脓毒症致多脏器功能损伤机制的临床研究进展

刘妍 综述，李倩 审校

(皖南医学院附属弋矶山医院急诊内科，安徽 芜湖 241001)

脓毒症3.0定义是指因机体对感染的反应失调而导致的危及生命的器官功能障碍。全世界脓毒症患者的数量每年增加1900万，死亡率超过1/4[1]，在中国，严重脓毒症在医院和重症监护病房(ICU)死亡率在33.5%至48.7%之间[2]，尤其是脓毒症伴有多器官功能障碍的情况下，死亡率大大增加。脓毒症病情发展迅速，因此早期精确诊断，及时治疗很大程度上决定了临床患者的良好预后和治愈成效。目前临床应用中关于脓毒症的诊断标准存在滞后性和不确定性，如快速序贯器官衰竭评估(qSOFA)标准，从精神改变，收缩压以及呼吸频率三个方面发现可疑感染患者，虽然能迅速识别脓毒症患者，但易受到其他因素(如麻醉，液体复苏)干扰，不够准确。因此，探索脓毒症潜在的生理发病机制，利用生物信息技术实时动态监测其合并不同脏器功能损伤时各种生物分子的变化，探究不同信号通路如何参与其中发挥致病作用，同时利用影像学技术，实验室检测等制定出更为精准客观的诊断标准，从而提高脓毒症的诊断敏感性并减少并发症的发生，降低其死亡率。

1 脓毒症与肺脏

急性肺损伤是脓毒症并发器官损伤的常见并发症。许多研究表明脓毒症中的早期氧化应激和过度的炎症反应是急性肺损伤的关键。脓毒症期间由于促炎/抗炎介质失衡，肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞受损，肺泡毛细血管膜通透性增加，形成肺水肿[3]。在肺和支气管肺泡灌洗液(BALF)中，促炎性Ly6ChighCD11b CD45 Ly6G-与Ly6ClowCD11b CD45 Ly6G-单核细胞的比例显着增加，表明脓毒症早期向炎症表型转变。子宫珠蛋白(CC16)是由肺部气管支气管非纤毛细胞分泌的具有抗炎性质的蛋白质分子，在早期肺损伤后作为内在的抗炎信号，调节早期单核细胞/巨噬细胞驱动的炎症[4]。有数据表明，在脓毒症大鼠模型中，生长素释放肽ghrelin降低了LPS诱导的IL-1β，TNF-α和IL-6，NF-κB易位以及AM的iNOS和Akt活性，减少了炎性细胞因子产生，从而对脓毒症诱导的ALI发挥保护作用[5]。TNF-α是机体氧化应激时由单核巨噬细胞和淋巴细胞最早分泌的，最重要的促炎因子，它诱导IL-1、IL-6等多种促炎因子的产生，促使大批炎症细胞在肺部汇集，造成肺组织结构的破坏[6]。在ALI小鼠的组织中，MiR-124的表达较弱，MAPK14的表达较高。miR-124的过表达或MAPK14的沉默通过下调炎性细胞因子的表达来减轻ALI的症状[7]。氯胺酮通过抑制IκB-α，NF-κBp65和MAPK的激活，调节HMGB1-RAGE途径从而减轻脓毒症诱发的急性肺损伤[8]。结合很多研究，促炎/抗炎介质失调，细胞因子形成及异常细胞凋亡是参与脓毒症合并ALI过程中的几种主要病理生理机制，因而临床治疗中可可以通过抗炎抗氧化抗细胞凋亡等途径达到减轻脓毒症合并ALI症状的目的。

2 脓毒症与肾脏

临床研究表明脓毒症患者合并AKI发病率逐年上升，居高不下，并且临床数据追踪显示脓毒症合并AKI的幸存者中仍有不同程度的肾损伤[9]。 脓毒症后期病理生理学变化主要表现为血流动力学的紊乱，由于大量炎症介质释放，引起多种脏器血流灌注障碍及功能损伤，其中肾脏是主要损伤脏器之一。脓毒症所致AKI的发病机制可能有以下几个方面：(1)血流动力学的改变：严重脓毒症时全身血管阻力降低，心输出量(CO)升高，与脓毒症相关的AKI则显示肾血管阻力增加，肾小管功能障碍，水钠潴留，而肾血流量并无显著减少。有数据分析脓毒症AKI时的肾脏血流(renal blood flow，RBF)变化的情况，在脓毒症休克时RBF和CO无明显下降，GFR(肾小球滤过率)却大幅度降低[10]。于是考虑脓毒症合并AKI时肾脏血流量和肾功能有分离现象，即RBF正常甚至增长，而肾功能存在一定程度的损伤；(2)微循环障碍：由于脓毒症中大量的炎症介质生成，血管内皮结构破坏，细胞水肿，毛细血管通透性增加，血管渗漏，由于内皮细胞屏障破坏而引起各种粘附分子(如白细胞和血小板)的聚集，以及分子间的相互作用协同诱导肾毛细血管微血栓的形成[11]。同时内毒素的形成可导致凝血功能的异常，凝血因子过度消耗增加AKI血栓形成的风险。范红平等研究发现[12]，脓毒症患者血循环中存在高浓度的内毒素，刺激单核细胞和肾小球系膜细胞等释放大量的细胞因子和炎性介质，引起肾实质的炎症细胞浸润，导致肾脏实质细胞损害，甚至死亡。有文献说明脓毒症患者中sVE-钙黏着蛋白的脱落与严重的急性肾损伤和致死性的器官功能障碍有关，血管内皮钙粘蛋白(VE-钙黏着蛋白)是一种跨膜糖蛋白，脱落的VE-钙粘蛋白致使肾毛细血管内皮受损，影响脓毒症的不良预后以及肾功能损伤的严重程度[13]。由此可见脓毒症合并急性肾损伤时，除了细胞炎症反应，肾实质细胞损伤外，同时抗炎/促炎系统失衡也可引起凝血功能的异常，肾血管内皮细胞损伤，诱导肾脏微血栓形成，阻碍肾小球的滤过功能及肾脏的血流灌注，从而导致肾功能不可逆的损伤。

3 脓毒症与中枢神经系统

脓毒性脑病(SE)是脓毒症的主要并发症，其中枢神经系统没有明显的感染，临床症状却表现为弥漫性的脑功能障碍，即精神状态及意识水平的改变。SE患者特点主要是：认知能力低下，定向力障碍，精神错乱，严重者可出现昏迷。脓毒相关性脑病(SE)的发病机制重点体现在以下几个方面：(1)血脑屏障(blood brain barrier，BBB)损伤。血脑屏障在维护脑细胞内环境稳定中发挥关键作用，在LPS诱导的脓毒症鼠模型中，诱导炎症和BBB的破坏，通过测量关键紧密连接蛋白的水平来评估BBB的破坏程度。SE患者中由于一系列的炎症反应和氧化应激，特别是内皮细胞中Drp1-(裂变1)Fis1介导的炎症信号通路促进了血管通透性调节剂的表达，Drp1-Fis1相互作用导致BBB通透性增加，并且使得血脑屏障的紧密连接显著降低[14]，造成了神经细胞元的损伤，由此证明SE的发生与血脑屏障通透性变化和结构完整性的损害密切相关；(2)神经递质失调。血-脑屏障BBB功能受损，通透性改变，导致假性神经递质前体苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸通过血脑屏障进入脑实质，在非特异性β-羟化酶作用下生成假性神经递质，同时迷走神经元损伤引起胆碱[15]释放减少，使得正常神经递质合成障碍及数量下降，神经递质水平失衡，相应的脑循环代谢受阻，从而造成SE患者意识状态和认知情况的转变。除此之外，由于血脑屏障受损，渗透性增大，脑内苯丙氨酸浓度增高，而苯丙氨酸则会转化为酪氨酸，也会干扰脑循环正常神经递质的代谢[16]；(3)神经元损伤。王欢等[17]的研究在脓毒症小鼠模型中运用免疫荧光染色追踪检测皮质层神经细胞元的变化，显微镜下观察发现模型组小鼠小胶质细胞与对照组相比，数量增多且体积增大，存在激活现象。Orhun G等[18]人在脓毒症脑病患者MRI形态学研究发现脑内有明显的神经元丢失，导致神经网络信号传递紊乱。在脓毒症幸存者海马和皮层中，发现皮质区胆碱能神经减少，小胶质细胞激活，神经元丢失等现象。另外一项脓毒症动物模型表示caspase-1的激活会破坏血脑屏障以及神经细胞超微结构，而抑制caspase-1信号通路可以下调脑中IL-1β，TNF-α等炎症因子的表达，同时避免小胶质细胞的活化，维护血脑屏障的内环境稳定[19]。以上证据表明维持正常的神经系统功能状态对于减轻脓毒症患者脑病的临床症状来说至关重要。

4 脓毒症与胃肠道

胃肠功能障碍是脓毒症的常见并发症之一。研究表明脓毒症合并急性胃肠道损伤的发生率仍在逐年增加，并且伴有严重胃肠道功能障碍的患者所占比重较大。综合近年来的研究，脓毒症引起的急性胃肠道损伤(AGI)的发病机理概述如下：(1)胃肠道粘膜损伤。肠胃循环血液不足，肠内细菌过度生长以及大量有毒代谢产物和炎性因子的释放会导致肠胃黏膜受损。当机体受到严重感染时，交感神经兴奋，胃肠道的应激反应更加剧烈，肠粘膜上皮细胞水肿，上皮凋落，绒毛损伤、凋亡和坏死。脓毒症肠粘膜病理学结果显示出明显损害征象，包括回肠绒毛脱落，上皮剥离，固有层出血和溃疡；(2)细菌移位。由于肠道是大量细菌(每克组织> 1010个生物体)的储存库，因此肠屏障的破坏会使机体出现系统性菌血症和败血症的状态。胃肠道黏膜可以防止细菌和有害物质进入人体，细菌也不会在胃肠道内移位。但是脓毒症时，由于AGI肠粘膜上皮细胞脱落，屏障通透性增加，免疫系统平衡被打破，原先处于抑制状态的细菌大量繁殖，内毒素释放流入血液，作用于全身，加重脓毒症胃肠毒性症状；(3)胃肠激素紊乱。胃肠道内有40多种内分泌细胞，其中对胃肠道运动功能影响显著的主要是胃动素和Ghrelin[20]。胃动素由小肠Mo细胞分泌，刺激胃和小肠运动[21]。生长素释放肽多分布于胃肠道和中枢神经系统，可作用于小肠并促进小肠平滑肌的收缩，同时也是提高胃能动性和胃酸的分泌调节剂，起到保护胃黏膜的作用，此外生长素释放肽也可通过信号通路减轻胃肠甚至全身的炎症反应。脓毒症者发生AGI时，有研究证实，Ghrelin水平明显下降[22]，同时血清胃肠激素胃动素也会明显降低，胃肠运动受到影响，有害代谢产物不能及时清除，进一步加重胃肠功能损伤，严重时可导致胃肠运动瘫痪，出现腹胀，肠麻痹等。脓毒症鼠模型中生长激素释放肽具有增加胃肠道血流量的能力，同时可以调节胃组织中凋亡相关因子的表达[23]。由此看出胃肠激素水平的稳定能有效维持胃肠道功能的正常代谢，对减轻脓毒症中合并的胃肠功能损伤具有重要的意义。

5 脓毒症与心脏

临床数据表明，重症脓毒症患者有50%的通常伴有左心室收缩功能不全[24]。结合文献可以从以下四个方面来理解脓毒症引起心肌损伤的发病机制：(1)生物分子改变。脓毒性休克中炎症因子大量释放，会不同程度地抑制心脏功能，Hoffman等实验表明脓毒症模型中心肌应变和应变率降低与促炎性细胞因子水平和血浆BNP的升高是相协调一致的[25]。他们的作用机理表现分别为：NF-κB-p53在LPS诱导的脓毒症大鼠模型心肌凋亡过程中发挥关键作用，核因子NF-κB介导多种炎症因子的表达，其中p53是细胞凋亡通路中的重要信号，有实验数据示脓毒症组心肌中p53水平显著升高[26]，激活细胞信号凋亡通路，导致心肌细胞的损伤甚至凋亡。肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是脓毒症炎症级联反应中的关键环节，促使单核/巨噬细胞释放大量炎症因子，联合过量生成的IL-6引起心肌细胞的收缩和舒张功能障碍[27]。在脓毒症中大量氧自由基作用于心肌线粒体，线粒体Ca2+摄取障碍，并且钙-ATP酶活性降低，细胞内钙离子无法回收，最终钙超载使线粒体内形成磷酸钙沉积，影响ATP合成，同时激活钙依赖降解酶，损伤心肌细胞膜。由于脓毒症患者细胞内Ca2+异常升高， 促使单核巨噬细胞分泌细胞因子，加重炎症反应、血管渗漏，最终可能损害心肌细胞，导致心脏功能受损；(2)心肌损伤。心肌细胞凋亡是脓毒症心肌损伤的重要表现之一。脓毒症期间产生的大量内毒素可激活一系列凋亡酶谱图，导致心肌细胞凋亡和坏死。SIRT3是心肌细胞线粒体内参与多种蛋白去乙酰化修饰的一种酶，数据表明SIRT3的数量和活性增加有利于保护心肌细胞免受氧化应激的损伤。在脓毒症鼠模型中，与对照组相比脓毒症小鼠心肌细胞内SIRT3含量明显降低，因此推断SIRT3参与的信号通路可能是脓毒症合并心肌损伤时潜在的保护机制[28]。结合文献，CRNDE/miR-29a / SIRT1组成的信号网络机制，也可能是脓毒症时心机损伤潜在的攻击靶点[29]。实验室证据表明脓毒症大鼠的心肌组织在光学显微镜下显示心肌纤维破裂，心肌嗜酸性粒细胞增多，细胞水肿；(3)自主神经功能障碍。严重脓毒症合并心肌损伤时，存在心脏自主神经系统中的神经元和神经胶质相关细胞凋亡现象，影响了心脏的自主神经系统功能。脓毒症后期大量内毒素的产生和释放，作用于心脏生物信号通路，破坏了神经元及相关胶质细胞正常的生理结构及功能，阻碍了心脏自主神经的传导。同时，内毒素可以直接抑制心脏的起搏电流并影响心脏的收缩和舒张功能。也有研究认为，脓毒症应激中心肌RAAS系统激活，联合炎症因子及心肌Ca2+的紊乱共同诱发心肌损伤，导致心功能不全。脓毒症心肌细胞的损伤凋亡与血管紧张素II 1型受体(AT1R)的低表达有很大的关系。通过降低AT1R表达使MAPK信号通路失活，降低EF及心率，抑制心肌细胞凋亡(表现为凋亡率降低，p53和Fas1表达降低以及Bcl-2表达升高)，从而提高大鼠的生存率。这些发现表明AT1R沉默可以通过抑制MAPK信号通路来减轻脓毒症诱导的心肌损伤[30]。

6 结语与展望

脓毒症是严重感染引起的全身炎症反应性综合症，其中炎症因子的大量释放是涉及脓毒症合并多脏器损伤的共同路径，肺脏，心脏，脑，肾脏及胃肠均对炎症因子介导的多种信号路径作出不同的氧化应激和免疫应答。ALI的特征是肺泡-毛细血管屏障的通透性增加，间质性水肿，大量炎性细胞聚集，促炎/抗炎系统失衡，造成大量实质细胞的损伤凋亡，破坏了肺组织正常的生理结构。

凝血系统功能的紊乱是造成脓毒症合并AKI后期一系列症状的重要原因，主要表现为肾脏血流动力学的异常，大量炎症因子释放破坏肾实质细胞，同时触发内源性凝血，诱导肾微血管血栓的形成，严重阻碍肾脏滤过重吸收的功能。同时肾脏正常生理结构和功能的破坏也会进一步加重凝血/抗凝功能的异常，因而形成了恶性循环。

脓毒症合并SE的病理生理机制十分复杂，其中血脑屏障的损伤是其中的关键，血脑屏障结构和功能的完整性是维护大脑内环境稳定的基础，SE时血脑屏障紧密连接受损，小胶质细胞活化，神经元凋亡，神经递质代谢紊乱，严重阻碍大脑神经网络信号通路的传递与表达，致使脓毒症合并SE的死亡率大大提高。

胃肠道黏膜受损是严重脓毒症时AGI发生的关键，脓毒症休克使得机体处于强应激状态，合并细胞因子释放，彼此协同作用使胃肠道黏膜缺血缺氧，黏膜细胞水肿，细胞连接断裂，屏障功能受损，大量细菌及内毒素移位进入血液循环，从而进一步加重脓毒症休克合并AGI的病情进展。

数据表明，近一半的重症脓毒症患者通常伴有心脏收缩功能不全，其中不同程度的心肌损伤是主要原因。严重脓毒症时大量炎症因子释放，异常激活不同信号分子通路(如ERK、JNK、p38等)，诱导心肌细胞不可逆的损伤凋亡，从而抑制心脏的收缩和舒张功能。反过来这也为脓毒症合并心功能不全的临床治疗提供了思路，可以利用分子生物学技术，上调如SIRT3的表达和数量，抑制死亡信号通路的激活，正向靶点作用于心肌细胞，减轻重症脓毒症时心功能的损伤。

脓毒症目前仍是急重症中威胁患者生命安全的主要病症之一，目前有大量研究试图从细胞、分子的水平进一步阐明脓毒症合并多脏器损伤的发病机制，不难发现，各脏器损伤致病机理均存在差异，牵涉路径也是十分复杂。疾病的诊断及病情严重程度的分级缺乏客观指标及严格定义，临床治疗也多是支持治疗及对症处理，仍然存在一定的局限性，因此未来仍需加强脓毒症致多脏器功能损伤致病机制方面的研究，针对不同脏器差异性的免疫应答及应激机制，除了常规的实验室影像学等监测，可以结合分子生物信息技术进一步精准化，精细化各脏器不同损伤程度的评估指标，以改善严重脓毒症的治疗现状，提升治愈率。