中华肺部疾病杂志(电子版)2013年4月第6卷第2期Grin J Lu Dis(Elcc ̄nic Edition),A面l捌3,V0J 6,No.2 ・65・ ・综述・ 肺血管内皮细胞通透性与急性呼吸窘迫综合征 Permeability of vascular endothelial in lung and acute respiratory disease syndrome 赵云峰 姜艳平 吴学玲 【关键词】 呼吸窘迫综合征;肺血管; 内皮细胞; 中图法分类号:R563 文献标识码:A 急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是广泛的肺泡上皮和毛细血管内 皮损伤、内皮细胞通透性增加所致的渗透性肺水肿 和顽同性低氧血症为特点的临床综合征,是危重症 患者常见的一种并发症 。引起ARDS的原因很 多,包括各种类型的休克、创伤、感染、吸人有毒气 体、误吸、药物过量、代谢紊乱、血液系统疾病 等 。ARDS的病理生理机制比较复杂,目前尚不 完全明确,有些致病因子可以直接作用于肺泡膜引 起肺损伤,有些主要通过激活中性粒细胞、巨噬细 胞。血小板等间接引起肺损伤。大量中性粒细胞在 趋化因子作用下聚集于肺泡上皮和毛细血管内皮, 释放自由基、蛋白酶和炎性介质等,导致上皮和内皮 细胞损伤,致使内皮细胞通透性增加,大量液体渗 出。当渗出的液体超过淋巴回流负荷时,就积存在 问质,甚至渗入肺泡腔内,造成肺水肿,严重影响气 体交换、导致患者缺氧以致死亡。肺血管内皮细胞 通透性的研究是ARDS研究中的一个重要方向。 ~、肺毛细血管内皮细胞与内皮细胞损伤 血管内皮细胞是连续性排列在血管内壁的高度 分化的单层扁平细胞,其胞体呈扁平的三角形,长 5—45 m,宽15 m,核与血管纵轴平行 J。血管 内皮细胞是血液到组织液的最主要屏障,内皮细胞 的屏障功能对维持血管内外营养物质的交换、大分 子的转运和血管内外的水、电解质平衡起着重要的 调节作用。内皮细胞通透性主要由内皮细胞问的连 DOI:10.3877/cma.j.1881q.1674-6902.2013.02.019 基金项目:上海市浦东新区卫生系统学科带头人培养计划 资助项目(PWRd2012-07) 国家自然科学基金(81270130) 作者单位: 200135上海,上海市浦东新区公利医院呼吸科 214044江苏无锡,中国人民101医院呼吸科 ’400037重庆,第三军医大学附属新桥医院呼吸科 通讯作者:吴学玲,E-mail:WU—xueling@yahoo.com.cn 接进行。与大多数细胞一样,内皮细胞的连接 方式主要有紧密连接、黏附连接、缝隙连接和韧带连 接 j。这种连接是由排列在胞膜和胞浆的转运蛋 白构成,这些转运蛋白可以发生合成和分解的动态 转变,从而使内皮细胞能够快速改变细胞间连接的 构型,允许血浆成分和循环血细胞通过。这种动态 转变的发生是快速、可逆的,连接结构破坏和再次合 成仅仅在几分钟之内。在ARDS时肺血管内皮细胞 受损伤,出现超微结构改变,通透性增加。 肺微血管内皮细胞完整性受损是许多肺部疾病 病理生理过程中一个重要环节。在严重感染、创伤、 休克、药物损伤、理化刺激等情况下,由于内毒素、补 体、血小板、趋化因子、细胞因子等作用诱导血管内 皮细胞激活,发生结构和功能改变,导致内皮细胞通 透性增加。电镜下观察发现:弥漫性肺泡损害时,内 皮细胞超微结构改变包括细胞肿胀、内皮间隙连接 增宽、胞饮囊泡数量增加、内皮细胞坏死、纤维蛋白 形成及基底膜中断等- ,。 1.炎性损伤和细胞凋亡:虽然ARDS病因各 异、肺损伤病理生理机制迄今也未完全阐明,但许多 研究已经证实:ARDS是细胞和体液介导的急性炎 症反应,是系统性炎症反应综合征的一部分 。血 管内皮细胞激活后,可分泌多种细胞因子,参与组成 复杂的细胞因子网络,如干扰素一p(interferon.p, IFN—B),白细胞介素-1(interleukin.1,IL-1),肿瘤坏 死因子一o【(tumor necrosis factor一仅,TNF—o【)等。同 时,这些细胞因子可作用于内皮细胞,影响其结构和 功能。例如这些细胞因子可促进黏附分子在内皮细 胞表达,表达血管细胞黏附分子、整合素族黏附分子 和选择素族黏附分子;TNF—Or.,IL.1,IL4等则促进内 皮细胞参与免疫应答和炎症反应,而另有一些细胞 因子则抑制内皮细胞参与免疫和炎症反应,如IL.6, IL.8等。另一方面,血管内皮细胞激活后,细胞膜表 面受体表达迅速上调,如嗜中性白细胞受体、L.选择 素、P一选择素,细胞间黏附分子一1(intercellular ・66・ 中华肺部疾病杂志(电子版)20/3年4月第6卷第2期Chin J h Dis(Eltx:mJrdc Edition), 2013,S ̄ol 6No.2 adhesion molecule,ICAM一1)、ICAM 2等,这些物质 促进白细胞滚动、黏附和局部免疫炎性反应发 生 。白细胞发生大量迁移并在肺毛细血管内大 量聚集,首先附壁流动并黏附于内皮细胞,启动炎性 反应。有研究显示白细胞缺乏的动物难以发生 ARDS_l 。Hamacher等 “ 研究显示内皮细胞暴露 于ARDS患者肺泡灌洗液中,可发生显著细胞毒现 象。ARDS患者血清中TNF—OL、血管抑素的水平显 著升高。中和TNF—Ot、血管抑素可以显著抑制早期 ARDS患者肺泡灌洗液中内皮细胞的细胞毒作用。 感染性休克是ARDS最常见的诱因,细菌释放 的内毒素主要成分脂多糖(1ipopolysaccharides, LPS)可通过Toll样受体-4(tol1 1ike receptors 4, TLR-4)激活内皮细胞,引起多形核白细胞在肺内聚 集。研究显示阻断TLR-4可以显著降低中性粒细 胞的蓄积和肺内激活,降低肺通透性,减少炎性介质 产生。内毒素也可以直接作用于肺血管内皮细胞, 介导血管活性物质的释放和肺渗透性的分子改变, 如TNF一 、凝血酶、血栓素、血栓烷A2、内皮素.1等, 并启动细胞内信号转导通路,从而导致骨架蛋白的 解聚和重组,最终使内皮细胞通透性增加。腹膜内 和鼻内注射LPS也可以显著激活信号传导及转录 激活因子,介导细胞核因子s:B(nuclear factor kappa B,NF—s:B)激活,启动炎性反应 。 体外实验表明:LPS介导内皮细胞损伤,主要表 现为细胞核缩小、核同缩、细胞间连接扩大,最后导 致细胞脱落坏死。细胞脱落坏死造成内皮细胞通透 性增高,可能与LPS激活细胞内酪氨酸蛋白激酶, 从而激活下游的信号转导通路、诱导细胞凋亡有 关¨ 。有研究显示:LPS刺激引起肌动蛋白细胞骨 架解聚、大分子物质跨膜漏出等内皮屏障功能障碍 时,出现半胱天冬酶活性增高,并能检测到小带黏附 蛋白、局部黏附蛋白、凋亡蛋白酶等下游蛋白裂解产 物及DNA裂解片段,提示有内皮细胞凋亡的存 在 2.氧化应激损伤和细胞凋亡:各种氧自由基 和氧化产物可以引起一系列的氧化应激损伤,在 ARDS中活性氧(reactive oxygen species,ROS)扮演 着重要角色¨ 。上调表达的ROS激活下游分子产 生级联反应,导致NF—s:B活化,启动炎性发应,继而 引起内皮细胞屏障功能损害,渗透性增加,巨噬细 胞、炎性细胞增加¨ 。ROS也可以引起血管内皮生 长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)升 高,继而引起血管渗透性增加,给予抗氧化剂可以显 著降低VEGF水平和血管通透性 。在炎性反应 ,中,白细胞进行较为活跃的需氧代谢所产生的过氧 化基团、氢氧化基团等氧化自由基,也可损伤血管内 皮细胞。 病理状态下,炎性反应、缺血再灌注损伤等可导 致氧自由基大量产生,同时机体对氧自由基的清除 能力也降低… 。 ROS可以通过内在和外在途径诱导血管内皮 细胞凋亡、脱落,肺通透性增加。活性氧介导的肺上 皮细胞和血管内皮细胞坏死的机制尚未完全明确。 目前有研究显示:ROS可以激活丝裂原活化蛋白激 酶,引起细胞凋亡蛋白酶级联反应。使用化学抑制 剂抑制c—Jun N一末端激酶或细胞外信号调节激酶通 路,可以抑制上皮细胞坏死和肺动脉内皮细胞的高 氧损伤n ' ]。 二、内皮细胞功能障碍与通透性S ̄Dil 内皮细胞通透性增加、屏障结构受到破坏是 ARDS发生最关键的环节。内皮细胞自身收缩产生 的向心力,细胞一细胞以及细胞一基质之间的连接 力,这两种力量之间的动态平衡维持着血管内皮细 胞的通透性。两者之间的平衡力通过细胞骨架来连 接,在细胞骨架结构中与细胞通透性关系密切的是 微丝。微丝主要由F一肌动蛋白、肌球蛋白、 一辅肌 动蛋白等组成,这些蛋白均具有可收缩性¨ 。当内 皮细胞受到各种炎症介质、血小板活化因子、凝血酶 等刺激时,F一肌动蛋白发生重排,中心张力增加,使 得细胞强烈收缩,导致内皮细胞间隙形成,引起通透 性增加和细胞脱落。 内毒素的主要成分LPS主要通过以下l二个途 径引起内皮细胞通透性增加:①LPS直接激活内皮 细胞启动炎性反应,迅速引起细胞骨架蛋白的解聚 和重组,细胞与细胞间、细胞与基膜间的黏附连接松 解、分离,从而导致细胞旁路开放、内皮细胞问缝隙 形成;@LPS激活炎性介质三磷酸肌醇,动员细胞内 钙池中Ca, ,使细胞内Ca, 浓度升高,激活c 依 赖的肌球蛋白轻链激酶,继而发生下游分子磷酸化, 肌球蛋白轻链构型发生变化,肌动蛋白/肌球蛋白相 互作用,引起内皮细胞收缩,通透性增加;③LPS刺 激肺泡巨噬细胞释放TNF一仪、IL一1等细胞因子。 TNF一 使肌球蛋白重排,从而增加内皮细胞通透性, 肌动蛋白细胞骨架装配对维持内皮的屏障功能十分 重要,肌动蛋白重排是LPS介导内皮屏障功能障碍 的重要原因。 VEGF是重要的血管通透因子,对水的通透性 是组胺的50 000倍,可以引起血管渗漏l】' 。体外 研究显示:VEGF能够使ARDS患者内皮细胞通透 中华肺部疾病杂志(电子版)2013年4月第6卷第2期Chin J Ln嚷Dis(Ⅱectmnic Edition),April 2)13,Vol 6.No.2 ・67・ 性增加50%。特异性VEGF抗体可以抑制VEGF, 并且消除渗漏作用,提示VEGF在调节ARDS肺泡 一rat’s lungs[J].J Biomed Sci,2012,19(1):27. 9 Bux J.Sachs UJ.The pathogenesis of transfusion—related acute lung 毛细血管通透性方面有着重要作用。VEGF引起 凝血酶增加人肺动脉内皮细胞通透性的机制 injury(TRALI)[J].Br J Haematol,2007,136(6):788-799. 10 Tumurkhuu G,Koide N,Dagvadorj J,et a1.The mechanism of development of acute lung injury in lethal endotoxic shock using 微血管通透性增加,可能与钙离子内流增加有关。 是:①诱发细胞外周的张力丝内部重组和细胞间隙 的形成;②诱发位于肌动蛋白张力丝内部的肌球蛋 alpha—galactosylceramide sensitization[J] Clin Exp Immunol, 2008,152(1):182—191. 1 1 Hamacher J,Lucas R,Lijnen HR,et a1.Tumor necrosis factor— alpha and angiostatin are mediators of endothelial cytotoxicity in bronchoalveolar lavages of patients with acute respiratory distress 白轻链磷酸化;③破坏位于细胞周边紧密连接蛋白 和黏连连接蛋白,进而破坏肺泡上皮.内皮屏障,导 致血管通透性增加 。 目前已经有大量的研究和电子显微镜观察证 syndrome[J].Am J Respir Crit Care Med,2002,166(5):65l- 656. 1 2 Xiang M,Fan J.Association of Toll—like receptor signaling and reactive oxygen species:a potential therapeutic target for posttrauma 实:在血管内皮细胞通透性变化中,旁路转运扮演着 重要角色。内皮细胞之间旁路间隙的形成是通过竞 争性的收缩力、紧张的向心力、黏附细胞一细胞和细 胞一细胞外基质的牵引力量共同调节细胞形状的变 化。Ca /钙调蛋白依赖的肌球蛋白轻链激酶磷酸 acute lung injury[J].Mediators Inflamm,2010,2010:916425. 13 汤展宏.内毒素对脓毒性ARDS肺内皮细胞通透性的直接影响 [J].国外医学(麻醉学与复苏分册),2001,22(3):165.167. 14 Tyurina YY,Tyurin VA,Kaynar AM el a1.Oxidative]ipidomis of ehyperoxic acute lung injury:mass spectrometirc characterization of 化可以显著提高内皮细胞收缩性,因此影响细胞内 Ca, 的因素可以改变细胞通透性 。 cardiolipin and pI1osphatidylse e peroxidation[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2010,299(1):L73一L85. 1 5 Min JK,Kim YM,Kim SW,et a1.TNF—related activation—induced cytokine enhances leukocyte adhesiveness:induction of ICAM一1 and VCAM一1 Via TNF receptor—associated factor and protein kinase C— 由于内皮细胞不属于快速自我更新的细胞群 体,因此内皮细胞凋亡后降低了内皮细胞储备,致使 血管内皮间隙增大,通透性增高,从而导致通透性水 肿、ARDS的发生。 参考文献 dependent NF-kappaB activation in endothelial cells[J].J Immunol,2005,175(1):531-540. 16 Kim SR,Lee KS,Park SJ,el a1.Angiopoietin-1 variant,COMP— Angl attenuates hydrogen peroxide—induced acute lung injury[J]. 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