腫瘤壞死因子對體外循環肺損傷與保護機制的研究進展

王鵬程 高銘鑫 于 洋

體外循環(cardiopulmonary bypass, CPB)是將人體靜脈血經人工管道引流體外至人工心肺機內，進行氧合和二氧化碳排出，再由血泵輸回體內動脈系統，從而在實施心臟直視手術時，維持全身組織器官血液供應，是心臟外科手術必不可少的生命支持技術。CPB是一種非生理性循環，對機體組織及器官有不同程度的損傷，肺臟是受到危害最大的靶器官[1]。盡管心臟手術后患者都會表現出肺功能不全，但與非體外循環下實施手術患者相比，CPB術后患者肺損傷程度顯著增加[2-3]。輕者表現為動脈氧合不足等亞臨床性損傷，重者可并發急性呼吸窘迫綜合癥，病死率近50%[4]。而目前對CPB肺保護的相關措施，如肺保護性通氣、左心減壓等常規保護[5]不能解除CPB肺損傷的誘發因素，從根本上減輕肺實質的損傷；CPB裝置改良[6]及藥物干預[7]等缺乏肺臟保護的特異性，臨床療效欠佳，一旦術后發生嚴重肺部并發癥，臨床醫生的救治往往顯得力不從心。因此，CPB相關肺損傷的發生機制及其防治是心臟外科亟待解決的臨床問題。

1.體外循環引起的炎癥反應和細胞凋亡導致肺損傷

CPB引起的系統性炎癥反應是導致術后肺損傷的首要因素，其主要原因是血液成分與人工CPB管道非生理性界面接觸和缺血再灌注損傷[8]。補體系統激活，腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF-α)、白介素6(interleukin-6, IL-6)等多種炎癥因子釋放，中性粒細胞等炎癥細胞聚集、氧自由基損傷及肺組織水腫等多種因素參與CPB引起的炎癥反應。此外，該炎癥反應可進一步引發肺組織細胞凋亡[9-10]，加重肺損傷。Huffmyer等[11]研究表明，在急性肺損傷中，肺臟炎癥反應引加重了肺泡II型上皮細胞和肺血管內皮細胞的凋亡。

2.腫瘤壞死因子在體外循環引起的細胞凋亡和炎性肺損傷中發揮關鍵作用

TNF-α是由單核細胞產生的有效力的多肽細胞因子，其在體液反應中有啟動和觸發作用[12]。CPB過程中，TNF-α的升高主要是由于肺源性TNF-α產生增多。目前研究認為，TNF-α與細胞凋亡關系密切[10,13]，其可通過NF-κB、MAPK等途徑誘導細胞凋亡。此外，TNF-α還通過中性粒細胞依賴性和非中性粒細胞依賴性機制導致血管通透性增加，促進中性粒細胞聚集，參與肺缺血再灌注損傷，誘發IL-6、IL-8等細胞因子的釋放等。因此，TNF-α在CPB引起的細胞凋亡和炎性肺損傷中占有中心地位。此外，Yang等[14]發現，肺動脈低溫灌注抗腫瘤壞死因子抗體(tumor necrosis factor-αantibody, TNF-αAb)可顯著減少肺泡上皮細胞凋亡，但何種信號通路參與CPB肺損傷尚不清楚。

3.信號通路絲裂原活化蛋白激酶調控體外循環肺損傷

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPK)廣泛存在于細胞漿中，是細胞內重要的信號傳遞者[15]，調控細胞內基因的轉錄和表達，在炎癥反應和細胞凋亡中起著至關重要的作用。MAPK家族的信號通路主要包括細胞外信號調節激酶1/2 (extracellular signal regulated protein kinase 1/2, ERK1/2)、p38絲裂原活化蛋白激酶 (p38MAPK)、JNK/SAPK和ERK5/BMK1四條途徑。近年研究發現，ERK1/2和P38 MAPK信號通路參與調控CPB相關肺損傷，而JNK/SAPK通路參與遲發性肺損傷[16]，ERK5/BMK1的對肺臟的作用機制尚不清楚。因此，ERK和P38 MAPK是本綜述主要討論的信號通路。

(1)活化的P38 MAPK通路引發炎癥級聯效應，加重CPB肺損傷 P38 MAPK信號通路主要參與應激條件下細胞的免疫調節、炎癥反應及細胞凋亡過程。缺血再灌注損傷及炎癥反應可激活P38 MAPK，在細胞核內通過磷酸化作用進一步激活多種炎癥轉錄因子，調節炎癥因子表達[17]。TNF-α是其主要調控因子[18]。同時，P38 MAPK可通過誘導Bax轉位、介導Fas/FasL途徑來調控細胞凋亡[19-20]。當炎癥反應激活P38 MAPK途徑，P38 MAPK途徑上調TNF-α轉錄因子，使TNF-α合成和釋放增加，增多的TNF-α與細胞膜TNF受體結合，進一步激活P38 MAPK，作用于下游底物，從而在肺內形成一個正反饋，逐級放大炎癥效應和細胞凋亡。

(2)活化的MAPK/ERK通路抑制細胞凋亡，減輕臟器損傷 細胞外信號調節激酶(ERK)是MAPK家族中的一個亞族，廣泛參與細胞增殖、分化、凋亡等多種生理病理過程，作為一個重要的第二信號轉導通路影響細胞的增殖。Dong等[21]報道，保護性給予心臟停跳供體一氧化碳吸入處理，檢測到激活的ERK，可減輕移植大鼠肺缺血再灌注損傷。Yang等[22]研究表明，缺血預處理大鼠腸上皮細胞可活化MAPK/ERK途徑，減輕腸細胞凋亡，對腸損傷有保護作用。這說明活化的MAPK/ERK通路可抑制細胞凋亡，減輕臟器損傷。

4.經氣管或肺動脈灌注抗腫瘤壞死因子抗體可以減輕體外循環肺損傷

新進的研究工作已經證實[14,23-25]：①CPB引起的炎癥反應和細胞凋亡導致了肺組織損傷，TNF-α在其中起關鍵作用；②Fas/FasL和Bax/Bcl-2途徑參與CPB相關肺組織細胞凋亡的發生；③經氣管或肺動脈灌注TNF-αAb可明顯減輕CBP相關炎性肺損傷和細胞凋亡；④發現經肺動脈低溫灌注TNF-αAb可從轉錄水平降低肺組織TNF-α表達。因此，可以從機制入手，利用抗體等拮抗TNF-α的同時，阻斷或減弱炎癥及凋亡的瀑布效應，達到肺保護的效果。

5.新近研究發現，腫瘤壞死因子預處理可發揮臟器保護作用[26]

新近研究發現，TNF-α不僅在機體免疫和炎癥反應中具有重要作用，而且參與細胞增殖、分化和凋亡的調控，甚至對組織器官發揮保護作用，這可能與其激活不同的受體和細胞信號通路有關。Feng等[27]研究表明，少量TNF-α預處理可以小鼠肝臟細胞，可以減輕肝臟細胞的缺血再灌注損傷。Parody等[28]研究發現，在給予小鼠致死劑量D-氨基半乳糖+TNF-α前0.5h，行TNF-α預處理，可延長小鼠存活時間。Roberts等[29]報道，用TNF-α預處理肝細胞，可激活MPAK/ERK通路，使轉化生長因子誘導的肝細胞凋亡減少50%，提示TNF-α預處理可抑制細胞凋亡。以上說明單純少量TNF-α作用于小鼠肝臟細胞及活體小鼠，不但沒有致壞死作用，反而具有保護作用。這進一步提示TNF-α可能只使無防御能力的細胞發生壞死，而TNF-α本身即能激活細胞的防御機制，且MAPK/ERK在其中發揮重要作用。

6.小結

心臟外科手術的順利進行離不開體外循環技術的有力支持，但體外循環過程中引起炎癥反應和細胞凋亡導致肺損傷影響著患者的術后生存率。新近研究表明，CPB引起的炎癥反應和細胞凋亡是導致肺損傷的重要原因，TNF-α在CPB引起肺損傷中發揮關鍵作用，而信號通路MAPK調控CPB肺損傷：活化的P38 MAPK通路引發炎癥級聯效應，加重CPB肺損傷；活化的MAPK/ERK通路抑制細胞凋亡，減輕臟器損傷。目前包括體外循環管路材料的改進和肺保護藥物的應用等措施都是在干預炎癥反應下游，總結以上TNF-α參與體外循環肺損傷與保護的機制，從發病機制入手，將治療關口前移，為體外循環肺保護提供新思路，相信可以取得更好的肺保護效果。