機械通氣所致肺損傷的生物學(xué)標(biāo)志的研究進展.doc

題目：機械通氣所致肺損傷的生物學(xué)標(biāo)志的研究進展單位：上海市瑞金醫(yī)院作者：沈富毅 張富軍 審校：薛慶生摘要：對于急性肺損傷（acute lung injury,ALI）、急性呼吸窘迫綜合癥(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者，正壓機械通氣可以挽救生命。然而，大量實驗及臨床資料證明，臨床醫(yī)生如何設(shè)定通氣方案包括潮氣量、PEEP及氣道平臺壓等，將影響患者肺損傷的嚴(yán)重性、預(yù)后和死亡率。近年來，固有免疫應(yīng)答及炎癥反應(yīng)在機械通氣所致肺損傷（ventilator-induced lung injury，VILI）發(fā)病機制中的作用得到了廣泛的研究。目前的研究結(jié)果傾向于炎癥反應(yīng)是VILI發(fā)生的主要機制。研究發(fā)現(xiàn)，血漿、血清及肺泡灌洗液內(nèi)的細(xì)胞因子和趨化因子是VILI的主要生物學(xué)標(biāo)志。關(guān)鍵詞：機械通氣，肺損傷，VILI，炎癥反應(yīng)，生物學(xué)標(biāo)志Abstract: For patients with ALI(acute lung injury) or ARDS(acute respiratory distress syndrome),the positive pressure mechanical ventilation can save their lives.However,a lot of experimental studies and clinical datas have proved that how the clinicians set the ventilatory strategies(including the tidal volume,the positive end-expiratory pressure and the plateau airway pressure,etc) can affect the severity of the lung injury,the outcomes and the mortality.In recent years,the effects of the inherent immunity and the inflammation have been widely studied in pathogenesy of the ventilator-induced lung injury(VILI).The investigators find that the inflammation is the main mechanism in VILI and the cytokines and chemokines are the main biological markers in plasm,serum and bronchoalveolar lavage fluid.Keywords:ventilator-induced lung injury,inflammation,biological marker機械通氣是治療急性肺損傷(ALI)與急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)不可缺少的手段之一。但機械通氣和呼吸機的使用過程中，也可能產(chǎn)生或加重肺損傷，其機理主要與肺組織的過度牽張、萎陷肺泡反復(fù)閉合開放產(chǎn)生的剪力損傷及機械通氣誘導(dǎo)產(chǎn)生炎癥介質(zhì)的大量釋放密切相關(guān)1。下文將對機械通氣所致肺損傷（VILI）生物學(xué)標(biāo)志的研究進展做一綜述。臨床研究一系列臨床研究證明，在治療急性肺損傷(ALI)與急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)中，小潮氣量、高PEEP機械通氣可明顯降低患者死亡率并減少呼吸機使用天數(shù)。目前的研究結(jié)果傾向于VILI形成的主要原因是炎癥反應(yīng)。研究中所發(fā)現(xiàn)的指標(biāo)主要有IL-6、IL-8、IL-10、SP-D、IL-1Ra、sTNFR1、sTNFR2等。1998年，Amato等報道了第一例結(jié)果呈陽性的對ARDS患者實施保護性機械通氣的隨機對照研究，研究結(jié)果表明，與常規(guī)機械通氣相比，保護性機械通氣可改善ARDS患者28天內(nèi)的生存率(圖1)、減少呼吸機使用天數(shù)、降低氣壓傷發(fā)生率2。 圖12000年，Laffey等進行的一項多中心研究結(jié)果顯示，與大潮氣量機械通氣相比，對ALI及ARDS患者采用小潮氣量機械通氣，能明顯降低其死亡率并減少呼吸機使用天數(shù)。該研究將861名ALI或ARDS患者隨機分為兩組，大潮氣量組（大潮氣量12ml/kg，氣道平臺壓50cmH2O）與小潮氣量機械通氣組（潮氣量6ml/kg，氣道平臺壓30cmH2O）。研究在病例數(shù)達到861例時終止，因為小潮氣量組死亡率明顯低于大潮氣量組（31.0%vs. 39.8%, P=0.007）,且前28天內(nèi)減少呼吸機使用天數(shù)，小潮氣量組高于大潮氣量組（1211 vs. 1011, P=0.007）。該試驗第1-3天平均潮氣量分別為6.20.8ml/kg和11.80.8ml/kg，平均氣道平臺壓分別為256cmH2O和338cmH2O3。該多中心研究的后續(xù)研究中，發(fā)現(xiàn)了一系列與VILI相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志。Ware等對患者進行的一項追蹤研究顯示，在收集到的樣本中，常規(guī)機械通氣組肺泡灌洗液中的中性粒細(xì)胞活化作用明顯升高4。Parsons等進行的深入研究（861例患者中的703例進入此項研究）表明，低潮氣量可能使炎癥反應(yīng)減弱。該研究發(fā)現(xiàn)高水平的IL-6、IL-8、IL-10分別與所有患者的死亡危險度升高相關(guān)。在低潮氣量組中，IL-6的血漿水平下降26%，IL-8的血漿水平下降12%，IL-10至第三天仍無變化。第三天血漿IL-6水平所對應(yīng)的死亡率比值比為3.7。值得注意的是，IL-6與IL-8水平隨著ARDS的臨床危險因素改變而改變，例如感染可增加這些介質(zhì)的水平。然而，作者計算了低潮氣量組治療效果，第三天IL-6水平下降30%5。Eisner等進行的另一項研究發(fā)現(xiàn)，血漿高SP-D（肺泡表面蛋白-D）水平與死亡風(fēng)險的增加相關(guān)。第三天，低潮氣量通氣組SP-D顯著下降。由于SP-D為肺泡上皮細(xì)胞特有，故低潮氣量通氣可能減少了肺泡上皮細(xì)胞損傷或降低了肺泡上皮細(xì)胞對蛋白的通透性6。一項較早的研究也發(fā)現(xiàn)了一系列生物學(xué)標(biāo)志。該研究將44名使用機械通氣8小時以內(nèi)的ARDS患者作為研究對象，患者隨機分為兩組，常規(guī)機械通氣組（平均潮氣量11 2 mL/kg，平均PEEP 7 2 cm H2O）及小潮氣量組（平均潮氣量8 1 mL/kg，平均PEEP 15 3 cm H2O）。兩組氣道平臺壓均限制于35 cm H2O以內(nèi)。大約36小時后，小潮氣量及高PEEP水平機械通氣組中，IL-1Ra、sTNFR1和sTNFR2的血漿及肺泡灌洗液水平明顯下降。相對的，常規(guī)機械通氣組中，IL-1Ra、sTNFR1和sTNFR2的肺泡灌洗液水平明顯升高。常規(guī)機械通氣組平均IL-1Ra的BAL濃度在研究開始時為17g/mL，后上升至32g/mL。在小潮氣量高PEEP組中，IL-1Ra初始濃度為19g/mL，36小時后為16g/mL。常規(guī)機械通氣組中，sTNFR1及sTNFR2水平明顯升高近2倍。小潮氣量高PEEP組中，肺泡灌洗液內(nèi)IL-1、IL-6、 IL-8和TNF-水平在36小時后下降，而在常規(guī)機械通氣組中沒有變化或者是升高。這些介質(zhì)在血漿中有相同的趨勢7。實驗室研究研究者們通過各種實驗?zāi)Ｐ停ò╒ILI、VALI的整體動物模型、離體肺、及分離的肺泡上皮細(xì)胞）探索VILI的發(fā)生機制，目前的研究結(jié)果傾向于炎癥反應(yīng)是VILI發(fā)生的主要機制。Tremblay等首先報道了對大鼠游離肺實驗發(fā)現(xiàn)，TNF-、 IL-1、 IL-6、IL-10、MIP-2、INF-在大潮氣量零PEEP組中明顯高于小潮氣量高PEEP組及小潮氣量零PEEP組8。之后，許多實驗得出了相似的結(jié)果。然而也有部分實驗否定了TNF-與潮氣量及PEEP的相關(guān)性9 10。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞分別在VILI的起始階段以及進展過程中起到一定作用。Eyal FG等的研究表明肺泡巨噬細(xì)胞的減少可使肺損傷減小。實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CL2MDP（liposomal clodronate，骨瞵，又名氯甲雙磷酸鹽，可抑制巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞的增殖）氣管內(nèi)預(yù)處理的大鼠，肺濕干比上升幅度明顯小于未預(yù)處理組，且肺順應(yīng)性與肺泡穩(wěn)定度均好于未預(yù)處理組11。Michael R Wilson等發(fā)現(xiàn)，在呼吸機高牽張誘發(fā)急性肺損傷小鼠模型中，肺邊緣Gr-1high單核細(xì)胞明顯增多，同時伴隨更高的CD11b的表達和更低的L-選擇素的表達。經(jīng)過CL2MDP氣管內(nèi)預(yù)處理的小鼠，肺單核細(xì)胞明顯減少，并能減少肺損傷12。最新研究發(fā)現(xiàn)，在呼吸機所致急性肺損傷的發(fā)展和加重過程中，趨化因子PBEF（pre-B-cell colony enhancing factor）也是一個關(guān)鍵的炎癥遞質(zhì)13。腎素-血管緊張素系統(tǒng)14及ATP-P2Y受體系統(tǒng)15均參與了VILI的致病過程。Jerng JS等研究發(fā)現(xiàn)，高潮氣量組（40ml/kg，持續(xù)4小時）肺損傷評分、支氣管肺泡灌洗液中的蛋白濃度、前炎癥細(xì)胞因子、NF-kappaB活性較空白組（無機械通氣）明顯升高，其肺組織血管緊張素II水平、血管緊張素原、1型、2型血管緊張素II受體的mRNA水平也明顯高于低潮氣量組（7ml/kg，持續(xù)4小時）和空白組。高潮氣量組中經(jīng)卡托普利或氯沙坦或PD123319（1型或2型血管緊張素II受體拮抗劑）預(yù)處理的大鼠，肺損傷及炎癥反應(yīng)明顯減弱14。而Hiroki等的研究證實，ATP主要通過ATP-P2Y受體系統(tǒng)介導(dǎo)肺部炎癥反應(yīng)。該研究發(fā)現(xiàn)大潮氣量機械通氣引起肺部炎癥反應(yīng)時，支氣管肺泡灌洗液中的ATP濃度明顯升高；而經(jīng)P2受體拮抗劑預(yù)處理，可局部減輕炎癥反應(yīng)15。展望VILI的發(fā)病機制目前尚不明確。盡管部分研究顯示，炎癥反應(yīng)可能不是VILI啟動的全部，但大量的研究結(jié)果仍傾向于炎癥反應(yīng)為VILI的主要發(fā)病機制，并發(fā)現(xiàn)了一系列與急性肺損傷相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志，對急性肺損傷的監(jiān)測有一定的幫助。近年來，部分研究者將研究方向轉(zhuǎn)向?qū)σ种苿┑难芯?。如：ACEI類及ARB類藥物可分別通過阻斷ACE活性及ANG-II受體減弱VILI的炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡16；NF-kappaB 抗體可降低肺部缺血再灌注損傷和呼吸機所致肺損傷17；多巴胺支氣管內(nèi)滴注可提高高潮氣量通氣患者肺水腫清除率并顯著改善生存率18；預(yù)防性吸入IL-10可通過抑制炎癥反應(yīng)改善VILI生存率并減少肺損傷19；IL-1Ra可顯著降低損傷性機械通氣期間的肺泡上皮細(xì)胞通透性，減小肺水腫，同時也減少了氣道中性粒細(xì)胞，經(jīng)過IL-1Ra處理，支氣管肺泡灌洗液中的RTI40（I型肺泡上皮細(xì)胞特有的膜蛋白，與機械通氣潮氣量呈正相關(guān)20）水平減少2.5倍。表明IL-1Ra對于急性肺損傷的治療可能有效21。對抑制劑研究的開展，為VILI發(fā)病機制的研究提供了新的方向，也為VILI的預(yù)防與治療提供了新的線索。參考文獻：1. Pinhu L, Whitehead T, E-na T, et al. Ventilator-associated lung injuryJ. Lancet, 2003,361(9354):332 3402. Amato MB, Barbas CS, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 1998;338:347-3543. Laffey J. G., Kavanagh B. P., Ney L., Kuebler W. M., Oba Y., Salzman G. A., Brower R. G., Matthay M. A., Wheeler A. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. The Acute Respiratory Distress Syndrome Network. N Engl J Med 2000;342,1301-13084. Ware, LB, Eisner, MD, Thompson, BT, et al Significance of von Willebrand factor in septic and nonseptic patients with acute lung injury. Am J Respir Crit Care Med 2004;170,766-7725. Parsons, PE, Eisner, MD, Thompson, BT, et al Lower tidal volume ventilation and plasma cytokine markers of inflammation in patients with acute lung injury. Crit Care Med 2005;33,1-66. Eisner, MD, Parsons, P, Matthay, MA, et al Plasma surfactant protein levels and clinical outcomes in patients with acute lung injury. Thorax 2003;58,983-9887. Ranieri, VM, Suter, PM, Tortorella, C, et al Effect of mechanical ventilation on inflammatory mediators in patients with acute respiratory distress syndrome: a randomized controlled trial. JAMA 1999;282,54-618. Tremblay, L, Valenza, F, Ribeiro, SP, et al Injurious ventilatory strategies increase cytokines and c-fos m-RNA expression in an isolated rat lung model. J Clin Invest 1997;99,944-9529. Naik, AS, Kallapur, SG, Bachurski, CJ, et al Effects of ventilation with different positive end-expiratory pressures on cytokine expression in the preterm lamb lung. Am J Respir Crit Care Med 2001;164,494-49810. Merz, U, Klosterhalfen, B, Hausler, M, et al Partial liquid ventilation reduces release of leukotriene B4 and interleukin-6 in bronchoalveolar lavage in surfactant-depleted newborn pigs. Pediatr Res 2002;51,183-18911. Eyal FG, Hamm CR, Parker JC. Reduction in alveolar macrophages attenuates acute ventilator induced lung injury in rats. Intensive Care Med. 2007 Jul;33(7):1212-8. Epub 2007 Apr 2812. Michael R Wilson, Kieran P. ODea, Da Zhang,et al. Role of Lung-Marginated Monocytes in an In Vivo Mouse Model of Ventilator-Induced Lung Injury. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2009, doi:10.1164/rccm.200806-877OC13. Hong SB, Huang Y, Moreno-Vinasco L,et al. Essential role of pre-B-cell colony enhancing factor in ventilator-induced lung injury. Am J Respir Crit Care Med. 2008 Sep 15;178(6):605-17. Epub 2008 Jul 24.14. Jerng JS, Hsu YC, Wu HD,et al. Role of the renin-angiotensin system in ventilator-induced lung injury: an in vivo study in a rat model. Thorax. 2007 Jun;62(6):527-35. Epub 2007 Jan 18.15. Hiroki Matsuyama, Fumimasa Amaya, Soshi Hashimoto,et al. Acute lung inflammation and ventilator-induced lung injury caused by ATP via the P2Y receptors: an experimental study. Respir Res. 2008; 9(1): 79. Published online 2008 December 13. doi: 10.1186/1465-9921-9-79.16. Wsten-van Asperen RM, Lutter R, Haitsma JJ,et al. ACE mediates ventilator-induced lung injury in rats via angiotensin II but not bradykinin. Eur Respir J. 2008 Feb;31(2):363-71. Epub 2007 Oct 24.17. Chiang CH, Pai HI, Liu SL,et al. Ventilator-induced lung injury (VILI) promotes ischemia/reperfusion lung injury (I/R) and NF-kappaB antibody attenuates both injur