肺缺血再灌注损伤及肺保护策略的研究进展

时间: 2024-05-20 19:35:14 |   作者: bob真人电竞

  1潍坊医学院麻醉学院 261042；2潍坊市人民医院麻醉科 261041

  肺缺血/再灌注损伤（lung ischemia/reperfusion injury, LIRI）是指肺组织遭受一段时间的缺血后恢复血流灌注（再灌注），肺组织损伤所致程度迅速加剧的病理现象[1]。临床上，肺移植、失血性休克、肺栓塞、CPB等均会导致LIRI。LIRI以内皮功能障碍、毛细血管渗漏和炎症反应为特征，肺毛细血管内皮细胞的受损是LIRI的特征性改变。本文就LIRI的机制及缺血/再灌注损伤的肺保护策略进行综述。

  缺血肺的再灌注是为避免不可逆的缺血损伤，但是也自相矛盾地进一步促进损伤和功能障碍。

  肺组织缺血时细胞膜受损，强趋化作用物质和黏附分子增多。活性氧代谢物和多核白细胞参与了再灌注损伤的病理生理过程，肺泡巨噬细胞活化是缺血/再灌注损伤的重要启动信号[2]。活性氧介导肺组织损伤后的脂质过氧化反应，促进炎症介质的形成，炎症介质进一步招募和激活多核白细胞。虽然再灌注对于缺血损伤组织的氧传递是至关重要的，但组织再氧化生成活性氧代谢物（如超氧阴离子、羟基自由基和过氧化氢等），这些物质刺激炎症介质的释放和形成，炎症介质具有强大的趋化潜力，它们上调白细胞和内皮细胞上的黏附分子，并将白细胞招募到损伤部位。此外,激活的中性粒细胞也可释放大量的细胞因子和炎性介质,引发炎症反应的级联效应 ,并进一步导致组织的损伤。缺血/再灌注后黏附分子升高，增强中性粒细胞‑内皮细胞黏附和血管外中性粒细胞隔离，从而进一步加重内皮细胞的结构和功能异常[3]。当肺泡毛细血管膜通透性增加时，不仅血循环中炎症介质和因子可进入肺泡内，而且肺泡内炎症介质和因子也可返回血循环，从而使炎症反应不断放大。

  自由基是指在外层电子轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团或分子的总称，由氧诱发的自由基称为氧自由基。机体内黄嘌呤氧化酶活性变化和中性粒细胞的呼吸爆发与氧自由基代谢紧密关联。当肺组织再灌注时氧分子大量进入组织，黄嘌呤氧化酶在催化次黄嘌呤转变为黄嘌呤、尿酸的过程中可大量生成氧自由基，然而黄嘌呤氧化酶在LIRI中的真正作用仍存在争议。动物模型表明，抑制供体肺中参与自由基生成的酶，可以明显降低再灌注时受体动物炎症前介质的释放和自由基损伤量[4‑5]。中性粒细胞被激活时耗氧量明显地增加，灌注期间肺组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧明显地增加，产生大量氧自由基，可损伤肺组织细胞。高度损伤性活性氧，致肺组织微血管内皮细胞激活，功能失调，容易渗透大分子，导致炎症和白细胞外渗[6]。肺毛细血管破坏，肺泡上皮细胞变性坏死，毛细血管渗漏，血浆及纤维蛋白从毛细血管渗到肺泡，导致肺损伤。

  无氧代谢只产生2 mol ATP，而不是38 mol ATP，这在某种程度上预示着细胞基本过程的能量生成减少了94%。部分离子的跨膜转运需要消耗能量，细胞能量的缺失意味着离子转运失衡，离子泵转运失衡导致离子的易位，特别是钙离子。游离钙离子迅速积累并引发许多不良反应，包括磷脂酶的激活等。离子泵转运失败的另一个后果是细胞内钠离子积聚，钾离子流失到细胞外液中。细胞肿胀和间质积液导致水肿，增加扩散距离，进一步影响氧和底物的传递。细胞内钙离子的增加，激活黄嘌呤脱氢酶/氧化酶和磷脂酶,使氧自由基和花生四烯酸代谢产物（血栓素、白三烯等）大量产生，引起内皮细胞功能发生改变和肿胀变性,导致“无复流”现象发生。最新的一项对犬的研究表明，再灌注的肺模型中，β受体激动剂可以作用于钠离子通道从而介导肺对液体的清除[7]。

  内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）介导的凋亡通路是目前公认的凋亡机制，缺血/再灌注过程中的能量代谢、氧化应激、钙超载和炎症反应均可打破内环境平衡，诱导ERS。适度的ERS有助于恢复体内平衡和维持生存，但当ERS持续过强时，保护作用不能与损伤抗衡，最终会导致细胞凋亡，进一步加重LIRI。ERS激活ERS相关蛋白和特定的半胱胺酸蛋白酶、末端激酶等相关凋亡通路诱导肺组织的凋亡和损伤[8]。细胞凋亡也可直接引发肺泡上皮细胞数量减少，影响其分化过程，破坏肺泡结构的完整性。成纤维细胞具有抗凋亡作用，间接促进肺泡组织的纤维化，急性炎症可以延缓中性粒细胞凋亡和减缓凋亡细胞的清除，进一步加重肺损伤。

  一些先天免疫细胞在再灌注后被迅速激活，并通过产生促炎细胞因子直接诱导组织损伤或加剧炎症。肺移植中循环宿主中性粒细胞浸润移植物是缺血/再灌注损伤的一个关键方面，主要由供体肺细胞（如上皮细胞、内皮细胞或巨噬细胞）产生的强效趋化因子驱动。与慢性阻塞性肺疾病相关的慢性炎症会导致肺自身反应性抗体的存在，香烟烟雾暴露小鼠，使之产生自身血清抗体，与非吸烟年龄对照小鼠相比，移植后48 h香烟烟雾暴露小鼠肺损伤及免疫细胞浸润显著增加，免疫荧光染色显示免疫球蛋白M、免疫球蛋白G沉积增加。数据表明，移植前暴露与免疫球蛋白M/G自身抗体增加有关，这些抗体在移植后与供体肺结合，激活补体，并加剧移植物的缺血/再灌注损伤[9]。

  目前为止，没有具体的医疗措施被证明可以专门预防LIRI，也没有单一的医疗干预被证实可以治疗LIRI，针对LIRI的重点是支持性治疗，关键是充分的氧合。

  外源性一氧化氮能抑制肺内白细胞聚集，减少炎症介质释放，在移植肺的灌洗期或再灌注期给供受者吸入较低浓度的一氧化氮能减轻缺血/再灌注损伤。但是一氧化氮具有潜在加重组织过氧化损伤的副作用[10]。对新西兰大鼠的研究发现，与单纯灌注相比，一氧化氮前体（L‑精氨酸）和肺灌注液的供应对肺动脉内皮有着非常明显的舒张作用。精氨酸可通过恢复内皮功能和降低炎症反应进一步减轻LIRI[11]。氮氧化物的各种亚型在肺部炎症和损伤的发生和发展中起着至关重要的作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶在活性氧介导的疾病的病理生理中起关键作用。GKT137831作为一种特殊的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的双抑制剂能够最终靠抑制炎症反应和自噬激活缓解小鼠模型的LIRI [12]。热休克蛋白是一类结构高度保守的蛋白，在组织中过表达，保护细胞免受应激缺血、急慢性炎症等应激条件的影响。Yang等[13]发现，热休克蛋白22过表达通过抑制脂质过氧化和凋亡对再灌注肺组织具有保护作用。在离体大鼠的肺灌注模型中，采用心房钠尿肽（atrial natriuretic peptide, ANP）液进行灌注可明显降低肺血管阻力和减轻肺水肿，改善氧合，与对照组比较，采用ANP灌注组肺损伤明显减少，细胞凋亡减少。再灌注开始时给予ANP可增加肺组织的环磷鸟苷含量，减轻离体大鼠肺的热缺血/再灌注损伤[14]。挥发性吸入对肺的作用尚有一定争议，不一样的种类、不同吸入浓度以及不同生理条件下的吸入对肺的作用不同，不一样的种类、不同浓度的吸入可以引起肺的损伤作用，导致肺内分流增加，也可以产生LIRI的保护作用，其机制尚未完全清楚[15]。临床研究中七氟醚后处理可通过抑制晚期糖基化终末产物受体合成与激活对CPB导致的LIRI起到一定的保护作用。

  通过对犬的研究表明，七氟醚后处理也可改善肺功能障碍，降低肺细胞凋亡[16]。右美托咪定作为一种高度选择性α2肾上腺素能受体激动剂能减轻ERS，抑制细胞凋亡，减轻LIRI[17]。LAZ‑G是一种合成21‑氨基类固醇，能抑制脂质过氧化，除了具有抗氧化的特性外，还可通过抑制花生四烯酸的释放，增强膜的稳定性，下调细胞因子的表达和释放来发挥细胞保护作用。相关研究表明，LAZ‑G能改善胸腹主动脉闭塞后远端系统缺血/再灌注引起的脂质过氧化和一氧化氮合酶依赖的活性氧生成对肺的损伤[18]。吡非尼酮是一种治疗特发性肺纤维化的抗纤维化药物，Saito等[19]对小鼠进行药物填喂，实验结果为，与对照组比较，实验组小鼠肺动态顺应性和氧化水平较好，组织学分析显示实验组有较少的血管周围水肿和中性粒细胞浸润，TNF‑α信使RNA的表达也较对照组低，证明了吡非尼酮能够最终靠抗炎作用减轻LIRI。心脏死亡后，供体长期热缺血肺损伤的成功修复可显著改善预后，氢气对缺血/再灌注损伤有着非常强的抗炎和抗氧化作用，Zhang等[20]在热缺血期对心脏死亡大鼠供体进行了氢气吸入，与对照组比较，3%的氢气暴露显著改善了肺移植物的静态顺应性和氧合，并显著减少炎症反应和脂质过氧化反应；此外，氢气改善了肺移植组织学变化，降低肺损伤评分和凋亡指数；热缺血期氢气吸入对心脏死亡大鼠供体肺有保护作用。相关的氧自由基清除剂、炎症抑制剂的研究众多，但是大部分的研究都是动物实验，相应的临床研究较少，特别是多中心的临床研究，因此限制了氧自由基清除剂、炎症抑制剂的临床使用。

  肺表面活性剂是一类由脂质和蛋白质组成的混合物，其作用是降低肺泡内空气‑液体界面的表面张力。LIRI会导致肺泡细胞的结构伤害损坏，因此导致表面活性物质产生功能紊乱，进而导致肺损伤和肺水肿。小鼠模型的研究表明，再灌注前支气管内应用液体全氟化碳冲洗，能减轻LIRI。液体全氟化碳能减轻炎症反应，保持肺泡结构稳定，保护肺组织免受LIRI，液体全氟化碳是一种很有前途的肺保护物质。整合素是维持细胞屏障的重要表面受体，整合素5已被证明可以介导血管内皮的渗漏。Mallavia等[21]对小鼠肺移植模型的研究表明，用整合素5阻断抗体治疗供体肺，减少了血管渗漏和中性粒细胞浸润，并改善了再灌注后的氧合，对缺血/再灌注损伤提供了强有力的保护。缺氧诱导因子是细胞对缺氧或缺血损伤保护反应的主要调控因子。大鼠模型研究证明缺氧诱导因子‑1α对肺缺血/再灌注后肺血管功能障碍有推动作用，而缺氧诱导因子‑1α稳定剂二甲氧基甘氨酸具有非常明显的保护作用[22]。曲美他嗪是一种抗缺血药物，它通过改善细胞在缺氧或缺血情况下的能量代谢，阻止细胞内ATP水平的下降，来保证了离子泵的正常功能和离子的正常运转，维持细胞内环境的稳定。通过对大鼠的研究表明，曲美他嗪注射的大鼠体内三磷酸腺苷含量较其他实验组高，肺组织氧合功能更好，脂质过氧化率更低[23]。1‑磷酸鞘氨醇调节内皮屏障的完整性，促进细胞存活和增殖。Hunter等[24]用4种不同的灌注溶液对实验小鼠进行了1 h的体外肺灌注（ex vivo lung perfusion, EVLP），以此来证明在EVLP过程中，上调1‑磷酸鞘氨醇能减轻急性肺损伤，改善移植物功能；结果为，与其他组比较1‑磷酸鞘氨醇+1‑磷酸鞘氨醇激酶抑制剂灌注组小鼠肺血管通透性下降（P=0.04）。靶向药物治疗结合1‑磷酸鞘氨醇激酶抑制剂能改善心脏死亡捐赠模式下的肺功能，在EVLP过程中，通过特定的药理学方法使循环的1‑磷酸鞘氨醇升高，可能为边缘供体肺组织提供内皮保护，从而增加肺移植的成功率。Li等[25]的研究表明，细胞膜Ⅰ型瞬时受体电位的激活可以缓解LIRI，部分依赖于α7烟碱乙酰胆碱受体的活性，但是无论细胞膜Ⅰ型瞬时受体电位是不是真的存在，α7烟碱乙酰胆碱受体刺激均可减轻再灌注损伤，但是其具体机制尚待揭示。虽然肺表面活性剂、抗代谢药物的种类众多，在处理LIRI时，仍需要更大的随机对照研究来进一步阐明最佳剂量、治疗时机和用药途径。

  缺血预处理是指在缺血/再灌注损伤之前将肺肺组织暴露于损伤之下，通过抵抗缺血/再灌注损伤来提供器官保护。缺血后处理是与预处理相对而言的，即在再灌注开始时，进行重复多次的、短暂的缺血和灌注，以起到类似于预处理的器官保护作用。相关的研究表明，缺血后处理与预处理一样可通过对抗肺毛细血管内皮细胞的损伤来减轻缺血/再灌注损伤性肺水肿，减轻该器官的再灌注损伤，起到对该器官较好的保护作用[26]。但是预处理产生保护作用的确切机制仍有待阐明。一项荟萃分析表明，肺移植时CPB与膜肺氧合两组在手术时间，缺血时间，短期、长期死亡率方面差异无统计学意义，但与CPB相比，体外膜肺氧合可减轻肺移植术的LIRI，提高短期疗效和安全性。超滤、脉冲灌注也能减轻CPB下引起的LIRI[27‑28]。相关研究表明，与12 h冷缺血处理相比，移植后肺组织的病理生理学在18 h冷缺血处理组和3 h热缺血处理组中的恶化情况相似，组织ATP水平和炎症介质谱在热缺血和冷缺血供体肺之间有差异，缩短供体肺缺血时间，能减轻LIRI[29]。俯卧已被证明能改善肺损伤患者的氧合，Niikawa等[30]研究了EVLP时，肺俯卧位与标准仰卧位的潜在益处，根据结果得出俯卧位组与对照组（仰卧位）相比，氧合指数更高（P=0.03）,静态顺应性更好（P=0.03)，肺重量比更低（P=0.03），IL‑1b表达水平更低（P=0.04），提示EVLP时肺俯卧位可减轻EVLP时LIRI，改善肺功能。研究表明，LIRI中炎症相关因子表达的增加可以诱导肺基质金属蛋白酶9的高表达，酸性预处理可能通过抑制金属蛋白酶9的表达来减轻再灌注损伤[31]。

  二磷酸核糖聚合酶（poly ADP ribose polymerase, PARP）参与DNA修复、基因组完整性和细胞死亡。PARP活化是休克、炎症、神经退行性变、血管病变的重要病理遗传因子。缺乏PARP的动物常常被发现对再灌注和炎症损伤具有可抗性。Dhein等[32]的研究中，以吲哚‑异喹啉酮为基础的强效PARP抑制剂对LIRI的治疗有非消极作用。Toll样受体4是哺乳动物脂多糖受体的一种，被认为是LIRI的关键调控因子。Merry等[33]使用Toll样受体4特异性短干扰RNA对缺血/再灌注大鼠进行敲除，在RNA预处理的动物中，Toll样受体4表达和丝裂原活化蛋白激酶磷酸化被抑制。慢慢的变多的证据说明，移植物功能的严重恶化与坏死细胞的死亡程度有关，在LIRI引起的细胞死亡过程中，坏死的调节过程起着关键作用，传统观念认为坏死细胞死亡是偶然的和不受控制的，最近发现某些类型坏死细胞的死亡是由特定的信号通路介导的，受体相互作用蛋白激酶1的抑制剂能够大大减少细胞坏死。Kanou等[34]对大鼠肺移植模型的研究发现，给予抑制剂处理过的大鼠其肺气体交换功能明显优于其他组（P=0.003），肺部水肿明显降低（P=0.006），肺组织和血浆中IL‑6的表达较其他组明显降低（P=0.036），细胞坏死调控抑制剂有望成为减轻LIRI的策略。间充质干细胞来源的胞外囊泡能改善大鼠离体肺组织的分子表型。胞外囊泡发挥的有益作用可能与趋化因子的转录和合成、白细胞的募集、炎症和氧化应激的基因表达的上调有关[35]。

  相关研究表明，血液稀释可使再灌注后器官的血流量及局部代谢环境得以改善,肺缺血前进行某些特定的程度的血液稀释也能改善缺血时的肺局部代谢，再灌注后氧自由基等有害代谢物的产量大量减少，以此来实现了肺保护；因过度稀释可导致肺水增多，因此要严格把控血液稀释的程度[36]。HEMO2life®是一种天然的氧载体，是一种从生活在沙滩上的蠕虫身上提取的一种物质，具有高度氧亲和力，可作为标准器官保存液的添加剂。Glorion等[37]的研究描述了在低温静态肺标准保存液中添加此新型生物制剂能改善肺移植中长时间冷缺血后早期移植物的功能。心搏骤停引起的肺损伤在脑死亡前有明显的增强，有关对不一样供体肺质量方面的研究表明，在肺泡动脉血和动脉氧合方面，供肺的质量与缺血/再灌注损伤有一定关系，提高供肺的质量可减轻缺血/再灌注损伤。最新的一项研究表明了内皮祖细胞（endothelial progenitor cells, EPCs）在LIRI中的潜在应用前景，EPCs可以使内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase, eNOS）的表达和磷酸化水平升高，下调炎症反应和内皮黏附分子的表达，降低移植肺内毛细血管的通透性。在缺血/再灌注损伤的早期发展过程中，EPCs可以轻松又有效地降低细胞因子的反应，明显降低肺损伤的凋亡指标。经eNOS抑制剂处理的EPCs阻断eNOS作用，可减少EPCs向损伤肺组织的趋化和募集。这一发现表明，EPCs对LIRI的保护是eNOS通路依赖的，并使这一领域有了更深层次的分子理解，肺损伤可能是一系列由同一潜在机制演变而来的损伤[38]。在某一些程度上，所有的移植物都可能受到损伤，相应的实验干预可能是有益的。

  综上所述，LIRI是一种多层面的疾病过程。近年来，人们对LIRI的研究众多，但目前确定的答案很少。相关LIRI的防治措施在动物实验中已被证实具有一定的肺保护作用，但是许多方法尚未应用于临床。因此，未来研究的重点应是更好地了解LIRI的机制，以确定更有效的治疗靶点，并将最有希望的治疗方法推广于临床。减轻LIRI是一项艰巨而复杂的工作，仍需要采取多方面的措施。