粘附分子与体外循环中炎症反应的关系
范慧敏 张凯伦 孙宗全
关键词：粘附分子 炎症反应
体外循环(cardiopulmonary by pass,CPB)可以引起全身性炎症反应。对粘附分子在CPB炎症及再灌注损伤中的作用研究日益成为热点之一，现综述如下。
一、粘附分子及其参与CPB炎症反应机制
粘附分子(adhesion molecule,AM)是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。其种类繁多，目前在CPB中研究较多的主要有：免疫球蛋白超家族成员细胞间粘附分子-1(ICAM-1)及血小板内皮细胞粘附分子-1(PECAM-1)，主要分布于内皮细胞(EC)；整合素家族的CD11a/CD18(LFA-1)，CD11b/CD18(Mac-1)及CD11c/CD18，仅表达于白细胞表面；选择素家族的E-选择素(E-selectin,E-s),P-选择素(P-s)和L-选择素(L-s)，前二者主要表达于内皮细胞，后者主要表达于白细胞表面。
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在CPB中，血液与人工表面的接触引起凝血系统、纤溶系统、激肽系统及补体系统的激活，并使循环被迫中断1 h或更久，使局部明显缺血，缺血组织再灌注使细胞因子增加。上述体液中的级联反应及循环中的细胞因子，一方面激活EC，使EC表面AM(ICAM-1等)表达上调，另一方面激活白细胞，使其表达整合素(CD11b/CD18等)，ICAM-1与CD11b/CD18等相互作用触发了内皮细胞-白细胞的相互粘附，这是炎症反应的关键环节。当白细胞与EC粘附并迁移至血管外时，白细胞被激活，释放细胞毒性蛋白酶及氧自由基，从而导致术后心肺功能失常[1]。
二、体外循环对粘附分子的影响
1.模拟CPB对AM表达的影响：Habbal等[2]研究了离体小儿CPB模型对AM的影响，发现循环10 min后白细胞表面CD11b表达明显上调，L-s则明显下调，且持续达2 h，同时伴白细胞减少及IL-8和TNF-a水平增加，弹力酶释放。表明在儿童CPB，即使不接触其他组织，仍产生了急性炎症反应，这是血液暴露于人工表面的必然结果。CD11b/CD18的快速上调，可能是由于贮存在细胞内囊泡中物质释放所致。CPB时随温度下降，CD11b表达减少，复温可引起CD11b上调及L-s下调[2，3]。说明心脏手术中低温之后复温可加重CPB时炎症反应。Elliett和Finn[3]观察到应用膜式氧合器时CD11b上调较鼓泡式时减少。
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2.动物CPB对AM的影响：Gillinov等[4]比较了正常犬及补体C3缺陷犬的CPB模型。在正常犬，CPB时白细胞CD18迅速上调，并于CPB 30 min达高峰，同时伴肺中C3沉积及中性粒细胞浸润；而在C3缺陷组，CD18表达无变化，肺中亦无C3沉积，说明补体激活介导中性粒细胞粘附及在组织中产生浸润。在猪的CPB模型中，Gillinov等[5]观察了CD18变化并比较了抗炎因子NPC15669(治疗组)对其影响。在对照组，CPB 90 min时，CD18增加118%，而治疗组CD18上调明显减少，肺功能明显改善。
3.人体CPB对AM的影响：关于人体CPB对AM的影响，以往的研究结果不尽相同。然而，多数学者证实CPB时白细胞CD11b/CD18、CD11c/CD18上调，L-s下调[6-8]。另有学者报道L-s不变，并认为L-s在炎症中似乎不起重要作用[7，8]。Mien等[6]评价了肝素包被CPB管道时细胞表面标志变化。在肝素包被组，白细胞表面CD11b/CD18及CD11c/CD18无变化，而对照组则明显升高，且前者补体激活时攻膜复合体减少，并与CD11b/CD18密切相关。推测肝素包被直接或间接地抑制了白细胞激活，减轻了炎症反应，这可能是通过减少了补体激活所致。有学者发现，常温时白细胞CD11b在CPB 15 min即开始上升，在CPB结束30 min后仍然很高，在低温组，CPB早期CD11b上调较常温时明显减少，但CPB 30 min后CD11b明显上调，此时两者差异无显著性，说明低温能延迟但不能阻止CD11b上调[7]。CPB时AM(如ICAM-1、E-s等)在炎症反应中似乎起关键作用，这些AM在血浆中的可溶性形式(soluble AM, sAm)可以作为炎症时内皮激活的标志。有报道血浆中可溶性ICAM-1水平在心脏移植后具诊断价值[9]。据推测，血浆中sAM水平升高或是由于内皮AM表达的增高，或者更可能是内皮相关性蛋白的裂解。循环中sAM是否有它们自己的生物学功能是一个有争议的话题：sICAM-1似乎能保持内皮上ICAM-1与白细胞CD11b/CD18特异粘附能力，sICAM-1或许通过促进粘附分离而调节粘附。亦有人认为sICAM-1与膜表面ICAM-1竞争结合白细胞上CD11/CD18从而预防粘附。Boldt等[10]研究了不同温度下sAM水平，发现sICAM-1及可溶性E-s(sE-s)均增高，温度对其无影响，只有可溶性P-s(sP-s)在低温组手术结束后较常温组明显上调，这可能是低温同时影响凝血系统所致。而Menasche等[11]发现常温时sICAM-1水平在CPB结束30 min后开始上升，在CPB 24 h后达高峰，与低温组相比虽然没有差异无显著性(P>0.05)，但双因素方差分析仍显示了一个明显时间依赖关系，提示常温时sICAM-1上调更高。同时还观察到常温时血浆IL-1受体、sICAM-1及弹力酶同时升高，它们之间有密切关系，表明常温时心肺功能失常危险性增高。进一步研究发现，使用鼓泡式氧合器时CPB 24 h后sICAM-1水平明显增高，而膜肺时则变化不大[8]。Boldt等[12]比较了儿童与成人血浆中的sAM，在基础值(麻醉诱导后测得)。儿童sAM水平明显高于成人，且sE-s及sICAM-1水平超过正常范围，而CPB期间小儿sAM下降，成人不变，在术后第1 d小儿sE-s水平仍较低，而sICAM-1水平上调(但未超出正常范围)，具体机制不明。与其他结果不同的是，有研究报道在CPB期间，CD18保持不变[13]。在CPB结束后CD18进行性下降，并于CPB后24 h及48 h达最低点，同时CD11b、CD11c及PECAM-1亦下降，认为是由于离心泵的应用致白细胞激活减少所致。值得注意的是，在CPB开始后PECAM-1快速下调，这可能是由于白细胞激活后PECAM-1快速脱落所致，这对于白细胞从内皮细胞上分离并进行迁移是必要的。或许PECAM-1是作为炎症触发因素或调节因子而存在。据认为PECAM-1可以诱导氧反应中介物产生，并与单核细胞上FC受体结合传导激活信息，使IL-8、TNF-a水平增高。同时还发现，在CPB之后一段时间内，PECAM-1阳性细胞总数及血浆中可溶性PECAM-1水平保持不变，推测抗原合成与脱落同时进行，而细胞表达的量则依赖于这种平衡，若果真如此，那么白细胞在CPB期间及之后连续不断地合成PECAM-1，而后者将不仅在炎症初期而且在维持炎症时亦起作用，PECAM-1作为炎症指标较整合素及选择素更敏感。关于心肌中AM研究较少。Kilbridge等[14]观察到CPB可引起婴儿心房肌上E-s mRNA水平明显上调(增加3.5倍)，ICAM-1 mRNA在CPB结束上调2.1倍。在小儿心肌，Burns等[15]发现CPB前几乎所有心肌标本上均可测得P-s mRNA、P-s及ICAM-1，而E-s则无表达，CPB后P-s mRNA及P-s明显下降，E-s则表达增加。P-s介导炎症初期白细胞在内皮上“滚动”，而ICAM-1及E-s在心肌上表达较晚(分别于炎症刺激后2 h及9 h)，两者在炎症后期起重要作用。
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三、抗粘附分子MoAb的现状及应用前景
近几年来，人们开始尝试几种方法来预防CPB相关性脏器功能失常，如应用特殊的白细胞滤器，各种EC炎症介质释放抑制剂，炎性介质受体拮抗剂及免疫调控等。随着对AM在CPB炎症反应中作用的深入了解，人们对抗粘附分子MoAb的作用日益关注。Verrier等[16]在猴子CPB模型中应用抗AM单克隆抗体明显改善了心肺功能。因此可以认为，通过对AM参与炎症过程某一环节的干预，如调控细胞表面AM的表达及脱落或通过中和循环中sAM来减轻CPB时炎症反应及再灌注损伤，从而减轻心脏手术后器官功能失常，将是一个很有前景的治疗手段。
作者单位：范慧敏(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
张凯伦(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
孙宗全(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
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参考文献
[1]Boyle EM,Pohlman TH,Johnson MC,et al.Endothelial cell injury in cardiovascular surgery:the systemic inflammatory response.Ann Tharac Surg,1997,63:277-284.
[2]Habbal MN, Carter H, Smith LJ, et al.Noutrophil activation in paediatric extracorporeal circuits:effect of circulation and temperature variation.Cardio Res,1995,29:102-107.
[3]Elliett MJ, Finn AH. Interaction between neutrophyils and endothelium,Ann Thorac Surg,1993,56:1 503-1 508.
, 百拇医药
[4]Gillinov AM, Redmond JM, Winkelstein TA,et al.Complement and neutrophil activation during cardiopulmonary bypass,a study in the complement-deficient dog.Ann Thorac Surg,1994,57:345-352.
[5]Gillinov AM,Redmond TM,Zehr KJ,et al.Inhibition of neurtrophil adhesion during cardiopulmonary bypass.Ann Thorac Surg,1994,57:126-133.
[6]Mien D,Hogasen K,Fasse E,et al.Atteunation of changes in leukocyte surface markers and complement activation with heparin-coated cardiopulmonary bypass.Ann Thorac Surg,1997,63:105-111.
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[7]Le DF,Menasche P,Kucharski C, et al.Hypothermia during cardiopulmonary bypass delays but does not prevent neutrophil-endothelial cell adhesion. Circulation,1995,92:354-358.
[8]Gillinor AM, Bator JM,Zehr KJ,et al.Neu-trophil adhesion molecule expression during cardiopulmonary bypass with bubble and membrane oxygenaters.Ann Thorac Surg,1993,56:847-853.
[9]Ballantyne CE,Moinolfi JB,Young NT.Pro-gnostic value of increased levels of circulating ICAM-1 after heart transplantation.Clin Res,1992,29:285-290.
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[10]Boldt J, Osmer C, Linke LC. et al.Hyperthermic versus normothermic cardiopulmonary hypass:influence on circulating adhesion molecules.J Cardiothorac Vasc Anesth,1996,10:342-347.
[11]Menasche P, Peynet J. Lativiere J, et al.Does normothermia during cardiopulmonary bypass increase neutrophil-endothelium interactions Circulation,1994,2:275-279.
[12]Boldt J, Osmer C, Linke LC, et al.Circulating adhesein molecules in pediatric cardiac surgery.Anesth Analg,1995,81:1 129-1 135.
, 百拇医药
[13]Yamada H, Kudoh I, Mizoguchi J,et al.Responses of TNF alpha IL-8 and leukocyte adhesion molecule CD18 to cardiopulmonary bypass.Masui,1995,44:23-32.
[14]Kilbridge PM, Mayer JE, Newburger JW, et al.Induction of ICAM-1 and E-selectin mRNA in heart and skeletal muscle of pediatric patients undergoing cardiopulmonary bypass.J Thorac Cardiovasc. Surg,1994,107:1 183-1 192.
[15]Burns SA, Deffuman BJ, Newburger JW, et al.P-seletin expression in myocardium of children undergoing cardiopulmonary bypass.J Thorac Cardiovasc. Surg,1995,110:924-933.
[16]Verrier ED,Shen T.Potential role of neutr-ophil anti-adhesion therapy in myocardial stunning,myocardial infarction,and organ dysfunction after cardiopulmonary bypass.J Card Surg,1993,8:309-312., 百拇医药
关键词：粘附分子 炎症反应
体外循环(cardiopulmonary by pass,CPB)可以引起全身性炎症反应。对粘附分子在CPB炎症及再灌注损伤中的作用研究日益成为热点之一，现综述如下。
一、粘附分子及其参与CPB炎症反应机制
粘附分子(adhesion molecule,AM)是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。其种类繁多，目前在CPB中研究较多的主要有：免疫球蛋白超家族成员细胞间粘附分子-1(ICAM-1)及血小板内皮细胞粘附分子-1(PECAM-1)，主要分布于内皮细胞(EC)；整合素家族的CD11a/CD18(LFA-1)，CD11b/CD18(Mac-1)及CD11c/CD18，仅表达于白细胞表面；选择素家族的E-选择素(E-selectin,E-s),P-选择素(P-s)和L-选择素(L-s)，前二者主要表达于内皮细胞，后者主要表达于白细胞表面。
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在CPB中，血液与人工表面的接触引起凝血系统、纤溶系统、激肽系统及补体系统的激活，并使循环被迫中断1 h或更久，使局部明显缺血，缺血组织再灌注使细胞因子增加。上述体液中的级联反应及循环中的细胞因子，一方面激活EC，使EC表面AM(ICAM-1等)表达上调，另一方面激活白细胞，使其表达整合素(CD11b/CD18等)，ICAM-1与CD11b/CD18等相互作用触发了内皮细胞-白细胞的相互粘附，这是炎症反应的关键环节。当白细胞与EC粘附并迁移至血管外时，白细胞被激活，释放细胞毒性蛋白酶及氧自由基，从而导致术后心肺功能失常[1]。
二、体外循环对粘附分子的影响
1.模拟CPB对AM表达的影响：Habbal等[2]研究了离体小儿CPB模型对AM的影响，发现循环10 min后白细胞表面CD11b表达明显上调，L-s则明显下调，且持续达2 h，同时伴白细胞减少及IL-8和TNF-a水平增加，弹力酶释放。表明在儿童CPB，即使不接触其他组织，仍产生了急性炎症反应，这是血液暴露于人工表面的必然结果。CD11b/CD18的快速上调，可能是由于贮存在细胞内囊泡中物质释放所致。CPB时随温度下降，CD11b表达减少，复温可引起CD11b上调及L-s下调[2，3]。说明心脏手术中低温之后复温可加重CPB时炎症反应。Elliett和Finn[3]观察到应用膜式氧合器时CD11b上调较鼓泡式时减少。
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2.动物CPB对AM的影响：Gillinov等[4]比较了正常犬及补体C3缺陷犬的CPB模型。在正常犬，CPB时白细胞CD18迅速上调，并于CPB 30 min达高峰，同时伴肺中C3沉积及中性粒细胞浸润；而在C3缺陷组，CD18表达无变化，肺中亦无C3沉积，说明补体激活介导中性粒细胞粘附及在组织中产生浸润。在猪的CPB模型中，Gillinov等[5]观察了CD18变化并比较了抗炎因子NPC15669(治疗组)对其影响。在对照组，CPB 90 min时，CD18增加118%，而治疗组CD18上调明显减少，肺功能明显改善。
3.人体CPB对AM的影响：关于人体CPB对AM的影响，以往的研究结果不尽相同。然而，多数学者证实CPB时白细胞CD11b/CD18、CD11c/CD18上调，L-s下调[6-8]。另有学者报道L-s不变，并认为L-s在炎症中似乎不起重要作用[7，8]。Mien等[6]评价了肝素包被CPB管道时细胞表面标志变化。在肝素包被组，白细胞表面CD11b/CD18及CD11c/CD18无变化，而对照组则明显升高，且前者补体激活时攻膜复合体减少，并与CD11b/CD18密切相关。推测肝素包被直接或间接地抑制了白细胞激活，减轻了炎症反应，这可能是通过减少了补体激活所致。有学者发现，常温时白细胞CD11b在CPB 15 min即开始上升，在CPB结束30 min后仍然很高，在低温组，CPB早期CD11b上调较常温时明显减少，但CPB 30 min后CD11b明显上调，此时两者差异无显著性，说明低温能延迟但不能阻止CD11b上调[7]。CPB时AM(如ICAM-1、E-s等)在炎症反应中似乎起关键作用，这些AM在血浆中的可溶性形式(soluble AM, sAm)可以作为炎症时内皮激活的标志。有报道血浆中可溶性ICAM-1水平在心脏移植后具诊断价值[9]。据推测，血浆中sAM水平升高或是由于内皮AM表达的增高，或者更可能是内皮相关性蛋白的裂解。循环中sAM是否有它们自己的生物学功能是一个有争议的话题：sICAM-1似乎能保持内皮上ICAM-1与白细胞CD11b/CD18特异粘附能力，sICAM-1或许通过促进粘附分离而调节粘附。亦有人认为sICAM-1与膜表面ICAM-1竞争结合白细胞上CD11/CD18从而预防粘附。Boldt等[10]研究了不同温度下sAM水平，发现sICAM-1及可溶性E-s(sE-s)均增高，温度对其无影响，只有可溶性P-s(sP-s)在低温组手术结束后较常温组明显上调，这可能是低温同时影响凝血系统所致。而Menasche等[11]发现常温时sICAM-1水平在CPB结束30 min后开始上升，在CPB 24 h后达高峰，与低温组相比虽然没有差异无显著性(P>0.05)，但双因素方差分析仍显示了一个明显时间依赖关系，提示常温时sICAM-1上调更高。同时还观察到常温时血浆IL-1受体、sICAM-1及弹力酶同时升高，它们之间有密切关系，表明常温时心肺功能失常危险性增高。进一步研究发现，使用鼓泡式氧合器时CPB 24 h后sICAM-1水平明显增高，而膜肺时则变化不大[8]。Boldt等[12]比较了儿童与成人血浆中的sAM，在基础值(麻醉诱导后测得)。儿童sAM水平明显高于成人，且sE-s及sICAM-1水平超过正常范围，而CPB期间小儿sAM下降，成人不变，在术后第1 d小儿sE-s水平仍较低，而sICAM-1水平上调(但未超出正常范围)，具体机制不明。与其他结果不同的是，有研究报道在CPB期间，CD18保持不变[13]。在CPB结束后CD18进行性下降，并于CPB后24 h及48 h达最低点，同时CD11b、CD11c及PECAM-1亦下降，认为是由于离心泵的应用致白细胞激活减少所致。值得注意的是，在CPB开始后PECAM-1快速下调，这可能是由于白细胞激活后PECAM-1快速脱落所致，这对于白细胞从内皮细胞上分离并进行迁移是必要的。或许PECAM-1是作为炎症触发因素或调节因子而存在。据认为PECAM-1可以诱导氧反应中介物产生，并与单核细胞上FC受体结合传导激活信息，使IL-8、TNF-a水平增高。同时还发现，在CPB之后一段时间内，PECAM-1阳性细胞总数及血浆中可溶性PECAM-1水平保持不变，推测抗原合成与脱落同时进行，而细胞表达的量则依赖于这种平衡，若果真如此，那么白细胞在CPB期间及之后连续不断地合成PECAM-1，而后者将不仅在炎症初期而且在维持炎症时亦起作用，PECAM-1作为炎症指标较整合素及选择素更敏感。关于心肌中AM研究较少。Kilbridge等[14]观察到CPB可引起婴儿心房肌上E-s mRNA水平明显上调(增加3.5倍)，ICAM-1 mRNA在CPB结束上调2.1倍。在小儿心肌，Burns等[15]发现CPB前几乎所有心肌标本上均可测得P-s mRNA、P-s及ICAM-1，而E-s则无表达，CPB后P-s mRNA及P-s明显下降，E-s则表达增加。P-s介导炎症初期白细胞在内皮上“滚动”，而ICAM-1及E-s在心肌上表达较晚(分别于炎症刺激后2 h及9 h)，两者在炎症后期起重要作用。
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近几年来，人们开始尝试几种方法来预防CPB相关性脏器功能失常，如应用特殊的白细胞滤器，各种EC炎症介质释放抑制剂，炎性介质受体拮抗剂及免疫调控等。随着对AM在CPB炎症反应中作用的深入了解，人们对抗粘附分子MoAb的作用日益关注。Verrier等[16]在猴子CPB模型中应用抗AM单克隆抗体明显改善了心肺功能。因此可以认为，通过对AM参与炎症过程某一环节的干预，如调控细胞表面AM的表达及脱落或通过中和循环中sAM来减轻CPB时炎症反应及再灌注损伤，从而减轻心脏手术后器官功能失常，将是一个很有前景的治疗手段。
作者单位：范慧敏(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
张凯伦(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
孙宗全(430022武汉，同济医科大学心血管病研究所心外科)
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参考文献
[1]Boyle EM,Pohlman TH,Johnson MC,et al.Endothelial cell injury in cardiovascular surgery:the systemic inflammatory response.Ann Tharac Surg,1997,63:277-284.
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[15]Burns SA, Deffuman BJ, Newburger JW, et al.P-seletin expression in myocardium of children undergoing cardiopulmonary bypass.J Thorac Cardiovasc. Surg,1995,110:924-933.
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