气体信号分子与急性肺损伤

气体信号分子与急性肺损伤急性肺损伤（acutelunginjury，ALI）由多种炎性介质及效应细胞共同参与，并呈级联放大的瀑布样炎症继发性损伤与弥漫性肺实质损伤，且可进一步发展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。ALI/ARDS发病机制复杂1，病死率高，已成为临床危重病学研究的热点和难点，故探寻新的治疗方法显得尤为重要。内源性气体信号分子一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）的发现为肺损伤等疾病的研究提供了一个全新的思路。研究发现它们均参与了ALI的发病且对ALI具有调节作用。二氧化硫（SO2）是最近提出的一种新型气体信号分子，在心血管系统中发挥广泛的生物学活性2。目前针对内源性SO2的研究已经延伸至呼吸系统疾病，研究发现SO2也参与了ALI发病过程，具有肺保护作用3-4。气体信号分子在ALI发病机制中的作用日益受到人们的重视，现对气体信号分子在ALI中的作用做一综述。1气体信号分子在体内的产生目前发现的气体信号分子有：NO、CO、H2S和SO2，它们均可在体内酶的催化下内源性产生。NO是由一氧化氮合酶（nitricoxidesynthase，NOS）催化L-精氨酸产生，诱导型一氧化氮合酶（iNOS）几乎存在于所有组织的细胞浆，引起长时间的NO释放，以细胞毒性为主，参与炎症反应过程。CO的生成主要是通过血红素加氧酶（hemeoxygenase，HO）的催化生成。哺乳动物几乎所有的器官组织、细胞都能合成和释放内源性CO5。H2S可以通过含硫氨基酸的代谢在体内内源性生成，催化内源性H2S生成的酶主要是胱硫醚-合成酶（CBS），胱硫醚-裂解酶（CSE）。体内的SO2可以产生于含硫氨基酸的正常代谢，谷氨酸-草酰乙酸转移酶（GOT）是SO2的内源性生成酶，在各组织及血管中均有分布3。此外，哺乳动物体内激活的中性粒细胞也可通过依赖氧化应激将H2S转化为亚硫酸盐6。2ALI时体内气体信号分子生成体系的变化研究表明，发生ALI时，iNOS是主要被表达的NOS，在外界炎性因素的刺激下，所有主要的炎症细胞都能表达iNOS。研究发现高氧所致的ALI及内毒素诱导的ALI大鼠肺组织NO的含量及eNOS、iNOS表达均增加，且ALI病变程度与肺泡巨噬细胞iNOS阳性表达数目呈平行关系7-8。HO-1在脂多糖（LPS）诱导的ALI和高氧诱导的ALI模型大鼠肺组织均表达增多，免疫组化染色定位HO-1主要位于肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞和渗出的炎性细胞浆内，提示ALI时肺内存在HO-1的诱导表达9。ALI时体内内源性H2S的变化与NO、CO不同。研究发现10-11，LPS或油酸诱导大鼠ALI的同时，血浆H2S含量和肺组织CSE活性下降；创伤继发性ALI及肢体缺血-再灌注致ALI大鼠12-13血浆及肺组织H2S/CSE体系均下调。研究还发现iNOS/NO系统、HO-1/CO系统与H2S/CSE体系存在相互作用，CO可能和NO形成代谢环路，NO可诱导CO的生成，CO又能反馈抑制NO的产生从而发挥保护作用。外源性H2S可通过外源性下调iNOS/NO体系、上调CO/HO-1体系发挥细胞保护作用13-14。3气体信号分子与ALI3.1气体信号分子与炎症反应ALI/ARDS中，复杂的细胞因子网络和其他促炎化合物发动和增强了炎症反应。核因子-B（NF-B）在ALI的发病过程中，可以启动多种炎性因子的基因表达，对控制全身性炎症反应综合征（SIRS）/代偿性抗炎反应综合征（CARS）平衡具有重要意义15。中性粒细胞（PMN）是ALI时肺内最主要的炎症细胞。PMN通过趋化因子和黏附分子等的作用，在肺内大量聚集激活，释放大量的氧自由基、炎症介质和蛋白酶加重肺损伤。3.1.1NO与炎症反应NO具有促炎和抗炎的双重特性。NO增强巨噬细胞对病原微生物的杀伤作用，并在免疫复合物性疾病中介导ALI。ALI时iNOS表达明显增加，促进中性粒细胞在肺泡腔及肺间质的聚集活化，产生大量的炎症介质，加重肺组织损伤。iNOS合成的大量NO则使毛细血管后静脉渗出明显增加，同时产生过多的过氧亚硝酸盐，加重炎症反应。应用特异性的iNOS抑制剂可以减轻肺水肿、抑制中性粒细胞在肺内的聚集，减轻炎症反应。此外，内皮细胞来源的NO可以减少中性粒细胞趋化蛋白的表达，选择性抑制内皮细胞产生中性粒细胞黏附因子16。NO参与ALI炎症反应的调节主要是通过NF-B途径和NOS途径。不同的NO浓度以及在机体所处的不同炎症反应阶段，NO的作用不同17。3.1.2CO与炎症反应多个肺损伤的研究已证实HO-1/CO系统对调控肺内过度的炎性反应有益。Fujita等18在缺血-再灌注诱导的肺损伤中发现，HO-1基因缺陷小鼠较HO-1基因正常者对缺血-再灌注的敏感性增加，肺水肿、炎性细胞浸润等损伤表现明显加重，而给予HO-1基因缺陷小鼠吸入低剂量CO治疗后，以上情况明显改善。这一发现也得到了其他研究的证实，内毒素休克、高氧及肺移植等肺损伤动物实验中，给予体积分数（250500）10-6的CO吸入能降低炎性介质及升高抗炎介质水平，同时肺血管内皮细胞表达细胞间黏附分子和肺内PMN浸润减少、肺气体交换功能及组织结构改善19-20。3.1.3H2S与炎症反应范亚敏等21研究发现，ALI时外源性给予NaHS后，肺组织损伤减轻，PMN数目显著减少，细胞间黏附因子-1（ICAM-1）、NF-B表达显著降低。李天水等10人在油酸诱导的大鼠ALI的研究中发现H2S可以改善SIRS/CARS，同时使肺组织NF-B表达下调，肺血管内皮细胞表达ICAM和肺内PMN浸润减少。Faller等22研究发现，吸入H2S可以减少炎症因子的产生及PMN积累和凋亡，并能抑制HO-1表达。外源性H2S能使呼吸机相关肺损伤（VILI）大鼠处于休眠状态，并能抑制肺PMN聚集，降低肺组织嗜中性白细胞趋化因子（CINC）3、IL-6的水平23。3.2气体信号分子与氧化应激正常生理条件下，机体活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的生成与清除处于动态平衡状态。ALI/ARDS时这种平衡被打破，ROS和RNS生成增加及清除减少造成的氧化应激是ALI/ARDS的主要病理基础。3.2.1NO与氧化应激ALI过程中，NO与炎症反应时生成的超氧阴离子发生氧自由基反应，生成活性氮氧化合物，介导细胞毒效应。但同时NO还可与氧自由基反应对ROS起消除作用，且NO对ROS清除作用远大于RNS的生成。在LPS致肺损伤的动物模型研究中发现，吸入NO能抑制脂质过氧化反应，减少自由基的产生24。3.2.2CO与氧化应激HO-1在肺氧化应激损伤时被大量诱导生成，活性增强，对肺氧化损伤有明显保护作用25-26。Otterbein等25实验证实低剂量的CO可大大提高动物对高氧急性损害的耐受性，并证实能使肺细胞凋亡指数下降。3.2.3H2S与氧化应激在LPS、油酸诱导的ALI、创伤失血性休克继发肺损伤模型以及肢体缺血-再灌注所致大鼠ALI模型的研究中，发现H2S能有效减少肺组织脂质过氧化物丙二醛（MDA）的产生，上调谷胱甘肽（GSH）和超氧化物歧化酶（SOD），水平增强机体清除氧自由基能力，减轻ALI的程度10-13。3.3气体信号分子与细胞凋亡ALI时，肺血管内皮细胞及肺上皮细胞均发生明显凋亡，引起肺血管内皮上皮屏障通透性增加。除实质细胞的凋亡外，浸润的中性粒细胞凋亡延迟也加重了炎症负担。3.3.1NO与细胞凋亡ARDS患者肺泡灌洗液中巨噬细胞计数增加可改善患者预后，提高存活率。持续地予以NO供体乙二胺四乙酸可抑制iNOS的活性，延迟NO依赖性的巨噬细胞凋亡。NO对内皮细胞的凋亡的影响因浓度不同而不同。低浓度的NO可以保护内皮细胞免于凋亡，而高浓度的NO则促进内皮细胞的凋亡。NO还可通过直接活化半胱氨酸蛋白酶（caspase）促进中性粒细胞凋亡发挥保护作用26。3.3.2CO与细胞凋亡研究发现，肺缺血-再灌注模型经呼吸道吸入阻断HO-l表达的小鼠干扰RNA后，与凋亡有关的Fas和caspase活性增强，肺细胞凋亡增加；而基因转染技术诱导HO-1表达增加后肺内凋亡通路被阻断，肺细胞的凋亡减少27。有研究28也证明了HO-1/CO系统的抗凋亡作用，并证明p38丝裂原激活蛋白激酶（p38MAPK）、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）通路可能参与此作用。3.3.3H2S与细胞凋亡研究发现外源性给予内毒素性ALI大鼠NaHS后，其肺组织损伤减轻，肺内PMN数目显著减少，凋亡百分率显著增高，提示H2S促进PMN凋亡21。H2S对ALI时肺内皮及上皮细胞凋亡的影响目前无报道。3.4SO2与ALI内源性SO2在呼吸性疾病中的研究才刚刚起步。有文献报道，在急性肺炎患者血清中的亚硫酸根含量明显升高，野百合碱诱导的肺动脉高压肺组织中GOT活性和SO2升高，提示SO2可能在疾病发病过程中发挥内源性防御作用。黄新莉等4对LPS诱导的ALI大鼠模型的研究首次发现，外源性尾静脉注射LPS前10min静脉给予外源性SO2供体可以减少嗜中性粒细胞在肺内的扣押及抑制LPS诱导的促炎症细胞因子，同时激活抗炎细胞因子的表达抑制肺组织中过度的炎症反应从而减轻肺损伤。目前针对SO2的ALI保护作用机制的研究没有进一步的文献报道。SO2是否也能像其他气体信号分子那样对ALI具有广泛的调节作用目前仍不明确。4气体信号分子在临床的应用气体信号分子对ALI的影响复杂而多变，从而限制了其在临床中的应用。目前为止仅有NO应用于临床ARDS的治疗。吸入NO在大多数急性期ARDS患者可改善动脉氧合和血流动力学，可以更容易地使用肺保护性机械通气。但大规模临床研究取得有益疗效的资料均自儿科获得。对于成人ARDS患者吸入NO随机对照临床试验发现吸入NO并没有降低ARDS患者病死率29-30。综上所述，气体信号分子与ALI/ARDS关系密切，随着对气体信号分子家族研究的深入以及作用于特定细胞的靶向药物技术的发展，气体信号分子在临床的应用将更加广泛。参考文献1宋元林，白春学.急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征J.中华急诊医学志，2012，21（3）：229-234.2ChenSS，TangCS，JinHF，etal.SulfurdioxideactsasanovelendogenousgaseoussignalingmoleculeinthecardiovascularsystemJ.ChinMedJ（Engl），2011，124（12）：1901-1905.3杜淑旭，金红芳，卜定方，等.内源性二氧化硫及其生成酶在大鼠体内的生成与分布J.中国病理生理杂志，2008，24（11）：2108-2112.4黄新莉，周君琳，周晓红，等.外源性二氧化硫对大鼠脂多糖性急性肺损伤的改善作用J.生理学报，2009，61（5）：499-503.5LefflerCW，ParfenovaH，JaggarJH.CarbonmonoxideasanendogenousvascularmodulatorJ.AmJPhysiolHeartCircPhysiol，2011，301（1）：H1-H11.6MitsuhashiH，YamashitaS，IkeuchiH，etal.Oxidativestress-dependentconversionofhydrogensulfidetosulfitebyactivatedneutrophilsJ.Shock，2005，24（6）：529-534.7PotterCF，KuoNT，FarverCF，etal.Effectofhyperoxiaonnitricoxidesynthaseexpression，nitricoxideactivity，andlunginjuryinratpupsJ.PediatricRes，1999，45（1）：8-13.8RazaviHM，WerhanR，ScottJA，eta1.Effectsofinhalednitricoxideinamousemodelofsepsis-inducedacutelungi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