氧化应激反应与新生儿支气管肺发育不全的研究进展

焦 颖，刘巍巍，韩冬韧

(首都医科大学附属北京妇产医院新生儿科，北京 100026)

支气管肺发育不全(bronchopulmonary dysplasia,BPD)是一种早产儿的慢性肺疾病，是婴儿肺疾病的主要原因,也是早产儿的主要死亡原因。随着产前激素的应用，新生儿重症监护室管理质量的改善和早产儿尤其是超早产儿存活数量的增加BPD在过去40多年经历了许多变迁[1]。最早在1967年底,挪威人通过对早产儿呼吸窘迫综合征的临床、影像和病理改变的观察出版了描述BPD的文章[2]。BPD在早产儿、低出生体重儿和极低出生体重儿中的发生率高达25%～35%[3]。BPD可导致患儿住院频次增加，死亡率升高，并且影响生长发育及神经系统发育。尽管目前医学界针对新生儿呼吸衰竭的预防和治疗已经做出了很大改善及提高，但对BPD的成因及治疗仍是儿科医师需要攻克的一大难题，需要医学界的广泛关注[3]。

在新生儿时期有许多病因可以导致肺损伤，其中由于大量自由基的产生而诱发的氧化应激反应是导致肺损伤的主要原因，这一观点已经逐渐引起医学界的广泛关注。许多因素可诱发体内产生自由基，氧化应激则发生在自由基的产生超过机体抗氧化防御能力时，这一过程在新生儿时期经常出现[4]。新生儿不成熟的抗氧化系统，营养不良，气道炎症反应以及所使用机械通气的类型不当均可致氧化应激增加，从而导致永久性的肺损伤[5]。现就炎症等因素诱发氧化应激的生物化学过程以及氧化应激反应导致BPD发生、发展的相关机制进行综述。

1 炎症反应诱导氧化应激反应损伤的生物化学机制

炎症反应是诱发氧化应激损伤的重要原因且常同时存在，因此炎症导致的胎盘功能紊乱和绒毛膜羊膜炎在BPD的发生、发展中起重要作用[6]。特异性和非特异性炎症反应对早产儿BPD发生、发展的影响已受到广泛的关注和研究。在人类的免疫系统中，促炎症和抗炎症反应以及细胞因子的产生是一个变化和复杂的动态平衡过程。有研究提出，在炎症和氧化应激损伤之间存在特殊的相互作用[7-8]。但这些相互作用的机制目前尚不十分清楚。当感染发生时促炎症细胞因子(如肿瘤坏死因子、白细胞介素-1、白细胞介素-6、白细胞介素-8)释放，机械通气损伤引起的非特异性炎症反应也可以引起细胞因子的生成及释放[7-8]。炎症反应引起氧化应激损伤的主要机制是直接激活炎症细胞，特别是粒细胞。

激活的炎症细胞会释放大量的氧化自由基和蛋白酶，导致内皮细胞过氧化反应的发生及损伤，增加血管的渗透性，从而导致肺间质、肺泡和气道的水肿。自由基中数量最多的是超氧化物阴离子，其在细菌杀伤反应的第一阶段生成，随后其他自由基也大量产生，如由超氧化物歧化酶催化的过氧化氢离子，过度金属酶催化的羟基自由基，过氧化物酶催化的次氯酸。这些物质不仅可以杀伤细菌，也可以导致组织损伤，而且这些物质也会增加血管的通透性，促进细胞因子透过，增加炎症反应和组织水肿。其结果是渗出的血浆细胞和炎症细胞导致细胞外部的表面活性物质合成障碍[9-10]。此外，促炎症细胞因子中的部分细胞因子可以增加一氧化氮合酶的表达，一氧化氮合酶可以催化一氧化氮的合成。一氧化氮和超氧化自由基可以联合形成过氧化硝酸盐，这种物质可以自发的分解形成其他有害的代谢产物，如羟基自由基、二氧化氮和二氧化氮阳离子[11]。

过氧化硝酸盐是一种不稳定的物质，可以快速地与酪氨酸结合形成硝基酪氨酸。硝基酪氨酸已经被作为慢性肺疾病中过氧化硝酸盐存在的标志物。已证实在合并BPD的早产儿中，生后的第1个月中血浆3-硝基酪氨酸含量增多[12]。有研究显示，肺内富氧环境所致的非特异性炎症反应可以导致一氧化氮及其代谢产物等有毒物质增加，这会进一步导致表面活性物质失活[13-14]。另一方面，研究显示，气管内分泌物中肿瘤坏死因子的含量在气道炎症反应时增多，且与机械通气使用的时间和BPD的发生率有关[15]。有呼吸窘迫的早产儿在小气道中也会产生大量的白细胞介素-10，抗炎症细胞因子的存在可预防BPD的发生、发展。相反，Jones等[16]在大部分早产儿气道样本中并没有探测到白细胞介素-10的存在，因此早产儿气道中抗炎症反应的作用机制仍需进一步研究。

Kemp等[17]的实验很好地演示了炎症对肺成熟影响的复杂性。在早产小羔羊的羊水中注射内毒素，胎儿肺的炎症反应增强，脐带血内毒素剂量增加。其中白细胞介素-1a是胎儿肺部炎症反应的有效中介物。羊水中注射白细胞介素-1a会诱导气道炎症反应，并且在支气管肺泡中产生大量的单核细胞、粒细胞、淋巴细胞和白细胞介素-8蛋白。中性粒细胞产生的过氧化物因子导致了最初的肺损伤，而绒毛膜羊膜炎的存在则会导致肺组织进一步瓦解，肺损伤和修复同时存在时则促进BPD的发生、发展[17]。

微囊蛋白是一种通过多种信号通路调节肺损伤和重塑的调节器。已经证实[16-17]，产前的绒毛膜羊膜炎和胎儿肺部炎症反应能降低微囊蛋白浓度，导致肺部损伤和重塑的失衡，从而促进BPD的发生。绒毛膜羊膜炎会改变胎儿先天的免疫系统，并且通过降低气道中淋巴细胞的反应能力导致后天的全身免疫系统和气道反应性改变，使机体的抗氧化防御机制减弱，从而影响肺部的成熟及增加BPD的发生率。此外，在生后肺部感染炎症时，噬菌细胞在肺部调节抗微生物的作用是通过释放溶菌酶素、过氧化物酶、蛋白酶、氧化自由基和一氧化氮来完成的。作为抵抗微生物入侵的重要防御手段，在呼吸爆发反应过程中激活噬菌细胞和Ⅱ型肺泡细胞会产生大量的氧化自由基，从而导致肺损伤[18-19]。

由于特异性和非特异性炎症反应所致的氧化应激反应对肺部损伤的过程复杂，在不同的孕周会产生不同的细胞因子，肺部组织和表面活性物质对不同的细胞因子有不同的反应和结局，因此仍需要大量的研究进一步探讨[20]。

2 氧化应激反应导致BPD发生、发展的相关机制

2.1氧化应激导致BPD的机制 氧化应激反应与BPD的发生、发展密切相关。由于早产儿肺组织中的脂肪和蛋白质易受到氧化应激反应的破坏，因此早产儿更容易发展成BPD。这些不同的氧化应激反应过程在生后的前几天最明显。从肺损伤进展到BPD的过程是在生后的几个小时至几天中发生发展的，并且氧化应激反应在这一病理过程中起主导作用[21]。氧化应激反应会发生在所有生后的新生儿中，这是由于从宫内的低氧环境过渡到宫外的高氧环境时，体内会因为氧化过程产生大量的自由基。自由基的来源主要包括炎症、低氧高氧环境间的切换、缺血、谷氨酸和铁离子的大量释放，这些都会在围生期增加胎儿或新生儿的氧化应激反应。另外，早产儿的抗氧化系统不完善，不能抵抗活性氧类的有害影响，因此会导致新生儿自由基相关性疾病，包括BPD[22-23]。

2.2氧化应激在BPD纤维化进程中的促进作用 BPD的特点是组织重塑，分为不同的阶段，最终阶段是慢性化过程，产生大量的纤维组织增生。基质金属蛋白酶在调节纤维化的过程中起重要作用，它们可以减少基质蛋白和胶原纤维。基质金属蛋白酶和其抑制剂之间的相互平衡对肺部纤维化过程的调节起重要作用。它们的表达通过细胞因子、生长因子和细胞外基质成分调节。如前所述，炎症反应可促进细胞因子的释放，从而诱导氧化应激的发生，而氧化应激既可以抑制基质金属蛋白酶的活性也可以增加其抑制剂的活性，因此，会导致肺部纤维化增加，同时通过增加胶原酶的活性，引起细胞外基质的断裂，从而导致BPD的发生、发展[24-25]。

高氧血症和炎症反应可通过呼吸爆发反应产生大量的自由基，从而触发氧化应激反应，促使BPD的发生。高氧血症也可以诱发新生儿BPD中纤维化的进程。与此同时，高氧环境也会导致表面活性物质蛋白A、表面活性物质蛋白B和表面活性物质蛋白C85的增加，被氧化的表面活性物质蛋白A蛋白也会使表面活性物质生成减少，以及降低机体免疫防御功能。高氧血症也可能同时催化磷酸甘油酯合成的第一步所需的限速酶甘油-3-磷酸酰基转移酶，此酶对氧化应激损伤十分敏感，从而导致表面活性物质磷脂生成减少[26-27]。

2.3氧化应激导致BPD发病机制的新理论 目前新提出的BPD理论机制是更多地将其发生、发展归因于肺泡自身的发育延迟，并可能会导致永久性的肺泡不发育，而不是经典的BPD理论机制主要关注的是肺部纤维增生机制。研究发现，白三烯4在生后第7天时含量升高，而白三烯4在炎症反应时会大量产生，这一现象则暗示炎症所导致的一系列复杂的氧化应激损伤是新的BPD发生、发展的理论基础。而在经典的BPD理论中，8-羟化脱氧鸟苷在生后第3天时显著增高，提示氧化应激导致的DNA损伤可能是经典BPD的重要发病机制[28-29]。

氧化应激反应也可以使肺表面活性物质失活，已有实验演示了在小鼠中使用高氧并注射次黄嘌呤可以导致炎症、水肿、蛋白渗出，并且同时炎症细胞会导致细胞外部的表面活性物质损伤[30]。

2.4早产儿对氧化应激的防御机制的特点 动物模型已经显示，超氧化物歧化酶是一种保护机体免于自由基和细胞因子诱导损伤的物质。超氧化物歧化酶在使用机械通气的早产儿中会减少，但在足月的动物中并不减少[31]。硫氧还蛋白和吡哆醇存在于线粒体膜上，可以清除自由基。硫氧还蛋白和吡哆醇也是一种可以激活超氧化物歧化酶的蛋白。在小鼠实验中[29-30]，这些分子的水平在胚胎时期较低，但在生后开始增多，特别是在气管支气管上皮细胞和一些肺泡细胞中。已确认在早产动物中，高氧血症和炎症反应时气管支气管上皮细胞和一些肺泡细胞中这些抗氧化因子是缺乏的，因此早产动物的抗氧化应激损伤能力不会随着氧化应激反应的出现而被彻底诱发[32-33]。

3 应对氧化应激反应的治疗

BPD的发病是一个复杂的过程，目前已有大量数据支持特异性和非特异性炎症产生的自由基介导的氧化应激损伤在BPD发生、发展中的作用[31]。早产儿持续用氧到32周后，持续的高血氧饱和度会增加BPD的发生率，且极早产儿即使是短时间暴露于高浓度氧也会导致肺部的损伤，最终导致BPD的发生[31]。这是极早产儿窒息复苏时用氧浓度应该从30%～50%开始的原因[34]。个体化的呼吸支持，最低的氧浓度设定，减少呼吸暂停的发生和正常的生长发育都会减少BPD的发生且减低其严重程度。

分娩前激素的治疗已广泛应用。产前激素治疗可能会中和炎症反应，这一过程需要依赖微生物对感染防御系统的反应，刺激的时间，胎儿胎盘的成熟度，胎盘糖皮质激素的分泌和遗传因素，并且不同的情况会有不同的结果。因此，产前激素治疗抑制炎症反应促进肺部成熟的效果存在个体差异[22]。未来应对氧化应激反应的治疗建议补充酶或非酶的有效抗氧化物质以减少自由基导致的损伤，特别是对BPD和其他的自由基相关疾病。维生素A、维生素C和维生素E是正常机体中重要的物质，并且有抗氧化防御作用。这些维生素能够阻止自由基诱导的脂质过氧化反应，并且可以清除自由基。在合并BPD的新生儿中，血浆β胡萝卜素和维生素A的浓度低于正常，可能导致抗氧化防御能力降低。在早产儿中蛋白损伤的血浆标志物3-硝基酪氨酸和蛋白碳基越高，发生BPD的风险越高[35]。在早产儿围生期的过渡过程中，抗氧化应激反应防御系统不成熟，各组织细胞免于自由基的损伤从而免于自由基相关疾病的能力也不足，这就衍生出外用的抗氧化制剂，如维生素A，E和联合超氧化物歧化酶已被用于尝试治疗和预防BPD的发生。

一项Meta分析结果显示[14],补充维生素A能够减少BPD，但之后的研究显示在纠正胎龄18～22个月时神经系统和肺部的发育无显著不同[36]。微量元素，如铜、锌、铁和硒对于维持抗氧化酶的正常功能也十分重要，这些营养元素的补充也能使总体的抗氧化能力优化。然而，一些研究显示在低出生体重儿中更少的微量元素并没有显著影响抗氧化酶浓度和BPD的进展[37-38]。

早产儿抗氧化物质的使用，特别是暴露于氧化应激反应和处于BPD高危的情况下，对于预防和改善自由基的损伤是一个可行的策略，但仍需要更多的研究支持这一观点[39]。

4 小 结

BPD一直是早产儿最严重而复杂且最受广泛关注的疾病。早产儿易受氧化应激反应和自由基毒性的影响。出生时，相对的高氧环境暴露及氧气生物利用度增加会导致血液中自由基增多。其他原因，如炎症、缺氧、缺血、谷氨酸和离子铁的释放均可导致氧化应激反应的发生。氧化应激在BPD的发生、发展中有重要作用，需要更加完善的研究及观察更好地证实这一现象和它对婴儿健康的影响。抗氧化物质在早产儿中的使用，特别是对暴露于氧化应激和有BPD风险的早产儿，可减轻自由基的损伤，但在未来仍需要进一步研究支持这一观点。