肺泡屏障通透性增加在ARDS中的研究进展

周莉 李爱民

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是一种由严重感染、创伤、休克、中毒、吸入有害气体、急性胰腺炎和病理性产科等多种因素引起的急性进行性呼吸衰竭,其主要特征为以非心源性肺水肿导致的双侧胸部放射状不透明、严重的低氧血症、呼吸急促及肺部顺应性的丧失[1]。ARDS被定义为急性肺损伤的严重阶段。由于难以置信的复杂的疾病过程,ARDS患者的死亡率较高,加之其病情的复杂性,患者的管理与治疗也同样困难。目前,关于ARDS的发病机制和病理生理学的研究已取得重大进展。呼气末正压、小潮气量通气、液体管理、糖皮质激素、神经肌肉阻滞剂等方法的干预,使患者的短期生存率得到比较明显的改善,但ARDS患者的预后仍然较差[2]。ARDS患者能否康复取决于肺部损伤的程度、肺外器官的损伤、患者的原发疾病以及支持性护理的充分性。研究发现,相较于ARDS存活者,ARDS死亡患者肺泡屏障损伤更为严重[3]。肺泡屏障通透性的改变可能为ARDS发生、发展的基础。故深入探讨肺泡屏障功能的损伤机制,寻找ARDS的治疗方法具有重要作用。

1 ARDS发病机制

1.1 ARDS概述 ARDS首先于1967年被描述,但其定义从那时起有了很大的变化。ARDS被定义为由于呼吸循环衰竭导致心、脑等重要器官严重缺氧,并伴有心率失常或心动过速。由急性支气管痉挛性疾病和某些气道上皮细胞脱落所致的以肺组织水肿、肺功能不全或衰竭为特征的呼吸窘迫综合征。ARDS可以单独发生,也可合并其他相关疾病或因器官损伤导致的症状如昏迷所致的缺氧和二氧化碳潴留。ARDS诊断以临床表现为主要依据,早期一般无特异性征象,但早期诊断可改善预后。其诊断可参考以下方法：(1)听诊——有无低通气;(2)看胸片、听脉搏、看血气分析;(3)胸部 X线、胸部 CT检查;(4)口对口人工呼吸检查。ARDS与急性支气管炎(ICP)、支气管痉挛性疾病(PCOD)及心源性休克(EME)有关,但不能相互取代,主要与以下因素有关：(1)药物治疗;(2)呼吸治疗;(3)物理治疗。在美国,ARDS的发病率正呈逐年增长的趋势发展。最近,由于新型冠状病毒肺炎的大流行,ARDS的发病率明显升高。ARDS被越来越广泛的认识。笔者发现到目前为止,还没有已知的一种治疗ARDS的方法。多项研究已经研究了ARDS的各种原因、病理生理学以及通气和管理策略[4,5]。然而,各机构对这些患者的治疗和管理仍有相当大的差异性。ARDS的发病机制较为复杂,多项研究证实,其是一种炎症性反应综合征,炎性细胞水平变化、肺内微血栓形成、肺泡表面活性物质减少等均可能导致ARDS的形成[6,7]。

1.2 ARDS与炎性反应 ARDS的发生与气道内外因素密切相关,研究表明,ARDS患者的气道屏障结构(尤其是毛细支气管炎)存在显著变化[8]：(1)在肺泡中气道膜增厚;(2)肺泡毛细支气管炎患者发生呼吸衰竭的风险较低;(3)在肺表面增强的肺泡表面上皮细胞对吸入氧的敏感性提高;(4)肺泡中毛细支气管炎引起肺泡通气和血液循环障碍、降低肺泡毛细血管通透性使局部氧合能力降低以及增加氧合阻力等;(5)发生在通气衰竭患者肺泡外周和细胞表面的毛细支气管炎性反应。炎性反应是一种临床上常见的病理反应,正常的肺部微血管结构可维持正常通透性,但当出现ARDS征时,肺微血管发生堵塞,气体交换不畅,导致微循环功能障碍及肺部通气障碍,进一步引起呼吸系统急性炎症。肺微血管堵塞是气道炎性反应的结果,可以通过影响气体交换来影响呼吸功能。因此,吸入低分子量物可导致肺微血管阻塞,从而导致呼吸功能障碍。有研究表明,肺微血管阻塞在ARDS发病中起到重要作用,一方面由于氧合损害后呼吸循环发生障碍,氧合功能下降,而低分子量物进入了气管;另一方面,低分子量物能够激活巨噬细胞,并释放促炎细胞因子抑制巨噬细胞活化,诱导白细胞吞噬功能失调,从而增加炎性反应与氧合损伤之间的联系[9]。

除此之外,由于炎性反应本身造成了血管内皮功能受损和通风压差增加,而通气功能障碍则使微血管扩张及阻塞情况加剧。研究表明,几乎全部的肺内细胞均能够不同程度的参与ARDS的发病,中性粒细胞、肺泡/巨噬细胞等均可作为ARDS的主要效应细胞,当受到病理损伤刺激后,大量炎性因子在肺泡毛细血管中聚集,逐渐转移直至肺泡腔内,从而促进肺损伤的发展[10]。大量研究证实,脂多糖介导的中性粒细胞、单核/巨噬细胞及内皮细胞等炎性细胞及炎性介质在ARDS的发生、发展中扮演着重要角色[11,12]。系统性炎性反应综合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)和ARDS及多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)的发展和进展关系密切。研究发现,通过对比常规治疗的ARDS患者及接受糖皮质激素救援治疗的未解决的ARDS患者炎性因子水平,结果发现,在ARDS发病时,非幸存者血浆肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)以及白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)水平明显更加高,并且随着时间的进展而逐渐升高[13]。表明ARDS患者的最终结局与宿主炎性反应的程度和持续时间具有重要的关系。

当ARDS发展至18～36 h时,内皮细胞被激活,炎性细胞出现聚集、粘附及迁移,内皮钙黏蛋白被破坏,肺泡上皮及肺血管内皮细胞受到损伤,血管通透性明显增加,大量蛋白质进入肺泡中,导致患者发生肺水肿,加重肺组织损伤。研究发现,肺泡屏障受损在病情较重的ARDS患者中扮演着重要角色[14]。正常情况下,肺泡屏障能够使肺通气与血流的比例处于一种相对的平衡状态,肺部气体交换正常进行;而当肺泡屏障受到损伤时,肺通气与血流比例失衡,肺泡液体及蛋白清除率明显降低,大量胶原蛋白及纤维蛋白沉积于肺泡腔中,进一步损伤肺泡内皮细胞,造成微循环血栓栓塞,甚至造成低氧血症情况的发生[15]。

完整的肺泡屏障及活性离子的迁移能够保证正常的肺泡液体清除率,但ARDS最明显的特征为肺泡毛细血管及肺泡屏障的损伤,肺泡屏障通透性明显增加,从而诱导肺水肿的发生。研究发现,钠离子与钾离子主要通过位于Ⅰ型与Ⅱ型肺泡上皮细胞基底面上的Na+-K+-ATP酶泵出细胞,若肺泡屏障受到损伤,肺泡液体的清除率明显降低[16]。有研究发现,在气管插管和开始正压通气后的前 4 h内连续采集肺水肿液和血浆[17]。净肺泡液清除率由连续水肿液蛋白测量值计算。肺泡液清除率最大的患者死亡率显着降低,机械通气时间更短。认为,患者的死亡率与肺泡液体清除率及肺泡完整的上皮屏障具有重要关系。

此外,相关研究表明,大潮气量通气引起的肺泡过度膨胀能够将机械应力传递至肺泡上皮及内皮细胞,造成肺泡毛细血管壁受到的压力大大增加,肺泡上皮层受到损伤,通透性明显增加,加重肺损伤,进而造成ARDS发生[18]。其可能是由于肺泡内皮细胞在短时间内暴露于大潮气量中可能会激活炎症信号,影响肺屏障功能造成。

2 肺泡屏障的组成及功能

肺泡屏障是指在内皮细胞的基础上,通过分泌趋化因子和内皮细胞间粘附分子等作用,使PI3K/Akt信号通路关闭的一种屏障结构。肺泡上皮屏障结构主要由肺泡上皮Ⅰ型细胞、肺泡上皮Ⅱ型细胞及其上皮细胞之间的紧密连接组成,它们共同构成了具有选择性通透性的非静态密封屏障结构,不仅可以阻止过多的肺泡液体和蛋白质进入,减轻或改善肺水肿,还可以防止吸入的有害物质通过肺泡腔侵入肺实质内,从而防止众多疾病的发生、发展[19]。肺泡具有良好的透气性和足够的气体交换能力,是一种十分重要的呼吸系统结构。因此,肺泡屏障通透性在肺部疾病的发生发展中扮演着重要角色。

2.1 基质 基质是肺泡屏障的第一道重要屏障,位于肺泡表面。正常肺泡基质呈粉红色,因含微量氧元素而呈粉红色,有较高的耐酸性。肺泡基质含有蛋白质、胶原、多糖、氨基酸以及细菌等多种成分,均可作为内皮细胞的粘附剂与上皮层细胞粘附在一起,起到缓冲和固定作用。同时,肺泡基质与上皮层之间具有特殊的疏水性;基质层中富含各种营养成分或酶,可为肺泡起到营养、氧气输送和营养物质交换的作用。此外,肺泡内皮细胞具有多种信号分子以调节机体的呼吸功能,PI3K/Akt信号通路能够激活肥大细胞上皮向肥大基质内迁移,激活肥大细胞的粘附功能以清除肺泡上皮垃圾。

2.2 毛细血管 肺泡内毛细血管呈网状结构分布,包括毛细血管间质及肺泡血管周围的间质内淋巴细胞。在正常肺泡内,肺泡外淋巴细胞通过炎症介质引起细胞因子分泌增加,而间质内淋巴细胞分泌大量的细胞因子,引起细胞免疫和体液免疫。同时肺部有多种免疫细胞与上皮层之间保持着较好的连接。其中包括 B细胞、 NK细胞、 B淋巴细胞等。

2.3 基质层结构 基质层由三层纤维构成,最外层纤维包含基质细胞和纤毛细胞,以纤毛细胞和基质细胞为主,纤毛细胞主要由间质细胞和平滑肌细胞组成,间质细胞包含基质细胞、纤毛细胞、基质微粒,纤毛功能主要为清除附着在纤毛表面的各种生物分子。平滑肌细胞主要以磷脂酰肌醇(PAM)受体(PPAMP)及钙离子通道蛋白受体(CAMPR)为受体,通过分泌与纤毛分泌相关的因子如 TRPA、 BFA及IL-2等来促进纤毛清除功能和减少表面张力[20]。

2.4 肺泡内毛细血管及间质的功能 肺泡毛细血管包括大小毛细血管和间质血管,肺泡毛细脑血管通常是由毛细胞间粘附分子组成,并通过调节膜的通透性发挥重要作用。间质血管包括间充血及纤溶介质通路等多种功能,纤溶细胞可直接向肺泡内供应微量的氧气,通过控制微丝间充血使内皮细胞外液浓度保持在一定水平,促进二氧化碳排出,而内皮细胞外液主要由纤毛和粘附分子组成并参与转运蛋白的表达。纤毛可以通过与溶酶体结合使其脱稳而形成纤溶屏障;粘附分子则可以促进基质层向肺泡表面迁移以避免肺泡缺氧损害。

有研究发现,肺泡屏障的通透作用主要依靠肺泡上皮细胞间的紧密连接发挥作用[21]。肺泡屏障作为一种异常紧密的屏障,紧密连接蛋白能够使相邻细胞质与细胞膜紧密结合在一起从而形成致密的条索样紧密连接链,有学者在动物研究中发现,炎性反应、病毒刺激等多种刺激因素能够损伤紧密连接蛋白,激活Rho激酶及肌球蛋白轻链,使细胞收缩,进而使肺泡屏障通透性明显增加[22]。肺泡屏障为保护肺组织不受侵害的第一道屏障,正常情况下,肺泡屏障能够限制溶质的扩散,有效降低肺泡表面张力,从而保持肺泡正常免疫功能;而当发生ARDS时,肺泡液体渗透至肺泡,影响肺泡的代谢及表面物质的合成。据报道,Na+-K+-ATP酶是一种粘附分子和质膜转运体,能够通过促进屏障完整性和多余肺泡液体的溶解,从而实现适当的气体交换,从而对正常的肺泡上皮屏障功能起到至关重要的作用[23]。肺泡屏障在某种程度上具有一定的运输功能。

由于炎性介质和其他因素的影响,导致肺泡屏障通透性增加,并引起肺功能受损、气道分泌物潴留与肺通气量下降。因此,在呼吸衰竭患者中预防肺泡屏障通透性增加有必要寻找多种机制来调节肺功能等。炎性介质如炎性细胞因子、促炎性细胞因子如IL-10、IL-17、 FACs是造成肺泡屏障通透性增加的重要原因。促进纤毛运动可直接影响肺泡上皮组织的增殖和迁移,同时也会减少肺部和支气管排痰,影响呼吸功能。此外,由于纤毛运动可导致毛细血管张力增加、血管通透性增加及细胞外基质吸收障碍,也是导致ARDS发生的重要原因。IL-10能促进肺纤维化组织的形成与炎症介质的释放和胶原形成有关,因此建议在肺纤维化的早期给予糖皮质激素治疗,从而降低肺部炎症的程度并且减少炎性因子对细胞内外糖皮质激素受体的刺激,从而缓解呼吸窘迫综合征的急性加重;也可以通过改善肺灌注、减少炎性因子、减少细胞外基质沉积、保护肺泡内皮细胞等方式治疗ARDS。

3 ARDS的治疗与肺泡屏障通透性的关系

随着对ARDS病因学和发病机制的研究不断深入,已经证明肺泡上皮弥漫性损伤是ARDS发展过程中的一个重要病理变化,而肺泡上皮屏障功能的降低在ARDS的发展中也起着不可或缺的作用。肺泡结构是呼吸系统与周围组织结构之间的连接通道,肺泡表面有一层纤毛,上有很多肺泡壁细胞,使纤毛具有可以保护气道内的上气道不受感染,同时可以有效地阻挡细菌或病毒等病原体入侵。肺泡由许多纤毛组成,其中一种可以使纤毛对病原体更有效地抵抗;另一种纤毛则可以使细胞之间的粘附作用减弱,这两种变化都是在炎症状态下发生的。肺泡的纤毛可以起到有效的粘附作用;这些作用的变化主要与炎症状态、呼吸功能障碍有关。有研究表明,肺泡上皮屏障功能的损害程度决定了ARDS患者病情的严重程度,且肺泡上皮屏障功能的恢复决定了ARDS患者的预后情况[24]。此外,由于肺泡毛细血管屏障的通透性增加,富含蛋白质的水肿液体流入空气空间,其为ARDS的重要特征,因此,调节肺泡上皮屏障功能对治疗ARDS具有重要作用,肺泡毛细血管屏障的通透性可能为治疗ARDS的重要策略。从而为临床ARDS的治疗提供新的理论依据。

ARDS的病理生理过程可分为慢性损伤期、急性肺功能损伤期以及恢复期,慢性肺功能损伤期主要包括肺泡内炎症、纤毛运动减慢和血管舒张机制发生障碍,从而导致肺泡-纤毛系统(ECM)激活。在慢性肺功能损伤期间,内皮细胞会释放炎性介质,抑制纤毛运动,从而导致气道阻力增加、肺动脉压增高和呼吸窘迫等症状加重;而炎性介质的释放会促进内皮细胞过度增殖,诱发炎性因子风暴。而缺氧环境可使ARDS的肺血管功能受损导致 ECM被激活,产生呼吸抑制作用。有学者对 ARDS患者在经支气管肺移植手术中反复发生右心衰竭而发生 ECM损伤的情况下进行肺泡形态学功能检测,发现肺泡膜外因子(perfective expression of performance inference and complex,ETF)能有效地激活并增加肺泡间质内炎性因子的释放,从而激活纤毛运动[25]。

就发病率和死亡率而言,ARDS是一种严重的疾病负担。目前的治疗大多是支持性的,没有解决潜在的病理生理机制。去除富含蛋白质的肺泡水肿(ARDS的临床特征)对生存至关重要。在相关研究中,通过描述转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)触发的机制,其中肺泡蛋白转运的主要介质megalin受到糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)的负调节,蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶1的核抑制剂参与信号级联[26]。经TGF-β治疗后,抑制GSK3β可挽救原代肺泡上皮细胞的跨上皮蛋白清除。此外,在以博莱霉素为基础的急性肺损伤模型中,与野生型同窝动物相比,megalin(+/-)动物(megalin(-/-)变种因出生后呼吸衰竭而致命)的肺泡内蛋白显著增加,肺损伤更严重;相比之下,使用临床相关GSK3β抑制剂替格列昔布和丙戊酸钠治疗的野生型小鼠的肺泡蛋白浓度显著降低,这与肺功能和组织病理学的改善有关[27]。总之,我们发现TGF-β-GSK3β-megalin轴在ARDS中主要参与肺泡蛋白清除障碍,并为GSK3β抑制的治疗效果提供了临床前证据。另外,ARDS等炎症性肺部疾病的发病率仍然是一个重要问题。因此,密切监测炎症期间肺泡上皮的屏障功能,有效评估抗炎药物的作用意义重大。有研究显示,肺上皮细胞促炎细胞因子TNF-α和IFN-γ可降低上皮屏障特性,与巨噬细胞可共同作用与肺部炎症并对导致肺泡损伤[28]。研究表明,炎性反应、细胞死亡等多种原因均可造成肺泡屏障的损坏[29]。细菌侵入肺泡腔后,会产生快速、严格调节的免疫反应,促进病原体的成功清除。病原体识别后,激活常驻肺泡巨噬细胞早期释放促炎细胞因子,刺激邻近肺泡细胞产生趋化因子,进而介导中性粒细胞、渗出巨噬细胞和淋巴细胞的浸润。随后的炎性反应和病原体本身会留下与肺水肿和气体交换受损相关的受损肺泡屏障。因此,上皮修复过程被启动,以恢复正常的肺内稳态。通过分析野生型与模型组小鼠,GM-CSF缺陷小鼠在脂多糖治疗后表现出明显的肺泡上皮Ⅱ型细胞增殖减少和持续的肺泡屏障功能障碍[30]。肺泡内的上皮细胞和内皮细胞形成了保护肺呼吸功能所必需的屏障,然而,肺呼吸功能容易受到过度氧化、炎症和凋亡的损伤。为分析香烟烟雾的可溶性成分对肺泡屏障功能损害的发生机制,以大鼠为研究对象,通过原代培养的大鼠微血管细胞单层,发现香烟烟雾可溶性成分具有直接的内皮屏障破坏作用,其可通过谷胱甘肽调节剂或中性鞘磷脂酶、丝裂原激活的蛋白激酶p38(Mitogen-activated protein kinase,p38MAPK)、c-Jun氨基末端激酶(C-Jun amino terminal kinase,JNK)和Rho激酶抑制剂来改善[31,32]。以上均表明,肺泡屏障通透性的改善可能会缓解肺病相关的肺和全身血管功能障碍。

综上所述,关于ARDS的发病机制较为复杂,肺泡屏障功能的损害为该病的主要病理特征,也是ARDS发生的主要环节。调节肺泡屏障通透性可能为治疗ARDS的有效方法。