创伤后系统性炎症反应的启动机制

随着建筑业、交通运输行业的发展，各种损伤的发生率逐渐升高、损伤程度也日益严重，由此引发的创伤后全身炎性反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）和进一步发生的多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）越来越多，已经成为青壮年人群死亡的主要原因之一[1， 2]。创伤、感染、中毒、缺血/再灌注损伤等多种因素均可导致全身系统性炎症，进而出现MODS，与此同时机体的炎症水平及免疫功能发生显著改变。炎症由局部扩展到全身，免疫系统由免疫防御到杀伤肺、肝、肠等脏器自身细胞，其错综复杂的病理生理机制迄今仍未完全清楚。肠菌移位学说、微循环障碍学说、炎症级联瀑布学说、缺血-再灌注学说等学说均无法把炎症与免疫反应的分子机制与临床病理表现完全统一。对病理生理机制认识上的不足也使SIRS及MODS的临床诊断与治疗效果不尽如人意[3]。

上世纪末，Janeway提出病原体相关分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）和创伤后组织细胞裂解物的损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs），以及机体相应的模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）[4]，为研究创伤后SIRS的发病机制提供了重要的理论基础。在SIRS发展到MODS的病理生理过程中，创伤、感染等因素使大量DAMPs、PAMPs进入血液循环[5]，激活巨噬细胞、中性粒细胞等固有免疫系统的效应细胞[6]，引起循环中的细胞因子风暴，免疫系统激活的程度与细胞因子的浓度相关[7]。细胞因子风暴进一步激活固有免疫系统，加剧组织细胞损伤，组织细胞损伤释放更多的模式分子激活更多的固有免疫细胞[5]，产生更多的细胞因子，如此恶性循环，最终出现器官衰竭甚至死亡[2]。其中炎症反应的启动及维持是关键机制。本文就SIRS的分子启动机制进行综述。

免疫系统必需在微生物侵入时区分自体细胞与病原体，区分自体细胞是否死亡，为此人体已进化出完善的监督/防御/修复机制。这套机制包括危险信号的识别、相应细胞的激活、局部及全身炎症反应的启动[8]。来自病原体本身的PAMPs是典型的危险信号。在生物与环境长期的相互作用中，机体固有免疫系统识别的PAMPs往往是种系高度保守且病原体赖以生存的结构，如革兰氏阴性细菌的脂多糖（LPS）、革兰氏阳性细菌的脂多磷壁酸（LTA）、细菌未甲基化的CpG-DNA及细菌甲酰化蛋白（FPP）等，因此病原体很难产生突变而逃脱固有免疫系统。机体免疫细胞的PRRs能够特异性结合病原体自身携带或释放的PAMPs，从而启动炎症反应，引起机体防御和修复反应[9， 10]。

针对不同的PAMPs，目前已发现至少6类PRRs，包括TLRs （Toll-like Receptors），NLRs （NOD-like receptors）， RLRs （RIG-I-like receptors）， CLRs （C-type lectin receptors）， AIM2LRs（absence in melanoma 2 -like receptors），FPRs （formyl-peptide receptors）[11]。其中TLRs家族识别的配体多（能识别LPS，PepG，LPA，CpGDNA，细菌RNA等），作用广泛，处于核心地位[12]。越来越多的证据表明TLRs除识别微生物PAMPs外还识别多种内源性DAMPs，如损伤、坏死细胞释放的HSPs、HMGB1、线粒体甲酰化蛋白、线粒体DNA、S100蛋白以及透明质酸、硫酸肝素及蛋白聚糖等细胞外基质的组分。 FPRs可以特异性识别甲酰化蛋白，对于细菌性感染启动的SIRS具有重要意义[13]。长期的进化使PRRs具有进化的高度保守性、分布的广泛性、识别配体的多样性、信号转导的复杂性及其介导生物活性的两面性等[14]。

创伤是导致SIRS的常见致病因素。机械暴力使组织被牵拉、挤压、撕裂。此外冷、热、化学物质、毒素、放射线、缺氧均可损伤组织，同样引起炎症。病原体与创伤所致免疫反应相似，实际上在漫长的进化过程中二者对机体的意义是等同的：病原体可以轻易突破伤口，因而创伤通常继发感染；创伤和感染均导致组织细胞的损伤，因此触发相同的反应。

严重创伤后病原体感染或肠道菌群、毒素移位入血一度被认为是导致机体SIRS和MODS的主要因素。但绝大部分SIRS患者并不伴有细菌感染，提示细菌感染并不是导致创伤后SIRS的唯一致病因素。越来越多的研究发现，创伤和病原体诱发的机体SIRS临床表现完全一致[15]，但创伤后SIRS大部分没有并发感染。因此，学者们推测一定有一种内源性PAMPs类似分子参与创伤后机体炎性反应[16]。目前已经明确，创伤后组织细胞破裂，释放具有免疫活性的内源性物质，产生与PAMPs分子类似的作用，特异性结合PRRs受体，激活机体固有免疫系统，导致组织器官进一步损伤。Bianchi等将标志着组织和细胞损伤的这种内源性PAMPs分子定义为警报素（alarmins），PAMPs与警报素合称DAMPs[8]。但这一概念演变至今，多数学者用DAMPs代表警报素，以便与PAMPs区分。

PAMPs及DAMPs均特异性结合PRRs，激活下游多种信号通路，如NF-κb、MAPK及干扰素I型通路，导致对炎症及抗微生物反应中有重要意义的前炎症细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6等的合成与释放。这些细胞因子在释放到细胞外后，可通过相应受体令下游细胞合成包括这些细胞因子在内的多种炎症介质，从而放大炎症反应[17-19]。炎症反应过度则损伤组织细胞，释放更多的DAMPs，诱发细胞因子级联瀑布样释放，出现细胞因子风暴，形成失控性炎性反应，导致远隔器官损伤和多器官功能衰竭。因此循环中PAMPs及DAMPs这些模式分子和高浓度的TNF-α、IL-1β、IL-6等细胞因子是SIRS的启动及维持因素。

创伤代表了人体组织最极端的损害，其继发的SIRS目前认为属于无菌性SIRS[20， 21]，启动因素尚不完全明确。DAMPs的判断标准应包含以下几点：组织细胞坏死而非凋亡时释放， 在细胞水平能激活炎症相关通路使固有免疫、获得性免疫应答[22]，在受体水平阻断后可阻断免疫反应，创伤后在循环中浓度升高；以临床浓度应用于动物可以引发SIRS[22-24]。迄今发现的DAMPs来源大致为坏死细胞和细胞外基质碎片。其中源于坏死细胞的典型DAMPs有核相关产物HMGB1，应激蛋白HSPs，嘌呤代谢产物ATP、尿酸，线粒体相关产物甲酰化蛋白、线粒体DNA。细胞外基质来源的DAMPs有透明质酸、硫酸肝素、二聚糖等[11]。促进组织修复、重塑所激活的蛋白酶及细胞损毁后释放的可水解蛋白的酶类水解酶切细胞外基质，形成这些细胞外基质来源的DAMPs [25， 26]。在啮齿类动物中这些分子通过TLR4活化下游的炎症通路[19]，起到了DAMPs的作用，具备生物活性，参与凝血过程[26]，但在人体创伤后SIRS中所起作用有待进一步研究。

从临床角度上说，目标是找出创伤致组织损害后第一时间释放的警报素，即激活第一个免疫细胞的分子。此警报素在细胞外的浓度应反映创伤的严重程度。迄今为止的研究中，HSPs，HMGB1，线粒体甲酰化蛋白、线粒体DNA这4种DAMPs最符合前文所述“第一警报素”的标准。

HMGB1是一种核结合蛋白，存在于所有真核细胞核内；线粒体甲酰化蛋白及线粒体DNA均位于线粒体内部，生理情况下此3种DAMPs均与细胞外环境隔绝。HSPs是从细菌到哺乳动物中广泛存在的一种热应激蛋白，细胞应激后能大量表达于细胞表面。动物创伤模型中HMGB1及HSPs在细胞表面表达上调[27， 28]，体外实验及动物创伤模型已证实HSPs及HMGB1通过TLR4激活炎症反应[28-30]，但是尚不清楚是单一受体还是多受体协同作用；线粒体DNA通过TLR9、线粒体甲酰化蛋白通过FPR1及FPRL1发挥作用[31， 32]。创伤动物模型中发现循环中的HMGB1、HSP、线粒体蛋白及线粒体DNA水平均增高[31， 32]。临床研究发现损伤病人HSPs、HMGB1、线粒体蛋白、mtDNA、核DNA水平增高[33-36]，伤后32分钟HMGB1水平与ISS评分、碱缺失相关，与炎性介质水平及补体激活水平相关[35]。HMGB1是迄今发现的唯一与免疫激活程度相关的DAMPs。循环中核DNA水应创伤的严重程度，与临床结局相关[34]。临床病人的血浆内线粒体甲酰化蛋白浓度与炎症水平的相关性尚无文献证实。但HMGB1及HSP可能需要预先结合PAMPs如LPS后才能激活免疫细胞，并且HMGB1在创伤后中晚期水平增高[27]，因此不太符合前述第一警报素的特征。

从现有的研究分析，源于线粒体的DAMPs最符合第一警报素的特征。动物实验证实临床水平的线粒体可溶性碎片经大鼠尾静脉注射后能诱发系统性炎症，进一步研究发现主要活性物质是mtDNA及线粒体甲酰化蛋白，二者均可激活循环中的中性粒细胞，引起系统性炎症[5， 37， 38]。有研究发现线粒体甲酰化蛋白通过甲酰肽受体（FPR）激活单核细胞，而坏死细胞中非线粒体细胞成分无显著活性。临床研究发现重度创伤病人血浆mtDNA平均浓度2-9?g/ml，是健康对照组的1000倍[5]，但mtDNA水平是否与损伤严重程度相关还未经证实。

从细胞进化角度来看，线粒体与细菌同源。线粒体是由saprophytic菌进化形成的内共生细胞器，结构特征与细菌一致，完全不同于真核细胞，其独立的基因组（mtDNA）富含CpG DNA重复序列（CpG DNA repeats），编码甲酰肽[39]。生理状态下线粒于胞浆，与免疫系统隔绝，细胞破损后线粒体进入细胞外，则被免疫系统错认为细菌，启动杀伤机制，因此有学者称线粒体为人体的“内敌”、“特洛伊木马”[5， 17]。从机体进化角度来看，创伤后细胞重新使用自身成分，把线粒体作为信号分子介导细胞对损伤产生应答，激活固有免疫系统，促进机体修复，使资源利用达到最大化，是自然选择的必然。因此，线粒体成分作为一种特殊的DAMP，组织细胞破裂后释放入循环，可以解释创伤后即便在没有发生感染的情况下，也会发生与感染相似的无菌性SIRS。

创伤及感染释放DAMPs及PAMPs入血，通过PRRs激活固有免疫细胞的下游通路，产生大量细胞因子，高浓度的细胞因子令免疫细胞进一步产生细胞因子，同时杀伤组织细胞，循环中产生更多的DAMPs。致炎细胞因子及DAMPs在循环中互为因果，浓度进行性升高。循环中DAMPs、PAMPs这一触发因素持续存在，令炎症反应无法停止；循环中的模式分子、细胞因子、炎症介质互为因果，形成级联网络，使炎症反应进一步失控，致炎因子与抗炎因子均同时存在，出现代偿性抗炎反应综合征（compensated anti-inflammatory response syndrome，CARS）或混合性抗炎反应综合征（mixed anti-inflammatory response syndrome，MARS），进而出现MODS。高细胞因子血症、高DAMPs血症可能是创伤后SIRS的关键启动机制，去除循环中的模式分子及致炎细胞因子有重大临床意义。系统性炎症反应救治的焦点在于如何控制循环中启动、维持免疫反应的细胞因子、炎症介质及模式分子，打断炎症过度反应的恶性循环。普通方法无法去除血液中的这些危险分子，临床实践证明大剂量广谱抗生素疗效甚微，既往应用细胞因子及炎症介质的抗体、受体拮抗剂均未取得明显效果。血液净化疗法可以通过透析、滤过、灌流、吸附等方法清除循环血内已知及未知的中大分子蛋白质、毒素，包括细胞因子、炎症介质，精确维持水电解质及酸碱平衡，给SIRS及MODS的治疗带来新的曙光。

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