癥患者作為獨(dú)特的隊(duì)列，和非創(chuàng)傷膿毒癥患者相比，其發(fā)病率及預(yù)后有著顯著的區(qū)別[2-4]。根據(jù)美國(guó)疾病控制和預(yù)防中心（CDC）的數(shù)據(jù)，創(chuàng)傷是45 歲以下人群的主要死亡原因，而膿毒癥則是創(chuàng)傷和感染后死亡的主要原因[5，6]。盡管醫(yī)療技術(shù)不斷進(jìn)步，但創(chuàng)傷膿毒癥的治療選擇仍有限，患者死亡率仍較高。研究發(fā)現(xiàn)，代謝途徑的紊亂、宿主的缺氧反應(yīng)以及免疫系統(tǒng)的過(guò)度驅(qū)動(dòng)是分子水平上創(chuàng)傷膿毒癥的特征。有研究在創(chuàng)傷膿毒癥中觀察到的免疫失調(diào)與代謝過(guò)程的改變之間有很強(qiáng)的相互關(guān)系，這種免疫代謝紊亂強(qiáng)烈地影響著患者的預(yù)后。為此，本文主要對(duì)創(chuàng)傷膿毒癥的免疫代謝以及潛在的治療方法進(jìn)行綜述，以幫助臨床更好的認(rèn)識(shí)創(chuàng)傷膿毒癥。

1 線粒體功能障礙和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙導(dǎo)致的代謝異常和創(chuàng)傷膿毒癥密切相關(guān)。關(guān)鍵的促炎蛋白的表達(dá)和有效的免疫反應(yīng)依賴(lài)于完整的線粒體呼吸，在膿毒癥中，Brealey D 等[7]率先證明骨骼肌線粒體電子傳遞鏈（ETC）活性（特別是復(fù)合物Ⅰ）顯著受損，并且與膿毒癥的嚴(yán)重程度相關(guān)。Matkovich SJ 等[8]的研究也表明，在膿毒癥患者心臟中編碼參與線粒體三羧酸循環(huán)（TCA）周期和ETC 復(fù)合物蛋白質(zhì)的mRNA 水平下降了43%。此外，有研究在動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)了膿毒癥可導(dǎo)致包括心臟、腎臟、肝臟和骨骼肌在內(nèi)的線粒體功能障礙[9-11]。

急性期再灌注損傷、微循環(huán)障礙以及血氧含量降低可直接因氧供應(yīng)不足抑制線粒體呼吸鏈；另一方面，嚴(yán)重創(chuàng)傷或膿毒癥后活性氧（ROS）的產(chǎn)生增加可導(dǎo)致線粒體復(fù)合物氧化損傷，而氣體信號(hào)分子如NO的產(chǎn)生則可通過(guò)與氧在細(xì)胞色素C 氧化酶（Complex Ⅳ）水平上競(jìng)爭(zhēng)來(lái)抑制線粒體的電子傳遞[12]，同時(shí)線粒體數(shù)量的減少也是導(dǎo)致機(jī)體氧利用障礙的原因。線粒體通過(guò)分裂、融合和自噬，以消除功能障礙的受損線粒體，并且通過(guò)線粒體生物發(fā)生（指產(chǎn)生新的線粒體的過(guò)程）恢復(fù)線粒體數(shù)量，這個(gè)過(guò)程需要消耗大量能量[13]。線粒體功能障礙的特征是氧化應(yīng)激增加、自噬功能受損和線粒體動(dòng)力學(xué)改變。在膿毒癥動(dòng)物模型中，自噬不足會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙、器官衰竭和不良結(jié)局[14]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能包括蛋白質(zhì)折疊、鈣離子儲(chǔ)存、脂肪和碳水化合物代謝。不同的條件下，如Ca2+穩(wěn)態(tài)的紊亂、氧化還原失衡、蛋白質(zhì)糖基化改變或蛋白質(zhì)折疊缺陷，都會(huì)導(dǎo)致未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)積聚，這種情況被稱(chēng)為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）。細(xì)胞有一個(gè)整合的信號(hào)系統(tǒng)來(lái)恢復(fù)動(dòng)態(tài)平衡和正常的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能，包括未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解（ERAD）、線粒體自噬、低氧信號(hào)和線粒體生物發(fā)生。UPR 和線粒體自噬聯(lián)系緊密，研究認(rèn)為ERS 后的perk-真核翻譯起始因子2α（Eif2α）通路是誘導(dǎo)自噬所必需的[15]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的物理接觸部位被稱(chēng)為線粒體相關(guān)膜（MAM），MAM的破壞可能抑制自噬小體的形成[16]，所有這些過(guò)程的協(xié)同活動(dòng)決定了細(xì)胞是否能重新建立內(nèi)穩(wěn)態(tài)或激活細(xì)胞死亡程序。在膿毒癥期及創(chuàng)傷、嚴(yán)重出血和缺血再灌注損傷后衰竭的動(dòng)物模型中，可以觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加的標(biāo)志，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標(biāo)記物水平與器官功能障礙程度直接相關(guān)[17]。臨床上，在嚴(yán)重?zé)齻膬嚎苹颊叩陌准?xì)胞、脂肪和肌肉中也發(fā)現(xiàn)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加的標(biāo)志，提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能參與創(chuàng)傷膿毒癥的多臟器功能衰竭[18]。

膿毒癥患者線粒體功能的早期恢復(fù)與臨床結(jié)果的改善呈正相關(guān)[19]。針對(duì)線粒體的治療包括抗氧化劑、調(diào)節(jié)自噬以及刺激線粒體生物發(fā)生[20，21]。然而有研究顯示抗氧化治療對(duì)患者的預(yù)后沒(méi)有益處[22，23]。

激活A(yù)MPK 通路是一種很有前途的刺激線粒體生物發(fā)生的方法。AICAR 是一種可通透細(xì)胞膜AMPK的激活劑，可誘導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞線粒體的生物發(fā)生和功能、保護(hù)心臟免受膿毒癥引起的心臟結(jié)構(gòu)和功能障礙的影響，以及減少促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和膿毒癥導(dǎo)致的腎和肝損傷標(biāo)志物[24-26]。另外，二甲雙胍可通過(guò)激活A(yù)MPK 改善線粒體的功能，其已在膿毒癥動(dòng)物模型的研究中被證明具有保護(hù)作用。5-羥色胺受體（5-HT）激動(dòng)劑、過(guò)氧化物酶體增殖激活受體（PPAR）活化劑、磷酸二酯酶（PDE）抑制劑，以及部分生物制劑都可能是刺激線粒體生物發(fā)生的潛在的治療方法[27，28]。針對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和危重癥患者UPR的研究較少。對(duì)4-苯基丁酸（4-PBA）是一種用于治療尿素循環(huán)紊亂的藥物，4-PBA 可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的折疊，被確定為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的特異性抑制劑。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中4-PBA 抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可顯著改善感染性休克大鼠的血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，以及肝、腎、腸屏障功能等重要器官功能，提高大鼠的存活率[29]。

2 腸道屏障功能障礙和腸道菌群失調(diào)

腸道屏障功能障礙導(dǎo)致的膿毒癥和多器官功能障礙綜合征（MODS）是嚴(yán)重創(chuàng)傷、燒傷、大手術(shù)、失血性休克主要死亡原因，而腸道細(xì)菌或內(nèi)毒素的病理性移位在其中起關(guān)鍵性作用。

腸道上皮屏障的破壞可能導(dǎo)致局部胃腸功能障礙和全身炎癥反應(yīng)，也可能導(dǎo)致大量有毒物質(zhì)，包括炎癥分子、病原菌和抗原，從腸腔進(jìn)入血液，從而促進(jìn)慢性低水平炎癥狀態(tài)。由此導(dǎo)致的腸道通透性增加（高通透性或滲漏的腸道）可造成細(xì)菌、抗原和有毒物質(zhì)通過(guò)腸道粘膜層進(jìn)一步移位，導(dǎo)致粘膜免疫反應(yīng)激活，隨后出現(xiàn)腹痛和腹瀉。這些炎癥介質(zhì)向上皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和肌肉細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，導(dǎo)致腸道功能障礙[30]。在膿毒癥的臨床前模型中，腸道上皮屏障的改變最早在膿毒癥發(fā)生后1 h 出現(xiàn)，腸道高通透性在膿毒癥發(fā)生后持續(xù)至少48 h[31]。腸道屏障功能喪失后，腸道微生物群會(huì)發(fā)生改變，其特征是毒力和侵襲性細(xì)菌的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào)和免疫反應(yīng)失調(diào)，加劇全身炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增強(qiáng)。在膿毒癥和MODS 期間，這一群體轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǘ拘院椭虏⌒愿鼜?qiáng)的細(xì)菌，改變了免疫系統(tǒng)、微生物和腸上皮之間復(fù)雜的相互作用。胃腸道屏障功能障礙有效地加速了MODS，導(dǎo)致危重患者體內(nèi)瓜氨酸和腸道脂肪酸結(jié)合蛋白水平的改變明顯升高，而這種病理改變可通過(guò)腸道細(xì)菌移位和系統(tǒng)吸收內(nèi)毒素而進(jìn)一步擴(kuò)大[32]。

由于危重癥患者抗生素使用的增加和不合理的使用，抗生素耐藥病原體的出現(xiàn)在重癥監(jiān)護(hù)病房中變得更加普遍，如艱難梭菌的發(fā)病率急劇增加，萬(wàn)古霉素和甲硝唑?qū)?fù)發(fā)的艱難梭菌效果不佳。而利用糞便移植和選擇性消化道去污等方法可以靶向調(diào)節(jié)微生物菌群，改善創(chuàng)傷膿毒癥患者的預(yù)后。研究表明[33]，糞便微生物區(qū)系移植將艱難梭菌感染的治愈率從30%提高到93%。選擇性消化去污降低了重癥監(jiān)護(hù)病房患者死亡率，優(yōu)勢(shì)比為0.73（95%CI：0.64～0.84），然而是否優(yōu)于選擇性口咽去污仍需進(jìn)一步的研究[34]。

3 PAMPs 和DAMPs 介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)

先天免疫刺激因子之間存在的復(fù)雜病理生理相互作用機(jī)制在創(chuàng)傷膿毒癥患者中同樣起到關(guān)鍵作用[35，36]。損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）和病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）通過(guò)先天免疫受體（如TLRs）傳遞組織損傷或病原微生物感染的信號(hào)。DAMPs在組織損傷后由中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞分泌或壞死細(xì)胞釋放，其通過(guò)細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體直接激活中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞，同時(shí)也激活補(bǔ)體，導(dǎo)致補(bǔ)體C3a 和C5a的快速生成，而補(bǔ)體和炎癥細(xì)胞的激活可觸發(fā)白細(xì)胞介素等炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生和釋放。與此同時(shí)，機(jī)體出現(xiàn)全身炎癥反應(yīng)綜合征（SIRS），其本質(zhì)是代償性抗炎反應(yīng)，表現(xiàn)為釋放抗炎性細(xì)胞因子如（白細(xì)胞介素-10 和TGF-β）。SIRS在提高機(jī)體非特異性免疫的同時(shí)，也抑制了機(jī)體對(duì)病原微生物的抵抗力，入侵的病原微生物通過(guò)PAMPs 激活TLR 下游信號(hào)通路（如NF-κB 途徑）導(dǎo)致強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)[37]。PAMPs 和DAMPs 共同刺激先天免疫系統(tǒng)，使得內(nèi)皮和組織器官損傷以及免疫麻痹。而損傷的組織器官和免疫麻痹分別進(jìn)一步的造成DAMPs的釋放，使機(jī)體暴露于PAMPs 中，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致持續(xù)的過(guò)度免疫系統(tǒng)激活，引發(fā)多臟器功能衰竭[38]。

既往創(chuàng)傷模型的研究已經(jīng)證實(shí)了HMGB1-TLR4 作為DAMPs 導(dǎo)致全身炎癥和遠(yuǎn)程器官衰竭的中心作用[39-41]。在實(shí)驗(yàn)性創(chuàng)傷模型中，基于HMGB1 拮抗劑的治療可提高患者存活率并改善其腸道屏障功能[42]。研究表明[43]，二硫化物HMGB1 是創(chuàng)傷后全身炎癥的重要介質(zhì)。對(duì)創(chuàng)傷早期患者血漿HMGB1 濃度進(jìn)行高時(shí)間分辨率的動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，所有患者都在最初表現(xiàn)為全身性HMGB1 峰值，其半衰期約為30 min。然而，嚴(yán)重的創(chuàng)傷患者在創(chuàng)傷后3～6 h 可出現(xiàn)第2 個(gè)全身性HMGB1 高峰，其峰值與預(yù)后密切相關(guān)。

低水平的組蛋白激活內(nèi)皮細(xì)胞釋放血管性血友病因子，招募白細(xì)胞/血小板，降低血栓調(diào)節(jié)蛋白C的抗凝作用，而高組蛋白水平直接導(dǎo)致內(nèi)皮損傷，并與彌散性血管內(nèi)凝血的發(fā)展密切相關(guān)[44-47]，同時(shí)它也介導(dǎo)了膿毒癥后的腸道屏障功能損傷[48，49]、創(chuàng)傷性肺損傷和化學(xué)性肝損傷后的無(wú)菌性炎癥[50，51]。另外，細(xì)胞外組蛋白通過(guò)破壞海馬緊密連接，導(dǎo)致血腦屏障對(duì)小分子通透性的可逆、區(qū)域特異性增加，從而導(dǎo)致腦血管損傷或腦功能障礙[52]。

在動(dòng)物模型中，阻斷組蛋白釋放、中和循環(huán)中的組蛋白或阻斷組蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的藥物對(duì)急性器官損傷具有顯著的保護(hù)作用；抗組蛋白試劑，如中和抗體、肝素和C1 酯酶抑制劑能降低組蛋白毒性[53，54]。研究發(fā)現(xiàn)[55]，組蛋白去乙酰化酶抑制劑（HDACis）可以暫時(shí)改變轉(zhuǎn)錄以創(chuàng)造有利的基因表達(dá)譜，具有快速、可逆的作用。它們選擇性或者非選擇性（如丙戊酸[VPA]）作用于組蛋白去乙酰化酶，可顯著延長(zhǎng)創(chuàng)傷膿毒癥模型動(dòng)物的存活時(shí)間。

臨床研究表明[56]，線粒體DNA 及其產(chǎn)物線粒體N-甲?；鞍姿皆趧?chuàng)傷膿毒癥患者血漿中升高，且與創(chuàng)傷的嚴(yán)重程度相關(guān)。有研究表明，模式識(shí)別受體FPR1 抑制劑和AMPK 抑制劑可以減少線粒體NFP 引起的炎癥反應(yīng)，并且保護(hù)創(chuàng)傷后中性粒細(xì)胞的功能[37，57]，這可能和研究對(duì)象所處的免疫反應(yīng)階段相關(guān)。

除此之外，研究發(fā)現(xiàn)[58，59]，天然免疫細(xì)胞在暴露于病原體或病原體衍生的配體等PAMPs 后進(jìn)行適應(yīng)，可觸發(fā)細(xì)胞生理和抗菌功能的增強(qiáng)。這種由于初始暴露的啟動(dòng)效應(yīng)而提高先天抗菌效率的現(xiàn)象被稱(chēng)為“先天免疫記憶”或“訓(xùn)練免疫”。有賴(lài)于白細(xì)胞線粒體代謝的重編程，表現(xiàn)為糖酵解和線粒體三羧酸循環(huán)通量和氧化磷酸化的明顯增強(qiáng)，使用TLR4 激動(dòng)劑進(jìn)行預(yù)防性治療可以預(yù)防長(zhǎng)達(dá)14 d的嚴(yán)重感染。

4 細(xì)胞外囊泡的免疫調(diào)節(jié)作用

在細(xì)胞程序性死亡過(guò)程中，細(xì)胞會(huì)將囊泡釋放到細(xì)胞外環(huán)境；同樣的，健康細(xì)胞也會(huì)向細(xì)胞外環(huán)境釋放囊泡。這些細(xì)胞衍生的顆粒被稱(chēng)為細(xì)胞外囊泡（extracellular vesicles，EVS），EVS 可分為3類(lèi)：凋亡小體、外泌體和微囊泡（MVS）。凋亡小體由凋亡細(xì)胞分泌，而外泌體和MVS 都是在生理和病理?xiàng)l件下由健康細(xì)胞釋放的。細(xì)胞通過(guò)在EVS中傳遞脂質(zhì)、肽、RNA 和糖來(lái)與其微環(huán)境中的其他細(xì)胞進(jìn)行交流，進(jìn)而影響受體細(xì)胞的功能。目前的研究表明[60-62]，補(bǔ)體系統(tǒng)與EVS 之間存在復(fù)雜的相互作用，對(duì)局部和全身炎癥有顯著影響。在補(bǔ)體高度活化的炎癥條件下，EVS 已被證明同時(shí)具有促炎和抗炎作用，并可以影響疾病的進(jìn)程。MVS 不僅可以調(diào)節(jié)炎癥，還可以調(diào)節(jié)凝血。嚴(yán)重創(chuàng)傷后，包括創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）、嚴(yán)重?zé)齻湍摱景Y期間，MVS的產(chǎn)生顯著增加。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，這些脫落的小泡含有關(guān)鍵的補(bǔ)體因子和表面的補(bǔ)體調(diào)節(jié)因子，可影響炎癥和病程。EVS的調(diào)節(jié)補(bǔ)體活性，有助于促進(jìn)促炎和抗炎免疫平衡。