高氧性肺损伤及保护机制研究进展
作者：万致婷 王云霞 镇春先
单位：(咸宁医学院附属第一医院儿科，咸宁 437100)
关键词：
咸宁医学院学报000239 中图分类号 R563 文献标识码 C
文章编号 1008-0635(2000)02-0145-03
在高氧性肺损伤中，氧自由基组织损伤机制己被人们广泛接受[1]。近二十年来，随着基因工程和细胞工程的迅猛发展，人们从分子生物学水平对高氧性肺损伤机制进行了更为深入的探讨，本文就高氧性肺损伤和保护机制研究的新近进展介绍如下。
1 损伤机制
1.1粘附分子
, 百拇医药
粘附分子是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。中性粒细胞在内皮细胞的粘附和移行，主要是通过其表面的白细胞整合素亚家族(CD11a)与细胞间粘附分子(ICAM-1)的相互作用来完成；而淋巴细胞向组织间的浸润则取决于其表面VLA-4与血管细胞间粘附分子(VCAM-1)的结合。生理状态下，各种粘附分子在细胞中的表达呈低水平。体外实验表明[2]，高氧可选择性地诱导ICAM-1在内皮细胞的表达，而CDlla/CDl8的表达水平不变；抗CDlla/CDl8单分子克隆抗体也不影响中性粒细胞对内皮细胞的粘附，从而进一步证实，高氧早期以中性粒细胞浸润为主的肺泡炎主要是通过ICAM-1的水平升高来介导的。
有研究表明[3]，在肿瘤坏死因子(TNF-a)转基因鼠，肺VCAM-1 mRNA的表达明显增加。高氧可引起肺Ⅱ型上皮细胞持续产生大量的TNF-a，在TNF-a作用下，大量VCAM-1与VLA-4的结合，是导致高氧后期以淋巴细胞浸润为主细胞炎的主要原因。
, 百拇医药
1.2 细胞因子
作为一类具有非特异性免疫效应的小分子多肽，细胞因子(CK)既可通过多种因素刺激免疫细胞和基质细胞分泌，也可彼此之间相互诱生。高氧作为一种刺激因素既可通过激活核因子-kB(NF-kB)，诱导TNF-α在肺淋巴细胞的表达[4]，也可通过激活巨噬细胞引起TNF-α的分泌增多。大量的TNF-a可通过多种效应增强或介导高氧状态下的肺部炎症反应与肺纤维化形成，主要表现为：①TNF-α引起粘附分子表达上调，随着大量嗜中性粒细胞在肺部的浸润，非抑制性嗜中性粒细胞弹性蛋白酶明显增多，由于高氧引起肺部a1-抗胰蛋白酶失活，从而导致弹性蛋白破坏，肺泡隔形成受阻。②TNF-α通过诱生IL-5使大量的嗜酸性粒细胞在肺部积聚，嗜酸性粒细胞可衍生具有促纤维化作用的转化生长因子(TGF-β1)[5]。③TNF-α对巨噬细胞具有自分泌作用，它可放大巨噬细胞在炎症反应中的效应，并使TGF-β1、IL-1分泌增多。
大量动物试验显示，吸入高氧后，肺TGF-β1 mRNA表达明显增加。TGF-β1作为一种调节细胞生长和分化的多肽，对成纤维细胞合成前胶原蛋白和纤维连接蛋白有很强的刺激作用，并且还能抑制其分泌胶原酶，最终导致胶原蛋白在肺间质沉积增多。有研究进一步证实[6]，高氧暴露下，TGF-β1基因表达与Ⅰ型胶原蛋白基因表达呈一种短暂的因果关系，在高氧诱导的肺纤维化中，TGF-β1起着不可忽视的作用。
, 百拇医药
另外，TNF-α、IFN-γ及IL-1也是肺成纤维细胞的活化因子。TNF-α和IFN-γ能分别以剂量依赖方式刺激静止的人成纤维细胞增殖，IL-l能刺激迅速分裂的成纤维细胞增殖。成纤维细胞通过对前胶原基因转录、翻译或翻译后修饰来调节胶原的合成。
1.3 内源性一氧化氮
一氧化氮(NO)是一种单电子分子，它的顺磁性使其极易与O·2反应形成强氧化剂亚硝酸离子(OONO-)。OONO-半衰期短，一旦酸化即降解成具有强氧化性和细胞毒性的NO·2和OH·，引起生物膜脂质过氧化，蛋白质巯基过氧化，氨基酸硝化，肺表面活性物质失活，Ⅱ型肺细胞Na+转运受阻，最终导致高氧状态下的气道炎症、水肿及肺损伤。Beverly等发现[7]，新生儿期接受机械通气后形成支气管肺发育不良的患儿，其早期血中3—硝基酪氨酸含量明显增高。3—硝基酪氨酸是OONO-与蛋白质反应的产物，在高氧状态下它的浓度升高说明内源性NO参入了肺损伤的发生和发展过程。新生动物吸入高浓度氧，同时吸入100ppm NO也可导致上述损伤性反应[8]。
, 百拇医药
高氧状态下，NO对肺组织的影响是十分复杂的，诱生型一氧化氮合成酶(iNOS)抑制剂L-NAME可加重肺的氧毒性[9]，提示内源性NO具有抗氧化的作用，该机制目前尚不十分清楚。Christelle等认为[8]，NO对肺组织是保护作用，还是损伤作用，取决于NO的浓度。吸入10ppm NO时，肺泡腔内无血管示踪剂131I-清蛋白渗透，而动物在高氧中的存活率增加，它提示低浓度NO可通过维持肺上皮细胞的完整性来降低肺水肿，提高存活率。
2 保护机制
生理状态下，生物体内存在少量的氧自由基，由于氧自由基清除剂的存在，机体并不会出现严重的组织损伤。当大量高浓度氧吸入时，体内各种抗氧化物质对高氧的反应则直接影响肺损伤的发生及发展。下面主要讨论抗氧化酶(AOE)、γ-谷氨酰基转肽酶、IL-11对高氧的反应。
2.1 AOE系统
, 百拇医药
动物先暴露于亚致死量的氧浓度，再暴露于100%的氧中，其存活率可明显提高，并且新生鼠高于成鼠。人们发现，这种对高氧的明显耐受与肺部重要的AOE活力变化有关。高氧在激活氧自由基的同时，也可诱导AOE活力的增加，但早期高于晚期，而且超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱苷肽过氧化物酶(GP)三种AOE酶活力的增加也不平衡。有人认为[10]，高氧暴露早期，部分AOE基因的表达存在翻译和/或翻译后水平的抑制，是氧暴露不同时期AOE活力表现差异的主要原因。此外，AOE活力的差异与AOE基因表达的特异性有关，肺Ⅱ型上皮细胞和肺间质成纤维细胞内仅Mn-SOD的表达增加，肺细胞数的大量增加是氧暴露早期AOE活力明显升高的另一个主要原因[11]。
2.2 γ-谷氨酰基转肽酶(GGT)
谷胱苷肽过氧化物酶(GP)在清除活性氧的反应中，需还原型谷胱苷肽(GSH)作为氢供体，而GGT对维持细胞内GSH的含量具有重要的意义。GGT是一种与胞浆膜紧密结合的杂二聚体糖蛋白，它可使胞外GSH中γ-谷氨酰基的键断裂，并将谷氨酸及半胱氨酸转移给氨基酸受体，使其进入细胞内参与胞内GSH的合成。胞内GSH浓度对其限速酶γ-谷氨酰基-半胱氨酸合成酶有负反馈调节作用，但可被谷氨酸所阻断。高氧状态下，新生动物GGT蛋白及酶的活力均明显升高[12]；而免疫组化技术证实[13]，GGT的升高仅发生在支气管上皮细胞、Ⅰ型及Ⅱ型肺上皮细胞，肝、肾细胞内GGT酶活力不变，该机制目前尚不十分清楚，但它对减轻高氧中的肺损伤具有不可忽视的作用。GGT的升高，一方面促进胱氨酸的转运，使GSH合成增加；另一方面可提高细胞内的谷氨酸水平，阻断GSH对其限速酶的负反馈作用，使细胞内GSH在一个更高水平上保持稳定。
, 百拇医药
1.3 白介素-11
IL-11是一种20KD的阳离子，属于IL-6型CK家族。IL-11具有多效性，它既能影响红细胞的生成，抑制脂蛋白酶，刺激免疫球蛋白和金属蛋白-l组织抑制剂的产生；又能激发急相反应[14]。动物实验显示[15]，肺部过度表达IL-11的转基因鼠暴露到100%氧中时，存活率明显提高。IL-11作用机制目前尚不十分清楚，有学者认为[15]，IL-11诱导的保护作用是多因素的，它既可轻微增强肺抗氧化防御系统的能力；也可抑制IL-l、TNF的过度表达，抑制中性粒细胞的局部浸润，从而减少肺毛细血管蛋白漏，减轻内皮细胞和上皮细胞膜的损伤，减少DNA碎裂而致的细胞死亡，使动物在高氧中的肺损伤减轻，存活率明显提高。另有学者认为[16]，IL-11的保护作用是通过抑制P53以及调节凋亡控制部分(Bcl-2)的表达来实现的。
机体对高氧的应激反应是建立在这种损伤机制与保护机制相互作用基础之上的。对肺损伤机制的深入研究，将为我们在某一特定水平阻断其损伤反应，增强保护反应，防治氧损伤，提供一个广阔的前景。
, 百拇医药
参考文献
1，Saugstad OD.Mechanisms of tissue injury by oxygen radical:implication for neonatal disease.Acta Paediatr，1996；85：1
2，Suzuki,Yukio,Takuya,et al.Effect of hyperoxia on adhesion molecule expression in human endothilial calls and neutrphils.Am J Physiol,1997；272：1418
3，Yoshitaka M，Kimi A，Christian V，et a1.Expression of a tumor necrosis factor-α transgene in murine lung causes lymphocytic and fibrosing alveolitis.J Clin Invest，1995；96：250
, 百拇医药
4，Lyttitia M,Beehler C,Slivka S.Hyperoxia activates NF-k B and increases TNF-α and IFN-γ gene expression in mouse pulmonary lymphocyts.The Journal of Immunology，1996；157：3902
5，Kai Z，Mehrnaz GK ,Bridget M,et al.TNF-α mediate lung cytokine networking and eosinophil recruitment in pulmonary fibrosis.The Journal of Immunology,1997；158:954
6，Moore,Aideen M,Shipa B,et al.Expression of type I collagen TGF-β and related genes in rat lung exposed to 85%O2.Am J Physiol,1995；268：L78
, 百拇医药
7，Bank BA,Ischiropoulos H,Mcclelland M,et al.Plasma 3-nitrotyrosine is elevated in premature infants who develop bronchopulmonary dysplasia.Pediatrics，1998；155(6)：1957
8，Carat C,Jayr C, Eddohibi S,et al.Effect of inhaled nitric oxide formation on hyperoxic lung injury .Am J Respir Crit Care Med,1997；155(6)：1957
9，Capellier G. L-NAME aggravates pulmonary oxygen toxicity in rat.Eur Respir J,1996；9:2531
, http://www.100md.com
10，Ye-Shin Ho,Margaret S,James DC.Antioxidant enzyme expression in rat lungs during hyperoxia.Am J Physiol,1996；270：L810
11，Ling-Yi Chang,Bor-Hwang K,Jan WC,et al.Immunocyte chemical localization of the sites of superoxide dismutase induration by hyperoxia in rat lungs.Lab Invest，1995；73(1)：29
12，Knickelbein,Roy G,David HJ,et al.Hyperoxia enhances expression of γ-glutamyl transpeptidase and increase protein S-glutathiolation in rat lung.Am J Physiol,1996；270(14)：1115
, 百拇医药
13，Ingbar,Hepler.γ-glutanxyl transpeptidase is a polarized alveolar epithelial menlbrane protein.Am J Physiol,1995；269(13)：L261
14，Du XX, Williams DA.Interleukin-11:a multifunctional growth factor derived from the hematopoietic microenvironmemt.Blood,1994；83：2023
15，Waxman AB,Einarsson O,Seres T,et al.Targeted lung expression of interleukin-ll enhancs murine tolerance of 100% oxygen and diminishes hyperoxia-induced DNA fragmentation.J Clin Invest,1998；101：1970
16，Du X,Q Liu,Z Yang,et al.Protective effects of interleukin-ll in a murine model of ischemic bowel necrosis.Am J Physiol,1997；272：G454
收稿2000-01-13
, http://www.100md.com
单位：(咸宁医学院附属第一医院儿科，咸宁 437100)
关键词：
咸宁医学院学报000239 中图分类号 R563 文献标识码 C
文章编号 1008-0635(2000)02-0145-03
在高氧性肺损伤中，氧自由基组织损伤机制己被人们广泛接受[1]。近二十年来，随着基因工程和细胞工程的迅猛发展，人们从分子生物学水平对高氧性肺损伤机制进行了更为深入的探讨，本文就高氧性肺损伤和保护机制研究的新近进展介绍如下。
1 损伤机制
1.1粘附分子
, 百拇医药
粘附分子是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。中性粒细胞在内皮细胞的粘附和移行，主要是通过其表面的白细胞整合素亚家族(CD11a)与细胞间粘附分子(ICAM-1)的相互作用来完成；而淋巴细胞向组织间的浸润则取决于其表面VLA-4与血管细胞间粘附分子(VCAM-1)的结合。生理状态下，各种粘附分子在细胞中的表达呈低水平。体外实验表明[2]，高氧可选择性地诱导ICAM-1在内皮细胞的表达，而CDlla/CDl8的表达水平不变；抗CDlla/CDl8单分子克隆抗体也不影响中性粒细胞对内皮细胞的粘附，从而进一步证实，高氧早期以中性粒细胞浸润为主的肺泡炎主要是通过ICAM-1的水平升高来介导的。
有研究表明[3]，在肿瘤坏死因子(TNF-a)转基因鼠，肺VCAM-1 mRNA的表达明显增加。高氧可引起肺Ⅱ型上皮细胞持续产生大量的TNF-a，在TNF-a作用下，大量VCAM-1与VLA-4的结合，是导致高氧后期以淋巴细胞浸润为主细胞炎的主要原因。
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1.2 细胞因子
作为一类具有非特异性免疫效应的小分子多肽，细胞因子(CK)既可通过多种因素刺激免疫细胞和基质细胞分泌，也可彼此之间相互诱生。高氧作为一种刺激因素既可通过激活核因子-kB(NF-kB)，诱导TNF-α在肺淋巴细胞的表达[4]，也可通过激活巨噬细胞引起TNF-α的分泌增多。大量的TNF-a可通过多种效应增强或介导高氧状态下的肺部炎症反应与肺纤维化形成，主要表现为：①TNF-α引起粘附分子表达上调，随着大量嗜中性粒细胞在肺部的浸润，非抑制性嗜中性粒细胞弹性蛋白酶明显增多，由于高氧引起肺部a1-抗胰蛋白酶失活，从而导致弹性蛋白破坏，肺泡隔形成受阻。②TNF-α通过诱生IL-5使大量的嗜酸性粒细胞在肺部积聚，嗜酸性粒细胞可衍生具有促纤维化作用的转化生长因子(TGF-β1)[5]。③TNF-α对巨噬细胞具有自分泌作用，它可放大巨噬细胞在炎症反应中的效应，并使TGF-β1、IL-1分泌增多。
大量动物试验显示，吸入高氧后，肺TGF-β1 mRNA表达明显增加。TGF-β1作为一种调节细胞生长和分化的多肽，对成纤维细胞合成前胶原蛋白和纤维连接蛋白有很强的刺激作用，并且还能抑制其分泌胶原酶，最终导致胶原蛋白在肺间质沉积增多。有研究进一步证实[6]，高氧暴露下，TGF-β1基因表达与Ⅰ型胶原蛋白基因表达呈一种短暂的因果关系，在高氧诱导的肺纤维化中，TGF-β1起着不可忽视的作用。
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另外，TNF-α、IFN-γ及IL-1也是肺成纤维细胞的活化因子。TNF-α和IFN-γ能分别以剂量依赖方式刺激静止的人成纤维细胞增殖，IL-l能刺激迅速分裂的成纤维细胞增殖。成纤维细胞通过对前胶原基因转录、翻译或翻译后修饰来调节胶原的合成。
1.3 内源性一氧化氮
一氧化氮(NO)是一种单电子分子，它的顺磁性使其极易与O·2反应形成强氧化剂亚硝酸离子(OONO-)。OONO-半衰期短，一旦酸化即降解成具有强氧化性和细胞毒性的NO·2和OH·，引起生物膜脂质过氧化，蛋白质巯基过氧化，氨基酸硝化，肺表面活性物质失活，Ⅱ型肺细胞Na+转运受阻，最终导致高氧状态下的气道炎症、水肿及肺损伤。Beverly等发现[7]，新生儿期接受机械通气后形成支气管肺发育不良的患儿，其早期血中3—硝基酪氨酸含量明显增高。3—硝基酪氨酸是OONO-与蛋白质反应的产物，在高氧状态下它的浓度升高说明内源性NO参入了肺损伤的发生和发展过程。新生动物吸入高浓度氧，同时吸入100ppm NO也可导致上述损伤性反应[8]。
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高氧状态下，NO对肺组织的影响是十分复杂的，诱生型一氧化氮合成酶(iNOS)抑制剂L-NAME可加重肺的氧毒性[9]，提示内源性NO具有抗氧化的作用，该机制目前尚不十分清楚。Christelle等认为[8]，NO对肺组织是保护作用，还是损伤作用，取决于NO的浓度。吸入10ppm NO时，肺泡腔内无血管示踪剂131I-清蛋白渗透，而动物在高氧中的存活率增加，它提示低浓度NO可通过维持肺上皮细胞的完整性来降低肺水肿，提高存活率。
2 保护机制
生理状态下，生物体内存在少量的氧自由基，由于氧自由基清除剂的存在，机体并不会出现严重的组织损伤。当大量高浓度氧吸入时，体内各种抗氧化物质对高氧的反应则直接影响肺损伤的发生及发展。下面主要讨论抗氧化酶(AOE)、γ-谷氨酰基转肽酶、IL-11对高氧的反应。
2.1 AOE系统
, 百拇医药
动物先暴露于亚致死量的氧浓度，再暴露于100%的氧中，其存活率可明显提高，并且新生鼠高于成鼠。人们发现，这种对高氧的明显耐受与肺部重要的AOE活力变化有关。高氧在激活氧自由基的同时，也可诱导AOE活力的增加，但早期高于晚期，而且超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱苷肽过氧化物酶(GP)三种AOE酶活力的增加也不平衡。有人认为[10]，高氧暴露早期，部分AOE基因的表达存在翻译和/或翻译后水平的抑制，是氧暴露不同时期AOE活力表现差异的主要原因。此外，AOE活力的差异与AOE基因表达的特异性有关，肺Ⅱ型上皮细胞和肺间质成纤维细胞内仅Mn-SOD的表达增加，肺细胞数的大量增加是氧暴露早期AOE活力明显升高的另一个主要原因[11]。
2.2 γ-谷氨酰基转肽酶(GGT)
谷胱苷肽过氧化物酶(GP)在清除活性氧的反应中，需还原型谷胱苷肽(GSH)作为氢供体，而GGT对维持细胞内GSH的含量具有重要的意义。GGT是一种与胞浆膜紧密结合的杂二聚体糖蛋白，它可使胞外GSH中γ-谷氨酰基的键断裂，并将谷氨酸及半胱氨酸转移给氨基酸受体，使其进入细胞内参与胞内GSH的合成。胞内GSH浓度对其限速酶γ-谷氨酰基-半胱氨酸合成酶有负反馈调节作用，但可被谷氨酸所阻断。高氧状态下，新生动物GGT蛋白及酶的活力均明显升高[12]；而免疫组化技术证实[13]，GGT的升高仅发生在支气管上皮细胞、Ⅰ型及Ⅱ型肺上皮细胞，肝、肾细胞内GGT酶活力不变，该机制目前尚不十分清楚，但它对减轻高氧中的肺损伤具有不可忽视的作用。GGT的升高，一方面促进胱氨酸的转运，使GSH合成增加；另一方面可提高细胞内的谷氨酸水平，阻断GSH对其限速酶的负反馈作用，使细胞内GSH在一个更高水平上保持稳定。
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1.3 白介素-11
IL-11是一种20KD的阳离子，属于IL-6型CK家族。IL-11具有多效性，它既能影响红细胞的生成，抑制脂蛋白酶，刺激免疫球蛋白和金属蛋白-l组织抑制剂的产生；又能激发急相反应[14]。动物实验显示[15]，肺部过度表达IL-11的转基因鼠暴露到100%氧中时，存活率明显提高。IL-11作用机制目前尚不十分清楚，有学者认为[15]，IL-11诱导的保护作用是多因素的，它既可轻微增强肺抗氧化防御系统的能力；也可抑制IL-l、TNF的过度表达，抑制中性粒细胞的局部浸润，从而减少肺毛细血管蛋白漏，减轻内皮细胞和上皮细胞膜的损伤，减少DNA碎裂而致的细胞死亡，使动物在高氧中的肺损伤减轻，存活率明显提高。另有学者认为[16]，IL-11的保护作用是通过抑制P53以及调节凋亡控制部分(Bcl-2)的表达来实现的。
机体对高氧的应激反应是建立在这种损伤机制与保护机制相互作用基础之上的。对肺损伤机制的深入研究，将为我们在某一特定水平阻断其损伤反应，增强保护反应，防治氧损伤，提供一个广阔的前景。
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参考文献
1，Saugstad OD.Mechanisms of tissue injury by oxygen radical:implication for neonatal disease.Acta Paediatr，1996；85：1
2，Suzuki,Yukio,Takuya,et al.Effect of hyperoxia on adhesion molecule expression in human endothilial calls and neutrphils.Am J Physiol,1997；272：1418
3，Yoshitaka M，Kimi A，Christian V，et a1.Expression of a tumor necrosis factor-α transgene in murine lung causes lymphocytic and fibrosing alveolitis.J Clin Invest，1995；96：250
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4，Lyttitia M,Beehler C,Slivka S.Hyperoxia activates NF-k B and increases TNF-α and IFN-γ gene expression in mouse pulmonary lymphocyts.The Journal of Immunology，1996；157：3902
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6，Moore,Aideen M,Shipa B,et al.Expression of type I collagen TGF-β and related genes in rat lung exposed to 85%O2.Am J Physiol,1995；268：L78
, 百拇医药
7，Bank BA,Ischiropoulos H,Mcclelland M,et al.Plasma 3-nitrotyrosine is elevated in premature infants who develop bronchopulmonary dysplasia.Pediatrics，1998；155(6)：1957
8，Carat C,Jayr C, Eddohibi S,et al.Effect of inhaled nitric oxide formation on hyperoxic lung injury .Am J Respir Crit Care Med,1997；155(6)：1957
9，Capellier G. L-NAME aggravates pulmonary oxygen toxicity in rat.Eur Respir J,1996；9:2531
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10，Ye-Shin Ho,Margaret S,James DC.Antioxidant enzyme expression in rat lungs during hyperoxia.Am J Physiol,1996；270：L810
11，Ling-Yi Chang,Bor-Hwang K,Jan WC,et al.Immunocyte chemical localization of the sites of superoxide dismutase induration by hyperoxia in rat lungs.Lab Invest，1995；73(1)：29
12，Knickelbein,Roy G,David HJ,et al.Hyperoxia enhances expression of γ-glutamyl transpeptidase and increase protein S-glutathiolation in rat lung.Am J Physiol,1996；270(14)：1115
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13，Ingbar,Hepler.γ-glutanxyl transpeptidase is a polarized alveolar epithelial menlbrane protein.Am J Physiol,1995；269(13)：L261
14，Du XX, Williams DA.Interleukin-11:a multifunctional growth factor derived from the hematopoietic microenvironmemt.Blood,1994；83：2023
15，Waxman AB,Einarsson O,Seres T,et al.Targeted lung expression of interleukin-ll enhancs murine tolerance of 100% oxygen and diminishes hyperoxia-induced DNA fragmentation.J Clin Invest,1998；101：1970
16，Du X,Q Liu,Z Yang,et al.Protective effects of interleukin-ll in a murine model of ischemic bowel necrosis.Am J Physiol,1997；272：G454
收稿2000-01-13
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