急性呼吸窘迫綜合征肺泡上皮屏障損傷的研究進(jìn)展

趙維++李玉英

[摘要] 肺泡上皮屏障和肺微血管內(nèi)皮屏障是公認(rèn)的肺部?jī)纱笊砥琳?。近年?lái)逐漸認(rèn)識(shí)到肺損傷過(guò)程中，肺泡上皮屏障比肺微血管內(nèi)皮屏障具有更強(qiáng)的抵抗力，因此促進(jìn)肺泡上皮屏障的修復(fù)對(duì)急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）患者肺損傷的改善極為重要，而這一治療又必須建立在對(duì)ARDS肺泡上皮屏障損傷的具體機(jī)制深入研究的基礎(chǔ)上。肺表面活性物質(zhì)、緊密連接、鈉水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)作為肺泡上皮屏障的主要成分，ARDS時(shí)對(duì)這些成分的直接破壞以及炎癥細(xì)胞和介質(zhì)的活化、釋放導(dǎo)致的間接破壞，都造成它們的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、成分以及功能發(fā)生改變，肺泡上皮屏障受到嚴(yán)重?fù)p害，進(jìn)而肺水腫液滲出。因此本文將從這幾大主要成分著手，對(duì)ARDS肺泡上皮屏障的損傷作一簡(jiǎn)要綜述。

[關(guān)鍵詞] 急性呼吸窘迫綜合征；肺泡上皮屏障；研究進(jìn)展

[中圖分類(lèi)號(hào)] R563.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2015）09（b）-0029-05

肺泡上皮屏障和肺微血管內(nèi)皮屏障被認(rèn)為是肺部的兩大生理屏障。急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）時(shí)，兩大屏障均有不同程度的受損，導(dǎo)致肺微血管通透性增高，肺泡腔滲出富含蛋白質(zhì)的液體，進(jìn)而導(dǎo)致肺水腫及透明膜形成。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)肺泡上皮細(xì)胞屏障比肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障在抵抗ARDS發(fā)生的過(guò)程中作用更強(qiáng)，本文將對(duì)ARDS時(shí)肺泡上皮屏障（alveolar epithelial barrier，AEB）損傷的研究進(jìn)展作簡(jiǎn)要綜述。

1 肺泡表面活性物質(zhì)

肺泡上皮細(xì)胞頂端覆蓋一層稀薄的液體膜，稱(chēng)為肺泡上皮表面液體，有利于維護(hù)肺泡表面張力，氣體交換和宿主防御功能，其主要成分為肺表面活性物質(zhì)（pulmonary surfactant，PS）。

1.1 PS的主要成分及功能

PS是由肺泡Ⅱ型細(xì)胞合成的脂類(lèi)（90%）和蛋白質(zhì)（5%～10%）的混合物，其主要脂質(zhì)成分包括磷脂（80%）、膽固醇（10%），其余磷脂還有磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰絲氨酸、鞘磷脂、溶血磷脂。其中的二棕櫚酰磷脂酰膽堿（dipalmitoylphosphatidylcholine，DPPC）是最重要的活性成分，并且占了總磷脂的50%或更多。

表面活性蛋白（surfactant protein，SP）目前發(fā)現(xiàn)有四種：SP-B、SP-C是疏水性蛋白，吸附在氣-液界面，負(fù)責(zé)穩(wěn)定磷脂膜，降低表面張力；SP-A、SP-D是親水性蛋白，作為主要的宿主防御成分，結(jié)合病原微生物，直接造成微生物膜的損傷，并且增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的吞噬和殺傷能力。近來(lái)發(fā)現(xiàn)，SP-B、SP-C以及某些脂質(zhì)成分也具有與SP-A、SP-D相似的免疫調(diào)節(jié)特性。其中，SP-B是降低表面張力的最關(guān)鍵的蛋白[1]。

1.2 ARDS時(shí)肺表面活性物質(zhì)的損傷

PS作為AEB的第一道防線(xiàn)，ARDS由于各種病理因素，PS的含量與成分發(fā)生改變，活性受到抑制，進(jìn)而使肺受到不同程度的損害，可能有以下幾種方式：

1.2.1 血漿成分對(duì)PS的抑制 ARDS由于內(nèi)皮和上皮細(xì)胞損傷，血漿中的血漿蛋白、血紅細(xì)胞、纖維蛋白和纖維蛋白降解產(chǎn)物滲漏入肺泡腔，與表面活性劑相關(guān)蛋白競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，阻礙表面活性劑膜的形成。大量的臨床研究表明外源性PS的補(bǔ)充即使可改善ARDS患者的氧合，但對(duì)生存率的改善仍沒(méi)有確切證據(jù)，血漿成分的這一抑制作用也許是其療效不確定的影響因素之一。

1.2.2 活性氧引起的損傷 各種活性氧，包括過(guò)氧化氫、超氧化物和氮氧化物在炎癥細(xì)胞的活化下大量釋放，引起脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化，導(dǎo)致PS功能障礙。Zhu等[2]研究證實(shí)ARDS患者肺水腫液和血漿中亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度均增高，SP-A也被硝化，PS功能受損。

1.2.3 PS磷脂成分的改變 Machado-Aranda等[3]臨床研究發(fā)現(xiàn)ARDS患者支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中Ⅱ型分泌型磷脂酶A2（type Ⅱ secretory phospholipase A2，sPLA2-Ⅱ）的活性增加，sPLA2Ⅱ可將表面活性劑磷脂分解為溶血磷脂酰膽堿（lyso-phosphatidylcholine，lyso-PC），lyso-PC通過(guò)損害肺泡Ⅰ型細(xì)胞膜，直接增加毛細(xì)血管通透性，而SP-A可抑制sPLA2Ⅱ?qū)S的降解。但ARDS時(shí)，SP-A顯著減少，這種抑制作用也顯著減弱，lyso-PC大量生成。另外，ARDS時(shí)PS中棕櫚酸比例明顯降低，也增加了最小表面張力[4]。

1.2.4 表面活性物質(zhì)合成的減少 ARDS肺泡上皮細(xì)胞受損與PS合成減少互為因果。不僅表現(xiàn)為PS的直接損失，也包括炎癥因子導(dǎo)致的基因表達(dá)的降低。Greene等[5]研究發(fā)現(xiàn)在A(yíng)RDS發(fā)病前，SP-A、SP-B就已發(fā)生表達(dá)的異常。肺水腫液中更低的SP-D和血漿中更高的SP-A濃度，關(guān)系著ARDS患者更嚴(yán)重的疾病程度和更差的臨床預(yù)后，可作為對(duì)預(yù)后有價(jià)值的生化標(biāo)志物[6]。

1.2.5 大小聚集體轉(zhuǎn)換失調(diào) PS大聚集體是由層狀體、管狀髓鞘和大的多層囊泡組成，有高度的表面活性，而小聚集體中為單層囊泡，無(wú)表面活性。ARDS中，隨著小聚集體的增加，大的表面活性劑聚集體減少，大小聚集體比例失調(diào)，嚴(yán)重抑制了PS活性。PS大聚集體水平的降低與ARDS患者較低的生存率有關(guān)[7]。

2 緊密連接

2.1 緊密連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

緊密連接（tight junction，TJ）是AEB的決定性結(jié)構(gòu)。TJ主要由緊密連接蛋白核心復(fù)合物構(gòu)成。已知的TJ的主要功能成分包括跨膜蛋白（claudins、occludin）和閉小環(huán)蛋白（ZO-1、ZO-2、ZO-3），閉小環(huán)蛋白連接著claudins和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架。相鄰細(xì)胞間的claudin頭對(duì)頭的相互作用形成了細(xì)胞旁滲透性屏障的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.2 緊密連接的功能

TJ的兩個(gè)主要功能：一是形成極窄的細(xì)胞間粘連，以遮擋細(xì)胞外空間。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水溶性溶質(zhì)在肺泡上皮細(xì)胞之間的擴(kuò)散要比通過(guò)肺毛細(xì)血管的細(xì)胞間連接慢得多。肺泡上皮對(duì)水溶性溶質(zhì)的有效孔隙半徑為0.5～0.9 nm，也遠(yuǎn)小于毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的6.5～7.5 nm[8]。這些都證實(shí)了肺泡上皮細(xì)胞比肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞具有更強(qiáng)的TJ屏障特性。二是創(chuàng)建可調(diào)的分子選擇性篩孔。TJ沒(méi)有絕對(duì)的密封，在細(xì)胞外的連接部分包含著離散的離子選擇性孔，發(fā)揮相對(duì)陰離子選擇性和潛在的水運(yùn)輸功能。

2.3 ARDS時(shí)緊密連接的受損

ARDS時(shí)復(fù)雜而大量的炎癥介質(zhì)釋放，啟動(dòng)了對(duì)緊密連接蛋白的膜定位和表達(dá)的擾亂，嚴(yán)重破壞了TJ的功能，AEB受損：首先，ARDS由于炎癥刺激，或機(jī)械通氣所致的細(xì)胞內(nèi)鈣離子的升高，促使蛋白激酶和蛋白磷酸酶對(duì)occludin進(jìn)行磷酸化或去磷酸化，導(dǎo)致TJ降解或合成[9]。Liu等[10]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）抑制劑預(yù)處理大鼠后，occludin的表達(dá)增加，從而減少或延緩了機(jī)械通氣損傷。其次，在炎癥細(xì)胞因子或內(nèi)毒素的作用下，各種類(lèi)型的細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞合成并釋放大量的NO和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS），干擾緊密連接蛋白的表達(dá)和完整性[11]。Han等[12]在LPS致肺損傷小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)ZO-1、ZO-2、ZO-3和occludin表達(dá)均減少，且肺泡屏障功能的下降與肺組織中iNOS表達(dá)上調(diào)和NF-κB的激活相關(guān)。iNOS抑制劑可改善TJ蛋白表達(dá)的變化，也支持了iNOS在TJ的破壞上的重要作用。

另外，ARDS中的促炎性反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損，從而激活過(guò)度的促凝血過(guò)程，也是TJ受損的重要因素之一。Puig等[13]體外實(shí)驗(yàn)提示，凝血酶導(dǎo)致更細(xì)長(zhǎng)的ZO-1聚集，并誘導(dǎo)ZO-1膜蛋白水平含量提高。用活化蛋白C（activated protein C，APC）預(yù)處理后，可減弱ZO-1發(fā)生的上述改變，降低凝血酶誘導(dǎo)的屏障完整性的破壞。APC霧化藥也可減輕肺損傷。

3 鈉水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

鈉通道ENaC、Na+-K+-ATP酶和水通道蛋白（aquaporins，AQPs）共同組成肺泡上皮細(xì)胞的鈉水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，清除肺泡內(nèi)過(guò)多液體，發(fā)揮AEB的主要功能。

3.1 鈉轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能

鈉的轉(zhuǎn)運(yùn)已被證實(shí)是跨上皮屏障主動(dòng)吸收肺泡內(nèi)液體的主要驅(qū)動(dòng)力。鈉在肺泡腔中的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，伴隨著陰離子和水的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。鈉大部分是通過(guò)位于肺泡上皮細(xì)胞頂端膜的敏感ENaC通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而位于上皮細(xì)胞基底膜的Na+-K+-ATP酶是唯一的主動(dòng)排出鈉的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。ENaC由三個(gè)亞基（α、β和γ）構(gòu)成，對(duì)鈉離子具有選擇性。Na+-K+-ATP酶由α亞單位（α1和α2）和β亞單位（β1）構(gòu)成，α亞基含有高能磷酸裂解位點(diǎn)，結(jié)合Na+、K+和核苷酸，β亞基負(fù)責(zé)酶在細(xì)胞膜上的插入和組裝。兩種鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在肺泡上皮Ⅰ型和Ⅱ型細(xì)胞上均有分布，且肺泡Ⅰ型細(xì)胞對(duì)鈉、鉀的攝取能力均強(qiáng)于肺泡Ⅱ型細(xì)胞。鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)肺泡液體的清除有至關(guān)重要的作用。

3.2 ARDS時(shí)鈉轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的受損

肺泡上皮鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的受損，主要表現(xiàn)為從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)化增加以及合成的減少，破壞增多，主要有以下幾種方式：

3.2.1 細(xì)胞因子對(duì)鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的影響 臨床研究已提示ARDS患者的BALF中轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1（transforming growth factor-beta1，TGF-β1）水平增加，并且較低的TGF-β1與生存率的改善相關(guān)。Peters等[14]研究發(fā)現(xiàn)增加的TGF-β1通過(guò)快速激活磷脂酶D1（phospholipase D1，PLD1），磷脂酰肌醇-4-磷酸5-激酶1α（phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase 1α，PIP5K1α），和NADPH氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4），產(chǎn)生活性氧，驅(qū)動(dòng)βENaC的內(nèi)化作用，減少其在細(xì)胞膜的表達(dá)。TGF-β還能降低αENaC基因表達(dá)，在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行長(zhǎng)期調(diào)節(jié)。Fukuda等[15]指出，腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）在肺水腫的病理過(guò)程中具有雙重作用，既可引發(fā)急性炎癥和肺水腫的形成，又可通過(guò)激活敏感ENaC促進(jìn)肺水腫的消退。5-羥色胺（serotonin，5-HT）已被Goolaerts等[16]報(bào)道可顯著抑制敏感的ENaC活性。IL-1β是ARDS患者BALF中最具生物活性的細(xì)胞因子，Roux等[17]已證實(shí)IL-1是通過(guò)抑制αENaC啟動(dòng)子的活性影響αENaC的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致αENaC合成的減少。白三烯（leukotriene，LTs）作為強(qiáng)效的促炎性脂質(zhì)介質(zhì)，Sloniewsky等[18]指出ARDS中增加的LTD4通過(guò)CysLT2受體，對(duì)Na+-K+-ATP酶α1亞基的分布進(jìn)行再分配，上調(diào)其在肺泡上皮細(xì)胞基底膜的表達(dá)，促進(jìn)了Na+-K+-ATP酶的活性及肺液清除。然而Fink等[19]另外的實(shí)驗(yàn)指出，LTD4和LTE4受體拮抗劑可改善ARDS的肺水腫。LTD4呈劑量依賴(lài)性增加肺微血管通透性。這一矛盾的結(jié)果，可能取決于LTD4的不同濃度，在相對(duì)高的濃度下肺微血管通透性顯著增加，促進(jìn)肺水腫，而在較低濃度時(shí)則以Na+-K+-ATP酶活性的增高為主。

3.2.2 其他激素對(duì)鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的影響 Bastarache等[20]研究表明，ARDS肺水腫的女性患者比男性有更高的肺泡液體清除率（alveolar fluid clearance，AFC）。此外，17β-雌激素、孕激素聯(lián)合用藥可通過(guò)增加ENaC表達(dá)和活性而增加AFC[21]。Qi等[22]后來(lái)的研究指出，17β-雌二醇對(duì)PI3K/AKT/SGK1信號(hào)通路的調(diào)節(jié)可能是其具體機(jī)制，SGK1再通過(guò)E3泛素蛋白連接酶的磷酸化上調(diào)ENaC，抑制αENaC的降解，增加αENaC在細(xì)胞膜的表達(dá)和活性。ARDS時(shí)血漿和肺組織中內(nèi)源性AngⅡ水平應(yīng)激性增加，并通過(guò)AT1受體下調(diào)ENaC的表達(dá)，進(jìn)而降低AFC[23]。

3.2.3 對(duì)鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的泛素化作用 Na+-K+-ATP酶的下調(diào)主要是通過(guò)磷酸化-泛素化-識(shí)別-內(nèi)吞-降解途徑（PERED）。ARDS時(shí)，由于肺泡上皮細(xì)胞嚴(yán)重缺氧，線(xiàn)粒體產(chǎn)生活性氧增加，激活PKC，PKC隨后使Na+-K+-ATP酶α1亞基的N-末端Ser18殘基磷酸化，導(dǎo)致相鄰的賴(lài)氨酸泛素化，這個(gè)過(guò)程又促進(jìn)了適配器蛋白-2對(duì)α1亞基的識(shí)別，繼而發(fā)生內(nèi)吞作用，最后泛素化的Na+-K+-ATP酶通過(guò)溶酶體/蛋白酶體依賴(lài)性機(jī)制進(jìn)行降解，導(dǎo)致Na+-K+-ATP酶破壞增多[24]。

3.2.4 肺泡上皮細(xì)胞的死亡 各種直接的或間接的肺損傷因素都會(huì)導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞的直接喪失或壞死，伴隨兩種鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白數(shù)量的絕對(duì)減少及活性的喪失，且如果ARDS損傷的因素不去除，肺泡上皮細(xì)胞就會(huì)持續(xù)死亡，對(duì)鈉轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的下調(diào)也會(huì)一直持續(xù)。

3.3 水通道蛋白的分布及其功能

肺泡液體中水的吸收，除了通過(guò)鈉離子主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)形成的離子梯度被動(dòng)吸收外，AQPs也是其吸收的主要途徑。AQPs是一組對(duì)水特異通透的膜蛋白，其轉(zhuǎn)運(yùn)水能力是脂質(zhì)雙分子層的5～50倍。目前發(fā)現(xiàn)至少有4種AQPs在呼吸道表達(dá)，AQP1分布在臟層、壁層胸膜上皮下層的微血管內(nèi)皮細(xì)胞及間皮細(xì)胞上，AQP3分布在大氣道及鼻咽部上皮細(xì)胞的頂端膜，也表達(dá)于小氣道上皮細(xì)胞，AQP4在氣管、支氣管、鼻咽部纖毛柱狀上皮的基底側(cè)膜表達(dá)，AQP5分布在肺泡Ⅰ型細(xì)胞的頂端膜，黏膜下腺體的腺泡上皮細(xì)胞。而與肺泡液體清除相關(guān)的主要是AQP1、AQP4和AQP5。

Ma等[25]研究表明氣腔-血管水的滲透性[airspace-capillary osmotic water permeability（P（f））]在A(yíng)QP5、AQP1缺失的小鼠中分別降為原來(lái)的1/10，在A(yíng)QP1/AQP5雙缺失的小鼠中降為原來(lái)的1/30～1/20，充分說(shuō)明了AQPs對(duì)水的高度滲透性。然而，即使AQP1/AQP5雙基因敲除小鼠P（f）已降低達(dá)30倍，肺泡液體清除仍然不受影響[26]。AQP4基因缺失不影響水的滲透或肺泡液體清除率[27]。這些都表明AQPs對(duì)肺液的生理性清除并不是必需的，可能與ENaC和Na+-K+-ATP酶以及細(xì)胞旁運(yùn)輸對(duì)水轉(zhuǎn)運(yùn)的代償作用有關(guān)。

3.4 ARDS時(shí)水通道蛋白的損傷

ARDS時(shí)各種炎癥因子導(dǎo)致AQPs表達(dá)下調(diào)，如TNF-α可通過(guò)激活TNFR1和NF-κB，降低AQP5的表達(dá)[28]。Su等[29]體外研究也表明，ARDS時(shí)AQP1表達(dá)減少，但耗盡AQP1并不會(huì)影響肺水腫，肺血管通透性，或肺組織學(xué)的改變，ARDS中下降的AQP1可能并不會(huì)促進(jìn)肺水腫的發(fā)生發(fā)展。其原因也許在于A(yíng)RDS時(shí)氣血屏障受到嚴(yán)重破壞，致細(xì)胞旁滲透性顯著增加，甚至取代AQPs成為主要的水滲透途徑。然而She等[30]對(duì)小鼠誘導(dǎo)高原性肺水腫的實(shí)驗(yàn)中，AQP5缺失小鼠表現(xiàn)出更高的肺泡毛細(xì)血管通透性及更嚴(yán)重的肺水腫。Zhang等[31]建立銅綠假單胞菌感染致肺損傷模型，發(fā)現(xiàn)AQP5的缺失也加劇細(xì)菌的血液傳播，加重肺損傷。這些又支持了AQP5在A(yíng)RDS時(shí)AEB功能中的重要作用，AQPs對(duì)ARDS肺水腫的發(fā)生發(fā)展仍具有爭(zhēng)議。

AQP1缺失的小鼠腫瘤血管生成顯著減少，廣泛擴(kuò)散也受到抑制。Saadoun等[32]在體外內(nèi)皮細(xì)胞中轉(zhuǎn)染AQP1或AQP4后，均加速了細(xì)胞遷移和損傷修復(fù)。因此AQPs也許對(duì)AEB的損傷后修復(fù)有重要作用。

4 小結(jié)

AEB具有抵抗外界損傷的能力，但在各種嚴(yán)重的致病因素作用下，AEB受到直接或間接的破壞，并且導(dǎo)致廣泛的、無(wú)法控制的炎癥細(xì)胞激活，并伴隨大范圍的、有害介質(zhì)的釋放，如細(xì)胞因子、蛋白水解酶，具有生物活性的脂質(zhì)，與活性氧、激活的炎癥細(xì)胞及介質(zhì)，反過(guò)來(lái)又會(huì)加重對(duì)AEB的進(jìn)一步破壞，嚴(yán)重?fù)p害肺泡液體清除能力，造成肺水腫程度的加重，形成惡性循環(huán)。因此有效的AEB修復(fù)對(duì)于A(yíng)RDS患者的治療是非常重要的，這就要求我們首先應(yīng)對(duì)ARDS時(shí)AEB損傷的細(xì)胞分子機(jī)制有更深入清晰的了解，才能指導(dǎo)治療。

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（收稿日期：2015-04-06 本文編輯：張瑜杰）