肺爆震傷的分子生物學機制及靶向干預研究進展

王俊男，奚 望，程彭超，楊 潛，王志農

隨著當今世界局部沖突頻發、恐怖襲擊及工業事故等不斷增多，爆炸致傷、致死已成為軍事人員及平民生命健康的重要威脅。各類爆炸產生的沖擊波超壓直接作用于機體所造成的損傷稱為原發沖擊傷或爆震傷[1]，其中肺組織因其含氣的特殊結構特征最易損傷，形成的肺爆震傷（Blast Lung Injury，BLI）是爆炸沖擊傷最常見的死亡原因之一[2]，對其病理生理及分子生物學變化的認識是BLI傷情判斷、早期救治及轉歸預測等的立足點之一，已成為軍事醫學和災害醫學的研究重點。

BLI的主要病理生理變化可被概括為[3-5]：沖擊波通過散裂力、內爆力和慣性力造成肺泡毛細血管和肺泡壁的廣泛損傷，直接引起氣胸、肺氣腫、氣體栓塞、肺出血和肺水腫等，進而繼發氧化應激反應、炎性反應及細胞凋亡反應等，使得肺泡上皮細胞和肺毛細血管內皮細胞等遭受進一步損傷，導致肺泡毛細血管通透性增加、肺泡壁結構破壞及肺泡表面活性物質功能障礙，引起或加重肺水腫、通氣血流比例失調、肺順應性和容量降低等，出現急性肺損傷（Acute Lung Injury，ALI）或急性呼吸窘迫綜合征（Acute Respiratory Distress Syndrome，ARDS）。在BLI的細胞與亞細胞水平變化、分子生物學機制和靶向干預等方面，最新研究取得諸多進展，本文從氧化應激反應、炎性反應、細胞凋亡反應及固有免疫應答等方面對相關研究進展進行綜述。

1 分子生物學機制

1.1 氧化應激反應 機體內氧化和抗氧化兩大系統既相互制約又相互依存，當氧化系統增強或者抗氧化系統減弱的時候均可表現出氧化應激的狀態。氧化系統中活性氧族（Reactive Oxygen Species，ROS）、活性氮族（Reactive Nitrogen Species，RNS）等活性自由基可直接造成組織和細胞的一系列過氧化損傷，并且激活和加劇炎性反應。氧化應激反應在BLI發生發展中發揮關鍵作用。沖擊波作用后肺組織內廣泛出血，紅細胞破裂，釋放出大量游離血紅蛋白，游離血紅蛋白暴露在細胞外環境被不可逆的氧化為氧代高價鐵血紅蛋白，大量自由基形成，從而打破平衡，啟動氧化應激反應和炎性反應。

早在二十世紀末，Elsayed等[6-9]的一系列實驗已觀察到爆震傷致肺部抗氧化物質減低、脂質過氧化和血液氧合下降，提示血紅蛋白氧化發揮氧化應激損傷始動作用。后續研究進一步證實相關反應的存在。Tong等[10]檢測BLI小鼠模型的ROS水平，發現氧化應激反應在傷后3 h已開始，在24 h達到頂峰，隨即緩慢下降。組織中抗氧化酶類黑色素瘤分化相關基因-5、肌醇依賴酶-1α表達增加，而超氧化物歧化酶-1表達受抑制。Chavko等[11]的研究發現，BLI發生2 h后，抗氧化酶類及部分趨化因子開始增加，氧化應激及炎性反應激活，蛋白質氧化和硝化作用加強，相關反應在24 h至48 h間最為明顯。此外，肺的形態學損傷和炎性的消散與血紅素氧合酶-1和二氧化錳超氧化物歧化酶的表達激活相一致。其他研究同樣觀察到肺內血紅蛋白氧化、自由基增加，抗氧化劑消耗及脂質過氧化的現象[7]。Gorbunov等[12]的研究發現，BLI發生3 h后，肺的廣泛出血灶中可觀察到炎性細胞浸潤，髓過氧化物酶、超氧化物歧化酶-1、血紅素氧合酶-1及轉鐵蛋白水平增加，鐵元素沉積，酪氨酸殘基硝化等，表明氧化應激反應與早期炎癥反應密切相關，活性鐵、ROS、RNS等起重要作用。

氧化與抗氧化作用的協調顯然有助于阻遏BLI發展，抗氧化劑用作BLI干預的相關研究在后文做進一步介紹。

1.2 早期炎性反應 沖擊波致肺組織廣泛損傷后早期出現炎性細胞聚集浸潤，炎性介質、細胞因子等大量釋放，炎性失控造成自身持續放大，使得上皮細胞及內皮細胞進一步破壞，進而引起ALI及ARDS。Gorbunov等[13]認為PBLI損傷過程中的炎性反應與各類嚴重創傷近似，其研究發現，沖擊波致肺損傷后1 h，邊緣池的中性粒細胞迅速動員至循環池，血液循環中中性粒細胞數量增加至正常水平的2.7倍。在傷后3 h和6 h，中性粒細胞數量分別為正常水平的約5倍和3.5倍，其增加伴隨中性粒細胞黏附分子CD11b表達增加和外周血轉鐵蛋白復合物水平下降。研究顯示，在趨化因子作用下，中性粒細胞同樣會從骨髓動員入血并活化[14-16]。Chavko等[11,17]的多項實驗研究利用髓過氧化物酶活性及中性粒細胞趨化因子-1、細胞間粘附分子和誘導型一氧化氮合酶的表達水平衡量肺組織炎性反應程度，發現大鼠致傷后24 h和48 h之間炎性反應達到頂峰，而后在192 h內逐步減輕至恢復正常。其研究同樣發現CD11b水平與炎性反應程度相一致[17]。此外，多項研究[10,15,18-19]表明，大鼠、兔等遭受沖擊作用后，血漿中腫瘤壞死因子α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）、 白介素 -1β（Interleukin-1β，IL-1β）、IL-6、IL-12、IL-18等促炎細胞因子及炎性標志物顯著升高，且水平和損傷嚴重程度相關。抗炎細胞因子IL-10水平則受明顯抑制。

單核-巨噬細胞在BLI炎性反應及固有免疫反應中發揮復雜作用。Seitz等[20]的研究發現，大鼠BLI傷后早期，支氣管肺泡灌洗液和上清液中肺泡巨噬細胞趨化因子水平和肺內巨噬細胞數目增多，且其中化學趨化因子受體-2（Cc Chemokine Receptors-2，CCR-2）和單核細胞趨化蛋白-1（Monocyte Chemotactic Protein-1，MCP-1）的mRNA水平增加。結果表明PBLI導致單核-巨噬細胞的肺內趨化、募集，特異化學趨化因子受體的mRNA上調可代表循環血單核細胞趨化反應的加強。Barnett-Vanes等同樣發現PBLI大鼠肺組織中單核巨噬細胞數目和MCP-1水平的快速增加[21]。此外，Niesler等[19]的研究則發現，肺泡巨噬細胞耗竭引起PBLI小鼠支氣管肺泡灌洗液中MCP-1、趨化因子RANTES（Regulated on activation, normal T cell expressed and secreted）水平顯著提高以及肝庫普弗細胞趨化因子釋放相對增加，提示肺泡巨噬細胞參與BLI相關局部及全身炎性反應的調控，可能主要發揮抗炎作用。

核因子κB（Nuclear Factor Kappa-B，NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信號通路是控制炎性反應等多種生物學反應的經典通路。研究發現，沖擊波致傷后，肺組織NFκB P65、MAPK mRNA表達，與肺損傷情況及肺炎性反應水平一致[22]，相關通路可作為干預的靶通路[23-25]。二甲基精氨酸二甲胺水解酶-1（Dimethylarginine Dimethylaminohydrolase-1，DDAH-1）/非對稱性二甲基精氨酸（Asymmetric Dimethylarginine，ADMA）信號通路和磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K）/蛋白激酶B（Protein kinase B，Akt）/叉頭框轉錄因子O1（Forkhead box O1，FoxO1）信號通路也被證實與BLI炎性損傷、氧化應激及細胞凋亡等反應相關[26-28]。

1.3 細胞凋亡反應 細胞凋亡是生物體內由基因控制的自主程序性死亡。BLI中，氧化應激反應及炎性反應促進肺泡上皮細胞、肺血管內皮細胞的凋亡，而組織細胞過度凋亡往往造成進一步損傷，使得呼吸功能下降，疾病發展惡化[29]。目前研究發現，BLI中細胞凋亡主要發生在傷后早期。Liener等[30]首次觀察到爆震傷后肺組織細胞凋亡數量明顯增加的現象，且發現損傷發生6 h，凋亡即開始發生，在傷后48 h達到頂峰。其他研究同樣發現沖擊作用可誘發動物模型肺組織細胞的凋亡，在48 h后[31-32]或12-48 h內[10]最為顯著。

半胱氨酸蛋白酶家族是細胞凋亡的核心調控分子，可通過內源性的線粒體通路和外源性的死亡受體通路被激活。Bax和Bcl-2分別是重要的凋亡促進和抑制蛋白，與線粒體通路密切相關；而Fas屬于腫瘤壞死因子超家族成員，FasL是Fas的天然配體，二者是死亡受體通路的主要作用分子。研究表明相關分子和通路在BLI細胞凋亡中發揮重要作用。Liener等[30]的研究發現，細胞大量凋亡的同時Caspase-8水平明顯增加。Seitz等[32]在沖擊波誘導肺II型上皮細胞凋亡的過程中發現FasL、Fas、Caspase-8和Caspase-3等水平均顯著提高，而Bax和Bcl-2水平無明顯變化，提示外源性凋亡途徑發揮關鍵作用。然而國內外多項最新研究[10,29,31]驗證了肺組織細胞凋亡中Caspase-3和Bax的影響，說明內源性凋亡途徑的作用同樣重要。PBLI中細胞凋亡反應的具體機制有待進一步明確。

Liener等[30]的研究顯示，肺組織細胞凋亡的發生與BLI致肺內中性粒細胞的積聚與增加無關。Seitz等[32]則發現沖擊波致傷48 h后，肺泡Ⅱ型上皮細胞的凋亡增加伴隨肺泡內巨噬細胞浸潤的增多，提示凋亡反應與巨噬細胞釋放炎性介質互相關聯。ALI發展中已證實存在炎性細胞的凋亡延遲，可導致炎性反應的加劇，促進損傷發展[33]。在BLI中，細胞凋亡與氧化應激、炎癥反應等的相互作用可成為未來研究重點。

1.4 固有免疫應答 以往認為固有免疫系統只針對病原體誘導的組織損傷，近年來已明確組織創傷同樣可以通過損傷相關分子模式（Damage-Associated Molecular Pattern，DAMP）激活固有免疫細胞的模式識別受體（Pattern Recognition Receptor，PRR）啟動無菌性炎性，表現為中性粒細胞和單核巨噬細胞等的聚集及細胞因子、趨化因子和粘附分子的產生。

近年來發現在BLI中同樣存在一系列與炎性反應相關的固有免疫反應。Barnett-Vanes等[21]的研究發現，BLI傷后數小時內外周血及肺組織內中性粒細胞和單核-巨噬細胞的數量顯著增加，同時脾臟中單核-巨噬細胞也有增多，B細胞、T細胞及自然殺傷細胞則無明顯變化。Flierl等[34]的研究顯示，BLI可導致補體系統激活伴隨外周血中性粒細胞增加和功能改變，補體片段C5a在其中發揮重要調節作用。補體C3a和高遷移率族蛋白b1（High-Mobility-Group Box 1，HMGB1）也被證明與BLI炎性反應密切相關[35]。HMGB1可作為一種重要的DAMP與PRR結合發揮效應。

Yang等[36]針對神經內分泌激素的作用開展研究，結果表明，在BLI早期，腎上腺激素可通過調控Toll樣受體、清道夫受體、白細胞分化抗原14等PRR的表達增強局部巨噬細胞的趨化和吞噬功能，提高促炎細胞因子水平，進一步激活固有免疫應答。Kn?ferl等[37]觀察到傷后2 h血清TNF-α和IL-6明顯增高，脾巨噬細胞釋放的IL-8增加；傷后24 h血漿細胞因子水平受極大抑制，脾巨噬細胞產生TNF-α、IL-10、IL-12則顯著減少。結果表明BLI對遠離損傷部位的免疫活性細胞群功能也具一定影響。上述研究提示固有免疫系統在BLI損傷過程中具有重要作用，但具體效應和相關機制尚不明確。

2 分子靶向干預

著眼于BLI發生發展過程中的上述細胞分子變化，國內外學者積極開展BLI的靶向干預研究。國內學者近年來主要開展了綜合抗炎、抗氧化應激及抗凋亡等方面作用的干預研究。Liu等[27]的近期研究發現，殼寡糖可通過DDAH-1/ADMA信號通路有效緩解BLI小鼠肺組織的炎性反應、氧化應激反應及凋亡反應，保護肺功能，減輕BLI損傷。Liu等[26]同樣發現丹參酮ⅡA在BLI損傷過程中具抗炎、抗氧化應激等保護作用，其機制可能是通過PI3K/Akt/FoxO1信號通路實現。在他們稍早的研究中，已證實T淋巴細胞表面表達的共刺激分子CD28缺陷可通過該通路實現BLI的緩解[28]。中國人民解放軍總醫院的系列研究通過離體細胞實驗和犬BLI模型實驗證實全氟化碳的保護效應，發現其作用可能與NF-κB和MAPK信號通路有關，全氟化碳汽化吸入有望成為BLI早期干預的新途徑[23-24]。國內學者還發現在BLI中，自由基清除劑依達拉奉發揮抗氧化和調控炎性介質釋放的效應，抗炎作用通過抑制NF-κB信號通路實現[25]；絲氨酸蛋白酶抑制劑烏司他丁和彈性蛋白酶抑制劑西維來司鈉也被發現可通過抑制多種炎性介質和炎性因子的釋放減輕早期肺損傷[38-39]。

國外學者則對于抑制BLI中氧化應激損傷進行了一系列研究。21世紀初，美軍研究機構已證實維生素C、維生素E、硫辛酸等抗氧化劑的保護作用[7]。氯高鐵血紅素可激活血紅素氧合酶-1，發揮抗氧化作用，減輕急性肺出血后繼發的血紅蛋白相關氧化應激損傷，并可激活腺苷酸環化酶，舒張微血管以改善組織灌流，有望用于BLI治療[40-41]。美國馬里蘭海軍醫學研究中心的一項研究證實應用氯高鐵血紅素可顯著提升BLI大鼠的生存率，但具體機制尚不明確，無法判定其保護效果強于一般抗氧化劑[41]。N-乙酰半胱氨酸同樣具有抗氧化和抗炎效應，研究發現，在BLI過程中，其主要通過清除自由基、阻滯趨化因子激活、抑制中性粒細胞介導的氧化應激損傷發揮保護作用，而不影響炎性細胞的遷移和浸潤[17]。N-乙酰半胱氨酸的抗氧化作用被認為同樣與血紅素氧合酶-1mRNA的激活相關。另外，一項早期研究表明一氧化氮可能充當抗氧化劑緩解BLI中叔丁基過氧化氫誘導的氧化損傷[42]。

此外，國外學界中各類新興分子對于BLI的干預研究相當活躍。美國陸軍外科研究所[35]發現，早期應用促衰變因子進行補體抑制可顯著緩解BLI中的局部和全身炎性反應，其作用通過補體C3a-C3a受體-HMGB1-轉錄因子通路實現。Hagisawa等[43]所應用的一種新型γ-纖維蛋白原腺苷脂質體可通過促進腺苷信號轉導發揮抗炎效應，減輕肺組織爆震損傷，有效提高BLI小鼠生存率。相關的新型納米藥物控釋系統應用價值較好。Hubbard等[44]研制的裝載地塞米松的高分子多肽納米顆粒可靶向激活血小板，對BLI兼具抗炎和止血的治療效果。此外，目前研究發現硫化氫、硫化鈉具有一定的抗氧化應激和抗凋亡效應，但對BLI動物模型的器官功能改善不明顯，相關保護作用有待進一步研討[15,45]。

3 展 望

綜上所述，BLI的分子生物學機制十分復雜，氧化應激反應、炎性反應、細胞凋亡反應及固有免疫應答等在BLI發生發展中的重要作用已獲得廣泛認可，但各類反應細節及相互作用機制尚未闡明，應持續加強相關的基礎研究探索。在BLI分子靶向干預研究方面，國內學者主要開展了綜合抗炎、抗氧化應激及抗凋亡等方面作用的干預研究，而國外研究者對于抑制BLI中氧化應激損傷以及新興分子干預作用的研究較為深入。筆者認為，目前靶向干預研究尚未形成體系，未來可能需進一步結合BLI機制研究的相關突破針對性地開展探索。