膿毒癥血管內皮細胞屏障損害研究進展

盧中秋 倪菁晶

膿毒癥是由感染引起的病理生理綜合征，而不是一種具體的疾病，被定義為宿主對感染反應失調引起的器官功能障礙，是全世界ICU患者最常見的死亡原因之一[1]。漸進性器官功能障礙是膿毒癥的標志，內皮系統可以被視為一個最大和最重要的器官，如果沒有內皮系統，血液流變學、凝血和器官灌注就會嚴重受損[2]。此外，研究發現，膿毒癥中存在血管內皮細胞屏障功能的下降或喪失，導致循環物質(如體液和炎性因子等)移位，是引起循環血容量下降、組織器官水腫和損傷的重要因素[3]。因此，越來越多的研究表明，內皮細胞的激活和損傷在膿毒癥發生、發展過程中發揮重要作用，內皮細胞生物學標志物作為指標或作為內皮細胞活化和功能的替代標志物也呈現出不同的意義[4]。因此，對膿毒癥血管內皮細胞屏障損害的病理生理學過程深入分析，探索有效的評估指標和治療靶點，對于治療膿毒癥，改善膿毒癥的預后具有重要的理論和實踐意義。

一、血管內皮細胞生理基礎及在膿毒癥中血管內皮細胞屏障損害

1.血管內皮細胞生理基礎單層內皮細胞、基膜、管腔的胞外基質和糖萼共同組成血管屏障，主要控制血管內外溶質和液體的運動，調節血液與組織之間的通透性，同時又由腔外的周細胞或一層平滑肌調節血管的壓力和血流，當周圍環境和條件發生變化時，糖萼、基膜及周細胞產生信號改變，血管內皮細胞接收信號做出相應的生理或病理反應[5]。血管內皮屏障由跨細胞通路和細胞旁通路介導，在這里，筆者關注的是細胞旁通路的調控，它是由相鄰細胞間的內皮細胞接觸和表面的糖萼層來維持的，這是炎癥的主要通路[6]。

糖萼是位于內皮細胞頂面的復雜網狀結構，在調節微血管張力和血管通透性中具有重要作用，是維持內皮屏障，調節白細胞遷移和抑制血栓形成的物質基礎。糖萼厚0.5～10.0mm，主要由蛋白聚糖、葡萄糖胺聚糖(GAG)側鏈、糖蛋白和一些血漿蛋白組成，蛋白聚糖最突出的成分主要是多配體聚糖(syndecans)。最常見的GAG有硫酸乙酰肝素(heparan sulfate，HS)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate,CS)和透明質酸(hyaluronan,HA)，蛋白聚糖與GAG側鏈通過共價鍵相連，共同覆蓋在內皮細胞在管腔側，維持內皮的穩定[7]。

血管內皮細胞間的連接結構分為3類，即黏附連接、緊密連接和縫隙連接，這些連接復合體在組織的完整性、血管通透性、白細胞滲出和血管生成中起著重要作用[8]。

緊密連接是兩個細胞間緊密相連的區域，常位于內皮細胞連接頂部。負責調節細胞通透性和維持細胞極性，由跨膜區和胞內分子組成，跨膜蛋白包括封閉蛋白(OCLN)、閉合蛋白(CLDN)、交界黏附分子(JAM)及相關分子等，這些蛋白通過它們的胞質尾巴，通過閉鎖小帶(ZO)錨定到肌動蛋白的細胞骨架上，共同調節緊密連接的穩定性，信號轉導及跨膜蛋白的動態改變[8,9]。黏附連接多位于緊密連接下方，介導細胞黏附和細胞內信號傳遞。血管內皮鈣黏蛋白(VE-cadherin)是黏附連接中主要的跨膜蛋白，通過和胞內的胞質蛋白(如α- catenin、β- catenin、γ-catenin等)、ZO-1及肌動蛋白、微絲、微管組成網狀結構，引起細胞骨架結構的變化，導致內皮細胞的變形，從而調控細胞的滲出。VE-cadherin是黏附連接中最具特征性的表達，但除了VE-cadherin之外，還有N-cadherin、P-cadherin、T-cadherin發揮不同的重要作用[10]。而縫隙連接是內皮細胞間的膜通道，允許離子和小分子物質(<1kDa)通過，是相鄰細胞間細胞通訊方式之一[11]。

2.膿毒癥中血管內皮細胞屏障損害血管內皮細胞屏障功能以及轉運溶質的作用很大程度上取決于內皮細胞連接和糖萼的完整性。血管內皮連接障礙與糖萼被降解是膿毒癥的關鍵特征。在嚴重膿毒癥和感染性休克時，會引起宏觀和微循環的改變，改變器官的灌注，導致細胞缺氧，從而導致器官功能障礙[12]。糖萼在生理狀態下其結構和成分都保持完整，在TNF-α、氧化脂蛋白、脂多糖、缺血/再灌注、高血糖及炎癥刺激等病理因素作用下，糖萼發生降解脫落。有實驗研究表明，內皮細胞糖萼在脂多糖、TNF-α暴露下其厚度和完整性都有所下降[13]。在膿毒癥發生過程中，促炎性細胞因子常活化肥大細胞，促使肥大細胞脫顆粒，進一步釋放細胞因子、組胺、蛋白酶、肝素酶等降解糖萼組分，破壞內皮糖萼，使內皮細胞的通透性發生改變。另一方面糖萼脫落，暴露整合素和選擇素導致白細胞黏附滲出增加，內皮和組織發生炎癥損傷，增加血管通透性使滲出液、白蛋白等溶質進入細胞間質，加重組織水腫[7]。

血管內皮細胞連接在膿毒癥中的病理改變機制較為復雜，VE-cadherin被認為是控制內皮屏障完整性和維持的主要黏附蛋白。膿毒癥時炎性細胞或炎性因子主要通過VE-cadherin改變內皮細胞的通透性，VE-cadherin/連環蛋白/肌動蛋白細胞骨架之間的結構完整性在維持血管內皮屏障的緊密性方面起著至關重要的作用。筆者總結了VE-cadherin調控內皮細胞與細胞黏附和內皮屏障的4條主要途徑:VE-cadherin及其連接蛋白的磷酸化、VE-cadherin和肌動蛋白的重構、VE-cadherin的內化和細胞外區VE-cadherin的裂解，在膿毒癥中VE-cadherin本身和相關的鈣黏蛋白復合物的解體，或應力纖維的形成伴隨著肌動蛋白-肌球蛋白的收縮增加了內皮通透性[14, 15]。除了直接針對AJs,一些細胞因子如TNF-α、IL-1β和VEGF通過影響TJs蛋白表達和分布如CLDN-5、ZO-1和OCLN而導致血管內皮滲漏增加。另外許多研究表明，在內皮細胞中，緊密連接與黏附連接相關并在功能上相互作用，ZO-1被認為是一種跨膜蛋白和細胞質蛋白之間的支架蛋白，除了將緊密連接的跨膜蛋白OCLN和CLDN連接到肌動蛋白細胞骨架外，可能也是連接黏附分子和緊密連接的紐帶，ZO-1可以調節作用于基于VE-cadherin的黏附連接[16]。事實上，膿毒癥幾乎影響內皮細胞功能的各個方面，被認為是從敗血癥到器官衰竭進展的關鍵因素，而且各個方面相互作用、相互影響[17]。

二、血管內皮細胞生物學標志物血管內皮細胞的結構

血管內皮細胞生物學標志物血管內皮細胞的結構是動態改變的，其蛋白組成信號通路可以被快速激活和失活。當內皮細胞受到各種刺激時，特定的蛋白通過多種調節機制改變其數量、結構以及部位，調節內皮細胞連接結構與功能的完整性，同時釋放內皮細胞連接中的結構物質[18]。釋放入血的內皮連接結構物質可以作為生物學標志物，檢測這些生物學標志物的濃度與出現的時間，有助于膿毒癥的診斷、評估與治療。

Endocan、HS、HA和syndecan-1膿毒癥時蛋白酶、肝素酶等降解糖萼組分，破壞內皮糖萼，糖萼被分解產生Endocan、HS、HA和syndecan-1等成分，這些分解物質的水平在膿毒癥休克患者血清中明顯增加，與病死率及膿毒癥嚴重程度相關。Endocan是一種可溶性內皮蛋白多糖，在150例膿毒癥或膿毒性休克患者中，Endocan血漿水平對膿毒癥和膿毒性休克患者的診斷具有很高的預測價值[19]。研究發現，膿毒癥患者血液中HA和syndecan-1水平高于健康對照組，且未存活的膿毒癥患者syndecan-1水平較高[20, 21]。另外研究發現，膿毒性休克患者尿液中的HS和HA水平明顯高于創傷住院患者，HS和HA在未存活的膿毒癥患者中顯著升高[22]。這些糖萼降解標志物作為內皮細胞屏障損傷的靶標志物有望成為膿毒癥診斷的工具。

OCLN和ZO-1在腦血管意外等疾病中發現，血漿血管內皮細胞緊密連接蛋白水平與血管通透性改變和疾病的預后密切相關，其可作為一種可靠的標志物用于反映血管內皮的屏障功能狀態[23]。近年來研究發現，血漿緊密連接蛋白水平與膿毒癥患者的病情嚴重程度和臨床轉歸呈正相關。OCLN和ZO-1水平可以作為膿毒癥的臨床療效及預測，研究表明，血清ZO-1、OCLN水平是判斷膿毒癥患者是否發展為MODS或更壞結局事件有用的生物學標志物。OCLN和ZO-1與PCT比較具有更好的預后價值，且其水平在判斷膿毒癥患者醫院死亡風險具有重要作用[24]。

sVE-cadherin和AAVEsVE-cadherin被認為在維持內皮細胞的完整性和內皮細胞連接的接觸穩定性起重要作用[25]。在炎癥過程中，血管內皮細胞VE-cadherin的胞外結構域可以被切割為可溶性VE-cadherin (sVE-cadherin)進入循環[26]。研究發現，sVE-cadherin水平在嚴重膿毒癥中明顯增加，且與膿毒癥病死率呈正比，除此之外，sVE-cadherin水平隨著患者狀態恢復水平下降，證明sVE-cadherin水平與膿毒癥的發展進程相關[27, 28]。最新的一項研究表明，sVE-cadherin水平還與膿毒癥患者急性腎損傷和更嚴重的器官功能障礙有關[29]。另外，人類VE-cadherin自身抗體(AAVEs)為針對內皮細胞的胞外結構域產生的抗體，增加血管的通透性，也可以作為一種新的生物學標記[30]。

三、展 望

膿毒癥的診斷是一個挑戰。臨床和標準的實驗室檢查有很大的局限性，因為對于大多數危重患者，無論他們是否有膿毒癥都有一定程度的炎性反應。即使微生物評估也是不可靠的，因為許多血樣本并不能培養出微生物。膿毒癥的治療也是一個挑戰，基于炎性因子拮抗治療并未取得成效，針對內皮細胞的治療，尤其是針對內皮細胞屏障的治療也許將存在巨大的潛在空間。另一方面，目前只有相對較少的生物學標志物被評估為臨床診斷標志物，針對內皮細胞完整性的生物學標志物與傳統標志物組和搭配檢測也許有望提高診斷的敏感度和特異性，為膿毒癥的早期診斷帶來重要意義。同時內皮細胞生物學標志物的特異靶向藥物和促進保持內皮細胞完整性的治療也可能成為一個新的研究方向。