急性胰腺炎发病机制研究

李 辉，贾文秀，李风华，张晓岚

河北医科大学第二医院消化内科，河北 石家庄 050035

急性胰腺炎(acute pancreatitis, AP)是一种不仅累及胰腺，还可侵犯多器官的急腹症，具有高发病率及高死亡率的特点，产生繁重的医疗负担。主要病因有胆石症、过量酒精摄入、高脂血症、内镜逆行胰胆管造影术(endoscopic retrograde cholangiopancreatography, ERCP)和各种药物引发病理性细胞通路和细胞器功能障碍进而引起的胰腺内胰酶激活进一步导致全身炎症反应综合征[1-3]。

既往对AP发病机制的研究已取得一定进展，例如传统的胰酶自身消化学说、炎症因子学说、免疫遗传学说等，这也大大降低了AP患者的死亡率，改善了预后。同时，近年来一些研究也对AP的发病机制提出了新的认识，例如，钙离子通路导致线粒体通透性转换孔和钙释放激活在AP发生的作用机制[4-6]；肥胖、高脂血症介导的AP机制，这些已被阐明，为临床上解决AP诊治的关键问题和靶向药物研究提供了理论依据，例如营养支持的时间和方式，胆囊结石相关AP的胆囊切除术时机以及感染性坏死的处理等。在本文中，我们对AP机制方面取得新进展进行概述。

细胞水平的机制研究是AP发病机制中的关键。胰腺组织内有大量的腺泡细胞浸润并激活，或者胰腺导管内事件间接触发，进而分泌大量促炎因子和趋化因子，这些分子间相互作用，进一步诱导炎症细胞向胰腺及胰腺外脏器如肺脏、肝脏等组织内移动、浸润，促使局部及全身炎症反应的发生。这一过程中存在着复杂的细胞事件，包括病理性钙信号、线粒体功能障碍、腺泡细胞和宏噬菌体内过早的胰蛋白酶原激活、内质网(endoplasmic reticulum, ER)应激、未折叠蛋白反应(unfolded protein reaction, UPR)受损和自噬受损[4, 7-10]等。探索其相关机制可为研发AP药物提供新的潜在治疗靶点。

1 钙离子通道

腺泡细胞中Ca2+浓度病理性升高是AP的触发点，其可介导促细胞死亡和促炎途径，例如过早的激活胰蛋白酶原、核因子-κB(nuclear factor-κB, NF-κB)途径激活和线粒体功能障碍。酒精和胆汁酸可破坏细胞内外Ca2+浓度动态平衡，并通过肌醇1, 4, 5-三磷酸酯受体信号通路引起全面而持续的病理性细胞溶质Ca2+升高，Ca2+作为信号传导机制的一部分从ER释放，该机制启动酶原胞吐并刺激线粒体中ATP产生[11]。研究显示，在ERCP术后胰腺炎和胆源性胰腺炎中发生的导管阻塞由升高的细胞外Ca2+浓度介导，其导致线粒体通透性转换孔在高电导状态下打开，并且该过程导致产生ATP所需的膜电位丧失[1]，进而导致细胞钙毒性的线粒体功能障碍最终引发腺泡细胞的坏死。研究表明，钙离子通道阻滞剂可预防AP和人类腺泡细胞动物模型中的细胞坏死，从而降低局部和全身损伤程度[12]。这些研究从正反两个方向验证了钙离子传导途径在胰腺炎发病机制中的关键作用。

2 胰蛋白酶原激活

胰蛋白酶原早期激活是另一种重要的病理性细胞事件，可导致腺泡细胞坏死。各种胰腺损伤可引发溶酶体与腺泡细胞内的酶原融合，这一过程称为定位。共定位发生在其他毒素激发的腺泡内细胞事件的背景下，例如包含继发于细胞骨架功能障碍的酶原颗粒的蛋白酶的胞吐作用减少以及溶酶体和消化酶的合成增加，一旦酶原颗粒与溶酶体融合，组织蛋白酶B将激活胰蛋白酶原为胰蛋白酶。研究显示胰蛋白酶导致膜脆性增加，致使漏出的内吞空泡释放胰蛋白酶和组织蛋白酶B，空泡可能会破坏细胞骨架和/或细胞器[13]。

胰蛋白酶的释放会在腺泡细胞内外引起自身消化，组织蛋白酶B的释放会导致坏死性凋亡，这是一种受调节的坏死形式。坏死性凋亡是通过受体相互作用蛋白激酶(receptor interacting protein kinase, RIP)介导的，包括RIP1-RIP3和混合谱系激酶结构域样(mixed lineage kinase like, MLKL)途径，其中MLKL被RIP3磷酸化，导致其寡聚化[14]，然后MLKL寡聚体易位至质膜并最终导致质膜破裂、细胞内容物溢出和坏死性凋亡。通过抑制RIP1-RIP3途径可降低腺泡细胞损伤，这也是AP治疗的潜在靶点[15]。同时，最新研究发现胰蛋白酶原激活不仅仅发生在腺泡细胞内，也发生在巨噬细胞内，巨噬细胞的促炎作用又可加重胰腺炎[9]。

3 自噬、内质网应激和未折叠的蛋白质反应

自噬是一种细胞保护机制，可以处理和回收各种细胞质内老化、受损及缺陷的物质。AP的发病机制与细胞保护机制受损有关。自噬相关蛋白(autophagy-related protein, ATG)中ATG5、ATG7和溶酶体相关膜蛋白的基因敲除可诱导小鼠模型出现广泛的胰腺炎症状[15]。自噬功能受损导致胰蛋白酶原激活，ER应激和线粒体功能障碍，腺泡细胞变得更容易受到其他损伤和死亡[16]。研究显示，提高自噬效率的二糖海藻糖可减少动物模型中的胰腺损伤和严重程度，并有望成为AP的潜在治疗药物。因此，在腺泡细胞中恢复有效的自噬可能成为AP新的治疗靶标。

内质网应激是指内质网腔内错误折叠和/或未折叠蛋白质的积累。当内质网有效处理和消除蛋白质的能力不堪重负时，就会发生这种情况。当内质网应激破坏保护性细胞反应时，细胞凋亡随之发生。鉴于腺泡细胞产生大量蛋白质，胰腺特别容易受到AP的腺泡细胞中常见的内质网应激[17]。常见的胰腺毒素(如酒精及其代谢产物)通过增加对胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、脂肪酶和溶酶体酶组织蛋白酶B等蛋白质产生的需求以及降低细胞处理和回收不需要的蛋白质的能力而引起ER应激[10]。在ER应激期间，腺泡细胞激活UPR以恢复细胞稳态，UPR通过上调不需要的蛋白质的ER降解机制来减轻ER应激，并通过急剧减少蛋白质合成的3种重要途径提高其蛋白质合成和折叠的能力和效率。UPR的3种功能途径是肌醇酶1(IRE1)、激活转录因子6(activating transcription factor 6, ATF6)和蛋白激酶RNA样ER激酶(PERK)途径。IRE1和ATF6途径的下游事件最终激活转录因子如ATF6，并剪接X-盒结合蛋白1(splice X-box binding protein 1, sXBP1)。这些转录因子促进ER扩增所需的底物合成，蛋白质折叠的ER伴侣蛋白和ER蛋白降解机制的组分[18],并以自噬的方式消除和回收未折叠和错误折叠的蛋白质。当这些反应无法恢复体内平衡时，UPR最终会激活凋亡途径。PERK途径是终末反应，其下游效应物，如转录因子CEBP同源蛋白(CHOP)，可促进细胞凋亡和炎症。尽管CHOP可诱导自噬，但它最终会在长期ER应激期间促进细胞死亡。已证实广泛使用的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A(HMG-CoA)抑制剂促进了UPR[19]。在观察性研究中，他汀类药物的使用与AP的发病率和严重程度较低有关[20]，目前正在进行一项试验性对照试验，以检验HMG-CoA抑制剂如辛伐他汀对预防AP反复发作的影响。研究显示，从人体胰腺中提取的人类腺泡中检测到腺泡细胞对毒蕈碱激动剂和胆汁酸的反应时，确定了胰蛋白酶原激活，ER应激，功能失调的自噬和线粒体功能障碍，类似于在动物模型中看到的反应[21]。同样，在动物实验中也发现胰腺炎模型显示出自噬受损，病理性钙信号传导和应激的过程，这些是AP发病机制的核心[22]。

4 导管细胞功能障碍和导管内事件

跨膜水通道(例如腺泡和导管细胞中的水通道蛋白1)和囊性纤维化跨膜调节因子(cystic fibrosis transmembrane regulator, CFTR)通道对生理性胰液分泌至关重要[23]。已证明酒精可显著降低CFTR功能和碳酸氢盐分泌量，从而酸化导管内环境并导致导管内液体淤滞，促进导管内酶的过早活化。导管内压增高，导管细胞暴露于胆汁酸，同时导管内酸化介导的水通道蛋白减少也导致导管内液体淤滞，最终介导腺泡细胞损伤[24]。

胰管内的压力增加可以激活腺泡细胞中的机械感受器，从而触发钙离子信号传导。同时还可通过促进信号传导和转录激活因子3(STAT3)途径激活而引起钙调神经磷酸酶介导的腺泡细胞损伤。已显示胰管内的酸化激活初级感觉神经元中的瞬时受体电位香草酸1(transient receptor potential vanilic acid 1, TRPV1)可引起AP[25]。行ERCP时，酸性造影剂可导致管腔酸化，钙调神经磷酸酶介导的AP机制和TRPV1介导的AP机制与ERCP后和胆源性胰腺炎高度相关[26]。另外，胆汁酸可以在导管细胞中以剂量依赖性方式引起线粒体功能障碍，从而加重胰腺损伤。

5 免疫调节作用

受损的腺泡细胞释放趋化因子、细胞因子和各种黏附分子，这些分子募集并介导免疫细胞到损伤部位，并且能够促进炎症单核细胞运输、募集中性粒细胞及其他免疫介导细胞。研究表明抑制趋化因子及其受体的作用，可预防胰腺和其他器官损伤[27]。免疫细胞渗入胰腺，坏死细胞和受损细胞释放的细胞内容物会激活单核细胞和中性粒细胞，并进一步传播炎症[28]。中性粒细胞NADP氧化酶引起氧化应激并导致腺泡内胰蛋白酶原激活。中性粒细胞还会产生中性粒细胞胞外蛋白黏性网，可导致导管阻塞，激活促炎信号并过早激活胰蛋白酶原，促进胰腺炎症发生。

活化的单核细胞是AP全身性炎症及组织损伤的核心。单核细胞活化的重要介质是损伤相关的分子模式(damage associated molecular pattern, DAMP)，其是从坏死的腺泡细胞释放的细胞内容物。DAMP通过与免疫细胞上的不同受体结合来发挥它们的作用[29]。例如，DAMPs高迁移率族蛋白1(HMGB1)、热休克蛋白70(heat shock protein 70, HSP70)和双链DNA信号通过Toll样受体(TLRs)激活NF-κB通路，NF-κB介导促炎细胞因子、趋化因子和黏附分子的基因表达。其他DAMP，例如ATP和NAD，与P2X7受体结合以激活炎性体。随后，pro-IL-1β和pro-IL-18通过蛋白水解切割成熟为其生物活性形式。这些途径扩大促炎细胞因子的产生，包括TNF、IL-1β、IL-6和IL-18等。

血清TNF和IL-6水平与AP和急性肺损伤的严重程度有关。TNF也可直接引起腺泡细胞坏死。己酮可可碱是一种非选择性磷酸二酯酶抑制剂，通过下调NF-κB途径减少TNF的合成。一项针对28例患者的试验性双盲安慰剂对照随机试验发现，每日3次口服己酮可可碱可缩短住院时间。动物实验结果显示，IL-6受体拮抗剂能够改善重症AP症状，并有望开始临床试验[30]。

AP的促炎期之后是代偿性抗炎反应综合征，其特征在于抗炎细胞因子如TGFβ、IL-4和IL-10占优势。IL-10由腺泡细胞、单核细胞、B细胞和T细胞产生。它在转录水平起作用，通过抑制STAT3途径和T细胞扩增来减少促炎细胞因子的产生。AP的动物研究显示，使用胰岛素样生长因子1和IL-4可改善预后，后者则可促进IL-10的产生[14]。

6 基因突变

目前已鉴定出几种在AP中具有致病作用的突变，其中包括蛋白酶丝氨酸1、丝氨酸蛋白酶抑制剂Kazal 1型、胰凝乳蛋白酶C、密蛋白2和钙敏感受体基因的突变[31]。对这些突变基因的深入研究已发表1篇综述，总结了AP的遗传学[32]。

7 不饱和脂肪酸

肥胖和高甘油三酯血症是重症AP的危险因素[33]。研究已阐明肥胖和高甘油三酯血症介导重症AP的病理生理机制，在AP发作期间，其破坏了酶原颗粒的正常顶端分泌路径。酒精抑制顶端分泌，而促进基底外侧分泌。腺泡细胞坏死还导致酶释放到胰腺区域，例如，脂肪酶通过基底外侧膜自由释放到间质、胰周区域和血流。脂肪酶将循环甘油三酯和储存在胰腺内和胰周脂肪细胞中的甘油三酯水解成饱和及不饱和的游离脂肪酸(free fatty acid, FFA),亚油酸、油酸和亚麻酸等FFA通过抑制线粒体复合物Ⅰ和Ⅴ以及增加TNF和其他趋化因子水平来增加炎症反应而引起细胞毒性。在临床研究中，发现入院时内脏肥胖增加和血清甘油三酯升高的AP患者多系统器官衰竭和胰腺坏死的风险增加。通过脂肪酶抑制剂预防甘油三酯水解似乎是AP的一种有前途的治疗策略[34]。

AP是常见的胰腺炎症性疾病，严重者可危及生命。目前由基础研究所揭示的病理生理机制虽然得到证实并且用于药物开发，但AP是一个系统性疾病，其确切病理生理机制仍需更深入广泛的探究，同时基础研究成果转化也面临着巨大的挑战，需要更多临床协作来推动AP研究发展。