精氨酸对肺损伤的保护效应及机制的进展

苏昕妍 金灿 池永学

延边大学附属医院儿科，延边 133000

急性肺损伤与高发病率和高病死率密切相关，其特征是快速发作的呼吸衰竭、严重的低氧血症和静态呼吸系统顺应性降低。急性肺损伤可进展到急性呼吸窘迫综合征，急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征是复杂的多阶段过程，可能是由肺部特异性机制引起的，尤其是严重肺炎、栓塞（血栓、空气、脂肪）、吸入胃内容物、胸外伤等，另外，本病也有可能因全身性疾病引起，如败血症、腹膜炎、胰腺炎、出血性休克、烧伤和大量输血等。多种机制破坏肺泡上皮细胞以及肺毛细血管内皮细胞，从而引起弥漫性肺间质、肺泡水肿，这是目前研究发现导致急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征的根本机制［1-2］。急性肺损伤的病理生理学基础是炎症级联反应，涉及多种炎症细胞、介质和细胞因子。在肺部疾病中，肺泡的巨噬细胞发挥着重要的作用，它的表面上有多种受体，在炎性反应中，肺泡巨噬细胞可被激活，因此释放大量的促炎细胞因子，如白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、IL-8和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等。其中，多项研究发现TNF-α在急性肺损伤发生、发展中起着关键性作用，TNF-α能够将全身或局部炎性反应进行启动、加剧以及进一步延续，使之逐步放大形成我们所熟知的“瀑布级联反应”，此外，TNF-α还可能在其他途径进一步加剧急性肺损伤，例如诱生其他内源性炎性介质、激活凝血系统及补体系统等；IL-8可使中性粒细胞激活，并上调白细胞和血管内皮细胞的黏附分子的表达，同时还促进L-选择素及白细胞黏附分子-1的表达增加，进一步促进多形核白细胞、内皮细胞黏附跨内皮对肺进行浸润，诸多炎性介质构成了急性肺损伤的“细胞因子网络”，再加上白细胞可通过肺微循环途径在血管内皮上进行趋化、黏附并聚集，大量花生四烯酸及氧自由基等脂质代谢物被机体反馈性地释放，其中增多的氧自由基可损害肺血管内皮细胞，血管内皮细胞进行性增高，使得血浆蛋白渗透进肺间质，造成肺间质水肿、出血和透明膜形成、炎性细胞浸润及肺间质纤维化［3-5］。

目前临床尚无对于急性肺损伤的特效治疗措施，主要通过机械通气、膜肺技术、吸入一氧化氮（nitric oxide，NO）进行支持疗法，其疗效尚不确切［6］。因此如何预防和治疗急性肺损伤仍是目前研究的重要课题。

精氨酸（arginine）尽管被归类为非必须氨基酸，但精氨酸是健康成年人中尿素、多胺、脯氨酸和其他蛋白质的合成所必要的氮载体，具有免疫调节活性且能够减轻炎性反应的作用［7］。精氨酸是谷氨酰胺（通过形成谷氨酸）和脯氨酸通过肠-肾轴代谢的产物，精氨酸在精氨酸酶的催化作用下参与鸟氨酸循环，促进尿素的形成而使人体内的氨变成无毒尿素，在一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）的催化下生成NO而发挥生理效应，这一生化过程称为精氨酸-NO通路［8］。在分解代谢条件下，蛋白质降解成为精氨酸的主要来源，在烧伤、感染等病变情况下，血浆精氨酸水平显著降低。多项研究显示，肠道黏膜免疫屏障损伤及重型颅脑损伤后的免疫功能和蛋白代谢紊乱都可被精氨酸所改善，并且研究发现，精氨酸对于多种因素所造成的肺损伤具有一定的疗效。在绵羊、兔和啮齿动物肺损伤动物模型中血浆精氨酸浓度降低，这可能是由于肝外组织中精氨酸酶-II的表达增加以及肝精氨酸酶-I和肝外精氨酸酶II漏入血液，导致精氨酸过度水解为鸟氨酸和尿素所致。补充精氨酸会导致精氨酸的生物利用度增加，从而恢复内皮功能，减少炎性反应，改善支气管上皮屏障和线粒体功能障碍，从而改善肺功能［9］。精氨酸的作用较为复杂，分以下几点进行论述。

精氨酸可通过产生大量NO预防或治疗急性肺损伤

NO具有多种生物学效应，如调节血管血流、调节免疫反应以及参与炎性反应。吸入NO在重症监护病房之外并不广泛，因为其成本仍然高得令人望而却步，而增加NO水平的一种间接方法即补充精氨酸，它是一种提高患者体内NO水平的更具成本效益的方法［10］。在NOS催化作用下，精氨酸发生反应产生NO，NOS有神经型NOS、诱导型NOS和内皮型NOS三种亚型，催化精氨酸产生NO的过程需要多种辅因子介导，其主要成分为黄素蛋白，NOS的同工酶利用分子氧和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）充任双加氧酶，将精氨酸转化为瓜氨酸和NO，其中四氢生物蝶呤是所有NOS的关键辅助因子。因此，在精氨酸和四氢生物蝶呤相对缺乏时会导致NOS活性“解偶联”，NOS会生成超氧化物而非NO，因此，NO的产生取决于足够量的底物和/或辅因子即精氨酸和四氢生物蝶呤。尽管所有NOS都可能产生超氧阴离子，但诱导型NOS最有可能在体内产生超氧阴离子。这些特性可能定义了诱导型NOS在宿主免疫中的作用，使其参与抗微生物和抗肿瘤活性。但是诱导型NOS也有助于过氧亚硝酸盐的形成，过氧亚硝酸盐已被证明具有细胞毒性，可引起细胞DNA损伤并增加血管通透性。过氧亚硝酸盐可能导致器官衰竭，例如急性肺损伤或肾衰竭。因此，恢复精氨酸浓度的将降低过氧亚硝酸盐形成的可能性，从而可能减轻急性肺损伤。有研究表明，L-精氨琥珀酸可以在精氨琥珀酸合酶的作用下由L-瓜氨酸所转化，而L-精氨琥珀酸随后通过精氨琥珀酸裂解酶转化为精氨酸，这两种酶均存在于哺乳动物和鸟类的肺和其他组织中，通过不断实验表明通过口服或静脉给药L-瓜氨酸可以提高精氨酸的循环水平和NO的全身合成，从而改善高氧引起的急性肺损伤［9，11］。正如前面所提到的，肺泡巨噬细胞是机体重要的炎症细胞，在肺部疾病中起着重要的作用，是肺部抵抗病原微生物和肺损伤的第一道防线，故有文献表明NO可以通过改变肺泡巨噬细胞释放细胞因子而起到免疫调节剂的作用［12］。研究发现，NO可以抑制TNF-α分泌，补充精氨酸后可提高胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌，而GLP-1又会刺激NO产生增加并抑制核因子（NF）-κB通路，同时间接抑制TNF-α分泌以此抑制炎性反应［10］。有研究阐明，利用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的大鼠模型中发现先舌下静脉注射LPS后给予精氨酸治疗能对肺损伤产生保护作用，并提出精氨酸可负反馈抑制NF-κB信号通路，NF-κB信号转导途径的过度激活能够被有效抑制，进而减少合成、释放炎症介质，打断炎症介质的级联反应。在LPS刺激下，由于NOS大量生成NO，机体对精氨酸的利用率增加，同时，内毒素可诱导精氨酸代谢增强，故体内精氨酸水平明显下降［12-13］。因此，在机体损伤后，细胞存在相应的精氨酸缺乏的状况，且研究表明补充精氨酸可以通过产生NO抑制相应的炎性反应。

精氨酸具有抗细胞凋亡作用

细胞凋亡是一种特殊细胞死亡形式，在许多方面不同于坏死，它是一个主动的、基因导向的过程。越来越多的证据表明，氨基酸消耗或氨基酸代谢失调与多种肺部疾病的发展有关。氨基酸补充剂通过调节黏膜屏障功能、抑制凋亡细胞死亡和通过多种信号通路恢复上皮屏障的完整性来改善肺稳态。功能性氨基酸对LPS攻击小鼠的细胞凋亡、炎性反应和肺纤维化的保护作用。用雾化精氨酸预处理暴露于雾化LPS诱导肺损伤的小鼠，精氨酸对于LPS诱导的急性肺损伤的小鼠预处理后，明显减少了LPS诱导的胶原沉积和肺泡细胞凋亡，降低了炎症细胞因子和趋化因子的mRNA水平，并减少了小鼠肺组织中中性粒细胞和巨噬细胞的积累，从而有助于改善肺泡的完整性和功能，有助于改善呼吸功能。研究发现，B淋巴细胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）是Bcl-2相关基因的成员，可以通过与其他Bcl-2相关蛋白质家族成员的蛋白质-蛋白质相互作用来促进细胞存活，Bcl-2相关蛋白家族在细胞凋亡的调节中起关键作用。NO与鸟苷酸环化酶的血红素部分结合，并通过催化三磷酸鸟苷向环鸟苷单磷酸的转化将其活性提高400倍，血管中的平滑肌因三磷酸鸟苷向环鸟苷单磷酸的升高而松弛，血小板的聚集和粘附也被抑制，白细胞粘附到血管壁受到阻碍，能够减弱Bcl-2的表达来减少坏死和细胞凋亡，故说明精氨酸的治疗可能在亚细胞水平上具有预防细胞坏死和凋亡的作用［14-15］。

精氨酸具有抗氧化活性

氧化应激是指体内氧化剂和抗氧化剂的失衡，导致炎症细胞浸润，促进细胞内活性氧的产生和积累，最终导致氧化应激反应。氧化应激是自由基产生的负面影响，可导致心血管疾病、癌症、高血压、急性呼吸窘迫综合征、慢性炎症疾病、缺血/再灌注损伤、帕金森病和阿尔茨海默病以及衰老［16］。氧化应激的特点是氧化分子的过度生产，使抗氧化防御系统不堪重负，导致氧化损伤。有文献表明，补充精氨酸可刺激谷胱甘肽合成来激活Nrf2通路，从而通过Nrf2-Keap1通路上调抗氧化反应元件驱动的抗氧化剂表达［17］。在生活或者运动中，当抗氧化系统不堪重负产生了过量的活性氧时，就会引发氧化应激，细胞内活性氧即超氧阴离子产生不断增加，而诱导型NOS可促进精氨酸耗尽细胞中超氧阴离子，故补充精氨酸可改变细胞内活性氧代谢，由此可减少因氧化应激而产生的细胞损伤［18］。在补充精氨酸对雄性大鼠运动表现和氧化应激影响的实验中发现，补充精氨酸可以改善雄性大鼠的抗氧化能力［19］。因此，精氨酸是抑制氧化应激和诱导内源性抗氧化反应的关键因素。

精氨酸具有增强免疫的作用

精氨酸广泛参与细胞代谢过程、免疫调控过程、氨基酸代谢过程、循环调节过程以及创面愈合等过程。而急性肺损伤是由大量炎症介导的组织受损，其炎症介质一定程度上影响了免疫细胞的增殖，使人体免疫功能低下。研究表明，T淋巴细胞依赖精氨酸进行多种关键生物过程，包括增殖、生成T细胞抗原受体（Tcell receptor，TCR）等，精氨酸能控制糖酵解和线粒体活性，并通过与转录调节因子的相互作用提高T细胞存活率，在高精氨酸浓度的情况下可以使T细胞保留了分化为Th1效应细胞的能力。类似的观察表明，精氨酸缺乏也可能是手术或创伤后T细胞功能障碍的一个原因，因此会增加感染的易感性［20-21］。研究发现，NO通过介导多巴胺和心房利钠因子的抑制作用对催乳素的释放进行抑制，而用催乳素处理巨噬细胞会增加细胞炎症因子的产生，因此表明补充精氨酸通过对催乳素的影响产生了对免疫功能的间接影响［22］。另有文献表明控制静脉营养中加入精氨酸后能够发挥抗分解作用来降低创伤者体内的氮损失，在增加精氨酸剂量后可以使胸腺重量、胸腺淋巴细胞含量升高［23］。

其他

如前所述，精氨酸在精氨酸酶的作用下促进尿素、鸟氨酸以及脯氨酸的形成，它们是多胺形成的前体，可能有助于气道重塑［24］。除此之外，精氨酸还可以促进伤口的生长和愈合，能够增加特定伤口区域的羟脯氨酸沉积，对伤口愈合所需的修复性胶原蛋白的合成起着至关重要的作用［25］。

综上所述，急性肺损伤的重要的病理特征是炎症级联反应伴随弥漫性肺间质和肺泡水肿。在出现急性肺损伤时，外源性给予精氨酸有利于打断炎症级联反应、抗细胞凋亡、抗氧化以及增强免疫以减轻肺损伤。