氧化應激反應與新生兒支氣管肺發育不全的研究進展

焦 穎，劉巍巍，韓冬韌

(首都醫科大學附屬北京婦產醫院新生兒科，北京 100026)

支氣管肺發育不全(bronchopulmonary dysplasia,BPD)是一種早產兒的慢性肺疾病，是嬰兒肺疾病的主要原因,也是早產兒的主要死亡原因。隨著產前激素的應用，新生兒重癥監護室管理質量的改善和早產兒尤其是超早產兒存活數量的增加BPD在過去40多年經歷了許多變遷[1]。最早在1967年底,挪威人通過對早產兒呼吸窘迫綜合征的臨床、影像和病理改變的觀察出版了描述BPD的文章[2]。BPD在早產兒、低出生體重兒和極低出生體重兒中的發生率高達25%～35%[3]。BPD可導致患兒住院頻次增加，死亡率升高，并且影響生長發育及神經系統發育。盡管目前醫學界針對新生兒呼吸衰竭的預防和治療已經做出了很大改善及提高，但對BPD的成因及治療仍是兒科醫師需要攻克的一大難題，需要醫學界的廣泛關注[3]。

在新生兒時期有許多病因可以導致肺損傷，其中由于大量自由基的產生而誘發的氧化應激反應是導致肺損傷的主要原因，這一觀點已經逐漸引起醫學界的廣泛關注。許多因素可誘發體內產生自由基，氧化應激則發生在自由基的產生超過機體抗氧化防御能力時，這一過程在新生兒時期經常出現[4]。新生兒不成熟的抗氧化系統，營養不良，氣道炎癥反應以及所使用機械通氣的類型不當均可致氧化應激增加，從而導致永久性的肺損傷[5]。現就炎癥等因素誘發氧化應激的生物化學過程以及氧化應激反應導致BPD發生、發展的相關機制進行綜述。

1 炎癥反應誘導氧化應激反應損傷的生物化學機制

炎癥反應是誘發氧化應激損傷的重要原因且常同時存在，因此炎癥導致的胎盤功能紊亂和絨毛膜羊膜炎在BPD的發生、發展中起重要作用[6]。特異性和非特異性炎癥反應對早產兒BPD發生、發展的影響已受到廣泛的關注和研究。在人類的免疫系統中，促炎癥和抗炎癥反應以及細胞因子的產生是一個變化和復雜的動態平衡過程。有研究提出，在炎癥和氧化應激損傷之間存在特殊的相互作用[7-8]。但這些相互作用的機制目前尚不十分清楚。當感染發生時促炎癥細胞因子(如腫瘤壞死因子、白細胞介素-1、白細胞介素-6、白細胞介素-8)釋放，機械通氣損傷引起的非特異性炎癥反應也可以引起細胞因子的生成及釋放[7-8]。炎癥反應引起氧化應激損傷的主要機制是直接激活炎癥細胞，特別是粒細胞。

激活的炎癥細胞會釋放大量的氧化自由基和蛋白酶，導致內皮細胞過氧化反應的發生及損傷，增加血管的滲透性，從而導致肺間質、肺泡和氣道的水腫。自由基中數量最多的是超氧化物陰離子，其在細菌殺傷反應的第一階段生成，隨后其他自由基也大量產生，如由超氧化物歧化酶催化的過氧化氫離子，過度金屬酶催化的羥基自由基，過氧化物酶催化的次氯酸。這些物質不僅可以殺傷細菌，也可以導致組織損傷，而且這些物質也會增加血管的通透性，促進細胞因子透過，增加炎癥反應和組織水腫。其結果是滲出的血漿細胞和炎癥細胞導致細胞外部的表面活性物質合成障礙[9-10]。此外，促炎癥細胞因子中的部分細胞因子可以增加一氧化氮合酶的表達，一氧化氮合酶可以催化一氧化氮的合成。一氧化氮和超氧化自由基可以聯合形成過氧化硝酸鹽，這種物質可以自發的分解形成其他有害的代謝產物，如羥基自由基、二氧化氮和二氧化氮陽離子[11]。

過氧化硝酸鹽是一種不穩定的物質，可以快速地與酪氨酸結合形成硝基酪氨酸。硝基酪氨酸已經被作為慢性肺疾病中過氧化硝酸鹽存在的標志物。已證實在合并BPD的早產兒中，生后的第1個月中血漿3-硝基酪氨酸含量增多[12]。有研究顯示，肺內富氧環境所致的非特異性炎癥反應可以導致一氧化氮及其代謝產物等有毒物質增加，這會進一步導致表面活性物質失活[13-14]。另一方面，研究顯示，氣管內分泌物中腫瘤壞死因子的含量在氣道炎癥反應時增多，且與機械通氣使用的時間和BPD的發生率有關[15]。有呼吸窘迫的早產兒在小氣道中也會產生大量的白細胞介素-10，抗炎癥細胞因子的存在可預防BPD的發生、發展。相反，Jones等[16]在大部分早產兒氣道樣本中并沒有探測到白細胞介素-10的存在，因此早產兒氣道中抗炎癥反應的作用機制仍需進一步研究。

Kemp等[17]的實驗很好地演示了炎癥對肺成熟影響的復雜性。在早產小羔羊的羊水中注射內毒素，胎兒肺的炎癥反應增強，臍帶血內毒素劑量增加。其中白細胞介素-1a是胎兒肺部炎癥反應的有效中介物。羊水中注射白細胞介素-1a會誘導氣道炎癥反應，并且在支氣管肺泡中產生大量的單核細胞、粒細胞、淋巴細胞和白細胞介素-8蛋白。中性粒細胞產生的過氧化物因子導致了最初的肺損傷，而絨毛膜羊膜炎的存在則會導致肺組織進一步瓦解，肺損傷和修復同時存在時則促進BPD的發生、發展[17]。

微囊蛋白是一種通過多種信號通路調節肺損傷和重塑的調節器。已經證實[16-17]，產前的絨毛膜羊膜炎和胎兒肺部炎癥反應能降低微囊蛋白濃度，導致肺部損傷和重塑的失衡，從而促進BPD的發生。絨毛膜羊膜炎會改變胎兒先天的免疫系統，并且通過降低氣道中淋巴細胞的反應能力導致后天的全身免疫系統和氣道反應性改變，使機體的抗氧化防御機制減弱，從而影響肺部的成熟及增加BPD的發生率。此外，在生后肺部感染炎癥時，噬菌細胞在肺部調節抗微生物的作用是通過釋放溶菌酶素、過氧化物酶、蛋白酶、氧化自由基和一氧化氮來完成的。作為抵抗微生物入侵的重要防御手段，在呼吸爆發反應過程中激活噬菌細胞和Ⅱ型肺泡細胞會產生大量的氧化自由基，從而導致肺損傷[18-19]。

由于特異性和非特異性炎癥反應所致的氧化應激反應對肺部損傷的過程復雜，在不同的孕周會產生不同的細胞因子，肺部組織和表面活性物質對不同的細胞因子有不同的反應和結局，因此仍需要大量的研究進一步探討[20]。

2 氧化應激反應導致BPD發生、發展的相關機制

2.1氧化應激導致BPD的機制 氧化應激反應與BPD的發生、發展密切相關。由于早產兒肺組織中的脂肪和蛋白質易受到氧化應激反應的破壞，因此早產兒更容易發展成BPD。這些不同的氧化應激反應過程在生后的前幾天最明顯。從肺損傷進展到BPD的過程是在生后的幾個小時至幾天中發生發展的，并且氧化應激反應在這一病理過程中起主導作用[21]。氧化應激反應會發生在所有生后的新生兒中，這是由于從宮內的低氧環境過渡到宮外的高氧環境時，體內會因為氧化過程產生大量的自由基。自由基的來源主要包括炎癥、低氧高氧環境間的切換、缺血、谷氨酸和鐵離子的大量釋放，這些都會在圍生期增加胎兒或新生兒的氧化應激反應。另外，早產兒的抗氧化系統不完善，不能抵抗活性氧類的有害影響，因此會導致新生兒自由基相關性疾病，包括BPD[22-23]。

2.2氧化應激在BPD纖維化進程中的促進作用 BPD的特點是組織重塑，分為不同的階段，最終階段是慢性化過程，產生大量的纖維組織增生。基質金屬蛋白酶在調節纖維化的過程中起重要作用，它們可以減少基質蛋白和膠原纖維。基質金屬蛋白酶和其抑制劑之間的相互平衡對肺部纖維化過程的調節起重要作用。它們的表達通過細胞因子、生長因子和細胞外基質成分調節。如前所述，炎癥反應可促進細胞因子的釋放，從而誘導氧化應激的發生，而氧化應激既可以抑制基質金屬蛋白酶的活性也可以增加其抑制劑的活性，因此，會導致肺部纖維化增加，同時通過增加膠原酶的活性，引起細胞外基質的斷裂，從而導致BPD的發生、發展[24-25]。

高氧血癥和炎癥反應可通過呼吸爆發反應產生大量的自由基，從而觸發氧化應激反應，促使BPD的發生。高氧血癥也可以誘發新生兒BPD中纖維化的進程。與此同時，高氧環境也會導致表面活性物質蛋白A、表面活性物質蛋白B和表面活性物質蛋白C85的增加，被氧化的表面活性物質蛋白A蛋白也會使表面活性物質生成減少，以及降低機體免疫防御功能。高氧血癥也可能同時催化磷酸甘油酯合成的第一步所需的限速酶甘油-3-磷酸酰基轉移酶，此酶對氧化應激損傷十分敏感，從而導致表面活性物質磷脂生成減少[26-27]。

2.3氧化應激導致BPD發病機制的新理論 目前新提出的BPD理論機制是更多地將其發生、發展歸因于肺泡自身的發育延遲，并可能會導致永久性的肺泡不發育，而不是經典的BPD理論機制主要關注的是肺部纖維增生機制。研究發現，白三烯4在生后第7天時含量升高，而白三烯4在炎癥反應時會大量產生，這一現象則暗示炎癥所導致的一系列復雜的氧化應激損傷是新的BPD發生、發展的理論基礎。而在經典的BPD理論中，8-羥化脫氧鳥苷在生后第3天時顯著增高，提示氧化應激導致的DNA損傷可能是經典BPD的重要發病機制[28-29]。

氧化應激反應也可以使肺表面活性物質失活，已有實驗演示了在小鼠中使用高氧并注射次黃嘌呤可以導致炎癥、水腫、蛋白滲出，并且同時炎癥細胞會導致細胞外部的表面活性物質損傷[30]。

2.4早產兒對氧化應激的防御機制的特點 動物模型已經顯示，超氧化物歧化酶是一種保護機體免于自由基和細胞因子誘導損傷的物質。超氧化物歧化酶在使用機械通氣的早產兒中會減少，但在足月的動物中并不減少[31]。硫氧還蛋白和吡哆醇存在于線粒體膜上，可以清除自由基。硫氧還蛋白和吡哆醇也是一種可以激活超氧化物歧化酶的蛋白。在小鼠實驗中[29-30]，這些分子的水平在胚胎時期較低，但在生后開始增多，特別是在氣管支氣管上皮細胞和一些肺泡細胞中。已確認在早產動物中，高氧血癥和炎癥反應時氣管支氣管上皮細胞和一些肺泡細胞中這些抗氧化因子是缺乏的，因此早產動物的抗氧化應激損傷能力不會隨著氧化應激反應的出現而被徹底誘發[32-33]。

3 應對氧化應激反應的治療

BPD的發病是一個復雜的過程，目前已有大量數據支持特異性和非特異性炎癥產生的自由基介導的氧化應激損傷在BPD發生、發展中的作用[31]。早產兒持續用氧到32周后，持續的高血氧飽和度會增加BPD的發生率，且極早產兒即使是短時間暴露于高濃度氧也會導致肺部的損傷，最終導致BPD的發生[31]。這是極早產兒窒息復蘇時用氧濃度應該從30%～50%開始的原因[34]。個體化的呼吸支持，最低的氧濃度設定，減少呼吸暫停的發生和正常的生長發育都會減少BPD的發生且減低其嚴重程度。

分娩前激素的治療已廣泛應用。產前激素治療可能會中和炎癥反應，這一過程需要依賴微生物對感染防御系統的反應，刺激的時間，胎兒胎盤的成熟度，胎盤糖皮質激素的分泌和遺傳因素，并且不同的情況會有不同的結果。因此，產前激素治療抑制炎癥反應促進肺部成熟的效果存在個體差異[22]。未來應對氧化應激反應的治療建議補充酶或非酶的有效抗氧化物質以減少自由基導致的損傷，特別是對BPD和其他的自由基相關疾病。維生素A、維生素C和維生素E是正常機體中重要的物質，并且有抗氧化防御作用。這些維生素能夠阻止自由基誘導的脂質過氧化反應，并且可以清除自由基。在合并BPD的新生兒中，血漿β胡蘿卜素和維生素A的濃度低于正常，可能導致抗氧化防御能力降低。在早產兒中蛋白損傷的血漿標志物3-硝基酪氨酸和蛋白碳基越高，發生BPD的風險越高[35]。在早產兒圍生期的過渡過程中，抗氧化應激反應防御系統不成熟，各組織細胞免于自由基的損傷從而免于自由基相關疾病的能力也不足，這就衍生出外用的抗氧化制劑，如維生素A，E和聯合超氧化物歧化酶已被用于嘗試治療和預防BPD的發生。

一項Meta分析結果顯示[14],補充維生素A能夠減少BPD，但之后的研究顯示在糾正胎齡18～22個月時神經系統和肺部的發育無顯著不同[36]。微量元素，如銅、鋅、鐵和硒對于維持抗氧化酶的正常功能也十分重要，這些營養元素的補充也能使總體的抗氧化能力優化。然而，一些研究顯示在低出生體重兒中更少的微量元素并沒有顯著影響抗氧化酶濃度和BPD的進展[37-38]。

早產兒抗氧化物質的使用，特別是暴露于氧化應激反應和處于BPD高危的情況下，對于預防和改善自由基的損傷是一個可行的策略，但仍需要更多的研究支持這一觀點[39]。

4 小 結

BPD一直是早產兒最嚴重而復雜且最受廣泛關注的疾病。早產兒易受氧化應激反應和自由基毒性的影響。出生時，相對的高氧環境暴露及氧氣生物利用度增加會導致血液中自由基增多。其他原因，如炎癥、缺氧、缺血、谷氨酸和離子鐵的釋放均可導致氧化應激反應的發生。氧化應激在BPD的發生、發展中有重要作用，需要更加完善的研究及觀察更好地證實這一現象和它對嬰兒健康的影響。抗氧化物質在早產兒中的使用，特別是對暴露于氧化應激和有BPD風險的早產兒，可減輕自由基的損傷，但在未來仍需要進一步研究支持這一觀點。