机械通气导致肺损伤的发生机制
毕业论文机械通气导致肺损伤的发生机制
宋秀梅 王月兰 李成
山东省千佛山医院
机械通气是麻醉维持和重症治疗的必须辅助措施,而机械通气导
致的肺损伤(VILI)是此过程中最为重要的并发症,易诱发炎症反应
综合征(SIRS)和多器官功能衰竭(MSOF),尽管临床治疗和护理水平
的不断提高,但急性肺损伤病人的死亡率仍然很高,且多数病人死于
多系统器官功能衰竭.
目前VILI的发生机制尚不清楚,但众多研究认为机械通气不仅导
致肺组织结构性损伤且引起肺组织"生物学损伤",即机械通气导致
肺炎症反应上调,中性粒细胞浸润,支气管肺泡腔灌洗液中炎症介质
增加,其发生机制是由多种途径和信号传导通路共同作用所致.机械
力通过激活或触发肺细胞膜上牵张敏感的阳离子通道,通过细胞骨架
结构改变,细胞膜上相关分子的直接构象变化等将机械信号传入细胞
内,然后激活细胞内信号传导通路,通过调节转录因子,蛋白激酶的
活化和蛋白的磷酸化水平等多种机制,进1步诱发肺内炎性因子的大
量产生,局部炎症反应扩散,体循环炎症介质的释放导致全身性炎症
反应,机体免疫力的丧失和持久的炎症损伤,促使病人通过1系列机
制发展为多系统炎症反应综合征(SIRS)和多器官功能衰竭(MSOF),
但其确切机制未明.机械通气过程中炎症反应通路借用了肺内已有的
信号传导通路,通过对已建立的信号传导通路的研究有助于加快对机
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械通气肺损伤机制的研究.了解组织器官中不同炎症介质间的相互作
用的复杂机制,就必须掌握肺内主要的细胞在VILI产生和进展中的作
用.肺内皮细胞,肺泡巨噬细胞,肺泡上皮细胞,中性粒细胞等作为
机械通气的靶细胞,在炎症的进程中发挥重要的作用.
机械通气导致肺损伤的发生是多机制,多通路.本文将目前有关
VILI的最新研究进展作1综述.
尽管临床治疗和护理水平的不断提高,但急性肺损伤病人的死亡
率仍然很高,且多数病人死于多系统器官功能衰竭.目前,机械通气
引起肺损伤的机制尚未完全清楚,但发现肺泡的过度扩张和终末肺单
位反复开放和关闭产生的剪切力加重肺的损伤,诱发严重的炎症反
应.了解通气导致的肺损伤的产生和发展的重要机制,在今后的科研
和临床治疗中有着重要的价值.现将机械通气导致肺损伤的发生机制
作1综述.
1 机械通气导致肺损伤的简述
1项大型临床实验证实机械通气导致肺损伤 [1].ARDS network[2]
报导,861名诊断为ALI和ARDS的病人随机分配到两组,1组接受
传统潮气量(12ml/kg)通气治疗,1组给予小潮气量(6ml/kg)治疗,
发现小潮气量组的死亡率较传统潮气量组低22%,该项研究证实机械
通气能引发医源性的损伤.但呼吸机的辅助治疗对于危重病人是必不
可少的,因此对通气过程中产生的机械力作用于肺组织的生物分子效
应和细胞效应的研究,有可能消除机械通气的医源性损伤.
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机械通气过程中各种机械力相互叠加反复作用于肺组织导致肺
损伤."biotrauma"用来描述机械通气产生的切应力作用于肺组织
导致炎症反应上调;机械通气时,细胞感受机械力,活化细胞内信号
传导通路,随后信息被整合到细胞核,产生效应,调节自身和邻近的
细胞.机械通气导致肺炎症反应上调,中性粒细胞浸润,支气管肺泡
腔灌洗液中炎症介质增加,称为生物伤.通过对大量有关细胞因子在
机械通气中作用文献的总结,发现细胞因子在VILI,机械通气相关并
发症(如MODS),机械通气相关肺炎中发挥重要的作用 [3].
肺局部炎症反应扩散,体循环炎症介质的释放导致全身性炎症反
应,随之代偿发生抗炎反应,下调和减轻促炎症反应.机体免疫力的
丧失和持久的炎症损伤,促使病人通过1系列机制发展为多系统炎症
反应综合征(SIRS)和多器官功能衰竭(MSOF),最终死亡.最近报道
大潮气量机械通气引起肺以外心血管,肝的损伤和全身性炎症反应
[4].Ranieri[5]等发现运用保护性通气策略病人,支气管肺泡腔灌洗液
和血浆中促炎症反应细胞因子浓度降低.此外,呼气末肺泡塌陷,在
大潮气量时诱导细菌从肺易位到体循环;甚至正常潮气量时内毒素也
能从肺易位到体循环.但由于肝脏的快速清除,机械通气时体循环内
毒素易位到肺的可能性极小[6].
事实证明重要的炎症介质能够逃避肺的限制,这为最终发展为
MSOF提供重要的线索.众多的研究显示机械通气时大量的细胞因子
释放入体循环是MODS的主要发病机制[5].有报道小潮气量的保护性
通气策略能够推迟菌血症和远侧的损伤.在这篇综述中,将集中讨论
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1些新近的相关研究成果,有助于理解VILI起始和进展的机制,在
炎症播散过程中的作用和MSOF的产生.
2 细胞感受机械力的机制
力传导就是将机械刺激转化为生化或生物分子信号.机械力包括
重力,渗透力以及细胞与细胞,细胞与基质间的相互作用力.但细胞
如何将机械力转变为细胞内的生化信号及其传导机制仍不清楚.而且
肺组织结构的复杂,细胞种类的多样,作用于肺的机械力多样,可能
的机械刺激机制和潜在的细胞反应使得可能存在广泛的力诱导的机
械信号的传导.以下部分将讨论细胞变形如何转化为分子生物信号.
1 牵张敏感的离子通道
细胞内离子浓度的变化将物理刺激转变为电信号或化学信号,膜
钾离子通道,电压依赖性的钠离子通道都能够感受机械刺激,但在
VILI的作用尚不清楚[7].牵张导致细胞膜屏障功能受损,血管通透性
增加,机械通气引发的细胞内钙离子浓度增加是血管通透性增加的始
动因素.Waters[8]等研究发现在肺泡腔,Na+顺浓度梯度由腔侧面钠离
子通道进入上皮细胞,再由上皮细胞基底膜侧Na+-k+-ATPase泵出细
胞,后者有助于肺水肿的清除.环形牵张引起肺上皮细胞基底膜侧
Na+-K+-ATPase活性增加.用amiloride(阻断amiloride敏感的钠离
子通道)或gadolinium(gadolinium能阻断牵张活化的非选择性阳离
子通道)处理的上皮细胞, Na+-K+-ATPase活性没有增强,可见牵张
活化的阳离子通道可能调节Na+-K+-ATPase的活性,加重肺水肿.增加
上皮细胞基底侧Na+-K+-ATPase浓度,其活性也增强,说明环形牵张诱
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导细胞内钠池向基底膜侧迁移,增加基底膜通道亚单位[8].且大鼠上
皮细胞amiloride敏感的钠离子通道(reNaC)是哺乳动物同源性的机
械敏感信道,这些通道是将来临床治疗VILI的定向诱导突变靶点.
2 细胞膜的完整性
细胞结构破坏诱导炎症反应,细胞膜的完整在细胞内外的信号传
导通路中发挥重要作用.以下两个例子说明了细胞膜蛋白质在细胞感
受机械力,作出反应过程中时的重要作用.Hinman等[9]研究证明,肺
泡Ⅱ型细胞受损,最初仅损伤边缘处细胞内游离钙离子浓度增加,而
后向周围扩展,细胞内钙离子穿过肺泡Ⅱ型细胞单细胞层扩散到邻近
的未损伤细胞,导致未损伤细胞中的钙离子浓度增加.研究显示内环
境中钙离子浓度的变化,不仅影响钙离子自身介导的信号传导通路,
而且可能打开脓毒症诱导的其它不依赖钙离子的信号通路.脓毒症
时,细胞基底侧的钙离子能够启动PKC,后者在信号传导通路中发挥
重要作用.可以推测细胞内钙离子浓度的变化参与启动VILI的信号
传导和介导细胞损伤.Grembowicz等[10]最近证实细胞膜破坏(PMD)
诱导Fos蛋白合成增加,钙离子诱导fos基因的表达,c-fos的顺式
调节序列中包含有钙离子反应组件.c-fos是早反应基因,含有牵张
敏感的启动子序列,能够调节基因转录.损伤性机械通气引起离体大
鼠肺模型c-fos的mRNA生成增加.但损伤性机械通气是否引起Fos
蛋白变化和PMD的发生尚待证实.但PMD诱导内皮平滑肌细胞浆中
NF-kB易位到细胞核[10],而NF-kB的易位和活化是体内多种促炎因子
和趋化因子表达所必须的,此外细胞结构受损能引起其它1系列的病
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理变化.
3 细胞膜相关分子的直接构象变化
最近的研究显示细胞表面的黏附蛋白,细胞骨架和相关的核骨架
作为细胞结构的基本框架体系,为机械刺激转化为生化信号奠定了生
理基础.
大量研究证实细胞基质和黏附分子在介导VILI时的炎症反应中
起到了重要作用.Tschumpelin等[11]用磁力扭转细胞仪(MTC)作用
于肺泡上皮细胞,通过测定经MTC作用后的细胞基因表达, 发现与表
面附有胶原的磁珠作用的细胞基因转录水平提高;实验中,胶原作为
1种跨膜的细胞骨架蛋白的配体发挥作用,说明细胞与基质结合的程
度和特异性决定了肺泡上皮细胞对机械力反应的水平.最近报导,MTC
作用于A549细胞,通过细胞表面的跨膜分子ICAM-1,将细胞外的机
械刺激转化为胞内的生物信号 [12] .
3 通气导致肺损伤的细胞内信号转导途径的产生
1 转录因子即DNA结合蛋白,能够调节基因的表达.
在细胞核,机械力通过影响早反应基因发挥作用,如早反应基因
c-fos, c-jun, c-myc, and Egr-1 本身又是转录因子,其基因的顺
式调节序列中含有切应力反应元件.据推测多种基因的顺式调节序列
中含有转录因子结合位点(位点中包含切应力反应元件),这些基因
有血小板源性生长因子,组织纤溶酶原激活剂,ICAM-1,TGF-b.此外
编码NO合酶和COX2的基因也受到切应力的调节.
当前研究显示NF-κB的活化在VILI的产生和发展过程中发挥重
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要作用.NF-κB在多种炎症性疾病(如ARDS和脓毒血症)的发病过
程中促进多种细胞因子的表达.NF-kB能被多种刺激活化,包括细菌
内毒素,TNF-a, IL-1β,分裂素,和病毒蛋白.其基因的启动子区
域含有DNA切应力反应元件,且NF-κB蛋白能够结合IL-6,
IL-8,IL-1β和TNF-a的启动子序列.大量体外和体内实验研究显示
牵张反应上调肺细胞NF-κB.在休眠期的细胞,NF-κB在细胞浆中
通过与NF-κB的抑制剂(IκB)作用处于活化前状态.IκB磷酸化后
细胞暴露核定位信号区使得NF-κB转运到核内,结合DNA调节序列,
调节多种细胞因子的表达.例如,Moine[13]等在ARDS的研究中发现,
无论IκB增加,或是Bcl-3(IκB家族成员)减少,NF-κB都将保
持活化状态.这些实验结果证实在脓毒症和ARDS病人,NF-κB转录
的异常在炎症反应中有重要作用.
2 蛋白激酶的活化和蛋白的磷酸化水平决定了细胞内的酶活性和细
胞内的信号传导机制.
机械通气的动物,PKA(cAMP依赖的蛋白激酶)活性增加.人类
肺泡上皮细胞受到机械牵张时MAPK迅速活化.目前在哺乳动物已发
现多条MAPKS家族通路,有p42/44细胞外信号调节激酶(ERK) MAPKs,
c-Jun NH2末端激酶(JNK;或[SAPK])和 p38MAPK. Correa-Meyer等
[14]报导p42/p44 MAPK这条重要的保护性细胞信号传导通路在肺上皮
细胞受到环形牵张15min时,达到活化高峰.Spence等[15]报导机械
牵张肺泡上皮细胞,通过其表面的肌营养不良蛋白聚糖能够活化细胞
内的p42/p44MAPK信号传导通路.机械牵张(5%的牵张,6次/分.
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持续2h)活化人类肺泡上皮细胞的SAPK通路,且高的吸气压提高JNK
和MAPK磷酸化程度, 后者不仅诱导基因的转录而且参与牵张诱导的
细胞因子的释放[.近来的研究发现用JNK的特异性抑制剂预处理
A549细胞,能够阻断牵张诱导的细胞因子IL-8mRNA的表达,也证实
了这1点[16].
3 VILI发生过程中的信号传导目前认为是多通路,且目前知之甚
少.
生理条件下肺不断承受着变化的机械力,而机械通气引起的肺
变形,无论其程度和幅度在生理条件下是不会发生的,因此,肺过
度扩张适应机械通气的进化理论是不成立的,机械通气过程中炎症
反应通路必然是借用了肺内已有的信号传导通路.
3.1 有研究认为,LPS通过与细胞表面受体分子结合诱导免疫损伤,
机械通气也可能通过类似机制诱发1系列复杂,冗繁的炎症反应.单
核细胞通过细胞表面TLR-4识别结合内毒素,此过程需要CD14的辅
助,而细胞内TLR-4的信号传导通路与IL-1β的通路类似.此外LPS
被证实活化p42/44MAPK,JNK,p38,p65和NF-κB.MacGillivray[17]
等发现IL-1β受体相关激酶(IRAK)与局部黏着斑复合物共同定位.
IRAK是IL-1β依赖的ERK活化所必需的.说明肌动蛋白丝序列的完
整性和IRAK募集到黏着斑复合物共同参与IL-1β介导的信号传导通
路.但尚未证实VILI过程中IL-1β介导信号传导通路是否与上述机
制1样.
如上所述,在肺上皮细胞机械刺激与LPS的信号传导通路可能相
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,尽管尚未证实,但可以推测LPS特异的信号传导通路,不仅与
VILI的信号传导通路相互作用而且可能共享某些通路.这可以解释
为什么VILI,内毒素和IL-1β作用的动物,发生相同的变化.此外
Arbour[18]等用共分离错义突变影响TLR-4受体的细胞外区域,处理后
的个体吸入LPS时,机体反应迟钝.VILI与TLR-4/IL-1β介导信号
传导通路具有明显的临床相关性,目前的.研究提出了这种可能性,至
少在理论上两条通路有着很多的1致性,以至于TLR-4/IL-1β受体
突变可以对抗脓毒症,也可以减轻VILI病人的炎症反应.
3.2 细胞外基质-整合素-细胞骨架学说已得到普遍认可.细胞外基
质如层粘连蛋白,纤维连接蛋白等与细胞表面的整合素受体结合,后
者的胞内段通过细胞骨架蛋白复合物与肌动蛋白丝相结合,细胞骨架
蛋白复合物包括α-辅肌动蛋白(α-actinin),纽蛋白(vinculin),
踝蛋白(talin),桩蛋白(pxillin),张力蛋白(tensin)等.通
过1系列未知通路,使MAPK被磷酸化被激活,然后移位到细胞核内,
作用于相应的转录因子,使其发生磷酸化,从而启动某些基因表达,
促进炎症介质和趋化因子的产生.
3.3 最近Jonathan等[19]报道环形牵张力作用于离体培养的肺泡上皮
细胞,基质中laminin6通过基底膜蛋白多糖(perlecan)的介导,
参与dystroglycan依赖的,非整合素依赖的细胞信号转导,这有别
于先前的大部分关于整合素通路的报导,可能为研究机械通气导致的
肺损伤找到了新的突破点.
4 了解组织器官中不同炎症介质间的相互作用的复杂机制,就必须
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掌握肺内主要的细胞在VILI产生和进展中的作用.
1 中性粒细胞(PMN):已证实PMN参与ALI和ARDS的病理过程.损伤
性通气策略作用于正常肺组织诱发细胞因子的产生和肺泡腔灌洗液
中中性粒细胞聚集.PMN是VILI中引起组织损伤的主要效应细胞.研
究发现中性粒细胞缺乏的动物模型接受机械通气和/或肺灌洗较对照
组(健康动物模型接受同样处理)氧合明显改善,肺损伤减轻.
最近zhang等[20]发现机械通气引起的PMN的活化程度超过了ARDS
时的程度.实验中正常志愿者的白细胞置入接受传统通气策略和保护
性通气策略治疗的ARDS病人BAL液中,通过测量中性粒细胞的氧爆发
曲线,L选择素,CD18(ICAM-1),CD63的表达和弹性蛋白酶的活性
判断PMN的活化程度[20],结果显示接受传统通气治疗组白细胞活化标
志较保护性通气组明显增加.机械通气通过PMN介导的VILI病人肺组
织的损伤,此过程中,PMN通过与其它细胞相互作用介导损伤.
2 内皮细胞 肺内皮细胞形成肺脉管系统腔侧面连续的单分子层.
血管内皮细胞对机械力反应的已经有了大量的研究,而通气过程中肺
内皮细胞对机械力的反应知之甚少.内皮细胞的活化是1重要的生物
学概念,很明显只有活化的内皮细胞才能参与炎症反应.用LPS,IL
-1β和TNF-α刺激内皮细胞,诱导IL-8和上皮源性的中性粒细胞趋
化因子(ENA-78)的分泌.IL-8通过与中性粒细胞表面的受体CXCR2
结合,介导中性粒细胞释放炎症介质,脱颗粒及NF-κB的活化[21].环
形牵张能诱导内皮细胞速发型反应基因(如转录因子活化蛋白-1和
NF-κB)的表达,机制尚不清楚.尽管内皮细胞的生物学研究取得了
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很大进展,但关于VILI中内皮细胞作用的资料贫乏.
3 肺泡巨噬细胞 过去的几年,由于肺泡巨噬细胞能够分泌细胞因
子,引起了研究者的广泛兴趣.肺泡巨噬细胞是VILI中重要的效应细
胞.肺泡巨噬细胞在肺的重构中发挥重要作用,通过增加MMP-9的从
头合成途径对机械力作出反应.单核细胞来源的巨噬细胞(MDMs)功
能类似肺巨噬细胞,可以作为肺巨噬细胞的代用品,环形牵张作用于
MDMs引起NF
[1]
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