膿毒癥血管內皮細胞損傷的研究進展

何慧敏,段美麗

膿毒癥 (sepsis)是嚴重創傷、燒傷、休克、大手術后常見的并發癥,進一步發展可導致膿毒性休克 (sepsis shock)和多器官功能障礙綜合征 (multiple organ dysfunction syndrome,MODS),是臨床危重病癥中最常見的死亡原因[1]。有研究顯示美國 1995年膿毒癥發病 751 000例,導致死亡 21 500例[2]。每例膿毒癥患者平均費用為 22 100元,全國總消費為 167億。一項最近醫院記錄顯示死于膿毒癥的患者總例數近幾年逐漸增加[3]。但嚴重膿毒癥的病理生理學機制仍未得到界定,目前被廣泛接受的是膿毒癥的病死率與宿主免疫反應應答有關,并且涉及多種細胞因子、炎性遞質和凝血因子,而臨床研究方面無有效的治療措施[4]。

膿毒癥最普遍的臨床表現是全身炎癥反應綜合征 (如發熱、心動過速、呼吸急促和白細胞增多等)和器官功能障礙(如急性肺損傷、急性呼吸窘迫綜合征、休克等)。炎癥反應的實驗標記物包括高循環水平的 IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子 -a[5-7]。凝血級聯反應的激活最常見的表現是 D-二聚體水平的增多 (約 100%的患者)和循環蛋白 C水平的降低(≥90%的患者)[8-10]。不到一半的膿毒癥患者達到彌散性血管內凝血 (DIC)的界定標準[11-12],具有廣泛激活凝血功能、纖維素沉積、血栓形成和 (或)出血的特點[13-14]。

本文要點

近年來,膿毒癥血管內皮細胞損傷的研究得到了越來越多的關注,大量體內、體外及臨床實驗表明血管內皮細胞損傷與多種細胞因子、炎性遞質和凝血系統的激活密切相關,為膿毒癥發病機制及早期診斷提供了新的視角。本文主要闡述血管內皮細胞損傷在膿毒癥病理生理中的作用及血管內皮細胞損傷檢測指標的研究進展。

膿毒癥的發病機制包括凝血功能失調、異常介質的產生、超炎癥反應應答、內皮細胞損傷及其他細胞凋亡等。近年來研究認為,血管內皮細胞 (VEC)是參與炎癥應答的主要靶細胞之一[15-16],同時內皮細胞不僅是炎癥反應中被動的靶細胞,也是一種效應細胞[17],在微循環障礙、膿毒性休克及多器官功能損傷中起著重要作用。目前對膿毒癥的病理生理學有幾個重要的主題,包括:宿主反應;單核細胞和內皮細胞在起始和延長;與之伴行的炎癥的激活和凝血級聯反密切聯系。本文集中討論 VEC在膿毒癥發病進展中作用及 VEC損傷指標檢測的進展。

1 VEC的生理功能及在膿毒癥病理生理中的作用

1.1 VEC的生理功能 VEC是位于血管內壁的一層多功能細胞,位于循環血液和周圍組織之間。由于它們是最先暴露于循環血液中的侵入性病原體,對損傷有著高度的敏感性,但內皮細胞具有顯著的自我保護能力。內皮組織有助于維持器官內環境穩定,包括血管舒張、選擇性血管滲透壓和提供抗凝血表面[18]。然而,在感染過程中,內皮組織的正常功能混亂,導致具有膿毒癥特點的器官功能障礙[19]。

VEC的主要生理作用包括:(1)抑制血栓形成。(2)是血液的組織屏障組成部分,對物質選擇性通透。血管通透性是通過內皮組織的收縮和肌球蛋白輕鏈的磷酸化調節的,磷酸化誘導肌球蛋白輕鏈構象改變,促進肌動蛋白和肌球蛋白的相互作用,維持收縮狀態[20]。(3)調節血管緊張度,即釋放一氧化氮 (NO)、前列腺素 (PGI)舒張血管,釋放內皮素 I(ET-1)收縮血管。 (4)釋放多種細胞因子,發揮多種生理功能。(5)調節血液免疫功能,在病理狀況下,中性粒細胞活化后生成的氧代謝產物、蛋白酶類、細胞因子、花生四烯酸代謝產物及多形核中性粒細胞 (PMN)粘附因子與 VEC粘附因子相應配體的表達之后發生的黏附等都損傷 VEC,破壞血管屏障完整性,繼而造成組織損傷。內皮細胞的損傷在膿毒癥的發生、發展及演變過程中起著重要作用。

1.2 VEC的病理生理作用

1.2.1 在調節宿主反應中的作用 單核細胞、組織巨噬細胞和某種程度的內皮細胞,是固有免疫應答的基石,作為防御的第一道防線,這些細胞能夠通過受體與保守的微生物結構相互作用的受體識別模式識別侵入的病原體[21]。中性粒細胞聚集到內皮組織,粘附并穿過內皮細胞到達炎癥位置中心[22]。這個過程的起始階段涉及中性粒細胞聚集到內皮組織表面,通過選擇分子蛋白間的協同作用,這種選擇蛋白分子在循環中性粒細胞表面 (L-選擇蛋白)和內皮組織表面 (E-選擇蛋白和P-選擇蛋白)都有發現,并且是被酸化了的,在接觸的細胞上有碳水化物部分[22]。最初的選擇蛋白介導的細胞滾動是跟隨緊密連接到內皮組織,而這也是通過整合素家族介導的。整合蛋白是表達于中性粒細胞表面的異二聚體分子,極大的促進了細胞因子刺激的內皮細胞 (ICAM-1、VCAM-1)表面細胞粘附分子 (CAMs)粘合作用[23]。病原體與宿主細胞相互作用導致炎癥反應和凝血級聯反應的開始。這些途徑產生可溶性的介質作用于自分泌或旁分泌環路,并進一步激活單核細胞、組織巨噬細胞和 (或)內皮細胞。

1.2.2 炎癥反應和凝血途徑的激活 炎癥反應在調節膿毒癥表現型方面起著重要作用。病原體促進了接觸系統 (XII因子、前激肽釋放酶和高分子量激肽原)和補體級聯反應的早期激活,并且誘導多種細胞 (如單核細胞和內皮細胞)快速釋放炎性遞質,改變相應的全身炎癥反應綜合征的臨床標志[4]。同時,內源性的抗炎途徑被激活,緩沖炎癥反應[24]。這兩種途徑可協調的保護宿主抵抗病原體的侵入。但是,不管是過度的或者持續的炎癥反應,還是不適當的抗炎反應,或者可能兩種途徑的解偶聯都可能促成組織損傷或者死亡。

1.3 其他作用 此外,病原體也能夠觸發凝血級聯反應。在膿毒癥的發展過程中,表達在循環單核細胞和組織巨噬細胞表面的組織因子 (TF)是高于參考值范圍的,導致外部途徑的激活,凝血酶的產生和纖維蛋白單體形成。纖維蛋白單體不僅能穩定血小板,而且在穩定病原體于白細胞表面上也起重要作用,以便吞噬和清理。血液凝固是通過外源途徑開始的,并且通過內途徑源加以放大,內源性途徑的機制包括串擾和反饋機制[25]。凝血的級聯反應一旦被激活,將不受任何限制的激活其以下的底物。組織因子途徑抑制物 (TFPI)控制外源途徑,血栓調節素 (TM)/蛋白 C/蛋白 S可以鈍化輔助因子 Va和VIIIa,纖溶酶降低纖維蛋白單體的形成。止血作用反映了促凝血和抗凝血力量間好的平衡狀態。在膿毒癥時不僅有外源凝血途徑的激活,而且有自身抗凝反應 (如蛋白 C和 ATIII在循環中的水平的降低),內皮細胞表面 TM的表達降低,纖維蛋白溶解作用受損的降低[25-26]。結果轉向促凝血狀態,導致大量的凝血酶的產生,纖維蛋白單體的和凝固因子的消耗。

炎癥反應一旦被激活,炎癥和凝血途徑就會相互作用而進一步放大宿主反應。炎性遞質誘導循環中的單核細胞、組織巨噬細胞、中性粒細胞和一些可能的內皮細胞亞群細胞表面 TF的表達[27-29]。相反絲氨酸蛋白酶有能力與單核細胞和內皮細胞表面酶激活受體相互作用,導致活化和額外的炎癥[30-31]。凝血酶發信號于內皮細胞導致細胞形狀、細胞通透性、增殖反應和白細胞粘附性的改變[32]。后者的改變是通過凝血酶誘導產生 E-選擇蛋白、P-選擇蛋白、細胞間粘附因子和血管細胞粘附因子的過程中得以介導的。另外,凝血酶發信號于內皮細胞表面,誘導血管假性血友病因子 (VWF)的分泌[33],增加蛋白酶激活受體 1 mRNA的表達[34]和刺激可溶性介質的釋放,包括血小板活化因子 (PAF)、IL-8、單核細胞誘導蛋白1(MCP)、生長因子[4]。最后,纖維蛋白單體和內皮細胞可以相互作用,導致大量的表型改變,包括增加 IL-8的表達[35]。炎癥和凝血途徑間的串擾促成了潛在的膿毒癥時的爆炸式的宿主反應。

2 VEC損傷相關的生物標記物

2.1 循環內皮細胞 (circulating endothelial cells,CECs) 最早使用 “循環內皮細胞”這一術語者是 Gaynor,他發現經內毒素處理家兔 5～15 min后,血中可見 CECs增加,其另一項研究發現,絕大多數動物經內毒素處理后,CECs多達數十至數百個不等,并常見成團狀的內皮細胞。他們通過電鏡觀察,肯定了實驗動物存在內皮細胞損傷,指出:脫落內皮細胞數量的多少與血管損傷的嚴重程度有關。在敗血癥、急性亞急性細菌性心內膜炎和腎綜合征出血熱等情況下,外周血涂片中存在大小不等、外形極不規則的細胞,可有多個突起,邊緣模糊,胞漿內可有空泡,胞核圓形、橢圓形或扭曲折疊,偶見雙核、三核或多元核仁。

目前較公認的循環內皮細胞的定義是在外周血中表達CD146膜糖蛋白,在正常人血中數量極少,而在炎癥、免疫應答、感染、腫瘤和心血管等疾病時數量可明顯增加的一類細胞。在生理情況下,循環血中存在的退化的無核成分反映了VEC的自然更替。在適當的激惹之后,這些成分可增加若干倍。在絕大多數情況下,造成 CECs增加的原因是全身性的,CECs主要來自最接近應用激惹部位的毛細血管床。損傷的分布相當均勻,并且主要損傷最容易退化的那部分細胞。

一些學者認為 CEC是目前在活體內唯一可以特異而直接地反映血管損傷的指示物。據國外文獻報道,CECs可在廣泛的病理過程中增多,在一些可導致血管受到損傷的疾病 CECs增多,諸如鏈狀細胞性貧血、急性心肌梗死、巨細胞病毒感染、內毒素血癥、腫瘤性血管增生。當前的觀點認為 CECs是在血管內皮受到攻擊損傷后從內膜剝落下來的細胞,是一種特殊的病理性結果,而不是起始因子。

2.2 游離血栓調節蛋白 (soluble thrombomodulin,sTM) 血栓調節蛋白是內皮細胞膜表面表達的凝血酶受體,結合后抵消凝血酶活性,并加速蛋白 C活化,通過蛋白水解酶降解作用釋放 sTM到血清中。炎癥反應是由中性粒細胞介導并最終導致內皮細胞損傷,體外實驗證實 sTM不僅是內皮細胞破壞的一個參數,而且是中性粒細胞衍生的蛋白酶和氧自由基對內皮細胞膜造成損傷的早期指標[36]。目前一些學者認為 sTM僅在內皮細胞損傷時從內皮細胞表面釋放入血,其他刺激并不能導致其釋放,因此被認為是內皮細胞損傷的標記物。

2.3 內皮細胞特異性分子 -1(endocan) Endocan是一個50 kDa的硫酸皮膚素蛋白多糖,由肺和腎的 VEC表達,可以在人血中檢測到。Scherpereel等[37]通過檢驗重癥監護室中 63例診斷為膿毒癥的患者和 20名健康自愿者循環血中 endocan的水平,最終得出結論:膿毒癥患者血中 endocan的水平與病情的嚴重程度和預后相關,可能是一種新的內皮細胞損傷標記物。

膿毒癥在發生過程中通過炎癥反應等機制對 VEC造成損傷,而損傷的內皮細胞繼發釋放多種炎性遞質等加重膿毒癥的進展。內皮細胞位于血液和組織交界面。完整的內皮細胞展現的是抗凝血特性,通過諸如蛋白 C的抗凝血因子的精細調節。這些細胞也作為血液產物和出凝血因子間的屏障,如肝素,位于細胞外基質。內皮細胞功能紊亂發生時由于內皮細胞表面粘附因子的表達增加,最終導致白細胞的粘附。膿毒癥時凝血系統和炎癥系統的相互作用越來越明顯。凝血系統及炎癥系統功能的紊亂對 VEC造成直接和間接損害,VEC受損后,進一步釋放促炎癥反應因子,加重膿毒癥的發展。

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