孫 濤 夏世金 吳俊珍 胡明冬

2200040 上海，上海市老年醫(yī)學研究所

3400037重慶，第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院呼吸內(nèi)科

孫 濤，夏世金，吳俊珍，等.低氧性肺氣血屏障炎癥與機制［J/CD］.中華肺部疾病雜志:電子版，2013，6(6):547-550.

2200040 上海，上海市老年醫(yī)學研究所

3400037重慶，第三軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院呼吸內(nèi)科

肺氣血屏障(blood-air barrier)，也稱肺泡毛細血管屏障(alveolar-capillary barrier)或肺血氣屏障，由肺泡表面液體層、I型肺泡細胞與基膜、薄層結(jié)締組織、毛細血管基膜與內(nèi)皮等組成［1］，是使肺泡與肺毛細血管緊密相連的組織結(jié)構(gòu)，以保證機體氣體進行正常的交換。

然而，低氧及其產(chǎn)生的炎癥可損傷肺氣血屏障的結(jié)構(gòu)與功能。氣血屏障完整性對于肺氣體交換、防止血液中物質(zhì)返流入間質(zhì)和肺泡腔等至關(guān)重要［2］，血氣屏障完整性破壞可導致高通透性肺水腫。肺毛細血管內(nèi)皮細胞和肺泡上皮細胞是組成肺血氣屏障的兩種重要細胞，這兩種細胞的結(jié)構(gòu)與功能異常是氣血屏障功能異常的主要病理生理機制。而低氧及其低氧所致的炎癥是導致兩種細胞的結(jié)構(gòu)與功能異常的重要原因，并可引起肺氣血屏障功能異常，進而使肺血管通透性增加，在非心源性肺水腫(如高原性肺水腫、急性肺損傷等)的病理生理中發(fā)揮著重要作用。因此，關(guān)于低氧性肺氣血屏障炎癥與機制的研究顯得非常重要，并取得一定的進展，現(xiàn)就此進行綜述。

一、低氧與炎癥

1.低氧性炎癥與缺氧誘導因子:氧是機體進行新陳代謝的必需物質(zhì)，缺氧對機體和細胞是一種強烈的應激。細胞通過氧感受器和信號轉(zhuǎn)導通路特異地調(diào)節(jié)某些基因或蛋白的表達來適應低氧。

肺泡腔通透性增加可能是由于肺泡毛細血管靜水壓升高而引起，但是在低氧環(huán)境中，即使維持肺泡毛細血管靜水壓不變，也會引起肺泡腔水腫，這表明肺泡腔通透性增加可能是由低氧這一單一因素所引起。低氧使肺泡血管內(nèi)皮細胞緊密連接松開，從而使含蛋白較高的液體滲入肺泡腔而引起水腫［3］。硝苯地平可以用來治療高原肺水腫(high altitude pulmonay edema，HAPE)，就是因其可通過抗炎效應而維持肺氣血屏障的完整性［4］。水腫的最初階段，乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)并無明顯升高，但長期處于低氧環(huán)境中，LDH可明顯升高，提示細胞損傷并不能解釋低氧性水腫。因此，初始階段的血管滲漏可能是由低氧導致的炎癥反應引起的，而隨后炎癥導致的細胞損傷又進一步加劇血管滲漏［3］，兩者形成惡性循環(huán)。

缺氧誘導因子-1(hypoxia-inducible factor，HIF-1)是哺乳動物維持氧平衡最主要的調(diào)節(jié)因子。HIF-1的活性對于組織缺血后的恢復是十分必要的。低氧可以增加HIF-1的穩(wěn)定性，促進HIF-1與低氧反應元件(hypoxia response element，HRE)的結(jié)合，從而誘導低氧靶基因的激活。HIF-1可以上調(diào)與血管系統(tǒng)相關(guān)蛋白的基因表達，如促進血管生成的血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體［5］，而VEGF可提高不同器官中內(nèi)皮細胞通透性。

HIF-1與炎癥反應的發(fā)生也有著密切的關(guān)系［6］。在炎癥反應中，HIF-1可使局部血管通透性增強，導致更多的免疫細胞到達炎癥部位，從而引起氣血屏障的炎癥性損傷。因為血流減慢，炎癥細胞和抗原耗氧量增加，導致炎癥部位形成局部低氧環(huán)境［5］。HIF-1的激活在組織低氧環(huán)境內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡恢復中也扮演著重要角色［7］。免疫細胞對低氧的應答和核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)信號通路密切相關(guān)。在巨噬細胞、中性粒細胞和一些非免疫細胞中發(fā)現(xiàn)，HIF可以激活NF-κB。低氧可以抑制PHD1的活性，促進抑制性KB激酶(inhibitory kappa B kinase，IKK)的激活、IκB 磷酸化，解離出的NF-κB導致下游基因(如促炎癥細胞因子IL-1β、IL-8、TNF-α、IL-6 等)的轉(zhuǎn)錄激活［8］。在巨噬細胞中 NF-κB 直接調(diào)節(jié)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄。缺乏IKK的巨噬細胞即使在低氧下也不能形成穩(wěn)定的HIF-1α蛋白。但是，只有NF-κB的激活同樣也不能使HIF-1α穩(wěn)定，這些結(jié)果顯示，HIF-1α的激活需要NF-κB和低氧的共同調(diào)節(jié)。而HIF-2α在低氧下的激活則不需要IKK［9］。缺乏HIF-1的巨噬細胞表現(xiàn)出遷移能力降低，吞噬細菌能力減弱，炎癥細胞因子的分泌減少［5］。

2.NOD樣受體家族炎癥小體與低氧性炎癥:NOD樣受體家族熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(The NOD-like receptor family，Pyrin Domain-Containing 3，NLRP3)炎癥小體是一種存在于細胞胞漿中的多蛋白復合物，主要是由NLRP3、相關(guān)斑點樣蛋白(apoptosisassociated speck-like protein，ASC)和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1，caspase-1)相互結(jié)合形成的，是天然免疫系統(tǒng)的重要組成部分［10］。近來發(fā)現(xiàn)其在呼吸系統(tǒng)炎癥的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著巨大的作用。病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)或者由于組織損傷和細胞死亡而釋放出來的內(nèi)源性危險信號可以激活NLR，并進一步形成“炎癥小體”，使Pro-caspase-1分裂形成有活性的caspase-1，進一步將IL-1β和IL-18等促炎癥細胞因子的前體形式進行剪接，使其成熟并釋放到胞外引起炎癥反應。這個過程有效地增加了炎癥因子的生物效價，使成熟的炎癥因子可釋放到胞外進而發(fā)揮功能，并對Pro-IL-1β等底物進行剪接使其成熟并釋放到胞外發(fā)揮功能，從而在機體固有免疫中發(fā)揮重要作用［10］。

炎癥小體，尤其是NLRP3炎癥小體，可與低氧損傷導致的危險相關(guān)分子(如自由的三磷酸腺苷ATP)反應，導致促炎癥細胞因子分泌，尤其是IL-1β，引起中性粒細胞炎癥反應，激活的炎癥細胞進一步招募更多的炎癥細胞并釋放大量的炎癥細胞因子引起炎癥的瀑布反應進而導致肺泡和毛細血管的炎癥［11］。

三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)引起的NLRP3炎癥小體激活可導致低氧性炎癥。細胞內(nèi)ATP含量非常高，當?shù)脱醣容^嚴重或者持續(xù)時間較長時，跨膜高ATP梯度就不能維持，ATP隨后從死亡或凋亡細胞中釋放，引起噬菌細胞激活，或者通過NLRP3炎癥小體觸發(fā)無菌性炎癥反應。也有其他研究證明，ATP可從激活的炎癥細胞中釋放。中性粒細胞中的ATP可作為趨化信號，通過自分泌反饋回路，控制中性粒細胞的遷移［12］。這些現(xiàn)象表明，核苷酸的釋放與信號傳導可引起強烈的炎癥反應，尤其是低氧導致的炎癥［13］。

3.低氧性呼吸疾病與炎癥:在HAPE發(fā)病機制中，低氧性肺血管收縮導致的血流動力學改變可引起血漿滲出至肺泡腔，隨后可見炎癥反應的改變?；加懈咴苑尾考膊〉牡巧秸咄ǔ６加泻粑到y(tǒng)炎癥，應用抗生素對這種呼吸系統(tǒng)炎癥無效，且只有回到低海拔區(qū)，這種炎癥才可被控制。在低氧動物實驗中，可見呼吸系統(tǒng)水腫形成，肺部炎癥細胞聚集，循環(huán)中促炎細胞因子升高。缺氧性肺血管收縮和肺毛細血管壓力失控可能有助于缺氧引起的肺部炎癥［14］。

阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea，OSA)是一種常見的低氧性疾病，主要由周期性缺氧和復氧，系統(tǒng)性炎癥和血管疾病這三方面共同引起。對OSA患者的研究表明，斷斷續(xù)續(xù)低氧可導致促炎炎癥介質(zhì)的升高，例如循環(huán)中TNF-α。體外低氧和復氧模型表明，在促炎通路被激活的情況下，HIF適應性應答尚未改變［15］。

二、ROS-HIF-VEGF通道與肺氣血屏障低氧性損傷

暴露于低氧中的人肺動脈內(nèi)皮細胞(human pulmonary artery endothelial cell，HPAEC)表現(xiàn)為過氧化氫(H2O2)、細胞核HIF-1α、細胞質(zhì)VEGF含量增加，內(nèi)皮細胞的通透性也增加?？寡趸瘎?、HIF-1 siRNA和VEGF抑制劑對可溶性VEGF受體-1(solublevascularendothelialgrowth factor receptor-1，sFlt-1)干預后，可以下調(diào)ROS-HIF-VEGF肺動脈內(nèi)皮細胞滲出通道(ROS-HIF-VEGF pulmonary endothelial leak pathway)下游介質(zhì)［16］。

大鼠肺微血管內(nèi)皮細胞(rat pulmonary microvascular endothelial cells，RPMVECs)在低氧環(huán)境中培養(yǎng)24 h，其細胞內(nèi)ROS含量和單層細胞通透性均明顯增加［16］。活性氧(reactive oxygen species，ROS)可以增加血管內(nèi)皮細胞的通透性［17］。低氧是血管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生ROS的強力誘導因素。處于低氧中的動物肺內(nèi) ROS和丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量明顯升高，而谷胱甘肽(glutathione，GSH)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)下降。ROS升高使機體處于氧化應激狀態(tài)，MDA升高使肺組織產(chǎn)生更多自由基。GSH和SOD可保護肺泡上皮細胞免受氧化和炎癥損害。低氧導致的氧化應激是抗氧化和促氧化失衡的一種表現(xiàn)，并可放大肺部炎癥反應［18］。最近的研究證明ROS調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮單層通透性是通過激活HIF-1α和上調(diào)VEGF而完成的［16］。低氧可通過不同途徑導致ROS含量增加，例如還原型輔酶 Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+)氧化酶、線粒體電子傳遞、黃嘌呤氧化酶和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)［19］。采用抗氧化劑治療可以減輕低氧導致的肺血管的滲出，同樣也能減少HIF-1α和VEGF的表達。

HIF-1是引起缺氧的生理效應的關(guān)鍵介質(zhì)，它參與許多低氧刺激的基因調(diào)節(jié)。HIF-1是由HIF-1α亞基和HIF-1β亞基構(gòu)成的異源二聚體。在常氧下，HIF-1α被降解，但是低氧可以抑制HIF-1α羥基化，并使其易位到細胞核與HIF-1β結(jié)合形成HIF-1而啟動基因轉(zhuǎn)錄。HIF-1與編碼低氧應激應答蛋白基因的缺氧反應元件結(jié)合，從而啟動葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1、糖酵解酶和VEGF的表達。低氧中，表達VEGF mRNA的蛋白含量升高，并且在不同器官中可以增加其血管通透性［16］。

VEGF可提高不同器官中內(nèi)皮細胞通透性?？扇苄訴EGF受體sFlt-1可減輕血管內(nèi)皮的通透性。sFlt-1是一種內(nèi)源性因子，可以和血漿中VEGF結(jié)合，因此可以抑制其生物效應［20］。外源性sFlt-1可以提高敗血癥和ARDS模型的生存率，提示sFlt-1不僅可以治療敗血病和急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)［21］，也可以治療高原性肺水腫和其他的與低氧相關(guān)的肺部疾病。HIF-1可以和VEGF的RTP801啟動子區(qū)域結(jié)合，從而提高VEGF的產(chǎn)量。低氧刺激肺血管內(nèi)皮細胞可以提高細胞核HIF-1和細胞質(zhì)VEGF水平，并可以被抗氧化劑抑制。

拮抗HIF-1α的siRNA可以最大程度的抑制單層內(nèi)皮細胞的通透性，而且比抗氧化劑和可溶性VEGF受體的抑制效應更強?？寡趸瘎┲委煵荒芡耆铚﨟IF-1α穩(wěn)定性，因其不能完全阻止低氧導致的血管內(nèi)皮通透性增加，這可能是因為抗氧化劑不能完全清除ROS，也有可能是存在另一種非ROS介導的HIF-1α穩(wěn)定性調(diào)節(jié)?？扇苄訴EGF受體sFlt-1減輕單層內(nèi)皮細胞通透性的效力比不上siRNA，這可能是因為HIF-1激活劑改變通透性是通過非VEGF依賴性機制，例如，通過改變內(nèi)皮細胞緊密連接蛋白ZO(zona occludins)或緊密連接蛋白-1(claudin-1)［22］。

三、血管擴張刺激磷蛋白與低氧性肺氣血屏障炎癥損傷

血管擴張刺激磷蛋白(vasodilator-stimulated phosphoprotein，VASP)是維持正常氣血屏障功能的核心蛋白。組織特異性VASP對維持肺泡毛細血管屏障功能起著至關(guān)重要的作用。處于低氧環(huán)境中的細胞VASP表達減少。NF-κB是VASP轉(zhuǎn)錄表達的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。抑制VASP表達可導致細胞間通透性增加和中性粒細胞的遷移。在低氧誘導肺損傷小鼠模型中，VASP表達減少的小鼠與野生型小鼠相比，其肺損傷更加嚴重。抑制組織特異性VASP可以導致肺氣血屏障功能減退。表明VASP可以維持正常氣血屏障功能［23］。

炎癥損傷的主要特征有組織代謝障礙、對氧利用度減低和屏障功能減退。炎癥細胞因子可增加內(nèi)皮細胞之間縫隙的應力纖維，也能增加肌動蛋白細胞骨架之間的應力纖維，因此可增加微血管的通透性，影響肺氣血屏障功能，進而導致肺水腫形成和微血管管腔中的白細胞滲出。在炎癥和低氧誘導的肺損傷中，VASP表達被明顯抑制。通過細胞骨架重組，肌動蛋白細胞骨架與VASP結(jié)合，從而保護生理性肺氣血屏障功能。VASP對細胞F-肌動蛋白含量和內(nèi)皮細胞的結(jié)構(gòu)完整性具有重要作用。抑制VASP可導致肌動球蛋白收縮力下降和剪切應力的異常反應。而這種異常可以導致組織的水腫與出血。肌動蛋白的動力學對急性炎癥期減少應力纖維的形成以及肺氣血屏障功能和細胞間通透性的調(diào)控具有至關(guān)重要作用。因此VASP可以通過介導內(nèi)皮細胞和上皮細胞內(nèi)的肌動蛋白動力學而維持屏障的正常功能［24-26］。

在急性炎癥生理病理過程中，NF-κB可通過調(diào)控其下游炎癥因子而抑制VASP的表達。在動物模型中，肺氣血屏障功能降低都伴隨著VASP水平下降［23］。低氧相關(guān)的炎癥反應可以導致炎癥細胞的聚集，從而加劇VASP的抑制效應，以及與其相關(guān)的肺氣血屏障功能的破壞［27］。

四、臂板蛋白7A與低氧性肺氣血屏障炎癥損傷

神經(jīng)導向蛋白(neuronal guidance proteins，NGPs)家族成員之一，臂板蛋白7A(semaphorin 7A，SEMA7A)，具有誘導巨噬細胞和單核細胞釋放細胞因子的能力，并且在炎癥免疫應答中發(fā)揮著重要作用［28-29］。SEMA7A也能刺激黑素細胞和單核細胞骨架重組，引起細胞形態(tài)變化，進而導致這類細胞的擴散與遷移。SEMA7A可通過中性粒細胞轉(zhuǎn)運而加重炎癥損傷。在低氧環(huán)境中，組織出現(xiàn)炎癥反應以及功能障礙，而HIF-1α誘導免疫細胞從有氧代謝轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧糖酵解，也可引起免疫應答。HIF-1α也能促進血管免疫活性細胞遷移到缺氧組織。HIF-1α可強力誘導血管內(nèi)皮中SEMA7A表達，低氧中SEMA7A大量累積，導致炎癥細胞聚集，釋放大量炎癥因子，因此導致低氧性血管滲漏，從而引起肺氣血屏障功能障礙［30］。

五、胞外-5＇-核苷酸酶與低氧性肺氣血屏障炎癥損傷

機體對低氧的適應性反應和細胞外腺苷水平緊密相關(guān)，而胞外-5＇-核苷酸酶((Ecto-5＇-nucleotidase，CD73)可調(diào)節(jié)細胞外腺苷的生成。CD73產(chǎn)生的腺苷主要表達于肺氣血屏障細胞(內(nèi)皮細胞與上皮細胞)，并可調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞通透性，中性粒細胞粘附等。低氧可通過HIF-1調(diào)節(jié)CD73的表達，低氧環(huán)境中CD73活性增加。CD73誘導機制主要牽涉到HIF介導的啟動子活性調(diào)節(jié)和CD73的前饋調(diào)節(jié)。在缺氧和炎癥環(huán)境中，中性粒細胞大量聚集，并成為細胞外腺苷的主要來源(主要以5＇-AMP和ATP形式)，因此缺氧環(huán)境中細胞外腺苷升高。腺苷受體激活(通過CD73腺苷釋放)可提升細胞內(nèi)cAMP水平，內(nèi)皮細胞cAMP的升高又可促進屏障功能。抑制CD73可明顯增加低氧導致的血管滲漏［31］。

正常飼養(yǎng)的CD73表達減少的小鼠表現(xiàn)為多器官的血管滲漏，當其處于低氧環(huán)境中，可表現(xiàn)為大量血管滲漏，尤其是肺組織，病理學檢查可見血管周圍間質(zhì)水腫，并有大量炎癥細胞浸潤。用腺苷受體拮抗劑 5＇-(N-ethylcarboxamido)-adenosine(NECA)治療CD73表達減少的小鼠，可部分逆轉(zhuǎn)這些損害［31］。

總之，低氧可引起機體系統(tǒng)性炎癥反應，也可引起局部炎癥變化，在肺部可表現(xiàn)為肺氣血屏障的低氧性炎癥性損傷。低氧及低氧所致炎癥與肺氣血屏障損傷密切相關(guān)。然而，其機制非常復雜，目前尚未完全闡明。上述的HIF-1α、ROS-HIF-VEGF、VASP、SEMA7A、CD73 等分子在低氧性肺氣血屏障炎癥的發(fā)生發(fā)展過程中扮演著重要的角色，但其如何參與低氧性肺氣血屏障炎癥的調(diào)控機制依然有待進一步研究闡明。

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