呼现我邮新治新展》之八一一水肿形成和消常的新机制 肺水肿形成和消散的新机制 白春学 肺内正常的解剖和生理机制保持肺间质水分恒定和肺泡处于理想的湿润状 态,以利于完成肺的各种功能。如果某些原因引起肺血管外液体量过度増多甚至 渗入肺泡,引起生理功能紊乱,即称为肺水肿。在80年代中期以前,人们认为 液体通过肺泡上皮是完全依赖于静力的被动过程,即肺毛细血管靜水压和/或血气 屏障通透性増加引起肺间质的液体量超过其容纳能力后,就会出现肺泡水肿。虽 然也认识到与肺毛细血管内皮比较,肺泡上皮屏障对蛋白和液体转运的阻力较 大,但忽略了肺泡上皮还有主动转运离子清除肺泡内液体的能力。当 Matthay等 人凹发现羊肺泡上皮具有主动淸除肺泡内液体的作用后,这一认识才受到了挑战 近来的硏究口发现,肺泡内还存在4种特异性水转运蛋白或称为水通道蛋白 ( Aquaporin,AQP)1,3,4,5可加速水的转运。使人们对肺水肿形成和消散机 制的认识达到了分子水平,为进一步提高肺水肿的治疗效果提供了重要的参考意 见 、肺内液体交换的形态学基础 肺泡表面为上皮细胞,约90%的肺泡表面被扁平Ⅰ型肺泡细胞覆盖,其余为 Ⅱ型肺泡细胞(附图)。细胞间连接紧密,正常情况下液体不能透过。Ⅱ型肺 附图 作者单位:200032上海,复旦大学附属中山医院肺科 泡细胞含有丰富的磷脂类物质,主要成分是二软脂酰卵磷脂,其分泌物进入肺泡, 在其表面形成一薄层减低肺泡表面张力的肺泡表面活性物质,维持肺泡扩张,并 有防止肺泡周围间质液向肺泡腔渗漏的功能。Ⅱ型肺泡细胞除了分泌表面活性物 质外,还参与钠运输。钠先通过肺泡腔侧的氨氯吡嗪咪( amiloride)敏感性钠通道 进入细胞内,再由位于基底膜侧的NaK-ATP酶将其泵入肺间质。肺毛细血管 内衬着薄而扁平的内皮细胞,内皮细胞间的连接较为疏松,允许少量液体和某些 蛋白质颗粒通过。 近来的研究凹还发现,支气管肺泡上皮表达4种水通道蛋白,参与肺泡液体 交换。其中AQP1位于肺毛细血管内皮细胞,AQP3位于气管、支气管粘膜上皮 基底边膜,AQP4位于小气道粘膜上皮基底边膜,AQP位于Ⅰ型肺泡细胞膜。早 期应用冰冻蚀刻电子显微镜技术凹研究提示,AQP1在质膜上以四聚体形式存在。 AQPl蛋白结晶成功后,电子晶体衍射图分析发现每个单体功能均独立。每个单 体肽链跨越细胞膜6次,并围绕形成腔型,中间可能即是水分子穿越的孔道2] 直径大约06mm。氨基酸链在膜两侧形成5个环形结构( LoopA,B,C,D,E)。 所有水通道家族成员在BE环上均含有由3个氨基酸Asn-pro-Ala形成的模体符, 此模体符附近的氨基酸序列在所有水通道中均高度保守。位于红细胞和肾近曲小 管的水通道AQP1可被HsCl抑制,这也解释了早期应用HsC作为利尿剂的机 理 肺水肿形成和消散的被动机制 无肺泡液体清除时,控制水分通过生物半透膜的各种因素可用 Starling公式
国家级继续医学教育项目 《呼吸衰竭诊断治疗新进展》之八――肺水肿形成和消散的新机制 1 肺水肿形成和消散的新机制 白春学 肺内正常的解剖和生理机制保持肺间质水分恒定和肺泡处于理想的湿润状 态，以利于完成肺的各种功能。如果某些原因引起肺血管外液体量过度增多甚至 渗入肺泡，引起生理功能紊乱，即称为肺水肿。在 80 年代中期以前，人们认为 液体通过肺泡上皮是完全依赖于静力的被动过程，即肺毛细血管静水压和/或血气 屏障通透性增加引起肺间质的液体量超过其容纳能力后，就会出现肺泡水肿。虽 然也认识到与肺毛细血管内皮比较，肺泡上皮屏障对蛋白和液体转运的阻力较 大，但忽略了肺泡上皮还有主动转运离子清除肺泡内液体的能力。当 Matthay 等 人[1]发现羊肺泡上皮具有主动清除肺泡内液体的作用后，这一认识才受到了挑战。 近来的研究[2，3]发现，肺泡内还存在 4 种特异性水转运蛋白或称为水通道蛋白 （Aquaporin，AQP）1，3, 4，5 可加速水的转运。使人们对肺水肿形成和消散机 制的认识达到了分子水平，为进一步提高肺水肿的治疗效果提供了重要的参考意 见。 一、肺内液体交换的形态学基础 肺泡表面为上皮细胞，约 90%的肺泡表面被扁平Ⅰ型肺泡细胞覆盖，其余为 Ⅱ型肺泡细胞（附图）。细胞间连接紧密，正常情况下液体不能透过。Ⅱ型肺 附图 ————————————— 作者单位：200032 上海，复旦大学附属中山医院肺科 泡细胞含有丰富的磷脂类物质，主要成分是二软脂酰卵磷脂，其分泌物进入肺泡， 在其表面形成一薄层减低肺泡表面张力的肺泡表面活性物质，维持肺泡扩张，并 有防止肺泡周围间质液向肺泡腔渗漏的功能。Ⅱ型肺泡细胞除了分泌表面活性物 质外，还参与钠运输。钠先通过肺泡腔侧的氨氯吡嗪咪(amiloride)敏感性钠通道 进入细胞内，再由位于基底膜侧的 Na,K-ATP 酶将其泵入肺间质[5]。肺毛细血管 内衬着薄而扁平的内皮细胞，内皮细胞间的连接较为疏松，允许少量液体和某些 蛋白质颗粒通过。 近来的研究[2]还发现，支气管肺泡上皮表达 4 种水通道蛋白，参与肺泡液体 交换。其中 AQP1 位于肺毛细血管内皮细胞，AQP3 位于气管、支气管粘膜上皮 基底边膜，AQP4 位于小气道粘膜上皮基底边膜，AQP5 位于 I 型肺泡细胞膜。早 期应用冰冻蚀刻电子显微镜技术[2]研究提示，AQP1 在质膜上以四聚体形式存在。 AQP1 蛋白结晶成功后，电子晶体衍射图分析发现每个单体功能均独立。每个单 体肽链跨越细胞膜 6 次，并围绕形成腔型，中间可能即是水分子穿越的孔道[2]， 直径大约 0.6 nm。氨基酸链在膜两侧形成 5 个环形结构(LoopA，B，C，D，E)。 所有水通道家族成员在 B、E 环上均含有由 3 个氨基酸Asn-pro-Ala 形成的模体符， 此模体符附近的氨基酸序列在所有水通道中均高度保守。位于红细胞和肾近曲小 管的水通道 AQP1 可被 HgCl2 抑制，这也解释了早期应用 HgCl2 作为利尿剂的机 理。 二、肺水肿形成和消散的被动机制 无肺泡液体清除时，控制水分通过生物半透膜的各种因素可用 Starling 公式
北邮前新治力新地果》之八一一水种形成和常的新机制 概括。当将其应用到肺并考虑到滤过面积和回收液体至血管内的机制时,可改写 为下面公式4: EVLW=((SAXLp)[(Pmv-Ppmv)-o(I my-I pm))-Flymph 式中EVLW为肺血管外液体含量:SA为滤过面积;Lp为水流体静力传导率; Pm和Ppmv分别为微血管内和微血管周围静水压;为蛋白反射系数;πm和 分别为微血管内和微血管周围胶体渗透压; Lymph为淋巴流量,概括了所 有将液体回收到血管内的机制。 SAXLP-Kf,是水滤过系数。虽然很难测定SA和Lp,但其中强调了SA对 肺内液体全面平衡的重要性。反射系数表示血管对蛋白的通透性。如果半透膜完 全阻止可产生渗透压的蛋白通过,0值为10,相反,如其对蛋白的滤过没有阻 力,σ值为0。因此,σ值可反映血管通透性变化影响渗透压梯度,进而涉及肺 血管内外液体流动的作用。肺血管内皮的σ值为0.9,肺泡上皮的σ值为1.0。因 此,在某种程度上内皮较肺泡上皮容易滤出液体,导致肺间质水肿发生在肺泡水 肿前。如果SA,Lp,Pmv和πpmw部分或全部增加,其它因素不变,EVLW即增 多。Ppmv,o,πm和 Lymph的减少也产生同样效应。由于重力和肺机械特性 的影响,肺内各部位的Pmv和Ppmv并不是均匀一致的。 正常时,尽管肺微血管和间质静水压力受姿势、重力、肺容量乃至循环液体 量变化的影响,但肺间质和肺泡均能保持理想的湿润状态。这是由于淋巴系统、 肺间质蛋白和顺应性的特征有助于对抗液体潴留和连续不断地清除肺内多余的 水分。肺血管静水压力和通透性增加时,淋巴流量可增加10倍以上。起次要作 用的是间质蛋白的稀释效应。它是由微血管内静水压力升高后致液体滤过增多引 起,降低π,反过来减少净滤过量,但对血管通透性增加引起的肺水肿不起作 用。预防肺水肿的另一因素是顺应性变化效应。肺间质中紧密连接的凝胶结构不 易变形,顺应性差,肺间质轻度积液后压力即迅速升高,阻止进一步滤过。但同 时由于间质腔扩大范围小,移除肺间质水分的速度赶不上微血管滤出的速度时, 易发生肺泡水肿。 、肺水肿消散的主动机制 但是,上述的机制不能解释肺泡上皮具有主动淸除肺泡内液体的能力, 且有研究冏表明,肺泡Ⅱ型细胞可将钠从肺泡腔侧转移到基底膜侧,通过肺泡表 面的氨氯吡嗪咪( Amiloride)敏感性钠通道进λ细胞内,再由位于该处的Na,K ATP酶泵入肺间质,同时带动液体转运,最后将肺泡内液体淸除到肺泡外。这 一机制可概括为肺泡液体主动淸除机制,可在一定程度上弥补肺泡液体被动淸除 机制的不足。 不同种属动物的肺泡液体主动清除功能存在着明显差别,大鼠和兔最高,羊 居中,狗最低阝η。人的肺泡液体淸除速度与大鼠和兔的类似,可增强肺泡液体 淸除功能近一倍。温度是影响肺泡液体淸除的重要因素之一,随着温度降低,钠 离子转运能力明显减退,进而影响肺泡液体清除速度。这也有助于解释为什么 Starling机制没有考虑到肺泡液体的主动淸除功能。这是因为早期的硏究是在室温 条件下进行的,而且使用的动物是肺泡主动液体清除功能最差的狗,结果无法体 现肺泡液体主动淸除的效应。现有的资料表明,肺泡液体转运可由儿茶酚胺依赖 和非依赖性机制调节。 在儿荼酚胺依赖性机制中,由β一肾上腺素能激动剂増强离体肺泡Ⅱ型细胞 的钠转运,并可被心得安阻滞,提示这一过程可能为3-5-cAMP依赖性机制。 内源性儿荼酚胺,特别是肾上腺素,可増强肺泡液体的吸收。将含有特布他林(10 sM)的自体血淸滴入麻醉羊的末梢气道4小时后,可増加肺泡液体淸除量近1
国家级继续医学教育项目 《呼吸衰竭诊断治疗新进展》之八――肺水肿形成和消散的新机制 2 概括。当将其应用到肺并考虑到滤过面积和回收液体至血管内的机制时，可改写 为下面公式[4]： EVLW={(SA×Lp)[(Pmv-Ppmv)-σ(πmv-πpmv)]}-Flymph 式中 EVLW 为肺血管外液体含量；SA 为滤过面积；Lp 为水流体静力传导率； Pmv 和 Ppmv 分别为微血管内和微血管周围静水压；σ为蛋白反射系数；πmv 和 πpmv 分别为微血管内和微血管周围胶体渗透压；Flymph 为淋巴流量，概括了所 有将液体回收到血管内的机制。 SA×Lp=Kf ，是水滤过系数。虽然很难测定 SA 和 Lp，但其中强调了 SA 对 肺内液体全面平衡的重要性。反射系数表示血管对蛋白的通透性。如果半透膜完 全阻止可产生渗透压的蛋白通过，σ值为 1.0，相反，如其对蛋白的滤过没有阻 力，σ值为 0。因此，σ值可反映血管通透性变化影响渗透压梯度，进而涉及肺 血管内外液体流动的作用。肺血管内皮的σ值为 0.9，肺泡上皮的σ值为 1.0。因 此，在某种程度上内皮较肺泡上皮容易滤出液体，导致肺间质水肿发生在肺泡水 肿前。如果 SA，Lp，Pmv 和πpmv 部分或全部增加，其它因素不变，EVLW 即增 多。Ppmv，σ，πmv和 Flymph 的减少也产生同样效应。由于重力和肺机械特性 的影响，肺内各部位的 Pmv 和 Ppmv 并不是均匀一致的。 正常时，尽管肺微血管和间质静水压力受姿势、重力、肺容量乃至循环液体 量变化的影响，但肺间质和肺泡均能保持理想的湿润状态。这是由于淋巴系统、 肺间质蛋白和顺应性的特征有助于对抗液体潴留和连续不断地清除肺内多余的 水分。肺血管静水压力和通透性增加时，淋巴流量可增加 10 倍以上。起次要作 用的是间质蛋白的稀释效应。它是由微血管内静水压力升高后致液体滤过增多引 起，降低πpmv，反过来减少净滤过量，但对血管通透性增加引起的肺水肿不起作 用。预防肺水肿的另一因素是顺应性变化效应。肺间质中紧密连接的凝胶结构不 易变形，顺应性差，肺间质轻度积液后压力即迅速升高，阻止进一步滤过。但同 时由于间质腔扩大范围小，移除肺间质水分的速度赶不上微血管滤出的速度时， 易发生肺泡水肿。 三、肺水肿消散的主动机制 但是，上述的机制不能解释肺泡上皮具有主动清除肺泡内液体的能力[1]，而 且有研究[5]表明，肺泡 II 型细胞可将钠从肺泡腔侧转移到基底膜侧，通过肺泡表 面的氨氯吡嗪咪（Amiloride）敏感性钠通道进入细胞内，再由位于该处的 Na，K －ATP 酶泵入肺间质，同时带动液体转运，最后将肺泡内液体清除到肺泡外。这 一机制可概括为肺泡液体主动清除机制,可在一定程度上弥补肺泡液体被动清除 机制的不足。 不同种属动物的肺泡液体主动清除功能存在着明显差别，大鼠和兔最高，羊 居中，狗最低[6，7]。人的肺泡液体清除速度与大鼠和兔的类似，可增强肺泡液体 清除功能近一倍。温度是影响肺泡液体清除的重要因素之一，随着温度降低，钠 离子转运能力明显减退，进而影响肺泡液体清除速度。这也有助于解释为什么 Starling 机制没有考虑到肺泡液体的主动清除功能。这是因为早期的研究是在室温 条件下进行的，而且使用的动物是肺泡主动液体清除功能最差的狗，结果无法体 现肺泡液体主动清除的效应。现有的资料表明，肺泡液体转运可由儿茶酚胺依赖 和非依赖性机制调节。 在儿茶酚胺依赖性机制中，由β－肾上腺素能激动剂增强离体肺泡 II 型细胞 的钠转运，并可被心得安阻滞[7]，提示这一过程可能为 3'-5'-cAMP 依赖性机制。 内源性儿茶酚胺，特别是肾上腺素，可增强肺泡液体的吸收。将含有特布他林（10 －5M）的自体血清滴入麻醉羊的末梢气道 4 小时后，可增加肺泡液体清除量近 1
呼现我邮新治新展》之八一一水肿形成和消常的新机制 倍以。应用氨氯吡嗪咪可减弱这一作用,支持儿茶酚胺是通过増强钠转运来改善 肺泡液体清除的。 近来的研究还表明,β一肾上腺素能激动剂还能増强离体亼肺泡液体清除近 一倍,与其它种属动物的改变类似,而且心得安或氨氯吡嗪咪乜能抑制这一作用 门。与水溶性β一肾上腺素能激动剂比较,长效脂溶性β一肾上腺素能受体激动 剂对人肺的作用更强,说明儿茶酚胺依赖性杋制同样参与人肺泡液体淸除的调 节 在非儿茶酚胺依赖性机制中,通过某些生长因子、细胞因子和肺泡Ⅱ型细胞 増生来改善肺泡液体淸除功能。用表皮生长因子孵育肺泡Ⅱ型细胞24-48小时 后,钠转运能力明显增强η。转化生长因子α(TGF。)可改善麻醉通气大鼠的肺 泡液体淸除,在其气管内滴λ5ngl的TGFaⅠ小时后,肺泡液体淸除増加 45%,4小时达53%,与β一肾上腺素能激动剂的作用类似。应用角化细胞生长 因子促使肺泡Ⅱ型细胞増生后,肺泡液体淸除能力乜相应増强四,提示肺泡Ⅱ型 细胞可为肺泡液体清除提供另一种非儿茶酚胺依赖性机制。 四、临床意义 病理状态下,特别是肺水肿和肺损伤时,肺泡上皮液体转运能力的改变具有 重要临床意义。已有研究η表明,动物实验中造成血管内皮损伤,但肺泡上皮仍 完整即可保持对液体转运的能力。用酸轻庋损伤气道上皮后,仍可保持一定的肺 泡液体清除功能,并可被β一肾上腺素能激动剂所増强閃。但是,产生严重的全身 性肺血管内皮损伤后,即可出现肺泡水肿,肺泡上皮对蛋白的通透性明显增加, 丧失从肺泡腔向肺间质转运液体的能力。其原因可能是损伤上皮紧密连接后造成 细胞间的透性増加,而不是肺泡上皮的盐水转运能力改变。近来对死于急性肺损 伤病人的病理硏究表明,肺血管内皮和肺泡上皮夺在弥漫性损害,肺泡液体中充 满高浓度蛋白和炎症细胞η,说明一旦出现不可逆性的弥漫性肺毛细血管和肺上 皮损害后,肺泡上皮的液体淸除将无法战胜肺泡液体渗出作用。临床研究也发 现能在肺损伤12小时内吸收一些肺水肿液体的病人恢复快,死亡率低。而肺泡 液体受到严重损害,病人的恢复慢,死亡率高。 上述硏究提示,保存或改善肺泡液体淸除功能对肺水肿和肺损伤后肺水肿的 治疗非常重要。下一步工作重点是怎样应用肺泡液体淸除理论指导肺水肿和肺损 伤后肺水肿治疗,用其弥补肺泡液体被动淸除机制的不足,加速肺水肿消散的速 度
国家级继续医学教育项目 《呼吸衰竭诊断治疗新进展》之八――肺水肿形成和消散的新机制 3 倍[7]。应用氨氯吡嗪咪可减弱这一作用，支持儿茶酚胺是通过增强钠转运来改善 肺泡液体清除的。 近来的研究还表明，β－肾上腺素能激动剂还能增强离体人肺泡液体清除近 一倍，与其它种属动物的改变类似，而且心得安或氨氯吡嗪咪也能抑制这一作用 [7]。与水溶性β－肾上腺素能激动剂比较，长效脂溶性β－肾上腺素能受体激动 剂对人肺的作用更强，说明儿茶酚胺依赖性机制同样参与人肺泡液体清除的调 节。 在非儿茶酚胺依赖性机制中，通过某些生长因子、细胞因子和肺泡 II 型细胞 增生来改善肺泡液体清除功能。用表皮生长因子孵育肺泡 II 型细胞 24－48 小时 后，钠转运能力明显增强[7]。转化生长因子α（TGFα）可改善麻醉通气大鼠的肺 泡液体清除[7]，在其气管内滴入 50 ng/ml 的 TGFα1 小时后，肺泡液体清除增加 45％，4 小时达 53％，与β－肾上腺素能激动剂的作用类似。应用角化细胞生长 因子促使肺泡 II 型细胞增生后，肺泡液体清除能力也相应增强[7]，提示肺泡 II 型 细胞可为肺泡液体清除提供另一种非儿茶酚胺依赖性机制。 四、临床意义 病理状态下，特别是肺水肿和肺损伤时，肺泡上皮液体转运能力的改变具有 重要临床意义。已有研究[7]表明，动物实验中造成血管内皮损伤，但肺泡上皮仍 完整即可保持对液体转运的能力。用酸轻度损伤气道上皮后，仍可保持一定的肺 泡液体清除功能,并可被β－肾上腺素能激动剂所增强[8]。但是，产生严重的全身 性肺血管内皮损伤后，即可出现肺泡水肿[7]，肺泡上皮对蛋白的通透性明显增加， 丧失从肺泡腔向肺间质转运液体的能力。其原因可能是损伤上皮紧密连接后造成 细胞间的透性增加，而不是肺泡上皮的盐水转运能力改变。近来对死于急性肺损 伤病人的病理研究表明，肺血管内皮和肺泡上皮存在弥漫性损害，肺泡液体中充 满高浓度蛋白和炎症细胞[7]，说明一旦出现不可逆性的弥漫性肺毛细血管和肺上 皮损害后，肺泡上皮的液体清除将无法战胜肺泡液体渗出作用。临床研究[7]也发 现能在肺损伤 12 小时内吸收一些肺水肿液体的病人恢复快，死亡率低。而肺泡 液体受到严重损害，病人的恢复慢，死亡率高。 上述研究提示，保存或改善肺泡液体清除功能对肺水肿和肺损伤后肺水肿的 治疗非常重要。下一步工作重点是怎样应用肺泡液体清除理论指导肺水肿和肺损 伤后肺水肿治疗，用其弥补肺泡液体被动清除机制的不足,加速肺水肿消散的速 度