鄭慧新 李春花 任成山

百草枯中毒致急性肺損傷發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

Pathogenetic process of acute lung injury caused by paraquat poisoning

鄭慧新1李春花2任成山2

中毒，毒性，百草枯； 急性肺損傷； 發(fā)病機(jī)制； 急性肺泡炎

百草枯(paraquat, PQ)是一種高效能的非選擇性接觸型除草劑(pesticides)，對(duì)人畜具有很強(qiáng)的毒性，誤服或自服可引起急性中毒，已成為目前農(nóng)藥中毒致死事件的常見病因[1-2]。PQ成人致死量為20%水溶液5～15 ml(20～40 mg/kg)。近年來(lái)臨床上急性PQ中毒事件頻頻發(fā)生，由于目前急性PQ中毒后尚無(wú)特效解毒藥物，因此，預(yù)后極差[2-3]。文獻(xiàn)報(bào)道急性PQ中毒病死率>50%，一般在50%～70%，甚至更高[1-2，4]。誤服或自服是PQ中毒的主要途徑。PQ毒性累及全身多個(gè)臟器，肺是主要損傷的靶器官，可導(dǎo)致“百草枯肺”(paraquat lung)。早期表現(xiàn)為急性肺損傷(acute lung injury, ALI)，隨著病情的進(jìn)展可發(fā)生急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)，后期則發(fā)生肺泡內(nèi)和肺間質(zhì)纖維化(pulmonary interstitial fibrosis)。嚴(yán)重者可導(dǎo)致多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfuction syndrome, MODS)[2]?，F(xiàn)對(duì)近年來(lái)PQ中毒導(dǎo)致ALI在自由基、氧化應(yīng)激、線粒體損傷，以及細(xì)胞凋亡等有關(guān)發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展及臨床過(guò)程進(jìn)行綜述[5]。

一、PQ中毒流行病學(xué)

在許多發(fā)展中國(guó)家，甚至發(fā)達(dá)國(guó)家，殺蟲劑已成為嚴(yán)重威脅公共健康的隱患。據(jù)估計(jì)，亞太地區(qū)每年大約有300 000例中毒死亡與之相關(guān)[5-6]。以斯里蘭卡(Sri Lanka)的年度統(tǒng)計(jì)為例，每100 000人口中就有3～400例因殺蟲劑而中毒[5-7]。許多國(guó)家報(bào)道的病例中，盡管大多數(shù)患者因有機(jī)磷酸酯類殺蟲劑中毒而住院，但PQ等除草劑因其較強(qiáng)的致命性成為該類死亡的頭號(hào)殺手[5，8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1986年到1990年間，特立尼達(dá)(Trindad)和多巴哥(Tobago)共和國(guó)有63%的中毒死亡病例中是PQ中毒直接導(dǎo)致的。在南特立尼達(dá)，1996年到1997年間PQ中毒死亡高達(dá)76%；在薩摩亞(Samoa)，1979年到2000年間PQ中毒死亡為70%[9]。PQ中毒不僅限于發(fā)展中國(guó)家，從1945年到1989年間，英格蘭(England)和威爾士(Wales)有56%的殺蟲劑中毒死亡病例中與PQ中毒有關(guān)[10-11]。在美國(guó)(American)毒物監(jiān)控中心的一份全國(guó)2008年度中毒數(shù)據(jù)報(bào)告中，PQ也被指證為最可能導(dǎo)致死亡的一種有毒化學(xué)藥劑[12]。在我國(guó)PQ中毒患者亦是非常多見，已成為繼有機(jī)磷農(nóng)藥中毒之后第二位，但中毒后死亡絕對(duì)數(shù)第一位[2]。文獻(xiàn)檢索1999年至2013年5年間，中國(guó)大陸PQ中毒僅文獻(xiàn)報(bào)道達(dá)1882篇，平均每年報(bào)道PQ中毒文獻(xiàn)376篇，由此可見，PQ中毒在全球普遍存在，且PQ中毒后病死率較高，有報(bào)道急性PQ中毒病死率>50%，甚至有高達(dá)60%～80%[13]。因此，大多數(shù)歐洲國(guó)家，以及斯里蘭卡都將其PQ列為禁用農(nóng)藥行列[14-15]。所以，了解PQ中毒流行病學(xué)，有利于預(yù)防PQ中毒。

二、PQ藥代動(dòng)力學(xué)

PQ商品名一掃光、克蕪蹤等，化學(xué)名稱：1，1′-甲基-4，4′-聯(lián)吡啶陽(yáng)離子鹽(1，1′-dimethyl-4,4′ dipyridinium cation)[5，13]。PQ屬于高毒性，主要中毒途徑是口服，其次是皮膚接觸吸入、植物殘留等。一旦攝入，PQ被身體迅速但不完全吸收，口服后胃腸道的吸收率5%～15%，毒性快速分布到肺、肝、腎和肌肉中，其分布濃度約為1.2～1.6 L/kg-1[5]。PQ與土壤接觸后失活，在堿性環(huán)境中迅速被水解[16]?？崭箶z入約2小時(shí)血液濃度達(dá)高峰值，吸收?qǐng)鏊饕诳漳c，6～12小時(shí)后大部分已進(jìn)入血液循環(huán)，12～24小時(shí)后血液濃度明顯下降，PQ與血漿蛋白結(jié)合很少，在腎小管中不被重吸收，以原形90%的PQ成分從尿液中排出，10%經(jīng)腸道排出[5，17]。當(dāng)腎功能受損時(shí)，PQ清除率可下降10～20倍。利用時(shí)間遞減觀測(cè)，能很好地檢測(cè)PQ血液濃度。通過(guò)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的非線性變化，跟蹤記錄各器官毒性損害，對(duì)靶器官毒性生物有效性和臟器功能損傷程度為準(zhǔn)。損傷器官中以肺臟和腎臟含量最高，肝臟次之，且維持時(shí)間較久[5，18]。肺組織內(nèi)PQ濃度可達(dá)血液中毒物含量的10～90倍，因此，肺臟是其主要損傷的靶器官[19]。PQ在肺內(nèi)聚集主要與肺內(nèi)聚胺類的物質(zhì)主動(dòng)攝取系統(tǒng)有關(guān)[20]。

三、PQ中毒肺損傷機(jī)制

2. 氧化應(yīng)激和還原酶的氧化: 脂質(zhì)過(guò)氧化(lipid peroxidation)自由基親電子從不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)中獲取氫氧原子從而引起氧化反應(yīng)。動(dòng)物和人類的體外研究已經(jīng)證實(shí)PQ而誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)[5]。廣泛的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)會(huì)破壞細(xì)胞膜功能而且能觸發(fā)細(xì)胞凋亡(cellapoptosis, CAP)。有學(xué)者認(rèn)為脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)是PQ中毒后一系列反應(yīng)中最關(guān)鍵的最初病理生理進(jìn)程，盡管這一進(jìn)程的重要性還沒有被廣泛接受，而也有學(xué)者假設(shè)某些病變后會(huì)受到脂質(zhì)過(guò)氧反應(yīng)的影響。PQ的氧化還原反應(yīng)中還原酶被迅速氧化，而這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被假定會(huì)對(duì)細(xì)胞代謝產(chǎn)生次生變化以及在應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激(oxidative stress)時(shí)削弱防御，以減少谷胱甘肽(glutathione)的產(chǎn)生。果糖二磷酸鈉(fructose dipllosphate sodium)會(huì)加重PQ的毒性，而這一結(jié)果正是通過(guò)抑制戊糖磷酸循環(huán)補(bǔ)充還原酶時(shí)產(chǎn)生的副作用。

3. 線粒體損傷、CAP、NF-κB活化：PQ已被證實(shí)可造成多種細(xì)胞的線粒體(mitochondria)損傷。線粒體中的復(fù)合物Ⅰ〔NADH泛醌氧化還原酶(ubiquinone oxidoreductase)〕似乎可以大量分解PQ。有研究表明，破壞線粒體一旦進(jìn)入基質(zhì)，在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，被復(fù)合物Ⅰ分解的PQ就會(huì)形成過(guò)氧化物[27]。PQ誘發(fā)基于Ca2+及線粒體內(nèi)膜滲透性增長(zhǎng)，很可能是由于脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致了膜去極化，解偶聯(lián)和基質(zhì)腫脹。PQ產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species, ROS)和活化的核因子Kappa B(nuclear factor kappa B, NF-κB)而誘發(fā)細(xì)胞凋亡(apoptosis)。而同時(shí)又可以誘導(dǎo)細(xì)胞核固縮和DNA分裂[28-30]。過(guò)氧硝酸鹽(peroxynitrite)還能與蛋白、脂質(zhì)和DNA發(fā)生反應(yīng)，從而改變細(xì)胞酶和標(biāo)記通路，最終導(dǎo)致體內(nèi)平衡紊亂和細(xì)胞凋亡[31]。ROS能在潛伏形態(tài)下激活NF-κB[32]。在正常細(xì)胞中，NF-κB分一種抑菌蛋白(inhibitory protein)結(jié)合在一起的酪氨酸蛋白。由于NF-κB的誘導(dǎo)迅速磷酸化，一旦被激活，NF-κB就會(huì)易位到細(xì)胞核而與催化劑結(jié)合從而引起靶基因炎癥。結(jié)果NF-κB就會(huì)誘導(dǎo)炎癥因子和趨化因子的轉(zhuǎn)錄。同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致血小板聚集(platelet aggregation)、纖維增生(fibrogenesis)以及聚合更多的炎癥細(xì)胞[33]。

注：還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)；還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)；谷胱甘肽(GSH)；氧化型谷胱甘肽(GSSG)；超氧化物歧化酶(SOD)；過(guò)氧化氫酶(CAT);谷胱甘肽還原酶(Gred);谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx);芬頓反應(yīng)(FR);Haber-Weiss反應(yīng)(HWR)；過(guò)氧化亞硝酸離子(ONOO-)；羥自由基(OH-)；超氧陰離子()。1-8:可用治療方案的潛在作用部位。1:活性炭和漂白土;2:透析;3、4、6和8:水楊酸酯;5和8:乙酰半胱氨酸;7(P-糖蛋白誘導(dǎo)):地塞米松;4:免疫抑制；free radicals:自由基；tissue damage:組織損傷;transcription of proinflammatory proteins:轉(zhuǎn)錄促炎蛋白

四、PQ中毒器官病理改變

PQ毒性對(duì)肺部損傷最為嚴(yán)重，常常導(dǎo)致急性肺泡炎(acute alveolitis)。進(jìn)一步的病理改變可能有肺泡明顯萎陷、血管栓塞，以及血小板活化和多形核白細(xì)胞在血管內(nèi)皮聚集[34]。PQ毒性在肺部通常導(dǎo)致受損細(xì)胞的凋亡[35-36]。PQ毒性在肺部進(jìn)一步對(duì)肺泡上皮細(xì)胞損傷，在急性損傷期“Ⅰ”和“Ⅱ”型肺炎腫脹階段，肺部開始出現(xiàn)腫脹，形成空泡，線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum)遭到破壞。肺泡的脫落與肺水腫有關(guān)。緊接著是增生期，肺泡空間被單核細(xì)胞和促纖維母細(xì)胞填充，在數(shù)天到幾周的時(shí)間后形成不可逆轉(zhuǎn)的肺纖維化。受PQ毒性影響的腎臟則出現(xiàn)近曲小管空泡，肝臟則發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫顆粒和線粒體損傷，并引起肝細(xì)胞阻塞和損害，進(jìn)而導(dǎo)致多臟器細(xì)胞壞死。上述病變可在數(shù)小時(shí)到幾天內(nèi)觀察到[5]。

五、PQ中毒后臨床過(guò)程

PQ中毒的臨床表現(xiàn)由其攝入量有關(guān)，大量攝入濃縮液體類PQ(>50～100 ml of 20% ion w/v)則導(dǎo)致爆發(fā)性器官衰竭(fulminant organ failure)，如肺水腫、心臟、腎和肝功能衰竭，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)導(dǎo)致驚厥。PQ中毒患者一般先期出現(xiàn)缺氧、休克及代謝性酸中毒，然后在數(shù)小時(shí)至幾天內(nèi)由于多器官衰竭而死亡[5]。

對(duì)于PQ少量攝入通常在2～6天發(fā)生肺和腎臟兩大器官損傷，在臨床上常稱為“中至重度”中毒，但病死率仍超過(guò)50%。這類中毒腎功能衰竭(renal failure)發(fā)展相當(dāng)迅速，肌酐和/或半胱氨酸蛋白酶抑制劑-C的濃度可在第一天進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也有利于預(yù)測(cè)將要出現(xiàn)的臨床情況[37]。隨著攝入PQ量的增加，而PQ毒性在肺部集中，則引起肺組織細(xì)胞損傷，其主要的后果是肺部氣體交換減少和發(fā)生呼吸功能障礙。肺損傷病變分為兩個(gè)階段：急性肺泡炎發(fā)生在1～3 d，然后繼發(fā)于肺纖維化；繼而患者在3～7 d內(nèi)發(fā)生呼吸困難，并最終在5周后死于肺部纖維化，而引發(fā)嚴(yán)重的低氧血癥。肝毒性，如黃疸和轉(zhuǎn)氨酶升高，也是PQ中毒患者的常見臨床表現(xiàn)。然而，無(wú)論是腎臟和肝臟損傷都不是臨床常見的致死原因，存活下來(lái)的患者中，均未發(fā)現(xiàn)對(duì)這些器官的長(zhǎng)期影響。

對(duì)于攝入PQ濃縮劑的中毒患者而言，食管和胃腸道毒性反應(yīng)也是臨床普遍現(xiàn)象?？谇缓蜕囝^〔百草枯舌(paraquat tongue)〕的黏膜病變開始出現(xiàn)在最初幾天，并可形成潰瘍性出血。因而，咽喉、食道和胃腸黏膜損傷后病變也很常見，有些患者甚至更險(xiǎn)惡。這可能能會(huì)導(dǎo)致食管和胃腸道的穿孔，以及縱隔和/或縱隔氣腫。這是由于PQ直接腐蝕黏膜的影響死亡率而被臨床上低估。這是由于對(duì)PQ攝入過(guò)程具有能量依賴性和時(shí)間的相關(guān)性[5，38]。

1 任 藝. 雌激素在百草枯中毒致急性肺損傷及肺纖維化中的作用[J]. 中國(guó)急救醫(yī)學(xué), 2011, 31(3): 269-271.

2 中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)急診醫(yī)師分會(huì). 急性百草枯中毒診治專家共識(shí)(2013)[J]. 中國(guó)急救醫(yī)學(xué), 2013, 33(6): 484-489.

3 高宏光, 曹 鈺. 急性百草枯中毒致急性肺損傷發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 華西醫(yī)學(xué), 2014, 29(6): 1047-1049.

4 韓繼媛, 程志強(qiáng). 淺談急性百草枯中毒發(fā)病機(jī)制的研究現(xiàn)狀[J]. 臨床急診雜志, 2011, 11(2)： 65-67.

5 Indika B, Gawarammana, Nicholas A, et al. Medical management of paraquat ingestion[J]. Br J Clin Pharmacol, 2011, 72(5): 745-757.

6 Eddleston M, Phillips MR. Self poisoning with pesticides[J]. BMJ, 2004, 328(7430): 42-44.

7 Manuel C, Gunnell DJ, van der Hoek W, et al. Self-poisoning in rural Sri Lanka: small-area variations in incidence[J]. BMC Public Health, 2008, 8: 26.

9 Dawson AH, Eddleston M, Senarathna L, et al. Acute human lethal toxicity of agricultural pesticides: a prospective cohort study[J]. PLoS Med, 2010, 7(10): e1000357.

10 Casey P, Vale JA. Deaths from pesticide poisoning in England and Wales: 1945-1989[J]. Hum Exp Toxicol, 1994, 13(2): 95-101.

11 Dargan P, Shiew C, Greene S, et al. Paraquat poisoning: caution in interpreting prognosis based on plasma paraquat concentration[J]. Clin Toxical, 2006, 44: 762.

12 Bronstein AC, Spyker DA, Cantilena LR, et al. 2008 annual report of the American Association of Poison Control Centers′National poison Data System(NPDS): 26th annual report[J]. Clin Toxicol(Phila), 2009, 47(10): 911-1084.

13 王金柱, 李 莉. 急性百草枯中毒肺損傷機(jī)制及應(yīng)用機(jī)械通氣治療的進(jìn)展[J]. 中國(guó)急救醫(yī)學(xué), 2014, 34(5): 459-462.

14 Wilks MF, Fernando R, Ariyananda PL, et al. Improvement in survival after paraquat ingestion following introduction of a new formulation in Sri Lanka[J]. PLoS Med, 2008, 5(2): e49.

15 Wilks MF, Tomenson JA, Fernando R, et al. Formulation changes and time trends in outcome following paraquat ingestion in Sri Lanka[J]. Clin Toxicol(phila), 2011, 49(1): 21-28.

16 Yoon SC. Clinical outcome of paraquat poisoning[J]. Korean J Intern Med, 2009, 24(2): 93-94.

17 Hantson P, Weynand B, Doyle I, et al. Pneumoproteins as markers of paraquat lung injury: A clinical case[J]. J Forensic Leg Med, 2008, 15(1): 48-52.

18 Agarwal R, Srinivas R, Aggarwal AN, et al. Experiece with paraquat poisoning in a respiratory intensive care nuit in North India[J]. Singapore Med J, 2006 47(12): 1033-1037.

19 Chen JG, Eldridge DL, Lodeserto FJ, et al. Paraquat ingestion: achallenging diagnosis[J]. Pediatrics, 2010, 125(6): e1505-e1509.

20 孫健波, 顧鵬毅, 李 剛, 等. 孟魯司特對(duì)百草枯所致大鼠肺損傷的治療作用[J]. 中華急診醫(yī)學(xué)雜志, 2012, 21(11): 1198-1204.

21 Yang W, Tiffany-Castiglioni E. The dipyridyl herbicide paraquat induces proteasome dysfunction in human neuroblastoma SH-SY5Y cells[J]. J Toxicol Environ Health A, 2007, 70(21): 1849-1857.

22 Castello PR, Drechsel DA, Pated M. Mitochondria are a major source of paraquat-induced reactive oxygen species production in the brain[J]. J Biol Chem, 2007, 282(19): 14186-14193.

23 Bonneh-Barkay D, Reaney SH, Langston WJ, et al. Redox cycling of the herbicide paraquat in microglial cultures[J]. Brain Res Mol Brain Res, 2005, 134(1): 52-56.

24 胥令杰, 王 仲. 百草枯致急性肺損傷機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 臨床急診雜志, 2013, 4(4)： 186-189.

25 Peng J, Stevenson FF, Oo ML, et al. Iron-enhanced paraquat-mediated dopaminergic cell death due to increased oxidative stress as a consequence of microglial activation[J]. Free Radic Biol Med, 2009, 46(2): 312-320.

26 Ahmad I, Kumar A, Shukla S, et al. The involvement of nitric oxide in maned-and paraquat-induced oxidative stress in rat polymorphonuclear leukocytes[J]. Free Radic Res, 2008, 42(10): 849-862.

27 Cocheme HM, Murphy MP. Complex I is the major site of mitochondrial superoxide production by paraquat[J]. J Biol Chem, 2008, 283(4): 1786-1798.

28 Fordel E, Thijs L, Martinet W, et al. Neuroglobin and cytoglobin overexpression protects human SH-SY5Y neuroblastoma cells against oxidative stress-induced cell death[J]. Neurosci Lett, 2006, 410(2): 146-151.

29 Yang W, Tiffany-Castiglioni E. Paraquat-induced apoptosis in human neuroblastoma SH-SY5Y cells: involvement of p53 and mitochondria[J]. J Toxicol Environ Health A, 2008, 71(4): 289-299.

30 Rio MJ, Velez-Pardo C. Paraquat induces apoptosis in human lymphocytes: protective and rescue effects of glucose, cannabinoids and insulin-like growth factor-1[J]. Growth Factors, 2008, 26(1): 49-60.

31 Denicola A, Radi R. Peroxynitrite and drug-dependent toxicity[J]. Toxicology, 2005, 208: 737-788.

32 Kratsovnik E, Bromberg Y, Sperling O, et al. Oxidative stress activates transcription factor NF-κB-mediated protective signaling in primary rat neuronal cultures[J]. J Mol Neurosci, 2005, 26(1): 27-32.

33 Schoonbroodt S, Piette J. Oxidative stress interference with the nuclear factor-kappa Bactivation pathways[J]. Biochem Pharmacol, 2000, 60(8): 1075-1083.

34 Dinis-Oliveira RJ, Sousa C, Remiao F, et al. Full survival of paraquat- exposed rats after treatment with sodium salicylate[J]. Free Radic Biol Med, 2007, 42(7): 1017-1028.

35 McCarthy S, Somayajulu M, Sikorska M, et al. Paraquat induces oxidative stress and neuronal cell death; neuroprotection by water-soluble Coenzyme Q10[J]. Toxicol Appl Pharmacol, 2004, 201(1): 21-31.

36 Dinis-Oliveira RJ, Sousa C, Remiao F, et al. Sodium salicylate prevents paraquat-induced apoptosis in the rat lung[J]. Free Radic Biol Med, 2007, 43(1): 48-61.

37 Roberts DM, Wilks MF, Roberts MS, et al. Changes in the concentrations of creatinine, cystatin C and NGAL in patients with acute paraquat self-poisoning[J]. Toxicol Lett, 2011, 202(1): 69-74.

38 Li CQ, Li YM, Wei LQ, et al. Comparison between kidney and continuous plasma perfusion for paraquat elimination[J]. Am J Med Sci, 2014, 348(3): 195-203.doi:10.1097/MAJ.00000000000000235.

(本文編輯：黃紅稷)

鄭慧新，李春花， 任成山. 百草枯中毒致急性肺損傷發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展[J/CD]. 中華肺部疾病雜志： 電子版， 2014， 7(5)： 567-570.

10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2014.05.023

1400037 重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院門診部2400037 重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院消化內(nèi)科

李春花， Email: lch567@sohu.com 任成山， Email: xqcjld@163.com

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2014-09-23)