中性粒细胞蛋白酶与心肺转流肺损伤.doc

中性粒细胞蛋白酶与心肺转流肺损伤王寿勇 张诗海 姚尚龙武汉协和医院麻醉科 430022 摘要 心肺转流肺损伤一直是临床关注的重点。心肺转流过程中，中性粒细胞在肺部积聚、激活并释放出中性粒细胞蛋白酶，参与肺损伤的发生、发展过程中的关键性环节。采用非特异性或特异性的措施抑制中性粒细胞蛋白酶活性，以期预防或减轻心肺转流肺损伤，可能是今后一段时间值得关注的新方向。关键词 急性肺损伤；心肺转流术；弹性蛋白酶；基质金属蛋白酶类在心肺转流（CPB）过程中，病人常不可避免的伴随一系列补体、凝血、纤溶、激肽系统的激活而发生全身性炎症反应综合征（SIRS）。SIRS早期对机体影响较轻，多表现为肺功能下降或急性肺损伤（ALI），若在ALI的基础上未能及时逆转病情进展或病人合并感染、缺氧、低血压等情况时，就可能发生急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、多脏器功能不全综合征（MODS）甚至死亡1，2。近几年的研究结果显示，CPB过程中中性粒细胞在肺部的积聚、隔离、激活是CPB中ALI发生发展的主要原因。中性粒细胞激活后可产生大量的生物活性物质（细胞因子、氧自由基、蛋白酶），促进炎症反应的进一步发展并直接造成组织损伤。其中，中性粒细胞蛋白酶在肺损伤过程中起着关键性的作用3，4。1 中性粒细胞蛋白酶尽管有不少证据表明氧自由基在ALI发生中有着重要的作用5，6，但是另一些研究者却给予中性粒细胞蛋白酶更多的关注。他们认为：这些蛋白酶激活后可以通过水解其特异性底物而直接导致组织损伤，因而在ALI的发生发展过程中起着关键性的作用，并有可能是SIRS情况下各种原因（包括氧自由基）导致组织损伤的共同通路3，4，7。与ALI发生有关的蛋白酶主要有弹性蛋白酶和基质金属蛋白酶-9（MMP-9）。1.1弹性蛋白酶中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）属于丝氨酸蛋白酶类，生理情况下位于中性粒细胞嗜苯胺蓝颗粒中，主要参与对G-杆菌的杀灭作用。同时，它也参与中性粒细胞的迁移、促进炎症因子如IL-2、 IL-6、 IL-8等的表达而调节炎症反应，因此它对于机体的防御功能是非常重要的。但是，炎症情况下，激活的中性粒细胞释放大量的弹性蛋白酶至细胞外，引起弹性蛋白、蛋白多糖和胶原降解而导致组织、细胞和血管基底膜损伤。1.2基质金属蛋白酶基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPS）是一组锌离子依赖性的蛋白水解酶家族，其主要功能是参与细胞外基质的降解，对于生理情况下细胞外基质动态平衡的维持、细胞凋亡和病理情况下炎症反应、肿瘤浸润和转移等有着至关重要的作用。迄今为止，该家族已发现了20多个成员，根据其功能的不同大致可分为胶原酶、明胶酶、基质水解酶、膜型MMPS等几大类8，9。在正常情况下，MMPS表达量很少，但是，活化的中性粒细胞可释放大量的MMP-8和MMP-9。其中，MMP-9的主要底物IV型胶原是血管基底膜的主要成分。因此，在CPB伴随的ALI的发生发展中，对MMP-9的研究值得受到重视。2 中性粒细胞蛋白酶参与肺损伤的证据激活的中性粒细胞将大量的NE释放到细胞外，活化的NE一方面可以促进IL-2、IL-6、IL-8以及TNF-等细胞因子的表达来促进炎症反应10，11。另一方面它还可以直接水解肺毛细血管内膜的蛋白多糖并损伤内皮细胞，从而破坏毛细血管屏障，导致血管通透性增高，血浆成分外渗，外渗的血浆成分和蛋白水解产物又可作为炎性趋化剂使更多中性粒细胞向肺部积聚12。在ARDS模型上发现，血浆和肺泡灌洗液中NE的浓度和活性均显著上升。更为有力的证据是在NE缺陷的小鼠模型，虽然LPS仍然能够引起中性粒细胞在肺部的聚集，但其致肺损伤的作用却大大减弱13。Martin等临床研究发现，无论是常温还是中度低温CPB过程中，病人血浆NE浓度均有显著升高，并在CPB结束时达到最大值。而肺泡-动脉氧分压差（AaDO2）、呼吸指数、肺内分流率等功能指标与血浆NE浓度变化趋势一致，经过回归分析，作者得出结论，认为呼吸功能的损害与NE的血浆峰浓度存在线性关系14。尽管PMN介导的肺损伤是一个复杂的过程，但很明显，内皮基底膜的破坏起着非常关键的作用。已经观察到在心肺转流中，有多种基质金属蛋白酶的表达明显增加，如MMP-2、MMP-8、MMP-9、MMP-1315。由于毛细血管内皮和肺泡上皮细胞基底膜均主要由IV型胶原构成，而IV型胶原是MMP-9的主要降解底物，因此，有理由认为MM-9在CPB肺损伤中占有很重要的地位。动物试验发现，CPB开始后支气管肺泡灌洗液中MMP-9活性就开始显著升高，高峰时可较基础值增高14.3倍。与此同时，AaDO2和肺组织含水量也明显增加，表明在CPB中伴随着MMP-9活性的增高出现了明显的肺损伤16。在临床研究中同样观察到病人血中MMP-9的浓度因为CPB而明显上升，并伴随着肺功能的损害，表现为肺泡动脉氧分压差增大、肺内分流率增加等17,18。实际上，中性粒细胞激活以后对NE和MMPS的释放可能并没有选择性，在CPB过程中，它们的浓度均是增加的。不过在ALI的发生和发展过程中，谁的作用更为重要，目前尚不清楚。3 抑制中性粒细胞蛋白酶活性对ALI的预防作用在动物模型中，NE和LPS均可以复制出ALI和ARDS的模型，提前给予NE和MMP-9抑制剂可以明显减轻动物模型的肺功能下降和肺组织病理学改变21,22。这提示CPB过程中与NE和MMP-9活性升高伴随出现的ALI，有可能通过抑制蛋白酶的活性而得以改善。Carney等用具有蛋白酶抑制作用的CMT-3进行了研究。CMT-3是一种经过化学修饰的四环素类药物，它失去了抗菌能力但保持了较强的抑制NE和MMP-9的活性。研究结果显示， CMT-3在 25mmol/L的血药浓度时，不能完全抑制中性白细胞在肺组织的聚集和隔离，但却使NE和MMP-9的活性被完全抑制。试验动物的肺内分流率、肺泡动脉氧分压差以及呼吸机指数（VEI）等指标与对照组相比均无显著性差异3。该研究结果表明CMT-3可通过抑制中性粒细胞蛋白酶活性而有效预防ALI。此外，临床上也常通过使用糖皮质激素和大剂量的抑肽酶来减轻CPB下的SIRS，其机制也与抑制丝氨酸蛋白酶有关。4 心肺转流中肺损伤的防治前景4.1 策略根据现有的研究结果，预防CPB后的ALI可采取四种策略：滤除白细胞、调节炎症介质的生成、调控炎症介质对白细胞的激活和抑制白细胞激活后蛋白酶活性的增高。虽然白细胞滤除技术实施上并无困难，初步研究也表明它能在一定程度上减轻SIRS，但是研究者认为它同时也降低了机体清除病原的能力，削弱了机体的防御功能，可能导致术后感染，反而于病人不利。而鉴于SIRS中炎症因子网络的复杂性和其功能的多样性，对之做出有效调控的可行性很小。而且，过分干预炎症反应的中间环节，可能损害它对机体的保护性效应。因此，部分学者认为，在CPB肺损伤的防治问题上，应该从阻止白细胞激活后对组织损伤这一关键问题上着手3。4.2靶点中性白细胞激活后参与肺组织损伤的主要成分有三：氧自由基、弹性蛋白酶和MMP-9。氧自由基的作用机制涉及多个环节与多条径路，清除氧自由基的措施也多属非特异性，其疗效仍需进一步探讨；NE在炎症反应过程中除了可以造成组织损伤外，它更重要的作用是参与激活后的白细胞对细菌的杀灭，过度抑制NE的活性也必然会降低机体的防御机能。肺毛细血管基底膜主要组成成分是IV型胶原，它的损伤是ALI形成的关键因素。而MMP-9是IV型胶原的主要降解酶，它在健康成年人的机体中表达很低。但在我们最近的试验中，通过基因芯片技术检测到在CPB后MMP-9的基因表达与CPB前相比上调了约16倍（未发表）。这有可能意味着在CPB相关的SIRS和ALI的形成中，MMP-9的作用居于更加主导的地位。可以假设，特异性的抑制MMP-9的活性，在减轻CPB肺损伤的同时，可以保护机体的防御机能，对病人也许更为有益。4.3蛋白酶抑制剂西维来司他（sivelestat）是特异性的NE 抑制剂，在动物肺损伤模型研究中表明他对急性肺损伤有较好的治疗效果21，2003年已经被批准为治疗非典的药物而进入临床22，但目前尚未见到相关的临床研究报告。该药是否可以用于防治CPB过程中的肺损伤，值得关注。MMPs的特异性抑制剂主要有巴马司他（batimastat）、马马司他（Marimastat）、BMS-275291等，它们均是作为抗肿瘤（尤其是抗肿瘤转移）药物开发出来的，但前期临床试验结果显示其前景不容乐观。鉴于MMPS在ALI发病中的重要作用，它们也许可以在ALI的治疗中更有效的发挥作用。近期已经有动物试验证实巴马司他可以抑制肺损伤动物模型肺泡灌洗液中的MMP-9活性23。在今后一段时间，研究该类药物对CPB肺损伤的影响，可能是一个更为引人注目的方向。此外，传统的抗生素四环素及其类似物多西环素、米诺环素等均被证实具有很强的非选择性抑制中性粒细胞蛋白酶的作用，动物试验结果初步显示它能有效预防动物模型的肺功能损害，并有效降低死亡率3,24。其临床效果如何，值得研究。参考文献1. 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