膿毒癥血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

何慧敏,段美麗

膿毒癥 (sepsis)是嚴(yán)重創(chuàng)傷、燒傷、休克、大手術(shù)后常見(jiàn)的并發(fā)癥,進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致膿毒性休克 (sepsis shock)和多器官功能障礙綜合征 (multiple organ dysfunction syndrome,MODS),是臨床危重病癥中最常見(jiàn)的死亡原因[1]。有研究顯示美國(guó) 1995年膿毒癥發(fā)病 751 000例,導(dǎo)致死亡 21 500例[2]。每例膿毒癥患者平均費(fèi)用為 22 100元,全國(guó)總消費(fèi)為 167億。一項(xiàng)最近醫(yī)院記錄顯示死于膿毒癥的患者總例數(shù)近幾年逐漸增加[3]。但嚴(yán)重膿毒癥的病理生理學(xué)機(jī)制仍未得到界定,目前被廣泛接受的是膿毒癥的病死率與宿主免疫反應(yīng)應(yīng)答有關(guān),并且涉及多種細(xì)胞因子、炎性遞質(zhì)和凝血因子,而臨床研究方面無(wú)有效的治療措施[4]。

膿毒癥最普遍的臨床表現(xiàn)是全身炎癥反應(yīng)綜合征 (如發(fā)熱、心動(dòng)過(guò)速、呼吸急促和白細(xì)胞增多等)和器官功能障礙(如急性肺損傷、急性呼吸窘迫綜合征、休克等)。炎癥反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)記物包括高循環(huán)水平的 IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子 -a[5-7]。凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)的激活最常見(jiàn)的表現(xiàn)是 D-二聚體水平的增多 (約 100%的患者)和循環(huán)蛋白 C水平的降低(≥90%的患者)[8-10]。不到一半的膿毒癥患者達(dá)到彌散性血管內(nèi)凝血 (DIC)的界定標(biāo)準(zhǔn)[11-12],具有廣泛激活凝血功能、纖維素沉積、血栓形成和 (或)出血的特點(diǎn)[13-14]。

本文要點(diǎn)

近年來(lái),膿毒癥血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷的研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注,大量體內(nèi)、體外及臨床實(shí)驗(yàn)表明血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷與多種細(xì)胞因子、炎性遞質(zhì)和凝血系統(tǒng)的激活密切相關(guān),為膿毒癥發(fā)病機(jī)制及早期診斷提供了新的視角。本文主要闡述血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷在膿毒癥病理生理中的作用及血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷檢測(cè)指標(biāo)的研究進(jìn)展。

膿毒癥的發(fā)病機(jī)制包括凝血功能失調(diào)、異常介質(zhì)的產(chǎn)生、超炎癥反應(yīng)應(yīng)答、內(nèi)皮細(xì)胞損傷及其他細(xì)胞凋亡等。近年來(lái)研究認(rèn)為,血管內(nèi)皮細(xì)胞 (VEC)是參與炎癥應(yīng)答的主要靶細(xì)胞之一[15-16],同時(shí)內(nèi)皮細(xì)胞不僅是炎癥反應(yīng)中被動(dòng)的靶細(xì)胞,也是一種效應(yīng)細(xì)胞[17],在微循環(huán)障礙、膿毒性休克及多器官功能損傷中起著重要作用。目前對(duì)膿毒癥的病理生理學(xué)有幾個(gè)重要的主題,包括:宿主反應(yīng);單核細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在起始和延長(zhǎng);與之伴行的炎癥的激活和凝血級(jí)聯(lián)反密切聯(lián)系。本文集中討論 VEC在膿毒癥發(fā)病進(jìn)展中作用及 VEC損傷指標(biāo)檢測(cè)的進(jìn)展。

1 VEC的生理功能及在膿毒癥病理生理中的作用

1.1 VEC的生理功能 VEC是位于血管內(nèi)壁的一層多功能細(xì)胞,位于循環(huán)血液和周?chē)M織之間。由于它們是最先暴露于循環(huán)血液中的侵入性病原體,對(duì)損傷有著高度的敏感性,但內(nèi)皮細(xì)胞具有顯著的自我保護(hù)能力。內(nèi)皮組織有助于維持器官內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,包括血管舒張、選擇性血管滲透壓和提供抗凝血表面[18]。然而,在感染過(guò)程中,內(nèi)皮組織的正常功能混亂,導(dǎo)致具有膿毒癥特點(diǎn)的器官功能障礙[19]。

VEC的主要生理作用包括:(1)抑制血栓形成。(2)是血液的組織屏障組成部分,對(duì)物質(zhì)選擇性通透。血管通透性是通過(guò)內(nèi)皮組織的收縮和肌球蛋白輕鏈的磷酸化調(diào)節(jié)的,磷酸化誘導(dǎo)肌球蛋白輕鏈構(gòu)象改變,促進(jìn)肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的相互作用,維持收縮狀態(tài)[20]。(3)調(diào)節(jié)血管緊張度,即釋放一氧化氮 (NO)、前列腺素 (PGI)舒張血管,釋放內(nèi)皮素 I(ET-1)收縮血管。 (4)釋放多種細(xì)胞因子,發(fā)揮多種生理功能。(5)調(diào)節(jié)血液免疫功能,在病理狀況下,中性粒細(xì)胞活化后生成的氧代謝產(chǎn)物、蛋白酶類(lèi)、細(xì)胞因子、花生四烯酸代謝產(chǎn)物及多形核中性粒細(xì)胞 (PMN)粘附因子與 VEC粘附因子相應(yīng)配體的表達(dá)之后發(fā)生的黏附等都損傷 VEC,破壞血管屏障完整性,繼而造成組織損傷。內(nèi)皮細(xì)胞的損傷在膿毒癥的發(fā)生、發(fā)展及演變過(guò)程中起著重要作用。

1.2 VEC的病理生理作用

1.2.1 在調(diào)節(jié)宿主反應(yīng)中的作用 單核細(xì)胞、組織巨噬細(xì)胞和某種程度的內(nèi)皮細(xì)胞,是固有免疫應(yīng)答的基石,作為防御的第一道防線,這些細(xì)胞能夠通過(guò)受體與保守的微生物結(jié)構(gòu)相互作用的受體識(shí)別模式識(shí)別侵入的病原體[21]。中性粒細(xì)胞聚集到內(nèi)皮組織,粘附并穿過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞到達(dá)炎癥位置中心[22]。這個(gè)過(guò)程的起始階段涉及中性粒細(xì)胞聚集到內(nèi)皮組織表面,通過(guò)選擇分子蛋白間的協(xié)同作用,這種選擇蛋白分子在循環(huán)中性粒細(xì)胞表面 (L-選擇蛋白)和內(nèi)皮組織表面 (E-選擇蛋白和P-選擇蛋白)都有發(fā)現(xiàn),并且是被酸化了的,在接觸的細(xì)胞上有碳水化物部分[22]。最初的選擇蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞滾動(dòng)是跟隨緊密連接到內(nèi)皮組織,而這也是通過(guò)整合素家族介導(dǎo)的。整合蛋白是表達(dá)于中性粒細(xì)胞表面的異二聚體分子,極大的促進(jìn)了細(xì)胞因子刺激的內(nèi)皮細(xì)胞 (ICAM-1、VCAM-1)表面細(xì)胞粘附分子 (CAMs)粘合作用[23]。病原體與宿主細(xì)胞相互作用導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)的開(kāi)始。這些途徑產(chǎn)生可溶性的介質(zhì)作用于自分泌或旁分泌環(huán)路,并進(jìn)一步激活單核細(xì)胞、組織巨噬細(xì)胞和 (或)內(nèi)皮細(xì)胞。

1.2.2 炎癥反應(yīng)和凝血途徑的激活 炎癥反應(yīng)在調(diào)節(jié)膿毒癥表現(xiàn)型方面起著重要作用。病原體促進(jìn)了接觸系統(tǒng) (XII因子、前激肽釋放酶和高分子量激肽原)和補(bǔ)體級(jí)聯(lián)反應(yīng)的早期激活,并且誘導(dǎo)多種細(xì)胞 (如單核細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞)快速釋放炎性遞質(zhì),改變相應(yīng)的全身炎癥反應(yīng)綜合征的臨床標(biāo)志[4]。同時(shí),內(nèi)源性的抗炎途徑被激活,緩沖炎癥反應(yīng)[24]。這兩種途徑可協(xié)調(diào)的保護(hù)宿主抵抗病原體的侵入。但是,不管是過(guò)度的或者持續(xù)的炎癥反應(yīng),還是不適當(dāng)?shù)目寡追磻?yīng),或者可能兩種途徑的解偶聯(lián)都可能促成組織損傷或者死亡。

1.3 其他作用 此外,病原體也能夠觸發(fā)凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)。在膿毒癥的發(fā)展過(guò)程中,表達(dá)在循環(huán)單核細(xì)胞和組織巨噬細(xì)胞表面的組織因子 (TF)是高于參考值范圍的,導(dǎo)致外部途徑的激活,凝血酶的產(chǎn)生和纖維蛋白單體形成。纖維蛋白單體不僅能穩(wěn)定血小板,而且在穩(wěn)定病原體于白細(xì)胞表面上也起重要作用,以便吞噬和清理。血液凝固是通過(guò)外源途徑開(kāi)始的,并且通過(guò)內(nèi)途徑源加以放大,內(nèi)源性途徑的機(jī)制包括串?dāng)_和反饋機(jī)制[25]。凝血的級(jí)聯(lián)反應(yīng)一旦被激活,將不受任何限制的激活其以下的底物。組織因子途徑抑制物 (TFPI)控制外源途徑,血栓調(diào)節(jié)素 (TM)/蛋白 C/蛋白 S可以鈍化輔助因子 Va和VIIIa,纖溶酶降低纖維蛋白單體的形成。止血作用反映了促凝血和抗凝血力量間好的平衡狀態(tài)。在膿毒癥時(shí)不僅有外源凝血途徑的激活,而且有自身抗凝反應(yīng) (如蛋白 C和 ATIII在循環(huán)中的水平的降低),內(nèi)皮細(xì)胞表面 TM的表達(dá)降低,纖維蛋白溶解作用受損的降低[25-26]。結(jié)果轉(zhuǎn)向促凝血狀態(tài),導(dǎo)致大量的凝血酶的產(chǎn)生,纖維蛋白單體的和凝固因子的消耗。

炎癥反應(yīng)一旦被激活,炎癥和凝血途徑就會(huì)相互作用而進(jìn)一步放大宿主反應(yīng)。炎性遞質(zhì)誘導(dǎo)循環(huán)中的單核細(xì)胞、組織巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和一些可能的內(nèi)皮細(xì)胞亞群細(xì)胞表面 TF的表達(dá)[27-29]。相反絲氨酸蛋白酶有能力與單核細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞表面酶激活受體相互作用,導(dǎo)致活化和額外的炎癥[30-31]。凝血酶發(fā)信號(hào)于內(nèi)皮細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞形狀、細(xì)胞通透性、增殖反應(yīng)和白細(xì)胞粘附性的改變[32]。后者的改變是通過(guò)凝血酶誘導(dǎo)產(chǎn)生 E-選擇蛋白、P-選擇蛋白、細(xì)胞間粘附因子和血管細(xì)胞粘附因子的過(guò)程中得以介導(dǎo)的。另外,凝血酶發(fā)信號(hào)于內(nèi)皮細(xì)胞表面,誘導(dǎo)血管假性血友病因子 (VWF)的分泌[33],增加蛋白酶激活受體 1 mRNA的表達(dá)[34]和刺激可溶性介質(zhì)的釋放,包括血小板活化因子 (PAF)、IL-8、單核細(xì)胞誘導(dǎo)蛋白1(MCP)、生長(zhǎng)因子[4]。最后,纖維蛋白單體和內(nèi)皮細(xì)胞可以相互作用,導(dǎo)致大量的表型改變,包括增加 IL-8的表達(dá)[35]。炎癥和凝血途徑間的串?dāng)_促成了潛在的膿毒癥時(shí)的爆炸式的宿主反應(yīng)。

2 VEC損傷相關(guān)的生物標(biāo)記物

2.1 循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞 (circulating endothelial cells,CECs) 最早使用 “循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞”這一術(shù)語(yǔ)者是 Gaynor,他發(fā)現(xiàn)經(jīng)內(nèi)毒素處理家兔 5～15 min后,血中可見(jiàn) CECs增加,其另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)動(dòng)物經(jīng)內(nèi)毒素處理后,CECs多達(dá)數(shù)十至數(shù)百個(gè)不等,并常見(jiàn)成團(tuán)狀的內(nèi)皮細(xì)胞。他們通過(guò)電鏡觀察,肯定了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物存在內(nèi)皮細(xì)胞損傷,指出:脫落內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量的多少與血管損傷的嚴(yán)重程度有關(guān)。在敗血癥、急性亞急性細(xì)菌性心內(nèi)膜炎和腎綜合征出血熱等情況下,外周血涂片中存在大小不等、外形極不規(guī)則的細(xì)胞,可有多個(gè)突起,邊緣模糊,胞漿內(nèi)可有空泡,胞核圓形、橢圓形或扭曲折疊,偶見(jiàn)雙核、三核或多元核仁。

目前較公認(rèn)的循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞的定義是在外周血中表達(dá)CD146膜糖蛋白,在正常人血中數(shù)量極少,而在炎癥、免疫應(yīng)答、感染、腫瘤和心血管等疾病時(shí)數(shù)量可明顯增加的一類(lèi)細(xì)胞。在生理情況下,循環(huán)血中存在的退化的無(wú)核成分反映了VEC的自然更替。在適當(dāng)?shù)募と侵?這些成分可增加若干倍。在絕大多數(shù)情況下,造成 CECs增加的原因是全身性的,CECs主要來(lái)自最接近應(yīng)用激惹部位的毛細(xì)血管床。損傷的分布相當(dāng)均勻,并且主要損傷最容易退化的那部分細(xì)胞。

一些學(xué)者認(rèn)為 CEC是目前在活體內(nèi)唯一可以特異而直接地反映血管損傷的指示物。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道,CECs可在廣泛的病理過(guò)程中增多,在一些可導(dǎo)致血管受到損傷的疾病 CECs增多,諸如鏈狀細(xì)胞性貧血、急性心肌梗死、巨細(xì)胞病毒感染、內(nèi)毒素血癥、腫瘤性血管增生。當(dāng)前的觀點(diǎn)認(rèn)為 CECs是在血管內(nèi)皮受到攻擊損傷后從內(nèi)膜剝落下來(lái)的細(xì)胞,是一種特殊的病理性結(jié)果,而不是起始因子。

2.2 游離血栓調(diào)節(jié)蛋白 (soluble thrombomodulin,sTM) 血栓調(diào)節(jié)蛋白是內(nèi)皮細(xì)胞膜表面表達(dá)的凝血酶受體,結(jié)合后抵消凝血酶活性,并加速蛋白 C活化,通過(guò)蛋白水解酶降解作用釋放 sTM到血清中。炎癥反應(yīng)是由中性粒細(xì)胞介導(dǎo)并最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞損傷,體外實(shí)驗(yàn)證實(shí) sTM不僅是內(nèi)皮細(xì)胞破壞的一個(gè)參數(shù),而且是中性粒細(xì)胞衍生的蛋白酶和氧自由基對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞膜造成損傷的早期指標(biāo)[36]。目前一些學(xué)者認(rèn)為 sTM僅在內(nèi)皮細(xì)胞損傷時(shí)從內(nèi)皮細(xì)胞表面釋放入血,其他刺激并不能導(dǎo)致其釋放,因此被認(rèn)為是內(nèi)皮細(xì)胞損傷的標(biāo)記物。

2.3 內(nèi)皮細(xì)胞特異性分子 -1(endocan) Endocan是一個(gè)50 kDa的硫酸皮膚素蛋白多糖,由肺和腎的 VEC表達(dá),可以在人血中檢測(cè)到。Scherpereel等[37]通過(guò)檢驗(yàn)重癥監(jiān)護(hù)室中 63例診斷為膿毒癥的患者和 20名健康自愿者循環(huán)血中 endocan的水平,最終得出結(jié)論:膿毒癥患者血中 endocan的水平與病情的嚴(yán)重程度和預(yù)后相關(guān),可能是一種新的內(nèi)皮細(xì)胞損傷標(biāo)記物。

膿毒癥在發(fā)生過(guò)程中通過(guò)炎癥反應(yīng)等機(jī)制對(duì) VEC造成損傷,而損傷的內(nèi)皮細(xì)胞繼發(fā)釋放多種炎性遞質(zhì)等加重膿毒癥的進(jìn)展。內(nèi)皮細(xì)胞位于血液和組織交界面。完整的內(nèi)皮細(xì)胞展現(xiàn)的是抗凝血特性,通過(guò)諸如蛋白 C的抗凝血因子的精細(xì)調(diào)節(jié)。這些細(xì)胞也作為血液產(chǎn)物和出凝血因子間的屏障,如肝素,位于細(xì)胞外基質(zhì)。內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂發(fā)生時(shí)由于內(nèi)皮細(xì)胞表面粘附因子的表達(dá)增加,最終導(dǎo)致白細(xì)胞的粘附。膿毒癥時(shí)凝血系統(tǒng)和炎癥系統(tǒng)的相互作用越來(lái)越明顯。凝血系統(tǒng)及炎癥系統(tǒng)功能的紊亂對(duì) VEC造成直接和間接損害,VEC受損后,進(jìn)一步釋放促炎癥反應(yīng)因子,加重膿毒癥的發(fā)展。

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