肿瘤坏死因子对体外循环肺损伤与保护机制的研究进展

王鹏程 高铭鑫 于 洋

体外循环(cardiopulmonary bypass, CPB)是将人体静脉血经人工管道引流体外至人工心肺机内，进行氧合和二氧化碳排出，再由血泵输回体内动脉系统，从而在实施心脏直视手术时，维持全身组织器官血液供应，是心脏外科手术必不可少的生命支持技术。CPB是一种非生理性循环，对机体组织及器官有不同程度的损伤，肺脏是受到危害最大的靶器官[1]。尽管心脏手术后患者都会表现出肺功能不全，但与非体外循环下实施手术患者相比，CPB术后患者肺损伤程度显著增加[2-3]。轻者表现为动脉氧合不足等亚临床性损伤，重者可并发急性呼吸窘迫综合症，病死率近50%[4]。而目前对CPB肺保护的相关措施，如肺保护性通气、左心减压等常规保护[5]不能解除CPB肺损伤的诱发因素，从根本上减轻肺实质的损伤；CPB装置改良[6]及药物干预[7]等缺乏肺脏保护的特异性，临床疗效欠佳，一旦术后发生严重肺部并发症，临床医生的救治往往显得力不从心。因此，CPB相关肺损伤的发生机制及其防治是心脏外科亟待解决的临床问题。

1.体外循环引起的炎症反应和细胞凋亡导致肺损伤

CPB引起的系统性炎症反应是导致术后肺损伤的首要因素，其主要原因是血液成分与人工CPB管道非生理性界面接触和缺血再灌注损伤[8]。补体系统激活，肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF-α)、白介素6(interleukin-6, IL-6)等多种炎症因子释放，中性粒细胞等炎症细胞聚集、氧自由基损伤及肺组织水肿等多种因素参与CPB引起的炎症反应。此外，该炎症反应可进一步引发肺组织细胞凋亡[9-10]，加重肺损伤。Huffmyer等[11]研究表明，在急性肺损伤中，肺脏炎症反应引加重了肺泡II型上皮细胞和肺血管内皮细胞的凋亡。

2.肿瘤坏死因子在体外循环引起的细胞凋亡和炎性肺损伤中发挥关键作用

TNF-α是由单核细胞产生的有效力的多肽细胞因子，其在体液反应中有启动和触发作用[12]。CPB过程中，TNF-α的升高主要是由于肺源性TNF-α产生增多。目前研究认为，TNF-α与细胞凋亡关系密切[10,13]，其可通过NF-κB、MAPK等途径诱导细胞凋亡。此外，TNF-α还通过中性粒细胞依赖性和非中性粒细胞依赖性机制导致血管通透性增加，促进中性粒细胞聚集，参与肺缺血再灌注损伤，诱发IL-6、IL-8等细胞因子的释放等。因此，TNF-α在CPB引起的细胞凋亡和炎性肺损伤中占有中心地位。此外，Yang等[14]发现，肺动脉低温灌注抗肿瘤坏死因子抗体(tumor necrosis factor-αantibody, TNF-αAb)可显著减少肺泡上皮细胞凋亡，但何种信号通路参与CPB肺损伤尚不清楚。

3.信号通路丝裂原活化蛋白激酶调控体外循环肺损伤

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPK)广泛存在于细胞浆中，是细胞内重要的信号传递者[15]，调控细胞内基因的转录和表达，在炎症反应和细胞凋亡中起着至关重要的作用。MAPK家族的信号通路主要包括细胞外信号调节激酶1/2 (extracellular signal regulated protein kinase 1/2, ERK1/2)、p38丝裂原活化蛋白激酶 (p38MAPK)、JNK/SAPK和ERK5/BMK1四条途径。近年研究发现，ERK1/2和P38 MAPK信号通路参与调控CPB相关肺损伤，而JNK/SAPK通路参与迟发性肺损伤[16]，ERK5/BMK1的对肺脏的作用机制尚不清楚。因此，ERK和P38 MAPK是本综述主要讨论的信号通路。

(1)活化的P38 MAPK通路引发炎症级联效应，加重CPB肺损伤 P38 MAPK信号通路主要参与应激条件下细胞的免疫调节、炎症反应及细胞凋亡过程。缺血再灌注损伤及炎症反应可激活P38 MAPK，在细胞核内通过磷酸化作用进一步激活多种炎症转录因子，调节炎症因子表达[17]。TNF-α是其主要调控因子[18]。同时，P38 MAPK可通过诱导Bax转位、介导Fas/FasL途径来调控细胞凋亡[19-20]。当炎症反应激活P38 MAPK途径，P38 MAPK途径上调TNF-α转录因子，使TNF-α合成和释放增加，增多的TNF-α与细胞膜TNF受体结合，进一步激活P38 MAPK，作用于下游底物，从而在肺内形成一个正反馈，逐级放大炎症效应和细胞凋亡。

(2)活化的MAPK/ERK通路抑制细胞凋亡，减轻脏器损伤 细胞外信号调节激酶(ERK)是MAPK家族中的一个亚族，广泛参与细胞增殖、分化、凋亡等多种生理病理过程，作为一个重要的第二信号转导通路影响细胞的增殖。Dong等[21]报道，保护性给予心脏停跳供体一氧化碳吸入处理，检测到激活的ERK，可减轻移植大鼠肺缺血再灌注损伤。Yang等[22]研究表明，缺血预处理大鼠肠上皮细胞可活化MAPK/ERK途径，减轻肠细胞凋亡，对肠损伤有保护作用。这说明活化的MAPK/ERK通路可抑制细胞凋亡，减轻脏器损伤。

4.经气管或肺动脉灌注抗肿瘤坏死因子抗体可以减轻体外循环肺损伤

新进的研究工作已经证实[14,23-25]：①CPB引起的炎症反应和细胞凋亡导致了肺组织损伤，TNF-α在其中起关键作用；②Fas/FasL和Bax/Bcl-2途径参与CPB相关肺组织细胞凋亡的发生；③经气管或肺动脉灌注TNF-αAb可明显减轻CBP相关炎性肺损伤和细胞凋亡；④发现经肺动脉低温灌注TNF-αAb可从转录水平降低肺组织TNF-α表达。因此，可以从机制入手，利用抗体等拮抗TNF-α的同时，阻断或减弱炎症及凋亡的瀑布效应，达到肺保护的效果。

5.新近研究发现，肿瘤坏死因子预处理可发挥脏器保护作用[26]

新近研究发现，TNF-α不仅在机体免疫和炎症反应中具有重要作用，而且参与细胞增殖、分化和凋亡的调控，甚至对组织器官发挥保护作用，这可能与其激活不同的受体和细胞信号通路有关。Feng等[27]研究表明，少量TNF-α预处理可以小鼠肝脏细胞，可以减轻肝脏细胞的缺血再灌注损伤。Parody等[28]研究发现，在给予小鼠致死剂量D-氨基半乳糖+TNF-α前0.5h，行TNF-α预处理，可延长小鼠存活时间。Roberts等[29]报道，用TNF-α预处理肝细胞，可激活MPAK/ERK通路，使转化生长因子诱导的肝细胞凋亡减少50%，提示TNF-α预处理可抑制细胞凋亡。以上说明单纯少量TNF-α作用于小鼠肝脏细胞及活体小鼠，不但没有致坏死作用，反而具有保护作用。这进一步提示TNF-α可能只使无防御能力的细胞发生坏死，而TNF-α本身即能激活细胞的防御机制，且MAPK/ERK在其中发挥重要作用。

6.小结

心脏外科手术的顺利进行离不开体外循环技术的有力支持，但体外循环过程中引起炎症反应和细胞凋亡导致肺损伤影响着患者的术后生存率。新近研究表明，CPB引起的炎症反应和细胞凋亡是导致肺损伤的重要原因，TNF-α在CPB引起肺损伤中发挥关键作用，而信号通路MAPK调控CPB肺损伤：活化的P38 MAPK通路引发炎症级联效应，加重CPB肺损伤；活化的MAPK/ERK通路抑制细胞凋亡，减轻脏器损伤。目前包括体外循环管路材料的改进和肺保护药物的应用等措施都是在干预炎症反应下游，总结以上TNF-α参与体外循环肺损伤与保护的机制，从发病机制入手，将治疗关口前移，为体外循环肺保护提供新思路，相信可以取得更好的肺保护效果。