方兴君,曲良超

(南昌大学a.研究生院医学部2021级; b.第一附属医院麻醉与疼痛医学中心,南昌 330006)

围术期急性肺损伤(perioperative acute lung injury,PALI)可发生在一些大手术后,如心脏、胸腔或血管手术等。尽管发生肺损伤类型以及肺损伤程度有所不同,但肺部并发症对临床结局却有显著影响[1-2]。与急性肺损伤(acute lung injury,ALI)和(或)急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)相关的呼吸衰竭是导致围术期死亡的最重要因素之一[3]。

目前在治疗PALI方面取得了明显进步,但PALI的发生率仍较高。在大手术中,术后ALI发生率为2%～5%[4]。术后ALI的发生在不同手术类型中有所不同,从开胸肺切除术后2%～4%到心脏手术后1%～5%[1]。ALI在过去十年中其死亡率逐渐下降,但它仍然是危重症患者最重要的死亡原因之一[3]。因此,探讨PALI发生的原因及机制,寻找多模式肺保护策略对预防PALI具有重要意义。本文将从免疫功能失调和炎症反应相互作用讨论PALI的可能机制,并探讨神经免疫抗炎通路—胆碱能抗炎通路对预防和治疗PALI的作用。

1 PALI的发病机制

PALI与手术大小、部位以及方式均有一定关系。据报道[5],骨科和盆腔手术的患者在围手术期发生ALI的风险最小,胸外科和腹部手术的风险较高。在无显著危险因素的患者中,胸腹手术ALI发生率为1.3%～4%,呼吸衰竭发生率为1.2%～2.3%,其中肺叶切除术和全肺切除术围手术期ALI发生率为2.8%～5%;心脏和主动脉手术围手术期ALI发生率约为5%[6-7]。然而,在高危手术中,这一发生率可增加至28%～35%[8]。食管切除术与ALI的高发病率相关,据报道[9-10]食管切除术ALI发生率为16%～41%。

尽管PALI的病因不同,但大多数人体研究和ALI动物模型实验[11-14]显示了类似的组织学和生化临床变化。PALI的细胞特征包括肺泡-毛细血管膜完整性的丧失、过度的经上皮中性粒细胞迁移和促炎、细胞毒性介质的释放。最重要的是肺血管完整性的早期丧失,使得富含蛋白质的液体流入间质间隙,然后进入肺泡[11]。中性粒细胞浸润是血管完整性丧失的共同途径。当损伤发生时,中性粒细胞在肺微血管系统中积累,并被激活释放,这导致了血管通透性的增加[12]。动物模型实验[13-14]显示,中性粒细胞的消耗可以防止ALI的发展,虽然这可能会作为一种治疗ALI的方法,但由于中性粒细胞在先天免疫中发挥重要作用,中性粒细胞的消耗可能会使患者暴露于不受控制的细菌感染中。因此,了解ALI的发病机制很重要,这可能为目前和未来ALI的治疗提供必要的方法和依据。

2 免疫功能失调加重PALI

肺先天免疫系统在ALI的发病机制中起着非常重要的作用[15]。肺上皮细胞被广泛认为是肺部的第一道防线,负责协调损伤的先天免疫反应和随后的修复[16]。而肺部的先天免疫反应又是抵抗呼吸道病原体的第一道防线,通过吞噬细胞和上皮细胞表达的模式识别受体(pattern recognition receptors,PRR)识别入侵的病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)和细胞损伤相关分子模式(damage-related molecular patterns,DAMP)[17],启动趋化因子及促炎与抗炎细胞因子的产生,这些细胞因子充当跨膜和细胞内受体,可能会导致急性或慢性炎症反应[18],形成较慢的淋巴细胞介导的适应性免疫反应。PRR识别DAMP会促进无菌炎症,导致多种炎症性疾病的发展[19]。Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)是PRR中最主要的先天免疫细胞,可识别PAMP,促发I型干扰素和细胞因子的产生,以对抗感染[20],而TLR4过度激活会导致延长或过度的先天免疫反应,从而导致包括ALI/ARDS在内的多个器官损伤甚至死亡[21]。

3 炎症反应加重PALI

炎症细胞(包括中性粒细胞、巨噬细胞、内皮细胞和肥大细胞)及其释放的炎症介质引起肺微血管通透性增加、间质和肺泡水肿、肺不张和透明膜形成,从而导致ALI[22]。其特征是促炎介质过度产生、炎症细胞浸润和肺泡上皮细胞凋亡[23]。巨噬细胞通过产生炎症介质和趋化因子参与肺部炎症的发生和发展[24],如在LPS诱导的ALI小鼠模型中,发现细胞因子TNF-α、IL-1β和高迁移率组蛋白1(high-mobility group box 1 protein,HMGB1)的产生[25]。TNF-α和IL-1β是引发ALI的重要炎症介质,HMGB1是一种高度保守的蛋白质,与炎症的发病机制有关,并在LPS刺激时作为促炎介质[25]。在ALI早期阶段,中性粒细胞募集到受损和炎症部位[26],随着活性氧、细胞毒性分子和细胞中各种蛋白酶的释放,引起正反馈和炎症增强,从而导致肺泡内皮和上皮损伤[27]。在LPS[28]、输血相关急性肺损伤[29]、补体激活[30]和呼吸机[31]引起的肺损伤模型中,任何减少肺中性粒细胞的策略都会导致肺损伤得到改善。ALI过程中,大量的炎性因子释放,释放的炎性因子又可以激活NF-κB炎性通路,通过一系列信号传导,导致炎症反应级联放大[32],引起失控性释放大量炎性因子,进一步加重ALI。

4 免疫功能失调与炎症反应的相互作用加重PALI

PALI的核心概念之一是炎症反应不平衡加重肺内皮或上皮损伤。在脓毒症引发的ALI中,免疫细胞通过TLR识别PAMP,加大“细胞因子风暴”,从而加重炎症反应并损害组织功能[33]。如TRL3在树突状细胞、胎盘和胰腺中高度表达,通过TRIF途径激活NF-κB[34],TLR7则激活骨髓分化初反应蛋白88(MyD88),随后激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)级联、NF-κB和其他通路,导致TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12表达增强,TLR8通过TLR7等下游途径激活MyD88通路[35],TLR4在对革兰氏阴性菌、LPS以及由病毒感染(包括SARS-CoV)诱导的氧化反应中起关键作用,并且与NF-κB和IRF3的激活相关[34]。所有这些因素都会导致炎症反应过度激活,加重ALI[36]。先天免疫细胞对DAMP、PAMP的识别除涉及TLR外,还包括多种编码受体,如NOD样受体、视黄酸诱导基因Ⅰ-样受体、C型凝集素受体和多种细胞内DNA传感器表达,这会诱导促炎免疫反应,产生不同的细胞因子、趋化因子、干扰素和其他分子,包括活性氧或氮。HMGB1作为DAMPs之一可以促进NOD样受体3的激活和caspase-1的激活,从而正反馈增强巨噬细胞焦亡,加重炎症反应,导致ALI恶化[37]。因此,在ALI/ARDS中,先天免疫反应失调与过度炎症反应产生正反馈,加重肺组织损伤[38]。

5 胆碱能抗炎通路在治疗PALI中的作用

胆碱能抗炎通路(cholinergic anti-inflammatory pathway,CAP)是一种依赖于自主神经系统的神经免疫调节通路,位于神经系统和免疫系统的交界处,可以通过刺激迷走神经抑制免疫细胞活化以防止促炎细胞因子的产生而减轻全身炎症反应[39-42]。这种抑制促炎细胞因子的释放作用是基于迷走神经递质乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)与存在于常驻巨噬细胞和其他免疫细胞上的a7烟碱型ACh受体(α7nicotinic acetylcholine receptor,a7n AChR)的结合而产生的[43]。内毒素血症、败血症、结肠炎、胰腺炎和缺血再灌注等疾病模型介导的细胞因子被证明可通过电刺激迷走神经或通过药理学方法激活CAP得到显著改善[44]。

CAP中最为重要器官是脾脏,而脾脏作为外周淋巴器官,通过其独特的组织参与先天性和适应性免疫[45]。支配脾脏的神经由起源于腹腔肠系膜上丛神经节的儿茶酚胺能神经纤维组成的脾神经提供[46-47]。其受到刺激可以产生去甲肾上腺素,CD4阳性T细胞在去甲肾上腺素的刺激下产生乙酰胆碱[48]。乙酰胆碱与巨噬细胞上的a7nAChR结合并抑制TNF-α的释放,从而抑制炎症反应[49]。在一项前瞻性随机实验中,迷走神经刺激和尼古丁给药均对脂多糖刺激导致的小鼠急性肺损伤具有保护作用,在减轻了肺部损伤的同时,还改善了全身炎症反应[50]。在肾脏缺血再灌注实验中,在肾脏IRI之前进行脾切除会通过促炎机制加剧肺损伤[45]。这表明脾脏可能是CAP发挥作用的关键靶点,并通过完整的迷走神经发挥抗炎效应。总之,CAP作为神经免疫和炎症反应的交叉通路在ALI治疗中具有重要的作用。胆碱能抗炎通路在PALI治疗中的作用示意图见图1。

图1 胆碱能抗炎通路在治疗PALI中的作用

6 结论

尽管目前在PALI治疗方面有了明显进步,但PALI仍然是危重症患者死亡的最重要原因。由于免疫反应和炎症反应之间的串扰,使人们开始探索通过抑制神经免疫调节通路来减轻全身炎症反应,从而预防PALI。值得庆幸的是,目前实验结果大多证明了这一方法的可行性。因此,通过CAP抑制全身炎症反应,切断免疫功能失调与炎症反应之间的正反馈成为未来预防和治疗PALI的重要方法。