急性肺损伤(acute lung injury,ALI)/急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是一种肺部急性弥漫性的炎性疾病,由肺炎、脓毒症、胰腺炎等多种肺内外因素引起,以顽固性低氧血症和弥漫性浸润影为主要临床表现
[1]。其特征炎症瀑布效应、肺血管内皮、上皮屏障持续受损,导致肺泡毛细血管的通透性增加、炎症细胞浸润、细胞因子和趋化因子的过度释放
[2]。ARDS病理生理复杂、异质,导致发病率和死亡率较高,而幸存下的患者也要忍受长期的后遗症,如肌肉无力、体力下降以及由危重疾病引起的心理影响
[3,4]。2019年10月美国国家心肺血液研究所召开的多学科专家研讨会指出ARDS的发病机制涉及血管内皮通透性增加、肺泡上皮细胞死亡、表面活性剂功能丧失、凝血级联激活及肺部复杂免疫途径触发等多个步骤。当前,针对这些关键节点的了解仍然有限,明确这些节点并控制关键下游事件和修复途径,成为了目前干预ARDS的主要障碍
[5]。
中性粒细胞作为第一个被损伤肺组织募集的免疫细胞,既往研究已表明中性粒细胞的数量与ARDS的严重程度呈正相关,中性粒细胞的浸润被认为是ARDS开始发生的标志
[6,7]。当炎症部位的中性粒细胞特异性受体识别内源性和外源性炎症后,促使循环中性粒细胞的募集和激活,活化的中性粒细胞发生氧化应激产生颗粒酶、促炎细胞因子、活性氧(reactive oxygen species,ROS)等多种细胞毒性产物,导致呼吸道上皮细胞及肺血管内皮损伤及功能障碍,并且触发多种趋化信号正反馈进一步加强炎症,导致周围组织损伤及肺功能障碍
[8,9]。中性粒细胞促进急性肺损伤重要机制在于激活后释放中性粒细胞外捕网(neutrophil extracellular traps,NETs)。NETs是中性粒细胞受特定刺激释放的复杂网状结构,由去聚合染色质、组蛋白、颗粒蛋白和细胞质蛋白修饰形成
[10]。NETs先被人们认识是作为一种机体的防御机制,能够阻止和灭活病原体,阻止其生长和传播,是先天宿主防御的重要组成部分。现发现NETs及其副产物可以直接诱导上皮细胞和内皮细胞损伤,同时诱导炎症细胞因子分泌进一步放大炎症反应和免疫介导血栓形成
[11‑14]。临床研究中发现ARDS患者支气管肺泡灌洗中的NETs明显高于循环中的水平,NETs的数量和临床结局及肺部损伤程度负相关
[15]。在气管内滴注LPS诱导的急性肺损伤小鼠模型中发现,降解NETs后可观察到肺水肿、出血、肺泡间隔增厚和炎症细胞浸润等病理表现得到逆转,进一步证实NETs在ALI/ARDS的发生、发展中起着关键作用
[16]。
综上所述,证明NETs在急性肺损伤过程中的作用,本文就NETs在ALI/ARDS中的具体角色及对肺血管内皮细胞、肺泡上皮细胞、凝血功能、其他炎症细胞的相互作用及靶向NETs的治疗策略进行综述。
1 NETs概述
Brinkmann等
[13]于2004年发现,中性粒细胞在激活后将会释放颗粒蛋白和染色质,形成一种细胞外纤维,这些纤维能结合细菌并降解其毒力,从而杀死细菌,将这一结构命名为NETs。
1.1 NETs的组成
目前已知NETs由纤维、双链DNA、组蛋白、细胞质蛋白以及各种中性粒细胞颗粒蛋白组成,包括中性粒细胞弹性蛋白酶(neutrophil elastase,NE)、抗菌肽、组织蛋白酶G和髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)等,此外其他蛋白质和细胞因子也可以结合到这个黏性支架上,包括趋化因子、生长因子,从而增强其抗菌活性
[17,18]。不同疾病中的NETs组成表现出明显异质性,Chapman等
[19]通过定量蛋白质组学技术,发现类风湿性关节炎和系统性红斑狼疮患者中性粒细胞产生的NET中,4种蛋白质(RNASE2、MPO、白细胞弹性蛋白酶抑制剂和胸苷磷酸化酶)存在显著差异,并表明无论还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶依赖性还是非依赖性刺激NETosis,都会产生大致相似的NET蛋白。Petretto等
[20]研究不同刺激下产生的NET蛋白组成和翻译后修饰也证实,不同刺激诱导的NETs在蛋白质组成和翻译后修饰方面均具有异质性,并表明不同条件下诱导的NETs可能具有不同的生物学效应。
1.2 NETs的形成
NETs的形成是指活化的中性粒细胞将NETs释放到细胞外环境的过程,被称为“NETosis”
[13]。NETosis可发生在感染或非感染无菌性炎症期间
[21]。目前已知主要有两种形成途径,分别为溶解性NETosis及非溶性的NETosis
[22]。
溶解性NETosis途径:当病原体(细菌、真菌、病毒)、中性粒细胞胞浆抗体、肉豆酸酯、脂多糖等通过细胞受体激活时,触发内质网释放钙离子, NADPH氧化酶复合物激活产生活性氧,此过程涉及蛋白激酶C及Raf蛋白激酶(raf protein kinase, RAF)/丝裂原激活蛋白激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase, MEK)/ 细胞外信号调节激酶(extracellular signal‑regulated kinase, ERK)途径
[23,24]。活性氧激活精氨酸脱亚胺酶4(peptidyl arginine deiminase 4,PAD4)促使组蛋白上的精氨酸转化为瓜氨酸导致正电荷丢失,降低DNA与组蛋白的亲和力,促进染色质解聚、去致密化。此外胞质中的活性氧促进髓过氧化物酶、中性粒细胞弹性蛋白酶从嗜天青颗粒转到细胞核,导致去致密化的染色质和颗粒物质通过破坏细胞膜释放到细胞外间隙中,随后中性粒细胞裂解死亡
[25‑27]。
非溶性NETosis途径:当中性粒细胞由细菌、细菌产物、激活的血小板、补体蛋白激活后,通过Toll样受体9(Toll‑like receptor 9,TLR9)受体不依赖ROS激活PAD4促进染色质去致密化,并且中性粒细胞弹性蛋白酶(neutrophil elastase,NE)和MPO以不依赖NADPH的方式从嗜天青颗粒中进入细胞核进一步促进去致密化,NETs通过胞吐的方式释放到细胞外,而不破坏细胞膜,中性粒细胞仍然存活并具有吞噬和趋化能力
[23,27]。见
图1。
2 NETs对肺上皮细胞及肺血管内皮细胞的影响
当机体发生感染性或无菌性炎症时,中性粒细胞会大量募集到感染或炎症部位,发生NETosis产生NETs,负责作为抵御入侵者的一线防御,但也存在引发组织损伤。组蛋白可破坏质膜导致钙内流直接损伤内皮细胞,增加其通透性,NE通过影响内皮细胞糖萼、E‑钙黏蛋白和VE‑钙黏蛋白的功能降解内皮细胞骨架,从而破坏肺泡细胞‑毛细血管屏障的完整性,MPO通过诱导肺上皮细胞DNA链断裂,导致肺上皮细胞损伤
[28]。在脓毒症急性肺损伤模型中,NETs刺激肺泡上皮细胞中N6‑甲基腺苷(N6‑methylladenosine, m
6A)甲基转移酶3(methyltransferase like 3,METTL3)介导沉默信息调节因子2相关酶类1(Silence information regulator 2 related enzymes 1,SIRT1) mRNA N6‑甲基腺苷修饰 ,降低其稳定性抑制其表达,从而导致肺泡上皮细胞自噬受损以及细胞活力下降
[29]。另有研究进一步表明NETs通过METTL3诱导缺氧诱导因子1α(hypoxia‑inducible factor‑1α,HIF‑1α)mRNA m
6A甲基化,抑制其降解,进而促进谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的表达,GPX4作为调节铁死亡的关键酶,促进肺泡上皮细胞中的铁死亡,进而加剧脓毒症急性肺损伤,同时,HIF‑1α也是细胞糖酵解的关键调控因子,其过度表达会增强肺泡上皮细胞的糖酵解,并抑制氧化磷酸化,从而进一步加剧铁死亡
[30]。NETs成分中dsDNA通过激活肺上皮细胞中环鸟苷酸‑腺苷酸合成酶(cyclic GMP‑AMP synthetase,cGAS)/干扰素基因刺激因子(stimulator of interferon genes, STING)/核因子‑κB(NF‑κB)信号通路促进了IL‑1β、IL‑6和TNF‑α等炎症因子的释放
[31]。NETs也可通过激活cGAS/STING通路触发肺泡上皮细胞坏死性凋亡,促进急性肺损伤,表明dsDNA是触发凋亡的独立风险因子,而通过DNase I 抑制其表达可显著抑制这种凋亡
[32]。Fei等
[33]在脂多糖肺损伤模型中发现,NETs可直接破坏肺血管内皮细胞中糖萼成分syndecan‑1和侧链HS的表达水平,阻碍下游HGF/cMET信号通路传导,进而诱发内皮细胞铁死亡,使用西维来司他(NETs成分的抑制剂)和siPAD4(NETs的驱动基因)可减轻铁死亡,并改善内皮细胞损伤。见
图2。
3 NETs对凝血功能的影响
凝血功能障碍是ARDS主要病理生理学特点之一,通常由组织因子暴露引起,导致凝血途径激活以及内源性抗凝血功能丧失。这一过程可导致血管内凝血失控、微血管和内皮损伤,最终引起肺、心脏和肾等重要器官功能障碍
[34]。一项大样本队列研究证实,凝血功能差与ARDS 患者院内死亡风险增加相关
[35]。早期研究表明,NETs的单独成分DNA和组蛋白可直接诱导凝血酶活化,从而启动凝血级联反应。此外带负电荷的NETs能够结合并激活凝血因子XⅡ(FXⅡ),通过内源性凝血途径发生凝血级联反应
[36]。NETs成分中游离DNA与凝血酶结合可触发其自体蛋白酶水解,产生两种凝血酶C末端肽(TCP)即12‑kDa TCP和7‑kDa TCP,12‑kDa TCP为7‑kDa TCP的中间产物,而7‑kDa TCP属于γ‑凝血酶,缺乏 γ‑凝血酶,凝血酶功能从促凝活性变为非凝血活性
[37]。此外来自NETs的血浆游离DNA 可通过环鸟苷酸‑腺苷酸合成酶(cyclic GMP‑AMP synthetase,cGAS)/干扰素基因刺激因子(STING)/NOD样受体蛋白3(NOD‑like receptor protein 3,NLRP3)/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶‑1(cysteine proteinase‑1,Caspase‑1)/ 白细胞介素‑1β(interleukin‑1β,IL‑1β)信号通路直接增强血小板活化和血栓形成潜力
[38]。组蛋白除直接诱发凝血级联反应外,还稳定纤维蛋白参与血栓形成,Locke等
[39]发现在活化的转谷氨酰胺酶、凝血因子XⅢ(FXⅢa)的催化下,组蛋白通过与纤维蛋白共价结合,形成竞争性纤溶蛋白底物,保护纤维蛋白免于降解,此外在缺乏FXⅢa情况下,组蛋白也可通过非共价方式与纤维蛋白交联,加速纤维的横向聚集,形成较厚且较高质长比的纤维,进而阻碍纤维酶溶解,并且所有组蛋白亚型(H1、H2A、H2B、H3和H4)与纤维蛋白交联。见
图3。
4 NETs与免疫细胞的相互作用
NETs的释放可捕获病原体,但持续感染和炎症环境会导致其过量蓄积,通过与免疫细胞通讯,从而放大炎症反应加重组织损伤,接下来探讨NETs对肺泡巨噬细胞、T细胞、树突状细胞的作用。
4.1 肺泡巨噬细胞
肺泡巨噬细胞作为抵御外来侵入的主要屏障,通过诱导细胞因子产生和抗原呈递从而清除有害颗粒及病原体,在维持气道稳态起着关键作用。现已证实肺泡巨噬细胞的焦亡与急性肺损伤的进展相关,焦亡的发生会导致细胞肿胀及质膜穿孔形成,导致钾流出,从而将促炎物质释放到细胞外放大炎症反应
[40]。Li等
[41]通过革兰阴性细菌诱发ARDS患者的支气管肺泡灌洗液发现NETs标志物MPO‑DNA、肺泡巨噬细胞焦亡标志物caspase‑1及炎症细胞因子水平明显高于健康志愿者,通过LPS诱导ARDS小鼠模型,发现当NETs被DNase Ⅰ降解或BB‑CI‑amidine(一种NETs形成的抑制剂)抑制时,肺泡巨噬细胞焦亡减少,从而明显减轻ARDS的严重程度,并证实在ARDS中NETs介导肺泡巨噬细胞焦亡,从而导致肺损伤,是通过 NETs的成分游离DNA激活黑色素瘤缺乏因子2 (absent in melanoma 2,AIM2)炎症小体所诱发。Liu等
[42]也在脓毒症肺损伤模型中发现NETs可激活肺泡巨噬细胞焦亡另一关键炎症小体‑Pyrin炎症小体,通过抑制其表达可减轻巨噬细胞焦亡改善肺损伤,NLRP3炎症小体在受到NETs诱导的巨噬细胞中同样也会升高,但敲除
NLRP3基因并不影响NETs诱导肺泡巨噬细胞焦亡。另一项脓毒症急性肺损伤研究表明NETs可通过增加肺泡巨噬细胞中ROS,调节NLRP3去泛素化激活,导致炎症小体caspase‑1激活从而导致肺泡巨噬细胞焦亡,释放大量IL‑1β和IL‑18加剧肺损伤进展,通过DNase1降解NETs可有效减少NLRP3炎症小体的激活,减少肺泡巨细胞焦亡和改善肺损伤
[43]。此外在缺血再灌注肺损伤中发现细胞外NETs中组蛋白可通过诱导肺泡巨噬细胞极化,使之呈现促炎表型M1表型,分泌组织蛋白酶C (cathepsin C,CTSC)以依赖NADPH氧化酶方式介导ROS产生,诱导NETosis以及导致NETosis相关炎症因子的释放增加
[44]。
4.2 T细胞
调节性T细胞(regulatory T cells, Tregs)是CD4
+T淋巴细胞的一个特殊亚群,主要通过抑制过度免疫系统激活,发挥维持免疫稳态的功能,目前被认为是调节ARDS期间免疫和炎症反应失衡的关键靶点
[45]。研究表明NETs可上调未成熟CD4
+T细胞中参与Tregs分化以及功能调控相关的基因表达
[46]。Shi等
[47]发现在脓毒血症免疫抑制期,NETs通过调节胆固醇代谢的转录和酶活性,触发CD4
+T细胞的脂质代谢重编程,增强细胞内胆固醇合成,诱导Tregs分化,上调Foxp3、IL‑10和TGF‑β表达,增强免疫抑制活性,而DNase1降解NETs可有效缓解肺组织损伤。此外,Wilson等
[48]研究发现NETs主要成分组蛋白可以直接与T细胞上表达的Toll样受体2(Toll‑like receptor 9,TLR2)结合,诱导辅助性T细胞17(T helper 17 cell,Th17)增强分子转录激活子3 (signal transduction and transcriptional activator 3,STAT3)磷酸化,从而促进Th17细胞的分化并增强其活性,促进IL‑17炎症因子的产生。NTEs还可强烈抑制活化T细胞的趋化迁移,其机制不仅仅是单纯的抑制对迁移的物理障碍所导致,而是通过产生H
2O
2和降解趋化因子CXCL11所造成,从而抑制适应免疫
[49]。综上所述NETs可促进调节性T细胞抑制活性以及促炎型T细胞活性,从而导致机体Treg/Th17免疫失衡,还可通过抑制T细胞的趋化迁移从而降低其适应性免疫反应,但是NETs对于调节性T细胞的影响以及对促炎性T细胞的具体调控途径尚不明确,需进一步研究探索NETs对T细胞的作用机制。
4.3 树突状细胞
树突状细胞(dendritic cells,DCs)是先天免疫反应的重要组成部分,具有强大的抗原呈递功能,是先天免疫和适应性免疫的关键桥梁。DCs在未成熟状态下捕获和加工抗原的能力较弱,在外界环境刺激下,可激活辅助性T细胞并启动适应性免疫反应,促进中性粒细胞的浸润及肺部损伤,在呼吸系统疾病中发挥重要作用
[50]。现有研究表明NETs可激活DCs促进原代CD4
+T细胞向辅助性T细胞1 (T helper 1 cell,Th1)和Th17细胞分化,产生促炎细胞因子INFγ、IL‑17、TNFα进一步加重肺部免疫炎症反应
[51]。此外Su等
[52]发现NETs还可促进DCs的成熟并增强其TLR4的表达,加强IL‑6和IL‑β的分泌能力。由此可见NETs在促进DCs成熟及促使其与适应性免疫桥接中发挥重要作用。见
图4。
5 NETs靶向治疗策略
如前所述NETs可通过多种途径促进急性肺损伤发生、发展,因此靶向NET可成为控制和治疗该疾病的可行策略,以下从抑制NETs形成、促进NETs降解、靶向NETs主要成分、联合治疗新技术等方面,概述潜在的抗NETs疗法(
表1)。
5.1 抑制NETs形成
热毒宁临床上常用于治疗上呼吸道疾病,现研究发现热毒宁可抑制ERK的磷酸化和PAD4蛋白的活性,从而抑制NETs形成减轻LPS诱导的急性肺损伤
[53]。柯里拉京作为传统草药叶下珠的主要成分,具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用,研究表明其通过抑制中性粒细胞弹性蛋白酶的表达,减少NETs形成从而减轻HCL/LPS诱导的急性肺损伤
[54]。上述研究表明通过抑制NETs形成的关键酶可有效改善急性肺损伤。此外靶向膜通道形成也成为了抑制NETs形成的有效策略,在盲肠结扎穿刺脓毒症小鼠模型中发现,通过注射血必净可抑制消皮素D及其上游调节因子的的表达抑制细胞膜孔的形成,从而抑制NETs形成防止脓毒症急性肺损伤
[55]。血小板作为NETs形成的重要诱导剂,研究发现莪术二酮抑制血小板活化阻断血小板与中性粒细胞的相互作用,可有效减少肺部中性粒细胞的浸润和NETs的形成改善肺损伤
[56]。
5.2 促进NETs降解
脱氧核糖核酸酶Ⅰ作为可以降解 NETs核酸骨架的酶,因其短半衰期、高清除率及缺乏靶向能力限制其对急性肺损伤的治疗,现研究发现利用仿生细胞囊泡递送脱氧核糖核酸酶Ⅰ可有效降解肺NETs减轻肺组织的炎症损伤
[57]。在LPS和输血双重干预的急性肺损伤模型中发现,输注补体C1肽抑制剂可有效抑制NETs活性及降低游离DNA浓度从而减轻肺损伤
[58]。臭氧作为一种强效杀菌气体,研究发现其可通过AMPK途径增强巨噬细胞清道夫受体A1的表达,增强巨噬细胞对NETs的吞噬作用有效清除过量的NETs减轻脓毒症急性肺损伤
[59]。此外NETs降解机体多因素温影响,当体温在40℃时血浆脱氧核糖核酸酶对其清除能力增强而在35 ℃和42 ℃时减弱
[60]。然而在一项中度低体温(32~33.9 ℃)干预脓毒症急性肺损伤的实验中发现,中度低体温可降低肺组织的炎症反应和氧化应激损伤
[61]。因此在急性肺损伤的治疗中对于体温的控制时机,需在未来重点关注。在高胆固醇血症小鼠中发现NETs诱导脱氧核糖核酸酶反应受损,从而导致NETs清除延迟和炎症消退缺陷
[62]。
5.3 靶向NETs主要成分
西维来司他钠是一种中性粒细胞弹性蛋白酶抑制剂,在临床研究中发现可降低NE诱导的干扰素α、白介素‑1β、白介素‑2等炎症因子水平并改善手术后急性肺损伤患者的肺部炎症损伤和预后
[63]。肝素临床常用抗凝药物,在LPS诱导的急性肺损伤模型中发现用肝素预处理可明显抑制组蛋白诱导的肺泡巨噬细胞活化并减轻肺损伤
[64],此外肝素还可明显减轻组蛋白诱导的血管高通透性减轻炎症性渗出
[64]。Verdiperstat作为MPO抑制物常用治疗多系统萎缩,在LPS诱导的急性肺损伤中发现Verdiperstat可通过抑制MPO保护VE‑钙黏蛋白和紧密连接蛋白,改善人肺微血管内皮细胞损伤
[66]。综上所述靶向NETs主要成分在临床应用中也具有潜在前景。
5.4 联合治疗新技术
由于降低NETs导致机体对细菌清除率下降,因此靶向NETs与抗菌药物的联合治疗在急性肺损伤中的应用逐渐受到关注。在铜绿假单胞菌感染小鼠中发现,使用髓系C型凝集素结构域家族5成员A(C‑type lectin domain family 5 member A,CLEC5A) 单克隆抗体联合环丙沙星治疗,可减少NETs形成降低促炎细胞因子并且还能提高环丙沙星疗效,从而明显降低肺损伤提高感染小鼠的生存率
[67]。在脓毒症小鼠模型中也发现,与单独使用阿托伐他汀或亚胺培南相比,阿托伐他汀联合亚胺培南使用可更有效地减少脓毒症小鼠肺损伤和全身炎症反应,并认为其原因与阿托伐他汀降低NETs有关
[68]。可见通过联合降低NETs药物提升抗生素疗效在未来控制感染性疾病和解决抗生素耐药性中具有潜在应用前景。cGAS/STING信号通路在介导NETs下游炎症反应中发挥重要作用,研究发现使用STING抑制剂H‑151可明显缓解急性肺损伤的炎症反应及炎症损伤,但不降低NETs的表达
[69]。因此STING抑制剂和靶向NETs联合治疗可作为未来治疗急性肺损伤的可行策略。
6 临床转化的挑战
靶向NETs在急性肺损伤中的应用面临着个体异质的挑战,研究发现老年人形成的NETs的胞外DNA更具有氧化性并且对脱氧核糖核酸酶Ⅰ的降解具有抗性
[70]。此外女性中性粒细胞因Ⅰ型干扰素刺激基因明显上调较男性而言更易产生NETs。因此根据患者具体情况指定个性化方案对于干预急性肺损伤至关重要。中性粒细胞的正常功能与其染色体结构密切相关,例如
TET2基因缺失的人类中性粒细胞因染色质过度浓缩,形成NETs结构异常,导致其促炎反应增强,但细菌清除能力可能受损,因此个体基因的差异性需要未来进一步研究
[72]。基因编辑技术联合靶向NETs可成为更有效的治疗手段。
7 展望
NETs与急性肺损伤之间的关系近年来已被证实,然而NETs仍然存在许多问题需进一步探索和解决,例如线粒体DNA释放引发NETosis的机制尚不明确。其次,不同炎症因子诱导NETosis产生NETs表现出明显的异质性,本文未能深入探讨。最后,NETs在机体免疫防御中扮演双刃剑的角色,如何在干预时机上做出平衡,防止NETs的过度形成和释放是一个关键问题。本文详细描述了NETs在ALI/ARDS过程中的作用,通过NETosis途径过度产生NETs,破坏了肺泡上皮细胞细胞及肺血管内皮细胞,进而引发肺微循环中凝血级联反应。同时NETs通过与免疫细胞相互作用,放大炎症反应,导致肺组织的破坏,促进ALI/ARDS的发生、发展。此外探讨了靶向NETs可成为未来干预该疾病的有效策略。
作者贡献度说明:
张文星:文献收集、全文构思、图片绘制和论文撰写;唐雯、李政玉、鲁俊才、李兆、彭继超:文献整理、图片修改;刘笑然、姚津剑:构思指导、全文修改及基金项目支持。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
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