脓毒症血管内皮细胞损伤的研究进展

何慧敏,段美丽

脓毒症 (sepsis)是严重创伤、烧伤、休克、大手术后常见的并发症,进一步发展可导致脓毒性休克 (sepsis shock)和多器官功能障碍综合征 (multiple organ dysfunction syndrome,MODS),是临床危重病症中最常见的死亡原因[1]。有研究显示美国 1995年脓毒症发病 751 000例,导致死亡 21 500例[2]。每例脓毒症患者平均费用为 22 100元,全国总消费为 167亿。一项最近医院记录显示死于脓毒症的患者总例数近几年逐渐增加[3]。但严重脓毒症的病理生理学机制仍未得到界定,目前被广泛接受的是脓毒症的病死率与宿主免疫反应应答有关,并且涉及多种细胞因子、炎性递质和凝血因子,而临床研究方面无有效的治疗措施[4]。

脓毒症最普遍的临床表现是全身炎症反应综合征 (如发热、心动过速、呼吸急促和白细胞增多等)和器官功能障碍(如急性肺损伤、急性呼吸窘迫综合征、休克等)。炎症反应的实验标记物包括高循环水平的 IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子 -a[5-7]。凝血级联反应的激活最常见的表现是 D-二聚体水平的增多 (约 100%的患者)和循环蛋白 C水平的降低(≥90%的患者)[8-10]。不到一半的脓毒症患者达到弥散性血管内凝血 (DIC)的界定标准[11-12],具有广泛激活凝血功能、纤维素沉积、血栓形成和 (或)出血的特点[13-14]。

本文要点

近年来,脓毒症血管内皮细胞损伤的研究得到了越来越多的关注,大量体内、体外及临床实验表明血管内皮细胞损伤与多种细胞因子、炎性递质和凝血系统的激活密切相关,为脓毒症发病机制及早期诊断提供了新的视角。本文主要阐述血管内皮细胞损伤在脓毒症病理生理中的作用及血管内皮细胞损伤检测指标的研究进展。

脓毒症的发病机制包括凝血功能失调、异常介质的产生、超炎症反应应答、内皮细胞损伤及其他细胞凋亡等。近年来研究认为,血管内皮细胞 (VEC)是参与炎症应答的主要靶细胞之一[15-16],同时内皮细胞不仅是炎症反应中被动的靶细胞,也是一种效应细胞[17],在微循环障碍、脓毒性休克及多器官功能损伤中起着重要作用。目前对脓毒症的病理生理学有几个重要的主题,包括:宿主反应;单核细胞和内皮细胞在起始和延长;与之伴行的炎症的激活和凝血级联反密切联系。本文集中讨论 VEC在脓毒症发病进展中作用及 VEC损伤指标检测的进展。

1 VEC的生理功能及在脓毒症病理生理中的作用

1.1 VEC的生理功能 VEC是位于血管内壁的一层多功能细胞,位于循环血液和周围组织之间。由于它们是最先暴露于循环血液中的侵入性病原体,对损伤有着高度的敏感性,但内皮细胞具有显著的自我保护能力。内皮组织有助于维持器官内环境稳定,包括血管舒张、选择性血管渗透压和提供抗凝血表面[18]。然而,在感染过程中,内皮组织的正常功能混乱,导致具有脓毒症特点的器官功能障碍[19]。

VEC的主要生理作用包括:(1)抑制血栓形成。(2)是血液的组织屏障组成部分,对物质选择性通透。血管通透性是通过内皮组织的收缩和肌球蛋白轻链的磷酸化调节的,磷酸化诱导肌球蛋白轻链构象改变,促进肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用,维持收缩状态[20]。(3)调节血管紧张度,即释放一氧化氮 (NO)、前列腺素 (PGI)舒张血管,释放内皮素 I(ET-1)收缩血管。 (4)释放多种细胞因子,发挥多种生理功能。(5)调节血液免疫功能,在病理状况下,中性粒细胞活化后生成的氧代谢产物、蛋白酶类、细胞因子、花生四烯酸代谢产物及多形核中性粒细胞 (PMN)粘附因子与 VEC粘附因子相应配体的表达之后发生的黏附等都损伤 VEC,破坏血管屏障完整性,继而造成组织损伤。内皮细胞的损伤在脓毒症的发生、发展及演变过程中起着重要作用。

1.2 VEC的病理生理作用

1.2.1 在调节宿主反应中的作用 单核细胞、组织巨噬细胞和某种程度的内皮细胞,是固有免疫应答的基石,作为防御的第一道防线,这些细胞能够通过受体与保守的微生物结构相互作用的受体识别模式识别侵入的病原体[21]。中性粒细胞聚集到内皮组织,粘附并穿过内皮细胞到达炎症位置中心[22]。这个过程的起始阶段涉及中性粒细胞聚集到内皮组织表面,通过选择分子蛋白间的协同作用,这种选择蛋白分子在循环中性粒细胞表面 (L-选择蛋白)和内皮组织表面 (E-选择蛋白和P-选择蛋白)都有发现,并且是被酸化了的,在接触的细胞上有碳水化物部分[22]。最初的选择蛋白介导的细胞滚动是跟随紧密连接到内皮组织,而这也是通过整合素家族介导的。整合蛋白是表达于中性粒细胞表面的异二聚体分子,极大的促进了细胞因子刺激的内皮细胞 (ICAM-1、VCAM-1)表面细胞粘附分子 (CAMs)粘合作用[23]。病原体与宿主细胞相互作用导致炎症反应和凝血级联反应的开始。这些途径产生可溶性的介质作用于自分泌或旁分泌环路,并进一步激活单核细胞、组织巨噬细胞和 (或)内皮细胞。

1.2.2 炎症反应和凝血途径的激活 炎症反应在调节脓毒症表现型方面起着重要作用。病原体促进了接触系统 (XII因子、前激肽释放酶和高分子量激肽原)和补体级联反应的早期激活,并且诱导多种细胞 (如单核细胞和内皮细胞)快速释放炎性递质,改变相应的全身炎症反应综合征的临床标志[4]。同时,内源性的抗炎途径被激活,缓冲炎症反应[24]。这两种途径可协调的保护宿主抵抗病原体的侵入。但是,不管是过度的或者持续的炎症反应,还是不适当的抗炎反应,或者可能两种途径的解偶联都可能促成组织损伤或者死亡。

1.3 其他作用 此外,病原体也能够触发凝血级联反应。在脓毒症的发展过程中,表达在循环单核细胞和组织巨噬细胞表面的组织因子 (TF)是高于参考值范围的,导致外部途径的激活,凝血酶的产生和纤维蛋白单体形成。纤维蛋白单体不仅能稳定血小板,而且在稳定病原体于白细胞表面上也起重要作用,以便吞噬和清理。血液凝固是通过外源途径开始的,并且通过内途径源加以放大,内源性途径的机制包括串扰和反馈机制[25]。凝血的级联反应一旦被激活,将不受任何限制的激活其以下的底物。组织因子途径抑制物 (TFPI)控制外源途径,血栓调节素 (TM)/蛋白 C/蛋白 S可以钝化辅助因子 Va和VIIIa,纤溶酶降低纤维蛋白单体的形成。止血作用反映了促凝血和抗凝血力量间好的平衡状态。在脓毒症时不仅有外源凝血途径的激活,而且有自身抗凝反应 (如蛋白 C和 ATIII在循环中的水平的降低),内皮细胞表面 TM的表达降低,纤维蛋白溶解作用受损的降低[25-26]。结果转向促凝血状态,导致大量的凝血酶的产生,纤维蛋白单体的和凝固因子的消耗。

炎症反应一旦被激活,炎症和凝血途径就会相互作用而进一步放大宿主反应。炎性递质诱导循环中的单核细胞、组织巨噬细胞、中性粒细胞和一些可能的内皮细胞亚群细胞表面 TF的表达[27-29]。相反丝氨酸蛋白酶有能力与单核细胞和内皮细胞表面酶激活受体相互作用,导致活化和额外的炎症[30-31]。凝血酶发信号于内皮细胞导致细胞形状、细胞通透性、增殖反应和白细胞粘附性的改变[32]。后者的改变是通过凝血酶诱导产生 E-选择蛋白、P-选择蛋白、细胞间粘附因子和血管细胞粘附因子的过程中得以介导的。另外,凝血酶发信号于内皮细胞表面,诱导血管假性血友病因子 (VWF)的分泌[33],增加蛋白酶激活受体 1 mRNA的表达[34]和刺激可溶性介质的释放,包括血小板活化因子 (PAF)、IL-8、单核细胞诱导蛋白1(MCP)、生长因子[4]。最后,纤维蛋白单体和内皮细胞可以相互作用,导致大量的表型改变,包括增加 IL-8的表达[35]。炎症和凝血途径间的串扰促成了潜在的脓毒症时的爆炸式的宿主反应。

2 VEC损伤相关的生物标记物

2.1 循环内皮细胞 (circulating endothelial cells,CECs) 最早使用 “循环内皮细胞”这一术语者是 Gaynor,他发现经内毒素处理家兔 5～15 min后,血中可见 CECs增加,其另一项研究发现,绝大多数动物经内毒素处理后,CECs多达数十至数百个不等,并常见成团状的内皮细胞。他们通过电镜观察,肯定了实验动物存在内皮细胞损伤,指出:脱落内皮细胞数量的多少与血管损伤的严重程度有关。在败血症、急性亚急性细菌性心内膜炎和肾综合征出血热等情况下,外周血涂片中存在大小不等、外形极不规则的细胞,可有多个突起,边缘模糊,胞浆内可有空泡,胞核圆形、椭圆形或扭曲折叠,偶见双核、三核或多元核仁。

目前较公认的循环内皮细胞的定义是在外周血中表达CD146膜糖蛋白,在正常人血中数量极少,而在炎症、免疫应答、感染、肿瘤和心血管等疾病时数量可明显增加的一类细胞。在生理情况下,循环血中存在的退化的无核成分反映了VEC的自然更替。在适当的激惹之后,这些成分可增加若干倍。在绝大多数情况下,造成 CECs增加的原因是全身性的,CECs主要来自最接近应用激惹部位的毛细血管床。损伤的分布相当均匀,并且主要损伤最容易退化的那部分细胞。

一些学者认为 CEC是目前在活体内唯一可以特异而直接地反映血管损伤的指示物。据国外文献报道,CECs可在广泛的病理过程中增多,在一些可导致血管受到损伤的疾病 CECs增多,诸如链状细胞性贫血、急性心肌梗死、巨细胞病毒感染、内毒素血症、肿瘤性血管增生。当前的观点认为 CECs是在血管内皮受到攻击损伤后从内膜剥落下来的细胞,是一种特殊的病理性结果,而不是起始因子。

2.2 游离血栓调节蛋白 (soluble thrombomodulin,sTM) 血栓调节蛋白是内皮细胞膜表面表达的凝血酶受体,结合后抵消凝血酶活性,并加速蛋白 C活化,通过蛋白水解酶降解作用释放 sTM到血清中。炎症反应是由中性粒细胞介导并最终导致内皮细胞损伤,体外实验证实 sTM不仅是内皮细胞破坏的一个参数,而且是中性粒细胞衍生的蛋白酶和氧自由基对内皮细胞膜造成损伤的早期指标[36]。目前一些学者认为 sTM仅在内皮细胞损伤时从内皮细胞表面释放入血,其他刺激并不能导致其释放,因此被认为是内皮细胞损伤的标记物。

2.3 内皮细胞特异性分子 -1(endocan) Endocan是一个50 kDa的硫酸皮肤素蛋白多糖,由肺和肾的 VEC表达,可以在人血中检测到。Scherpereel等[37]通过检验重症监护室中 63例诊断为脓毒症的患者和 20名健康自愿者循环血中 endocan的水平,最终得出结论:脓毒症患者血中 endocan的水平与病情的严重程度和预后相关,可能是一种新的内皮细胞损伤标记物。

脓毒症在发生过程中通过炎症反应等机制对 VEC造成损伤,而损伤的内皮细胞继发释放多种炎性递质等加重脓毒症的进展。内皮细胞位于血液和组织交界面。完整的内皮细胞展现的是抗凝血特性,通过诸如蛋白 C的抗凝血因子的精细调节。这些细胞也作为血液产物和出凝血因子间的屏障,如肝素,位于细胞外基质。内皮细胞功能紊乱发生时由于内皮细胞表面粘附因子的表达增加,最终导致白细胞的粘附。脓毒症时凝血系统和炎症系统的相互作用越来越明显。凝血系统及炎症系统功能的紊乱对 VEC造成直接和间接损害,VEC受损后,进一步释放促炎症反应因子,加重脓毒症的发展。

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