海水吸入型急性肺損傷發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

陳 敏,金發(fā)光

(空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院呼吸和危重癥科,西安 710038;* 通訊作者,E-mail:jinfag@fmmu.edu.cn)

隨著我國海洋資源開發(fā)、海上作業(yè)頻繁和國內(nèi)外旅游業(yè)的發(fā)展，海水淹溺的病例數(shù)呈逐年增長的趨勢。由于海水低溫、高滲、含有多種金屬離子和細(xì)菌的特點，其引發(fā)的肺損傷與其他因素導(dǎo)致的肺損傷不盡相同。機(jī)體吸入海水后造成明顯的炎性細(xì)胞聚集、肺水腫、氣道堵塞，引起細(xì)胞損傷進(jìn)行性加重，造成難以糾正的低氧血癥和酸中毒，從而導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生[1]。有研究表明，海水吸入型急性肺損傷(seawater inhalation induced acute lung injury，SW-ALI)相比淡水吸入導(dǎo)致的肺損傷，其病情進(jìn)展更加迅速，從而引起更加嚴(yán)重的肺部乃至全身性的損傷[2]，如不及時干預(yù)和救治，可能很快進(jìn)展為海水吸入型急性呼吸窘迫綜合征(seawater inhalation induced acute respiratory distress syndrome，SW-ARDS)，病死率明顯上升[3]。近年來，很多文獻(xiàn)報道了SW-ALI的發(fā)病機(jī)制和救治策略，取得了一系列成果。本文對SW-ALI的病理生理機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述。

1 SW-ALI的實質(zhì)和病理學(xué)特征

1.1 SW-ALI的實質(zhì)

SW-ALI的實質(zhì)為肺部急性炎癥反應(yīng)和海水吸入型肺水腫，這兩方面因素相互促進(jìn)，導(dǎo)致惡性循壞，加速了急性肺損傷的進(jìn)展。在臨床上SW-ALI患者常表現(xiàn)為進(jìn)行性低氧血癥和呼吸衰竭。SW-ALI的發(fā)生是由直接和間接的肺損傷因素共同導(dǎo)致的。一方面，直接肺損傷因素是指海水在滲透壓驅(qū)動下進(jìn)入肺泡，引起肺泡腔腫脹和組織缺氧；另一方面，間接肺損傷因素是通過多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑啟動全身性炎癥反應(yīng)，各種炎癥因子進(jìn)入肺泡，導(dǎo)致肺泡結(jié)構(gòu)和功能異常以及肺損傷的發(fā)生。

1.2 SW-ALI的病理學(xué)特征

海水吸入可導(dǎo)致機(jī)體肺組織明顯膨脹、體積增大，肺表面可見散在出血點，肺組織切面可見暗紅色斑片。其病理學(xué)特征為：彌漫性肺泡上皮細(xì)胞和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，肺間質(zhì)大量炎性細(xì)胞浸潤，并伴有肺泡腔內(nèi)透明膜形成；電鏡下可見肺泡上皮細(xì)胞腫脹并出現(xiàn)空泡，肺間質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，肺部毛細(xì)血管基底膜暴露，管腔內(nèi)可見大量血小板聚集。

2 SW-ALI的發(fā)病機(jī)制學(xué)說

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對SW-ALI的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了多角度的研究與探索，初步闡明了炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、離子通道、氧化應(yīng)激、干細(xì)胞受損、肺表面活性蛋白降低等多種關(guān)鍵機(jī)制參與了SW-ARDS的發(fā)生和發(fā)展過程。

2.1 炎癥反應(yīng)機(jī)制

目前，炎癥反應(yīng)機(jī)制仍然是公認(rèn)的SW-ALI的主要發(fā)病機(jī)制。該機(jī)制認(rèn)為多種細(xì)胞參與了海水淹溺性肺損傷的炎癥反應(yīng)過程，如多核型白細(xì)胞(PMN)、巨噬細(xì)胞(macrophages)、肺泡上皮細(xì)胞、毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞等。有研究表明[4]，高滲透壓是SW-ALI最為重要的啟動因素，可誘導(dǎo)產(chǎn)生缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1-alpha，HIF-1α)的高表達(dá)，引發(fā)下游炎癥因子過度反應(yīng)，從而導(dǎo)致肺組織缺氧。以HIF-1α為中心的肺損傷理論越來越受到廣泛的關(guān)注，該理論認(rèn)為海水吸入一方面通過HIF-1α介導(dǎo)了肺水腫的發(fā)生，另一方面通過“HIF-1α—炎癥因子—肺組織炎癥反應(yīng)”途徑，形成迅速惡化的炎癥反應(yīng)和組織損傷，形成一個以HIF-1α為中心的肺損傷逐漸加重的惡性循環(huán)[5]。另外，核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)在急性肺損傷中發(fā)揮了重要作用[5-8]，其在SW-ALI炎癥反應(yīng)中處于中心地位。有文獻(xiàn)表明[9]，在SW-ALI大鼠模型中，海水刺激可誘導(dǎo)NF-κB及其下游多種炎癥因子(如IL-6、IL-1β、TNF-α)表達(dá)水平明顯增加，而應(yīng)用1α-25羥基維生素D3干預(yù)后可顯著降低NF-κB的表達(dá)，引起炎癥因子表達(dá)減少，從而減輕了大鼠的肺部炎癥反應(yīng)。

2.2 細(xì)胞凋亡機(jī)制

細(xì)胞凋亡機(jī)制認(rèn)為細(xì)胞凋亡通過各種機(jī)制在SW-ALI的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。有研究表明，F(xiàn)as/FasL通路介導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞凋亡在海水誘導(dǎo)的急性肺損傷發(fā)病機(jī)制中起重要作用[10]。眾所周知，線粒體是細(xì)胞內(nèi)凋亡通路中不可或缺的一部分，處于中心地位。有文獻(xiàn)表明[11]，海水刺激可以導(dǎo)致線粒體膜電位降低，膜通透性增加，細(xì)胞色素C(線粒體內(nèi)外膜中的一種水溶性蛋白)從線粒體釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中；同時，細(xì)胞色素C與凋亡蛋白酶活化因子1(apoptosis protease activating factor-1，APAF-1)緊密結(jié)合形成凋亡復(fù)合體，進(jìn)一步激活Capspase-9等一系列的凋亡相關(guān)蛋白酶，觸發(fā)級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的細(xì)胞凋亡。此外，在海水淹溺急性肺損傷動物模型中，多核型白細(xì)胞(PMN)的凋亡延遲可加重肺部炎癥反應(yīng)。因此，海水吸入一方面可以誘導(dǎo)肺上皮細(xì)胞的凋亡增加，另一方面可以導(dǎo)致炎癥細(xì)胞的凋亡延遲，二者聯(lián)合作用加速了海水淹溺性肺損傷的進(jìn)展。

2.3 離子通道機(jī)制

離子通道機(jī)制是指海水刺激可誘導(dǎo)肺組織中水通道蛋白(apuaporins，AQPs)的表達(dá)和鈉離子通道(ENaC)、Na+-K+-ATP酶(NKA)的失活，導(dǎo)致主動轉(zhuǎn)運功能障礙，引起肺水腫并促使SW-ARDS的形成。水通道蛋白是一種鑲嵌在細(xì)胞膜內(nèi)、協(xié)助細(xì)胞液體轉(zhuǎn)運的內(nèi)在膜蛋白，其內(nèi)部的偶極力與極性可幫助水分子旋轉(zhuǎn)并穿越狹窄的通道，控制水分子進(jìn)出細(xì)胞[12]。有文獻(xiàn)報道[13]，通過建立SW-ALI大鼠模型，發(fā)現(xiàn)海水吸入后大鼠肺組織AQP1和AQP5 mRNA表達(dá)水平顯著增加，而AQP3和AQP4 mRNA表達(dá)水平無顯著變化，肺組織中Na+-K+-ATP酶活性顯著降低。Hoffert等[14]設(shè)計了高滲模擬液刺激小鼠肺上皮細(xì)胞(MLE-15)的細(xì)胞實驗，發(fā)現(xiàn)高滲刺激后MLE-15細(xì)胞中AQP5的表達(dá)增加，在24 h達(dá)到峰值，之后在細(xì)胞返回到等滲介質(zhì)的數(shù)小時內(nèi)恢復(fù)到基線水平。該實驗初步證實了AQP5的高表達(dá)是由高滲刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生的，而這種誘導(dǎo)需要細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的參與。

2.4 氧化應(yīng)激機(jī)制

氧化應(yīng)激機(jī)制認(rèn)為：海水刺激一方面可迅速激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)信號通路，升高活性氧基團(tuán)(reactive oxygen species，ROS)水平，另一方面ERS與ROS之間相互影響、共同促進(jìn)，形成了一種惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致了急性肺損傷的發(fā)生和發(fā)展[15,16]。有研究表明，在SW-ALI發(fā)生中多種氧化應(yīng)激的相關(guān)分子，如丙二醛(MDA)、髓過氧化物酶(MPO)和總超氧化物歧化酶(T-SOD)的表達(dá)明顯升高，進(jìn)一步損害線粒體DNA(mtDNA)，引起mtDNA的突變或誘導(dǎo)凋亡的發(fā)生[17]。由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成、加工、易位和修飾的細(xì)胞器，ER氧化環(huán)境的變化和鈣離子含量的改變可導(dǎo)致ER stress，并產(chǎn)生活性氧，擾亂細(xì)胞的內(nèi)穩(wěn)態(tài)環(huán)境[18]。越來越多的證據(jù)表明[19]，ERS與ROS在細(xì)胞凋亡、增殖和轉(zhuǎn)化等過程中發(fā)揮重要作用。有研究報道，分別應(yīng)用N-乙酰基-L-半胱氨酸(NAC)及H2O2模擬還原性環(huán)境和氧化性環(huán)境，初步證實了mtDNA在氧化環(huán)境中對細(xì)胞的損傷作用顯著，而使用NAC干預(yù)后細(xì)胞的損傷作用減輕，并推斷ERS參與調(diào)節(jié)了海水誘導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞中ROS的合成[20]。因此，氧化應(yīng)激機(jī)制初步闡明了細(xì)胞在海水刺激后發(fā)生氧化應(yīng)激，通過細(xì)胞內(nèi)活性氧增加、線粒體損傷、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等共同導(dǎo)致了SW-ALI的發(fā)生。

2.5 干細(xì)胞受損機(jī)制

干細(xì)胞受損機(jī)制表明：間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)是骨髓來源的具有高度自我修復(fù)和多向分化的成體干細(xì)胞，可分泌多種血管生長因子、趨化因子等，具有強(qiáng)大的組織修復(fù)作用。有文獻(xiàn)報道[21,22]，海水刺激通過β-catenin過表達(dá)激活經(jīng)典的Wnt/β-catenin通路，一方面可提高間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和遷移能力(定向遷移到受損的肺組織)，另一方面可通過干細(xì)胞的增殖和修復(fù)有效緩解急性肺損傷的進(jìn)展。Wnt/β-catenin通路已被證明能夠促進(jìn)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞，繼而發(fā)揮各種生物學(xué)功能，促進(jìn)自身向受損肺組織遷移和定殖[23]。但是該研究僅限于動物和細(xì)胞實驗層面，其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明。

2.6 肺表面活性蛋白降低機(jī)制

肺表面活性物質(zhì)(pulmonary surfactant，PS)是肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞分泌的具有降低肺泡表面張力、維持肺泡正常形態(tài)和生物學(xué)功能的一種磷脂蛋白。它主要有SP-A、SP-D兩種活性成分，在調(diào)節(jié)局部免疫和炎癥過程中發(fā)揮了重要作用[24,25]。海水吸入后損傷肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致肺表面活性蛋白的合成和釋放受阻，引起肺部毛細(xì)血管通透性升高、肺組織結(jié)構(gòu)破壞，最終造成SW-ALI的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，SP-A在淹溺后呈進(jìn)行性下降，SP-A mRNA在淹溺后2 h明顯下降，并發(fā)現(xiàn)SP-A可通過受損的毛細(xì)血管滲入血漿，使血清SP-A濃度增高[26]。此外，在支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid，BALF)中檢測到的SP-A濃度與疾病進(jìn)展相反。因此，血清和BALF中SP-A的濃度對早期診斷SW-ALI有重要的意義。肺表面活性蛋白降低機(jī)制為SW-ALI的發(fā)生發(fā)展提供了另一個的視角，也為進(jìn)一步認(rèn)識和研究SW-ALI的發(fā)病機(jī)制提供了理論依據(jù)。

當(dāng)然，上述幾種機(jī)制在SW-ALI的發(fā)展過程中往往不是孤立存在的，而是相互影響的。針對這些機(jī)制采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行干預(yù)，可有效緩解SW-ALI的進(jìn)展，這為我們探索SW-ALI的臨床救治提供了理論基礎(chǔ)。

3 小結(jié)與展望

如上所述，SW-ALI的發(fā)病機(jī)制錯綜復(fù)雜，涉及炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、離子通道、氧化應(yīng)激、干細(xì)胞受損、肺表面活性蛋白降低等多個層面。這些機(jī)制之間相互影響、相互聯(lián)系，共同導(dǎo)致了SW-ALI的發(fā)生發(fā)展。但是，目前的研究并沒有針對海水的固有特性展開更為深入的機(jī)制探索，這也是臨床工作中SW-ALI救治無法取得突破性進(jìn)展的重要原因。因此，海水吸入型肺損傷的探索任重道遠(yuǎn)，其發(fā)病機(jī)制和治療策略還需要進(jìn)一步深入研究。