细胞因子和围术期应激反应

1、细胞因子和围术期应激反应北京大学第三医院麻醉科 林丽娟 张利萍摘要：细胞因子在败血症、多器官功能衰竭中的作用已经比较明确，但是在围术期应激反应的作用仍缺乏系统的研究，因此有必要对细胞因子在围术期应激反应中的作用做一回顾。关键词：细胞因子；围术期；应激反应一、应激反应研究的历史和现状 应激（Stress）是指机体在受到内外环境因素及社会、心理因素刺激时所出现的全身性非特异性适应反应。传统的应激反应的概念是以交感神经系统和下丘脑垂体肾上腺皮质轴（HPA轴）功能增强为主要特点。近年来免疫系统在应激反应中的作用逐渐被重视。 机体具有极其复杂的内部结构和内部活动过程，人们对机体调控机制的认识，存在着不断

2、进步的过程。如果说以往分门别类地进行研究，是人们探索未知世界的客观需要，以及人们认识事物局限性的体现，那么，随着现代科学技术的不断发展，学科间相互交叉和渗透已成为必然趋势。当研究进入分子、基因水平时，已不存在严格的学科界限划分，这种趋势体现了人们认识上的突破和拓展。神经内分泌免疫网络调控研究是现代医学基础理论研究中异常活跃的领域之一，它不仅具有很高的学术价值，而且有很重要的实际应用前景。 神经、内分泌、免疫三大系统除了各自独具的经典内容外，共同担负着控制机体内基本生命活动的重要作用，包括呼吸、循环、消化、泌尿生殖和防御；在体内的分布和作用均广泛；具有共同的基本功能，即对内外环境信息的感受和传递

3、。三个系统间相互联系的信息分子主要是各类神经递质、神经肽、激素和免疫分子，大量研究证实，这些信息分子是三个系统组织共同具有的，其相应受体也广泛分布于三个系统的组织和器官。 免疫系统的进化和功能在许多方面类似于神经系统。两者都需要内部的信号传输，以及一个进行调控并与其他器官发生相互作用的网络。神经系统与大部分其他组织是以神经作直接的“有线”联络，也采用下丘脑垂体肾上腺轴线将信号传向外周。与之相反，免疫系统则主要由游离的、可移动的细胞组成。细胞和细胞之间的相互作用是间歇性的而且主要涉及胞内的信号传递。因而和器官进行的信息传递很大一部分需要通过细胞因子 周光炎. 免疫学. 第六版. 人民卫生出版社:

4、P128。二、细胞因子 细胞因子(cytokines)是由机体各种细胞分泌的具有调控细胞生长分化、调节免疫功能和生理活性并参与病理反应的小分子蛋白质，它是除免疫球蛋白和补体以外的另一类可溶性蛋白分子。 细胞因子是小分子蛋白、效应极强，在pmol/L水平就能发挥显著的生物学效应；通过与细胞因子受体相结合而发挥作用；主要是通过自分泌方式（autocrine)和旁分泌方式（paracrine)短暂性的产生并在局部发挥作用，具有多向性（pleiotropy)、多效性、重叠性、网络性效应。 不同的细胞因子，在机体内构成纵横交错、四通八达的复杂细胞因子网络。从信息传递的角度，细胞因子是生物体内一类重要的第

5、一信使，它作为重要的非识别性刺激的感知系统，在沟通神经、免疫、内分泌系统具有双向调节作用，具有很强的生物学效应的细胞功能因子，能调节靶细胞的生长、增殖和分化；增强抗感染和细胞的免疫效应；促进或抑制其它细胞因子和膜表面分子基因的表达；促进炎症过程；影响细胞功能代谢；参与和决定许多疾病过程的发生发展过程等。 细胞因子研究领域的发展大体上可划分为三个时期： 第一个时期是20世纪50年代至70年代中期。在此时期研究的意义在于发现了细胞因子并初步提出了细胞因子的概念。 第二个时期是20世纪70年代中后期至80年代初期。此时期研究的意义在于从生物学活性的角度发现并命名了多种具有广泛生物学作用的天然细胞因子

6、。主要研究了细胞因子的产生细胞和作用靶细胞；建立了高效诱生和敏感检测细胞因子的生物学方法；对细胞培养上清液中的细胞因子进行了分离纯化和性质鉴定；探讨了单个细胞因子的生物学特性以及各细胞因子之间的相互关系。 第三个时期是20世纪80年代初期以后至现在，也是细胞因子研究的黄金时期。取得了一系列突破性进展。 20世纪80年代以来，由于基因工程、细胞工程研究的飞速发展，不仅克隆了早先发现的生物活性肽的cDNA，而且发现了许多新的细胞因子，并对各种细胞因子的产生来源、分子结构和基因、相应的受体、信号转导、生物学功能以及与临床的关系等进行了大量的研究，细胞因子成为当今基础免疫学和临床免疫学研究中一个十分活

7、跃的领域。 根据细胞因子的主要生物活性可分类为：调节免疫应答的细胞因子，如IL-2、4、5、7、9、10、12,TNF等；介导炎症的细胞因子，如IL-1、6、8和TNF等；抗病毒细胞因子，如IFN、等；促进造血的细胞因子，如IL-3、7、促红细胞生成素、干细胞生长因子和集落刺激因子等。三、细胞因子在围术期应激反应中的作用手术应激发生于整个围术期，产生应激的各种刺激包括术前的精神紧张、恐惧、焦虑、手术创伤和疼痛、麻醉、血容量的改变及术后疼痛与感染等合并症。与麻醉及情绪引起的应激反应相比，外科创伤的范围及严重程度是引起围术期应激反应的更重要因素。从二十世纪八十年代以来，大量的文献证实了：细胞因子及

8、其受体可以很好的反映及预测外科创伤应激病人的发病率和死亡率。在败血症、多器官功能衰竭中对细胞因子如TNF-、IL-1、IL-6的作用已经认识较充分，而细胞因子在围术期应激反应中的作用以及麻醉、手术诸因素对其影响目前尚缺乏系统的研究和认识。本文主要介绍在围术期应激反应中目前研究较多的细胞因子。1TNF 和IL-1 白细胞介素（Interleukin, IL）是T细胞、单核/巨噬细胞所分泌的某些非特异发挥免疫调节和在炎症反应中起作用的因子，正式命名的有IL1IL-30。肿瘤坏死因子是可以直接诱导肿瘤细胞凋亡的细胞因子，包括TNF，等。 机体受到应激原刺激后，TNF-和IL-1是最早释放的炎症介质，

9、这些细胞因子启动并释放了其他的细胞因子。其中TNF-是机体应激反应产生最早的和最起核心作用的炎症介质，它最初来源于腹膜和内脏的单核细胞、巨噬细胞和T细胞，其后，作为人体内最大的巨噬细胞群Kuffer细胞在TNF-的生成中发挥了重要作用。 Ferguson研究表明 Ferguson KL, Taheri P, Rodriguez J, et al: Tumor necrosis factor activity increases in the early response to trauma. Acad Emerg Med 4:10351040, 1997. ：在手术4小时内取血样，则几乎所有病

10、人均有高浓度的TNF-，之后迅速下降。TNF-半衰期很短，约1418分钟，但它的短暂出现是诱发机体代谢和血流动力学明显变化，促进炎症介质生成，导致炎性因子“瀑布效应”的“元凶”；同时，TNF-也是一种肌肉分解的主要诱导剂，它能促使肝内蛋白质、氨基酸作为能量消耗而导致恶病质的形成；TNF-还可激活凝血及补体系统，促进粘附分子、前列腺素E2、血小板刺激因子（PAF）、糖皮质激素（GC）等的释放和表达。在动物模型中，给予高剂量的TNF-可引起低血压、心动过缓、气促、乳酸血症、高酮血症、高糖血症；给予人群低剂量TNF-会诱发败血症的一些症状和体征：低血压、高热、昏迷、食欲减退、头痛。很多研究均表明了在

11、出血性休克的啮齿动物中有TNF-血浆水平明显升高和巨噬细胞释放细胞因子增多。同时Vhl Uhl W, Büchler M, Nevalainen TJ, Deller A, Beger HG: Serum phospholipase A2, in patients with multiple injuries. Trauma 30:12851290, 1990. 等人的动物模型中证实了：全身循环中的TNF-水平与出血后休克死亡率间有明显相关。 TNF-的分泌可诱发IL-1、IL-6、IL-8以及继发性炎症介质的释放。IL-1和TNF-尽管受体不同，细胞内信号转导途径和激活不同，但作用

12、相似。IL-1最初主要由激活的巨噬细胞和内皮细胞产生，分为两种类型：IL-1和IL-1。IL-1大多数以其前体形式存在于细胞液内，少数以其生理活性形式存在于细胞膜上。IL-1主要存在于血 循 环中，能诱导出与TNF-相似的生理和代谢改变，能与TNF-产生相互协同作用。IL-1在循环中的半衰期大约6分钟，因此IL-1比TNF-更不易测到。作为局部炎症介质，它的作用远远不及TNF-明显。但IL-1可通过刺激下丘脑前部的前列腺激动中枢而诱导典型的炎症发热反应；另外通过垂体释放-内啡呔和增加中枢鸦片类受体数目。在应激后期，细胞因子瀑布链下游激活了IL-1，这时的IL-1在伤口愈合和其他的损伤修复中起重

13、要作用。虽然在很多研究中创伤和出血后循环中的IL-1无法测到，但在出血的早期和后期阶段，肺泡和巨噬细胞中可检测到大量的IL-1和TNF-基因表达，可测到应激病人的可溶性TNF-受体：55kD和75kD的TNF-受体可稳定测到，并与终末器官的并发症相关，可溶性或循环中TNF-受体可与游离的TNF-结合，是体内对过渡的TNF-活性的调节机制，无法测到血浆中的TNF-水平可能是由于TNF-与细胞或可溶性受体结合。研究细胞因子在介导全身应激反应中的作用，一般是设计应用抗细胞因子抗体的动物研究来弄清其概念，Zingarelli等人 Zingarelli B, Squadrito F, Altavilla

14、 D, et al: Role of tumor necrosis factor-a in acute hypovolemic hemorrhagic shock in rats. Am J Physiol 266:H1512H1515, 1994.用抗TNF-的高免疫血浆来中和血浆和腹膜巨噬细胞中的TNF，从而提高急性低血容量出血性休克后小老鼠的血压反应和生存率。Bahrami Bahrami S, Yao YM, Leichtfried G, et al: Significance of TNF in hemorrhage-related hemodynamic alterations,

15、organ injury, and mortality in rats. Am J Physiol 272:H2219H2226, 1997的研究表明出血能明显增高TNF-水平，而且即使在休克后65min给予TNF单克隆抗体的治疗也会明显减弱心血管反应，减少终末器官损害，提高动物的生存率。Abraham Abraham E, Jesmok G, Tuder R, Allbee J, Chang YH: Contribution of tumor necrosis factor-alpha to pulmonary cytokine expression and lung injury afte

16、r hemorrhage and resuscitation. Crit Care Med 23:13191326, 1995.和Yao Yao YM, Bahrami S, Redl H, Schlag G: Monoclonal antibody to tumor necrosis factor alpha attenuates hemodynamic dysfunction secondary to intestinal ischemia/reperfusion in rats. Crit Care Med 24:15471553, 1996. 各自的研究分别表明，给予TNF-阻滞剂能预

17、防失血后的肺损伤，减弱与内脏缺血再灌注损伤相关的多器官功能不全。同样的，IL-1受体阻滞剂能阻断出血引起的有害反应，提高总体的生存率。减少IL-1和TNF-的活性有几种方法，其中具高度特异性的方法有：使用中和性抗体、可溶性受体阻滞剂、蛋白酶抑制剂。应用TNF-和IL-1阻断剂已成功的用于风湿性关节炎、炎症性肠病、移植物抗宿主病。但尚未成功的用于外科应激反应中 DeLong WG Jr, Born CT: Cytokines in patients with polytrauma. Clin-Orthop 422: 57-65,2004.。2IL-6在Endo等人 Endo S, Inada K

18、, Yamada Y, et al: Plasma endotoxin and cytokine concentrations in patients with hemorrhagic shock. Crit Care Med 22:949955, 1994的研究中，与健康对照组相比，失血性休克病人的TNF-、IL-6、IL-8水平明显升高。在行普通的外科手术后，IL-6和IL-8升高95。 IL-6来源于所有经过TNF-和IL-1诱导的细胞和组织，其中包括肠管组织。手术后60分钟内即可见循环中IL-6增高，4小时6小时后达高峰，持续10天左右。IL-6既有致炎作用又有抗炎作用。它是机体创伤和

19、修复过程中一种重要的急性期反应介质，在应激反应中，IL-6不仅激活中性粒细胞，而且还能延迟吞噬细胞对衰老和丧失功能的中性粒细胞的吞噬，从而加剧了应激后炎症介质的产生；IL-6也能通过促进sTNFRs和IL-1R2的释放，减弱TNF-和IL-1的作用，并起到抗炎症作用。IL-6的大量释放对患者是一个危险信号 Partrick DA，Moore FA，Moore EE：The inflammatory profile of interleukin-6, interleukin-8, and soluble intercellular adhesion molecule-1 in postinjur

20、y multiple organ failure. Am J Surg. 1996 Nov; 172(5): 425-9; discussed 429-31。IL-6是一个反映组织损伤的非常敏感指标，在小的非侵入性损伤过程，如腹腔镜手术，细胞因子的释放最少；而在大手术如关节置换术、大血管和结肠直肠手术中IL-6的释放最多。Biffl Biffl WL, Moore EE, Moore FA, Peterson VM: Interleukin-6 in the injured patient: Marker of injury or mediator of inflammation. Ann S

21、urg 224:647664, 1996.和Hack Hack CE, Aarden LA, Thijs LG: The role of cytokines in sepsis. Adv Immunol 66:101195, 1997. 的研究表明：血浆IL-6反映损伤的严重程度，且在所有的细胞因子中，IL-6与转归预后的关系最为密切。IL-6虽然和TNF-、IL-1一样属于炎症性细胞因子，但IL-6应用在人群中并没有出现类似感染性休克的症状。也有文献表明，通过抑制急性期反应的某些蛋白酶，IL-6也可产生抗炎活性。典型的反应是:手术后可检测到高水平的IL-6（第一次高峰是在46h)，之后在3天

22、内迅速下降，若有再次的应激原刺激，会反弹升高 Nast-Kolb D, Waydhas C, Gippner-Steppert C, et al: Indicators of the posttraumatic inflammatory response correlate with organ failure in patients with multiple injuries. J Trauma 42:446454, 1997. 。血浆IL-6浓度的升高与C反应蛋白的显著升高相关。CPR是容易检测到的指标，有助于评估应激程度 Ensenauer R, Püuttmann M, Q

23、uintel M, Kattermann R, Aufenanger J: Comparison of serum phospholipase A2, polymorphonuclear granulocyte elastase, C-reactive protein and serum amyloid A with the APACHE II score in the prognosis of multiple injured patients. Clin Investig 72:843849, 1994。3其他手术之后，血浆IL-8水平显著升高。IL-8由单核细胞、巨噬细胞、粒细胞和内皮细

24、胞产生，它的表达和激活与IL-6相关，它并不像TNF-和IL-1那样能显著的影响血流动力学。大约24h达到高峰，之后下降，另外，其浓度与之后的ARDS和多器官功能衰竭相关 Partrick DA, Moore FA, Moore EE, et al: The inflammatory profile of interleukin-6, interleukin-8, and soluble intercellular adhesion molecule-1 in postinjury multiple organ failure. Am J Surg 172:425, 1996.。而且IL-8能单独诱导内皮渗漏，其在支气管肺泡冲洗液的浓度与ARDS的死亡率相关，因此，Miller等人把IL-8视为MODS的危险性指标 Miller EJ, Cohen AB, Nagao S, et al: Elevated levels of NAP-1/interleukin-8 are present in the airspaces of patients with the adult respiratory distress sy