創傷膿毒癥的免疫和代謝改變

李博昊，談林華

（浙江大學醫學院附屬兒童醫院外科重癥監護室，浙江 杭州 310051）

膿毒癥（sepsis）是由于宿主對感染的反應失調而導致的危及生命的器官功能障礙綜合征[1]。它是一種異質性綜合征，在不同隊列中的結果不同。創傷膿毒癥患者作為獨特的隊列，和非創傷膿毒癥患者相比，其發病率及預后有著顯著的區別[2-4]。根據美國疾病控制和預防中心（CDC）的數據，創傷是45 歲以下人群的主要死亡原因，而膿毒癥則是創傷和感染后死亡的主要原因[5，6]。盡管醫療技術不斷進步，但創傷膿毒癥的治療選擇仍有限，患者死亡率仍較高。研究發現，代謝途徑的紊亂、宿主的缺氧反應以及免疫系統的過度驅動是分子水平上創傷膿毒癥的特征。有研究在創傷膿毒癥中觀察到的免疫失調與代謝過程的改變之間有很強的相互關系，這種免疫代謝紊亂強烈地影響著患者的預后。為此，本文主要對創傷膿毒癥的免疫代謝以及潛在的治療方法進行綜述，以幫助臨床更好的認識創傷膿毒癥。

1 線粒體功能障礙和內質網應激

線粒體及內質網功能障礙導致的代謝異常和創傷膿毒癥密切相關。關鍵的促炎蛋白的表達和有效的免疫反應依賴于完整的線粒體呼吸，在膿毒癥中，Brealey D 等[7]率先證明骨骼肌線粒體電子傳遞鏈（ETC）活性（特別是復合物Ⅰ）顯著受損，并且與膿毒癥的嚴重程度相關。Matkovich SJ 等[8]的研究也表明，在膿毒癥患者心臟中編碼參與線粒體三羧酸循環（TCA）周期和ETC 復合物蛋白質的mRNA 水平下降了43%。此外，有研究在動物模型中發現了膿毒癥可導致包括心臟、腎臟、肝臟和骨骼肌在內的線粒體功能障礙[9-11]。

急性期再灌注損傷、微循環障礙以及血氧含量降低可直接因氧供應不足抑制線粒體呼吸鏈；另一方面，嚴重創傷或膿毒癥后活性氧（ROS）的產生增加可導致線粒體復合物氧化損傷，而氣體信號分子如NO的產生則可通過與氧在細胞色素C 氧化酶（Complex Ⅳ）水平上競爭來抑制線粒體的電子傳遞[12]，同時線粒體數量的減少也是導致機體氧利用障礙的原因。線粒體通過分裂、融合和自噬，以消除功能障礙的受損線粒體，并且通過線粒體生物發生（指產生新的線粒體的過程）恢復線粒體數量，這個過程需要消耗大量能量[13]。線粒體功能障礙的特征是氧化應激增加、自噬功能受損和線粒體動力學改變。在膿毒癥動物模型中，自噬不足會導致線粒體功能障礙、器官衰竭和不良結局[14]。

內質網功能包括蛋白質折疊、鈣離子儲存、脂肪和碳水化合物代謝。不同的條件下，如Ca2+穩態的紊亂、氧化還原失衡、蛋白質糖基化改變或蛋白質折疊缺陷，都會導致未折疊或錯誤折疊的蛋白質在內質網腔內積聚，這種情況被稱為內質網應激（ERS）。細胞有一個整合的信號系統來恢復動態平衡和正常的內質網功能，包括未折疊蛋白反應（UPR）、內質網相關降解（ERAD）、線粒體自噬、低氧信號和線粒體生物發生。UPR 和線粒體自噬聯系緊密，研究認為ERS 后的perk-真核翻譯起始因子2α（Eif2α）通路是誘導自噬所必需的[15]。內質網和線粒體之間的物理接觸部位被稱為線粒體相關膜（MAM），MAM的破壞可能抑制自噬小體的形成[16]，所有這些過程的協同活動決定了細胞是否能重新建立內穩態或激活細胞死亡程序。在膿毒癥期及創傷、嚴重出血和缺血再灌注損傷后衰竭的動物模型中，可以觀察到內質網應激增加的標志，內質網應激的標記物水平與器官功能障礙程度直接相關[17]。臨床上，在嚴重燒傷的兒科患者的白細胞、脂肪和肌肉中也發現了內質網應激增加的標志，提示內質網應激可能參與創傷膿毒癥的多臟器功能衰竭[18]。

膿毒癥患者線粒體功能的早期恢復與臨床結果的改善呈正相關[19]。針對線粒體的治療包括抗氧化劑、調節自噬以及刺激線粒體生物發生[20，21]。然而有研究顯示抗氧化治療對患者的預后沒有益處[22，23]。

激活AMPK 通路是一種很有前途的刺激線粒體生物發生的方法。AICAR 是一種可通透細胞膜AMPK的激活劑，可誘導骨骼肌細胞線粒體的生物發生和功能、保護心臟免受膿毒癥引起的心臟結構和功能障礙的影響，以及減少促炎細胞因子的產生和膿毒癥導致的腎和肝損傷標志物[24-26]。另外，二甲雙胍可通過激活AMPK 改善線粒體的功能，其已在膿毒癥動物模型的研究中被證明具有保護作用。5-羥色胺受體（5-HT）激動劑、過氧化物酶體增殖激活受體（PPAR）活化劑、磷酸二酯酶（PDE）抑制劑，以及部分生物制劑都可能是刺激線粒體生物發生的潛在的治療方法[27，28]。針對內質網應激和危重癥患者UPR的研究較少。對4-苯基丁酸（4-PBA）是一種用于治療尿素循環紊亂的藥物，4-PBA 可以穩定蛋白質的折疊，被確定為內質網應激的特異性抑制劑。在動物實驗中4-PBA 抗內質網應激可顯著改善感染性休克大鼠的血流動力學指標，以及肝、腎、腸屏障功能等重要器官功能，提高大鼠的存活率[29]。

2 腸道屏障功能障礙和腸道菌群失調

腸道屏障功能障礙導致的膿毒癥和多器官功能障礙綜合征（MODS）是嚴重創傷、燒傷、大手術、失血性休克主要死亡原因，而腸道細菌或內毒素的病理性移位在其中起關鍵性作用。

腸道上皮屏障的破壞可能導致局部胃腸功能障礙和全身炎癥反應，也可能導致大量有毒物質，包括炎癥分子、病原菌和抗原，從腸腔進入血液，從而促進慢性低水平炎癥狀態。由此導致的腸道通透性增加（高通透性或滲漏的腸道）可造成細菌、抗原和有毒物質通過腸道粘膜層進一步移位，導致粘膜免疫反應激活，隨后出現腹痛和腹瀉。這些炎癥介質向上皮細胞、神經細胞和肌肉細胞發出信號，導致腸道功能障礙[30]。在膿毒癥的臨床前模型中，腸道上皮屏障的改變最早在膿毒癥發生后1 h 出現，腸道高通透性在膿毒癥發生后持續至少48 h[31]。腸道屏障功能喪失后，腸道微生物群會發生改變，其特征是毒力和侵襲性細菌的數量增加，從而導致腸道生態失調和免疫反應失調，加劇全身炎癥反應，最終導致細胞凋亡增強。在膿毒癥和MODS 期間，這一群體轉變為包括毒性和致病性更強的細菌，改變了免疫系統、微生物和腸上皮之間復雜的相互作用。胃腸道屏障功能障礙有效地加速了MODS，導致危重患者體內瓜氨酸和腸道脂肪酸結合蛋白水平的改變明顯升高，而這種病理改變可通過腸道細菌移位和系統吸收內毒素而進一步擴大[32]。

由于危重癥患者抗生素使用的增加和不合理的使用，抗生素耐藥病原體的出現在重癥監護病房中變得更加普遍，如艱難梭菌的發病率急劇增加，萬古霉素和甲硝唑對復發的艱難梭菌效果不佳。而利用糞便移植和選擇性消化道去污等方法可以靶向調節微生物菌群，改善創傷膿毒癥患者的預后。研究表明[33]，糞便微生物區系移植將艱難梭菌感染的治愈率從30%提高到93%。選擇性消化去污降低了重癥監護病房患者死亡率，優勢比為0.73（95%CI：0.64～0.84），然而是否優于選擇性口咽去污仍需進一步的研究[34]。

3 PAMPs 和DAMPs 介導的先天免疫反應

先天免疫刺激因子之間存在的復雜病理生理相互作用機制在創傷膿毒癥患者中同樣起到關鍵作用[35，36]。損傷相關分子模式（DAMPs）和病原體相關分子模式（PAMPs）通過先天免疫受體（如TLRs）傳遞組織損傷或病原微生物感染的信號。DAMPs在組織損傷后由中性粒細胞等免疫細胞分泌或壞死細胞釋放，其通過細胞表面的模式識別受體直接激活中性粒細胞和單核細胞，同時也激活補體，導致補體C3a 和C5a的快速生成，而補體和炎癥細胞的激活可觸發白細胞介素等炎癥介質的產生和釋放。與此同時，機體出現全身炎癥反應綜合征（SIRS），其本質是代償性抗炎反應，表現為釋放抗炎性細胞因子如（白細胞介素-10 和TGF-β）。SIRS在提高機體非特異性免疫的同時，也抑制了機體對病原微生物的抵抗力，入侵的病原微生物通過PAMPs 激活TLR 下游信號通路（如NF-κB 途徑）導致強烈的炎癥反應[37]。PAMPs 和DAMPs 共同刺激先天免疫系統，使得內皮和組織器官損傷以及免疫麻痹。而損傷的組織器官和免疫麻痹分別進一步的造成DAMPs的釋放，使機體暴露于PAMPs 中，形成惡性循環，最終導致持續的過度免疫系統激活，引發多臟器功能衰竭[38]。

既往創傷模型的研究已經證實了HMGB1-TLR4 作為DAMPs 導致全身炎癥和遠程器官衰竭的中心作用[39-41]。在實驗性創傷模型中，基于HMGB1 拮抗劑的治療可提高患者存活率并改善其腸道屏障功能[42]。研究表明[43]，二硫化物HMGB1 是創傷后全身炎癥的重要介質。對創傷早期患者血漿HMGB1 濃度進行高時間分辨率的動力學分析發現，所有患者都在最初表現為全身性HMGB1 峰值，其半衰期約為30 min。然而，嚴重的創傷患者在創傷后3～6 h 可出現第2 個全身性HMGB1 高峰，其峰值與預后密切相關。

低水平的組蛋白激活內皮細胞釋放血管性血友病因子，招募白細胞/血小板，降低血栓調節蛋白C的抗凝作用，而高組蛋白水平直接導致內皮損傷，并與彌散性血管內凝血的發展密切相關[44-47]，同時它也介導了膿毒癥后的腸道屏障功能損傷[48，49]、創傷性肺損傷和化學性肝損傷后的無菌性炎癥[50，51]。另外，細胞外組蛋白通過破壞海馬緊密連接，導致血腦屏障對小分子通透性的可逆、區域特異性增加，從而導致腦血管損傷或腦功能障礙[52]。

在動物模型中，阻斷組蛋白釋放、中和循環中的組蛋白或阻斷組蛋白信號轉導的藥物對急性器官損傷具有顯著的保護作用；抗組蛋白試劑，如中和抗體、肝素和C1 酯酶抑制劑能降低組蛋白毒性[53，54]。研究發現[55]，組蛋白去乙酰化酶抑制劑（HDACis）可以暫時改變轉錄以創造有利的基因表達譜，具有快速、可逆的作用。它們選擇性或者非選擇性（如丙戊酸[VPA]）作用于組蛋白去乙酰化酶，可顯著延長創傷膿毒癥模型動物的存活時間。

臨床研究表明[56]，線粒體DNA 及其產物線粒體N-甲酰化蛋白水平在創傷膿毒癥患者血漿中升高，且與創傷的嚴重程度相關。有研究表明，模式識別受體FPR1 抑制劑和AMPK 抑制劑可以減少線粒體NFP 引起的炎癥反應，并且保護創傷后中性粒細胞的功能[37，57]，這可能和研究對象所處的免疫反應階段相關。

除此之外，研究發現[58，59]，天然免疫細胞在暴露于病原體或病原體衍生的配體等PAMPs 后進行適應，可觸發細胞生理和抗菌功能的增強。這種由于初始暴露的啟動效應而提高先天抗菌效率的現象被稱為“先天免疫記憶”或“訓練免疫”。有賴于白細胞線粒體代謝的重編程，表現為糖酵解和線粒體三羧酸循環通量和氧化磷酸化的明顯增強，使用TLR4 激動劑進行預防性治療可以預防長達14 d的嚴重感染。

4 細胞外囊泡的免疫調節作用

在細胞程序性死亡過程中，細胞會將囊泡釋放到細胞外環境；同樣的，健康細胞也會向細胞外環境釋放囊泡。這些細胞衍生的顆粒被稱為細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVS），EVS 可分為3類：凋亡小體、外泌體和微囊泡（MVS）。凋亡小體由凋亡細胞分泌，而外泌體和MVS 都是在生理和病理條件下由健康細胞釋放的。細胞通過在EVS中傳遞脂質、肽、RNA 和糖來與其微環境中的其他細胞進行交流，進而影響受體細胞的功能。目前的研究表明[60-62]，補體系統與EVS 之間存在復雜的相互作用，對局部和全身炎癥有顯著影響。在補體高度活化的炎癥條件下，EVS 已被證明同時具有促炎和抗炎作用，并可以影響疾病的進程。MVS 不僅可以調節炎癥，還可以調節凝血。嚴重創傷后，包括創傷性腦損傷（TBI）、嚴重燒傷和膿毒癥期間，MVS的產生顯著增加。

越來越多的證據表明，這些脫落的小泡含有關鍵的補體因子和表面的補體調節因子，可影響炎癥和病程。EVS的調節補體活性，有助于促進促炎和抗炎免疫平衡。