脓毒症与内皮细胞损伤

张晓娟，马晓春

(中国医科大学附属第一医院重症医学科，辽宁 沈阳 110001)

脓毒症是危重病患者首位死亡原因，尽管进行了各种新的治疗尝试，但其病死率仍高达40% ～60%。脓毒症所致的血管内皮细胞(vascular endothelial cell，VEC)损伤和微循环障碍是其引发器官功能障碍的核心环节［1］，炎症介质作用于血管内皮细胞进而引发内皮细胞的活化、损伤，参与脓毒症的发生与发展过程。内皮细胞(endothelial cell，EC)不仅是一个靶器官，而且是全身系统性炎症反应(SIRS)、多器官功能障碍(MODS)进一步扩展的基地［2］。EC被激活、损伤、功能障碍的出现是脓毒症导致多器官功能障碍的中心环节，这一观点在许多脓毒症休克的实验模型中得到证实［3］。理解EC活化和损伤，功能障碍与脓毒症之间的关系，对于深化对脓毒症的认识显然十分必要。

1 EC的生理功能

1.1 成人血管EC 表面积可达4000～7000 m2，其重量约1 kg［4］。覆盖于血管内壁，构成血管通透性的主要屏障。血管EC外观呈卵石状，其长轴与血流方向一致，其形态因脏器不同而存有差异，与实质器官紧密相连。以往认为EC仅具有覆盖血管内腔和隔离血液与机体内环境的屏障作用，现已知EC是体内最大的代谢和内分泌器官，具有多种生物活性，在调节凝血、细胞黏附、营养交换、血管紧张度以及局部促炎和抗炎介质平衡方面发挥重要作用.

1.2 EC在凝血方面的作用 EC在生理状态下通过表达各种抗凝物抑制凝血:①EC表面含有大量蛋白多糖，能结合血浆中抗凝蛋白(如抗凝血酶)，同时EC合成组织因子途径抑制物(TFPI)，使这些抗凝蛋白活性增强。②血栓调节蛋白(TM)抑制凝血酶、活化蛋白C、在蛋白S的作用下灭活凝血因子Ⅴa与Ⅷa而发挥抗凝作用。③EC释放低水平组织型纤溶酶原激活物(tPA)，使纤溶酶原激活成为纤溶酶，从而激活纤溶系统。④EC产生前列环素(PGI2)和一氧化氮(NO)，并作用于EC表面上的ADP酶，从而抑制血小板的凝集。

1.3 EC具有调节血管平滑肌张力的功能 血管紧张度取决于舒缩血管物质的平衡关系。由EC合成和分泌的NO是作用最强的舒张血管的物质［5］，还有多种物质参与了EC的舒血管作用，如PGI2、缓激肽等。内皮素21(ET21)是最强的缩血管物质，另外EC释放的缩血管物质还有血栓素A2，上述物质的相互平衡维持着正常的血管张力。

2 EC活化、损伤和功能障碍

EC的状态可被划分为两种:静止状态(非活化状态)和活化状态。静止状态的EC表达一种抗凝、抗细胞黏附及血管舒张状态。而活化状态的EC表达一种促凝、促黏附及促血管收缩［6］。EC激活是指EC表达由抗凝转变为促凝、释放内皮黏附分子、产生炎症介质、产生血管活性物质。炎症刺激时EC激活但并不是说每一个EC表达上述所有改变，EC是否表达所有或一部分上述改变取决于炎症刺激的时间、性质和强度。而且在机体的不同部位EC对炎症刺激的反应也是不同的。

对于区分EC激活和损伤或功能障碍可能会帮助我们理解脓毒症的发病机制从而为治疗提供新的目标。EC激活可以看到EC的一些功能变化，如对凝血及微血管舒缩的影响，但却无法解释毛细血管通透性问题，而毛细血管渗漏在脓毒症又普遍存在。EC损伤或功能障碍可以解释这一现象出现。EC损伤导致内皮屏障功能丧失，内皮通透性增加，从而导致循环物质的移位及组织水肿。EC损伤或功能障碍将导致EC凋亡。血浆凋亡标志物的出现如核小体可能提示重度的内皮细胞损伤。事实上，脓毒症和MODS患者中循环核小体的水平是升高的，而在SIRS时则处于低水平。但目前很难将EC激活和损伤或功能障碍区别清楚，内皮不但是炎症反应的目标还是炎症反应的源泉［7］。

3 EC活化、损伤和功能障碍与脓毒症

3.1 EC受损的形态学改变 脓毒症伴随有EC形态学的改变，注射了内毒素的动物EC从基底膜脱离，导致内皮下水肿［8，9］，细胞的损害包括有核空泡形成、突起和胞质的断裂［10］，这种现象的出现从脂多糖注射开始几分钟到数小时都存在［11］。在人体也发现了同样的现象［12］，内皮损伤在显微镜下可见EC形态改变或受损，轻者表现细胞膜松解、翘起、重者排列，边界模糊并失去原有形态。Lee在家兔注射脂多糖(LPS)后15分钟观察到内皮细胞核呈空泡状、细胞质水肿、呈碎片状，EC与基底层呈不同程度分离［13］，而且内皮损伤持续一段时间。内皮脱颗粒发生在注射内毒素后的数小时，持续至少5天，大约在21天后才得以恢复，发生去内皮化的表面大约占血管内皮表面的25%［14］。在盲肠结扎穿孔大鼠模型中炎症发作10小时左右，基底下内皮层与完整的EC连接分离［15］。炎症因子增加EC通透性，炎症开始的6小时会出现血管通透性增加，12～24小时达高峰;EC结构的破坏能使炎症和血液的有行成分侵润到间质［15，16］，这可能是脓毒症患者出现毛细血管渗漏相关的分子机制。

3.2 EC活化和损伤与凝血增强和纤溶活性下降动物实验和人体实验均证明脓毒症以凝血激活为特征性表现［17］。①在炎症和脓毒症时，内皮和单核细胞表达TF增加，TF是外源性凝血系统的启动因子，其与凝血因子Ⅶ的相互作用激活外源性凝血系统，促进凝血。而EC释放抗凝物质如蛋白C和TFPI减少。②血栓调节蛋白主要功能是放大蛋白C的作用，在体外，TNF-α和IL-1刺激内皮细胞使其表达TM减少，在成人脓毒症中TM和内皮细胞蛋白受体表达下降，血浆中蛋白C和蛋白S和ATIII都减少，脓毒症患者活性蛋白C(APC)减少往往提示预后不良［18］。EC受损无活性的TM释放入血，其中蛋白酶对TM的裂解也使TM的表达减少，有活性的蛋白C减少。脓毒症蛋白C缺乏一方面由于肝脏合成减少，一方面可能与蛋白消耗增加有关。活化的因子Ⅶ和Ⅹ能够通过蛋白水解作用和激活蛋白受体来增强EC的活化，激活蛋白受体可增加凝血过程的炎症损伤;③EC受损，tPA释放减少，同时血浆纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)释放增加，导致促纤溶活性下降。脓毒症过程中，对细菌及内毒素最初的反应是合成和释放纤溶激活物质，但这一过程非常短暂，常迅速被产生纤溶抑制物质所取代，主要是PAI-1，许多研究表明，脓毒症患者PAI-1水平升高，PAI-1水平提示预后不良［19］。④EC受损PG12和NO释放减少，从而有利于白细胞和血小板的聚集。⑤磷脂微粒的形成，这些微粒是微小的囊泡状结构，外膜表面有磷脂酰丝氨酸(在正常情况下仅在细胞膜内侧存在)它是维生素K依赖的凝血因子锚定物，微粒能通过暴露的TF外源性凝血系统来促进凝血。微粒由血小板产生，在微粒间可插入攻击质膜的补体复合物。EC和凋亡细胞也可产生微粒，内皮来源的微粒可能是对EC造成不可逆损伤的原因之一。凝血激活伴随纤溶活性下降，纤维蛋白沉积在组织，从而出现组织坏死，增加了重症患者的死亡风险。相反抑制凝血可能预防MODS［20，21］。应用抗凝血酶，TFPI，APC 调节凝血过程已经在脓毒症休克动物模型中证明可以减少MODS 发生率和死亡率［22，23］。

3.3 EC活化和黏附分子的表达 EC表面或血浆中粘附分子表达增加是脓毒症时的普遍现象［24］。炎症刺激时，内皮释放IL-8、TNF、IL-1这些细胞因子使细胞表面黏附分子的表达和活性均上调，局部合成血小板活性因子，促进中性粒细胞和内皮细胞的相互作用，为白细胞和单核细胞黏附于内皮，进而进入组织做准备。首先白细胞滚动到内皮上，主要由黏附分子中选择素家族负责，包括白细胞上的L-选择素，血小板上的P-选择素(刺激15分钟后产生)，EC上的E-选择素(6小时后产生)，作为白细胞黏附在内皮上的受体，使得黏附松弛易于向活性信号滚动。然后由整合素家族(B2-整合素)如CD11/CD18复合物和免疫球蛋白受体如细胞间黏附分子(ICAM-1，24小时后产生)，内皮白细胞黏附分子，血小板内皮黏附分子，血管细胞黏附分子，它们使得白细胞的停滞和黏附增强。激活的白细胞和这些黏附分子结合移动到EC表面而游走，渗出，造成组织的损伤。在体外，脂多糖刺激EC可以快速表达ICAM-1和E-选择素mRNA。同样的结果也可以通过健康志愿者被给与非常低剂量的脂多糖后分离的血浆代替脂多糖后得到。在后面提到的实验中，在给予人血浆的同时给予TNF-α和/或IL-1b的抗体抑制了mRNA的转录，证明内毒素诱导细胞因子的释放，然后表达E-选择素和ICAM-1［25］。而且，脓毒症的预后和血浆黏附分子的水平紧密相关［26］，研究表明，脓毒症患者中，高的ICAM-1，增加了器官功能衰竭的个数和死亡率。在动物实验中，基因和药理学阻断ICAM-1可以起到保护作用［27］。对于E-选择素，，在健康志愿者注射LPS后和住院的脓毒症患者中都是增加的［28，29］。血浆 E-选择素的水平和脓毒症患者的 SAPSII和 MOF评分呈正相关［30］。血浆E-选择素的增加反应了内皮细胞膜表达蛋白的增加，能直接反映内皮的激活或功能障碍，它促进中性粒细胞的游走，固定，最总导致在器官的积聚。这种集聚部分是有益于消除感染源，但它也能通过产生炎症介质加剧组织损伤［31］。最近的研究表明:在成年人选择抑制NF-kB的活性，在注射LPS后，黏附分子表达下降，中性粒细胞在器官的浸润也减少，组织损伤减轻，改善了生存率。血小板促进中性粒细胞积聚证明炎症和凝血是交织在一起，并共同调节感染性休克的病理生理过程［32］。Blanks等研究证实［33］，输注血小板明显增加 EC-中性粒细胞的相互作用。血小板P-选择素结合其受体诱导一种促进内皮黏附分子(VLA-1)的表达，在脓毒症的动物模型中可以观察这一现象，血小板消耗降低了白细胞在肺的浸润和组织水肿［34］。

3.4 EC活化或功能障碍与血管活性复合物 内皮产生大量的血管活性复合物通过调节动脉的张力来影响血压，其中NO是最重要的因素。在正常情况下内皮细胞产生NO合成酶，合成的NO通过钙离子依赖的方式发挥作用。炎症时可通过受体增加细胞内钙离子引起血压下降。在TNF-α，IL-1的刺激下内皮细胞产生另外一种类型的NO合成酶，产生大量的NO，通过非钙离子依赖的方式发挥作用，出现内皮源性的血管异常舒张，这可能是脓毒症时的血压下降的重要原因［35］。因此给予NO抑制剂的治疗应该可以逆转低血压，但由于其他效应的关系研究没有成功。许多学者证实降低乙酰胆碱诱导作用的扩张物来源于大动脉的血管环，除了解剖学的损伤外还有以下机制:①EC表面受体的改变;②信号传导系统的改变;③内皮NO合酶的功能和密度的改变;④NO释放途径及其降解机制改变。同时内皮也产生一些血管收缩复合物，如内皮素。在脓毒症患者中内皮素是增加的［36，37］，但其作用仍不清楚，可能对于内皮源性的血管异常舒张起到一定的代偿作用。

综上所述，EC活化和损伤，功能障碍在脓毒症的发生和发展过程中起着重要作用。内皮是导致炎症瀑布样反应的主要靶器官，如何保护EC也许会是我们临床上寻找脓毒症治疗的新目标。

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