高壓氧與炎癥關系的研究進展

麻華膽 韋 華

1 右江民族醫學院附屬醫院高壓氧治療室（廣西百色 533000）

2 右江民族醫學院全科醫學院（廣西百色 533000）

高壓氧以迅速改善組織缺氧為其主要治療機制，并具有壓縮體內氣泡、促進體內一氧化碳排出和抗菌、抗腫瘤等多種特殊功能，被廣泛用于減壓病、厭氧菌感染、有害氣體中毒、腦損傷、慢性創面等疾病的治療。炎癥以清除異物、限制感染的擴散和促進受損組織的修復為目的，但作為一把雙刃劍，也可直接或間接造成組織或細胞損傷。在糖尿病足、潰瘍性結腸炎等疾病中，慢性炎癥被認為是疾病遷延不愈的主要原因之一，抑制炎癥反應有利于改善患者的預后。高壓氧對炎癥具有重要的調節功能，本文將就高壓氧與炎癥的關系的進展作綜述。

1 高壓氧對炎癥細胞的影響

1.1 高壓氧對中性粒細胞功能的影響

中性粒細胞是炎癥反應中最主要的炎癥細胞，通過黏附、趨化游走、吞噬、脫顆粒和呼吸爆發等過程，在機體的非特異性免疫中發揮中流砥柱的作用。活性氧（reactive oxygen species，ROS）為高壓氧條件下的必然產物，體外研究表明，高壓氧導致的ROS富集可誘導中性粒細胞的凋亡，與此同時，巨噬細胞在TNF-α和IL-10的調節下，清除凋亡中性粒細胞的能力增強［1］。整合素是介導中性粒細胞黏附于內皮的受體，高壓氧暴露后，中性粒細胞的β2整合素表達下調，并伴隨細胞粘附功能的降低，表明高壓氧具有拮抗整合素的作用，抑制中性粒細胞的黏附［2］，進一步研究認為，由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）介導的中性粒細胞CD18極化的阻斷可能為中性粒細胞黏附受抑制的機制之一［3］。病原微生物感染作為炎癥的主要觸發因素，高壓氧亦可通過其特有的抗菌作用來改善炎癥。Schwartz等［4］報道高壓氧具有顯著的抗金黃色葡萄球菌的作用，同時深入闡明了其抗菌機制，即受高壓氧刺激后中性粒細胞呼吸爆發能力增強，激活還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）氧化酶并增加氧的消耗，導致大量ROS的產生，加速破壞內化的病原體。炎癥細胞浸潤為缺血再灌注損傷的主要病理改變，Lukiswanto等［5］報道兔后肢缺血再灌注可引發其肝臟形態學損傷，同時可引發中性粒細胞浸潤和活性增加，經高壓氧干預后中性粒細胞的活性受抑制，缺血再灌注引起的器官功能障礙減輕。此外，在慢性創面組織中，經高壓氧干預后可見中性粒細胞和巨噬細胞的細胞密度降低，TNF-α和 IL-1β的表達減少，組織炎癥顯著改善［6］。值得注意的是，突發性耳聾作為高壓氧治療的Ⅰ類適應證，其發病機制被認為與炎癥有關，突發性耳聾患者經高壓氧治療后中性粒細胞/淋巴細胞比值降低，聽力改善［7］，表明高壓氧對突發性耳聾的有益作用至少部分是通過減少炎癥來介導的。可見，高壓氧通過不同機制影響中性粒細胞的功能，既可促進中性粒細胞凋亡、抑制細胞活性和整合素的表達，又可增強中性粒細胞的呼吸爆發能力，表明高壓氧在不同的病理生理條件下和不同的炎癥反應階段具有不同的調節機制，在控制感染和改善組織損傷中發揮積極的作用。

1.2 高壓氧對巨噬細胞功能的影響

巨噬細胞由單核細胞分化而來，主要通過吞噬病原微生物、組織碎片和釋放細胞因子參與炎癥反應。經高壓氧暴露后的巨噬細胞，其吞噬作用明顯增強［1］，并向病變組織聚集，通過改善局部組織的炎癥而發揮修復損傷的作用［8］。巨噬細胞為炎癥因子的主要來源細胞，相關研究表明，暴露于高壓氧后，巨噬細胞中細胞因子TNF-α、IL-6 和 IL-10的表達明顯降低［9］，有利于改善炎癥。在高壓氧的抗炎機制中，巨噬細胞功能的改變亦起關鍵作用，Lima等［10］觀察到高壓氧可在體外增強亞胺培南對銅綠假單胞菌的殺菌作用，同時監測到受感染的巨噬細胞活性氧產生增多，表明高壓氧促進巨噬細胞產生超氧陰離子，并可能通過氧化機制殺死細菌。在炎癥反應過程中往往伴隨著巨噬細胞的功能極化，M1極化狀態下，炎癥因子產生增多，吞噬功能增強，而M2極化時則表現出抗炎和促進組織修復的功能。有學者觀察到，在脊髓壓迫損傷大鼠模型中，高壓氧通過將巨噬細胞表型從M1轉變為M2來改變炎癥環境，進一步促進軸突延伸和神經功能的恢復［11］。類似地，Boersema等［12］報道高壓氧可促進Wistar大鼠結直腸吻合口的愈合，與對照組相比，高壓氧組吻合口裂開率和粘連程度明顯降低，同時，在高壓氧組中，術后第3天觀察到吻合口CD206+細胞（M2型巨噬細胞）明顯增多，表明高壓氧在一定程度上通過改變巨噬細胞的極化來影響創口的愈合。顯然，高壓氧對巨噬細胞的影響是多方面的，通過不同的機制共同調節機體的炎癥反應。但高壓氧對巨噬細胞生成的影響，在不同的實驗中，研究結論不盡一致。在一項關于高壓氧對硅膠假體包膜攣縮發生的影響實驗中，研究者發現，乳房硅膠假體植入后進行高壓氧治療，假體周圍組織成纖維細胞、中性粒細胞和巨噬細胞計數降低，包膜攣縮的發生率亦顯著降低［13］。而在急性運動性軸索型神經病兔模型中，經高壓氧干預后，神經元腫脹縮小，巨噬細胞數量更多，運動功能優于對照組［14］。可見，在不同的組織細胞、不同的病理生理條件下，巨噬細胞受高壓氧刺激后出現不同的反應性變化。

2 高壓氧對炎癥介質的影響

2.1 高壓氧對炎癥細胞因子的影響

炎癥細胞因子主要由單核巨噬細胞合成分泌，是炎癥反應的主要調節分子。根據作用機制不同，分為促炎細胞因子和抗炎細胞因子，前者主要有IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、IL-18和TNF-α、IFN-γ，后者以IL-4、IL-13為代表，值得注意的是，IL-6、TNF-α等部分炎癥細胞因子兼有促炎和抗炎效應，在不同的情況下發揮截然不同的功能。炎癥細胞因子的合成釋放與合成細胞的活性狀態密切相關，高壓氧對炎癥細胞因子表達的影響主要是通過調節合成細胞的功能來實現。綜合文獻報道，幾乎一致認為高壓氧對促炎細胞因子的表達起負向調節作用，在慢性創面［6］、膿毒癥［9］、突發性耳聾［15］等與炎癥相關的疾病或病理生理過程中，高壓氧干預后可明顯減少促炎細胞因子的分泌。相反，高壓氧對抗炎細胞因子的表達起正向調節作用，在脊髓損傷大鼠模型中，經高壓氧治療后，觀察到在促炎細胞因子TNF-α和IFN-γ水平降低的同時，抗炎細胞因子IL-4和IL-13水平顯著升高［11］。可見，高壓氧對炎癥細胞因子的表達發揮重要的調節作用，借以減輕炎癥反應。

2.2 高壓氧對趨化因子的影響

趨化因子是機體固有免疫系統中重要的細胞因子，通過與G蛋白偶聯受體結合發揮作用。趨化因子的主要作用是趨化炎癥細胞遷移，同時具有刺激血管形成，促進細胞成熟等功能。CXC趨化因子配體1（CXC chemokine ligand 1，CXCL1）和CXCL2的氨基酸同源性為90%，同為趨化因子CXC亞家族成員，CXC受體2（CXC receptor 2，CXCR2）為CXCL1的受體，二者相互作用后對中性粒細胞起趨化作用，在神經炎癥中扮演重角色。研究指出，在創傷性顱腦損傷大鼠模型的腦組織中，觀察到 CXCL1 和CXCR2的表達增加，高壓氧治療下調磷酸化的細胞外調節蛋白激酶（phosphorylated-extracellular regulated protein kinases，p-ERK）、磷酸化的c-Jun氨基末端激酶（phosphorylated-c-Jun N-terminal kinase，p-JNK）、磷酸化的核因子-κB（nuclear factor kappa-B，p-NF-κB）、CXCL1和CXCR2的表達，減少神經細胞凋亡，改善創傷性顱腦損傷大鼠的神經功能，最終緩解繼發性損傷，推斷高壓氧治療可能通過調節創傷性顱腦損傷后NF-κB/MAPKs（JNK和ERK）-CXCL1炎癥通路發揮神經保護作用［16］。趨化因子受體CXCR4是基質細胞衍生因子1（stromal cellderived factor，SDF1）的特異性受體，二者在人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）入侵和腫瘤發生中發揮重要作用。最新研究認為，SDF1-CXCR4 軸參與高壓氧治療介導的腦缺血性損傷大鼠神經元向缺血半影區遷移，促進受損神經網絡的重建并恢復運動功能［17］。CC趨化因子配體2（CC chemokine ligand 2，CCL2）為CC趨化因子亞族成員，負責趨化單核細胞、T淋巴細胞和樹突狀細胞向炎癥組織遷移，亦可介導損傷組織的血管形成。糖尿病足潰瘍患者經高壓氧治療后，觀察到血管生成增加，CXCL8、CCL2的表達上調，進一步研究指出，高壓氧治療促進中性粒細胞趨化因子CXCL8的表達，后者進一步誘導CCL2的釋放，CCL2的高表達被認為與血管生成增加有關［18］。

2.3 高壓氧對脂類炎癥介質的影響

花生四烯酸（arachidonic acid，AA）代謝產物前列腺素（prostaglandin，PG）、血栓烷（thromboxane，TX）、脂氧素、消退素和保護素是重要的脂類炎癥介質，在炎癥反應中發揮主導作用。環氧酶（cyclooxygenase，COX）是重要的AA代謝相關酶，目前發現有COX-1和COX-2兩種同工酶，COX-2為誘生型酶，受炎癥刺激后高表達，在炎癥反應中的作用最為引人注目。研究證實，高壓氧對神經損傷具有重要的保護作用，坐骨神經橫斷后經高壓氧處理的大鼠中檢測到caspase-3和COX-2表達減弱，表明高壓氧可通過對炎癥的調節發揮神經保護作用［19］。蜘蛛唾液含有大量厭氧菌，且其毒液中富含組織溶解毒素，蜘蛛咬傷后極易引起組織壞死，因此，蜘蛛咬傷被列高壓氧治療的Ⅱ類適應證。據報道，在蜘蛛毒液中毒的大鼠模型中，高壓氧干預后肺與腎臟的損傷減輕，COX-1和COX-2表達降低，進一步研究認為，高壓氧可抑制COX途徑，減少PG和TX的合成而減輕組織損傷［20］。慢性炎癥與腫瘤的發生、發展密切相關，高壓氧改變了腫瘤內部的低氧微環境，從而抑制癌細胞的存活，有研究指出，高壓氧可抑制p-NF-κB/COX-2通路，進而抑制結直腸癌的發生［21］。

2.4 高壓氧對黏附分子的影響

黏附分子主要由血管內皮細胞和中性粒細胞表達，在炎癥反應過程中介導中性粒細胞與內皮細胞的黏附。現已有大量證據表明高壓氧對黏附分子起重要的調節作用。研究認為，高壓氧改善燒傷創面的愈合與其對細胞間黏附分子-1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）的調節有關，高壓氧干預可顯著降低ICAM-1 mRNA的表達和ICAM-1血清水平，且高壓氧治療的次數與ICAM-1血清水平密切相關［22］。此外，在經高壓氧處理后的人腦內皮細胞，亦觀察到 ICAM-1的表達明顯減少［23］，進一步揭示了高壓氧改善神經炎癥的機制。缺血再灌注損傷是器官移植后最為棘手的問題之一，研究指出，在腎移植后腎缺血再灌注損傷的大鼠模型中，高壓氧可通過抑制黏附分子ICAM-1，血管細胞黏附分子1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）的過表達而對腎臟功能產生保護作用［24］。

3 高壓氧與炎癥反應的啟動

3.1 高壓氧對損傷相關模式分子表達的影響

損傷相關模型分子（damage associated molecular patterns，DAMPs）由壞死的組織細胞或活化的炎癥細胞在感染、創作、缺血等病理情況下分泌，被相應受體識別而啟動炎癥。高遷移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）由單核巨噬細胞和樹突狀細胞分泌，是主要的DAMPs。研究發現，HMGB1、Toll樣受體（Tolllike receptors，TLRs）和晚期糖基化終產物受體（advanced glycation end product receptor，RAGE）在骨關節炎軟骨中高表達，而微RNA（microRNA，miRNA）107表達下調，高壓氧顯著增強了軟骨修復，誘導了miR-107的表達上調，而下調了HMGB1、TLR2、TLR4、RAGE和誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的mRNA和蛋白表達，同時降低了NF-κB的核轉位，下調了絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）的磷酸化，證實高壓氧通過上調人骨關節炎軟骨細胞中miR-107的表達來抑制 HMGB1/RAGE 信號相關通路［25］。S100蛋白為酸性鈣結合蛋白，廣泛表達于中樞神經、橫紋肌、心臟和腎臟組織，是重要的DAMPs［26］。S100β主要由膠質細胞和施旺細胞分泌，是中樞神經系統損傷特異而又靈敏的標志物。研究指出，創傷性顱腦損傷的患者，經高壓氧治療后意識和認知功能明顯改善，S100β的表達低于對照組［27］，提示高壓氧對中樞神經系統特異性的DAMPs的表達起抑制作用。S100A9在股骨頭壞死患者中高表達，被認為與缺血性損傷有關，通過減少血管生成加速股骨頭惡化，經高壓氧治療的股骨頭壞死大鼠模型，骨壞死組織病理學明顯改善，血清S100A9水平降低［28］，進一步證實高壓氧對S100蛋白的表達及其介導的炎癥起重要的調節作用。

3.2 高壓氧對模式識別受體表達的影響

模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）主要表達于天然免疫細胞表面，在病原體入侵或非感染性損傷時，通過識別病原相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）或DAMPs，啟動下游信號通路，引起炎癥反應。在此過程中，PRRs的表達和活性狀態對炎癥反應的影響較為突出。TLRs是一類定位于細胞膜和內體模上的PRRs，是先天免疫反應的關鍵組成部分。由酵母聚糖誘導的多器官功能障礙綜合征 （multiple organ dysfunction syndrome，MODS）大鼠模型中，觀察到TLRs信號通路的激活和多器官功能障礙，高壓氧暴露顯著減少了肺、肝和腸損傷的發展，同時降低了TLR2和TLR4的表達、NF-κB 激活和細胞因子產生，表明高壓氧通過干擾TLRs通路，對全身性炎癥引起的組織損傷發揮保護作用［29］。清道夫受體亦為定位質膜上的PRRs，特定情況下，其表達亦受高壓氧的調節。據報道，阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）老年小鼠經高壓氧治療后清道夫受體A表達增強，神經炎癥得到改善，淀粉樣蛋白負荷和Tau磷酸化減輕，并改善了其行為缺陷［30］。NOD樣受體（NOD-like receptors，NLRs）是炎癥小體的重要組成部分，通過調節IL-1β、IL-18和IL-22的成熟參與炎癥反應。研究認為，NOD樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體在腦梗死出血轉化中發揮重要作用，高血糖促進大腦中動脈閉塞大鼠模型的出血轉化，同時伴隨NLRP3的高表達，而高壓氧預處理可通過調控ROS/TXNIP/NLRP3通路，減弱出血轉化［31］。可見，高壓氧治療對適應證內不同疾病轉歸的影響是一致的，即均有緩解病情的作用，但在不同病理狀態下對不同PRRs表達的影響卻不盡一致，高壓氧下調了MODS大鼠模型TLRs和腦梗死大鼠模型NLRP3的表達，而促進AD小鼠清道夫受體A的高表達，據此體現高壓氧具有精細、復雜的調控炎癥反應的功能，以適應不同的病理生理環境，從而改善預后。

3.3 高壓氧對炎癥信號通路的調節作用

NF-κB為炎癥反應下游信號分子，受PRRs活性狀態的調節，激活后引起細胞因子和趨化因子的表達。在突發性耳聾患者中，高壓氧治療在改善聽力的同時，外周血TLR4、NF-κB和TNF-α的水平降低，表明高壓氧可通過抑制TLR4/NF-κB信號誘導的炎癥反應來減輕突發性耳聾患者的聽力損失［15］。MAPKs信號通路是真核細胞生物體中重要的信息傳遞鏈，與炎癥密切相關。有學者觀察到AD大鼠模型經高壓氧治療后學習和記憶功能障礙得到明顯改善，海馬組織中p38 MAPK磷酸化率低于對照組［32］，提示p38 MAPK的磷酸化調節在高壓氧改善AD大鼠模型神經功能中起關鍵作用。熱休克蛋白32（heat shock protein 32，HSP32）具有抗氧化作用，對神經元起重要保護作用［33］。在脊髓損傷的大鼠模型中，經高壓氧處理后ROS、NO、p38 MAPK、核因子E2相關因子2（nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）高表達，進一步研究證實，高壓氧通過ROS/p38 MAPK/Nrf2通路誘導HSP32的表達，從而發揮神經保護作用［34］。類似地，相關研究認為高壓氧治療可通過調節創傷性顱腦損傷后p38 MAPK-CCL2信號通路來改善神經炎癥，進而改善神經和認知功能［35］。

4 高壓氧與細胞焦亡

細胞焦亡是最新發現的細胞程序性死亡方式，經典細胞焦亡途徑借助NLRP3激活caspase-1，進一步裂解焦亡執行蛋白GSDMD，造成細胞穿孔，同時裂解IL-1β和IL-18的前體，形成成熟的IL-1β和IL-18，引發炎癥反應［36］。神經干細胞（neural stem cell，NSC）程序性死亡是腦卒中后神經再生的不利因素之一，Ye等［37］在研究NSC焦亡與神經再生關系的體外實驗中發現，氧-糖剝奪（oxygen glucose deprivation，OGD）增加NLRP3的表達以誘導NSC的焦亡，而高壓氧治療逆轉了上述改變，并上調長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）-H19的表達。lncRNA-H19作為miR-423-5p的分子海綿，在OGD后靶向NLRP3導致NSC焦亡，證實高壓氧通過抑制 lncRNA-H19/miR-423-5p/NLRP3軸減輕NSC的焦亡，改善NSC的增殖和神經元分化。

5 小結與展望

綜上所述，高壓氧對炎癥反應的諸多環節起重要的調節作用。然而，炎癥反應的調節機制極其復雜，迄今為止，對高壓氧調控炎癥反應的具體分子機制的認識仍十分有限。此外，不同的高壓氧治療壓力、不同的吸氧時間以及不同的治療次數是否對炎癥反應起不同的調節作用尚不得而知，有待深入研究。相信隨著研究的不斷深入，高壓氧調節炎癥反應的機制將會更加明朗，高壓氧在臨床上的應用前景將更加廣闊。