急性呼吸窘迫綜合征發病機制及相關生物標志物的研究進展

唐敏，李娜

（聯勤保障部隊第九零四醫院 重癥醫學科，江蘇 常州213000）

急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是非心源性因素引起的有肺水腫表現的急性呼吸衰竭的一組綜合征。臨床上最常見的病因為細菌或病毒感染。還有一些肺外因素，如膿毒癥、嚴重創傷、急性胰腺炎或者藥物反應。根據柏林定義，ARDS 起病時間為已知臨床損傷以及新發或加重性呼吸系統癥狀出現1 周以內，影像學表現為雙側致密影——無法由積液、肺不張或結節完全解釋，并排除左心房壓力升高引起的呼吸衰竭，氧合指數（PaO2/FiO2）≤300 mmHg，并根據氧合指數分為輕度、中度及重度ARDS[1]。雖然對ARDS 的認識已經有幾十年的歷史，臨床治療方法也在不斷改進，但其作為一種具有異質性的臨床綜合征，2010年以來，病死率仍＞30%[2]。彌漫性肺泡損傷是ARDS 對應的肺組織病理學改變，是由肺泡上皮屏障功能的破壞、血管內皮細胞的損傷導致的肺水腫。彌漫性肺泡損傷可以分成3 個階段：滲出期、增殖期及晚期的纖維化期，他們在時間上會有所重疊。

目前ARDS 的診斷主要依靠臨床表現及影像學診斷。但是，根據診斷為ARDS 患者的尸檢結果和臨床診斷對比發現，柏林定義診斷ARDS 的敏感性雖高，但特異性太低，尸檢結果顯示有彌漫性肺泡損傷的不足50%，對診斷超過72 h 的重型ARDS患者的特異性也才達到60%[3]。所以，希望能有一種生物標志物可以幫助臨床早期診斷、早期干預，提高ARDS 的治愈率。

本文探討ARDS 的病理生理學機制，希望從病理生理學機制出發，發現早期診斷ARDS 的生物標志物。

1 ARDS的病理生理學機制

從病理生理學機制分析，肺在受到細菌感染或創傷打擊的時候，炎癥便開始啟動。炎癥反應雖然可以幫助清除致病微生物，但過度的炎癥反應卻可以破壞肺泡——尤其是肺泡上皮細胞及血管內皮，使其通透性增加，從而導致肺水腫，這是滲出期的特征。后期，隨著損傷過程的持續及肺組織修復的失敗，導致病理性的纖維組織增生，這過程中包含成纖維細胞的增殖、Ⅱ型肺泡細胞的增生及肺組織的修復。損傷的肺泡上皮細胞的修復機制還不完全清楚，它包括Ⅱ型肺泡上皮細胞（也可能是Ⅰ型肺泡上皮細胞）的增生，Ⅱ型肺泡上皮細胞沿基底膜遷移形成新的上皮屏障，以及與細胞外基質和包括肺泡巨噬細胞在內的其他細胞發生復雜的相互作用。在無法修復的情況下，纖維化期就可能導致纖維化性的肺泡炎，從而導致某些患者肺結構和功能的顯著變化。

1.1 炎癥反應的過度激活、肺泡上皮及血管內皮通透性增加

早期急性肺損傷是由失控的炎癥反應引起的。細菌產物或者細胞損傷產生的內源性分子與肺泡上皮細胞和肺泡巨噬細胞上的Toll 樣受體相結合，從而激活天然免疫系統。天然免疫的防御機制，如中性粒細胞胞外陷阱的形成及組蛋白的釋放，有利于捕獲病原體，但也會加重肺泡的損傷[4]。除了過度的炎癥反應，還有一個主要的病理生理學改變就是肺泡由于上皮細胞及血管內皮細胞通透性增加導致的微血管屏障的損壞。健康的肺組織中，內皮的穩定主要依靠一種內皮特異性黏附連接蛋白——VE-鈣黏蛋白，它是維持肺微血管內皮屏障完整性所必需的。在肺損傷過程中，凝血酶、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、血管內皮生長因子（VEGF）和白細胞相關信號分子水平的增加，使VE-鈣黏蛋白不穩定，導致內皮細胞通透性的增加和肺水的聚集[5]。另一個重要的發病機制是肺上皮細胞的通透性增加[6]。肺泡上皮屏障與內皮屏障相似，但有E-鈣黏蛋白連接，而不是VE-鈣黏蛋白，且其滲透性明顯較低。在病理條件下，中性粒細胞遷移通過破壞細胞間的連接，導致細胞凋亡和剝脫，從而導致上皮細胞損傷，最終使上皮細胞通透性增加[7]。

1.2 ARDS中肺泡液體清除能力的下降

肺水腫可由左心心力衰竭（心源性肺水腫）引起的肺血管壓力增大或由內皮和上皮通透性增加導致的肺實質損傷引起。無論是哪種原因引起的肺水腫，肺泡液體的清除機制是相同的：通過肺泡上皮的主動離子運輸產生了一個滲透梯度從而清除肺泡液體[8]。

ARDS 患者肺泡液體清除率的下降有多種病理生理學機制及分子機制。首先，ARDS 導致的低氧血癥和高碳酸血癥可以直接影響肺泡液體清除率。在低氧和高碳酸環境下，鈉離子通道表達下調，鈉鉀ATP 酶的效率較低，部分原因是活性氧觸發的內吞作用和細胞壞死[9]。因此，改善低氧血癥和高碳酸血癥可以維持肺泡上皮細胞鈉離子的轉運從而緩解肺泡液體的產生。其次，肺泡內的生物學應力也可以降低肺泡液體清除率。高潮氣量和持續升高的氣道壓力會損傷肺泡上皮，導致炎癥反應和細胞死亡，從而降低肺泡液體清除率[10]。如果肺毛細血管靜水壓升高，同樣也會降低肺泡液體清除率。所以臨床上治療ARDS 時的肺保護通氣策略和保守液體方案可以降低ARDS 的病死率。另外，ARDS 的肺泡液體中包含了高水平的促炎因子IL-1β、IL-8、TNF-α 及TGF-β1。大量的細胞因子會引起肺泡的損傷從而降低肺泡液體清除率[11]。體外實驗[12]也發現，ARDS 的肺泡液體中存在高水平的細胞因子，但離子轉運蛋白水平降低。具體來說，炎癥性肺泡液體會導致肺泡細胞的損傷和壞死，消除建立滲透梯度所需的緊密的上皮屏障，并抵消載體離子轉運的影響，細胞壞死和液體積聚反過來會引發更明顯的炎癥和免疫反應。

2 ARDS診斷的生物學標志物

鑒于以上病理生理學機制，臨床希望找到一種能幫助醫師診斷ARDS 的理想生物標志物——100%敏感性和100%的特異性，并且檢測容易，費用不高，而不是僅僅依靠臨床癥狀和影像學改變。目前各種研究已經從血液、支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid, BALF），甚至呼出氣中找到了許多有潛力的生物標志物。

2.1 血液

血液是臨床中最容易獲得的患者標本。根據ARDS 的病理生理學機制，反映肺泡上皮細胞損傷的標志物應該會比廣泛意義上的炎癥標志物及內皮損傷的標志物特異性更高。其中，反映彌漫性肺泡損傷不同階段及急性肺泡損傷相關信號傳導通路的生物標志物的研究比較多。

2.1.1 糖基化終末產物受體（receptor for advanced glycation end products, RAGE） 通常被稱為是一種模式識別受體。可溶性RAGE（sRAGE）是RAGE 蛋白的一種亞型，缺乏完整受體的信號域，在其他所有細胞中均呈低表達，但在肺泡上皮細胞中，尤其是Ⅰ型肺泡上皮中高表達。通過膜結合的sRAGE 競爭性地抑制信號傳導，從而抑制炎癥因子，如TNF-α[13]。有研究[14-15]發現在ARDS 患者及相關的小鼠模型中，血漿和肺泡液體中sRAGE 升高的程度與疾病的嚴重程度呈正相關——以氧合指數、肺損傷和肺泡液體清除率來評估嚴重程度。有趣的是，不管ARDS 患者是否伴隨膿毒癥，這些患者血漿及BALF 中的sRAGE 水平都比僅患有膿毒癥的患者高[15]。一項Meta 分析表明，sRAGE 對高危人群ARDS 的診斷有指導意義[16]。

2.1.2 肺表面活性蛋白 包括SP-A、SP-B、SP-C和SP-D 等4 種基本類型，是維持表面活性物質作用的基本成分。SP-D 是肺泡上皮細胞損傷的一種標志物，其主要由Ⅱ型肺泡細胞產生，在維持肺泡毛細血管界面的完整性方面起關鍵作用。SP-D的基本功能是降低進入肺泡的表面張力，從而穩定低跨肺壓的肺容積；其還在先天免疫中發揮作用——作為一種炎癥分子，具有抗微生物功能[17]。在膿毒癥患者中，SP-D 對ARDS 的發生有比較好的預測作用[18]。ARDS 患者在發病48 h 后發現血漿SP-D 水平升高，而給予肺保護性通氣患者的SP-D水平增幅較小；有研究還顯示，死亡患者體內的SP-D 水平增加[19]。EISNER 等[20]的研究顯示，ARDS患者體內SP-D 的水平在疾病的第3～7 天將達到最高峰，且較高的血漿SP-D 水平與較高的死亡風險及較差的臨床結局有關；另外，他們還證明，較低的潮氣量策略可以延緩血漿中SP-D 水平的升高。所以，有研究[21]將高水平的SP-D 蛋白作為嚴重膿毒癥患者發生ARDS 的診斷標志物。

2.1.3 促血管生成素-2（Angiopoietin-2, Ang-2） Ang-2 是由內皮細胞表達的一種細胞生長因子，釋放后會與酪氨酸激酶受體Tie2 結合，在內皮連接完整性中發揮作用，促進血管退化和細胞死亡。基于以上作用，Ang-2 就被提出可以作為ARDS 的一種生物標志物。首先，相比普通肺水腫的患者，ARDS 患者血液中Ang-2 水平升高[22]。其次，Ang-2基因中的兩個單核苷酸多態性（rs1868554 和rs2442598）與創傷患者發生ARDS 的風險相關[23]。此外，AGRAWAL 等[25]在一項對230 例入住ICU 無ARDS 患者進行的前瞻性研究中發現，Ang-2 高水平與ARDS 的發生顯著相關；另外，在外科ICU 患者中，ARDS 患者體內Ang-2 水平高于無ARDS 患者[24]。所以說，Ang-2 的表達與ARDS 的發生、發展、嚴重程度及病死率息息相關[23-25]。

2.1.4 炎癥因子 在ARDS 早期，IL-1β 和TNF-α是由活化的巨噬細胞分泌的具有生物學意義的最強的細胞因子，導致多種促炎趨化因子的釋放，如單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）、巨噬細胞炎癥蛋白-1α（MIP-1α）、IL-6 和IL-8，并且隨后召集炎癥細胞，改變內皮、上皮屏障通透性并阻礙液體運輸導致肺水腫。TNF-α 還通過活性氧的產生和降低上皮細胞鈉離子通道和鈉鉀ATP 酶的表達，間接促進肺水腫[26]；其還是一種有效的成纖維細胞催化劑，在實驗研究中可以促進肺纖維化[27]。ARDS 高風險患者及ARDS 患者的血漿和BALF 中TNF-α 和IL-1β 均升高，并與死亡相關[28]。

2.1.5 白細胞介素-8（IL-8） 在彌漫性肺泡損傷的滲出期，肺部的免疫細胞表達炎癥介質，進而激活循環中的炎癥細胞進入肺間質和肺泡腔。IL-8是由巨噬細胞產生的趨化因子，調節肺內中性粒細胞和單核細胞的趨化作用[29]。有研究[30]檢測ARDS 高危患者血漿和BALF 中的IL-8 水平發現，在隨后進展為ARDS 的患者中，BALF 中的IL-8 水平較高，但是不管這些高危患者是否進展為ARDS，他們血漿中的IL-8 水平無差異。在死亡的ARDS 患者中發現了較高的IL-8 水平，并與機械通氣天數和器官功能衰竭天數的減少相關[31]。

2.2 BALF

BALF 一直是尋找ARDS 生物標志物的第二大常見標本來源。使用BALF 的主要優點是其為最接近損傷部位的標本（通過活檢取樣的肺組織除外），反映了局部的肺環境。BALF 中包含了局部產生的蛋白質和參與ARDS 過程的免疫細胞。雖然可以對同一患者進行反映肺損傷的生物標志物水平的多次評估，但由于肺泡灌洗是侵入性操作，以及樣本每次稀釋程度的變化，定量評估比較困難，所以這種方法的運用也受到一定的限制。

2.2.1 Fas 分 子（Fas）和Fas 配 體（Fas ligand，FasL）ARDS 的肺泡上皮細胞會發生凋亡。關于調節上皮細胞死亡的相關機制研究中研究得最徹底的是Fas和FasL。早期ARDS 的肺水腫液體中的可溶性Fas和FasL 水平升高，且肺組織和肺水腫液體中的Fas和FasL 水平的升高與較差的預后相關[32]。此外，在膿毒癥誘導的ARDS 的初始階段，BALF 中Fas 和FasL 的mRNA 表達上調，但在沒有ARDS 的膿毒癥中表達不上調[33]。雖然以上研究表明，ARDS 中上皮細胞的凋亡發生得非常早，而Fas 和FasL 可能是ARDS 的特異性標志物，但這種凋亡并不是肺上皮細胞所特有的。

2.2.2 Ⅲ型膠原前肽（Type Ⅲprocollagen peptide，PCPⅢ） 彌漫性肺泡損傷分成了滲出期、增殖期及晚期的纖維化期3 個階段，但是這種劃分太過簡單。肺纖維化提示需要更長的機械通氣時間并且預后不良，但某些ARDS 患者疾病發生的第一周便已出現肺組織的纖維化。PCP Ⅲ是膠原合成的前體和標志物，ARDS 患者開始機械通氣時的BALF 中，PCP Ⅲ水平升高，這表明纖維增殖反應在ARDS 的進展中發揮積極作用。有研究[34]發現，ARDS 患者第3 天的BALF 中PCP Ⅲ水平升高，并且是患者死亡的獨立危險因素。MEDURI 等[35]研究指出ARDS患者PCPⅠ和PCP Ⅲ水平升高，而激素治療使血漿和BALF 中PCP Ⅰ和PCP Ⅲ水平持續降低。

3 呼出氣

目前還有一部分研究集中在使用非侵入性手段且更加容易獲得的標本，而且能盡可能最好地反映ARDS 不同階段的肺環境。而最創新的辦法就是研究呼出氣的代謝組學。呼出氣中含有大量來自肺和整個身體的代謝物。目前的研究可以單獨收集肺泡的呼出氣冷凝液，避免了上呼吸道定植微生物的代謝產物干擾[36]。此外，呼出氣冷凝液還含有少量的蛋白質，可用于監測ARDS。例如，一項研究比較了呼吸衰竭患者（大多數是ARDS）和健康志愿者的呼出氣冷凝液，發現呼吸衰竭患者的呼出氣冷凝液中存在細胞角蛋白，但健康人的呼出氣冷凝液中沒有[37]。另外，還有用測定揮發性有機化合物的方法來分析呼出氣中的揮發性代謝物。有研究[38]使用氣相色譜和質譜分析機械通氣患者呼出氣中的揮發性有機化合物，其中3 個潛在的揮發性有機化合物已被確定為ARDS 的潛在標志物——辛烷值、乙醛和3-甲基庚烷。這些揮發性有機化合物結合肺損傷預測評分可以幫助提高鑒別ARDS的能力[38]。辛烷值是脂質過氧化的最終產物，而脂質過氧化是由氧化應激引起的過程之一。乙醛是由細菌和白細胞產生的。一般來說，機械通氣患者經常發生氣道的細菌定植，而中性粒細胞浸潤是ARDS 的一個標志。3-甲基庚烷是通過脂質過氧化作用產生的，類似于辛烷值[38]。因此，呼出氣似乎主要受到肺部氧化應激、炎癥和感染反應的影響。

研究[39]還使用了基于交叉反應性傳感器陣列的電子鼻來分析機械通氣患者的呼出氣，該系統能夠根據呼出氣的呼吸特征來區分中度/重度ARDS 患者和普通肺水腫、肺炎患者。這種方法是非侵入性的，可以獲得實時數據，且并非關注某個特定的標志物，而是將所得的結果進行整合分析。

4 結語

雖然幾十年來，臨床對ARDS 的認識、診斷及治療有了很大的進展，但是對ARDS 的機制研究仍然處于起步階段。雖然本文列舉了一系列幫助臨床診斷ARDS 的生物標志物，但是沒有一個生物標志物可以特異性地識別彌漫性肺泡損傷，或者預測患者的預后。所以，結合臨床評分及幾種生物標志物組合來預測ARDS 或許能提高其敏感性和特異性。有研究[40]納入了549 例ARDS 患者，測量8 種反映內皮和上皮損傷、炎癥和凝血的生物標志物——vWF、SP-D、腫瘤壞死因子受體-1、IL-6、IL-8、ICAM-1、蛋白C、纖溶酶原激活物抑制劑-1，并和臨床預測因子結合對ARDS 的預后進行評估，受試者工作特征曲線的曲線下面積為0.85；其中診斷準確性最高的生物標志物是IL-8 和SP-D，支持急性炎癥和肺泡上皮損傷是ARDS 的重要致病途徑的觀點。將來臨床的研發方向是希望能開發一個可靠的ARDS 生物標志物譜，有助于ARDS 的分層和個體化治療，從而改善患者結局。