周莉 李愛民

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是一種由嚴重感染、創(chuàng)傷、休克、中毒、吸入有害氣體、急性胰腺炎和病理性產(chǎn)科等多種因素引起的急性進行性呼吸衰竭,其主要特征為以非心源性肺水腫導致的雙側胸部放射狀不透明、嚴重的低氧血癥、呼吸急促及肺部順應性的喪失[1]。ARDS被定義為急性肺損傷的嚴重階段。由于難以置信的復雜的疾病過程,ARDS患者的死亡率較高,加之其病情的復雜性,患者的管理與治療也同樣困難。目前,關于ARDS的發(fā)病機制和病理生理學的研究已取得重大進展。呼氣末正壓、小潮氣量通氣、液體管理、糖皮質激素、神經(jīng)肌肉阻滯劑等方法的干預,使患者的短期生存率得到比較明顯的改善,但ARDS患者的預后仍然較差[2]。ARDS患者能否康復取決于肺部損傷的程度、肺外器官的損傷、患者的原發(fā)疾病以及支持性護理的充分性。研究發(fā)現(xiàn),相較于ARDS存活者,ARDS死亡患者肺泡屏障損傷更為嚴重[3]。肺泡屏障通透性的改變可能為ARDS發(fā)生、發(fā)展的基礎。故深入探討肺泡屏障功能的損傷機制,尋找ARDS的治療方法具有重要作用。

1 ARDS發(fā)病機制

1.1 ARDS概述 ARDS首先于1967年被描述,但其定義從那時起有了很大的變化。ARDS被定義為由于呼吸循環(huán)衰竭導致心、腦等重要器官嚴重缺氧,并伴有心率失?；蛐膭舆^速。由急性支氣管痙攣性疾病和某些氣道上皮細胞脫落所致的以肺組織水腫、肺功能不全或衰竭為特征的呼吸窘迫綜合征。ARDS可以單獨發(fā)生,也可合并其他相關疾病或因器官損傷導致的癥狀如昏迷所致的缺氧和二氧化碳潴留。ARDS診斷以臨床表現(xiàn)為主要依據(jù),早期一般無特異性征象,但早期診斷可改善預后。其診斷可參考以下方法：(1)聽診——有無低通氣;(2)看胸片、聽脈搏、看血氣分析;(3)胸部 X線、胸部 CT檢查;(4)口對口人工呼吸檢查。ARDS與急性支氣管炎(ICP)、支氣管痙攣性疾病(PCOD)及心源性休克(EME)有關,但不能相互取代,主要與以下因素有關：(1)藥物治療;(2)呼吸治療;(3)物理治療。在美國,ARDS的發(fā)病率正呈逐年增長的趨勢發(fā)展。最近,由于新型冠狀病毒肺炎的大流行,ARDS的發(fā)病率明顯升高。ARDS被越來越廣泛的認識。筆者發(fā)現(xiàn)到目前為止,還沒有已知的一種治療ARDS的方法。多項研究已經(jīng)研究了ARDS的各種原因、病理生理學以及通氣和管理策略[4,5]。然而,各機構對這些患者的治療和管理仍有相當大的差異性。ARDS的發(fā)病機制較為復雜,多項研究證實,其是一種炎癥性反應綜合征,炎性細胞水平變化、肺內微血栓形成、肺泡表面活性物質減少等均可能導致ARDS的形成[6,7]。

1.2 ARDS與炎性反應 ARDS的發(fā)生與氣道內外因素密切相關,研究表明,ARDS患者的氣道屏障結構(尤其是毛細支氣管炎)存在顯著變化[8]：(1)在肺泡中氣道膜增厚;(2)肺泡毛細支氣管炎患者發(fā)生呼吸衰竭的風險較低;(3)在肺表面增強的肺泡表面上皮細胞對吸入氧的敏感性提高;(4)肺泡中毛細支氣管炎引起肺泡通氣和血液循環(huán)障礙、降低肺泡毛細血管通透性使局部氧合能力降低以及增加氧合阻力等;(5)發(fā)生在通氣衰竭患者肺泡外周和細胞表面的毛細支氣管炎性反應。炎性反應是一種臨床上常見的病理反應,正常的肺部微血管結構可維持正常通透性,但當出現(xiàn)ARDS征時,肺微血管發(fā)生堵塞,氣體交換不暢,導致微循環(huán)功能障礙及肺部通氣障礙,進一步引起呼吸系統(tǒng)急性炎癥。肺微血管堵塞是氣道炎性反應的結果,可以通過影響氣體交換來影響呼吸功能。因此,吸入低分子量物可導致肺微血管阻塞,從而導致呼吸功能障礙。有研究表明,肺微血管阻塞在ARDS發(fā)病中起到重要作用,一方面由于氧合損害后呼吸循環(huán)發(fā)生障礙,氧合功能下降,而低分子量物進入了氣管;另一方面,低分子量物能夠激活巨噬細胞,并釋放促炎細胞因子抑制巨噬細胞活化,誘導白細胞吞噬功能失調,從而增加炎性反應與氧合損傷之間的聯(lián)系[9]。

除此之外,由于炎性反應本身造成了血管內皮功能受損和通風壓差增加,而通氣功能障礙則使微血管擴張及阻塞情況加劇。研究表明,幾乎全部的肺內細胞均能夠不同程度的參與ARDS的發(fā)病,中性粒細胞、肺泡/巨噬細胞等均可作為ARDS的主要效應細胞,當受到病理損傷刺激后,大量炎性因子在肺泡毛細血管中聚集,逐漸轉移直至肺泡腔內,從而促進肺損傷的發(fā)展[10]。大量研究證實,脂多糖介導的中性粒細胞、單核/巨噬細胞及內皮細胞等炎性細胞及炎性介質在ARDS的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色[11,12]。系統(tǒng)性炎性反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)和ARDS及多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)的發(fā)展和進展關系密切。研究發(fā)現(xiàn),通過對比常規(guī)治療的ARDS患者及接受糖皮質激素救援治療的未解決的ARDS患者炎性因子水平,結果發(fā)現(xiàn),在ARDS發(fā)病時,非幸存者血漿腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)以及白細胞介素-8(interleukin-8,IL-8)水平明顯更加高,并且隨著時間的進展而逐漸升高[13]。表明ARDS患者的最終結局與宿主炎性反應的程度和持續(xù)時間具有重要的關系。

當ARDS發(fā)展至18～36 h時,內皮細胞被激活,炎性細胞出現(xiàn)聚集、粘附及遷移,內皮鈣黏蛋白被破壞,肺泡上皮及肺血管內皮細胞受到損傷,血管通透性明顯增加,大量蛋白質進入肺泡中,導致患者發(fā)生肺水腫,加重肺組織損傷。研究發(fā)現(xiàn),肺泡屏障受損在病情較重的ARDS患者中扮演著重要角色[14]。正常情況下,肺泡屏障能夠使肺通氣與血流的比例處于一種相對的平衡狀態(tài),肺部氣體交換正常進行;而當肺泡屏障受到損傷時,肺通氣與血流比例失衡,肺泡液體及蛋白清除率明顯降低,大量膠原蛋白及纖維蛋白沉積于肺泡腔中,進一步損傷肺泡內皮細胞,造成微循環(huán)血栓栓塞,甚至造成低氧血癥情況的發(fā)生[15]。

完整的肺泡屏障及活性離子的遷移能夠保證正常的肺泡液體清除率,但ARDS最明顯的特征為肺泡毛細血管及肺泡屏障的損傷,肺泡屏障通透性明顯增加,從而誘導肺水腫的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),鈉離子與鉀離子主要通過位于Ⅰ型與Ⅱ型肺泡上皮細胞基底面上的Na+-K+-ATP酶泵出細胞,若肺泡屏障受到損傷,肺泡液體的清除率明顯降低[16]。有研究發(fā)現(xiàn),在氣管插管和開始正壓通氣后的前 4 h內連續(xù)采集肺水腫液和血漿[17]。凈肺泡液清除率由連續(xù)水腫液蛋白測量值計算。肺泡液清除率最大的患者死亡率顯著降低,機械通氣時間更短。認為,患者的死亡率與肺泡液體清除率及肺泡完整的上皮屏障具有重要關系。

此外,相關研究表明,大潮氣量通氣引起的肺泡過度膨脹能夠將機械應力傳遞至肺泡上皮及內皮細胞,造成肺泡毛細血管壁受到的壓力大大增加,肺泡上皮層受到損傷,通透性明顯增加,加重肺損傷,進而造成ARDS發(fā)生[18]。其可能是由于肺泡內皮細胞在短時間內暴露于大潮氣量中可能會激活炎癥信號,影響肺屏障功能造成。

2 肺泡屏障的組成及功能

肺泡屏障是指在內皮細胞的基礎上,通過分泌趨化因子和內皮細胞間粘附分子等作用,使PI3K/Akt信號通路關閉的一種屏障結構。肺泡上皮屏障結構主要由肺泡上皮Ⅰ型細胞、肺泡上皮Ⅱ型細胞及其上皮細胞之間的緊密連接組成,它們共同構成了具有選擇性通透性的非靜態(tài)密封屏障結構,不僅可以阻止過多的肺泡液體和蛋白質進入,減輕或改善肺水腫,還可以防止吸入的有害物質通過肺泡腔侵入肺實質內,從而防止眾多疾病的發(fā)生、發(fā)展[19]。肺泡具有良好的透氣性和足夠的氣體交換能力,是一種十分重要的呼吸系統(tǒng)結構。因此,肺泡屏障通透性在肺部疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色。

2.1 基質 基質是肺泡屏障的第一道重要屏障,位于肺泡表面。正常肺泡基質呈粉紅色,因含微量氧元素而呈粉紅色,有較高的耐酸性。肺泡基質含有蛋白質、膠原、多糖、氨基酸以及細菌等多種成分,均可作為內皮細胞的粘附劑與上皮層細胞粘附在一起,起到緩沖和固定作用。同時,肺泡基質與上皮層之間具有特殊的疏水性;基質層中富含各種營養(yǎng)成分或酶,可為肺泡起到營養(yǎng)、氧氣輸送和營養(yǎng)物質交換的作用。此外,肺泡內皮細胞具有多種信號分子以調節(jié)機體的呼吸功能,PI3K/Akt信號通路能夠激活肥大細胞上皮向肥大基質內遷移,激活肥大細胞的粘附功能以清除肺泡上皮垃圾。

2.2 毛細血管 肺泡內毛細血管呈網(wǎng)狀結構分布,包括毛細血管間質及肺泡血管周圍的間質內淋巴細胞。在正常肺泡內,肺泡外淋巴細胞通過炎癥介質引起細胞因子分泌增加,而間質內淋巴細胞分泌大量的細胞因子,引起細胞免疫和體液免疫。同時肺部有多種免疫細胞與上皮層之間保持著較好的連接。其中包括 B細胞、 NK細胞、 B淋巴細胞等。

2.3 基質層結構 基質層由三層纖維構成,最外層纖維包含基質細胞和纖毛細胞,以纖毛細胞和基質細胞為主,纖毛細胞主要由間質細胞和平滑肌細胞組成,間質細胞包含基質細胞、纖毛細胞、基質微粒,纖毛功能主要為清除附著在纖毛表面的各種生物分子。平滑肌細胞主要以磷脂酰肌醇(PAM)受體(PPAMP)及鈣離子通道蛋白受體(CAMPR)為受體,通過分泌與纖毛分泌相關的因子如 TRPA、 BFA及IL-2等來促進纖毛清除功能和減少表面張力[20]。

2.4 肺泡內毛細血管及間質的功能 肺泡毛細血管包括大小毛細血管和間質血管,肺泡毛細腦血管通常是由毛細胞間粘附分子組成,并通過調節(jié)膜的通透性發(fā)揮重要作用。間質血管包括間充血及纖溶介質通路等多種功能,纖溶細胞可直接向肺泡內供應微量的氧氣,通過控制微絲間充血使內皮細胞外液濃度保持在一定水平,促進二氧化碳排出,而內皮細胞外液主要由纖毛和粘附分子組成并參與轉運蛋白的表達。纖毛可以通過與溶酶體結合使其脫穩(wěn)而形成纖溶屏障;粘附分子則可以促進基質層向肺泡表面遷移以避免肺泡缺氧損害。

有研究發(fā)現(xiàn),肺泡屏障的通透作用主要依靠肺泡上皮細胞間的緊密連接發(fā)揮作用[21]。肺泡屏障作為一種異常緊密的屏障,緊密連接蛋白能夠使相鄰細胞質與細胞膜緊密結合在一起從而形成致密的條索樣緊密連接鏈,有學者在動物研究中發(fā)現(xiàn),炎性反應、病毒刺激等多種刺激因素能夠損傷緊密連接蛋白,激活Rho激酶及肌球蛋白輕鏈,使細胞收縮,進而使肺泡屏障通透性明顯增加[22]。肺泡屏障為保護肺組織不受侵害的第一道屏障,正常情況下,肺泡屏障能夠限制溶質的擴散,有效降低肺泡表面張力,從而保持肺泡正常免疫功能;而當發(fā)生ARDS時,肺泡液體滲透至肺泡,影響肺泡的代謝及表面物質的合成。據(jù)報道,Na+-K+-ATP酶是一種粘附分子和質膜轉運體,能夠通過促進屏障完整性和多余肺泡液體的溶解,從而實現(xiàn)適當?shù)臍怏w交換,從而對正常的肺泡上皮屏障功能起到至關重要的作用[23]。肺泡屏障在某種程度上具有一定的運輸功能。

由于炎性介質和其他因素的影響,導致肺泡屏障通透性增加,并引起肺功能受損、氣道分泌物潴留與肺通氣量下降。因此,在呼吸衰竭患者中預防肺泡屏障通透性增加有必要尋找多種機制來調節(jié)肺功能等。炎性介質如炎性細胞因子、促炎性細胞因子如IL-10、IL-17、 FACs是造成肺泡屏障通透性增加的重要原因。促進纖毛運動可直接影響肺泡上皮組織的增殖和遷移,同時也會減少肺部和支氣管排痰,影響呼吸功能。此外,由于纖毛運動可導致毛細血管張力增加、血管通透性增加及細胞外基質吸收障礙,也是導致ARDS發(fā)生的重要原因。IL-10能促進肺纖維化組織的形成與炎癥介質的釋放和膠原形成有關,因此建議在肺纖維化的早期給予糖皮質激素治療,從而降低肺部炎癥的程度并且減少炎性因子對細胞內外糖皮質激素受體的刺激,從而緩解呼吸窘迫綜合征的急性加重;也可以通過改善肺灌注、減少炎性因子、減少細胞外基質沉積、保護肺泡內皮細胞等方式治療ARDS。

3 ARDS的治療與肺泡屏障通透性的關系

隨著對ARDS病因學和發(fā)病機制的研究不斷深入,已經(jīng)證明肺泡上皮彌漫性損傷是ARDS發(fā)展過程中的一個重要病理變化,而肺泡上皮屏障功能的降低在ARDS的發(fā)展中也起著不可或缺的作用。肺泡結構是呼吸系統(tǒng)與周圍組織結構之間的連接通道,肺泡表面有一層纖毛,上有很多肺泡壁細胞,使纖毛具有可以保護氣道內的上氣道不受感染,同時可以有效地阻擋細菌或病毒等病原體入侵。肺泡由許多纖毛組成,其中一種可以使纖毛對病原體更有效地抵抗;另一種纖毛則可以使細胞之間的粘附作用減弱,這兩種變化都是在炎癥狀態(tài)下發(fā)生的。肺泡的纖毛可以起到有效的粘附作用;這些作用的變化主要與炎癥狀態(tài)、呼吸功能障礙有關。有研究表明,肺泡上皮屏障功能的損害程度決定了ARDS患者病情的嚴重程度,且肺泡上皮屏障功能的恢復決定了ARDS患者的預后情況[24]。此外,由于肺泡毛細血管屏障的通透性增加,富含蛋白質的水腫液體流入空氣空間,其為ARDS的重要特征,因此,調節(jié)肺泡上皮屏障功能對治療ARDS具有重要作用,肺泡毛細血管屏障的通透性可能為治療ARDS的重要策略。從而為臨床ARDS的治療提供新的理論依據(jù)。

ARDS的病理生理過程可分為慢性損傷期、急性肺功能損傷期以及恢復期,慢性肺功能損傷期主要包括肺泡內炎癥、纖毛運動減慢和血管舒張機制發(fā)生障礙,從而導致肺泡-纖毛系統(tǒng)(ECM)激活。在慢性肺功能損傷期間,內皮細胞會釋放炎性介質,抑制纖毛運動,從而導致氣道阻力增加、肺動脈壓增高和呼吸窘迫等癥狀加重;而炎性介質的釋放會促進內皮細胞過度增殖,誘發(fā)炎性因子風暴。而缺氧環(huán)境可使ARDS的肺血管功能受損導致 ECM被激活,產(chǎn)生呼吸抑制作用。有學者對 ARDS患者在經(jīng)支氣管肺移植手術中反復發(fā)生右心衰竭而發(fā)生 ECM損傷的情況下進行肺泡形態(tài)學功能檢測,發(fā)現(xiàn)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間質內炎性因子的釋放,從而激活纖毛運動[25]。

就發(fā)病率和死亡率而言,ARDS是一種嚴重的疾病負擔。目前的治療大多是支持性的,沒有解決潛在的病理生理機制。去除富含蛋白質的肺泡水腫(ARDS的臨床特征)對生存至關重要。在相關研究中,通過描述轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)觸發(fā)的機制,其中肺泡蛋白轉運的主要介質megalin受到糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)的負調節(jié),蛋白磷酸酶1和蛋白磷酸酶1的核抑制劑參與信號級聯(lián)[26]。經(jīng)TGF-β治療后,抑制GSK3β可挽救原代肺泡上皮細胞的跨上皮蛋白清除。此外,在以博萊霉素為基礎的急性肺損傷模型中,與野生型同窩動物相比,megalin(+/-)動物(megalin(-/-)變種因出生后呼吸衰竭而致命)的肺泡內蛋白顯著增加,肺損傷更嚴重;相比之下,使用臨床相關GSK3β抑制劑替格列昔布和丙戊酸鈉治療的野生型小鼠的肺泡蛋白濃度顯著降低,這與肺功能和組織病理學的改善有關[27]?？傊?我們發(fā)現(xiàn)TGF-β-GSK3β-megalin軸在ARDS中主要參與肺泡蛋白清除障礙,并為GSK3β抑制的治療效果提供了臨床前證據(jù)。另外,ARDS等炎癥性肺部疾病的發(fā)病率仍然是一個重要問題。因此,密切監(jiān)測炎癥期間肺泡上皮的屏障功能,有效評估抗炎藥物的作用意義重大。有研究顯示,肺上皮細胞促炎細胞因子TNF-α和IFN-γ可降低上皮屏障特性,與巨噬細胞可共同作用與肺部炎癥并對導致肺泡損傷[28]。研究表明,炎性反應、細胞死亡等多種原因均可造成肺泡屏障的損壞[29]。細菌侵入肺泡腔后,會產(chǎn)生快速、嚴格調節(jié)的免疫反應,促進病原體的成功清除。病原體識別后,激活常駐肺泡巨噬細胞早期釋放促炎細胞因子,刺激鄰近肺泡細胞產(chǎn)生趨化因子,進而介導中性粒細胞、滲出巨噬細胞和淋巴細胞的浸潤。隨后的炎性反應和病原體本身會留下與肺水腫和氣體交換受損相關的受損肺泡屏障。因此,上皮修復過程被啟動,以恢復正常的肺內穩(wěn)態(tài)。通過分析野生型與模型組小鼠,GM-CSF缺陷小鼠在脂多糖治療后表現(xiàn)出明顯的肺泡上皮Ⅱ型細胞增殖減少和持續(xù)的肺泡屏障功能障礙[30]。肺泡內的上皮細胞和內皮細胞形成了保護肺呼吸功能所必需的屏障,然而,肺呼吸功能容易受到過度氧化、炎癥和凋亡的損傷。為分析香煙煙霧的可溶性成分對肺泡屏障功能損害的發(fā)生機制,以大鼠為研究對象,通過原代培養(yǎng)的大鼠微血管細胞單層,發(fā)現(xiàn)香煙煙霧可溶性成分具有直接的內皮屏障破壞作用,其可通過谷胱甘肽調節(jié)劑或中性鞘磷脂酶、絲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激酶抑制劑來改善[31,32]。以上均表明,肺泡屏障通透性的改善可能會緩解肺病相關的肺和全身血管功能障礙。

綜上所述,關于ARDS的發(fā)病機制較為復雜,肺泡屏障功能的損害為該病的主要病理特征,也是ARDS發(fā)生的主要環(huán)節(jié)。調節(jié)肺泡屏障通透性可能為治療ARDS的有效方法。