氧化应激与急性肺损伤的研究进展

陈向军 谢永宏 金发光

氧化应激(oxidative stress,OS)的概念最早源于人类对衰老的认识。1956年英国学者Harmna首次提出自由基衰老学说，该学说认为自由基(free radical)攻击生命大分子造成组织和细胞损伤，它是引起机体衰老的根本原因，也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要起因。近年来，在急性肺损伤(acute lung injury,ALI)的机制研究中发现OS在ALI的病理发展过程中扮演重要的角色[1]。ALI以其复杂的机制和高死亡率一直是科研和临床上的难点，OS对于ALI的发生机制和治疗方法、药物的研究则具有重要的意义。

一、氧化应激的研究进展

2013年的H7N9禽流感再次引起人们的高度重视，它所引起的危重的肺部损伤、急性呼吸窘迫综合症(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和多器官的衰竭再次向人类宣战，对于它的分析已经刊发在新英格兰医学杂志上[6-7]。急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是多种致病因素导致的肺部组织结构和功能的损伤[8]。以肺部微血管和肺泡上皮弥漫性损伤、肺水肿及肺间质纤维化等为病理特征的临床综合征，严重者可发展为ARDS。ALI/ARDS具有高达40%～70%的病死率，当ARDS合并其他脏器损伤时病死率会大大增加。ALI/ARDS发病率高危害大已经是一个不争的实事，对于ALI/ARDS发生机制的研究已经成为研究的焦点。在对其机制的研究中，炎症和抗炎平衡失调，细胞凋亡、血管紧张素系统参与了氧化抗氧化失衡这些理论已被人们所关注[9-12]。近年来，氧化抗氧化失衡参与ALI的发生和发展理论受到了广泛的关注。

二、ALI的发生机制

ALI的发生机制研究一直是人们关注的热点和难点问题，随着研究的深入，ALI的病因和病理生理机制已经逐渐被人们所认识。但是，ALI仍然是高病死率的临床重症和急症。因此，ALI机制的研究对临床预防和治疗ALI/ARDS具有重要的意义[13]。

1. 炎症反应失调：炎症反应是机体对于损伤因子做出的调节反应。抗炎因素和促炎因素的紊乱则引起炎症平衡的失调即炎症反应。ALI是以肺部和全身炎症反应为基础的病理变化。炎症反应中的关键因子是NF-κB，它介导了大量的促炎基因的表达。当细胞内的NF-κB磷酸化入核后参与炎症因子的转录和激活[14-15]。参与炎症因子的细胞有多形核白细胞(polymorphonuclear，PMN)、巨噬细胞、血管内皮细胞等，PMN是参与体内炎症反应的主要细胞[16]。PMN细胞表面的黏附分子作用于肺血管内皮细胞，从而完成炎症的黏附迁移过程。活化的PMN还可以引起呼吸爆发，释放大量的炎症因子,如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)、白介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)、白介素-8(interleukin-8，IL-8)等从而导致肺内的促炎抗炎平衡失调，引起肺部的炎症反应。

2. 细胞凋亡紊乱：细胞的程序性死亡称为细胞的凋亡。细胞凋亡过度、过快或者凋亡缓慢和延迟都是细胞凋亡紊乱，机体自身功能低下的表现。有研究表明在脂多糖诱导的大鼠ALI中，过度凋亡和Fas/FasL系统起到重要作用，地塞米松可通过抑制炎症介质释放和抑制Fas/FasL系统的活化，从而阻断、调控肺组织靶细胞凋亡，减轻肺组织损伤[17]。PMN等炎症细胞的凋亡延迟导致炎症细胞在体内的过度表达，从而促进炎症的发生[18-19]。Fas/FasL是肿瘤坏死因子超家族成员及其配体，亦有文献报道过度凋亡和Fas/FasL 系统在海水淹溺诱导的ALI中通过调节caspase-3和caspase-8参与急性肺损伤[17]。

3. 氧化应激：氧化应激过程中ROS增多，体内抗氧化能力相对减弱是机体处于过度氧化的状态中。有研究表明内毒素脂多糖等损伤性因素造成的“呼吸爆发”可产生大量的ROS，而ROS可以进一步激活PMN加重肺损伤[17]。对用抗氧化药物治疗ALI已成为治疗ALI/ARDS的新方向[20]。氧化应激在疾病中的作用机制主要是以下几个方面。

(1)氧化系统的主要成分ROS是氧的自由基状态，具有较高的活性。 ROS主要包括O2-、H2O2、·OH等，这些氧有较高的活性，因此ROS能对于机体或器官起到过度氧化的作用。首先，生物膜和亚细胞结构中存在大量的不饱和脂肪酸，ROS会攻击这些易被氧化的位置，从而导致生物膜的结构和功能损伤。此过程中脂质过氧化产生丙二醛(malonaldehyde,MDA)会对机体和组织产生极大的危害[21]。

(2)ROS对核酸及转录因子的影响。大量的ROS在线粒体中残生，损伤线粒体。降低ROS可以减少DNA损伤[22]。当DNA发生难以修复的断裂时，会影响基因水平的转录和翻译过程，严重者可以导致细胞的死亡。Shimizu和Nishanth等[23- 24]报道，ROS可以激活转录因子NF-κB，增强COX-2、TNF-α和IL-6的敏感性。ROS还可以在巨噬细胞中激活细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)，氨基末端激酶(Jun N-terminal,JNK)，NF-κB和AP-1，成为炎症早起的始动因素[25]。大量的NO与ROS中的超氧阴离子自由基反应生成ONOO-，从而加重体内和肺内的氧化应激。

(3)机体发生氧化应激时，一是机体产生氧化物质过多，另一个重要的因素就是抗氧化系统的相对减弱，无法发挥抗氧化及清除氧化物质的作用。体内的抗氧化系统包括：抗氧化酶类、和抗氧化非酶类(蛋白类、水溶性、脂溶性等)。当基因敲除抗氧化蛋白的细胞可能无法生存，对于敲除抗氧化蛋白Trx2的细胞在10 mM H2O2中仅有3%的细胞能存活60 min[26]，还增加了对H2O2的抗性。对这种现象的解释是，抗氧化蛋白Trx的缺失会破坏氧化还原平衡，使其向氧化方向倾斜，激发细胞的氧化应激，体内的抗氧化应激酶类会代偿性增高，这些酶类的增高反而会增加对H2O2的抗性。对于H2O2的抗性增高，是否是由于过度修复或者细胞敏感性增加引起的仍然没有准确而可靠的证据。

三、抗氧化剂治疗肺部疾病

氧化损伤在肺脏疾病的发生发展及病理过程中发挥重要的作用。抗氧化剂作为一些肺脏疾病的治疗已经成为一种新的治疗方向。陈林等[27]临床试验研究表明对COPD患者辅以GSH治疗，可以增加患者体内GSH水平，提高患者气道和肺的抗氧化能力，降低COPD急性加重发病率，对控制疾病发展可起到重要作用。对于肺脏的很多疾病用抗氧化的方法治疗均有不同程度的疗效。

维生素C作为已知的重要抗氧化剂已经应用于临床。有通过临床实验观察患肺炎婴儿的体温、咳嗽、喘息、干湿啰音、白细胞总数和肺部X线指标，判定维生素C对婴幼儿肺炎的疗效。研究结果显示抗氧化剂维生素C与常规联合用药对控制症状及干湿罗音的消除具有比较明显的疗效，并缩短了病程，有利于疾病的恢复[28-29]。此外，Nathens等[30]研究表明维生素C具有很强的还原性，能在细胞外发挥清除自由基的作用。

N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine，NAC)作为已知的抗氧化剂能减轻出血性休克导致的ALI[31]。早在1996年，Deng等[32]就对N-乙酰半胱氨酸在氧化损伤的肺疾病中的保护作用作了研究。2006年又进一步证实N-乙酰半胱氨酸在LPS诱导的ALI中发挥其减轻ALI的作用[33]。2009年Moradi等[34]就N-乙酰半胱氨酸对ALI/ARDS治疗的作用机制进行了研究，结果显示N-乙酰半胱氨酸与对照组相比能提高血氧分压且能显著降低病死率。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)以含金属蛋白的形式存在于各种需氧生物细胞中，在LPS诱导的猪ARDS模型中给予超氧化物歧化酶的一种复合物，可以减轻肺水肿、肺低氧血症和肺组织内MDA。5 mg/kg到20 mg/kg重组的超氧化物歧化酶(recombinant human superoxide dismutase，rhSOD)可以防止大鼠ALI的发生[35]。

一系列的临床试验研究证明抗氧化治疗肺部疾病和肺损伤具有一定的疗效，基础研究也为临床的抗氧化治疗奠定了一定的理论基础。在今后的临床和基础实验中更多的是对于多种类的抗氧化剂和抗氧化药物及其具体机制的研究。

综上所述，氧化应激对机体和器官的损伤作用是较为严重和复杂的，并且和肺脏疾病的发生、发展及转归亦有千丝万缕的联系。而ALI/ARDS的发生机制较为复杂，是开发临床治疗ALI/ARDS药物和方法的难点。对于氧化应激和ALI/ARDS的研究将为我们揭开ALI发病机制的面纱，这能更好的为临床上预防和治疗ALI/ARDS提供新的思路和方法。

参 考 文 献

1 Guo RF,Ward PA. Role of oxidants in lung injury during sepsis[J]. Antioxid Redox Signal,2007,9(11): 1991-2002.

2 Gounder SS,Kannan S,Devadoss D,et al. Impaired transcriptional activity of Nrf2 in age-related myocardial oxidative stress is reversible by moderate exercise training[J]. PLoS One,2012,7(9): e45697.

3 Lu M,Gong X. Upstream reactive oxidative species (ROS) signals in exogenous oxidative stress-induced mitochondrial dysfunction[J]. Cell Biol Int,2009,33(6): 658-664.

4 Fransen M,Nordgren M,Wang B,et al. Role of peroxisomes in ROS/RNS-metabolism: implications for human disease[J]. Biochim Biophys Acta,2012,1822(9): 1363-1373.

5 Heyland D,Muscedere J,Wischmeyer PE,et al. A randomized trial of glutamine and antioxidants in critically ill patients[J]. N Engl J Med,2013,368(16): 1489-1497.

6 Gao HN,Lu HZ,Cao B,et al. Clinical findings in 111 cases of influenza A (H7N9) virus infection[J]. N Engl J Med,2013,368(24): 2277-2285.

7 任成山,杨仕明,晋献春,等. 何谓H7N9禽流感——应正确认识和积极防治[J/CD]. 中华肺部疾病杂志: 电子版,2013,6(2): 184-186.

8 Zhou MT,Chen CS,Chen BC,et al. Acute lung injury and ARDS in acute pancreatitis: mechanisms and potential intervention[J]. World J Gastroenterol,2010,16(17): 2094-2099.

9 Bragt PC,Bonta IL. Oxidant stress during inflammation: anti-inflammatory effects of antioxidants[J]. Agents Actions,1980,10(6): 536-539.

10 Han F,Luo Y,Li Y,et al. Seawater induces apoptosis in alveolar epithelial cells via the Fas/FasL-mediated pathway[J]. Respir Physiol Neurobiol,2012,182(2-3): 71-80.

11 Gonzalez PK,Zhuang J,Doctrow SR,et al. Role of oxidant stress in the adult respiratory distress syndrome: evaluation of a novel antioxidant strategy in a porcine model of endotoxin-induced acute lung injury[J]. Shock,1996,6(Suppl 1): S23-S26.

12 Cross CE,Eiserich JP. Oxidative stress in acute lung injury: Deja vu or something new?[J]. Crit Care Med,2004,32(3): 892-893.

13 金发光. 急性肺损伤的诊治研究现状及进展[J/CD]. 中华肺部疾病杂志：电子版，2013，6(1)：1-3.

14 Tang JR,Michaelis KA,Nozik-Grayck E,et al. The NF-kappaB Inhibitory Proteins IkappaBalpha and IkappaBbeta Mediate Disparate Responses to Inflammation in Fetal Pulmonary Endothelial Cells[J]. J Immunol,2013,190(6): 2913-2923.

15 施 卉,任成山. 急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征基础及临床研究进展[J/CD]. 中华肺部疾病杂志: 电子版,2013,6(4): 350-355.

16 Fujishima S,Aikawa N. Neutrophil-mediated tissue injury and its modulation[J]. Intensive Care Med,1995,21(3): 277-285.

17 宋 勇,毛宝龄,钱桂生,等. 地塞米松对急性肺损伤大鼠肺组织细胞凋亡及Fas基因与Fas基因配体系统表达的影响[J]. 中华结核和呼吸杂志,2000,23(1): 23-26.

18 Xie K,Yu Y,Huang Y,et al. Molecular hydrogen ameliorates lipopolysaccharide-induced acute lung injury in mice through reducing inflammation and apoptosis[J]. Shock,2012,37(5): 548-555.

19 Zhang N,Yin Y,Xu S J,et al. Inflammation & apoptosis in spinal cord injury[J]. Indian J Med Res,2012,135: 287-296.

20 Ward PA. Oxidative stress: acute and progressive lung injury [J]. Ann N Y Acad Sci,2010,1203: 53-59.

22 Perumal Vijayaraman K,Muruganantham S,Subramanian M,et al. Silymarin attenuates benzo(a)pyrene induced toxicity by mitigating ROS production,DNA damage and calcium mediated apoptosis in peripheral blood mononuclear cells (PBMC)[J]. Ecotoxicol Environ Saf,2012,86: 79-85.

23 Shimizu H,Bolati D,Adijiang A,et al. Indoxyl sulfate downregulates renal expression of Klotho through production of ROS and activation of nuclear factor-kB[J]. Am J Nephrol,2011,33(4): 319-324.

24 Nishanth RP,Jyotsna RG,Schlager JJ,et al. Inflammatory responses of RAW 264.7 macrophages upon exposure to nanoparticles: role of ROS-NFkappaB signaling pathway[J]. Nanotoxicology,2011,5(4): 502-516.

25 Tsai HH,Lee WR,Wang PH,et al. Propionibacterium acnes-induced iNOS and COX-2 protein expression via ROS-dependent NF-kappaB and AP-1 activation in macrophages[J]. J Dermatol Sci,2013,69(2): 122-131.

26 Ritz D,Patel H,Doan B,et al. Thioredoxin 2 is involved in the oxidative stress response in Escherichia coli[J]. J Biol Chem,2000,275(4): 2505-2512.

27 陈 林,梁庆华,杨立新,等. 抗氧化剂谷胱甘肽对慢性阻塞性肺疾病治疗作用的研究[J]. 广西医科大学学报,2012,29(3): 368-370.

28 高 平. 抗氧化剂治疗婴幼儿肺炎的疗效观察[J]. 南京铁道医学院学报,1999,18(2): 124-125.

29 吴 扬. 小儿肺炎抗氧化剂治疗[J]. 山西临床医药,1999,8(5): 367-368.

30 Nathens AB,Neff MJ,Jurkovich GJ,et al. Randomized,prospective trial of antioxidant supplementation in critically ill surgical patients [J]. Ann Surg,2002,236(6): 814-822.

31 Lee JH,Jo YH,Kim K,et al. Effect of N-acetylcysteine (NAC) on acute lung injury and acute kidney injury in hemorrhagic shock [J]. Resuscitation,2013,84(1): 121-127.

32 Deng X,Wang X,Andersson R. Influence of anti-inflammatory and antioxidant agents on endothelial permeability alterations induced by bradykinin[J]. J Invest Surg,1996,9(5): 337-349.

33 Kao SJ,Wang D,Lin HI,et al. N-acetylcysteine abrogates acute lung injury induced by endotoxin [J]. Clin Exp Pharmacol Physiol,2006,33(1-2): 33-40.

34 Moradi M,Mojtahedzadeh M,Mandegari A,et al. The role of glutathione-S-transferase polymorphisms on clinical outcome of ALI/ARDS patient treated with N-acetylcysteine[J]. Respir Med,2009,103(3): 434-441.

35 石 卓,赵正言,舒 强,等. 重组β-防御素2在脓毒症所致大鼠急性肺损伤发生发展中的作用[J]. 浙江大学学报：医学版,2006,35(6):605-609.