颅脑创伤继发急性肺损伤的研究进展

侯雪雷，周少龙，李姿安，王新军

(郑州大学第五附属医院神经外科，河南 郑州 450000)

0 引言

颅脑创伤(TBI)是指外力作用于头部引起的头颅损伤，易继发各种颅内外并发症，严重影响患者的治疗和预后。其中继发性肺损伤是颅脑创伤后引起的最常见和严重的颅外并发症之一，可进展为急性呼吸窘迫综合征甚至呼吸衰竭，其发生率高达20%-31%，是未合并急性肺损伤患者死亡率和致残率的1.5-2 倍[1,2]。但由于其发生机制的复杂性和多样性，给临床治疗带来了很大的难度，本文就颅脑创伤继发急性肺损伤的潜在机制及其危险因素做一综述。

目前颅脑创伤病人的诊断主要依靠外伤史、神经系统查体以及MRI、CT 等影像学方法，但是仍有影像学检查为阴性的患者不能对病情进行及时的评估而延误病情，临床诊断具有局限性。而急性肺损伤的病人主要表现为不同程度的呼吸窘迫、气促和发绀，临床表现缺乏特异性。因此，对TBI 后继发肺损伤的可能机制及其分子靶点的研究和探讨有望给TBI 病人的治疗和预后提供新的思路。

1 TBI 致肺损伤的发生机制

1.1 脑水肿

TBI 患者常伴发脑水肿，严重影响患者的预后和转归。其主要发生机制为细胞毒性脑水肿(AQP4、谷氨酸)和血管源性脑水肿(血脑屏障通透性增加)。TBI 后患者多有不同程度的颅内出血，血肿压迫周围正常的脑组织形成脑水肿甚至脑疝，加重周围脑组织缺血缺氧，线粒体功能障碍，酸性代谢物质蓄积，进而导致毛细血管通透性增加、血管扩张，增加脑血流量和毛细血管内压，组织液渗出增多，介导血管源性脑水肿。相关研究发现，AQP4 和谷氨酸水平的上调在TBI 后脑水肿的形成过程中也发挥了重要作用[3,4]。脑组织损伤后红细胞过量破坏释放的血红蛋白进入脑组织间隙，间质胶体渗透压升高，同时血脑屏障在机械性损伤或致炎因子的作用下内皮细胞间紧密连接被破坏，通透性也增加，以上种种原因都参与了脑水肿的形成过程，导致中枢代谢紊乱及继发性交感神经亢奋，介导神经源性肺水肿的原始启动过程。

1.2 免疫抑制

由于血脑屏障的存在，神经系统在正常情况下处于免疫“豁免”状态[5]，当颅脑创伤发生时这种平衡被打破。动物实验及临床研究发现，颅脑外伤患者的免疫功能受到抑制，并且受抑制的程度与病情严重程度相关[6]，是TBI 后机体继发感染的主要原因。CD4+T 细胞是人体免疫系统中一种重要的辅助T 淋巴细胞，起“通风报信”的作用，指挥机体对抗外来微生物，其数量反映机体免疫能力的强弱。而CD8+T 细胞是发挥杀伤作用的细胞毒性T 细胞。正常情况下，CD4/CD8 比值的动态平衡对机体发挥正常的细胞免疫至关重要。而TBI 后机体血液中CD4/CD8 比值出现倒置[7]，HLA-DR降低，CD4 含量下调，而CD8 上调，细胞免疫被抑制[8,9]。与此同时，体液免疫中IgM、IgG 在TBI 后也呈现出下降的趋势，增加了TBI 后肺部继发感染的机率。

1.3 神经源性肺水肿

神经源性肺水肿(NPE)是在中枢神经系统损伤后数分钟或数小时内发生的以急性呼吸困难和进行性低氧血症为特征的渗出性疾病。目前NPE的发病机制尚未完全明确[10]，被广泛接受的两种学说是血循环动力学说和肺血管通透性学说。TBI 后颅内压急剧增高，下丘脑延髓受压或者是间脑(主要是下丘脑)和脑干等低位中枢失去大脑皮层的抑制，导致交感神经过度兴奋，过度释放的儿茶酚胺透过破损的血脑屏障作用于外周，血压反应性增高，左心室负荷过重，左心房及肺静脉压增高，肺毛细血管压力增高，富含蛋白质的液体渗入肺间质和肺泡内，形成恶性循环，加重肺损伤。肺血管内皮上有α 和β 两种肾上腺素能受体，当他们被激活后可导致内皮细胞的完整性发生改变。杨志焕[11]等人通过检测在弥漫性脑损伤动物模型中肾上腺素能受体的表达，结果发现，TBI 后α 受体表达的上调，引起肺血管通透性升高和滤过压增加，导致神经源性肺水肿的形成。这提示交感神经的过度兴奋和血管内皮上α 和β 受体的选择性表达参与了神经源性肺水肿的形成过程。

1.4 炎症介质

TBI 后肺损伤本质是一系列过度释放的细胞因子所介导的炎症放大级联反应，导致肺泡细胞结构破坏和功能紊乱。在参与炎症反应的众多细胞因子中，其中最具代表性的是TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8[12-14]，TBI 后早期肺泡灌洗液和血浆中即可检测到其表达的上调，并被认为在介导TBI 后肺损伤的炎症早期激活和维持过程中发挥重要作用。TNF-α 是一类由激活的单核巨噬细胞产生的细胞因子，可上调细胞间黏附分子的表达，增强嗜中性粒细胞及单核细胞对血管内皮的粘附，被激活的中性粒细胞通过释放弹性蛋白酶、氧自由基等物质，增加血脑屏障通透性，并可通过激活NF-κB 信号通路诱导其促炎细胞因子如IL-1、IL-6、IL-8 等的释放，IL-1β 和IL-6 又正反馈于单核巨噬细胞和中性粒细胞诱导更多炎症介质的产生，介导炎症反应的恶性循环[15]。既往研究发现，TNF-α、IL-6与颅脑损伤严重程度呈正相关，这提示，通过检测颅脑损伤后急性期TNF-α、IL-1β、IL-6 等的含量在一定程度上可以反映肺组织受损伤的严重程度和预测预后。此外，TBI 后大量中性粒细胞会进入肺实质，嗜中性粒细胞的过度活化和凋亡抑制，巨噬细胞自身发生凋亡增加而吞噬能力下降，大量凋亡的中性粒细胞得不到及时的清除，产生迟发性坏死，加重炎症反应。以上多种机制既同时发生又交互影响，介导炎症的级联反应，影响创伤性脑损伤患者的临床预后。

1.5 线粒体功能障碍和钙离子超载

基础研究发现，TBI 后缺血缺氧诱导线粒体膜电位稳定性发生改变[16]，细胞膜离子转运蛋白崩解，Na+、Ca2+内流增多，介导细胞水肿和Ca2+超载，过量的Ca2+与含有磷酸根的化合物反应形成磷酸钙[17]，干扰线粒体ATP 生成和氧化供能。此外，过量的Ca2+还可激活多种磷脂酶[18]、核酶和蛋白酶等，促进膜磷脂的分解，蛋白质水解，损伤细胞膜及细胞器，分解代谢产物如血栓素A2，前列腺素及白三烯等，促进血管收缩和通透性增加，增加脑血流量和毛细血管内压，在肺水肿和脑水肿的形成过程中发挥重要作用。

1.6 氧化应激

氧化应激(OS)是指体内氧化与抗氧化失衡的一种状态，线粒体是体内氧化应激反应发生的重要场所[19]，TBI 后线粒体细胞内过量Ca2+内流，促进黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶[20]，诱导产生大量的ROS[21]，过量的自由基无法被机体正常的抗氧化保护机制所消耗，诱导脂质过氧化[22]、蛋白质变性和DNA 损伤[23]。进一步激活中性粒细，加重NF-κB 介导的肺部炎症反应[24,25]。有文献报道，ROS 通过激发caspases、Fas/FasL 等一系列凋亡通路的激活，诱导组织的非正常死亡。超氧化物歧化酶、N-乙酰半胱氨酸等抗氧化剂在临床及动物肺损伤试验中的疗效已经得到证实[26,27]。最新研究发现，通过抑制JAK2 / STAT3 通路介导的氧化应激对博来霉素诱导的幼年大鼠急性肺损伤具有保护作用[28]，说明氧化应激在TBI 后肺损伤的发展过程中发挥负性调控的作用。因此，拮抗氧化应激通路中的靶点和开发更多类型的抗氧化药物有望为临床TBI 后肺损伤的治疗提供新的思路。

1.7 细胞能量代谢障碍

一份临床研究显示，既往无糖尿病的患者在重型颅脑创伤后血糖明显升高[29]，尤其以伤后6-12小时血糖升高最为明显[30]，且血糖越高，预后越差[31]。有趣的是，颅脑损伤后血糖虽然升高，而脑组织却出现了能源供应不足的现象[32,33]。其可能的机制为：脑组织缺氧环境下促进了缺氧诱导因子1(HIF-1α)在细胞中的累积，通过干扰与葡萄糖转运和酵解相关基因的表达，选择性的上调GLUT-3而抑制GLUT-1 的表达，加速葡萄糖在脑组织中的摄取，而抑制神经元对葡萄糖的利用，促进细胞内无氧酵解和乳酸堆积，细胞内PH 值下降，诱导神经细胞死亡，加重脑组织缺血缺氧，形成恶性循环，在介导继发性脑损伤和肺损伤过程中发挥重要作用。

1.8 HMGB1-RAGE/NF-κB 信号通路

TBI 早期，脑组织缺血缺氧，线粒体膜泵转运障碍，ATP 生成减少，细胞内钙离子超载，氧自由基的产生增多，导致细胞蛋白质、DNA 和脂质破坏，最终导致星形胶质细胞和神经元死亡而释放DAMPs[34](损伤相关的分子模式)，包括HMGB1(高迁移率族蛋白B1) 和S100B 蛋白等，触发炎症反应，大量产生的DAMPs 和炎症介质通过破损的血脑屏障作用于肺。已知RAGE( 晚期糖基化终产物)受体在肺内皮细胞及肺泡细胞上高度表达[35]，HMGB1 通过结合TLR4/RAGE 受体激活NF-κB信号通路，促进多种粘附分子及炎性介质的释放。进而引起一系列全身炎症反应，加重继发性脑损伤和肺损伤[36]。韦伯[37]在TBI 小鼠的肺移植实验中发现，RAGE 野生型小鼠肺组织出现大量的中性粒细胞浸润和顺应性下降，而突变型肺组织无明显改变。拮抗HMGB1 的表达逆转了缺氧及肺顺应性的下降，通过HMGB1 刺激TBI 小鼠24h 后，肺组织NF-κB P65 出现明显的核移位及下游炎症信号通路的激活，这进一步证实了HMGB1/NF-κB在TBI 后继发肺损伤过程中所起到的重要作用。

1.9 脑脊液及血清生物标记物的异常表达

1.9.1 神经肽类物质与NO

近年来研究发现，颅脑损伤后血浆中神经肽Y[38]和P 物质水平与重型TBI 患者的损伤严重程度和死亡率相关[39]。神经肽Y 是广泛分布于中枢神经系统中具有强烈缩血管作用的肽类递质，与外周受体结合后，加强血管紧张素的缩血管作用，强烈收缩脑血管，降低脑组织血流量，加重脑组织缺血缺氧。P 物质属于速激肽的一种，在中枢端和外周端末梢释放，与NK1 受体结合后参与神经源性炎症反应的病理生理过程中，可直接作用于血管内皮细胞， 释放内皮舒张因子，引起血管舒张，通透性增加，在炎症反应导致的渗出过程中具有重要作用。唐金等人[40,41]通过靶向NK1 受体拮抗剂，显著减少了TBI 后血脑屏障通透性，这提示神经肽类物质参与了继发性脑损伤的发生发展过程。

研究发现，内皮素在TBI 后肺组织匀浆中含量明显升高且持续较长时间[42]，脑组织缺血缺氧刺激血管内皮细胞大量合成内皮素，促进肺血管收缩、肺动脉高压和支气管痉挛，加重肺损伤。动物实验研究发现，TBI 大鼠肺组织匀浆中INOS-mRNA 及血浆NO 浓度显著高于对照组，过度产生的NO 干扰肺泡表面活性物质的生成，促进液体渗出并与氧自由基反应，破坏细胞正常的结构和功能。

1.9.2 兴奋性氨基酸的神经毒性作用

已有研究表明，兴奋性神经递质如谷氨酸(Glu)在TBI 后脑脊液及血浆中含量明显升高[43]，Glu 的异常释放促进Ca2+大量内流可能是其发挥神经毒性的主要机制。Glu 通过与NMDA 及非NMDA 受体结合开启受体门控Ca2+通道，引起细胞内 Ca2+超载，干扰线粒体呼吸链功能，激活磷脂酶C 并诱导产生大量氧自由基，破坏细胞膜结构，最终导致神经元死亡，还可激活NF-κB 信号，诱导炎症反应和神经细胞凋亡，加重继发性脑损伤[44]。相关研究报道，NMDA 受体拮抗剂在大鼠体内外对神经细胞损伤实验中发挥明显的保护作用[45]。

1.9.3 粘附分子

粘附分子是介导细胞与细胞间或细胞与细胞外基质间起粘附作用的膜表面糖蛋白。目前研究最多的是来源于免疫球蛋白超家族的ICAM1(细胞间粘附分子1)和VCAM1(血管细胞间粘附分子1)。动物实验研究发现，在血管内皮细胞受到损伤或TNF-α 等致炎因子的刺激时两者的表达上调，位于白细胞表面的整合素家族β2 粘附分子受体和血管内皮细胞上的免疫球蛋白超家族配体特异性的结合，介导白细胞对血管内皮细胞的聚集、粘附和迁移等过程，在促进TBI 后肺组织的炎症放大级联反应中发挥重要作用。既往研究发现，VCAM1-mRNA 在创伤性脑损伤早期大鼠肺组织中高表达，N-乙酰半胱氨酸通过抑制VCAM1-mRNA 的表达可明显减轻肺内出血、肺泡细胞肿胀和炎性细胞聚集[46]。ICAM-1 在正常脑组织中表达含量很低，而在脑创伤后皮质区血管内皮细胞中高表达[47]，通过抑制粘附分子的表达可以对多种炎症反应发挥保护作用，因此，粘附分子可以TBI 后肺损伤治疗的一个潜在靶点。

1.9.4 S100B 蛋白

S100B 蛋白是由星型胶质细胞分泌的一种钙离子结合蛋白，在中枢神经系统中的水平远较其他组织丰富，是反映神经胶质细胞完整性的特异性标记蛋白[48]。正常情况下，S100B 在细胞外液中含量很少，且不能透过血脑屏障，但当中枢神经系统细受到损伤后早期S100B 即可以大量释放到细胞外液中和(或)经受损的血脑屏障释放入外周血[49]，从而刺激星形胶质细胞和小胶质细胞释放更多的S100B 和IL-6 等致炎细胞因子[50]，对继发性脑损伤和肺损伤发挥重要作用。已知S100B 在神经系统中的作用是双重的，低浓度时，对神经细胞发挥保护作用，高浓度时，具有神经毒性，通过增加表达IL-6 促炎细胞因子，诱导神经元凋亡[51]。多个研究显示，脑脊液和血清中S100B 和颅脑损伤严重呈正相关[52]，所以通过检测脑脊液中S100B 的浓度可以预测脑损伤的严重程度和预后。

2 TBI 致肺损伤的危险因素

ALI 可加重颅脑损伤患者的致残率和死亡率，分析颅脑损伤患者并发肺部感染的可能危险因素，并采取切实可行的有效措施进行干预，对临床预防和治疗TBI 后急性肺损伤具有重要意义。颅脑损伤病人多伴有不同程度的意识障碍，免疫抑制，长期卧床带来的肺部渗出水肿等，给外来病原菌的入侵提供了适宜的微环境，造成低氧和呼吸困难，加重TBI 后原发性脑损伤和继发性损害。GCS 评分是临床上评估病人意识障碍严重程度较常用的指标，符永华认为GCS 评分小于5[53,54]是重症颅脑损伤患者发生肺部感染的独立危险因素，分析其可能的原因为昏迷的病人正常的咳嗽反射和吞咽反射下降，以及颅内高压引起的反射性呕吐增加了误吸的风险，误吸的胃液和呼吸道分泌物直接或间接损伤肺泡毛细血管，降低肺泡二型细胞表面活性物质的生成，造成肺泡渗出增多和肺不张。其次，口咽部正常的定植菌如肺炎链球菌或者是胃肠道菌群如铜绿假单胞菌的易位也参与了肺组织损伤的病理生理过程中。

颅脑损伤昏迷的病人大多都伴有氧合的下降，为了减少缺氧对继发性损伤造成的伤害，预防性的行气管切开和机械通气，改善病人的通气功能，可以在某种程度上降低病人的死亡风险。但研究发现，气管切开的病人增加了肺部感染的风险[55]，其可能的机制为气管切开的病人破坏了呼吸道正常的防御屏障，进入肺内交换的气体缺少上呼吸道纤毛和黏膜免疫的过滤作用，以及医务人员的不规范操作给外来病原菌的入侵提供了机会。机械通气时侵入性的操作不仅可损伤正常的呼吸道黏膜，而且增加了口咽部定植菌和外来病原菌到达入肺，机械通气时间越长，发生肺部感染的几率越大。研究发现机械通气时间每增加1 天，肺部感染的发生几率增加1%-3%[56]，这与最新的研究报道结果[53]是一致的。

研究报道手术持续时间[57]和颅脑损伤后并发肺部感染密切相关，手术持续时间越长，发生医院获得性肺炎的可能性越大，全麻状态下气管插管的病人呼吸道纤毛摆动能力减弱，增加误吸风险，这与稽晓红[58]的研究结果是一致的。所以在选择最佳手术方式的前提下尽量缩短手术时间，对预防和减少肺部并发症或许有一定的作用。

其他危险因素如高龄、放置引流管、住院时间[59]、以及糖尿病等也被报道与继发性肺部感染相关[57]，而吸烟、慢性支气管炎等对呼吸系统结构和功能的破坏也为肺部感染提供了易感条件，广谱抗生素和大剂量糖皮质激素的不恰当使用都会破坏机体正常的防御功能，造成菌群失调，增加肺部感染的几率。因此，在病人入院后根据病人生命体征和既往史制定个体化的预防和治疗方案对减少肺部并发症至关重要。

3 治疗

颅脑损伤术后的病人在积极治疗原发病的基础上，除了降低颅内压，限制液体入量外，还应预防性的进行气管切开，实施机械通气，改善病人通气功能，制定合理的通气时间，严格无菌操作，避免呼吸机相关性肺炎和侵入性操作带来的医源性感染。对于长期卧床，昏迷的病人，定时翻身拍背、吸痰，加强口腔护理，保证充足的营养支持，增加机体抵抗力。临床研究发现，大剂量糖皮质激素冲击治疗对肺损伤病人并未取得很好的治疗效果，反而加重了机体对正常免疫的抑制，因此，在整个治疗过程中应严管控激素的用量，在控制炎症反应的同时最大限度的减少激素的副作用对病情的干扰。对于伤后高血糖患者，伤后6-12 小时是控制高血糖、减少继发性脑肺损伤的最佳时间节点[30]，应严密监测血糖和使用胰岛素控制血糖，减少高血糖引起的继发性损伤。 李皿[60]发现肺部感染的病原菌绝多数是铜绿假单胞菌，一旦感染很难控制，所以对一般抗生素耐药的患者应根据药敏实验结果选择敏感的抗生素。

4 展望

TBI 患者易继发肺部感染，但由于其发生机制的复杂性和多样性，其具体机制仍未明确，尚需更多的临床试验和基础研究去挖掘其可能的机制。总之，在预防其危险因素的前提下，从分子和通路水平上阻断TBI 致肺损伤炎症信号的传递，制定个体化、合理可行的治疗方案，有望改善TBI 继发肺损伤患者的预后和转归。