氧化應激與急性肺損傷的關系及研究進展＊

吳煒景 劉晨楠 蔡泓藝

急性肺損傷為肺部的一種損傷的類型，主要考慮是因肺泡毛細血管膜發生彌漫性的損傷，導致出現了不同程度的肺水腫和肺不張。而在臨床上，則主要以呼吸窘迫和頑固性低氧血癥的綜合征等為相關的表現，在疾病的進一步發展下，可發生并成為急性呼吸窘迫綜合征的結果。而急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征的主要病理特征均與肺微血管通透性增高的相關因素有關，進而導致出現以肺泡滲出液中富含蛋白質的肺水腫及透明膜形成，并伴有一定程度的肺間質纖維化產生。而考慮到引起急性肺損傷的病因很多，主要有敗血癥、嚴重感染、休克、輸液過量、吸人異物及脂肪栓塞等。有關急性肺損傷的發病機制，目前還不完全明了，近年來，越來越多的研究資料顯示，以過氧化損傷在急性肺損傷中起著非常重要的作用，現將有關研究進展綜述如下。

1 肺損傷

1.1 概念

急性肺損傷（acute lung injury，ALI）和急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）是一種高發病率、高死亡率的臨床危重癥，其致病因素包括病毒、細菌等感染性因素及藥物中毒、大量輸血、吸入有害氣體等非感染性因素[1-3]。急性肺損傷迅速導致血管內皮細胞彌漫損傷、肺泡上皮細胞損傷及血管通透性嚴重增高，造成頑固的低氧血癥，快速進展成呼吸衰竭及順應性下降的臨床特征[4]。

1.2 新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）致肺損傷的可能機制

1.2.1 新型冠狀病毒通過S蛋白-ACE2途徑感染細胞 在呼吸道，肺泡Ⅱ型上皮細胞血管緊張素轉化酶 2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）廣泛表達于氣管上皮細胞、肺泡上皮細胞、肺泡單核細胞、巨噬細胞、支氣管上皮細胞和支氣管漿液腺[5]。研究表明，其包膜錨定的棘突蛋白進入細胞同樣是與宿主細胞膜受體結合，進而由宿主細胞膜介導，損傷肺部細胞[6]。

1.2.2 炎癥因子風暴 炎癥因子風暴造成肺部損傷在嚴重急性呼吸綜合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）、中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）感染后的病理變化中已被證實為患者死亡的重要原因，本次COVID-19患者在臨床治療中也發生了炎癥因子風暴反應[7]。例如，在Huang等[8]研究的41例患者的血漿中，白介素-2（IL-2）、白介素-7（IL-7）、白介素-10（IL-10）、粒細胞集落刺激因子（G-SCF）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、趨化因子-10（IP-10）等因子均高于正常值。證明COVID-19感染后，病毒可能通過激活核轉錄因子，引起特異性炎性細胞因子和中性粒細胞募集，造成患者肺部功能衰竭從而死亡[9]。

1.2.3 病理改變 COVID-19被吸入后，由肺泡上皮細胞和細支氣管，造成肺泡細胞和氣道上皮的炎癥[10-11]，從而活化全身巨噬細胞，釋放細胞因子，導致肺組織大量中性粒細胞浸潤，血管通透性增加，富含蛋白質的液體滲出，形成透明膜，肺泡內蛋白質液體積聚可進一步加重毛細血管內皮損傷[12-13]。炎癥可繼續進展，氣道上皮和肺泡發生潰瘍，甚至出現肺實變，病變由ALI發展成ARDS。

2 氧化應激與ALI/ARDS之間的關系

2.1 氧化應激可引發ALI/ARDS

氧化和抗氧化是存在于機體內既相互依存又相互制約的兩大系統，若二者出現失衡，即氧化系統增強或抗氧化系統減弱，則出現氧化應激[14]。氧化系統主要是活性氧族（reactive oxygen species，ROS）和活性氮族（reactive nitrogen species，RNS）等活性自由基。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可以進一步激活多形核白細胞（PMN）加重肺損傷。

2.2 氧化應激引起急性肺損傷的機制

2.2.1 脂質過氧化 細胞代謝中產生ROS與一些脂質發生反應，產生過氧化產物的過程即為脂質過氧化反應，其產物包括4-羥基壬烯酸、丙二醛（MDA）等。脂質過氧化可以損傷血管內皮細胞和肺泡上皮細胞。

2.2.2 引起肺水腫 肺水腫在急性肺損傷的演進過程中起重要作用。氧化應激產生的ROS刺激肺組織，血液中誘導型一氧化氮合酶（iNOS）的活性升高，產生過量的一氧化氮（NO）。當肺部組織產生大量NO時，肺部血管舒張，血供增加，支氣管動脈擴張，血液直接經支氣管-肺血管吻合支流入肺，最終形成肺水腫。

2.2.3 脫氧核糖核酸（DNA）損傷 ROS可以損傷細胞的DNA，比如引起DNA點突變、DNA斷裂等。線粒體DNA和線粒體膜容易受到氧化呼吸鏈產生的過量ROS攻擊，線粒體結構被破壞，線粒體產生腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）不足，細胞能量供應不足，導致細胞凋亡、壞死。

3 ALI/ARDS目前治療的研究進展

3.1 化學物質對ALI/ARDS治療的研究進展

近年來，通過化學物質治療急性肺損傷的研究日趨增多。一些化學物質可以通過減少氧化產物的量或增加抗氧化酶的活性來減輕肺損傷。

3.1.1 抑制細胞通路 Nrf2是含有一種與氧化應激密切相關的轉錄因子，屬于CNC-bZIP（Cap‘n’collar basic-region leucine zipper）轉錄因子家族，有較強的細胞防御和保護作用。生理條件下，Nrf2與KELCH樣ECH相關蛋白1（Keap1）形成的復合物存在于細胞質中。氧化應激狀態下，Nrf2通過磷酸化從Keap1蛋白上解離出來并結合ARE序列，啟動下游抗氧化基因與解毒酶的轉錄翻譯，進而削弱氧化應激的作用[15]。HO-1/CO信號通路對內毒素性ALI大鼠發揮內源性保護作用，可能是通過抑制內質網應激的方式。多酚類化合物白藜蘆醇（resveratrol，RES）具有抗自由基、抗氧化作用，主要存在于桑椹、虎杖、花生、葡萄等植物。研究發現，在脂多糖（LPS）誘導的ALI小鼠模型中，白藜蘆醇一方面可以增加超氧化物歧化酶（SOD），加強抗氧化作用，降低抗髓過氧化物酶抗體（MPO）等氧化應激產物；另一方面可降低血清中IL-6和TNF-α含量，控制炎癥反應水平，起到了保護作用[16]。低濃度富氫液能保護膿毒癥相關損傷，其機制可能是通過降低水通道的表達水平，或是通過激活Nrf2/HO-1通路，從而緩解膿毒癥相關性肺損傷。研究表明，姜油酮可通過抗氧化、抗炎作用減緩放療引起的肺纖維化，從而保護肺損傷[17]。可抑制LPS誘導的IL-6、TNF-α、IL-1β分泌，阻斷ALI病理進程。可促進ALI小鼠Nrf2信號通路激活，從而抑制核轉錄因子-κB（NF-κB）信號通路的激活，減輕LPS誘導的全身性炎癥。可使ALI小鼠血清中的MDA含量降低，SOD含量升高，從而抑制氧化應激[18]。研究發現，水仙堿可以通過抑制細胞凋亡、過度炎癥反應和氧化應激保護肺損傷，其機制是施加NF-κB核易位，激活toll樣受體4（TLR4）/NF-κB/環氧酶（Cox）信號通路[19]。水仙堿抑制ROS、乳酸脫氫酶（LDH）、MPO的水平，增強SOD水平，減輕了新生ALI大鼠肺組織的氧化應激狀態，保護肺損傷。因此，水仙堿被認為可能是臨床治療ALI的一種有效新藥。這些研究都為急性肺損傷氧化應激方面的治療提供理論依據及思路，但其具體機制有待進一步探索。

3.1.2 抑制線粒體分裂 研究表明，線粒體動力學異常在LPS誘導的ALI起關鍵作用，可以利用干/濕比檢測特異性抑制劑-1（Mdivi-1）抑制線粒體分裂，從而改善ALI。LPS可激活iNOS，而Mdivi-1可降低iNOS蛋白水平。此外，LPS顯著激活絲裂素活化蛋白激酶（MAPKs）（p38、ERK和JNK）通路，Mdivi-1顯著抑制這些蛋白的磷酸化。同時，Mdivi-1還可以促進Caspase-3的裂解，抑制細胞凋亡。此外，Mdivi-1處理顯著降低肺組織中MDA積累和SOD消耗。LPS誘導線粒體動力相關蛋白（Drp1）蛋白的Ser616位點顯著磷酸化，Ser637位點去磷酸化，Drp1蛋白從細胞質轉位到線粒體，而Mdivi-1抑制了這些作用。因此，改變裂變來重建線粒體穩態可能為ALI治療策略提供一個創新機會[20]。

3.2 ALI/ARDS治療的最新進展

3.2.1 星狀神經節阻滯（SGB） 星狀神經節是支配汗腺、毛細血管平滑肌等的交感神經纖維。在星狀神經節盲探阻滯的過程中易出現氣胸、神經損傷、局麻藥中毒等并發癥。研究表明SGB抗氧化作用的機制是提高超氧化物歧化酶活性，通過超氧化物歧化酶的抗氧化作用對抗氧化應激反應，實驗發現機械通氣兔血漿內MDA濃度降低證明了該觀點。

3.2.2 骨髓間充質干細胞治療（MSCs） 近年來，科學家們逐漸意識到MSCs在治療ALI/ARDS上發揮的重要作用。MSCs在ARDS發生時有效保護肺臟以及減輕肺部損傷，提高ALI動物模型存活率等方面都發揮了重要作用。MSCs分泌的生長因子、趨化因子、免疫調節因子及多種細胞因子可以調節炎癥反應，減少炎癥傳播，修復內上皮細胞，MSCs還有多向分化潛能及自我更新能力，能夠減輕肺水腫，使得肺功能得到恢復[21]。目前仍需要進行進一步的測試來確定MSCs對ARDS、急性腦損傷和敗血癥的潛在治療作用，評估MSCs對這些患者的潛在治療效果需要更多的臨床試驗，但仍缺乏食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的許可及足夠的資金支持，因此在臨床上MSCs未能得到普遍運用[22]。

3.2.3 中醫藥的抗氧化治療 近年來，中醫在抗氧化治療方面有著不小的進展。尤其是在中醫藥及針灸方面上對肺纖維化的抗氧化治療有了更深一步的研究。例如在單味中藥及其衍生物通過調節肺纖維化大鼠中NO、SOD、MDA水平，減輕自由基的損傷，提高機體抗氧化能力，從而起到保護肺組織的作用；其中紅花作為是安全有效的抗肺纖維化藥物，能明顯減少肺組織羥脯胺酸含量，在抗肺組織纖維化中發揮明顯療效，是一種活血類中藥[23]。還有研究表明地龍能夠干預氧化和抗氧化的失衡，其正是以Nrf2通路減少氧化應激反應，從而保護肺組織[24]。

姜黃素可以對肺組織起到一定的保護作用。肺組織中氧化物酶體增殖物激活受體和血紅素加氧酶1的活性對肺功能起到影響作用。姜黃素正是通過抑制炎癥介質的分泌[25]，上調兩種酶的活性，改善肺組織功能。同時研究表明：姜黃素及其類似物對ALI模型的炎癥反應有著明顯的緩解作用，很有可能成為ALI的新型治療藥物[26]。丁香提取物丁香酚也同樣具有抗炎、抗氧化作用。實驗發現丁香酚能抑制氧化損傷及炎癥因子釋放，顯著改善ALI小鼠的肺功能[27]。

3.2.4 內皮祖細胞治療 由于肺實質細胞中內皮細胞占到50%，內皮屏障受到破壞會釋放炎癥因子、激活促凝途徑、白細胞浸潤并引起肺組織水腫，進一步加重肺損傷[28]。而研究顯示，內皮祖細胞能夠分化成內皮細胞保證內皮屏障的完整性，減少通氣誘導肺損傷大鼠總蛋白在灌洗液中的含量，緩解肺水腫，使氧合指數提高[29-30]。有研究把內皮祖細胞移植與VEGF基因轉染作用于ALI小鼠和單純移植內皮祖細胞相比較，結果顯示前者更好地改善肺水腫與氧合，并降低了誘導一氧化氮合酶和內皮素-1的表達，能夠更好地修復肺組織[31]。同時研究表明，內皮祖細胞移植可以通過對炎癥介質包括IL-1β、IL-6、TNF-α、MPO等表達的下調，緩解ALI的癥狀[32]。

4 小結與展望

綜上所述，急性肺損傷與氧化應激的關系十分密切。目前，對于氧化應激引起急性肺損傷的機制的研究取得一些進展。氧化應激可以通過脂質過氧化、DNA損傷等途徑引起急性肺損傷。其中，對于相關細胞信號通路的研究將成為今后研究的重點。治療措施方面，一些藥物可以減輕氧化應激的影響，進而達到治療急性肺損傷的效果，但這些研究大多缺乏足夠的臨床證據。另外，一些新的治療方法，如間充質干細胞療法，距離真正進入臨床還有一段距離。急性肺損傷的病死率較高，病因、機制也較為復雜，臨床上也無特效的藥物或治療手段。氧化應激在急性肺損傷的發生發展中起了重要的作用，針對氧化應激相關的信號通路、分子靶點的藥物或許能給急性肺損傷的治療帶來一些進展。