机械通气导致肺损伤的发生机制

1、机械通气导致肺损伤的发生机制 机械通气是麻醉维持和重症治疗的必须辅助措施，而机械通气导致的肺损伤（VILI）是此过程中最为重要的并发症，易诱发炎症反应综合征(SIRS)和多器官功能衰竭（MSOF），尽管临床治疗和护理水平的不断提高，但急性肺损伤病人的死亡率仍然很高，且多数病人死于多系统器官功能衰竭。目前VILI的发生机制尚不清楚，但众多研究认为机械通气不仅导致肺组织结构性损伤且引起肺组织“生物学损伤”，即机械通气导致肺炎症反应上调，中性粒细胞浸润，支气管肺泡腔灌洗液中炎症介质增加，其发生机制是由多种途径和信号传导通路共同作用所致。机械力通过激活或触发肺细胞膜上牵张敏感的阳离子通道、通过细胞骨架

2、结构改变，细胞膜上相关分子的直接构象变化等将机械信号传入细胞内，然后激活细胞内信号传导通路，通过调节转录因子，蛋白激酶的活化和蛋白的磷酸化水平等多种机制，进一步诱发肺内炎性因子的大量产生，局部炎症反应扩散，体循环炎症介质的释放导致全身性炎症反应，机体免疫力的丧失和持久的炎症损伤，促使病人通过一系列机制发展为多系统炎症反应综合征(SIRS)和多器官功能衰竭（MSOF），但其确切机制未明。机械通气过程中炎症反应通路借用了肺内已有的信号传导通路，通过对已建立的信号传导通路的研究有助于加快对机械通气肺损伤机制的研究。了解组织器官中不同炎症介质间的相互作用的复杂机制，就必须掌握肺内主要的细胞在VILI产

3、生和进展中的作用。肺内皮细胞，肺泡巨噬细胞，肺泡上皮细胞，中性粒细胞等作为机械通气的靶细胞，在炎症的进程中发挥重要的作用。机械通气导致肺损伤的发生是多机制，多通路。本文将目前有关VILI的最新研究进展作一综述。尽管临床治疗和护理水平的不断提高，但急性肺损伤病人的死亡率仍然很高，且多数病人死于多系统器官功能衰竭。目前，机械通气引起肺损伤的机制尚未完全清楚，但发现肺泡的过度扩张和终末肺单位反复开放和关闭产生的剪切力加重肺的损伤，诱发严重的炎症反应。了解通气导致的肺损伤的产生和发展的重要机制，在今后的科研和临床治疗中有着重要的价值。现将机械通气导致肺损伤的发生机制作一综述。一 机械通气导致肺损伤的简

4、述一项大型临床实验证实机械通气导致肺损伤 1。ARDS network报导，861名诊断为ALI和ARDS的病人随机分配到两组，一组接受传统潮气量（12ml/kg）通气治疗，一组给予小潮气量（6ml/kg)治疗，发现小潮气量组的死亡率较传统潮气量组低22%，该项研究证实机械通气能引发医源性的损伤。但呼吸机的辅助治疗对于危重病人是必不可少的，因此对通气过程中产生的机械力作用于肺组织的生物分子效应和细胞效应的研究，有可能消除机械通气的医源性损伤。机械通气过程中各种机械力相互叠加反复作用于肺组织导致肺损伤。“biotrauma”用来描述机械通气产生的切应力作用于肺组织导致炎症反应上调；机械通气时，细

5、胞感受机械力，活化细胞内信号传导通路，随后信息被整合到细胞核，产生效应，调节自身和邻近的细胞。机械通气导致肺炎症反应上调，中性粒细胞浸润，支气管肺泡腔灌洗液中炎症介质增加，称为生物伤。通过对大量有关细胞因子在机械通气中作用文献的总结，发现细胞因子在VILI，机械通气相关并发症（如MODS），机械通气相关肺炎中发挥重要的作用 。肺局部炎症反应扩散，体循环炎症介质的释放导致全身性炎症反应，随之代偿发生抗炎反应，下调和减轻促炎症反应。机体免疫力的丧失和持久的炎症损伤，促使病人通过一系列机制发展为多系统炎症反应综合征(SIRS)和多器官功能衰竭（MSOF），最终死亡。最近报道大潮气量机械通气引起肺以外

6、心血管，肝的损伤和全身性炎症反应。Ranieri等发现运用保护性通气策略病人，支气管肺泡腔灌洗液和血浆中促炎症反应细胞因子浓度降低。此外，呼气末肺泡塌陷，在大潮气量时诱导细菌从肺易位到体循环；甚至正常潮气量时内毒素也能从肺易位到体循环。但由于肝脏的快速清除，机械通气时体循环内毒素易位到肺的可能性极小。事实证明重要的炎症介质能够逃避肺的限制，这为最终发展为MSOF提供重要的线索。众多的研究显示机械通气时大量的细胞因子释放入体循环是MODS的主要发病机制。有报道小潮气量的保护性通气策略能够推迟菌血症和远侧的损伤。在这篇综述中，将集中讨论一些新近的相关研究成果，有助于理解VILI起始和进展的机制，在

7、炎症播散过程中的作用和MSOF的产生。 二 细胞感受机械力的机制力传导就是将机械刺激转化为生化或生物分子信号。机械力包括重力，渗透力以及细胞与细胞，细胞与基质间的相互作用力。但细胞如何将机械力转变为细胞内的生化信号及其传导机制仍不清楚。而且肺组织结构的复杂，细胞种类的多样，作用于肺的机械力多样，可能的机械刺激机制和潜在的细胞反应使得可能存在广泛的力诱导的机械信号的传导。以下部分将讨论细胞变形如何转化为分子生物信号。 1 牵张敏感的离子通道细胞内离子浓度的变化将物理刺激转变为电信号或化学信号，膜钾离子通道，电压依赖性的钠离子通道都能够感受机械刺激，但在VILI的作用尚不清楚。牵张导致细胞膜屏障功

8、能受损，血管通透性增加，机械通气引发的细胞内钙离子浓度增加是血管通透性增加的始动因素。Waters等研究发现在肺泡腔，Na+顺浓度梯度由腔侧面钠离子通道进入上皮细胞，再由上皮细胞基底膜侧Na+-k+-ATPase泵出细胞，后者有助于肺水肿的清除。环形牵张引起肺上皮细胞基底膜侧Na+-K+-ATPase活性增加。用amiloride（阻断amiloride敏感的钠离子通道）或gadolinium（gadolinium能阻断牵张活化的非选择性阳离子通道）处理的上皮细胞， Na+-K+-ATPase活性没有增强，可见牵张活化的阳离子通道可能调节Na+-K+-ATPase的活性，加重肺水肿。增加上皮细

9、胞基底侧Na+-K+-ATPase浓度，其活性也增强，说明环形牵张诱导细胞内钠池向基底膜侧迁移，增加基底膜通道亚单位。且大鼠上皮细胞amiloride敏感的钠离子通道（reNaC）是哺乳动物同源性的机械敏感信道，这些通道是将来临床治疗VILI的定向诱导突变靶点。2 细胞膜的完整性细胞结构破坏诱导炎症反应，细胞膜的完整在细胞内外的信号传导通路中发挥重要作用。以下两个例子说明了细胞膜蛋白质在细胞感受机械力，作出反应过程中时的重要作用。Hinman等研究证明，肺泡型细胞受损，最初仅损伤边缘处细胞内游离钙离子浓度增加，而后向周围扩展，细胞内钙离子穿过肺泡型细胞单细胞层扩散到邻近的未损伤细胞，导致未损伤

10、细胞中的钙离子浓度增加。研究显示内环境中钙离子浓度的变化，不仅影响钙离子自身介导的信号传导通路,而且可能打开脓毒症诱导的其它不依赖钙离子的信号通路。脓毒症时，细胞基底侧的钙离子能够启动PKC，后者在信号传导通路中发挥重要作用。可以推测细胞内钙离子浓度的变化参与启动VILI的信号传导和介导细胞损伤。Grembowicz等10最近证实细胞膜破坏（PMD）诱导Fos蛋白合成增加，钙离子诱导fos基因的表达，c-fos的顺式调节序列中包含有钙离子反应组件。c-fos是早反应基因，含有牵张敏感的启动子序列，能够调节基因转录。损伤性机械通气引起离体大鼠肺模型c-fos的mRNA生成增加。但损伤性机械通气是

11、否引起Fos蛋白变化和PMD的发生尚待证实。但PMD诱导内皮平滑肌细胞浆中NF-kB易位到细胞核10，而NF-kB的易位和活化是体内多种促炎因子和趋化因子表达所必须的，此外细胞结构受损能引起其它一系列的病理变化。 3 细胞膜相关分子的直接构象变化 最近的研究显示细胞表面的黏附蛋白，细胞骨架和相关的核骨架作为细胞结构的基本框架体系，为机械刺激转化为生化信号奠定了生理基础。大量研究证实细胞基质和黏附分子在介导VILI时的炎症反应中起到了重要作用。Tschumpelin等11用磁力扭转细胞仪（MTC）作用于肺泡上皮细胞，通过测定经MTC作用后的细胞基因表达, 发现与表面附有胶原的磁珠作用的细胞基因转

12、录水平提高；实验中，胶原作为一种跨膜的细胞骨架蛋白的配体发挥作用，说明细胞与基质结合的程度和特异性决定了肺泡上皮细胞对机械力反应的水平。最近报导，MTC作用于A549细胞，通过细胞表面的跨膜分子ICAM-1,将细胞外的机械刺激转化为胞内的生物信号 12 。三 通气导致肺损伤的细胞内信号转导途径的产生1 转录因子即DNA结合蛋白，能够调节基因的表达。在细胞核，机械力通过影响早反应基因发挥作用，如早反应基因c-fos, c-jun, c-myc, and Egr-1 本身又是转录因子，其基因的顺式调节序列中含有切应力反应元件.据推测多种基因的顺式调节序列中含有转录因子结合位点（位点中包含切应力反应

13、元件），这些基因有血小板源性生长因子，组织纤溶酶原激活剂，ICAM-1，TGF-b.此外编码NO合酶和COX2的基因也受到切应力的调节。当前研究显示NF-B的活化在VILI的产生和发展过程中发挥重要作用。NF-B在多种炎症性疾病（如ARDS和脓毒血症）的发病过程中促进多种细胞因子的表达。NF-kB能被多种刺激活化，包括细菌内毒素，TNF-a, IL-1，分裂素，和病毒蛋白。其基因的启动子区域含有DNA切应力反应元件，且NF-B蛋白能够结合IL-6, IL-8,IL-1和TNF-a的启动子序列。大量体外和体内实验研究显示牵张反应上调肺细胞NF-B。在休眠期的细胞，NF-B在细胞浆中通过与NF-B

14、的抑制剂(IB)作用处于活化前状态。IB磷酸化后细胞暴露核定位信号区使得NF-B转运到核内，结合DNA调节序列，调节多种细胞因子的表达。例如，Moine13等在ARDS的研究中发现，无论IB增加，或是Bcl-3（IB家族成员）减少，NF-B都将保持活化状态。这些实验结果证实在脓毒症和ARDS病人，NF-B转录的异常在炎症反应中有重要作用。2 蛋白激酶的活化和蛋白的磷酸化水平决定了细胞内的酶活性和细胞内的信号传导机制。 机械通气的动物，PKA（cAMP依赖的蛋白激酶）活性增加。人类肺泡上皮细胞受到机械牵张时MAPK迅速活化。目前在哺乳动物已发现多条MAPKS家族通路，有p42/44细胞外信号调节

15、激酶(ERK) MAPKs, c-Jun NH2末端激酶(JNK；或SAPK)和 p38MAPK. Correa-Meyer等14报导p42/p44 MAPK这条重要的保护性细胞信号传导通路在肺上皮细胞受到环形牵张15min时，达到活化高峰。Spence等15报导机械牵张肺泡上皮细胞，通过其表面的肌营养不良蛋白聚糖能够活化细胞内的p42/p44MAPK信号传导通路。机械牵张（5%的牵张，6次/分。持续2h）活化人类肺泡上皮细胞的SAPK通路，且高的吸气压提高JNK和MAPK磷酸化程度， 后者不仅诱导基因的转录而且参与牵张诱导的细胞因子的释放。近来的研究发现用JNK的特异性抑制剂预处理A549细

16、胞，能够阻断牵张诱导的细胞因子IL-8mRNA的表达，也证实了这一点16。 3 VILI发生过程中的信号传导目前认为是多通路，且目前知之甚少。生理条件下肺不断承受着变化的机械力，而机械通气引起的肺变形，无论其程度和幅度在生理条件下是不会发生的，因此，肺过度扩张适应机械通气的进化理论是不成立的，机械通气过程中炎症反应通路必然是借用了肺内已有的信号传导通路。3.1 有研究认为，LPS通过与细胞表面受体分子结合诱导免疫损伤，机械通气也可能通过类似机制诱发一系列复杂，冗繁的炎症反应。单核细胞通过细胞表面TLR-4识别结合内毒素，此过程需要CD14的辅助，而细胞内TLR-4的信号传导通路与IL-1的通路

17、类似。此外LPS被证实活化p42/44MAPK，JNK，p38，p65和NF-B。MacGillivray17等发现IL-1受体相关激酶（IRAK）与局部黏着斑复合物共同定位。IRAK是IL-1依赖的ERK活化所必需的。说明肌动蛋白丝序列的完整性和IRAK募集到黏着斑复合物共同参与IL-1介导的信号传导通路。但尚未证实VILI过程中IL-1介导信号传导通路是否与上述机制一样。如上所述，在肺上皮细胞机械刺激与LPS的信号传导通路可能相同，尽管尚未证实，但可以推测LPS特异的信号传导通路，不仅与VILI的信号传导通路相互作用而且可能共享某些通路。这可以解释为什么VILI，内毒素和IL-1作用的动物

18、，发生相同的变化。此外Arbour18等用共分离错义突变影响TLR-4受体的细胞外区域，处理后的个体吸入LPS时，机体反应迟钝。VILI与TLR-4/IL-1介导信号传导通路具有明显的临床相关性，目前的研究提出了这种可能性，至少在理论上两条通路有着很多的一致性，以至于TLR-4/IL-1受体突变可以对抗脓毒症，也可以减轻VILI病人的炎症反应。3.2 细胞外基质整合素细胞骨架学说已得到普遍认可。细胞外基质如层粘连蛋白，纤维连接蛋白等与细胞表面的整合素受体结合，后者的胞内段通过细胞骨架蛋白复合物与肌动蛋白丝相结合，细胞骨架蛋白复合物包括-辅肌动蛋白（-actinin）、纽蛋白（vinculin）

19、、踝蛋白（talin）、桩蛋白（pxillin）、张力蛋白（tensin）等。通过一系列未知通路，使MAPK被磷酸化被激活，然后移位到细胞核内，作用于相应的转录因子，使其发生磷酸化，从而启动某些基因表达，促进炎症介质和趋化因子的产生。 3.3 最近Jonathan等19报道环形牵张力作用于离体培养的肺泡上皮细胞，基质中laminin6通过基底膜蛋白多糖（perlecan）的介导，参与dystroglycan依赖的，非整合素依赖的细胞信号转导，这有别于先前的大部分关于整合素通路的报导，可能为研究机械通气导致的肺损伤找到了新的突破点。四 了解组织器官中不同炎症介质间的相互作用的复杂机制，就必须掌握

20、肺内主要的细胞在VILI产生和进展中的作用。1 中性粒细胞（PMN）：已证实PMN参与ALI和ARDS的病理过程。损伤性通气策略作用于正常肺组织诱发细胞因子的产生和肺泡腔灌洗液中中性粒细胞聚集。PMN是VILI中引起组织损伤的主要效应细胞。研究发现中性粒细胞缺乏的动物模型接受机械通气和/或肺灌洗较对照组（健康动物模型接受同样处理）氧合明显改善，肺损伤减轻。最近zhang等20发现机械通气引起的PMN的活化程度超过了ARDS时的程度。实验中正常志愿者的白细胞置入接受传统通气策略和保护性通气策略治疗的ARDS病人BAL液中，通过测量中性粒细胞的氧爆发曲线，L选择素、CD18（ICAM-1）、CD63的表达和弹性蛋白酶的活性判断PMN的活化程度20，结果显示接受传统通气治疗组白细胞活化标志较保护性通气组明显增加。机械通气通过PMN介导的VILI病人肺组织的损伤，