近期研究表明,输血相关性急性肺损伤( TRALI)损害程度在输血诱发的并发症中居于首位[1].TRALI被认为是一种新型的急性肺损伤,一般发生在任何血液制品输液 6 h 后,甚至会导致 5% ~10% 的致死率[1].
尽管 TRALI 的发病机制现今尚未完全了解,但 TRALI产生的主要病理生理学机制已被阐明,目前主要有两种: ( 1) TRALI 介导的抗体反应; ( 2) 双击模型.输血可引发 TRALI 患者发生强烈的固有性免疫反应[2],但这种免疫反应是如何被激活的仍然需要深入探讨.现就 TRALI 的研究进展做简要概述.
1 TRALI 的发病机制
近年来对 TRALI 的发病机制有大量的研究[2-3].TRALI 是指在非心血管衰竭或血管内容量超载的情况下,输血 6 h 后产生的急性双侧肺水肿.典型的临床特征是输血 1 ~6 h 后,初期发生呼吸困难,缺氧或低氧血症和低血压,并常伴有发热的症状.TRALI 发生的主要位点是微脉管系统,因为肺的毛细血管网是输入血液或血液制品最先到达的位点[4].
嗜中性粒细胞能同时经过肺和肺内皮,因而在应对 TRALI 反应发生过程中起到了中心作用.大量研究表明,嗜中性粒细胞的聚集和激活,以及与内皮细胞的单独或同时激活都会诱导肺内多种机制的产生,使肺微血管系统发生炎症,从而导致毛细血管渗漏,最终发展为肺水肿.嗜中性染色聚合物是在已故患者肺部和肺组织切片中检测到的最为显着的组织病理学特征.肺微血管系统的炎症反应被认为是由激活的内皮细胞和嗜中性粒细胞通过分泌细胞因子,释放促炎调节物质,产生活性氧簇( reactive oxygen species,ROS)和蛋白溶解酶而产生的作用.此外,肺内的血小板可能也涉及到嗜中性粒细胞和内皮细胞调节的血管炎症反应[3-5].然而至今 TRALI 发生的准确机制还尚不清楚.
大部分研究对 TRALI 发病提出了定向豁免和抗体介导机制,也有部分研究提出"双击"概念.现有的研究表明,这两种机制都可能涉及到,TRALI 只是代表由噬中性粒细胞启动/激活,内皮损伤/炎症及毛细血管渗漏等症状的出现,而这些现象的产生不论患者是否存在危险因素,都可能由抗体和其它生物反应修饰基因单独或同时作用引起.
2 TRALI 的病理机制
2. 1 TRALI 介导的抗体反应
通过早期的研究发现,血浆丰富的成分,如新鲜冻存的血浆和分离出的血小板及抗白血病抗体等许多的免疫供体都与诱导 TRALI 有关联.这表明存在供抗体的被动转移现象,如白细胞凝集反应就是由于输入血浆成分,导致同源抗体在病患的嗜中性粒细胞中表达[6-7].随后具有表面活性抗原的嗜中性粒细胞被激活、放大,从而使肺微脉管系统内的成分激活,释放大量嗜中性粒细胞、ROS 和其它的嗜中性粒细胞生物活性产物,最终导致内皮损伤、发生炎症反应.发生炎症反应的内皮会有大量的体液渗漏到肺间质中,产生 TRALI 的各种临床症状.Silliman等[8]报道,在 65% ~90% 的 TRALI 供试体中能检测到白血病抗体.
2. 2 "双击"理论
并非所有患者输入近亲抗体都会引起 TRALI 嗜中性粒细胞的抗原反应,因此由 Silliman 等首先提出了"双击"机制[8].随后有大量的研究也支持该理论[8].理论阐述的第一次攻击是在启动阶段,由初始的损伤到肺内皮,从而使内皮激活,导致患者自身的肺血管床上的嗜中性粒细胞激活、粘着以及发生后续的反应.经典的促炎内皮激活反应主要是由严重的感染或脓血症引起的,而现今研究表明,外部创伤和机械性通气模式的改变同样会导致促炎内皮的激活.第二次攻击是由输入的血液和血液成分介导的,也可能涉及生物反应修饰基因,如活性脂质分子或白血病抗体的集聚.二次攻击能推动已接触过抗原的嗜中性粒细胞活化,从而导致肺微脉管系统损伤扩大化,形成体液渗漏引起 TRALI 的主要临床症状肺水肿.
有研究者通过储存的血液制品诱导由脂多糖启动肺损伤的动物模型,从而验证"双击"理论[9].实验中提前用脂多糖处理大鼠,再经储存的血液制品的诱导后观察到大鼠肺的微脉管系统中的噬中性粒细胞增加,并扩大 ROS 的生成,弹性蛋白酶释放以及内皮细胞内的附着分子表达增加.而将脂多糖灌输小鼠的实验发现,无论是体内还是体外脂多糖均能引起内皮激活和噬中性粒细胞在肺内皮积聚.而粘连性的噬中性粒细胞只有在受到刺激时才会全面激活,如脂多糖能诱导血小板经炎症小体调停肺损伤[10].
3 TRALI 与固有性免疫反应
通过微生物病原体对固有性免疫系统的研究发现,其作为第一道宿主防护发挥着重要作用.少量高保守性的微生物基序能被模式识别受体 ( patternrecognition receptors,PRRs) 识别的过程被称为病原体相关的分子模式,而相关分子一般在典型的免疫细胞( 如树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞) 及非免疫性细胞( 如血管细胞、上皮细胞和成纤维细胞) 中表达.
有些 受 体 如 Toll 样 受 体 ( Toll-like receptors,TLRs) 、NOD 样受体( nucleotide oligomerization domain( NOD) -like receptor,NLR) 及其家族的 NLRP3 等,同样能在任何细胞和组织损伤时感知多种内源性分子的增加,继而自体或形成复合物发挥作用.最初的DAMPs( damage-associated molecular patterns) 定义为"任何危险性损伤的信号",因为这些内源性宿主衍生的非微生物分子在组织损伤或细胞死亡后随即释放,并具有代替病原相关分子模式( pathogen-associatedmolecular pattern,PAMPs) 激活促炎反应的相似功能.
DAMPs 是一个典型的高保守性核蛋白,作为染色质结合因子的骨架结构连接 DNA,并能促进在 DNA 特殊结合位点的蛋白聚集.通常情况下,DAMPs 是由免疫细胞分泌或濒死细胞释放的隐性分子[11].在组织损伤过程中,细胞或细胞核一般会失去其结构完整性,而内源性 DAMPs 通常情况下呈螯合状态,如与脂质、蛋白或核酸螯合到达膜面并与细胞溶质内的固有性免疫受体结合.
固有性免疫系统涉及至少 5 个 PRR 家族,它们共同协作识别这些外源性 PAMPs 和内源性 DAMPs∶TLRs、NLRs、RLRs、CLRs 以及新近发现的 ALRs 受体[12-13].此外,非典型的 PRRs 受体,如晚期糖基化终末产物受体( [advanced glycation end product ( AGE)receptor,RAGE]) 及其配体也已经被识别.RAGE 最初是作为晚期糖基化终末产物( advanced glycation endproduct,AGEs) 的受体被发现,但后来发现其也能与非AGE 配体如高迁移率族蛋白 B ( high mobility group box1,HMGB1) 和 S100 / 钙粒蛋白产生作用.
尽管固有性免疫系统在最初是被认为只能定向作用于病原体导致的组织损伤,而现今研究发现其能直接作用于任何大小的物理、化学或环境因素导致的损伤.通过对 PAMPs 或 DAMPs 的识别,固有性免疫系统能够对传染性和非传染性炎症反应迅速应答,从而迅速募集免疫细胞如中性粒细胞和巨噬细胞,以及产生促炎因子、炎症趋化因子和附着因子.此外,血小板和血管细胞,如上皮细胞和血管巨噬细胞,由于它们与中性白细胞具有交叉对话关系,因此也常参与到固有性免疫系统产生的炎症反应中.
无论是传染性还是非传染性的炎症反应都会消退使组织或创伤修复,并重新建立和维持内稳态.
炎症反应是非常重要的宿主防御措施,能够对抗包含病原体在内的多种损伤.但如固有性免疫炎症反应不能被控制,反应扩大时甚至会对宿主产生损伤,从而产生急性或慢性的疾病,如败血症、动脉粥样硬化、关节炎及阿兹海默病等[14-17].研究表明输液相关的急性损伤,尤其是 TRALI 都是由固有性免疫系统导致的.
4 TRALI 与炎症反应
4. 1 炎症小体
PRRs 参与多种不同信号通路的级联反应,通过转录和非转录途径导致促炎基因的表达,如先后甚至同时激活朊酶类和吞噬作用,而这些反应进程的分子平台就称为炎症小体,它在建立组织炎症反应中发挥至关重要的作用.炎症小体是细胞内多蛋白组成的复合物,由传感识别受体、结合蛋白 ASC 和炎症蛋白水解酶 caspase-1 等必需成分组成.由 DAMPs 或 PAMPs激活的炎症小体会导致 caspase-1 自动催化分裂.
caspase-1 一旦激活,立即形成白介素 IL-1β 和 IL-18的前体,进一步产生具有生物活性的细胞因子.
NLRP3 是一种典型的炎症小体,具有抗传染性和非传染性炎症的多种突出功能,因此受到了广泛关注.
它主要位于巨噬细胞中,但在中性粒细胞和内皮细胞中同样存在[18-19].事实上,NLRP3 是 NLR 家族的主要成员之一,也是 PAMPs、DAMPs、内源性 ATP 和某些内、外源性微粒的重要传感器.NLRP3 炎症小体的全面激活需要两个主要步骤,初始化启动步骤和激活步骤[20].初始化启动步骤会导致 NLRP3 上游基因的表达,同时还会导致 IL-1β 前体的表达,因而控制着整个炎症小体的初始激活.值得注意的是,NLRP3 初始刺激/信号包括 PRRs 所有配体,如 TLRs、RLRs 和 NLRs的参与.这个过程主要是通过 PRR 激发的转录过程,导致 NLRP3 上游表达增强,并诱导 IL-1β 前体的mRNA / IL-1β 表达,炎症小体激活[21].而刺激髓样细胞分化蛋白( myeloid differentiation factor 88,MyD88)或 Toll 样受体信号分子 TRIF 同样能够诱导 NLRP3 的表达[22].此外,确定性的 PAMPs,如 LPS,都能够通过TLR4 补 给 的 MyD88 和 TRIF 刺 激 包 括 DAMPs、HMGB1 和热休克 70 kDa 蛋白 ( heat shock 70 kDaprotein,HSP70) 在内的转录通路.
NLRP3 的激活本身不同于初始化启动步骤.尽管对炎症小体已有深入研究,但是如何诱导炎症小体的激活仍然需要进一步探讨.有研究发现 PRRs 能直接结合其同源激活物质,而物理和化学的不同刺激都能诱导 NLRP3 依赖性 IL-1β 的释放,因此被认为并不是 NLRP3 激活的真正机制.
研究者们对炎症小体的激活方式提出了 3 种可能途径,但是这些因素都并非具有排他性.微孔状毒素类激发的钾离子的外流、细胞膜的破裂或配体激发的通道都可能导致 NLRP3 炎症小体的集合.在细胞死亡的过程中,胞外具有高浓度的 ATP,能够激 活NLRP3 炎症小体,使胞内的 K+浓度恢复到近 50%[23].而这个过程中 NLRP3 的激活被认为是通过eATP 与 2 型跨膜上离子嘌呤受体 P2X7 结合,经 P2X7受体相关的阳离子通道,调控 K+外流.
4. 2 非炎症小体
吞噬体微粒是另一类能够激活 NLRP3 的 DAMPs刺激物,它也可以通过非炎症小体依赖性通路刺激炎症反 应[24].研 究 发 现 尿 酸 钠 ( monosodium urate,MSU ) 和 脱 水 焦 磷 酸 钙 ( calcium pyrophosphatedehydrate,CPPD) 结晶对 NLRP3 的激活和 IL-1β 的释放有重要的意义[25].由 NLRP3 能传感到 MSU 和其它如二氧化硅和石棉等晶体微粒物,而这种作用并不只限制于外源性无机化合物[18].溶酶体能阻断结晶激活 NLRP3.微粒激活 NLRP3 需要微粒被吞噬绑定和吸收才能发挥作用.结晶诱导的 NLRP3 炎症小体激活需要经过溶酶体干扰发挥作用,而结晶本身并不能被识别感知.如二氧化硅或者 MSU 诱导溶酶体的损害和泄露被认为是一种由固有性免疫系统诱导的DAMP.另有研究报道,组织蛋白酶 B 能到达胞浆诱导底物裂解,从而导致 NLRP3 激活[26].
4. 3 其它
ROS 的产生是一种高度进化的保守性危险信号,直接或间接诱发 NLRP3 的激活.NLRP3 激活剂和巨噬细胞吞噬微粒都会产生大量 ROS[27],而 ATP 诱导炎症小体的激活也与 ROS 有关联[28].
5 展 望
TRALI 是一种不可控的由固有性免疫系统介导的扩大化炎症反应,属于"自身炎症性疾病".而自身炎症性疾病是唯一由于 PAMP 激活 NLRP3 炎性小体和不同类别的 DAMPs,并伴随 caspase-1 活性及 IL-1 和IL-18 分泌的失常而引发的疾病.涉及固有性免疫系统介导炎症反应的疾病数量不断增加.现今干预治疗的新方法正在出现[28].如何阻滞 DAMPs 和( 或)PRRS,以及抑制固有性免疫分子传出( 如激活 NLRP3炎性体产生 IL-1) ,为今后新的治疗策略.
为了更准确地了解固有免疫系统在 TRALI 中潜在作用,研究将首先致力于寻找不同加工方法和储存时间的血液制品相关中潜在的 DAMPs.随后的研究,旨在利用单克隆抗体或特定分子抑制剂干扰这些DAMPs.另外,降低 eATP 的水平,例如通过刺激其击穿,将是另一种有望的治疗方法.而嘌呤信号系统可能会打开如急性肺损伤用于治疗炎症性疾病的新的治疗途径.TRALI 的"双击"模型对控制先天免疫过度刺激肺部嗜中性粒细胞、血小板、血管内皮细胞和巨噬细胞产生的潜在不利后果,为临床条件下储存的血液/血液成分输血过程中产生的严重 PAMP 和 ( 或)DAMPs 的研究,以及对未来治疗方案设计和实施的进展提供有效的信息.
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