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急性肺損傷(acutelunginjury,ALI)與急性呼吸窘迫綜合征(acuterespiratorydistressyndrome,ARDS)是由嚴重感染、創(chuàng)傷、休克和誤吸等多種原因導致的急性肺部損傷。主要病理生理改變?yōu)閺浡浴⒎蔷鶆蛐缘姆闻荨⒎闻菝氀苣p傷,肺泡腔內(nèi)富含蛋白質的炎性滲出,導致的肺水腫以及肺內(nèi)微血栓形成,臨床表現(xiàn)為呼吸窘迫和頑固低氧血癥的綜合征。炎性細胞、炎性介質及相聯(lián)系的細胞信號傳導通路,與急性肺損傷密切相關。水通道蛋白(aquaporin,AQP)是一種只負責轉運水,而不允許其他的溶質和分子通過,在肺泡液體的吸收中有重要作用的跨膜蛋白,作為肺泡Ⅰ型上皮細胞分化的標志,該通道的功能至少參與水轉運,參與腺體分泌,參與氣道高反應性等。
同時,我們能在與功能相對應的文獻中查閱到在多種類型的急性肺損傷中:內(nèi)毒素導致急性肺損傷、病毒感染導致急性肺損傷、高氧導致肺損傷、以及AQPS對呼吸道氣道表面液體(airwaysurfaceliquid,ASL)的作用和調(diào)節(jié)上,都與AQP5有重要作用。
水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)使ALI的研究躍入了一個全新的階段,它的發(fā)現(xiàn)使我們能夠在分子水平認識ALI發(fā)生、發(fā)展的全過程。但目前主要是應用轉基因小鼠對AQPS進行功能研究,而轉基因小鼠可能產(chǎn)生器官功能補償改變及種系差異。并且對肺水通道的認識基本上是實驗性研究,對于肺AQPs在肺內(nèi)分布、調(diào)節(jié)、生理和病理狀態(tài)下的作用都還有待進一步探索。但我們相信隨著AQP的深入研究,逐漸對AQP在肺生理、病理狀態(tài)下的作用,AQP與相關肺部疾病的發(fā)病機制取得了進一步認識,可以預測利用AQP阻滯劑和水通道蛋白基因置換將在急性肺損傷以及肺疾病的治療中發(fā)揮重要作用。
現(xiàn)將急性肺損傷和肺AQP5的研究進展闡述如下:
1.急性肺損傷研究
(1)炎性細胞及炎性介質
炎性細胞主要包括多形核白細胞(PMN)、單核巨噬細胞和血管內(nèi)皮細胞等,被激活后釋放出多種介質,這些炎性介質形成“瀑布”效應參與肺損傷的整個病理過程。形成的炎性介質主要包括:①脂類介質:如花生四烯酸代謝產(chǎn)物(前列腺素、白三烯)、血小板活化因子(PAF);②活性氧:有超氧離子(O2-)、過氧化氫(H2O2)等;③肽類物質:有PMNs/AMs蛋白酶、補體底物、參與凝血與纖溶過程的各種成分、細胞因子等。
在參與ARDS發(fā)病的眾多炎性介質中,最有影響的是腫瘤壞死因子(TNF)和白細胞介素(IL)。研究表明TNF-a能誘導內(nèi)皮細胞活化、白細胞遷移、粒細胞脫顆粒和毛細血管滲漏等。更重要的是TNF-a還是炎性反應級聯(lián)中至關重要的始動因子。在致炎的IL中,IL-1、IL-6和IL-8在ARDS的發(fā)病中起十分重要的作用,分別具有誘導PMN等炎性細胞趨化、釋放炎性介質及致熱原作用等。抗炎性ILs(如IL-4、IL-10和IL-13)在機體急性炎性反應中具有正向保護作用,而在ARDS時這種保護機制被明顯削弱是發(fā)病的另一重要因素。
(2)細胞信號轉導通路
上述炎性細胞和炎性介質構成了ALI/ARDS炎性反應和免疫調(diào)節(jié)“細胞網(wǎng)絡”和“細胞因子網(wǎng)絡”。其通過不同的信號轉導途徑,調(diào)控著機體的炎性反應。新近研究發(fā)現(xiàn)一些細胞信號轉導通路與ARDS發(fā)病密切相關,如Toll樣受體(To11likereceptor,TLRs)、G蛋白、腎上腺素受體、核轉錄因子KB(NF-KB)、各種蛋白激酶家族(MAPK等)、JAR激酶,信號轉導、轉錄激活子(JAK/STAT)等,特別是TLRs(尤其是TLR4、TLR2),在機體的免疫應答和防御過程中可能起十分重要的作用,但其在ARDS發(fā)病中的確切機制有待進一步闡明。
2.AQP5的結構與功能
水通道蛋白(AQP)是近年來發(fā)現(xiàn)的一種能介導大量水分子順滲透壓梯度跨細胞膜轉運,促進細胞膜水通透性增加的跨膜蛋白,并且只負責轉運水,而不允許其他的溶質和分子通過,在肺泡液體的吸收中有重要作用。
目前發(fā)現(xiàn)分布于肺組織中的水通道蛋白至少有6種(AQP-1、AQP-3、AQP4、AQP-5、AQP-8、AQP9),AQP5蛋白由265個氨基酸組成,分子量為27kD。該蛋白前后兩部分氨基酸序列相似,呈串聯(lián)樣排列,氨基端和羧基端均位于細胞內(nèi)。其中A,C,E環(huán)位于細胞外,B,F環(huán)在胞漿中,B環(huán)和E環(huán)處于相對位置并顯著疏水,B環(huán)和E環(huán)在NPA處向細胞膜內(nèi)凹陷折疊成一個單孔通道,最窄處直徑為0.3nm,與一個單水分子大小相當,整個蛋白呈“沙漏樣”結構鑲嵌在細胞膜上。
作為肺泡Ⅰ型上皮細胞分化的標志,該通道的功能至少參與水轉運,參與腺體分泌,參與氣道高反應性等。
3.相關性研究
(1)內(nèi)毒素導致急性肺損傷
焦光宇等發(fā)現(xiàn)AQP5的表達均明顯降低,但表達部位沒有改變;4-48h肺泡Ⅰ型上皮細胞AQP5表達明顯下降,24h以后未見恢復;謝艷萍等發(fā)現(xiàn)AQP1、5表達下調(diào),肺泡-毛細血管間水轉運障礙,導致液體在泡腔、肺間質的積聚,從而使肺泡腔、肺間質水腫加重,推測AQP1、5參與了肺水腫時液體的異常轉運。
(2)病毒感染導致急性肺損傷
Towne發(fā)現(xiàn),小鼠在腺病毒感染后第7天和第14天,AQP1和AQP5均下降。但在第14天時AQP1下降較第7天時少。表明AQP1正在恢復,同時與炎性反應的減輕相一致。此外免疫組化顯示,AQP1和AQP5的下降不是僅局限于肺部感染部位,而是見于全肺,顯示AQPS與肺部感染、水腫有關,AQPS參與肺部感染時異常液體流動。
(3)高氧導致肺損傷
病理生理是一個組織彌散性肺泡炎和損傷后修復重建的復雜過程,但其肺損傷早期特征性改變是肺泡炎性水腫。譚利平等發(fā)現(xiàn)在氧毒性大鼠實驗,肺AQP1在肺水腫時表達下調(diào)。而AQP5在肺水腫形成過程中不同時間表達上調(diào)或下調(diào)。推測AQP1、AQP5在急性肺損傷時水的清除中起調(diào)節(jié)作用,且AQP1和AQP5的作用環(huán)節(jié)不完全一致;岳冬梅等發(fā)現(xiàn)肺損傷后AQP5表達下調(diào)與肺泡上皮液體轉運功能降低有關,提示可能是導致肺泡水腫形成的重要因素之一。
(4)AQPS對呼吸道氣道表面液體(airwaysurfaceliquid,ASL)的作用和調(diào)節(jié)
Song等的研究,該研究結果表明AQP4和AQP5定位于小鼠鼻咽部和上呼吸道黏膜下腺漿液性上皮細胞的基底側面和內(nèi)膜面,測定AQP4和AQP5基因剔除小鼠黏膜下腺的液體分泌量和成分,表明AQP5在黏膜下腺液體分泌中有重要作用。AQP5是一道黏膜下腺液體分泌限制性屏障。調(diào)節(jié)AQP5的活性,可改變肺囊性纖維化和其他肺部疾患腺體分泌。
4.前景
水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)使ALI的研究躍入了一個全新的階段,它的發(fā)現(xiàn)使我們能夠在分子水平認識ALI發(fā)生、發(fā)展的全過程。但目前主要是應用轉基因小鼠對AQPS進行功能研究,而轉基因小鼠可能產(chǎn)生器官功能補償改變及種系差異。并且對肺水通道的認識基本上是實驗性研究,對于肺AQPs在肺內(nèi)分布、調(diào)節(jié)、生理和病理狀態(tài)下的作用都還有待進一步探索。但我們相信隨著AQP的深入研究,逐漸對AQP在肺生理、病理狀態(tài)下的作用,AQP與相關肺部疾病的發(fā)病機制取得了進一步認識,可以預測利用AQP阻滯劑和水通道蛋白基因置換將在急性肺損傷以及肺疾病的治療中發(fā)揮重要作用。