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1腦死亡對血液動力學穩定性以及肺的影響
腦死亡對血液動力學影響可以分為兩個階段,最初的高血壓階段及繼之的正常血壓、低血壓階段。腦死亡最初的高血壓階段是由于腦死亡導致的兒茶酚胺釋放,腦死亡后的兒茶酚胺釋放來源于交感神經末梢和腎上腺髓質高度活化。兒茶酚胺釋放的量及多少很大程度上取決于大腦受損傷的速度和程度,顱內壓升高速度越快,壓力越大則兒茶酚胺的釋放越多,兒茶酚胺可致細胞內鈣超載,繼而活化脂肪酶、蛋白酶、核酸內切酶和一氧化氮合酶,導致重要器官出現結構及功能方面的損傷。另外,兒茶酚胺大量釋放可導致血液動力學的急劇變化,造成組織器官的損傷,可造成重要器官如肺等形態學的改變。高血壓后繼之的正常血壓或低血壓階段是由于交感神經活性降低所致。心臟收縮功能、舒張功能及交感神經緊張性降低導致的血管自主調控功能下降,最終導致外周組織和器官的血供、氧供減少,對組織和器官造成不良影響。
腦死亡對肺存在諸多影響,肺的血管外肺水含量在腦死亡之后可顯著增加10%。急性顱內壓增高后,下丘腦至延髓受到刺激,交感系統功能亢進,釋放大量兒茶酚胺,血兒茶酚胺明顯上升,體血管與肺血管強烈收縮,阻力增加,引起肺動脈壓與左房壓上升,肺靜脈淤張,當肺毛細血管內壓力迅速上升時,水則進入間質引起間質水腫繼而累及肺泡上皮細胞,出現肺泡水腫,造成肺內毛細血管破裂、肺間質水腫、肺泡出血及肺泡內蛋白沉積,出現肺損傷。
另外,顱腦損傷病變后肺水腫、肺損傷的發病機理尚存在非血液動力學機理,在腦死亡患者的血清中有IL-6水平的升高,短暫性局灶性大腦缺血可引起TNF-α及IL-6mRNA表達上調,而細胞因子等與肺損傷有關,近年來,越來越多的學者認為機體尤其是肺臟內部氧化/抗氧化平衡失調起重要作用。正常情況下肺臟內部雖然可以產生一些氧自由基,但由于體內存在著有效的抗氧化系統,可以不導致肺組織的受損。當肺臟受到上述致病因素侵犯時,補體系統激活,肺組織產生大量的中性粒細胞(PMN)趨化因子--脂多糖(LPS)、TNF、G-桿菌釋放的多肽(FMLP)、血小板活化因子(PAF)、IL-1、IL-8、白細胞三烯(LT-B4、D4、C4)等,加之PMN產生的內皮粘附分子增多,使得肺血管床內大量多型核白細胞聚集、活化,產生大量的氧自由基,如O2ˉ、H2O2等,導致肺臟強烈的氧化應激反應,從而造成急性肺泡損傷。此外一些醫療措施如吸入高濃度氧氣或機械通氣時也會進一步促進肺部活性氧化產物的產生,造成惡性循環。近年研究還發現NF-κB在肺損傷的發生、發展和炎癥反應調節中起重要作用,參與肺損傷發病的細胞凋亡、嗜中性粒細胞活化、巨噬細胞招募以及細胞因子基因轉錄等因素的調控。總之,腦死亡存在多種肺損傷的相關的非血液動力學機制。
2腦死亡與NF-κB及肺損傷
NF-κB是廣泛存在于多數細胞中的一種基因轉錄調節蛋白,在靜息時通常與抑制蛋白I-κB結合成無活性的形式,存在于胞漿中。研究發現腦死亡能夠使I-κB快速磷酸化降解從而使NF-κB活化,發生核移位,與靶基因結合,調控細胞因子、黏附分子和炎癥相關的酶及蛋白質的表達,直接參與肺的損傷。已經發現,NF-κB活化進入核內后,與靶基因啟動子或增強子的κB基序結合從而誘導許多因子的轉錄:①細胞因子:TNF,IFN-β,IL-1β,IL-2和IL-6等;②趨化因子:IL-8,RANTES,巨噬細胞趨化性肽;④粘附分子:E-選擇素,ICAM-1,VCAM-1;⑤急性反應期蛋白:C-反應蛋白,補體Bf、C3,α1-酸性糖蛋白;⑥生長因子,IL-3,GM-CSF,G-CSF,M-CSF;⑦免疫受體:免疫球蛋白κ輕鏈、T細胞受體β鏈;⑧炎性酶:誘導性一氧化氮合酶、Ⅱ型環氧酶、12-脂氧酶、磷脂酶A2;⑨轉錄因子:IκBα,p105,p100,c-Rel,Bcl-3。
IKK-β是I-κB磷酸化激酶,它誘導I-κB磷酸化,使NF-κB/I-κB二聚體解離,暴露NF-κB的核定位片段,是NF-κB的活化和移位的前提。腦死亡動物肺組織中IKK-βmRNA的表達明顯增高,而正常對照組肺組織中IKK-βmRNA幾乎無表達,說明腦死亡后可刺激靶細胞,激活IKK-β。腦死亡后激活IKK-β,使I-κB磷酸化降解,NF-κB失去控制移入核內與TNF-α基因啟動子κB序列結合,上調TNF-α等細胞因子基因轉錄與蛋白合成,啟動下游細胞因子IL-6等炎性介質,使炎癥介質的合成、分泌增多,細胞因子與NF-κB以及細胞因子間復雜的相互作用,可導致機體失控的炎癥反應引起肺損傷,IKK-β、NF-κB、TNF-α效應與肺損傷發生、發展密切相關,它們均可參與腦死亡肺損傷的炎性反應和免疫過程。
3腦死亡與嗜中性粒細胞調節及肺損傷
腦死亡可造成嗜中性粒細胞(PMN)活化和積聚,過度嗜中性粒細胞活化在大多肺損傷的發生發展中有重要作用,其過度活化可產生彈性蛋白酶、氧自由基、炎癥介質等造成肺的損傷。在實驗模型中嗜中性粒細胞的排除可顯著地減輕肺損傷的嚴重程度。
腦死亡后,大量PMN會迅速進入肺實質,并在其后發生的肺損傷中起重要作用。PMN發生凋亡時,其趨化,吞噬,變形,脫顆粒以及呼吸爆發等基本功能也喪失,不釋放損害性的介質并可被巨噬細胞吞噬,有效阻止了PMN內毒性內容物的外泄。所以細胞凋亡是將PMN從炎癥區域清除,并對周圍組織損傷最小的清除途徑。肺損傷BALF及血漿中存在抑制PMN凋亡的物質。PMN凋亡的抑制意味著PMN生存周期的延長,細胞所發揮作用的持續存在,造成過度的炎癥反應而損傷組織。因此PMN凋亡的失調,可能是腦死亡肺損傷的發病機制及轉歸的重要影響因素。巨噬細胞能清除凋亡細胞,并介導自身及其他細胞凋亡。如果巨噬細胞自身凋亡增加吞噬能力下降,大量凋亡的中性粒細胞得不到及時的吞噬清除,產生遲發性壞死,加重炎癥反應。在肺損傷和內毒素血癥動物模型給予HMGB1(Highmobilitygroupbox1)可產生急性炎癥,內毒素誘導信號可造成HMGB1誘導的嗜中性粒細胞活化,HMGB1增加NF-kB的核遷移和嗜中性粒細胞前炎癥因子的表達。對肺損傷患者的臨床結果和嗜中性粒細胞中NF-κB激活之間關系的研究發現NF-kB的核轉位依賴于p38和Akt激酶的激活作用,減少NF-κB或Akt的激活作用,能夠提高ALI急危癥病人的生存,減少p38的激活則無明顯作用。表明在早期改變嗜中性粒細胞激活,減少相應刺激后NF-κB的核積聚,對肺損傷的臨床經過有益。
有研究發現:中性粒細胞嚴重低下時仍可發生肺損傷,某些致病因子不通過中性粒細胞,也可直接導致肺損傷,有關研究提示/巨噬細胞可能具有重要作用。
吸入中毒性劑量的臭氧可引起人和實驗動物的肺損傷和炎癥,已證明巨噬細胞招募是肺損傷的致病機制。肺損傷發病6~24h,肺巨噬細胞數量持續迅速增加。吸入臭氧可迅速造成肺泡巨噬細胞中NF-κB的激活,PI3-K和PKB也增加。這些蛋白質在控制誘導型一氧化氮合成酶iNOS(inducibleNOS)的表達方面具有重要作用。誘導型環氧合酶、一氧化氮合成酶和磷脂酶在靜息細胞沒有或很少表達,而一旦受到前炎癥細胞因子等的刺激,表達急劇增加,成為過度釋放的炎癥介質的主要來源。研究發現uPA(Urokinaseplasminogenactivator)增強LPS誘導活化細胞內信號通路,包括NF-κB核轉位,IL-1β,巨噬細胞炎癥蛋白2,TNF-α等前炎癥因子的表達。另外uPA也可加強LPS誘導的肺部嗜中性粒細胞的反應。保護不能產生uPA的轉基因老鼠的內毒素誘導的肺損傷,決定于肺水腫,肺部嗜中性粒細胞的積聚,肺部IL-1β、巨噬細胞炎癥蛋白2、TNF-α等細胞因子的水平的發展。在肺損傷發病過程中,巨噬細胞可分泌IL-1和TNF-α趨化PMN,使PMN在肺內聚集。同時巨噬細胞產生氧自由基和水解酶與殺菌有關,亦能直接或間接引起肺損傷。
4腦死亡與細胞凋亡及肺損傷
腦死亡肺損傷時,并非直接殺死細胞,而是可能觸發細胞凋亡信號的瀑布樣傳遞過程。如肺泡上皮細胞的干細胞肺泡Ⅱ型上皮細胞(alveolartypeⅡcell,AT-Ⅱ細胞),其凋亡在肺損傷的病理過程中至關重要。已經證實肺泡上皮細胞的凋亡與彌漫的肺泡損害有關,而肺纖維化表現出肺上皮細胞的丟失和成纖維細胞的增殖,很可能FAS、FAS-L、P53、P21和其他的凋亡相關蛋白在肺損傷的病理生理方面扮演重要角色,成纖維細胞和肺內皮胞凋亡在急性肺損傷修復中具有重要的作用。肺損傷時表面活性物質衰竭的病因不同,但其共同的病理特點是肺泡的機械性損傷和AT-Ⅱ細胞的凋亡,同時伴有肺泡毛細血管滲透性的增高,肺表面活性物質缺乏,肺的順應性下降。此過程中AT-Ⅱ細胞的過度凋亡增加將加重病理變化。另外,在肺損傷病理變化過程中,需將受損的AT-Ⅱ細胞清除,此過程可能引起炎性反應,加重已存在的肺組織的損傷。因此,凋亡在調節炎癥對肺損傷的反應方面,對上皮細胞發揮著重要的作用。
肺血管內皮細胞是肺血管內皮-肺泡上皮屏障的重要組成部分,因此肺血管內皮細胞受損時,可導致肺血管內皮-肺泡上皮屏障喪失正常的功能,血管通透性增加。在急性肺血管損傷修復期,內皮細胞凋亡限制了血管的生成,正常情況下,血管內皮細胞的凋亡與生成處于一個動態平衡的狀態,但如果短時間內血管內皮細胞大量凋亡將導致平衡失調,內皮細胞屏障功能障礙,使得血管通透性增加。肺損傷大量產生的TNF-α可能通過誘導肺血管內皮細胞凋亡,造成內皮細胞屏障功能障礙,血管通透性增加。在急性肺血管損傷的修復期,內皮細胞的凋亡還限制了血管的生成。過量的血管內皮凋亡可能是肺損傷的發生機制之一。
總之,肺泡壁上皮細胞和血管內皮細胞的凋亡直接導致通透性增高,引起肺損傷,巨噬細胞增生,大量中性粒細胞浸潤并凋亡,一方面巨噬細胞激活后細胞因子釋放增多,另一方面巨噬細胞于創傷后吞噬能力下降,大量凋亡的中性粒細胞可能因得不到及時的吞噬清除而最終破裂放出毒性內容物,造成進一步肺損害。肺損傷相關細胞凋亡的機制十分復雜,促進凋亡,抑制凋亡的因素相互影響,從炎癥細胞、上皮細胞、內皮細胞等細胞凋亡的角度研究腦死亡和肺損傷,有助于進一步揭示腦死亡肺損傷的發病機理,為腦死亡肺損傷治療提供新的方法。
5腦死亡相關肺損傷的保護
腦死亡相關的肺損傷一方面需要從穩定血液動力學方面著手,可以在腦死亡初期應用降壓類藥物,拮抗內源性兒茶酚胺類作用,減慢心率、降低血壓;臨床上對于低血壓狀態腦死亡患者的治療主要在于保證血管內容積、心臟搏血量和器官灌注壓,以保證外周組織器官足夠的血氧供應。早期的高血壓和晚期的低血壓等循環系統改變均可導致供體器官在切取前發生缺血性損害,導致移植器官質量下降。研究發現和理應用兒茶酚胺可以提高腦死亡供體器官的質量。腦死亡維持期應注意維持有效循環血容量、升高血壓、維持器官的有效灌注。另外一方面尚需要從炎癥機制方面來考慮肺的保護,如調控炎癥細胞調亡、清除自由基、減輕鈣超載、抑制炎癥介質的釋放等。白細胞的聚集活化可致大量的自由基,蛋白酶炎癥介質的釋放,其中自由基是一重要的損傷因素,它不僅造成組織細胞脂質過氧化還可引起一系列的炎癥反應。自由基損傷的內源性防御系統由體內疏基氧化還原和超氧化物歧化酶,過氧化氫酶及小分子抗氧化物質一起構成。防治自由基損傷對腦死亡肺損傷具有重要的防治效應,是腦死亡肺保護的重要方向。