氧化應激與急性肺損傷的研究進展

陳向軍 謝永宏 金發光

氧化應激(oxidative stress,OS)的概念最早源于人類對衰老的認識。1956年英國學者Harmna首次提出自由基衰老學說，該學說認為自由基(free radical)攻擊生命大分子造成組織和細胞損傷，它是引起機體衰老的根本原因，也是誘發腫瘤等惡性疾病的重要起因。近年來，在急性肺損傷(acute lung injury,ALI)的機制研究中發現OS在ALI的病理發展過程中扮演重要的角色[1]。ALI以其復雜的機制和高死亡率一直是科研和臨床上的難點，OS對于ALI的發生機制和治療方法、藥物的研究則具有重要的意義。

一、氧化應激的研究進展

2013年的H7N9禽流感再次引起人們的高度重視，它所引起的危重的肺部損傷、急性呼吸窘迫綜合癥(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和多器官的衰竭再次向人類宣戰，對于它的分析已經刊發在新英格蘭醫學雜志上[6-7]。急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是多種致病因素導致的肺部組織結構和功能的損傷[8]。以肺部微血管和肺泡上皮彌漫性損傷、肺水腫及肺間質纖維化等為病理特征的臨床綜合征，嚴重者可發展為ARDS。ALI/ARDS具有高達40%～70%的病死率，當ARDS合并其他臟器損傷時病死率會大大增加。ALI/ARDS發病率高危害大已經是一個不爭的實事，對于ALI/ARDS發生機制的研究已經成為研究的焦點。在對其機制的研究中，炎癥和抗炎平衡失調，細胞凋亡、血管緊張素系統參與了氧化抗氧化失衡這些理論已被人們所關注[9-12]。近年來，氧化抗氧化失衡參與ALI的發生和發展理論受到了廣泛的關注。

二、ALI的發生機制

ALI的發生機制研究一直是人們關注的熱點和難點問題，隨著研究的深入，ALI的病因和病理生理機制已經逐漸被人們所認識。但是，ALI仍然是高病死率的臨床重癥和急癥。因此，ALI機制的研究對臨床預防和治療ALI/ARDS具有重要的意義[13]。

1. 炎癥反應失調：炎癥反應是機體對于損傷因子做出的調節反應。抗炎因素和促炎因素的紊亂則引起炎癥平衡的失調即炎癥反應。ALI是以肺部和全身炎癥反應為基礎的病理變化。炎癥反應中的關鍵因子是NF-κB，它介導了大量的促炎基因的表達。當細胞內的NF-κB磷酸化入核后參與炎癥因子的轉錄和激活[14-15]。參與炎癥因子的細胞有多形核白細胞(polymorphonuclear，PMN)、巨噬細胞、血管內皮細胞等，PMN是參與體內炎癥反應的主要細胞[16]。PMN細胞表面的黏附分子作用于肺血管內皮細胞，從而完成炎癥的黏附遷移過程。活化的PMN還可以引起呼吸爆發，釋放大量的炎癥因子,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)、白介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)、白介素-8(interleukin-8，IL-8)等從而導致肺內的促炎抗炎平衡失調，引起肺部的炎癥反應。

2. 細胞凋亡紊亂：細胞的程序性死亡稱為細胞的凋亡。細胞凋亡過度、過快或者凋亡緩慢和延遲都是細胞凋亡紊亂，機體自身功能低下的表現。有研究表明在脂多糖誘導的大鼠ALI中，過度凋亡和Fas/FasL系統起到重要作用，地塞米松可通過抑制炎癥介質釋放和抑制Fas/FasL系統的活化，從而阻斷、調控肺組織靶細胞凋亡，減輕肺組織損傷[17]。PMN等炎癥細胞的凋亡延遲導致炎癥細胞在體內的過度表達，從而促進炎癥的發生[18-19]。Fas/FasL是腫瘤壞死因子超家族成員及其配體，亦有文獻報道過度凋亡和Fas/FasL 系統在海水淹溺誘導的ALI中通過調節caspase-3和caspase-8參與急性肺損傷[17]。

3. 氧化應激：氧化應激過程中ROS增多，體內抗氧化能力相對減弱是機體處于過度氧化的狀態中。有研究表明內毒素脂多糖等損傷性因素造成的“呼吸爆發”可產生大量的ROS，而ROS可以進一步激活PMN加重肺損傷[17]。對用抗氧化藥物治療ALI已成為治療ALI/ARDS的新方向[20]。氧化應激在疾病中的作用機制主要是以下幾個方面。

(1)氧化系統的主要成分ROS是氧的自由基狀態，具有較高的活性。 ROS主要包括O2-、H2O2、·OH等，這些氧有較高的活性，因此ROS能對于機體或器官起到過度氧化的作用。首先，生物膜和亞細胞結構中存在大量的不飽和脂肪酸，ROS會攻擊這些易被氧化的位置，從而導致生物膜的結構和功能損傷。此過程中脂質過氧化產生丙二醛(malonaldehyde,MDA)會對機體和組織產生極大的危害[21]。

(2)ROS對核酸及轉錄因子的影響。大量的ROS在線粒體中殘生，損傷線粒體。降低ROS可以減少DNA損傷[22]。當DNA發生難以修復的斷裂時，會影響基因水平的轉錄和翻譯過程，嚴重者可以導致細胞的死亡。Shimizu和Nishanth等[23- 24]報道，ROS可以激活轉錄因子NF-κB，增強COX-2、TNF-α和IL-6的敏感性。ROS還可以在巨噬細胞中激活細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)，氨基末端激酶(Jun N-terminal,JNK)，NF-κB和AP-1，成為炎癥早起的始動因素[25]。大量的NO與ROS中的超氧陰離子自由基反應生成ONOO-，從而加重體內和肺內的氧化應激。

(3)機體發生氧化應激時，一是機體產生氧化物質過多，另一個重要的因素就是抗氧化系統的相對減弱，無法發揮抗氧化及清除氧化物質的作用。體內的抗氧化系統包括：抗氧化酶類、和抗氧化非酶類(蛋白類、水溶性、脂溶性等)。當基因敲除抗氧化蛋白的細胞可能無法生存，對于敲除抗氧化蛋白Trx2的細胞在10 mM H2O2中僅有3%的細胞能存活60 min[26]，還增加了對H2O2的抗性。對這種現象的解釋是，抗氧化蛋白Trx的缺失會破壞氧化還原平衡，使其向氧化方向傾斜，激發細胞的氧化應激，體內的抗氧化應激酶類會代償性增高，這些酶類的增高反而會增加對H2O2的抗性。對于H2O2的抗性增高，是否是由于過度修復或者細胞敏感性增加引起的仍然沒有準確而可靠的證據。

三、抗氧化劑治療肺部疾病

氧化損傷在肺臟疾病的發生發展及病理過程中發揮重要的作用。抗氧化劑作為一些肺臟疾病的治療已經成為一種新的治療方向。陳林等[27]臨床試驗研究表明對COPD患者輔以GSH治療，可以增加患者體內GSH水平，提高患者氣道和肺的抗氧化能力，降低COPD急性加重發病率，對控制疾病發展可起到重要作用。對于肺臟的很多疾病用抗氧化的方法治療均有不同程度的療效。

維生素C作為已知的重要抗氧化劑已經應用于臨床。有通過臨床實驗觀察患肺炎嬰兒的體溫、咳嗽、喘息、干濕啰音、白細胞總數和肺部X線指標，判定維生素C對嬰幼兒肺炎的療效。研究結果顯示抗氧化劑維生素C與常規聯合用藥對控制癥狀及干濕羅音的消除具有比較明顯的療效，并縮短了病程，有利于疾病的恢復[28-29]。此外，Nathens等[30]研究表明維生素C具有很強的還原性，能在細胞外發揮清除自由基的作用。

N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine，NAC)作為已知的抗氧化劑能減輕出血性休克導致的ALI[31]。早在1996年，Deng等[32]就對N-乙酰半胱氨酸在氧化損傷的肺疾病中的保護作用作了研究。2006年又進一步證實N-乙酰半胱氨酸在LPS誘導的ALI中發揮其減輕ALI的作用[33]。2009年Moradi等[34]就N-乙酰半胱氨酸對ALI/ARDS治療的作用機制進行了研究，結果顯示N-乙酰半胱氨酸與對照組相比能提高血氧分壓且能顯著降低病死率。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)以含金屬蛋白的形式存在于各種需氧生物細胞中，在LPS誘導的豬ARDS模型中給予超氧化物歧化酶的一種復合物，可以減輕肺水腫、肺低氧血癥和肺組織內MDA。5 mg/kg到20 mg/kg重組的超氧化物歧化酶(recombinant human superoxide dismutase，rhSOD)可以防止大鼠ALI的發生[35]。

一系列的臨床試驗研究證明抗氧化治療肺部疾病和肺損傷具有一定的療效，基礎研究也為臨床的抗氧化治療奠定了一定的理論基礎。在今后的臨床和基礎實驗中更多的是對于多種類的抗氧化劑和抗氧化藥物及其具體機制的研究。

綜上所述，氧化應激對機體和器官的損傷作用是較為嚴重和復雜的，并且和肺臟疾病的發生、發展及轉歸亦有千絲萬縷的聯系。而ALI/ARDS的發生機制較為復雜，是開發臨床治療ALI/ARDS藥物和方法的難點。對于氧化應激和ALI/ARDS的研究將為我們揭開ALI發病機制的面紗，這能更好的為臨床上預防和治療ALI/ARDS提供新的思路和方法。

參 考 文 獻

1 Guo RF,Ward PA. Role of oxidants in lung injury during sepsis[J]. Antioxid Redox Signal,2007,9(11): 1991-2002.

2 Gounder SS,Kannan S,Devadoss D,et al. Impaired transcriptional activity of Nrf2 in age-related myocardial oxidative stress is reversible by moderate exercise training[J]. PLoS One,2012,7(9): e45697.

3 Lu M,Gong X. Upstream reactive oxidative species (ROS) signals in exogenous oxidative stress-induced mitochondrial dysfunction[J]. Cell Biol Int,2009,33(6): 658-664.

4 Fransen M,Nordgren M,Wang B,et al. Role of peroxisomes in ROS/RNS-metabolism: implications for human disease[J]. Biochim Biophys Acta,2012,1822(9): 1363-1373.

5 Heyland D,Muscedere J,Wischmeyer PE,et al. A randomized trial of glutamine and antioxidants in critically ill patients[J]. N Engl J Med,2013,368(16): 1489-1497.

6 Gao HN,Lu HZ,Cao B,et al. Clinical findings in 111 cases of influenza A (H7N9) virus infection[J]. N Engl J Med,2013,368(24): 2277-2285.

7 任成山,楊仕明,晉獻春,等. 何謂H7N9禽流感——應正確認識和積極防治[J/CD]. 中華肺部疾病雜志: 電子版,2013,6(2): 184-186.

8 Zhou MT,Chen CS,Chen BC,et al. Acute lung injury and ARDS in acute pancreatitis: mechanisms and potential intervention[J]. World J Gastroenterol,2010,16(17): 2094-2099.

9 Bragt PC,Bonta IL. Oxidant stress during inflammation: anti-inflammatory effects of antioxidants[J]. Agents Actions,1980,10(6): 536-539.

10 Han F,Luo Y,Li Y,et al. Seawater induces apoptosis in alveolar epithelial cells via the Fas/FasL-mediated pathway[J]. Respir Physiol Neurobiol,2012,182(2-3): 71-80.

11 Gonzalez PK,Zhuang J,Doctrow SR,et al. Role of oxidant stress in the adult respiratory distress syndrome: evaluation of a novel antioxidant strategy in a porcine model of endotoxin-induced acute lung injury[J]. Shock,1996,6(Suppl 1): S23-S26.

12 Cross CE,Eiserich JP. Oxidative stress in acute lung injury: Deja vu or something new?[J]. Crit Care Med,2004,32(3): 892-893.

13 金發光. 急性肺損傷的診治研究現狀及進展[J/CD]. 中華肺部疾病雜志：電子版，2013，6(1)：1-3.

14 Tang JR,Michaelis KA,Nozik-Grayck E,et al. The NF-kappaB Inhibitory Proteins IkappaBalpha and IkappaBbeta Mediate Disparate Responses to Inflammation in Fetal Pulmonary Endothelial Cells[J]. J Immunol,2013,190(6): 2913-2923.

15 施 卉,任成山. 急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征基礎及臨床研究進展[J/CD]. 中華肺部疾病雜志: 電子版,2013,6(4): 350-355.

16 Fujishima S,Aikawa N. Neutrophil-mediated tissue injury and its modulation[J]. Intensive Care Med,1995,21(3): 277-285.

17 宋 勇,毛寶齡,錢桂生,等. 地塞米松對急性肺損傷大鼠肺組織細胞凋亡及Fas基因與Fas基因配體系統表達的影響[J]. 中華結核和呼吸雜志,2000,23(1): 23-26.

18 Xie K,Yu Y,Huang Y,et al. Molecular hydrogen ameliorates lipopolysaccharide-induced acute lung injury in mice through reducing inflammation and apoptosis[J]. Shock,2012,37(5): 548-555.

19 Zhang N,Yin Y,Xu S J,et al. Inflammation & apoptosis in spinal cord injury[J]. Indian J Med Res,2012,135: 287-296.

20 Ward PA. Oxidative stress: acute and progressive lung injury [J]. Ann N Y Acad Sci,2010,1203: 53-59.

22 Perumal Vijayaraman K,Muruganantham S,Subramanian M,et al. Silymarin attenuates benzo(a)pyrene induced toxicity by mitigating ROS production,DNA damage and calcium mediated apoptosis in peripheral blood mononuclear cells (PBMC)[J]. Ecotoxicol Environ Saf,2012,86: 79-85.

23 Shimizu H,Bolati D,Adijiang A,et al. Indoxyl sulfate downregulates renal expression of Klotho through production of ROS and activation of nuclear factor-kB[J]. Am J Nephrol,2011,33(4): 319-324.

24 Nishanth RP,Jyotsna RG,Schlager JJ,et al. Inflammatory responses of RAW 264.7 macrophages upon exposure to nanoparticles: role of ROS-NFkappaB signaling pathway[J]. Nanotoxicology,2011,5(4): 502-516.

25 Tsai HH,Lee WR,Wang PH,et al. Propionibacterium acnes-induced iNOS and COX-2 protein expression via ROS-dependent NF-kappaB and AP-1 activation in macrophages[J]. J Dermatol Sci,2013,69(2): 122-131.

26 Ritz D,Patel H,Doan B,et al. Thioredoxin 2 is involved in the oxidative stress response in Escherichia coli[J]. J Biol Chem,2000,275(4): 2505-2512.

27 陳 林,梁慶華,楊立新,等. 抗氧化劑谷胱甘肽對慢性阻塞性肺疾病治療作用的研究[J]. 廣西醫科大學學報,2012,29(3): 368-370.

28 高 平. 抗氧化劑治療嬰幼兒肺炎的療效觀察[J]. 南京鐵道醫學院學報,1999,18(2): 124-125.

29 吳 揚. 小兒肺炎抗氧化劑治療[J]. 山西臨床醫藥,1999,8(5): 367-368.

30 Nathens AB,Neff MJ,Jurkovich GJ,et al. Randomized,prospective trial of antioxidant supplementation in critically ill surgical patients [J]. Ann Surg,2002,236(6): 814-822.

31 Lee JH,Jo YH,Kim K,et al. Effect of N-acetylcysteine (NAC) on acute lung injury and acute kidney injury in hemorrhagic shock [J]. Resuscitation,2013,84(1): 121-127.

32 Deng X,Wang X,Andersson R. Influence of anti-inflammatory and antioxidant agents on endothelial permeability alterations induced by bradykinin[J]. J Invest Surg,1996,9(5): 337-349.

33 Kao SJ,Wang D,Lin HI,et al. N-acetylcysteine abrogates acute lung injury induced by endotoxin [J]. Clin Exp Pharmacol Physiol,2006,33(1-2): 33-40.

34 Moradi M,Mojtahedzadeh M,Mandegari A,et al. The role of glutathione-S-transferase polymorphisms on clinical outcome of ALI/ARDS patient treated with N-acetylcysteine[J]. Respir Med,2009,103(3): 434-441.

35 石 卓,趙正言,舒 強,等. 重組β-防御素2在膿毒癥所致大鼠急性肺損傷發生發展中的作用[J]. 浙江大學學報：醫學版,2006,35(6):605-609.