細胞因子和炎癥介質在急性呼吸窘迫綜合征發病機制中的作用

王海燕

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是由多種原發性疾病過程中發生的急性進行性缺氧性呼吸衰竭(respiratory failure)[1-2]，是急性肺損傷(acute lung injury, ALI)的嚴重階段，其特征性的病理生理表現為肺實質炎癥反應而導致的彌漫性肺泡上皮和肺微血管內皮的嚴重損傷。在美國每年估計約有190 000～200 000例ALI/ARDS成年患者，以及還有大量的ALI/ARDS兒童患者[3-7]。病死率約為30%，老年患者病死率可高達60%[5,8-9]。由于其ARDS發病機制錯綜復雜，所以迄今為止尚未完全明了，這也是臨床上難以對ARDS進行有效的早期預防和救治以降低病死率的主要原因之一。本文主要探討細胞因子和炎癥介質在ARDS發生中的作用，以期進一步闡明其發病機制。

一、ARDS的病原學

引起ARDS的病因很多[1]，就病原學而言，以細胞因子(cytokines, CKs)和炎癥介質為主要誘發因素之一。這些CKs和炎癥介質主要有白細胞介素-1(interleukins-1, IL-1)、IL-6、IL-8、IL-12和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)，目前將這五種因子稱為促炎細胞因子(proinflammatory cytokine, PIC)[10-12]。近年來有學者將IL-7和IL-15作為PIC，并將IL-15作為一種重要PIC[13-17]。此外，氧自由基(oxygen free radical, OFR)大量釋放，核因子-kappa B(nuclear factor-kappa B, NF-κB)被激活，以及在病變中受各類炎性因子的作用，如血小板活化因子(platelet activating factor, PAF)粒細胞-巨噬細胞集落實刺激因子(granulocyte-macrophage colonystimulating factor, GM-CSF)，轉化生長因子(transforming growth factor, TGF-β)，趨化因子(chemokines)，γ-干擾素(γ-interferon, γ-IFN)，單核細胞因子-1(monocyte factor-1)，細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)，花生四烯酸(arachidonic acid, AA)，前列環素(prostacyclin, PCI2)，前列腺素(prostaglandin, PG)等。

在CKs和炎癥介質作用下多形核白細胞(polymorphonuclear, PMN)的變形能力下降，使之更容易在趨化因子的作用下滯留于肺內并激活[18]。活化的PMN導致爆發釋放大量CKs和炎癥介質，而損傷肺泡上皮細胞(alveolar epithelial cells)，引起肺水腫和肺換氣功能障礙[19]。肺內巨噬細胞主要包括肺泡世噬細胞(alveolar macrophage, AM)、肺間質世噬細胞(pulmonary interstitial macrophage, PIM)肺血管巨噬細胞(pulmonary intervascular macrophage)和肺血管內皮細胞(pulmonary vascular endothelial cells, PVEC)、肺樹突狀細胞(pulmonary dendritic cells, PDC)等。這些巨噬細胞存在于不同部位，發揮其特有的功能，AM分布于肺泡腔，直接與空氣接觸，是肺組織的第一道防線，當受到炎癥或組織損傷刺激時，這些巨噬細胞能夠分泌100多種炎癥介質[20]。這些細胞和CKs、炎癥介質構成了ARDS炎癥反應和免疫調節的基礎，并通過不同的信號傳導途徑，調控著機體的免疫反應，并與炎癥反應失控有關，對ARDS的發病機制起關鍵性的作用。

二、ARDS與促炎細胞因子

1. TNF-α和IL-1β：TNF-α和IL-1β被認為是引起ARDS最重要的PIC之一，其來源于巨噬細胞，是多種CKs分泌IL-6的誘導物，是一種多功能PIC，可刺激內皮細胞產生內皮素及一氧化氮(nitric oxide, NO)[12]。TNF-α是引起休克的主要CKs之一，能促進PMN的吞噬能力，促進PMN脫顆粒和釋放溶酶體，產生大量脂質代謝產物，引起微血管血栓形成，加速ARDS的病情進展。IL-1β可激活PMN和上調白細胞和內皮細胞黏附分子。急性胰腺炎患者發病1 h在胰腺內和外周血中檢測到TNF-α，6 h左右迅速增高。ARDS患者肺泡灌洗液含有TNF-α和IL-1β，這兩種CKs水平隨著病情持續發展而增高。有研究經過綜合治療，TNF-α、IL-6和IL-8水平，ARDS組和對照組兩組治療前后有顯著性差異(P<0.05)[21]。

2. IL-6： IL-6在機體炎癥刺激下由各種細胞如單核細胞、巨噬細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、平滑肌細胞及腫瘤細胞系所釋放，是介導急性反應，刺激肝細胞合成急性反應蛋白(acute reactive protein, ARP)的主要CKs[10,20-22]。除腫瘤細胞系外，其他細胞在生理狀態下一般不表達IL-6，只有在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)、病毒、CKs、IL-1、TNF-α、INF刺激下才有高表達。在TNF-α作用下，NK-κB進一步促進IL-1α、IL-1β、IL-6和ICAM-1等一系列CKs表達而產生級聯效應，進而破壞毛細血管壁，形成惡性循環，肺部炎性物滲出，而發生ARDS。因而在ARDS患者肺部和血液中IL-6的含量均較高[23]。由于IL-6較為客觀地反映了肺組織局部損傷的程度，因此檢測外周血IL-6水平預測ARDS的嚴重程度。臨床上可根據血IL-6水平，大概判斷ARDS的預后。

3. IL-8： IL-8由PMN、淋巴細胞、上皮細胞、內皮細胞和AM產生，是PMN的活化和趨化因子，是肺部PMN定向游走的主要化學趨化因子。炎癥發生早期，IL-8可促使PMN迅速向炎癥區聚集，活化PMN中還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶和ALA2的功能，導致肺泡和肺間質水腫、肺順應性降低、功能殘氣量減少，在ARDS發生中起重要作用。同時，IL-8尚有抑制PMN凋亡、延長PMN壽命的作用。在ARDS患者中IL-8可使肺組織中大量的PMN聚集，并與PMN表面的特異性受體結合導致白細胞發生變形反應、脫顆粒、呼吸爆發，釋放蛋白溶解酶和活性氧，引起炎癥反應，而引發ARDS。ARD患者的IL-8水平較正常人顯著升高，檢測其水平能夠反映肺組織損傷及病變的嚴重程度[23-24]。

4. IL-12: IL-12是由活化的巨噬細胞、單核細胞、PDC等抗原呈遞細胞產生的一種PIC。它具有很強的免疫調節作用，IL-12可直接作用于中性粒細胞，使其吞噬、殺菌潛能增強，如促進T細胞和NK細胞產生IFN-γ，IFN-γ反饋使多種細胞產生大量IL-12，IL-12不僅誘導高水平的Th1反應，還可誘導Th2細胞介導的反應，使IL-10、IL-4產生增多。而IL-10、IL-4又可抑制IL-12受體的表達和IL-12的產生[25-26]。增強Th1的功能可增強細胞免疫，因而可作為固有免疫和適應性免疫的橋梁來調節免疫反應。

5. γ-IFN: γ-IFN是由CD4+、CD8+、CD25+、T細胞和自然殺傷(natural killer, NK)細胞產生的一種可調節細胞功能的小分子多肽，是T輔助I型細胞分泌的特征性細胞因子[27]。γ-IFN可介導許多與肺臟生理有關的促炎性反應，誘導巨噬細胞產生TNF-α、IL-1、IL-6和IL-8等，并具有擴大級聯反應[28]的作用；并具有選擇性的抗炎活性，可抑制巨噬細胞經LPS誘導后單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)和角朊細胞(keratinocytes, KC)等細胞因子的表達。γ-IFN還具有抑制肺纖維化的作用，γ-IFN可能通過降低β1型TGF-β1、纖維連接蛋白(fibroncetin, FN)等前纖維化因子達到調節失衡的T細胞亞群及減輕肺組織損傷。

三、ARDS與抗炎細胞因子

1. IL-4: IL-4由活化的Th2細胞、肥大細胞和嗜酸性粒細胞產生，主要作用是調節Th細胞分化為Th2型細胞。IL-4對巨噬細胞是一種強有力趨化劑，并能誘導B細胞產生IgG1和IgE，引起氣道高反應性(airway high reactivity)[29]。在機體受到LP刺激時，IL-4可通過促進IgE和IgC1的生成下調CD14的表達，并可抑制TNF-α、IL-1β、IL-6 mRNA的表達，還可降低LPS誘導轉錄因子(activatory protein 1, AP-1)的結合活性和NF-κB的轉錄活性，從而降低肺損傷的發生[23]。

2. IL-10: IL-10是Th2和B細胞產生。IL-10是抗炎CKs，可阻止炎癥介質引發的組織損傷[10,30]。IL-10可有效地抑制Th1細胞產生IL-2、IFN-γ、TNF-β等CKs。具有抑制T細胞分泌CKs，提高B淋巴細胞MHC-Ⅱ類抗原的表達及分化。在炎癥反應中，IL-10主要來源于單核巨噬細胞，可抑制巨噬細胞分泌TNF、IL-1、IL-6和趨化因子，抑制巨噬細胞對T細胞的輔助作用[31-32]。并能夠抑制NF-κB的活化，在轉錄水平抑制促炎因子的合成。另外，IL-10還可能是轉錄后的水平抑制單核巨噬細胞、中性粒細胞等產生多種促炎因子的產生，促進其他抗炎因子的產生，能更好地拮抗炎癥反應。

3. IL-13： IL-13主要由Th2型T輔助淋巴細胞、肥大細胞和B細胞產生，可抑制炎癥反應和感染，是一種多效應CKs。其調節巨噬細胞功能和減少炎癥因子產生的作用與IL-4相似。IL-13能調節單核巨噬細胞形態的變化，下調炎性CKs和趨化因子的合成，起著重要的炎性調節作用[33]。IL-13還可誘導和上調B細胞主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex, MHC)類抗原、CD23和CD72的表達及使B細胞產生IgE、IgM和IgG，并與IL-2協同刺激大顆粒細胞產生IFN-γ，因此在Th型細胞免疫中可能起著重要作用。并具有抑制CKs分泌的功能。

4. TGF-β： TGF-β是單核細胞、中性粒細胞及成纖維細胞的強有力的化學誘導物，減輕細胞的損傷，減輕肺泡炎，并能刺激組織修復[34]。此外，TGF-β還具有免疫抑制功能，并可抑制所有淋巴細胞的增殖，抑制細胞毒性T細胞、自然殺傷細胞、淋巴因子激活的殺傷細胞的功能，并抑制B細胞的分化，從而阻止免疫球蛋白的合成和巨噬細胞的抗原提呈作用。同時還具有拮抗CKs對所有免疫相關細胞的作用。在ARDS患者中，TGF-β在疾病后期顯著升高，在肺纖維化發展中起重要作用[32，34]。

5. GM-CSF： GM-CSF是固有的免疫重要因子，能夠促進中性粒細胞生長和釋放，而缺乏GM-CSF時則易于感染并發展為膿毒癥(sepsis)[36]。所以GM-CSF血漿水平降低與膿毒癥患者預后差相關。在膿毒癥或ARDS患者中，肺泡上皮細胞、巨噬細胞及血小板等釋放GM-CSF均會增加[37-38]。GM-CSF可顯著改善氧合，調節血和肺泡中性白細胞數量和功能，減少ARDS發生率[39-41]。

四、展望

CKs和炎癥介質在ARDS的發生發展機制有相關性，涉及失控性炎癥反應，以及抗炎癥反應、凝血/纖溶系統失調、細胞凋亡(apoptosis)、氧化應激(oxidative stress)、間充質干細胞(mesnchymal stemcells, MSCs)、水通道蛋白(aquaporin, AQP)、肺泡上皮鈉通道(epithelial sodium channels, ENaCs)、Na+-K+-ATP酶(sodium-potassium ATPace)和非選擇性陽離子通道(nonselective cation channels, NSCCs)、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)，胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)和胰島素樣生長因子結合蛋白-3(insulin-like growth factor binding protein-3, IGFBP-3)[42-43]。以及肺泡液體清除異常等多個系統及層面。實驗研究證明，在受傷肺泡修復區，相當多的再生Ⅱ型細胞源于表達α6β4-主細胞(αbβ4-expressing progenitor cells)[44]。目前認為ARDS是多種CKs和炎癥介質反應及相互作用的結果，PIC與抗炎細胞因子之間的動態平衡是影響ARDS預后的重要因素，并且作用于肺組織炎癥反應、組織再生修復的平衡全過程。CKs之間的相互作用極為復雜，且CKs之間并非是各自孤立的，而是相互聯系、相互影響并形成復雜的“細胞網絡”和“細胞因子網絡”。一但這些CKs之間的動態平衡被打破，則發生炎癥介質失控性釋放，導致肺組織及全身靶器官組織損傷，進而發生ARDS，嚴重者可發展成為多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfuction syndrome, MODS)。因此深入研究ARDS與CKs及炎癥介質之間的關系，及其抗炎反應和修復上皮細胞的屏障功能[45-46]，探討和闡明發病機制，才能為臨床提供更多的治療方法和手段。就ARDS的治療而言，目前公認的方法，除積極治療原發性疾病外，小潮氣量機械通氣作為ARDS的最佳策略[46]。

參 考 文 獻

1 馬李杰, 李王平, 金發光. 急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征發病機制的研究進展[J]. 中華肺部疾病雜志： 電子版, 2013, 6(1)： 65-68.

2 劉 濤, 任成山. 炎癥介質在急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征發病機制中的作用[J]. 中華肺部疾病雜志： 電子版, 2013, 6(3): 265-269.

3 施 卉, 任成山. 急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征基礎及臨床研究進展[J/CD]. 中華肺部疾病雜志： 電子版， 2013， 6(4)： 350-355.

4 Randolph AG. Management of acute lung injury and acute respiratory distress syndrome in children[J]. Crit Care Med, 2009, 37(8): 2448-2454.

5 Rubenfeld GD, Herridge MS. Epidemiology and outcomes of acute lung injury[J]. Chest, 2007, 131(2): 554-562.

6 Herridge MS, Tansey CM, Matté A,etal. Functional disability 5 years after acute respiratory distress syndrome[J]. N Engl J Med, 2011, 364(14): 1293-1304.

7 Li G, Malinchoc M, Cartin-Ceba R,etal. Eight-year trend of acute respiratory distress syndrome: a population-based study in Olmsted County, Minnesota[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2011,183(1): 59-66.

8 Liu KD, Glidden DV, Eisner MD,etal. Predictive and pathogenetic value of plasma biomarkers for acute kidney injury in patients with acute lung injury[J]. Crit Care Med, 2007, 35(12): 2755-2761.

9 Toy P, Gajic O, Bacchetti P,etal. Transfusion related acute lung injury: Incidence and risk factors[J]. Blood, 2012, 119(7): 1757-1767.

10 Bhatia M, Moochhala S. Role of inflammatory mediators in the pathophysiology of acute respiratory distress syndrome[J]. J Pathol, 2004, 202(2): 145-156.

11 Crimi E, Slutsky AS. Inflammation and the acute respiratory distress syndrome[J]. Best Pract Res Clin Anaesthesiol, 2004, 18(3): 477-492.

12 Olikowsky T, Wang ZQ, Dudhane A,etal. Two distinct path-ways of human macrophage differentiation are mediated bt interferon-r and interleukin-10[J]. Immunology, 1997, 91(1): 104-108.

13 Unsinger J, McGlynn M, Kasten KR, et al. IL-7 promotes T cell viability, trafficking, and functionality and improves survival in sepsis[J]. J Immunol, 2010, 184(7): 3768-3779.

14 Pellegrini M, Calzascia T, Toe JG, et al. IL-7 engages multiple mechanisms to overcome chronic viral infection and limit organ pathology[J]. Cell, 2011, 144(4): 601-603.

15 Sportes C, Hakim FT, Memon SA, et al. Administration of rhil-7 in humans incresases in vivo TCR repertoire diversity by preferential expansion of naive T cell subsets[J]. J Exp Med, 2008, 205(7): 1701-1714.

16 Inoue S, Unsinger J, Davis CG, et al. IL-15 prevents apoptosis, reverses innate and adaptive immune dysfunction, and improves survival in sepsis[J]. J Immunol, 2010, 184(3): 1401-1409.

17 Pereva PY, Lichy JH, Waldmann TA, et al. The role of interleukin-15 in inflammation and immune responses to infection: implications for its therapeutic use[J]. Microbes Infect, 2012, 14(3): 247-261.

18 Ishii Y. Acute lung injury/respiratory distress syndrome: progress in diagnosis and treatment topics. I: Pathogenesis and pathophysiology; 2. Etiology and epidemiology[J]. Nihon Naika Gakkai Zasshi, 2011, 100(6): 1522-1528.

19 Moraes TJ, Zurawska JH, Downey GP. Neutrophil granule contents in the pathogenesis of lung injury[J]. Curr Opin Hematol, 2006, 13(1): 21-27.

20 Beck-Schimmer B, Schwendener R, Pasch T, et al. Alveolar macrophages regulate neutrophil recruitment in endotoxin-induced lung injury[J]. Respir Res, 2005, 6: 61.

21 靳麗妍, 朱光發. 急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征與炎癥因子關系的研究[J]. 臨床肺科雜志, 2010, 15(7)： 1004-1005.

22 Parsons PE, Eisner MD, Thompson BT,etal. Lower tidal volume ventilation and plasma cytokine markers of inflammation in patients with acute lung injury, Crit Care Med, 2005, 33(1): 1-6.

23 Kurdowska A, Noble JM, Grant IS,etal. anti-interleukin-8 autoantibodies in patients at risk for aoute respiratory distress syndrome[J]. Crite Care Med, 2002, 30(10): 2335-2337.

24 石增立, 劉 鳳, 石 磊, 等. 油酸型急性呼吸窘迫綜合征大鼠血清及肺組織IL-4、IL-10、IL-12水平的變化[J]. 中國病理生理雜志, 2003, 19(7): 939-941.

25 Schroeder JE, Weiss YG, Mosheiff R. The current state in the evaluation and treatment of ARDS and SIRS[J]. Injury, 2009, 40 Suppl 4: S82-S89.

26 Pillay J, Hietbrink F, Koenderman L, et al. The systemic inflammatory response induced by trauma is reflected by multiple phenotypes of blood neutrophils[J]. Injury, 2007, 38(12): 1365-1372.

27 Baluk P, Yao LC, Feng J,etal. TNF-alpha drives remodeling of blood veasela and lymphatics in sustanied airwary inflammation in mice[J]. J Clin Invest, 2009, 119(10): 2954-2964.

28 Kimura MY, Hosokawa H, Yamashita M,etal. Regulation of T helper type 2 cell differentiation by murine schnurri-2[J]. J Exp Med, 2005, 201(3): 397-408.

29 Yeh FL, Shen HD, Fang RH. Deficient transforming growth factor beta and interleukin-10 responses contribute to the septic death of burned patients[J]. Burns, 2002, 28(7): 631-637.

30 Marcus BC, Wyble CW, Hynes KL,etal. Cytokine-induced increases in endothelial permeability after adhesion molecule expression[J]. Surgery, 1996, 120(2): 411-416.

31 Barnett CC, Moore EE, Moore FA,etal. Soluble intercellul-aradhesion Molecule-1 provokes polymorpho nuclear leukocytee lastase release by CD18[J]. Surgery, 1996, 120(2): 395-401.

32 Kellner J, Gamarra F, Welsch U,etal. IL-3 Ralpha 2 reverses the effects of IL13 and IL4 on bronchial reactivity and acetylcholine-induced Ca2+signaling[J]. Int Arch Allergy Immunol, 2007, 142(3): 199-210.

33 毛寶齡. 急性呼吸窘迫綜合征[M]//毛寶齡, 錢桂生. 呼吸衰竭. 第1版, 上海. 上海科學技術文獻出版社, 2005, 194-219.

34 Pittet JF, Griffiths MJ, Geiser T,etal. TGF-beta is a critical mediator of acute lung injury[J]. J Clin Invest, 2001, 107(12): 1537-1544.

35 Schefold JC. Immunostimulation using granulocyte-and granulocyte-macrophage colony stimulating factor in patients with sever sepsis and septic shock[J]. Crit Care, 2011, 15(2): 136.

36 Suratt BT, Eisner MD, Calfee CS,etal. Plasma granulocyte colony-stimulating factor levels correlate with clinical outcomes in patients with acute lung injury[J]. Crit Care Med, 2009, 37(4): 1322-1328.

37 Trapnell BC. A novel biomarker-guided immunomodulatory approach for the therapy of sepsis[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2009, 180(7): 585-586.

38 Trapnell BC, Whitsett JA. GM-CSF regulates pulmonary surfactant homeostasis and alveolar macrophage-mediated innate host defense[J]. Annu Rev Physiol, 2002, 64: 775-802.

39 Perry SE, Mostafa SM, Wenstone R,etal. Low plasma granulocyte-macrophage colony stimulating factor is an indicator of poor prognosis in sepsis[J]. Intensive Care Med, 2002, 28(7): 981-984.

40 Presneill JJ, Harris T, Stewart AG,etal. A randomized phase Ⅱ trial granulocyte-macrophage colony-stimulating factor therapy in severe sepsis with respiratory dysfunction[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 166(2): 138-143.

41 Lam CS, Chen MH, Lacey SM, et al. Circulating insulin-like growth factor-1 and its binding protein-3: Metabolic and genetic correlates in the community[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2010, 30(7): 1479-1484.

42 Ahasic AM, Zhai R, Su L, et al. IGF1 and IGFBP3 in the Acute Respiratory Distress Syndrome[J]. Eur J Endocrinol, 2012, 166(1): 121-129.

43 Chapman HA, Li X, Alexander JP,etal. Integrin alpha6beta4 identifies an adult distal lung epithelial population with regeneratie potential in mice[J]. J Clin Invest, 2011, 121(7): 2855-2862.

44 Islam MN, Das SR, Emin MT,etal. Mitochondrial transfer from bonemarrow-derived stromal cells to pulmonary alveoli protects against acute lung injury[J]. Nat Med, 2012, 18(5): 759-765.

45 Matthay MA, Ware LB, Zimmerman GA. The acute respiratory distress syndrome[J]. J Clin Invest, 2012, 122(8): 2731-2740.