机械通气所致肺损伤的生物学标志的研究进展

题目：机械通气所致肺损伤的生物学标志的研究进展单位：上海市瑞金医院作者：沈富毅 张富军 审校：薛庆生摘要：对于急性肺损伤（acute lung injury,ALI）、急性呼吸窘迫综合症(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者，正压机械通气可以挽救生命。然而，大量实验及临床资料证明，临床医生如何设定通气方案包括潮气量、PEEP及气道平台压等，将影响患者肺损伤的严重性、预后和死亡率。近年来，固有免疫应答及炎症反应在机械通气所致肺损伤（ventilator-induced lung injury，VILI）发病机制中的作用得到了广泛的研究。目前的研究结果倾向于炎症反应是VILI发生的主要机制。研究发现，血浆、血清及肺泡灌洗液内的细胞因子和趋化因子是VILI的主要生物学标志。关键词：机械通气，肺损伤，VILI，炎症反应，生物学标志Abstract: For patients with ALI(acute lung injury) or ARDS(acute respiratory distress syndrome),the positive pressure mechanical ventilation can save their lives.However,a lot of experimental studies and clinical datas have proved that how the clinicians set the ventilatory strategies(including the tidal volume,the positive end-expiratory pressure and the plateau airway pressure,etc) can affect the severity of the lung injury,the outcomes and the mortality.In recent years,the effects of the inherent immunity and the inflammation have been widely studied in pathogenesy of the ventilator-induced lung injury(VILI).The investigators find that the inflammation is the main mechanism in VILI and the cytokines and chemokines are the main biological markers in plasm,serum and bronchoalveolar lavage fluid.Keywords:ventilator-induced lung injury,inflammation,biological marker机械通气是治疗急性肺损伤(ALI)与急性呼吸窘迫综合征(ARDS)不可缺少的手段之一。但机械通气和呼吸机的使用过程中，也可能产生或加重肺损伤，其机理主要与肺组织的过度牵张、萎陷肺泡反复闭合开放产生的剪力损伤及机械通气诱导产生炎症介质的大量释放密切相关1。下文将对机械通气所致肺损伤（VILI）生物学标志的研究进展做一综述。临床研究一系列临床研究证明，在治疗急性肺损伤(ALI)与急性呼吸窘迫综合征(ARDS)中，小潮气量、高PEEP机械通气可明显降低患者死亡率并减少呼吸机使用天数。目前的研究结果倾向于VILI形成的主要原因是炎症反应。研究中所发现的指标主要有IL-6、IL-8、IL-10、SP-D、IL-1Ra、sTNFR1、sTNFR2等。1998年，Amato等报道了第一例结果呈阳性的对ARDS患者实施保护性机械通气的随机对照研究，研究结果表明，与常规机械通气相比，保护性机械通气可改善ARDS患者28天内的生存率(图1)、减少呼吸机使用天数、降低气压伤发生率2。 图12000年，Laffey等进行的一项多中心研究结果显示，与大潮气量机械通气相比，对ALI及ARDS患者采用小潮气量机械通气，能明显降低其死亡率并减少呼吸机使用天数。该研究将861名ALI或ARDS患者随机分为两组，大潮气量组（大潮气量12ml/kg，气道平台压50cmH2O）与小潮气量机械通气组（潮气量6ml/kg，气道平台压30cmH2O）。研究在病例数达到861例时终止，因为小潮气量组死亡率明显低于大潮气量组（31.0%vs. 39.8%, P=0.007）,且前28天内减少呼吸机使用天数，小潮气量组高于大潮气量组（1211 vs. 1011, P=0.007）。该试验第1-3天平均潮气量分别为6.20.8ml/kg和11.80.8ml/kg，平均气道平台压分别为256cmH2O和338cmH2O3。该多中心研究的后续研究中，发现了一系列与VILI相关的生物学标志。Ware等对患者进行的一项追踪研究显示，在收集到的样本中，常规机械通气组肺泡灌洗液中的中性粒细胞活化作用明显升高4。Parsons等进行的深入研究（861例患者中的703例进入此项研究）表明，低潮气量可能使炎症反应减弱。该研究发现高水平的IL-6、IL-8、IL-10分别与所有患者的死亡危险度升高相关。在低潮气量组中，IL-6的血浆水平下降26%，IL-8的血浆水平下降12%，IL-10至第三天仍无变化。第三天血浆IL-6水平所对应的死亡率比值比为3.7。值得注意的是，IL-6与IL-8水平随着ARDS的临床危险因素改变而改变，例如感染可增加这些介质的水平。然而，作者计算了低潮气量组治疗效果，第三天IL-6水平下降30%5。Eisner等进行的另一项研究发现，血浆高SP-D（肺泡表面蛋白-D）水平与死亡风险的增加相关。第三天，低潮气量通气组SP-D显著下降。由于SP-D为肺泡上皮细胞特有，故低潮气量通气可能减少了肺泡上皮细胞损伤或降低了肺泡上皮细胞对蛋白的通透性6。一项较早的研究也发现了一系列生物学标志。该研究将44名使用机械通气8小时以内的ARDS患者作为研究对象，患者随机分为两组，常规机械通气组（平均潮气量11 2 mL/kg，平均PEEP 7 2 cm H2O）及小潮气量组（平均潮气量8 1 mL/kg，平均PEEP 15 3 cm H2O）。两组气道平台压均限制于35 cm H2O以内。大约36小时后，小潮气量及高PEEP水平机械通气组中，IL-1Ra、sTNFR1和sTNFR2的血浆及肺泡灌洗液水平明显下降。相对的，常规机械通气组中，IL-1Ra、sTNFR1和sTNFR2的肺泡灌洗液水平明显升高。常规机械通气组平均IL-1Ra的BAL浓度在研究开始时为17g/mL，后上升至32g/mL。在小潮气量高PEEP组中，IL-1Ra初始浓度为19g/mL，36小时后为16g/mL。常规机械通气组中，sTNFR1及sTNFR2水平明显升高近2倍。小潮气量高PEEP组中，肺泡灌洗液内IL-1、IL-6、 IL-8和TNF-水平在36小时后下降，而在常规机械通气组中没有变化或者是升高。这些介质在血浆中有相同的趋势7。实验室研究研究者们通过各种实验模型（包括VILI、VALI的整体动物模型、离体肺、及分离的肺泡上皮细胞）探索VILI的发生机制，目前的研究结果倾向于炎症反应是VILI发生的主要机制。Tremblay等首先报道了对大鼠游离肺实验发现，TNF-、 IL-1、 IL-6、IL-10、MIP-2、INF-在大潮气量零PEEP组中明显高于小潮气量高PEEP组及小潮气量零PEEP组8。之后，许多实验得出了相似的结果。然而也有部分实验否定了TNF-与潮气量及PEEP的相关性9 10。近年来的研究发现，巨噬细胞和单核细胞分别在VILI的起始阶段以及进展过程中起到一定作用。Eyal FG等的研究表明肺泡巨噬细胞的减少可使肺损伤减小。实验发现，经过CL2MDP（liposomal clodronate，骨瞵，又名氯甲双磷酸盐，可抑制巨噬细胞、单核细胞的增殖）气管内预处理的大鼠，肺湿干比上升幅度明显小于未预处理组，且肺顺应性与肺泡稳定度均好于未预处理组11。Michael R Wilson等发现，在呼吸机高牵张诱发急性肺损伤小鼠模型中，肺边缘Gr-1high单核细胞明显增多，同时伴随更高的CD11b的表达和更低的L-选择素的表达。经过CL2MDP气管内预处理的小鼠，肺单核细胞明显减少，并能减少肺损伤12。最新研究发现，在呼吸机所致急性肺损伤的发展和加重过程中，趋化因子PBEF（pre-B-cell colony enhancing factor）也是一个关键的炎症递质13。肾素-血管紧张素系统14及ATP-P2Y受体系统15均参与了VILI的致病过程。Jerng JS等研究发现，高潮气量组（40ml/kg，持续4小时）肺损伤评分、支气管肺泡灌洗液中的蛋白浓度、前炎症细胞因子、NF-kappaB活性较空白组（无机械通气）明显升高，其肺组织血管紧张素II水平、血管紧张素原、1型、2型血管紧张素II受体的mRNA水平也明显高于低潮气量组（7ml/kg，持续4小时）和空白组。高潮气量组中经卡托普利或氯沙坦或PD123319（1型或2型血管紧张素II受体拮抗剂）预处理的大鼠，肺损伤及炎症反应明显减弱14。而Hiroki等的研究证实，ATP主要通过ATP-P2Y受体系统介导肺部炎症反应。该研究发现大潮气量机械通气引起肺部炎症反应时，支气管肺泡灌洗液中的ATP浓度明显升高；而经P2受体拮抗剂预处理，可局部减轻炎症反应15。展望VILI的发病机制目前尚不明确。尽管部分研究显示，炎症反应可能不是VILI启动的全部，但大量的研究结果仍倾向于炎症反应为VILI的主要发病机制，并发现了一系列与急性肺损伤相关的生物学标志，对急性肺损伤的监测有一定的帮助。近年来，部分研究者将研究方向转向对抑制剂的研究。如：ACEI类及ARB类药物可分别通过阻断ACE活性及ANG-II受体减弱VILI的炎症反应和细胞凋亡16；NF-kappaB 抗体可降低肺部缺血再灌注损伤和呼吸机所致肺损伤17；多巴胺支气管内滴注可提高高潮气量通气患者肺水肿清除率并显著改善生存率18；预防性吸入IL-10可通过抑制炎症反应改善VILI生存率并减少肺损伤19；IL-1Ra可显著降低损伤性机械通气期间的肺泡上皮细胞通透性，减小肺水肿，同时也减少了气道中性粒细胞，经过IL-1Ra处理，支气管肺泡灌洗液中的RTI40（I型肺泡上皮细胞特有的膜蛋白，与机械通气潮气量呈正相关20）水平减少2.5倍。表明IL-1Ra对于急性肺损伤的治疗可能有效21。对抑制剂研究的开展，为VILI发病机制的研究提供了新的方向，也为VILI的预防与治疗提供了新的线索。参考文献：1. Pinhu L, Whitehead T, E-na T, et al. Ventilator-associated lung injuryJ. Lancet, 2003,361(9354):332 3402. Amato MB, Barbas CS, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 1998;338:347-3543. Laffey J. G., Kavanagh B. P., Ney L., Kuebler W. M., Oba Y., Salzman G. A., Brower R. G., Matthay M. A., Wheeler A. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. The Acute Respiratory Distress Syndrome Network. N Engl J Med 2000;342,1301-13084. Ware, LB, Eisner, MD, Thompson, BT, et al Significance of von Willebrand factor in septic and nonseptic patients with acute lung injury. Am J Respir Crit Care Med 2004;170,766-7725. Parsons, PE, Eisner, MD, Thompson, BT, et al Lower tidal volume ventilation and plasma cytokine markers of inflammation in patients with acute lung injury. Crit Care Med 2005;33,1-66. Eisner, MD, Parsons, P, Matthay, MA, et al Plasma surfactant protein levels and clinical outcomes in patients with acute lung injury. Thorax 2003;58,983-9887. Ranieri, VM, Suter, PM, Tortorella, C, et al Effect of mechanical ventilation on inflammatory mediators in patients with acute respiratory distress syndrome: a randomized controlled trial. JAMA 1999;282,54-618. Tremblay, L, Valenza, F, Ribeiro, SP, et al Injurious ventilatory strategies increase cytokines and c-fos m-RNA expression in an isolated rat lung model. J Clin Invest 1997;99,944-9529. Naik, AS, Kallapur, SG, Bachurski, CJ, et al Effects of ventilation with different positive end-expiratory pressures on cytokine expression in the preterm lamb lung. Am J Respir Crit Care Med 2001;164,494-49810. Merz, U, Klosterhalfen, B, Hausler, M, et al Partial liquid ventilation reduces release of leukotriene B4 and interleukin-6 in bronchoalveolar lavage in surfactant-depleted newborn pigs. Pediatr Res 2002;51,183-18911. Eyal FG, Hamm CR, Parker JC. Reduction in alveolar macrophages attenuates acute ventilator induced lung injury in rats. Intensive Care Med. 2007 Jul;33(7):1212-8. Epub 2007 Apr 2812. Michael R Wilson, Kieran P. ODea, Da Zhang,et al. Role of Lung-Marginated Monocytes in an In Vivo Mouse Model of Ventilator-Induced Lung Injury. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2009, doi:10.1164/rccm.200806-877OC13. Hong SB, Huang Y, Moreno-Vinasco L,et al. Essential role of pre-B-cell colony enhancing factor in ventilator-induced lung injury. Am J Respir Crit Care Med. 2008 Sep 15;178(6):605-17. Epub 2008 Jul 24.14. Jerng JS, Hsu YC, Wu HD,et al. Role of the renin-angiotensin system in ventilator-induced lung injury: an in vivo study in a rat model. Thorax. 2007 Jun;62(6):527-35. Epub 2007 Jan 18.15. Hiroki Matsuyama, Fumimasa Amaya, Soshi Hashimoto,et al. Acute lung inflammation and ventilator-induced lung injury caused by ATP via the P2Y receptors: an experimental study. Respir Res. 2008; 9(1): 79. Published online 2008 December 13. doi: 10.1186/1465-9921-9-79.16. Wsten-van Asperen RM, Lutter R, Haitsma JJ,et al. ACE mediates ventilator-induced lung injury in rats via angiotensin II but not bradykinin. Eur Respir J. 2008 Feb;31(2):363-71. Epub 2007 Oct 24.17. Chiang CH, Pai HI, Liu SL,et al. Ventilator-induced lung injury (VILI) promotes ischemia/reperfusion lung injury (I/R) and NF-kappaB antibody attenuates both injuries. 3Resuscitation. 2008 Oct;79(1):147-54. Epub 2008 Jun 26.18. Virginia Chamorro-Marn, Manuel Garca-Delgado, Angel Touma-Fernndez,et al. Intratracheal dopamine attenuates pulmonary edema and improves survival after ventilator-induced lung injury in rats. Crit Care. 2008; 12(2): R39. Published online 2008 March 10. doi: 10.1186/cc682919. Hoegl S, Boost KA, Czerwonka H,et al. Inhaled IL-10 reduces biotrauma and mortality in a model of ventilator-induced lung injury. Respir Med. 2009 Mar;103(3):463-70. Epub 2008 Nov 9.20. Frank JA, Gutierrez JA, Jones KD, et al Low tidal volume reduces epithelial and endothelial injury in acid-injured rat lungs. Am J Respir Crit Care Med 2002;165,242-24921. Frank JA, Pittet JF, Wray C, Matthay MA. Protection from experimental ventilator-induced acute lung injury by IL-1 receptor blockade. Thorax. 2008 Feb;63(2):147-53. Epub 2007 Sep 27.