氧化應(yīng)激反應(yīng)與新生兒支氣管肺發(fā)育不全的研究進展

焦 穎，劉巍巍，韓冬韌

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院新生兒科，北京 100026)

支氣管肺發(fā)育不全(bronchopulmonary dysplasia,BPD)是一種早產(chǎn)兒的慢性肺疾病，是嬰兒肺疾病的主要原因,也是早產(chǎn)兒的主要死亡原因。隨著產(chǎn)前激素的應(yīng)用，新生兒重癥監(jiān)護室管理質(zhì)量的改善和早產(chǎn)兒尤其是超早產(chǎn)兒存活數(shù)量的增加BPD在過去40多年經(jīng)歷了許多變遷[1]。最早在1967年底,挪威人通過對早產(chǎn)兒呼吸窘迫綜合征的臨床、影像和病理改變的觀察出版了描述BPD的文章[2]。BPD在早產(chǎn)兒、低出生體重兒和極低出生體重兒中的發(fā)生率高達25%～35%[3]。BPD可導(dǎo)致患兒住院頻次增加，死亡率升高，并且影響生長發(fā)育及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育。盡管目前醫(yī)學(xué)界針對新生兒呼吸衰竭的預(yù)防和治療已經(jīng)做出了很大改善及提高，但對BPD的成因及治療仍是兒科醫(yī)師需要攻克的一大難題，需要醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注[3]。

在新生兒時期有許多病因可以導(dǎo)致肺損傷，其中由于大量自由基的產(chǎn)生而誘發(fā)的氧化應(yīng)激反應(yīng)是導(dǎo)致肺損傷的主要原因，這一觀點已經(jīng)逐漸引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。許多因素可誘發(fā)體內(nèi)產(chǎn)生自由基，氧化應(yīng)激則發(fā)生在自由基的產(chǎn)生超過機體抗氧化防御能力時，這一過程在新生兒時期經(jīng)常出現(xiàn)[4]。新生兒不成熟的抗氧化系統(tǒng)，營養(yǎng)不良，氣道炎癥反應(yīng)以及所使用機械通氣的類型不當均可致氧化應(yīng)激增加，從而導(dǎo)致永久性的肺損傷[5]。現(xiàn)就炎癥等因素誘發(fā)氧化應(yīng)激的生物化學(xué)過程以及氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致BPD發(fā)生、發(fā)展的相關(guān)機制進行綜述。

1 炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)損傷的生物化學(xué)機制

炎癥反應(yīng)是誘發(fā)氧化應(yīng)激損傷的重要原因且常同時存在，因此炎癥導(dǎo)致的胎盤功能紊亂和絨毛膜羊膜炎在BPD的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用[6]。特異性和非特異性炎癥反應(yīng)對早產(chǎn)兒BPD發(fā)生、發(fā)展的影響已受到廣泛的關(guān)注和研究。在人類的免疫系統(tǒng)中，促炎癥和抗炎癥反應(yīng)以及細胞因子的產(chǎn)生是一個變化和復(fù)雜的動態(tài)平衡過程。有研究提出，在炎癥和氧化應(yīng)激損傷之間存在特殊的相互作用[7-8]。但這些相互作用的機制目前尚不十分清楚。當感染發(fā)生時促炎癥細胞因子(如腫瘤壞死因子、白細胞介素-1、白細胞介素-6、白細胞介素-8)釋放，機械通氣損傷引起的非特異性炎癥反應(yīng)也可以引起細胞因子的生成及釋放[7-8]。炎癥反應(yīng)引起氧化應(yīng)激損傷的主要機制是直接激活炎癥細胞，特別是粒細胞。

激活的炎癥細胞會釋放大量的氧化自由基和蛋白酶，導(dǎo)致內(nèi)皮細胞過氧化反應(yīng)的發(fā)生及損傷，增加血管的滲透性，從而導(dǎo)致肺間質(zhì)、肺泡和氣道的水腫。自由基中數(shù)量最多的是超氧化物陰離子，其在細菌殺傷反應(yīng)的第一階段生成，隨后其他自由基也大量產(chǎn)生，如由超氧化物歧化酶催化的過氧化氫離子，過度金屬酶催化的羥基自由基，過氧化物酶催化的次氯酸。這些物質(zhì)不僅可以殺傷細菌，也可以導(dǎo)致組織損傷，而且這些物質(zhì)也會增加血管的通透性，促進細胞因子透過，增加炎癥反應(yīng)和組織水腫。其結(jié)果是滲出的血漿細胞和炎癥細胞導(dǎo)致細胞外部的表面活性物質(zhì)合成障礙[9-10]。此外，促炎癥細胞因子中的部分細胞因子可以增加一氧化氮合酶的表達，一氧化氮合酶可以催化一氧化氮的合成。一氧化氮和超氧化自由基可以聯(lián)合形成過氧化硝酸鹽，這種物質(zhì)可以自發(fā)的分解形成其他有害的代謝產(chǎn)物，如羥基自由基、二氧化氮和二氧化氮陽離子[11]。

過氧化硝酸鹽是一種不穩(wěn)定的物質(zhì)，可以快速地與酪氨酸結(jié)合形成硝基酪氨酸。硝基酪氨酸已經(jīng)被作為慢性肺疾病中過氧化硝酸鹽存在的標志物。已證實在合并BPD的早產(chǎn)兒中，生后的第1個月中血漿3-硝基酪氨酸含量增多[12]。有研究顯示，肺內(nèi)富氧環(huán)境所致的非特異性炎癥反應(yīng)可以導(dǎo)致一氧化氮及其代謝產(chǎn)物等有毒物質(zhì)增加，這會進一步導(dǎo)致表面活性物質(zhì)失活[13-14]。另一方面，研究顯示，氣管內(nèi)分泌物中腫瘤壞死因子的含量在氣道炎癥反應(yīng)時增多，且與機械通氣使用的時間和BPD的發(fā)生率有關(guān)[15]。有呼吸窘迫的早產(chǎn)兒在小氣道中也會產(chǎn)生大量的白細胞介素-10，抗炎癥細胞因子的存在可預(yù)防BPD的發(fā)生、發(fā)展。相反，Jones等[16]在大部分早產(chǎn)兒氣道樣本中并沒有探測到白細胞介素-10的存在，因此早產(chǎn)兒氣道中抗炎癥反應(yīng)的作用機制仍需進一步研究。

Kemp等[17]的實驗很好地演示了炎癥對肺成熟影響的復(fù)雜性。在早產(chǎn)小羔羊的羊水中注射內(nèi)毒素，胎兒肺的炎癥反應(yīng)增強，臍帶血內(nèi)毒素劑量增加。其中白細胞介素-1a是胎兒肺部炎癥反應(yīng)的有效中介物。羊水中注射白細胞介素-1a會誘導(dǎo)氣道炎癥反應(yīng)，并且在支氣管肺泡中產(chǎn)生大量的單核細胞、粒細胞、淋巴細胞和白細胞介素-8蛋白。中性粒細胞產(chǎn)生的過氧化物因子導(dǎo)致了最初的肺損傷，而絨毛膜羊膜炎的存在則會導(dǎo)致肺組織進一步瓦解，肺損傷和修復(fù)同時存在時則促進BPD的發(fā)生、發(fā)展[17]。

微囊蛋白是一種通過多種信號通路調(diào)節(jié)肺損傷和重塑的調(diào)節(jié)器。已經(jīng)證實[16-17]，產(chǎn)前的絨毛膜羊膜炎和胎兒肺部炎癥反應(yīng)能降低微囊蛋白濃度，導(dǎo)致肺部損傷和重塑的失衡，從而促進BPD的發(fā)生。絨毛膜羊膜炎會改變胎兒先天的免疫系統(tǒng)，并且通過降低氣道中淋巴細胞的反應(yīng)能力導(dǎo)致后天的全身免疫系統(tǒng)和氣道反應(yīng)性改變，使機體的抗氧化防御機制減弱，從而影響肺部的成熟及增加BPD的發(fā)生率。此外，在生后肺部感染炎癥時，噬菌細胞在肺部調(diào)節(jié)抗微生物的作用是通過釋放溶菌酶素、過氧化物酶、蛋白酶、氧化自由基和一氧化氮來完成的。作為抵抗微生物入侵的重要防御手段，在呼吸爆發(fā)反應(yīng)過程中激活噬菌細胞和Ⅱ型肺泡細胞會產(chǎn)生大量的氧化自由基，從而導(dǎo)致肺損傷[18-19]。

由于特異性和非特異性炎癥反應(yīng)所致的氧化應(yīng)激反應(yīng)對肺部損傷的過程復(fù)雜，在不同的孕周會產(chǎn)生不同的細胞因子，肺部組織和表面活性物質(zhì)對不同的細胞因子有不同的反應(yīng)和結(jié)局，因此仍需要大量的研究進一步探討[20]。

2 氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致BPD發(fā)生、發(fā)展的相關(guān)機制

2.1氧化應(yīng)激導(dǎo)致BPD的機制 氧化應(yīng)激反應(yīng)與BPD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。由于早產(chǎn)兒肺組織中的脂肪和蛋白質(zhì)易受到氧化應(yīng)激反應(yīng)的破壞，因此早產(chǎn)兒更容易發(fā)展成BPD。這些不同的氧化應(yīng)激反應(yīng)過程在生后的前幾天最明顯。從肺損傷進展到BPD的過程是在生后的幾個小時至幾天中發(fā)生發(fā)展的，并且氧化應(yīng)激反應(yīng)在這一病理過程中起主導(dǎo)作用[21]。氧化應(yīng)激反應(yīng)會發(fā)生在所有生后的新生兒中，這是由于從宮內(nèi)的低氧環(huán)境過渡到宮外的高氧環(huán)境時，體內(nèi)會因為氧化過程產(chǎn)生大量的自由基。自由基的來源主要包括炎癥、低氧高氧環(huán)境間的切換、缺血、谷氨酸和鐵離子的大量釋放，這些都會在圍生期增加胎兒或新生兒的氧化應(yīng)激反應(yīng)。另外，早產(chǎn)兒的抗氧化系統(tǒng)不完善，不能抵抗活性氧類的有害影響，因此會導(dǎo)致新生兒自由基相關(guān)性疾病，包括BPD[22-23]。

2.2氧化應(yīng)激在BPD纖維化進程中的促進作用 BPD的特點是組織重塑，分為不同的階段，最終階段是慢性化過程，產(chǎn)生大量的纖維組織增生。基質(zhì)金屬蛋白酶在調(diào)節(jié)纖維化的過程中起重要作用，它們可以減少基質(zhì)蛋白和膠原纖維。基質(zhì)金屬蛋白酶和其抑制劑之間的相互平衡對肺部纖維化過程的調(diào)節(jié)起重要作用。它們的表達通過細胞因子、生長因子和細胞外基質(zhì)成分調(diào)節(jié)。如前所述，炎癥反應(yīng)可促進細胞因子的釋放，從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的發(fā)生，而氧化應(yīng)激既可以抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的活性也可以增加其抑制劑的活性，因此，會導(dǎo)致肺部纖維化增加，同時通過增加膠原酶的活性，引起細胞外基質(zhì)的斷裂，從而導(dǎo)致BPD的發(fā)生、發(fā)展[24-25]。

高氧血癥和炎癥反應(yīng)可通過呼吸爆發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生大量的自由基，從而觸發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，促使BPD的發(fā)生。高氧血癥也可以誘發(fā)新生兒BPD中纖維化的進程。與此同時，高氧環(huán)境也會導(dǎo)致表面活性物質(zhì)蛋白A、表面活性物質(zhì)蛋白B和表面活性物質(zhì)蛋白C85的增加，被氧化的表面活性物質(zhì)蛋白A蛋白也會使表面活性物質(zhì)生成減少，以及降低機體免疫防御功能。高氧血癥也可能同時催化磷酸甘油酯合成的第一步所需的限速酶甘油-3-磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶，此酶對氧化應(yīng)激損傷十分敏感，從而導(dǎo)致表面活性物質(zhì)磷脂生成減少[26-27]。

2.3氧化應(yīng)激導(dǎo)致BPD發(fā)病機制的新理論 目前新提出的BPD理論機制是更多地將其發(fā)生、發(fā)展歸因于肺泡自身的發(fā)育延遲，并可能會導(dǎo)致永久性的肺泡不發(fā)育，而不是經(jīng)典的BPD理論機制主要關(guān)注的是肺部纖維增生機制。研究發(fā)現(xiàn)，白三烯4在生后第7天時含量升高，而白三烯4在炎癥反應(yīng)時會大量產(chǎn)生，這一現(xiàn)象則暗示炎癥所導(dǎo)致的一系列復(fù)雜的氧化應(yīng)激損傷是新的BPD發(fā)生、發(fā)展的理論基礎(chǔ)。而在經(jīng)典的BPD理論中，8-羥化脫氧鳥苷在生后第3天時顯著增高，提示氧化應(yīng)激導(dǎo)致的DNA損傷可能是經(jīng)典BPD的重要發(fā)病機制[28-29]。

氧化應(yīng)激反應(yīng)也可以使肺表面活性物質(zhì)失活，已有實驗演示了在小鼠中使用高氧并注射次黃嘌呤可以導(dǎo)致炎癥、水腫、蛋白滲出，并且同時炎癥細胞會導(dǎo)致細胞外部的表面活性物質(zhì)損傷[30]。

2.4早產(chǎn)兒對氧化應(yīng)激的防御機制的特點 動物模型已經(jīng)顯示，超氧化物歧化酶是一種保護機體免于自由基和細胞因子誘導(dǎo)損傷的物質(zhì)。超氧化物歧化酶在使用機械通氣的早產(chǎn)兒中會減少，但在足月的動物中并不減少[31]。硫氧還蛋白和吡哆醇存在于線粒體膜上，可以清除自由基。硫氧還蛋白和吡哆醇也是一種可以激活超氧化物歧化酶的蛋白。在小鼠實驗中[29-30]，這些分子的水平在胚胎時期較低，但在生后開始增多，特別是在氣管支氣管上皮細胞和一些肺泡細胞中。已確認在早產(chǎn)動物中，高氧血癥和炎癥反應(yīng)時氣管支氣管上皮細胞和一些肺泡細胞中這些抗氧化因子是缺乏的，因此早產(chǎn)動物的抗氧化應(yīng)激損傷能力不會隨著氧化應(yīng)激反應(yīng)的出現(xiàn)而被徹底誘發(fā)[32-33]。

3 應(yīng)對氧化應(yīng)激反應(yīng)的治療

BPD的發(fā)病是一個復(fù)雜的過程，目前已有大量數(shù)據(jù)支持特異性和非特異性炎癥產(chǎn)生的自由基介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷在BPD發(fā)生、發(fā)展中的作用[31]。早產(chǎn)兒持續(xù)用氧到32周后，持續(xù)的高血氧飽和度會增加BPD的發(fā)生率，且極早產(chǎn)兒即使是短時間暴露于高濃度氧也會導(dǎo)致肺部的損傷，最終導(dǎo)致BPD的發(fā)生[31]。這是極早產(chǎn)兒窒息復(fù)蘇時用氧濃度應(yīng)該從30%～50%開始的原因[34]。個體化的呼吸支持，最低的氧濃度設(shè)定，減少呼吸暫停的發(fā)生和正常的生長發(fā)育都會減少BPD的發(fā)生且減低其嚴重程度。

分娩前激素的治療已廣泛應(yīng)用。產(chǎn)前激素治療可能會中和炎癥反應(yīng)，這一過程需要依賴微生物對感染防御系統(tǒng)的反應(yīng)，刺激的時間，胎兒胎盤的成熟度，胎盤糖皮質(zhì)激素的分泌和遺傳因素，并且不同的情況會有不同的結(jié)果。因此，產(chǎn)前激素治療抑制炎癥反應(yīng)促進肺部成熟的效果存在個體差異[22]。未來應(yīng)對氧化應(yīng)激反應(yīng)的治療建議補充酶或非酶的有效抗氧化物質(zhì)以減少自由基導(dǎo)致的損傷，特別是對BPD和其他的自由基相關(guān)疾病。維生素A、維生素C和維生素E是正常機體中重要的物質(zhì)，并且有抗氧化防御作用。這些維生素能夠阻止自由基誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，并且可以清除自由基。在合并BPD的新生兒中，血漿β胡蘿卜素和維生素A的濃度低于正常，可能導(dǎo)致抗氧化防御能力降低。在早產(chǎn)兒中蛋白損傷的血漿標志物3-硝基酪氨酸和蛋白碳基越高，發(fā)生BPD的風(fēng)險越高[35]。在早產(chǎn)兒圍生期的過渡過程中，抗氧化應(yīng)激反應(yīng)防御系統(tǒng)不成熟，各組織細胞免于自由基的損傷從而免于自由基相關(guān)疾病的能力也不足，這就衍生出外用的抗氧化制劑，如維生素A，E和聯(lián)合超氧化物歧化酶已被用于嘗試治療和預(yù)防BPD的發(fā)生。

一項Meta分析結(jié)果顯示[14],補充維生素A能夠減少BPD，但之后的研究顯示在糾正胎齡18～22個月時神經(jīng)系統(tǒng)和肺部的發(fā)育無顯著不同[36]。微量元素，如銅、鋅、鐵和硒對于維持抗氧化酶的正常功能也十分重要，這些營養(yǎng)元素的補充也能使總體的抗氧化能力優(yōu)化。然而，一些研究顯示在低出生體重兒中更少的微量元素并沒有顯著影響抗氧化酶濃度和BPD的進展[37-38]。

早產(chǎn)兒抗氧化物質(zhì)的使用，特別是暴露于氧化應(yīng)激反應(yīng)和處于BPD高危的情況下，對于預(yù)防和改善自由基的損傷是一個可行的策略，但仍需要更多的研究支持這一觀點[39]。

4 小 結(jié)

BPD一直是早產(chǎn)兒最嚴重而復(fù)雜且最受廣泛關(guān)注的疾病。早產(chǎn)兒易受氧化應(yīng)激反應(yīng)和自由基毒性的影響。出生時，相對的高氧環(huán)境暴露及氧氣生物利用度增加會導(dǎo)致血液中自由基增多。其他原因，如炎癥、缺氧、缺血、谷氨酸和離子鐵的釋放均可導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生。氧化應(yīng)激在BPD的發(fā)生、發(fā)展中有重要作用，需要更加完善的研究及觀察更好地證實這一現(xiàn)象和它對嬰兒健康的影響。抗氧化物質(zhì)在早產(chǎn)兒中的使用，特別是對暴露于氧化應(yīng)激和有BPD風(fēng)險的早產(chǎn)兒，可減輕自由基的損傷，但在未來仍需要進一步研究支持這一觀點。