细胞因子和炎症介质在急性呼吸窘迫综合征发病机制中的作用

王海燕

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是由多种原发性疾病过程中发生的急性进行性缺氧性呼吸衰竭(respiratory failure)[1-2]，是急性肺损伤(acute lung injury, ALI)的严重阶段，其特征性的病理生理表现为肺实质炎症反应而导致的弥漫性肺泡上皮和肺微血管内皮的严重损伤。在美国每年估计约有190 000～200 000例ALI/ARDS成年患者，以及还有大量的ALI/ARDS儿童患者[3-7]。病死率约为30%，老年患者病死率可高达60%[5,8-9]。由于其ARDS发病机制错综复杂，所以迄今为止尚未完全明了，这也是临床上难以对ARDS进行有效的早期预防和救治以降低病死率的主要原因之一。本文主要探讨细胞因子和炎症介质在ARDS发生中的作用，以期进一步阐明其发病机制。

一、ARDS的病原学

引起ARDS的病因很多[1]，就病原学而言，以细胞因子(cytokines, CKs)和炎症介质为主要诱发因素之一。这些CKs和炎症介质主要有白细胞介素-1(interleukins-1, IL-1)、IL-6、IL-8、IL-12和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)，目前将这五种因子称为促炎细胞因子(proinflammatory cytokine, PIC)[10-12]。近年来有学者将IL-7和IL-15作为PIC，并将IL-15作为一种重要PIC[13-17]。此外，氧自由基(oxygen free radical, OFR)大量释放，核因子-kappa B(nuclear factor-kappa B, NF-κB)被激活，以及在病变中受各类炎性因子的作用，如血小板活化因子(platelet activating factor, PAF)粒细胞-巨噬细胞集落实刺激因子(granulocyte-macrophage colonystimulating factor, GM-CSF)，转化生长因子(transforming growth factor, TGF-β)，趋化因子(chemokines)，γ-干扰素(γ-interferon, γ-IFN)，单核细胞因子-1(monocyte factor-1)，细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)，花生四烯酸(arachidonic acid, AA)，前列环素(prostacyclin, PCI2)，前列腺素(prostaglandin, PG)等。

在CKs和炎症介质作用下多形核白细胞(polymorphonuclear, PMN)的变形能力下降，使之更容易在趋化因子的作用下滞留于肺内并激活[18]。活化的PMN导致爆发释放大量CKs和炎症介质，而损伤肺泡上皮细胞(alveolar epithelial cells)，引起肺水肿和肺换气功能障碍[19]。肺内巨噬细胞主要包括肺泡世噬细胞(alveolar macrophage, AM)、肺间质世噬细胞(pulmonary interstitial macrophage, PIM)肺血管巨噬细胞(pulmonary intervascular macrophage)和肺血管内皮细胞(pulmonary vascular endothelial cells, PVEC)、肺树突状细胞(pulmonary dendritic cells, PDC)等。这些巨噬细胞存在于不同部位，发挥其特有的功能，AM分布于肺泡腔，直接与空气接触，是肺组织的第一道防线，当受到炎症或组织损伤刺激时，这些巨噬细胞能够分泌100多种炎症介质[20]。这些细胞和CKs、炎症介质构成了ARDS炎症反应和免疫调节的基础，并通过不同的信号传导途径，调控着机体的免疫反应，并与炎症反应失控有关，对ARDS的发病机制起关键性的作用。

二、ARDS与促炎细胞因子

1. TNF-α和IL-1β：TNF-α和IL-1β被认为是引起ARDS最重要的PIC之一，其来源于巨噬细胞，是多种CKs分泌IL-6的诱导物，是一种多功能PIC，可刺激内皮细胞产生内皮素及一氧化氮(nitric oxide, NO)[12]。TNF-α是引起休克的主要CKs之一，能促进PMN的吞噬能力，促进PMN脱颗粒和释放溶酶体，产生大量脂质代谢产物，引起微血管血栓形成，加速ARDS的病情进展。IL-1β可激活PMN和上调白细胞和内皮细胞黏附分子。急性胰腺炎患者发病1 h在胰腺内和外周血中检测到TNF-α，6 h左右迅速增高。ARDS患者肺泡灌洗液含有TNF-α和IL-1β，这两种CKs水平随着病情持续发展而增高。有研究经过综合治疗，TNF-α、IL-6和IL-8水平，ARDS组和对照组两组治疗前后有显著性差异(P<0.05)[21]。

2. IL-6： IL-6在机体炎症刺激下由各种细胞如单核细胞、巨噬细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、平滑肌细胞及肿瘤细胞系所释放，是介导急性反应，刺激肝细胞合成急性反应蛋白(acute reactive protein, ARP)的主要CKs[10,20-22]。除肿瘤细胞系外，其他细胞在生理状态下一般不表达IL-6，只有在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)、病毒、CKs、IL-1、TNF-α、INF刺激下才有高表达。在TNF-α作用下，NK-κB进一步促进IL-1α、IL-1β、IL-6和ICAM-1等一系列CKs表达而产生级联效应，进而破坏毛细血管壁，形成恶性循环，肺部炎性物渗出，而发生ARDS。因而在ARDS患者肺部和血液中IL-6的含量均较高[23]。由于IL-6较为客观地反映了肺组织局部损伤的程度，因此检测外周血IL-6水平预测ARDS的严重程度。临床上可根据血IL-6水平，大概判断ARDS的预后。

3. IL-8： IL-8由PMN、淋巴细胞、上皮细胞、内皮细胞和AM产生，是PMN的活化和趋化因子，是肺部PMN定向游走的主要化学趋化因子。炎症发生早期，IL-8可促使PMN迅速向炎症区聚集，活化PMN中还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶和ALA2的功能，导致肺泡和肺间质水肿、肺顺应性降低、功能残气量减少，在ARDS发生中起重要作用。同时，IL-8尚有抑制PMN凋亡、延长PMN寿命的作用。在ARDS患者中IL-8可使肺组织中大量的PMN聚集，并与PMN表面的特异性受体结合导致白细胞发生变形反应、脱颗粒、呼吸爆发，释放蛋白溶解酶和活性氧，引起炎症反应，而引发ARDS。ARD患者的IL-8水平较正常人显著升高，检测其水平能够反映肺组织损伤及病变的严重程度[23-24]。

4. IL-12: IL-12是由活化的巨噬细胞、单核细胞、PDC等抗原呈递细胞产生的一种PIC。它具有很强的免疫调节作用，IL-12可直接作用于中性粒细胞，使其吞噬、杀菌潜能增强，如促进T细胞和NK细胞产生IFN-γ，IFN-γ反馈使多种细胞产生大量IL-12，IL-12不仅诱导高水平的Th1反应，还可诱导Th2细胞介导的反应，使IL-10、IL-4产生增多。而IL-10、IL-4又可抑制IL-12受体的表达和IL-12的产生[25-26]。增强Th1的功能可增强细胞免疫，因而可作为固有免疫和适应性免疫的桥梁来调节免疫反应。

5. γ-IFN: γ-IFN是由CD4+、CD8+、CD25+、T细胞和自然杀伤(natural killer, NK)细胞产生的一种可调节细胞功能的小分子多肽，是T辅助I型细胞分泌的特征性细胞因子[27]。γ-IFN可介导许多与肺脏生理有关的促炎性反应，诱导巨噬细胞产生TNF-α、IL-1、IL-6和IL-8等，并具有扩大级联反应[28]的作用；并具有选择性的抗炎活性，可抑制巨噬细胞经LPS诱导后单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)和角朊细胞(keratinocytes, KC)等细胞因子的表达。γ-IFN还具有抑制肺纤维化的作用，γ-IFN可能通过降低β1型TGF-β1、纤维连接蛋白(fibroncetin, FN)等前纤维化因子达到调节失衡的T细胞亚群及减轻肺组织损伤。

三、ARDS与抗炎细胞因子

1. IL-4: IL-4由活化的Th2细胞、肥大细胞和嗜酸性粒细胞产生，主要作用是调节Th细胞分化为Th2型细胞。IL-4对巨噬细胞是一种强有力趋化剂，并能诱导B细胞产生IgG1和IgE，引起气道高反应性(airway high reactivity)[29]。在机体受到LP刺激时，IL-4可通过促进IgE和IgC1的生成下调CD14的表达，并可抑制TNF-α、IL-1β、IL-6 mRNA的表达，还可降低LPS诱导转录因子(activatory protein 1, AP-1)的结合活性和NF-κB的转录活性，从而降低肺损伤的发生[23]。

2. IL-10: IL-10是Th2和B细胞产生。IL-10是抗炎CKs，可阻止炎症介质引发的组织损伤[10,30]。IL-10可有效地抑制Th1细胞产生IL-2、IFN-γ、TNF-β等CKs。具有抑制T细胞分泌CKs，提高B淋巴细胞MHC-Ⅱ类抗原的表达及分化。在炎症反应中，IL-10主要来源于单核巨噬细胞，可抑制巨噬细胞分泌TNF、IL-1、IL-6和趋化因子，抑制巨噬细胞对T细胞的辅助作用[31-32]。并能够抑制NF-κB的活化，在转录水平抑制促炎因子的合成。另外，IL-10还可能是转录后的水平抑制单核巨噬细胞、中性粒细胞等产生多种促炎因子的产生，促进其他抗炎因子的产生，能更好地拮抗炎症反应。

3. IL-13： IL-13主要由Th2型T辅助淋巴细胞、肥大细胞和B细胞产生，可抑制炎症反应和感染，是一种多效应CKs。其调节巨噬细胞功能和减少炎症因子产生的作用与IL-4相似。IL-13能调节单核巨噬细胞形态的变化，下调炎性CKs和趋化因子的合成，起着重要的炎性调节作用[33]。IL-13还可诱导和上调B细胞主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex, MHC)类抗原、CD23和CD72的表达及使B细胞产生IgE、IgM和IgG，并与IL-2协同刺激大颗粒细胞产生IFN-γ，因此在Th型细胞免疫中可能起着重要作用。并具有抑制CKs分泌的功能。

4. TGF-β： TGF-β是单核细胞、中性粒细胞及成纤维细胞的强有力的化学诱导物，减轻细胞的损伤，减轻肺泡炎，并能刺激组织修复[34]。此外，TGF-β还具有免疫抑制功能，并可抑制所有淋巴细胞的增殖，抑制细胞毒性T细胞、自然杀伤细胞、淋巴因子激活的杀伤细胞的功能，并抑制B细胞的分化，从而阻止免疫球蛋白的合成和巨噬细胞的抗原提呈作用。同时还具有拮抗CKs对所有免疫相关细胞的作用。在ARDS患者中，TGF-β在疾病后期显著升高，在肺纤维化发展中起重要作用[32，34]。

5. GM-CSF： GM-CSF是固有的免疫重要因子，能够促进中性粒细胞生长和释放，而缺乏GM-CSF时则易于感染并发展为脓毒症(sepsis)[36]。所以GM-CSF血浆水平降低与脓毒症患者预后差相关。在脓毒症或ARDS患者中，肺泡上皮细胞、巨噬细胞及血小板等释放GM-CSF均会增加[37-38]。GM-CSF可显著改善氧合，调节血和肺泡中性白细胞数量和功能，减少ARDS发生率[39-41]。

四、展望

CKs和炎症介质在ARDS的发生发展机制有相关性，涉及失控性炎症反应，以及抗炎症反应、凝血/纤溶系统失调、细胞凋亡(apoptosis)、氧化应激(oxidative stress)、间充质干细胞(mesnchymal stemcells, MSCs)、水通道蛋白(aquaporin, AQP)、肺泡上皮钠通道(epithelial sodium channels, ENaCs)、Na+-K+-ATP酶(sodium-potassium ATPace)和非选择性阳离子通道(nonselective cation channels, NSCCs)、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)，胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)和胰岛素样生长因子结合蛋白-3(insulin-like growth factor binding protein-3, IGFBP-3)[42-43]。以及肺泡液体清除异常等多个系统及层面。实验研究证明，在受伤肺泡修复区，相当多的再生Ⅱ型细胞源于表达α6β4-主细胞(αbβ4-expressing progenitor cells)[44]。目前认为ARDS是多种CKs和炎症介质反应及相互作用的结果，PIC与抗炎细胞因子之间的动态平衡是影响ARDS预后的重要因素，并且作用于肺组织炎症反应、组织再生修复的平衡全过程。CKs之间的相互作用极为复杂，且CKs之间并非是各自孤立的，而是相互联系、相互影响并形成复杂的“细胞网络”和“细胞因子网络”。一但这些CKs之间的动态平衡被打破，则发生炎症介质失控性释放，导致肺组织及全身靶器官组织损伤，进而发生ARDS，严重者可发展成为多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfuction syndrome, MODS)。因此深入研究ARDS与CKs及炎症介质之间的关系，及其抗炎反应和修复上皮细胞的屏障功能[45-46]，探讨和阐明发病机制，才能为临床提供更多的治疗方法和手段。就ARDS的治疗而言，目前公认的方法，除积极治疗原发性疾病外，小潮气量机械通气作为ARDS的最佳策略[46]。

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