內(nèi)源性一氧化氮在急性高原病中的研究進(jìn)展*

卞士柱， 黃 嵐

1 一氧化氮(nitric oxide，NO)與內(nèi)源性一氧化氮(endogenous NO，eNO)

NO是具有調(diào)節(jié)血管張力、血流等眾多生物學(xué)作用的脂溶性氣體信號(hào)分子，eNO是由L－精氨酸(L－arginine，L－Arg)經(jīng)過體內(nèi)一氧化氮合酶［nitric oxide synthase，NOS;主要有神經(jīng)源型(neuronal NOS，nNOS)、誘導(dǎo)型(inducible NOS，iNOS)和內(nèi)皮源型(endothelial NOS，eNOS)3種］催化合成的，廣泛存在于全身組織［1］。NO通過一些生物分子和細(xì)胞間相互作用參與機(jī)體的保護(hù)、調(diào)節(jié)及逆轉(zhuǎn)等生理過程［2］。近年來的研究發(fā)現(xiàn)NO在調(diào)節(jié)血管張力、抑制炎癥以及抗動(dòng)脈粥樣硬化中發(fā)揮關(guān)鍵作用［1－2］。

2 急性高原病

急性高原病(acute mountain sickness，AMS)包括急性輕癥高原病(acute mild altitude disease，AMAD)和急性重癥高原?。鄯譃楦咴嗡[(high altitude pulmonary edema，HAPE)和高原腦水腫(high altitude cerebral edema，HACE)］，通常發(fā)生于由平原快速進(jìn)入高原(2 500 m以上)或由較低海拔高原快速到達(dá)更高海拔的人群，發(fā)病率和病死率均較高［3］。AMAD是高原暴露引起的各系統(tǒng)暫時(shí)性功能紊亂，主要表現(xiàn)為頭痛、睡眠障礙、惡心、嘔吐、納差、胸悶等。HAPE的發(fā)生與缺氧性肺動(dòng)脈高壓、肺血容量增加、肺血管內(nèi)凝血、肺毛細(xì)血管通透性增強(qiáng)等有關(guān)。而HACE是由于在急性缺氧條件下，腦毛細(xì)血管和腦細(xì)胞膜通透性增加，致使血漿內(nèi)的膠體物質(zhì)、離子、水分向血管外和細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)無(wú)氧代謝增強(qiáng)，ATP(adenosine triphosphate)形成減少，細(xì)胞膜鈉泵癱瘓以及酸中毒的發(fā)生，使鈉和水進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致腦細(xì)胞水腫以及血管靜水壓發(fā)生變化［4］。

目前AMS的確切機(jī)制仍未清楚，主要是高原低壓、低氧以及寒冷氣候引起應(yīng)激狀態(tài)，機(jī)體不能有效適應(yīng)環(huán)境變化(AMS也稱為高原適應(yīng)不全)。而且AMS病理生理過程涉及:低氧對(duì)呼吸驅(qū)動(dòng)，血液循環(huán)、血壓的變化以及低氧對(duì)血管、腦等組織細(xì)胞的損傷作用等眾多因素。近年來研究發(fā)現(xiàn)NO在AMS發(fā)病過程中對(duì)血管反應(yīng)性、血管穩(wěn)態(tài)的維持具有重要作用。

3 eNO水平隨高原低氧條件變化

eNO生成過程需要氧的參與，在高原缺氧條件下，體內(nèi)NO的生成降低［5］，與此相一致，另有研究發(fā)現(xiàn)低氧使 NO 水平降低［6］。Brown 等［7］發(fā)現(xiàn)4 200 m暴露3 h后，呼出氣體NO分壓降低 。2011年的一項(xiàng)研究結(jié)果:進(jìn)入海拔3 440 m后，人唾液、血清和尿液中NO水平降低，再往高海拔上升時(shí)，唾液和尿液中NO水平進(jìn)一步下降，但是血清NO維持不變，相反，細(xì)胞內(nèi) NO反而增加［8］，可能是由于細(xì)胞應(yīng)激導(dǎo)致NO合成增加而釋放受阻。但是在高原世居人群中呼出NO水平卻比平原世居者高，說明eNO與 AMS 的發(fā)生、高原適應(yīng)相關(guān)［9］。Schneider等［10］采用輸入L－Arg的方法研究發(fā)現(xiàn)，高原低氧可能通過破壞NOS或降低L－Arg利用度而導(dǎo)致NO合成、釋放受阻。

4 eNO水平在世居高原與新到高原訪問健康人群間的不同

對(duì)于高原世居人群(如西藏人)由于長(zhǎng)期慢性低氧，肺、血漿以及紅細(xì)胞NO水平至少是其他人群的2倍甚至很多倍。紅細(xì)胞相關(guān)的氮氧化合物比其他人高200倍。其他高原居住人群，NO水平雖然沒有西藏人那么高，但是仍高出低海拔人群［11］。高原世居人群循環(huán)氮氧化合物同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平原居住人群。

有人通過低氧艙的模擬研究發(fā)現(xiàn)急性高原暴露呼出NO水平增加［12］，但是另外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高原肺水腫患者呼出NO氣體水平低于其健康對(duì)照組基線水平至少2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。平原健康人群新到高原，肺中、血漿以及紅細(xì)胞中NO水平在2 h內(nèi)下降，然后在48 h內(nèi)恢復(fù)正常或者稍微升高，5 d后增加高于基線水平［11］。也有人發(fā)現(xiàn)可能是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞的水腫，NO和硝酸鹽(NO代謝產(chǎn)物)的生成增加［13－14］。

關(guān)于高原暴露時(shí)eNO水平仍有爭(zhēng)論，有人發(fā)現(xiàn)急性高原暴露呼出NO水平增加，可能與研究對(duì)象被采集標(biāo)本時(shí)已經(jīng)在高原暴露的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。也有人發(fā)現(xiàn)可能是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞水腫，NO和硝酸鹽(NO代謝產(chǎn)物)生成增加［14］。但是可以肯定的一點(diǎn)是eNO在急性高原暴露時(shí)的變化參與AMS的發(fā)病過程。

5 eNO與AMS病理生理

NO是體內(nèi)重要的血管活性物質(zhì)之一;具有舒張血管、增加組織灌注的功能。大量證據(jù)表明NO可能在AMS發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)S－亞硝基血紅蛋白(NO與血紅蛋白相互作用的代謝產(chǎn)物)隨著海拔高度上升而增加，極大影響了NO的壽命，從而對(duì)AMS的發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造了條件［8］。

5.1 eNO與肺動(dòng)脈壓及HAPE 低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈收縮及其后續(xù)效應(yīng)是發(fā)展成為HAPE的基本過程。NO降低肺血管的缺氧收縮，增加氣體交換，降低肺毛細(xì)血管應(yīng)激衰竭從而對(duì)低氧環(huán)境進(jìn)行代償。

對(duì)47名無(wú)吸煙史、成年健康平原世居者呼出NO、血氧飽和度以及心率與AMS癥狀相關(guān)性的研究結(jié)果顯示:呼出NO分壓由平原到2 800和4 200 m均顯著降低，回到平原后NO呼出水平也返回原來值［7］。然而 Brown等［7］的研究并未證實(shí)呼出氣 NO水平與AMS具有相關(guān)性?？赡苁怯捎谏鲜鲅芯康氖茉囌呷毖鯐r(shí)間短、樣本量小的緣故。大量研究發(fā)現(xiàn)急進(jìn)高原NO變化與高原肺動(dòng)脈高壓及肺血管穩(wěn)態(tài)失衡相關(guān)。

低氧體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，L－單甲基精氨酸抑制NO合成，增加肺動(dòng)脈壓絕對(duì)值和肺血管阻力。Bailey等［15］對(duì)26名志愿者的研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入高原后肺動(dòng)脈收縮壓力(pulmonary arterial systolic pressure，PASP)增加與自由基、NO生物代謝產(chǎn)物的跨肺凈輸出量相關(guān)。急性高原暴露引起肺內(nèi)輸出自由基減少，NO生物利用度降低，從而引發(fā)肺動(dòng)脈收縮和肺動(dòng)脈高壓，進(jìn)而產(chǎn)生右心功能不全、體液潴留、肺動(dòng)脈高壓甚至HAPE。

另有對(duì)19名健康男性志愿者常壓低氧下暴露6 h的研究，發(fā)現(xiàn)患AMS組呼出NO水平顯著低于未患AMS組，但是二者均高于基線水平［12］，可能是由于在AMS組低氧誘導(dǎo)的NO增高水平不足以代償并及時(shí)調(diào)整血管張力和體液的穩(wěn)態(tài)失衡。

低氧引起的肺血管收縮是機(jī)體自身對(duì)肺泡低氧的保護(hù)適應(yīng)性反應(yīng)，以求使通氣/血流比趨于正常。HAPE易感者在平原或高原呼出NO均較低［16］。低氧時(shí)，肺動(dòng)脈收縮壓變化與下呼吸道NO排泄分?jǐn)?shù)相關(guān)，提示呼吸道生成NO的減少可能是HAPE的一個(gè)發(fā)病原因［17］。

5.2 eNO與腦血管變化及HACE 急進(jìn)高原，低氧和低碳酸血癥增加腦血流量，導(dǎo)致腦血流剪切力增加，代償性增加NO生成。與其它在動(dòng)物模型或人體上的研究一致，Ainslie等［18］發(fā)現(xiàn)腦對(duì)高碳酸血癥的應(yīng)答增加NO的產(chǎn)生，介導(dǎo)腦血管擴(kuò)張，產(chǎn)生腦部高灌注而引起頭痛，甚至腦血管靜水壓增加而發(fā)生血管源性水腫(HACE)。

由于高原低壓低氧的影響，腦的有氧代謝與自由基的產(chǎn)生發(fā)生變化，對(duì)AMS患者腦內(nèi)自由基變化與腦血流自我調(diào)節(jié)、血腦屏障功能的研究顯示:低氧過程中總NO在整體趨勢(shì)是降低的，血漿和紅細(xì)胞NO代謝庫(kù)在AMS+組中較低，AMS與體內(nèi)氧化還原反應(yīng)的平衡改變破壞相關(guān)［19］。通過檢測(cè)腦內(nèi)NO代謝產(chǎn)物評(píng)價(jià)AMS危險(xiǎn)因素發(fā)現(xiàn):低氧降低脂類衍生物(如烷氧基)、自由基和過氧化氫脂質(zhì)在腦的凈輸出量和動(dòng)脈－靜脈間濃度差(a－vD)與高原頭痛(high altitude headache，HAH)及AMS相關(guān)。同時(shí)低氧刺激氧化－硝酸基(與NO生物合成、代謝相關(guān))應(yīng)激，與人類其它低氧血癥疾病模型有廣泛聯(lián)系，這可能是一種獨(dú)立于血腦屏障(blood brain barrier，BBB)功能障礙、腦氧化代謝紊亂的AMS危險(xiǎn)因素［20］。

根據(jù)AMS國(guó)際診斷標(biāo)準(zhǔn)(Lake Louise Scoring System，LLS)，HAH是AMS的基礎(chǔ)癥狀，有人認(rèn)為HAH可能是由于NO激活了三叉神經(jīng)血管系統(tǒng)。腦膜動(dòng)脈以及腦動(dòng)脈存在eNOS，nNOS存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)并與小動(dòng)脈有密切聯(lián)系，可能具有擴(kuò)張血管的作用，在三叉神經(jīng)節(jié)中nNOS與降鈣素基因相關(guān)肽(calcitonin gene－related peptide，CGRP)共存于少數(shù)神經(jīng)細(xì)胞中，可能在擴(kuò)張顱內(nèi)外血管中發(fā)揮重要作用，增加了HAH/AMS的發(fā)生［21］。腦組織低氧會(huì)導(dǎo)致NO介導(dǎo)的血管張力改變與AMS相關(guān)［22］的觀點(diǎn)已被后續(xù)眾多研究所逐步證實(shí)。

6 NOS基因多態(tài)性與AMS易感性

盡管急進(jìn)高原后AMS的發(fā)病率非常高，但是個(gè)體間發(fā)病存在明顯差異，與遺傳因素有關(guān)。目前發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的基因(VEGF)、缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia －inducible factor，HIF)的基因(HIF)以及 eNOS等基因的多態(tài)性與AMS發(fā)病相關(guān)。

eNO主要來源之一是 eNOS。eNOS基因位于7q35～36，長(zhǎng)約21 kb，有26個(gè)外顯子和25個(gè)內(nèi)含子，其mRNA約4.1 kb，編碼含1 203氨基酸殘基多肽。eNOS基因多態(tài)性改變eNOS活性從而影響NO生成。目前對(duì)eNOS單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNP)和串聯(lián)重復(fù)序列(variable number of tandem repeat，VNTR)的基因多態(tài)性研究較多。有研究證實(shí)eNOS基因多態(tài)性與高原習(xí)服、適應(yīng)相關(guān)，但是eNOS基因多態(tài)性在AMS發(fā)病中的作用結(jié)論不一。

eNOS基因缺失小鼠暴露于輕度缺氧下即可快速發(fā)生肺動(dòng)脈高壓，提示eNOS基因缺陷與HAPE易感性有關(guān)。之前在高危人群中的基因相關(guān)性研究提示，eNOS基因多態(tài)性可能與HAPE相關(guān);在尼泊爾人群中篩選出eNOS基因的7個(gè)SNP位點(diǎn)。其中rs1799983標(biāo)簽SNP導(dǎo)致了298位1個(gè)氨基酸的置換［谷氨酸(glutamine，Glu)變?yōu)樘於彼?asparagine，Asp)］，其基因型在AMS組和對(duì)照組中顯著不同，另外6個(gè)SNP在等位基因和基因型的頻率上組間差異不明顯［23］。

在日本的一項(xiàng)研究顯示，eNOS的rs1799983和27－bp VNTR基因多態(tài)性與HAPE易感性強(qiáng)相關(guān)，表明上述2種多態(tài)性與NO合成、代謝相關(guān)［24］。但是有人檢測(cè)了高加索人2個(gè)eNOS基因多態(tài)性:G894T(鳥嘌呤，guanine，G;胸腺嘧啶，thymine，T)SNP(標(biāo)簽rs1799983)和串聯(lián)重復(fù)序列(27－bp VNTR)，發(fā)現(xiàn):雖然急進(jìn)入高原后肺動(dòng)脈壓升高顯著，但是eNOS基因多態(tài)性各組人群中肺動(dòng)脈平均壓力無(wú)明顯差異，提示G894T和27－bp VNTR與平原或高原上肺動(dòng)脈壓力無(wú)相關(guān)性［25］。最新的研究亦未證實(shí)上述相關(guān)性，可能是由于T894T基因型能短暫消除急性高原暴露時(shí)肺動(dòng)脈收縮，阻止了肺動(dòng)脈高原及HAPE的發(fā)生［16］。也有研究證實(shí)eNOS另 2個(gè)SNP位點(diǎn)(rs743507和rs1800779)與AMS沒有相關(guān)性［26］。結(jié)果可能受基因頻率過低，且樣本量太小等因素影響。

雖然G894T變異是保守的，但是含有Asp298的eNOS只有含 Glu298的 eNOS活性的 50%。Wang等［27］發(fā)現(xiàn):高水平的NO與高原習(xí)服、適應(yīng)相關(guān)。但是另有人證實(shí)了T894等位基因在HAPE易感患者中顯著較高，相反G894等位基因在高原人群中更常見，可能是該基因變異增加了NO水平，促進(jìn)高原習(xí)服和適應(yīng)［5］。T894等位基因在 AMS組中頻率高于未患AMS組，提示eNOS基因多態(tài)性在AMS易感性中具有重要作用，研究也表明僅僅T894等位基因的存在不足以引起AMS的發(fā)生，T894等位基因可能與其它一些因素作用加重已經(jīng)存在的內(nèi)皮功能損傷。G=T、T=T聯(lián)合基因型更常見于AMS組。由此可以推測(cè):eNOS基因多態(tài)性可能與AMS的危險(xiǎn)因素或保護(hù)因素相關(guān)，需要進(jìn)一步深入研究。

7 NO及其前體物質(zhì)治療AMS

綜上所述，eNO在調(diào)節(jié)肺腦血管、促進(jìn)高原習(xí)服與適應(yīng)中發(fā)揮重要作用，那么是否可以應(yīng)用外源性NO或增加eNO生成來防治AMS呢?盡管目前還沒有正式預(yù)防和治療AMS的NO藥物上市，但是已經(jīng)有人進(jìn)行了一些試驗(yàn)性治療，并且取得一些成效。

7.1 直接應(yīng)用NO治療AMS 在海拔3 658 m處隨機(jī)對(duì)照的研究中，常規(guī)治療組(吸氧、氨茶堿、地塞米松以及呋塞米)和NO治療組(僅僅吸入空氣平衡的0.001%NO)的結(jié)果表明，血清內(nèi)皮素(endothelin，ET)、ET/NO和LLS評(píng)分在應(yīng)用NO治療后均降低。這說明NO可能通過改變血管活動(dòng)因子改善AMS癥狀。另外，吸入NO顯著降低HAPE易感人群肺動(dòng)脈壓力，可能成為AMS的有效治療方法，較常規(guī)治療方法有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［28］。

AMS發(fā)生涉及低壓低氧引起炎癥過程。已經(jīng)證實(shí)給予低濃度NO通過對(duì)粒細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的抑制而達(dá)到抑制IL－8的分泌，拮抗急性高原病相關(guān)的炎癥，對(duì)AMS患者的康復(fù)有著積極的作用［29］。

AMS患者在NO治療后，血漿ET、神經(jīng)肽Y及LLS評(píng)分均顯著降低，說明NO通過對(duì)AMS患者血管舒縮性、腦細(xì)胞、心功能的調(diào)節(jié)而改善其癥狀。而CGRP在NO治療后顯著升高，且治療前血清NO與血漿ET呈顯著負(fù)相關(guān)，與血漿CGRP呈顯著的正相關(guān)，體現(xiàn)了NO通過對(duì)血管穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)而消除AMS癥狀［30］。

7.2 應(yīng)用NO前體物質(zhì)L－Arg增加eNO和改善AMS 雖然使用外源性NO供體的副作用是頭痛，但是高原上應(yīng)用NO前體L－Arg可以提高血氧飽和度，并能改善AMS的癥狀［10］。高原低氧可能降低了eNOS的底物L(fēng)－Arg而抑制NO的生成，補(bǔ)充LArg，能改善 eNO。

4 342 m海拔食物添加L－Arg實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):LArg對(duì)整體LLS評(píng)分沒有顯著影響，L－Arg處理12 h組中頭痛、呼出NO、呼吸凝集物VEGF均顯著增加，但促紅細(xì)胞生成素變化不大，表明L－Arg的供給可能通過NO依賴的途徑穩(wěn)定肺內(nèi)HIF。但是對(duì)AMS的預(yù)防效果不顯著［31］，可能是因?yàn)長(zhǎng)－Arg經(jīng)腸道吸收后結(jié)構(gòu)遭到破壞。

常氧下30 min和低氧暴露(4 350 m)36 h后應(yīng)用L－Arg，結(jié)果顯示，注射L－Arg后15～45 min血氧飽和度持續(xù)增加，L－Arg治療的AMS+的LLS評(píng)分輕度減少，表明低氧導(dǎo)致eNOS的破壞或L－Arg的生物利用度降低，L－Arg的應(yīng)用可能通過增加通氣/血流比提高血氧飽和度，從而達(dá)到治療AMS的目的。所有上述結(jié)果與低氧導(dǎo)致eNO生成減少一致，同時(shí)這種降低可被NOS協(xié)同底物的供給而阻斷［10］

8 展望

盡管AMS的病理生理機(jī)制未完全清楚，對(duì)AMS防治研究結(jié)果不一，但是隨著對(duì)AMS認(rèn)識(shí)的加深，將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)AMS發(fā)生機(jī)制及防治的研究，鑒于眾多證據(jù)表明NO在AMS中的重要作用，今后對(duì)NO、NOS以及NOS基因在AMS病理生理過程、預(yù)防和治療中的作用研究將有望改善目前AMS(尤其是HACE和HAPE)的診治現(xiàn)狀。

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