机械通气诱发肺纤维化机制的研究进展

王柏伦张艺 谷长平 张芮芮 王月兰

山东第一医科大学第一附属医院（山东省千佛山医院）麻醉与围术期医学科&山东省麻醉与呼吸重症研究所，济南 250014

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(11):1202-1206.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220502-00682

 基金项目 

国家自然科学基金（82070078）

REVIEW ARTICLES

【综述】

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）、严重呼吸衰竭以及急性肺损伤患者的主要治疗方法是以机械通气为中心的支持性治疗，但该治疗方法本身可能导致呼吸机所致肺损伤（ventilator‑induced lung injury, VILI）。在美国，单独使用机械通气造成每年约75 000人死亡。大量研究表明，呼吸机设置不当的机械通气可导致继发性损伤，加重肺损伤甚至导致危重患者死亡。

机械通气是肺纤维化的重要诱因。不同患者由于年龄、体重以及基础疾病等因素对机械通气的耐受不同。潮气量过大、频率过快或长时间对患者进行机械通气更易诱发肺纤维化，使患者预后更差，生存率大大下降。许多ARDS患者在发病初期存活下来，但最终死于肺纤维化。肺纤维化的病理特征为炎症细胞浸润、肺泡间隔增宽、肺泡结构破坏、成纤维细胞增多以及肺组织萎缩。机械通气诱发肺纤维化的机制尚不清楚，但根据现有的研究，机械通气造成VILI的过程中成纤维细胞、肺泡上皮细胞、巨噬细胞、NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD‑like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3）炎症小体、肥大细胞、黏附分子及其介导的一系列反应，为肺纤维化疾病的发展奠定了基础。本文总结了机械通气导致肺纤维化的最新研究进展，分析了机械通气引起肺纤维化的可能诱发机制。

诱发肺纤维化的因素有很多，但机械通气诱发肺纤维化的机制尚未完全阐明。因此，从细胞、细胞因子和信号通路三个方面探讨并总结机械通气诱发肺纤维化的作用机制对后期该领域的深入研究具有重要意义。

1 细胞与机械通气肺纤维化

包括肺泡上皮细胞、巨噬细胞、肥大细胞在内多种细胞参与机械通气诱发肺纤维化。这些细胞在机械通气过程中出现不同程度聚集、增殖、转化等现象，以下重点讨论各细胞参与肺纤维化的机制。

1.1　肺泡上皮细胞

肺泡上皮细胞损伤时可发生上皮‑间质转化（epithelial‑mesenchymal transition, EMT）。EMT是指上皮细胞向成纤维细胞样细胞的转化，包括形态转化、表型标记物转换、细胞骨架重排和细胞信号通路的激活，最终导致纤维化。肺泡上皮细胞可以通过EMT作为成纤维细胞样细胞的祖细胞，表现为上皮细胞标志物（如E‑钙黏蛋白）减少，间充质细胞标志物（如波形蛋白）增加。

研究表明，肺泡上皮细胞过度拉伸、异常增殖、迁移能力受损以及分化不足可能是引发和加速机械通气诱导肺纤维化的因素。在机械通气过程中，肺通气量增加导致肺泡上皮细胞渐进式变形，肺泡‑毛细血管屏障破裂，Ⅰ型肺泡上皮细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞损伤。

最近一项研究中，应用机械牵张可诱导小鼠原代Ⅱ型肺泡上皮细胞发生EMT。因此，肺泡上皮细胞可能通过EMT诱导机械通气肺纤维化的发生。

1.2　巨噬细胞

肺巨噬细胞是肺和肺泡腔中数量最多的免疫细胞，其在指定的时间和空间点被激活的过程称为巨噬细胞极化，巨噬细胞极化对肺部炎症的发生、发展至关重要。巨噬细胞按照表型和分泌的细胞因子可分为两大类，即经典活化型巨噬细胞（M1型）和替代活化型巨噬细胞（M2型）。M1巨噬细胞的极化常发生在损伤早期，与诱导型一氧化氮合酶、IL‑1β、TNF‑α产生，促进炎症反应，清除细菌有关；而M2巨噬细胞产生IL‑10、精氨酸酶1、TGF‑β和血小板衍生生长因子，具有抗炎和免疫抑制作用。

一些研究已经证实，M2巨噬细胞极化会驱动肺组织的纤维化反应，如特发性肺纤维化和ARDS相关纤维化。M2巨噬细胞极化在机械通气诱导的肺纤维化中也产生类似作用。之前的一项研究发现，高潮气量机械通气可导致没有肺部疾病的健康小鼠发生早期炎症和随后的纤维化，并且高潮气量机械通气诱导M2巨噬细胞极化程度十分显著。在M2巨噬细胞的持续极化过程中，小鼠肺泡上皮细胞TGF‑β/Smad2/3信号通路激活，进而引起肺泡上皮细胞发生EMT。

因此，M2巨噬细胞极化可能通过激活上皮细胞TGF‑β/Smad2/3信号通路引起肺泡上皮细胞EMT，从而在机械通气诱导的肺纤维化过程中发挥作用。抑制巨噬细胞的极化可能是治疗机械通气肺纤维化的重要方式。

1.3　肥大细胞

肥大细胞来源于骨髓中表达CD34的造血干细胞，其与成纤维细胞共培养可通过产生类胰蛋白酶、组胺、白三烯和肾素诱导成纤维细胞增殖、迁移、收缩、胶原生成，以及α‑肌动蛋白表达。同时，成纤维细胞产生干细胞因子，滋养肥大细胞。这些发现强调了肥大细胞和成纤维细胞之间密切的相互作用，而肺纤维化患者肺部的一个特征就是肥大细胞数量增加。

类胰蛋白酶是肥大细胞最丰富的产物，它是一种具有多效性生物活性的丝氨酸蛋白酶，可上调细胞因子和血管内皮生长因子的表达，也能通过激活TGF‑β诱导成纤维细胞增殖和胶原合成。因此，肥大细胞的激活可能直接或间接导致组织纤维化。此外，类胰蛋白酶也是成纤维细胞合成Ⅰ型胶原的有效刺激剂，其作用机制是激活蛋白酶激活受体（protease activated receptors, PARs）家族的一个成员PAR‑2。有研究发现，胰蛋白酶缺乏的动物比野生型动物更不容易受到肺损伤和纤维化的影响。PAR‑2缺乏可减慢肝纤维化的进展，降低肝胶原蛋白基因表达和羟脯氨酸含量。近期研究发现，机械通气的应用增加了化脓性肺损伤中的类胰蛋白酶和PAR‑2含量。

因此，机械通气可能通过刺激肥大细胞增殖产生过多的类胰蛋白酶进而激活TGF‑β和PAR‑2，最终诱导肺纤维化的发生，如何抑制肥大细胞过度增殖以及类胰蛋白酶的产生可能是未来探究机械通气肺纤维化治疗的一个重要方向。

2 细胞因子与机械通气肺纤维化     

细胞因子具有多效性、重叠性、拮抗性、协同性等多种生理特性，形成了十分复杂的细胞因子调节网络，参与人体多种重要的生理功能。在机械通气过程中，细胞因子及炎症小体也能通过多种方式参与诱发肺纤维化。

2.1　NLRP3炎症小体

炎症小体作为细胞内的信号平台，在炎症因子的表达及活化中发挥重要作用。以往关于机械通气肺损伤的研究中对Nod样受体的研究最多。

NLRP3炎症小体是Nod样受体的重要组成部分，其作为固有免疫的重要组分在机体免疫反应和疾病发生过程中具有重要作用。NLRP3炎症小体由Nod样受体蛋白3、凋亡相关斑点样蛋白、胱天蛋白酶‑1组成，是表达在单核巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞、淋巴细胞胞质内的模式识别受体。

机械牵张可导致NLRP3炎症小体持续激活，进而引起细胞因子和炎症介质释放，最终导致肺损伤。先前有研究证明，肾小管上皮细胞中NLRP3表达受TGF‑β刺激，并与EMT相关。另有研究发现，NLRP3激活与机械牵张诱导的内皮‑间充质转换的发生有关，敲除小鼠NLRP3阻止了机械牵张诱导的内皮‑间充质转换，肺纤维化也得到改善。这些结果表明，机械牵张相关的内皮‑间充质转换可能部分是由于内皮细胞中NLRP3炎症小体的激活所致。NLRP3炎症小体的激活不仅介导肺组织炎症，而且也可促进机械牵张诱导内皮‑间充质转换和纤维化。因此，早期的肺炎症反应及机械通气过程中NLRP3炎症小体的激活可能成为机械通气肺纤维化发生的重要扳机点，对肺纤维化的预防奠定理论基础。

2.2　短链透明质酸（short chain hyaluronic acid, sHA）

细胞外基质（extracellular matrix, ECM）中部分成分可作为信号分子促进EMT发生。ECM透明质酸（hyaluronic acid, HA）是Toll样受体（Toll‑ like receptors, TLR）‑2和TLR‑4的内源性激活因子，在肺损伤中大量存在，部分通过髓样分化因子介导其作用。在皮肤损伤和肺损伤中，HA与CD44和TLR‑4的复合物相互作用，激活先天免疫，促进伤口异常愈合，并加重VILI。研究结果表明，sHA可能通过结合CD44和TLR‑4激活下游的WNT1诱导信号通道蛋白1（recombinant WNT1 inducible signaling pathway protein 1, WISP‑1）。牵张通过sHA激活WISP‑1的表达和信号转导，导致EMT。抑制sHA的表达可减少博莱霉素引起的大鼠纤维化，进一步表明sHA在纤维化中的重要性。并且，sHA可以增加巨噬细胞向肺的迁移以及TGF‑β在肺中的表达。

机械牵张导致肺成纤维细胞产生sHA，同时肺损伤也诱导气道上皮细胞产生sHA。研究表明，没有成纤维细胞的情况下，机械牵张Ⅱ型肺泡上皮细胞也足以产生sHA。这种效应发生在牵张损伤早期（细胞牵张开始4 h），但目前不能对上皮细胞或成纤维细胞sHA起源在VILI中的相对贡献做出定论。

因此，机械牵张导致肺泡上皮细胞EMT，部分原因是由于牵张促使sHA生成增加并激活WISP‑1从而参与EMT形成。sHA机制为机械通气肺纤维化的临床防治提供了新靶点、新思路。

2.3　中期因子（midkine, MK）

MK是一种肝素结合生长因子，也被称为神经突生长促进因子2，能够促进细胞的增殖、分化、存活、黏附和迁移。MK基因在正常器官中的表达普遍较弱，但在氧化应激、炎症和组织修复过程中会被强烈诱导。有多项研究表明， MK增加炎症细胞的募集，募集的炎症细胞可能参与纤维化前期过程；MK也可增加成纤维细胞中胶原和蛋白多糖的合成，以剂量和时间依赖的方式促进ECM的形成，在MK过表达的肺泡巨噬细胞中细胞因子的产生增加，加速肺内EMT。此外，MK已被证明可以调节肾素‑血管紧张素系统，增强人肺微血管内皮细胞血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme, ACE）的表达，ACE将血管紧张素Ⅰ转化为血管紧张素Ⅱ，从而导致肺纤维化的发生。

先前研究发现，MK能与Notch2相互作用，通过Nox1‑MK‑Notch2‑ACE信号通路激活ACE在机械牵拉诱导的EMT中发挥作用。因此，MK在机械通气诱导肺纤维化中发挥重要作用，这也使MK成为机械通气肺纤维化治疗的又一新靶点。

2.4　富含脯氨酸的酪氨酸激酶2（proline‑rich tyrosine kinase2, Pyk2）

文献报道牵张肾脏导致活性氧增多，诱导Pyk2磷酸化，通过Pyk2/胞外信号调节激酶1/2途径介导TGF‑β的表达，导致肾纤维化。同时研究发现Pyk2在肺毛细血管内皮细胞、血管平滑肌细胞中存在表达。机械通气过度牵张肺组织可能也会产生类似的效应，这为研究机械通气诱发肺纤维化的机制提供了新的思路。

3 信号通路与机械通气肺纤维化

细胞内各种不同的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白组成，执行着不同的生理生化功能。当细胞外的信号经细胞膜传递到细胞内发挥作用时就涉及到信号通路。在机械通气诱发的肺纤维化中也存在许多信号通路，并通过不同的方式在肺纤维化发展过程中发挥着不同的作用。

3.1　TGF‑β/Smad2/3通路

TGF‑β是一种二聚体多肽生长因子，能调节细胞增殖和分化、免疫反应、胚胎发育和血管生成。机体损伤后，TGF‑β从肺泡上皮细胞、巨噬细胞、血小板颗粒和浸润调节性T细胞中释放，通过TGF‑β/Smad2/3通路增加ECM的产生和沉积、炎症细胞的招募和成纤维细胞分化促进创面修复。但通路的过度激活会导致瘢痕沉积和组织纤维化。此外，TGF‑β/Smad2/3通路降低了参与ECM降解的酶（如胶原酶、肝素酶、基质金属蛋白酶、纤溶酶原激活剂、弹性酶和基质溶酶）的功能，并增加了抑制ECM降解酶（包括纤溶酶原激活物抑制剂1型和金属蛋白酶组织抑制剂）的活性。

有研究发现牵拉通过上调TGF‑β/Smad2/3通路诱导肾小管上皮细胞的EMT。也有研究表明，机械通气导致的M2巨噬细胞极化是通过TGF‑β/Smad2/3通路发挥促纤维化作用，机械通气也可通过其他方式增加TGF‑β表达，从而引起肺纤维化。

因此，TGF‑β/Smad2/3通路是机械通气诱发肺纤维化中的一条重要通路，如何减轻TGF‑β/Smad2/3通路所引起的纤维化将会是解决机械通气肺纤维化的一个重要研究方向。

3.2　Wnt通路

Wnt/β‑catenin通路是Wnt通路中的经典通路，Wnt/β‑catenin通路在进化过程中是高度保守的，并且对细胞分化和多器官系统的正常发育至关重要。既往研究表明，Wnt通路激活或缺失与许多疾病有关。Wnt/β‑catenin通路在EMT诱导及肺纤维化发生、发展中发挥重要作用，Wnt配体可诱导肺上皮细胞增殖、成纤维细胞激活和胶原合成。机械牵张已经被证明可以在多种类型细胞中激活Wnt/β‑catenin通路，包括成骨细胞和软骨细胞等。牵张可能也会导致非典型Wnt通路的激活，破坏E‑钙黏蛋白和β‑catenin的复合物造成纤维化。

此外，基质金属蛋白酶7是Wnt通路的靶基因，最近被确认为肺纤维化的关键调控因子，在VILI过程中，肺损伤的进展可能与基质金属蛋白酶激活和肺局部机械环境变化之间的失衡有关。因此，Wnt通路是机械通气诱发肺纤维化的一条重要通路。

4 结论与展望

国内外研究表明，机械通气是ARDS、严重呼吸衰竭以及急性肺损伤等患者生命支持所必需的，但同时也可能导致患者发生肺纤维化。机械通气作为肺纤维化刺激因素的作用机制尚不完全清楚。

机械通气造成Ⅱ型肺泡上皮细胞受损进而引发EMT，上皮细胞转变为具有促纤维化的成纤维细胞和肌成纤维细胞；诱发M2巨噬细胞极化，通过激活TGF‑β/Smad2/3通路导致ECM显著沉积；引起NLRP3炎症小体的增多，进而诱导内皮‑间充质转换；诱导sHA的产生，通过Wnt/β‑catenin通路诱导EMT；诱导MK与Notch2相互作用，通过Nox1‑MK‑ Notch2‑ACE介导的信号通路参与EMT的发生，最终诱发肺纤维化。

以上证据表明，机械通气可能会诱发患者发生肺纤维化。临床上目前还没有明确的方式和指标来诊断早期的机械通气肺纤维化，只能借助高分辨率CT、支气管镜以及检测肺泡灌洗液来提示是否发生肺纤维化以及纤维化程度。对机械通气诱发的肺纤维化并没有有效的治疗策略，可以在早期给予激素辅助治疗来减少机械通气的时间。对于机械通气肺纤维化最重要的防治理念，是通过优化机械通气的模式、时间、个体化通气策略以及呼气末正压和间断手法肺复张等多种肺保护策略，同时结合临床各种肺保护制剂的应用进而防治肺纤维化的发生。对机械通气诱发肺纤维化的机制应进一步深入研究，以便开发新的药物或防治方法来预防或治疗机械通气肺纤维化的发生、发展。