機(jī)械通氣導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生機(jī)制(一)

1、機(jī)械通氣導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生機(jī)制(一)    機(jī)械通氣是麻醉維持和重癥治療的必須輔助措施，而機(jī)械通氣導(dǎo)致的肺損傷（VILI）是此過(guò)程中最為重要的并發(fā)癥，易誘發(fā)炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS)和多器官功能衰竭（MSOF），盡管臨床治療和護(hù)理水平的不斷提高，但急性肺損傷病人的死亡率仍然很高，且多數(shù)病人死于多系統(tǒng)器官功能衰竭。目前VILI的發(fā)生機(jī)制尚不清楚，但眾多研究認(rèn)為機(jī)械通氣不僅導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)性損傷且引起肺組織“生物學(xué)損傷”，即機(jī)械通氣導(dǎo)致肺炎癥反應(yīng)上調(diào)，中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，支氣管肺泡腔灌洗液中炎癥介質(zhì)增加，其發(fā)生機(jī)制是由多種途徑和信號(hào)傳導(dǎo)通路共同作用所致。機(jī)械力通過(guò)激

2、活或觸發(fā)肺細(xì)胞膜上牽張敏感的陽(yáng)離子通道、通過(guò)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)改變，細(xì)胞膜上相關(guān)分子的直接構(gòu)象變化等將機(jī)械信號(hào)傳入細(xì)胞內(nèi)，然后激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子，蛋白激酶的活化和蛋白的磷酸化水平等多種機(jī)制，進(jìn)一步誘發(fā)肺內(nèi)炎性因子的大量產(chǎn)生，局部炎癥反應(yīng)擴(kuò)散，體循環(huán)炎癥介質(zhì)的釋放導(dǎo)致全身性炎癥反應(yīng)，機(jī)體免疫力的喪失和持久的炎癥損傷，促使病人通過(guò)一系列機(jī)制發(fā)展為多系統(tǒng)炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS)和多器官功能衰竭（MSOF），但其確切機(jī)制未明。機(jī)械通氣過(guò)程中炎癥反應(yīng)通路借用了肺內(nèi)已有的信號(hào)傳導(dǎo)通路，通過(guò)對(duì)已建立的信號(hào)傳導(dǎo)通路的研究有助于加快對(duì)機(jī)械通氣肺損傷機(jī)制的研究。了解組織器官中不同炎癥介質(zhì)間的相互

3、作用的復(fù)雜機(jī)制，就必須掌握肺內(nèi)主要的細(xì)胞在VILI產(chǎn)生和進(jìn)展中的作用。肺內(nèi)皮細(xì)胞，肺泡巨噬細(xì)胞，肺泡上皮細(xì)胞，中性粒細(xì)胞等作為機(jī)械通氣的靶細(xì)胞，在炎癥的進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。機(jī)械通氣導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生是多機(jī)制，多通路。本文將目前有關(guān)VILI的最新研究進(jìn)展作一綜述。盡管臨床治療和護(hù)理水平的不斷提高，但急性肺損傷病人的死亡率仍然很高，且多數(shù)病人死于多系統(tǒng)器官功能衰竭。目前，機(jī)械通氣引起肺損傷的機(jī)制尚未完全清楚，但發(fā)現(xiàn)肺泡的過(guò)度擴(kuò)張和終末肺單位反復(fù)開(kāi)放和關(guān)閉產(chǎn)生的剪切力加重肺的損傷，誘發(fā)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。了解通氣導(dǎo)致的肺損傷的產(chǎn)生和發(fā)展的重要機(jī)制，在今后的科研和臨床治療中有著重要的價(jià)值?，F(xiàn)將機(jī)械通氣導(dǎo)致

4、肺損傷的發(fā)生機(jī)制作一綜述。一 機(jī)械通氣導(dǎo)致肺損傷的簡(jiǎn)述一項(xiàng)大型臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)機(jī)械通氣導(dǎo)致肺損傷 1。ARDS network2報(bào)導(dǎo)，861名診斷為ALI和ARDS的病人隨機(jī)分配到兩組，一組接受傳統(tǒng)潮氣量（12ml/kg）通氣治療，一組給予小潮氣量（6ml/kg)治療，發(fā)現(xiàn)小潮氣量組的死亡率較傳統(tǒng)潮氣量組低22%，該項(xiàng)研究證實(shí)機(jī)械通氣能引發(fā)醫(yī)源性的損傷。但呼吸機(jī)的輔助治療對(duì)于危重病人是必不可少的，因此對(duì)通氣過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械力作用于肺組織的生物分子效應(yīng)和細(xì)胞效應(yīng)的研究，有可能消除機(jī)械通氣的醫(yī)源性損傷。機(jī)械通氣過(guò)程中各種機(jī)械力相互疊加反復(fù)作用于肺組織導(dǎo)致肺損傷?！癰iotrauma”用來(lái)描述機(jī)械通氣產(chǎn)

5、生的切應(yīng)力作用于肺組織導(dǎo)致炎癥反應(yīng)上調(diào)；機(jī)械通氣時(shí)，細(xì)胞感受機(jī)械力，活化細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路，隨后信息被整合到細(xì)胞核，產(chǎn)生效應(yīng)，調(diào)節(jié)自身和鄰近的細(xì)胞。機(jī)械通氣導(dǎo)致肺炎癥反應(yīng)上調(diào)，中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，支氣管肺泡腔灌洗液中炎癥介質(zhì)增加，稱(chēng)為生物傷。通過(guò)對(duì)大量有關(guān)細(xì)胞因子在機(jī)械通氣中作用文獻(xiàn)的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子在VILI，機(jī)械通氣相關(guān)并發(fā)癥（如MODS），機(jī)械通氣相關(guān)肺炎中發(fā)揮重要的作用 3。肺局部炎癥反應(yīng)擴(kuò)散，體循環(huán)炎癥介質(zhì)的釋放導(dǎo)致全身性炎癥反應(yīng)，隨之代償發(fā)生抗炎反應(yīng)，下調(diào)和減輕促炎癥反應(yīng)。機(jī)體免疫力的喪失和持久的炎癥損傷，促使病人通過(guò)一系列機(jī)制發(fā)展為多系統(tǒng)炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS)和多器官功能衰竭（

6、MSOF），最終死亡。最近報(bào)道大潮氣量機(jī)械通氣引起肺以外心血管，肝的損傷和全身性炎癥反應(yīng)4。Ranieri5等發(fā)現(xiàn)運(yùn)用保護(hù)性通氣策略病人，支氣管肺泡腔灌洗液和血漿中促炎癥反應(yīng)細(xì)胞因子濃度降低。此外，呼氣末肺泡塌陷，在大潮氣量時(shí)誘導(dǎo)細(xì)菌從肺易位到體循環(huán)；甚至正常潮氣量時(shí)內(nèi)毒素也能從肺易位到體循環(huán)。但由于肝臟的快速清除，機(jī)械通氣時(shí)體循環(huán)內(nèi)毒素易位到肺的可能性極小6。事實(shí)證明重要的炎癥介質(zhì)能夠逃避肺的限制，這為最終發(fā)展為MSOF提供重要的線索。眾多的研究顯示機(jī)械通氣時(shí)大量的細(xì)胞因子釋放入體循環(huán)是MODS的主要發(fā)病機(jī)制5。有報(bào)道小潮氣量的保護(hù)性通氣策略能夠推遲菌血癥和遠(yuǎn)側(cè)的損傷。在這篇綜述中，將集中討

7、論一些新近的相關(guān)研究成果，有助于理解VILI起始和進(jìn)展的機(jī)制，在炎癥播散過(guò)程中的作用和MSOF的產(chǎn)生。 二 細(xì)胞感受機(jī)械力的機(jī)制力傳導(dǎo)就是將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生化或生物分子信號(hào)。機(jī)械力包括重力，滲透力以及細(xì)胞與細(xì)胞，細(xì)胞與基質(zhì)間的相互作用力。但細(xì)胞如何將機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)的生化信號(hào)及其傳導(dǎo)機(jī)制仍不清楚。而且肺組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，細(xì)胞種類(lèi)的多樣，作用于肺的機(jī)械力多樣，可能的機(jī)械刺激機(jī)制和潛在的細(xì)胞反應(yīng)使得可能存在廣泛的力誘導(dǎo)的機(jī)械信號(hào)的傳導(dǎo)。以下部分將討論細(xì)胞變形如何轉(zhuǎn)化為分子生物信號(hào)。 1 牽張敏感的離子通道細(xì)胞內(nèi)離子濃度的變化將物理刺激轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或化學(xué)信號(hào)，膜鉀離子通道，電壓依賴(lài)性的鈉離子通道都能

8、夠感受機(jī)械刺激，但在VILI的作用尚不清楚7。牽張導(dǎo)致細(xì)胞膜屏障功能受損，血管通透性增加，機(jī)械通氣引發(fā)的細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加是血管通透性增加的始動(dòng)因素。Waters8等研究發(fā)現(xiàn)在肺泡腔，Na+順濃度梯度由腔側(cè)面鈉離子通道進(jìn)入上皮細(xì)胞，再由上皮細(xì)胞基底膜側(cè)Na+-k+-ATPase泵出細(xì)胞，后者有助于肺水腫的清除。環(huán)形牽張引起肺上皮細(xì)胞基底膜側(cè)Na+-K+-ATPase活性增加。用amiloride（阻斷amiloride敏感的鈉離子通道）或gadolinium（gadolinium能阻斷牽張活化的非選擇性陽(yáng)離子通道）處理的上皮細(xì)胞， Na+-K+-ATPase活性沒(méi)有增強(qiáng)，可見(jiàn)牽張活化的陽(yáng)離子

9、通道可能調(diào)節(jié)Na+-K+-ATPase的活性，加重肺水腫。增加上皮細(xì)胞基底側(cè)Na+-K+-ATPase濃度，其活性也增強(qiáng)，說(shuō)明環(huán)形牽張誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈉池向基底膜側(cè)遷移，增加基底膜通道亞單位8。且大鼠上皮細(xì)胞amiloride敏感的鈉離子通道（reNaC）是哺乳動(dòng)物同源性的機(jī)械敏感信道，這些通道是將來(lái)臨床治療VILI的定向誘導(dǎo)突變靶點(diǎn)。2 細(xì)胞膜的完整性細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，細(xì)胞膜的完整在細(xì)胞內(nèi)外的信號(hào)傳導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用。以下兩個(gè)例子說(shuō)明了細(xì)胞膜蛋白質(zhì)在細(xì)胞感受機(jī)械力，作出反應(yīng)過(guò)程中時(shí)的重要作用。Hinman等9研究證明，肺泡型細(xì)胞受損，最初僅損傷邊緣處細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度增加，而后向周?chē)鷶U(kuò)

10、展，細(xì)胞內(nèi)鈣離子穿過(guò)肺泡型細(xì)胞單細(xì)胞層擴(kuò)散到鄰近的未損傷細(xì)胞，導(dǎo)致未損傷細(xì)胞中的鈣離子濃度增加。研究顯示內(nèi)環(huán)境中鈣離子濃度的變化，不僅影響鈣離子自身介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路,而且可能打開(kāi)膿毒癥誘導(dǎo)的其它不依賴(lài)鈣離子的信號(hào)通路。膿毒癥時(shí)，細(xì)胞基底側(cè)的鈣離子能夠啟動(dòng)PKC，后者在信號(hào)傳導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用。可以推測(cè)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化參與啟動(dòng)VILI的信號(hào)傳導(dǎo)和介導(dǎo)細(xì)胞損傷。Grembowicz等10最近證實(shí)細(xì)胞膜破壞（PMD）誘導(dǎo)Fos蛋白合成增加，鈣離子誘導(dǎo)fos基因的表達(dá)，c-fos的順式調(diào)節(jié)序列中包含有鈣離子反應(yīng)組件。c-fos是早反應(yīng)基因，含有牽張敏感的啟動(dòng)子序列，能夠調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。損傷性機(jī)

11、械通氣引起離體大鼠肺模型c-fos的mRNA生成增加。但損傷性機(jī)械通氣是否引起Fos蛋白變化和PMD的發(fā)生尚待證實(shí)。但PMD誘導(dǎo)內(nèi)皮平滑肌細(xì)胞漿中NF-kB易位到細(xì)胞核10，而NF-kB的易位和活化是體內(nèi)多種促炎因子和趨化因子表達(dá)所必須的，此外細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損能引起其它一系列的病理變化。3 細(xì)胞膜相關(guān)分子的直接構(gòu)象變化 最近的研究顯示細(xì)胞表面的黏附蛋白，細(xì)胞骨架和相關(guān)的核骨架作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基本框架體系，為機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)奠定了生理基礎(chǔ)。大量研究證實(shí)細(xì)胞基質(zhì)和黏附分子在介導(dǎo)VILI時(shí)的炎癥反應(yīng)中起到了重要作用。Tschumpelin等11用磁力扭轉(zhuǎn)細(xì)胞儀（MTC）作用于肺泡上皮細(xì)胞，通過(guò)測(cè)定經(jīng)

12、MTC作用后的細(xì)胞基因表達(dá), 發(fā)現(xiàn)與表面附有膠原的磁珠作用的細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄水平提高；實(shí)驗(yàn)中，膠原作為一種跨膜的細(xì)胞骨架蛋白的配體發(fā)揮作用，說(shuō)明細(xì)胞與基質(zhì)結(jié)合的程度和特異性決定了肺泡上皮細(xì)胞對(duì)機(jī)械力反應(yīng)的水平。最近報(bào)導(dǎo)，MTC作用于A549細(xì)胞，通過(guò)細(xì)胞表面的跨膜分子ICAM-1,將細(xì)胞外的機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)的生物信號(hào) 12 。三 通氣導(dǎo)致肺損傷的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的產(chǎn)生1 轉(zhuǎn)錄因子即DNA結(jié)合蛋白，能夠調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。在細(xì)胞核，機(jī)械力通過(guò)影響早反應(yīng)基因發(fā)揮作用，如早反應(yīng)基因c-fos, c-jun, c-myc, and Egr-1 本身又是轉(zhuǎn)錄因子，其基因的順式調(diào)節(jié)序列中含有切應(yīng)力反應(yīng)元件.據(jù)

13、推測(cè)多種基因的順式調(diào)節(jié)序列中含有轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)（位點(diǎn)中包含切應(yīng)力反應(yīng)元件），這些基因有血小板源性生長(zhǎng)因子，組織纖溶酶原激活劑，ICAM-1，TGF-b.此外編碼NO合酶和COX2的基因也受到切應(yīng)力的調(diào)節(jié)。當(dāng)前研究顯示NF-B的活化在VILI的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。NF-B在多種炎癥性疾?。ㄈ鏏RDS和膿毒血癥）的發(fā)病過(guò)程中促進(jìn)多種細(xì)胞因子的表達(dá)。NF-kB能被多種刺激活化，包括細(xì)菌內(nèi)毒素，TNF-a, IL-1，分裂素，和病毒蛋白。其基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有DNA切應(yīng)力反應(yīng)元件，且NF-B蛋白能夠結(jié)合IL-6, IL-8,IL-1和TNF-a的啟動(dòng)子序列。大量體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究顯示牽張反

14、應(yīng)上調(diào)肺細(xì)胞NF-B。在休眠期的細(xì)胞，NF-B在細(xì)胞漿中通過(guò)與NF-B的抑制劑(IB)作用處于活化前狀態(tài)。IB磷酸化后細(xì)胞暴露核定位信號(hào)區(qū)使得NF-B轉(zhuǎn)運(yùn)到核內(nèi)，結(jié)合DNA調(diào)節(jié)序列，調(diào)節(jié)多種細(xì)胞因子的表達(dá)。例如，Moine13等在ARDS的研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論IB增加，或是Bcl-3（IB家族成員）減少，NF-B都將保持活化狀態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在膿毒癥和ARDS病人，NF-B轉(zhuǎn)錄的異常在炎癥反應(yīng)中有重要作用。2 蛋白激酶的活化和蛋白的磷酸化水平?jīng)Q定了細(xì)胞內(nèi)的酶活性和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。 機(jī)械通氣的動(dòng)物，PKA（cAMP依賴(lài)的蛋白激酶）活性增加。人類(lèi)肺泡上皮細(xì)胞受到機(jī)械牽張時(shí)MAPK迅速活化。目

15、前在哺乳動(dòng)物已發(fā)現(xiàn)多條MAPKS家族通路，有p42/44細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK) MAPKs, c-Jun NH2末端激酶(JNK；或SAPK)和 p38MAPK. Correa-Meyer等14報(bào)導(dǎo)p42/p44 MAPK這條重要的保護(hù)性細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路在肺上皮細(xì)胞受到環(huán)形牽張15min時(shí)，達(dá)到活化高峰。Spence等15報(bào)導(dǎo)機(jī)械牽張肺泡上皮細(xì)胞，通過(guò)其表面的肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白聚糖能夠活化細(xì)胞內(nèi)的p42/p44MAPK信號(hào)傳導(dǎo)通路。機(jī)械牽張（5%的牽張，6次/分。持續(xù)2h）活化人類(lèi)肺泡上皮細(xì)胞的SAPK通路，且高的吸氣壓提高JNK和MAPK磷酸化程度， 后者不僅誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄而且參與牽張誘導(dǎo)

16、的細(xì)胞因子的釋放。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)用JNK的特異性抑制劑預(yù)處理A549細(xì)胞，能夠阻斷牽張誘導(dǎo)的細(xì)胞因子IL-8mRNA的表達(dá)，也證實(shí)了這一點(diǎn)16。 3 VILI發(fā)生過(guò)程中的信號(hào)傳導(dǎo)目前認(rèn)為是多通路，且目前知之甚少。生理?xiàng)l件下肺不斷承受著變化的機(jī)械力，而機(jī)械通氣引起的肺變形，無(wú)論其程度和幅度在生理?xiàng)l件下是不會(huì)發(fā)生的，因此，肺過(guò)度擴(kuò)張適應(yīng)機(jī)械通氣的進(jìn)化理論是不成立的，機(jī)械通氣過(guò)程中炎癥反應(yīng)通路必然是借用了肺內(nèi)已有的信號(hào)傳導(dǎo)通路。3.1 有研究認(rèn)為，LPS通過(guò)與細(xì)胞表面受體分子結(jié)合誘導(dǎo)免疫損傷，機(jī)械通氣也可能通過(guò)類(lèi)似機(jī)制誘發(fā)一系列復(fù)雜，冗繁的炎癥反應(yīng)。單核細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞表面TLR-4識(shí)別結(jié)合內(nèi)毒素，此過(guò)

17、程需要CD14的輔助，而細(xì)胞內(nèi)TLR-4的信號(hào)傳導(dǎo)通路與IL-1的通路類(lèi)似。此外LPS被證實(shí)活化p42/44MAPK，JNK，p38，p65和NF-B。MacGillivray17等發(fā)現(xiàn)IL-1受體相關(guān)激酶（IRAK）與局部黏著斑復(fù)合物共同定位。IRAK是IL-1依賴(lài)的ERK活化所必需的。說(shuō)明肌動(dòng)蛋白絲序列的完整性和IRAK募集到黏著斑復(fù)合物共同參與IL-1介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路。但尚未證實(shí)VILI過(guò)程中IL-1介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)通路是否與上述機(jī)制一樣。如上所述，在肺上皮細(xì)胞機(jī)械刺激與LPS的信號(hào)傳導(dǎo)通路可能相同，盡管尚未證實(shí)，但可以推測(cè)LPS特異的信號(hào)傳導(dǎo)通路，不僅與VILI的信號(hào)傳導(dǎo)通路相互作用而且

18、可能共享某些通路。這可以解釋為什么VILI，內(nèi)毒素和IL-1作用的動(dòng)物，發(fā)生相同的變化。此外Arbour18等用共分離錯(cuò)義突變影響TLR-4受體的細(xì)胞外區(qū)域，處理后的個(gè)體吸入LPS時(shí)，機(jī)體反應(yīng)遲鈍。VILI與TLR-4/IL-1介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)通路具有明顯的臨床相關(guān)性，目前的研究提出了這種可能性，至少在理論上兩條通路有著很多的一致性，以至于TLR-4/IL-1受體突變可以對(duì)抗膿毒癥，也可以減輕VILI病人的炎癥反應(yīng)。3.2 細(xì)胞外基質(zhì)整合素細(xì)胞骨架學(xué)說(shuō)已得到普遍認(rèn)可。細(xì)胞外基質(zhì)如層粘連蛋白，纖維連接蛋白等與細(xì)胞表面的整合素受體結(jié)合，后者的胞內(nèi)段通過(guò)細(xì)胞骨架蛋白復(fù)合物與肌動(dòng)蛋白絲相結(jié)合，細(xì)胞骨架蛋白復(fù)合物包括-輔肌動(dòng)蛋白（-actinin）、紐蛋白（vinculin）、踝蛋白（talin）、樁蛋白（pxillin）、張力蛋白（tensin）等。通過(guò)一系列未知通路，使MAPK被磷酸化被激活，然后移位到細(xì)胞核內(nèi)，作用于相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子，使其發(fā)生磷酸化，從而啟動(dòng)某些基