百草枯中毒致急性肺损伤发病机制研究进展

郑慧新 李春花 任成山

百草枯中毒致急性肺损伤发病机制研究进展

Pathogenetic process of acute lung injury caused by paraquat poisoning

郑慧新1李春花2任成山2

中毒，毒性，百草枯； 急性肺损伤； 发病机制； 急性肺泡炎

百草枯(paraquat, PQ)是一种高效能的非选择性接触型除草剂(pesticides)，对人畜具有很强的毒性，误服或自服可引起急性中毒，已成为目前农药中毒致死事件的常见病因[1-2]。PQ成人致死量为20%水溶液5～15 ml(20～40 mg/kg)。近年来临床上急性PQ中毒事件频频发生，由于目前急性PQ中毒后尚无特效解毒药物，因此，预后极差[2-3]。文献报道急性PQ中毒病死率>50%，一般在50%～70%，甚至更高[1-2，4]。误服或自服是PQ中毒的主要途径。PQ毒性累及全身多个脏器，肺是主要损伤的靶器官，可导致“百草枯肺”(paraquat lung)。早期表现为急性肺损伤(acute lung injury, ALI)，随着病情的进展可发生急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)，后期则发生肺泡内和肺间质纤维化(pulmonary interstitial fibrosis)。严重者可导致多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfuction syndrome, MODS)[2]。现对近年来PQ中毒导致ALI在自由基、氧化应激、线粒体损伤，以及细胞凋亡等有关发病机制研究进展及临床过程进行综述[5]。

一、PQ中毒流行病学

在许多发展中国家，甚至发达国家，杀虫剂已成为严重威胁公共健康的隐患。据估计，亚太地区每年大约有300 000例中毒死亡与之相关[5-6]。以斯里兰卡(Sri Lanka)的年度统计为例，每100 000人口中就有3～400例因杀虫剂而中毒[5-7]。许多国家报道的病例中，尽管大多数患者因有机磷酸酯类杀虫剂中毒而住院，但PQ等除草剂因其较强的致命性成为该类死亡的头号杀手[5，8]。据统计，1986年到1990年间，特立尼达(Trindad)和多巴哥(Tobago)共和国有63%的中毒死亡病例中是PQ中毒直接导致的。在南特立尼达，1996年到1997年间PQ中毒死亡高达76%；在萨摩亚(Samoa)，1979年到2000年间PQ中毒死亡为70%[9]。PQ中毒不仅限于发展中国家，从1945年到1989年间，英格兰(England)和威尔士(Wales)有56%的杀虫剂中毒死亡病例中与PQ中毒有关[10-11]。在美国(American)毒物监控中心的一份全国2008年度中毒数据报告中，PQ也被指证为最可能导致死亡的一种有毒化学药剂[12]。在我国PQ中毒患者亦是非常多见，已成为继有机磷农药中毒之后第二位，但中毒后死亡绝对数第一位[2]。文献检索1999年至2013年5年间，中国大陆PQ中毒仅文献报道达1882篇，平均每年报道PQ中毒文献376篇，由此可见，PQ中毒在全球普遍存在，且PQ中毒后病死率较高，有报道急性PQ中毒病死率>50%，甚至有高达60%～80%[13]。因此，大多数欧洲国家，以及斯里兰卡都将其PQ列为禁用农药行列[14-15]。所以，了解PQ中毒流行病学，有利于预防PQ中毒。

二、PQ药代动力学

PQ商品名一扫光、克芜踪等，化学名称：1，1′-甲基-4，4′-联吡啶阳离子盐(1，1′-dimethyl-4,4′ dipyridinium cation)[5，13]。PQ属于高毒性，主要中毒途径是口服，其次是皮肤接触吸入、植物残留等。一旦摄入，PQ被身体迅速但不完全吸收，口服后胃肠道的吸收率5%～15%，毒性快速分布到肺、肝、肾和肌肉中，其分布浓度约为1.2～1.6 L/kg-1[5]。PQ与土壤接触后失活，在碱性环境中迅速被水解[16]。空腹摄入约2小时血液浓度达高峰值，吸收场所主要在空肠，6～12小时后大部分已进入血液循环，12～24小时后血液浓度明显下降，PQ与血浆蛋白结合很少，在肾小管中不被重吸收，以原形90%的PQ成分从尿液中排出，10%经肠道排出[5，17]。当肾功能受损时，PQ清除率可下降10～20倍。利用时间递减观测，能很好地检测PQ血液浓度。通过动力学参数的非线性变化，跟踪记录各器官毒性损害，对靶器官毒性生物有效性和脏器功能损伤程度为准。损伤器官中以肺脏和肾脏含量最高，肝脏次之，且维持时间较久[5，18]。肺组织内PQ浓度可达血液中毒物含量的10～90倍，因此，肺脏是其主要损伤的靶器官[19]。PQ在肺内聚集主要与肺内聚胺类的物质主动摄取系统有关[20]。

三、PQ中毒肺损伤机制

2. 氧化应激和还原酶的氧化: 脂质过氧化(lipid peroxidation)自由基亲电子从不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)中获取氢氧原子从而引起氧化反应。动物和人类的体外研究已经证实PQ而诱导脂质过氧化反应[5]。广泛的脂质过氧化反应会破坏细胞膜功能而且能触发细胞凋亡(cellapoptosis, CAP)。有学者认为脂质过氧化反应是PQ中毒后一系列反应中最关键的最初病理生理进程，尽管这一进程的重要性还没有被广泛接受，而也有学者假设某些病变后会受到脂质过氧反应的影响。PQ的氧化还原反应中还原酶被迅速氧化，而这个过程已经被假定会对细胞代谢产生次生变化以及在应对氧化应激(oxidative stress)时削弱防御，以减少谷胱甘肽(glutathione)的产生。果糖二磷酸钠(fructose dipllosphate sodium)会加重PQ的毒性，而这一结果正是通过抑制戊糖磷酸循环补充还原酶时产生的副作用。

3. 线粒体损伤、CAP、NF-κB活化：PQ已被证实可造成多种细胞的线粒体(mitochondria)损伤。线粒体中的复合物Ⅰ〔NADH泛醌氧化还原酶(ubiquinone oxidoreductase)〕似乎可以大量分解PQ。有研究表明，破坏线粒体一旦进入基质，在哺乳动物体内，被复合物Ⅰ分解的PQ就会形成过氧化物[27]。PQ诱发基于Ca2+及线粒体内膜渗透性增长，很可能是由于脂质过氧化，导致了膜去极化，解偶联和基质肿胀。PQ产生的活性氧(reactive oxygen species, ROS)和活化的核因子Kappa B(nuclear factor kappa B, NF-κB)而诱发细胞凋亡(apoptosis)。而同时又可以诱导细胞核固缩和DNA分裂[28-30]。过氧硝酸盐(peroxynitrite)还能与蛋白、脂质和DNA发生反应，从而改变细胞酶和标记通路，最终导致体内平衡紊乱和细胞凋亡[31]。ROS能在潜伏形态下激活NF-κB[32]。在正常细胞中，NF-κB分一种抑菌蛋白(inhibitory protein)结合在一起的酪氨酸蛋白。由于NF-κB的诱导迅速磷酸化，一旦被激活，NF-κB就会易位到细胞核而与催化剂结合从而引起靶基因炎症。结果NF-κB就会诱导炎症因子和趋化因子的转录。同时又会导致血小板聚集(platelet aggregation)、纤维增生(fibrogenesis)以及聚合更多的炎症细胞[33]。

注：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADP)；还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)；谷胱甘肽(GSH)；氧化型谷胱甘肽(GSSG)；超氧化物歧化酶(SOD)；过氧化氢酶(CAT);谷胱甘肽还原酶(Gred);谷胱甘肽过氧化物酶(GPx);芬顿反应(FR);Haber-Weiss反应(HWR)；过氧化亚硝酸离子(ONOO-)；羟自由基(OH-)；超氧阴离子()。1-8:可用治疗方案的潜在作用部位。1:活性炭和漂白土;2:透析;3、4、6和8:水杨酸酯;5和8:乙酰半胱氨酸;7(P-糖蛋白诱导):地塞米松;4:免疫抑制；free radicals:自由基；tissue damage:组织损伤;transcription of proinflammatory proteins:转录促炎蛋白

四、PQ中毒器官病理改变

PQ毒性对肺部损伤最为严重，常常导致急性肺泡炎(acute alveolitis)。进一步的病理改变可能有肺泡明显萎陷、血管栓塞，以及血小板活化和多形核白细胞在血管内皮聚集[34]。PQ毒性在肺部通常导致受损细胞的凋亡[35-36]。PQ毒性在肺部进一步对肺泡上皮细胞损伤，在急性损伤期“Ⅰ”和“Ⅱ”型肺炎肿胀阶段，肺部开始出现肿胀，形成空泡，线粒体和内质网(endoplasmic reticulum)遭到破坏。肺泡的脱落与肺水肿有关。紧接着是增生期，肺泡空间被单核细胞和促纤维母细胞填充，在数天到几周的时间后形成不可逆转的肺纤维化。受PQ毒性影响的肾脏则出现近曲小管空泡，肝脏则发生内质网脱颗粒和线粒体损伤，并引起肝细胞阻塞和损害，进而导致多脏器细胞坏死。上述病变可在数小时到几天内观察到[5]。

五、PQ中毒后临床过程

PQ中毒的临床表现由其摄入量有关，大量摄入浓缩液体类PQ(>50～100 ml of 20% ion w/v)则导致爆发性器官衰竭(fulminant organ failure)，如肺水肿、心脏、肾和肝功能衰竭，以及中枢神经系统(central nervous system, CNS)导致惊厥。PQ中毒患者一般先期出现缺氧、休克及代谢性酸中毒，然后在数小时至几天内由于多器官衰竭而死亡[5]。

对于PQ少量摄入通常在2～6天发生肺和肾脏两大器官损伤，在临床上常称为“中至重度”中毒，但病死率仍超过50%。这类中毒肾功能衰竭(renal failure)发展相当迅速，肌酐和/或半胱氨酸蛋白酶抑制剂-C的浓度可在第一天进行监测，同时也有利于预测将要出现的临床情况[37]。随着摄入PQ量的增加，而PQ毒性在肺部集中，则引起肺组织细胞损伤，其主要的后果是肺部气体交换减少和发生呼吸功能障碍。肺损伤病变分为两个阶段：急性肺泡炎发生在1～3 d，然后继发于肺纤维化；继而患者在3～7 d内发生呼吸困难，并最终在5周后死于肺部纤维化，而引发严重的低氧血症。肝毒性，如黄疸和转氨酶升高，也是PQ中毒患者的常见临床表现。然而，无论是肾脏和肝脏损伤都不是临床常见的致死原因，存活下来的患者中，均未发现对这些器官的长期影响。

对于摄入PQ浓缩剂的中毒患者而言，食管和胃肠道毒性反应也是临床普遍现象。口腔和舌头〔百草枯舌(paraquat tongue)〕的黏膜病变开始出现在最初几天，并可形成溃疡性出血。因而，咽喉、食道和胃肠黏膜损伤后病变也很常见，有些患者甚至更险恶。这可能能会导致食管和胃肠道的穿孔，以及纵隔和/或纵隔气肿。这是由于PQ直接腐蚀黏膜的影响死亡率而被临床上低估。这是由于对PQ摄入过程具有能量依赖性和时间的相关性[5，38]。

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(本文编辑：黄红稷)

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10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2014.05.023

1400037 重庆，第三军医大学新桥医院门诊部2400037 重庆，第三军医大学新桥医院消化内科

李春花， Email: lch567@sohu.com 任成山， Email: xqcjld@163.com

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2014-09-23)