急性呼吸窘迫综合征的发病机制及临床前药物研究
急性呼吸窘迫综合征的发病机制及临床前药物研究
引用: 周垒垒, 张先明. 急性呼吸窘迫综合征的发病机制及临床前药物研究 [J] . 中华危重病急救医学,2020,32 (03): 378-381.
摘要
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）的特征是非心源性肺水肿和顽固性低氧血症，其病死率很高。近年来支持治疗的发展在一定程度上降低了ARDS致死率，然而治疗费用高昂、有诸多副作用及中重度ARDS高致死率等问题，限制其临床疗效，因此有必要加强特效药物的研究。ARDS的核心病理改变是炎症反应失衡以及肺血管内皮和肺泡上皮屏障损害。调控炎症反应的强度和促进内皮和上皮屏障成为当前药物治疗ARDS的两个关键因素。本文从炎症反应失控及肺泡上皮和肺血管内皮屏障破坏两方面，总结了ARDS的发病机制以及近年来相关的临床前药物研究成果，以期为ARDS的治疗提供参考。
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是一种由全身或局部多种损伤因素导致的炎症性疾病，过度的炎性细胞特别是中性粒细胞和巨噬细胞侵袭肺组织，导致肺泡毛细血管通透性增加，大量炎性细胞侵袭肺组织引发肺水肿，肺泡上皮弥漫性损伤，最终进展为呼吸衰竭。近年来，虽然不断改进的机械通气策略、支持性药物（如神经肌肉阻滞剂）及体外膜肺氧合（ECMO）技术等显著提高了ARDS存活率，但中重度ARDS住院病死率仍超过40%。ARDS的发病机制主要与炎症反应失控、肺泡毛细血管屏障（PACB）功能障碍、凝血与纤溶异常、氧化应激失衡等有关，其中炎症反应失控和PACB功能障碍是两大关键因素，也因此成为药物研究的两个关键方向。目前已有大量动物实验表明调控炎症反应以及保护肺泡上皮和血管内皮屏障对ARDS小鼠的治疗有显著成效，现将相关研究进行综述。
1 ARDS炎症反应及相关药物研究
1.1 炎症反应失控：
研究表明，炎症反应可诱导ARDS的发生发展，各种致病因素引起的急性失控性炎症反应导致血管内皮通透性增加，继而各种炎性细胞、富含蛋白的水肿液，甚至红细胞进入肺泡腔及肺间质，引起肺损伤。炎性细胞、介质共同调节ARDS炎症反应的启动与进展，因此，通过抑制炎性细胞和促炎介质表达以及增强抗炎介质表达来调控炎症反应的强度成为ARDS治疗的关键环节。
1.2 参与ARDS的主要炎性细胞
1.2.1 多形核白细胞（PMN）：
PMN以中性粒细胞为主，为急性炎症时最主要的炎性细胞，对于炎症反应的消退有促进作用。然而ARDS时，多种因素作用下PMN过度激活并浸润于肺泡，分泌大量细胞毒物质和促炎介质等，加重炎症，损伤肺泡。此外，PMN还可以通过释放中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）来消灭致病菌，然而NETs的过度激活也会加重ARDS的肺组织损伤。
1.2.2 单核/巨噬细胞：
巨噬细胞通过调节炎症进展、促进炎症消退和启动肺修复来减轻ARDS的肺损伤，而巨噬细胞的功能受M1或M2型巨噬细胞相对数量的调控。在微生物产物或γ-干扰素（IFN-γ）刺激下，巨噬细胞向M1型分化，M1型巨噬细胞呈递抗原并产生促炎介质白细胞介素-6（IL-6）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等，通过这种方式加重Ⅰ型免疫反应，抑制细胞增殖并导致组织损伤；相反，在IL-4/IL-13作用下巨噬细胞向M2型发展，M2型巨噬细胞释放抗炎物质，如甲壳酶样3、精氨酸酶、IL-10等，促进组织重塑和伤口愈合。此外，M1型与M2型巨噬细胞的动态平衡还受多种转录因子调节，巨噬细胞在核转录因子-κB（NF-κB）、信号转导和转录激活因子1（STAT1）刺激下极化为M1型，M2型极化则受STAT6和过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的调控。
1.2.3 肺微血管内皮细胞（PMVECs）：
PMVECs连续分布于整个肺微血管的内皮表面，是血气交换的主要场所，能与血管活性物质充分反应发挥作用。PMVECs活化可迅速上调细胞膜表面受体，如L-选择素、细胞间黏附分子（ICAM-1、ICAM-2）等，促进PMN的迁移与黏附，继而启动炎症反应；此外，它还可以分泌多种炎性介质加重炎症反应。
1.3 参与ARDS的主要促炎介质
1.3.1 IL-1β：
IL-1β在炎症反应中起关键作用，主要由巨噬细胞分泌，可激活PMN，上调ICAM，加重ARDS炎症反应。此外，IL-1β可能是早期判断ARDS病情及预后的重要指标。
1.3.2 TNF-α：
TNF-α在感染性病变和免疫反应中具有重要作用，并参与介导ARDS的全过程。TNF-α可增加促炎因子和ICAM的表达，激活PMVECs以及诱导巨噬细胞的活化和迁移，引起和加重炎性病变。
1.3.3 其他细胞因子：
IL-6和IL-8可以通过增加PMN的浸润及血管通透性，参与ARDS炎症反应的发生发展。
1.4 参与ARDS的主要抗炎介质
1.4.1 IL-4：
IL-4来源于活化的T细胞（CD4+）和肥大细胞。在机体受到脂多糖（LPS）等致病因素刺激时，IL-4增加免疫球蛋白（IgE和IgG1）表达，抑制CD14，并抑制多种促炎介质表达；此外，IL-4还可抑制LPS刺激下转录因子-1（AP-1）活性增高以及NF-κB激活，从而减轻过度的炎症反应。
1.4.2 IL-10：
炎症反应时，IL-10可以通过抑制巨噬细胞和NF-κB的激活从而抑制炎性介质TNF-α、IL-1β和IL-6等的生成，增加抗炎介质的表达。
1.5 参与炎症反应的信号通路
1.5.1 Toll样受体4（TLR4）/NF-κB信号通路：
TLR是一种可识别病原体并激活先天免疫，同时可以启动炎症信号级联反应的模式识别受体。TLR4是TLR家族的一个重要成员，TLR识别病原体后，通过接头分子转导信号并激活NF-κB信号通路。NF-κB是一种关键的转录调控因子，在致炎因素刺激下，被NF-κB抑制剂（IκB）抑制的NF-κB从细胞质的NF-κB-IκB-α复合物中释放并移位到细胞核内，触发特定靶基因（如TNF-α和IL-1β等）的转录，NF-κB在调节LPS诱导的各种炎性细胞因子异常变化中起着关键作用。此外，TLR也可以不依赖接头分子，直接激活干扰素调节因子-3（IRF-3）和NF-κB而发挥作用。
1.5.2 p38丝裂素活化蛋白激酶（p38MAPK）信号通路：
MAPK是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。在MAPK的3条主要通路中〔细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）、p38MAPK和c-Jun氨基末端激酶（JNK）信号通路〕，p38MAPK参与调控炎症反应。MAPK在LPS、盲肠结扎穿孔术（CLP）等刺激下被激活，活化的p38MAPK可增加促炎因子的表达，诱导环氧合酶-2（COX-2）、iNOS等黏附蛋白表达及PMN黏附、"呼吸爆发"和弹性蛋白酶释放，从而加重炎症反应。此外，p38MAPK是一种IκB激酶（IKK）抑制剂，可以促进NF-κB的激活。
1.5.3 Janus激酶（JAK）/STAT信号通路：
多种炎性介质通过JAK/STAT信号通路发挥作用，该通路对于免疫反应的启动以及调控炎症反应至关重要。STAT3在STAT家族中主要起调控炎症反应的作用。STAT3激活发生在严重的肺损伤之前，可以促进TNF-α和IL-1β等的表达，表明STAT3可能与ARDS肺部炎症的启动有关。
1.6 ARDS抗炎药物的临床前研究
1.6.1 羟基激肽B-1（HJB-1）：
HJB是从大戟根中提取的二萜类化合物，HJB-1是HJB衍生物，有很强的抗炎作用。Xu等研究证实，HJB-1可调控ARDS小鼠肺部炎症。该研究表明，HJB-1可抑制PMN在肺泡中聚集，减轻PMN对肺组织的侵袭；此外，HJB-1还对NF-κB及MAPK活化起抑制作用，从而减少TNF-α、IL-1β和IL-6表达，起到抗炎作用。
1.6.2 核转录因子E2相关因子2（Nrf 2）：
Nrf 2存在于气道上皮细胞和巨噬细胞中，是调节抗氧化剂和其他细胞保护基因的多效性蛋白。Wei等研究发现，Nrf 2可将巨噬细胞从M1型转化为M2型，从而下调促炎因子及上调抗炎因子，防止ARDS进展。Nrf 2发挥作用的机制可能是抑制NF-κB和促进PPAR表达。进一步研究还需要排除Nrf 2是通过抗氧化应激发挥作用，以及使用敲除Nrf 2基因动物验证结果。
1.6.3 MMI-0100：
MMI-0100是一种人工合成的含有22个氨基酸的短肽，是MAPK活化蛋白激酶2（MK2）抑制剂。MK2是p38MAPK的下游激酶，被p38MAPK磷酸化的MK2可以调节ICAM-1和IL-8的表达。ICAM-1在ARDS动物模型PMVECs上高表达时可引起肺损伤。He等研究表明，MMI-0100可以显著抑制ARDS小鼠PMVECs上ICAM-1高表达，从而减少炎性细胞浸润，改善炎症。然而，MK2引起ARDS小鼠ICAM-1高表达的机制还需深入研究。
1.6.4 蒽醌类化合物LLL12：
LLL12为STAT3抑制剂。Zhao等研究发现，使用LLL12可有效减轻ARDS小鼠肺部炎症，其机制可能是通过抑制STAT3磷酸化，减少多种促炎因子如TNF-α和IL-1β等表达；该研究者证实，LLL12同样可抑制ARDS患者外周血单个核细胞（PBMC）中STAT3激活。这些结果都证明LLL12可能是治疗ARDS的潜在药物。
1.6.5 紫杉醇：
紫杉醇是从短叶紫杉醇中提取的二萜类化合物，作为抗癌药物被广泛使用。研究表明，紫杉醇在炎性疾病中也发挥了重要作用，其抗炎机制可能与调节TLR4信号转导通路有关。附膜蛋白1（MUC1）是TLR信号通路的负调控因子，MUC1上调可以抑制炎性疾病中NF-κB信号通路的表达。Wang等研究证实，紫杉醇可以减轻CLP诱导的ARDS小鼠肺部炎症。紫杉醇对CLP所致肺损伤的缓解作用主要是激活MUC1从而抑制TLR4/NF-κB信号转导通路，发挥调控炎症反应的作用。
2 ARDS中PACB的损伤机制及相关药物研究
2.1 PACB：
PACB由PMVECs、肺间质和肺泡上皮细胞共同组成。PMVECs作为血管的内衬，形成半渗透屏障，在调节血管通透性、止血、炎症和微循环流动等方面发挥作用。内皮间连接如紧密连接（TJs）和细胞间黏附连接（AJs），可防止中性粒细胞的迁移、浸润和蛋白泄漏，并维持机体内环境稳定。AJs通过血管内皮-钙黏蛋白（VE-cadherin）与β-连环蛋白（β-catenin）的细胞外结合以及VE-cadherin、β-catenin与肌动蛋白细胞骨架的细胞内连接，在维持相邻PMVECs的稳定性中起主要作用，TJs则起次要作用。当PACB完整性被破坏时，渗透性增高，炎性渗出液进入肺泡，同时PMVECs和肺泡上皮功能受损，最终引起肺损伤。
2.2 药物保护内皮屏障的主要机制：
①通过增强ARDS肺内皮细胞间连接以及稳定肌动蛋白细胞骨架结构，起到降低肺内皮屏障通透性的作用。②促进PMVECs的存活，抑制其凋亡，保护PACB。③间充质干细胞（MSCs）已经被证明可以在体内植入，并分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞（ATⅡ），改善PACB功能。然而动物研究表明，MSCs在肺组织中的植入率和分化率较低，治疗效果有限。因此，促进MSCs增殖和分化的药物可能是治疗ARDS的有效药物。④通过调控炎症反应，缓解PACB损伤。
2.3 保护PACB的药物研究
2.3.1 和厚朴酚（HKL）：
HKL是一种来源于厚朴树皮的小分子天然产物，是去乙酰化酶3（SIRT3）激活剂，能够增加线粒体耗氧率，减少活性氧（ROS）合成。SIRT3被认为是保护血管内皮细胞免受线粒体氧化应激的关键协调者。Chen等研究证实，在ARDS小鼠模型中，HKL通过降低PMVECs表面ICAM-1和血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）表达，恢复β-catenin和VE-cadherin表达，从而降低ARDS小鼠PCAB的高通透性；此外，HKL还可提高PMVECs存活率，抑制其凋亡；该研究表明，HKL的这些作用可能部分是由于激活SIRT3/磷酸腺苷依赖性蛋白激酶（AMPK）信号转导通路和抑制血管生成素-2（Ang-2）表达来实现的。Ang-2过度表达可损害血管内皮，且与ARDS患者的病情进展有关。HKL对PACB保护作用的具体机制还需深入研究。
2.3.2 网膜素（omentin）：
omentin是一种抗炎脂肪因子，在人体脂肪中含量丰富，作为内皮功能障碍的生物标志物，循环omentin水平降低与肥胖相关的血管疾病发病有关。临床证据表明，肥胖可能是ARDS的一个新的危险因素，循环中的脂肪因子水平与ARDS的发生发展有关。此外，机体中也存在抗炎脂肪因子，对ARDS患者有益。据报道，omentin通过蛋白激酶B（Akt）依赖机制在各种细胞中发挥抗炎作用，有益于血管内皮细胞存活以及促进血管生成。Akt相关信号通路作为内源性负反馈机制对致病因素的刺激作出反应，有助于对ARDS的保护。Qi等的动物实验表明，omentin对LPS诱导的ARDS小鼠肺内皮屏障有保护功能；omentin通过促进LPS诱导的ARDS小鼠肺内皮细胞AJs表达及稳定肌动蛋白细胞骨架，减轻了肺内皮屏障的通透性；此外，omentin还可以促进PMVECs的生存和分化。该研究表明，omentin保护肺内皮屏障的功能部分是激活了Akt/内皮型一氧化氮合酶（eNOS）信号转导通路。eNOS为Akt信号的下游靶点，可能在omentin介导的血管保护功能中起血管生成介质作用。然而omentin作为一种多效性脂肪因子，其特异性受体尚未被发现，有必要进一步研究。
2.3.3 GSKI：
GSKI为一种丝氨酸/苏氨酸激酶糖原合成酶激酶3β（gsk-3β）抑制剂。Ding等研究证实，GSKI对LPS诱导的ARDS小鼠有治疗作用；GSKI可以促进ARDS小鼠MSCs分化为ATⅡ，具体机制主要是GSKI激活生长因子Wnt蛋白启动的Wnt-β-catenin信号通路，而该通路参与MSCs的分化。Wnt通路与细胞的生长和分化有关，典型的Wnt配体与卷曲蛋白（frizzled）辅受体和低密度脂蛋白受体相关蛋白5或6结合，抑制gsk-3β，同时使β-catenin聚集并入胞核，最终调控靶基因转录，促进MSCs分化。此外，GSKI还可以减少炎性细胞浸润以及抑制促炎介质生成，双重作用下使GSKI成为治疗ARDS的潜在药物。李朗等研究证实，抑制Hippo信号通路同样可以促进MSCs的分化、增殖与迁移，减少促炎介质以及促进IL-10的表达，进而修复ARDS小鼠肺损伤。
3 小结与展望
经过数十年的研究，对ARDS发病机制及其病理生理过程的认识等方面的进展，为ARDS特效药物的研究提供了可能。调整炎症反应强度，保护PCAB完整性，促进ATⅡ恢复与再生，这些方法在大量动物实验中均被证明是可行的。然而，ARDS的药物研究受多种因素的限制，很多临床前应用有效的药物（如β2-肾上腺素能受体激动剂、他汀类、茶碱等）临床试验效果并不理想。因此，ARDS的药物研究未来应注意以下方面：
① ARDS是由多种因素以及复杂的信号通路引起的，单独控制某种因素并不能阻止它的发展，因此发现并研究同时具有抗炎及保护PCAB作用的药物，或考虑联合用药，可能是ARDS药物研究可行的方向。
②目前的动物模型大多通过油酸、LPS、CLP诱导ARDS，其致病机制及复杂程度与临床上ARDS差别很大，二次打击模型如CLP +休克出血，通过引发全身炎症反应综合征（SIRS）后失控导致ARDS，虽与临床上ARDS的发展比较接近，但是技术复杂、制模难度较高，而且在啮齿类动物中并不能充分复制严重的肺泡炎症以及上皮损伤后的免疫反应等，不断改善动物模型对于ARDS研究至关重要。
③药物试验应充分考虑ARDS患者的病理生理特点以及对机械通气患者的效果，此外还应考虑药物本身对患者肺组织和其他器官的影响。
④ ARDS是危重疾病的并发症，是可预防的疾病，预防性药物的研究同样是潜在的方向。
⑤最后，ARDS最关键的发病因素及信号通路仍有待进一步探索。
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