全氟化碳乳剂对肺缺血再灌注损伤的保护机制及其研究进展
发表时间：2011-12-30 浏览次数：816次
作者：何开明 综述,戴天阳 审校 作者单位：四川，泸州医学院附属医院胸心外科(何开明、戴天阳)
【摘要】肺缺血再灌注损伤(LIRI)存在于心脏手术、胸外科手术术后以及出血性休克的过程中尤其在肺移植手术术后，其对患者的恢复存在极大的影响;全氟化碳乳剂(Perfluorocarbon emulsion，PFCF)通过其具有较高的携O2及CO2的能力及高比重的特性，扩张肺泡、调节肺通气/血流比、改善肺气体交换、抗炎等作用保护肺功能;本文就PFCF的性质及其在肺缺血再灌注损伤中的应用进行综述。
【关键词】 肺缺血再灌注损伤,全氟化碳乳剂
肺缺血再灌注损伤(lung Ischemia-reperfusion injury，LIRI)是指肺脏在经历一定时间的缺血后恢复其血流供应，出现缺血性损伤进一步加重的病理现象，它是心肺手术，尤其是临床肺移植术中的一大亟待解决的难题，而随着体外循环的应用，术后肺功能障碍更是常见，甚至导致患者术后生命危险。全氟化碳乳剂(Perfluorocarbon emulsion，PFCE)被称为“人造全血”，它由不溶于水、无色无味的全氟化碳原液通过乳化后制成可溶水的乳白色制剂。由于全氟化碳具有较高携带氧和二氧化碳的能力，以及在肺缺血再灌注损伤时对肺特有的保护作用，逐渐成为肺保护的研究热点。近年来国内外从不同角度使用全氟化碳对急性肺损伤做了大量研究，本文就全氟化碳乳剂在肺缺血再灌注损伤中保护机制及其研究进展作一综述。
1 概 述
在1966年Clark在无意中发现掉入全氟化碳中的小鼠存活下来，从而揭开全氟化碳在医学领域的应用序幕。全氟化碳(Perfluorocarbon PFC)是一类碳氢化合物，其无色无味不溶于水和血液，直接注射会导致肺栓塞，须制成全氟化碳乳剂(PFCE)后方可静脉注射。国外研究PFCE的主要目的是作为“人造全血”来使用，自1979年PFCE应用于临床以来，至今全世界已有数千例病人接受“人造全血”的输注。也有将PFCE用于治疗缺血性疾病(心肌缺血、脑缺血、脑梗塞等)的报道[1]，其主要目的是改善缺血病灶部位的氧供。乳化后的全氟化碳可以通过静脉输注使其在血液中具有较高浓度。PFCF携带氧和二氧化碳的能力、物理屏障作用、抗炎机制等特性是其应用在肺缺血再灌注损伤中主要的保护机制。
2 全氟化碳乳剂在肺缺血再灌注损伤主要保护机制
2.1 全氟化碳的物理作用
全氟化碳是将碳氢化合物中氢原子被氟原子取代后形成的一类有机化合物。其低表面张力和高密度能够使塌陷的肺泡扩展，使血液重新分配，改善肺的通气/血流比例。Rudiger等[2]发现PFC能够促进肺泡II型上皮细胞分泌表面活性物质从而促进肺的通气。由于全氟化碳具有高密度不溶于水、散布系数高等特性，经乳化后的全氟化碳能够通过血液系统直接到达肺循环，并通过弥散作用到达肺血管内皮细胞、肺泡上皮细胞等，形成了一个物理屏障屏蔽了各种炎性介质、炎性细胞、氧自由基等对靶细胞的接触[3]，起到了对肺的抗炎保护作用。
Obraztsov等[4]发现全氟化碳能够通过潜入细胞膜的脂质双分子层，改变细胞膜表面的分子构象和功能，从而干扰细胞的信号传导对细胞起到特异性膜稳定作用。同时Koch等[5]推测嵌入的全氟化碳改变了细胞的脂质成分和蛋白的特性，从而干扰细胞表面受体功能或信号传导，如改变细胞膜的离子通透性或细胞骨架结构等。樊毫军等[6]通过使用全氟化碳乳剂在大鼠急性肺损伤时肺内水通道蛋白1(AQP1)的试验研究发现全氟化碳可降低内毒素，刺激单核细胞和肺泡巨噬细胞后释放促炎性细胞因子，上调AQP1的表达。同时全氟化碳的高弥散性，能够嵌入细胞脂质双分子层，减轻了细胞钙离子超载。PFCF可能改变了细胞膜的脂质成分和蛋白的特性[7,8]，从而减轻了缺血再灌注时肺组织的损伤。
细胞在时间和空间上有序的增殖、分化，协调它们代谢、功能及凋亡等是通过细胞间数百种信号物质转导实现的。细胞跨膜信号传导大致分为G蛋白偶联受体介导的信号转导、离子通道受体介导的信号转导及酶偶联受体介导的信号转导三类。在细胞脂质双分子层中含有大量离子泵，是无机离子进出细胞的通道。当发生LIRI时细胞中的ATP含量减少，导致离子泵活性减低，离子转流异常，使细胞内高钙细胞外高钠。细胞内钙离子浓度升高激活一系列钙依赖性的降解酶，如激活Ca2+依赖酸性磷脂酶C和磷脂酶A2，促进膜磷酯和肺表面活性物质分解;同时激活Ca2+依赖性蛋白酶，破坏细胞骨架与细胞膜结构的完整性，加速黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，促进氧自由基的生成，从而诱导细胞凋亡或死亡;细胞表面含有酪氨酸激酶受体，它是贯穿脂质双分子层的膜蛋白，结构很简单，一般只有一个跨膜α螺旋，它在膜外侧有配体的结合位点，而伸入胞质的一端具有酪氨酸激酶的结构域。在LIRI时产生大量的细胞因子、脂质介质等均可导致胞质侧酶活性部位活化或导致对胞质酪氨酸激酶的结合和激活，从而促进细胞凋亡的发生，尤其是在IR后2h由于酪氨酸激酶激活而诱发细胞凋亡迅速增加[9]。Fernandez等[10]发现全氟化碳能使细胞质内总的酪氨酸磷酸化水平、Sky磷酸化水平下降。
PFC具有良好的呼吸气体运载能力。PFC是良好的氧和二氧化碳载体，对氧和二氧化碳溶解度很高(PFC中氧气的溶解度是水是20～25倍、血液的2倍，二氧化碳的溶解度的氧气的3倍)[11]。在肺缺血再灌注损伤时全氟化碳乳剂可以充分溶解氧带出二氧化碳，在一定程度上避免了因缺氧或二氧化碳储留造成的机体损伤。
全氟化碳乳剂可以提高肺顺应性。输注NPE可提高肺顺应性与其低表面张力的性质直接相关，PFCF经静脉输注后可均匀涂布于支气管和肺泡的内层形成PFCF薄层，PFCF薄层在肺泡的气液界面发挥表面活性物质样作用[3]，能降低肺泡表面张力，复张萎陷的肺泡，提高肺顺应性。此外，体外实验已证实肺泡Ⅱ型上皮细胞能吞噬PFC，并能促使表面活性物质分泌增加[2]，这也进一步提高了肺顺应性。
2.2 全氟化碳乳剂的生物学效应
关于PFCF抗炎的分子机制尚未完全阐明。目前认为有两种机制，即物理屏障作用和细胞生物学作用。前者被认为是PFCF的弥撒作用使其在细胞表面形成一层保护膜[12]，从而避免致炎因子对细胞的损伤。而后者被认为具有广泛而重要的作用。
(1)减少PMN肺内聚集和活化，抑制细胞凋亡。细胞的凋亡即细胞程序性死亡，它是一个非常复杂而严格的过程，受胱天蛋白酶、调节蛋白Bcl2家族、RB基因、P53、C-myc等调控。细胞凋亡的信号转导途径有2条：一是死亡受体途径;二是凋亡线粒体途径。当低氧、炎症、创伤等均可影响以上两途径而导致细胞凋亡的发生。在发生PIRI时由于肺组织缺血、低氧、机械损伤等触发凋亡的发生。某些研究发现肺细胞凋亡主要发生在缺血再灌注期(尤其在再灌注2h最高)[13]，其主要机制可能是因为细胞凋亡是一个能量依赖的细胞程序化死亡过程，造成IL-8等抗炎介质水平的增高，从而对肺泡上皮细胞凋亡的影响增大。目前，对于PIRI发生细胞凋亡的影响因素及其相互关系地位有待进一步研究。PMN是PIRI损伤时的主要效应细胞之一。PMN被各种致炎因子激活后可在肺内大量聚集并活化，释放氧自由基、蛋白溶解酶和脂质介质导致肺泡毛细血管膜损伤。其有关分子机制研究表明，PFCF可通过降低PMN细胞内Syk酪氨酸磷酸化水平，减轻PMN的趋化反应而减少PMN肺内聚集[8]。Gale和Gorman等研究发现全氟溴烷能够明显抑制PMN的激活和趋化移动性[13]。
(2)PFCF在PIRI损伤时还可抑制氧自由基、脂质介质的释放等。自由基化学上也称“游离基”，含有一个不成对电子的原子团。由于原子形成分子时，化学键中电子必须成对出现，因此自由基就到处夺取其他物质的一个电子，使自己形成稳定的物质，导致线粒体DNA突变，诱导细胞凋亡，导致蛋白质合成减少。活性氧基团(reactive oxygen species，Ros) 是最常见的一种自由基，它是一类化学性质较基态氧活泼的含氧物质，包括羟自由基、超氧阴离子、单线态氧等，具有强烈的氧化作用。氧自由基与细胞各种成分反应，导致膜脂质过氧化增强，蛋自质合成以及线粒体DNA突变等损伤，在LIRI时肺组织上皮细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、肺泡巨噬细胞等均发现氧自由基。在PIRI损伤过程中，氧自由基可通过多种途径被激发产生，主要包括黄嘌呤氧化酶增多、中性粒细胞呼吸暴发及线粒体氧化磷酸化功能障碍[8]。氧自由基可与各种细胞成分，如膜磷脂、蛋白质、核酸等发生反应，造成细胞结构损伤和功能代谢障碍，诱导血管内皮细胞膜的损伤，导致血管内皮细胞水肿，毛细血管堵塞。同时氧自由基还可以促进炎性细胞聚集，触发大量炎症因子释放造成肺实质细胞通透性增加、肿胀等从而促进细胞凋亡的发生，导致肺组织结构损伤和功能代谢异常。Rotta等[15]发现全氟化碳能刺激细胞内抗氧化机制，从而减轻氧化应激损伤，或通过增强细胞的完整性和变形能力而减轻气道上皮的高氧损害。Polani[16]等研究发现细胞在氧化应激损伤时IL-8等水平上升，加入全氟化碳后细胞形态学得到改善，其机制可能是PFCF刺激了细胞内抗氧化机制，减轻了氧化应激损伤。
(3)PFCF能下调TNF-a、IL-1B的表达，减轻促炎反应。在LIRI损伤中由于缺血、缺氧、损伤等因素使PMN大量激活、聚集肺微血管，可造成再灌注早期的“无复流”，并使血管内皮细胞、肺泡上皮细胞等释放氧自由基、TNF-α、IL等促进了细胞凋亡而导致肺再灌注损伤[17]。细胞因子致炎性细胞聚集活化研究显示某些细胞因子TNF-α、IL等可使肺泡中中性粒细胞(PMN)的聚集和激活在肺缺血再灌注损伤的发生与发展中起到重要的作用[18]。Chang等[11]研究了FC77干预脂多糖激活RAW264.7细胞释放前炎症因子的途径，结果表明FC77能通过抑制NF-kB的活化而降低脂多糖诱导TNF-α、IL-1β、IL-6的生成。Wissel[19]等发现PF5080能显著降低肺泡Ⅱ型上皮细胞在LIRI时产生的TNF-а、巨噬细胞炎性蛋白等的产生。
综上所述，肺的缺血再灌注损伤是异体肺移植、原位肺移植、肺动脉袖式成形等术后肺功能障碍的重要原因，如何预防或控制肺缺血再灌注损伤成为研究热点。全氟化碳乳剂被称为人造全血，早在上世纪八十年代已应用于III期临床试验，因其生物学和非生物学效应目前主要应用于雾化吸入方式改善肺功能。通过乳化后的全氟化碳能够静脉输注，解决了静脉栓塞的问题，同时提高了药物血液浓度，它高携带氧、因扩散作用形成物理屏障及抗炎作用等可在一定程度上缓解肺缺血再灌注损伤。目前，对于全氟化碳乳剂对LIRI损伤作用机制还有待进一步研究。
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