急性肺损伤的转化医学

摘要

急性肺损伤(ALI)是一种病因繁多的复杂疾病。本综述首先讨论了直接或间接肺损伤的疾病发展，以及各种发病机制。然后详细阐述了ALI的异质性，包括其流行病学，临床表现，潜在的生物标志物和遗传贡献。虽然目前还没有药物被批准用于这种毁灭性的疾病，但本文总结了ALI治疗的支持性护理和药理学干预，然后评估了人类ALI和动物模型之间的病理生理差距。最后，综述了目前用于ALI临床前和临床治疗的先进纳米药物的研究进展，展示了开发有效治疗ALI的新机会。

关键词

急性肺损伤，急性呼吸窘迫综合症，动物模型，纳米医学，给药，治疗

背景

人类肺结构的进化促进了肺泡-毛细血管单位O2-CO2交换，其中微血管内皮、间质和肺泡上皮形成完整的肺泡-毛细血管膜(ACM)，作为选择性屏障阻止富含蛋白质的液体扩散和非气态溶质通过(图1)。在ACM一侧是I型和II型肺泡上皮细胞(AEC)的连续体，它们与常驻肺泡巨噬细胞相互作用，调节免疫反应或抵抗主要来自下呼吸道的炎症。在ACM的另一侧，沿毛细血管排列的微血管内皮通过分泌多种活性酶调节血管通透性，维持组织止血。

急性肺损伤(Acute lung injury,ALI)的特点是肺外(间接)或肺内(直接)损伤，如肺部感染、创伤和其他非心源性致病因素，导致肺气体交换功能突然下降。这些损伤损害了ACM的完整性，导致炎症细胞因子的信号传导和免疫细胞(如血小板、白细胞)和蛋白质释放到肺泡空域(图1)。因此，气体交换受阻，水肿发展，导致弥漫性肺泡损伤(DAD)和沿肺泡壁形成透明膜，在放射学上可见斑片状磨玻璃图案。无论最初的挑战是肺内还是肺外，尽管肺弹性、胸部影像学、呼吸力学和治疗策略存在差异，但结局均具有共同的病理学特征，如肺泡-毛细血管屏障受损、间质或肺泡间水肿形成、气体交换能力受损和呼吸衰竭。

急性肺损伤的转化医学

初始肺损伤后，可能会激活一种自我修复机制。AECII型肺细胞可以增殖并分化为AECI型肺细胞，使水肿液流入间质，并趋化巨噬细胞清除细胞碎片。通过这种方法，可以在一定程度上恢复ACM的完整性，改善氧合;也可能无法清除肺泡液，导致低氧血症和高碳酸血症酸中毒，ALI发展为急性呼吸窘迫综合症(ARDS)。

同时，当间充质细胞的囊性改变引起胶原蓄积，形成肺泡内、间质和/或毛细血管纤维化时，可能会出现纤维化期。持续的炎症和进行性纤维化成为ALI/ARDS结果恶化的重要预测因素，这通常与死亡率增加有关。无论DAD是否是ARDS的组织病理学标志，它只发生在大约一半的ARDS患者中，但DAD的存在可使死亡风险增加一倍。在其他没有DAD的ARDS情况下，也可以表现出明显的中性粒细胞渗透到肺泡空域，而不是透明膜的形成。与ARDS的肺外原因(如腹膜脓毒症)相比，ARDS的直接肺原因(如肺炎)更倾向于肺泡损伤和间质水肿，导致氧合显著降低，尽管结果可能相似。

1994年首次定义ARDS，并于2011年更新，柏林定义提供了ARDS的诊断标准，主要基于患者的氧合指数(PaO2/FiO2)。ARDS分为轻度(200 mmHg

根据多年前进行的一项大型研究，包括来自50多个国家的459个重症监护病房(ICU)， ICU患者的一般ARDS死亡率估计为35.3%。许多因素可影响病死率，包括初步诊断、疾病原因和医疗状况。在传染性呼吸道疾病流行期间，ICU入院后的ALI/ARDS死亡率可能要高得多。例如，在2019冠状病毒病(COVID-19)大流行和2002-2003年严重急性呼吸综合征(SARS)区域疫情早期，ICU患者死于ARDS的死亡率分别为67-85%和52.2%。

目前还没有临床批准的药物能够有效降低ARDS患者的死亡率。针对不同生物学靶点的实验性药物治疗ALI/ARDS处于不同的临床试验阶段(表1)，但尚未证实有改善的治疗结果。例如，低剂量一氧化氮吸入或气管内注入表面活性剂可有效改善ALI患者的氧合，但不能显著降低死亡率。

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相反，最有效的治疗是旨在减轻肺部或/和全身炎症的医学干预，结合基于机械通气的支持性治疗。此外，对于机械通气的中重度ARDS患者，俯卧位可能提高生存率，这可能是由于更有效的潮气量分配。对于严重ARDS患者的治疗，体外膜氧合(ECMO)技术改善了血液氧合，尽管它可能增加ARDS患者的出血风险。

ALI 模型的转化

ALI是一种复杂的疾病，具有多种发病途径，对治疗方法的反应和疾病预后情况各异。目前公认的ALI的定义是在1992年的美欧共识会议上提出的，该会议由美国胸科协会和欧洲重症监护医学协会组织，并于1994年发表。推荐的ALI标准为急性发作、低氧合指数(PaO2/FiO2)≤300mmHg)、胸片双侧浸润、肺动脉楔压≤18mmHg或无左房高血压的临床证据，而ARDS可能处于该病理过程的严重阶段。

在人类疾病的基础研究中，动物实验一直是连接基础研究和临床试验的重要环节。然而，与许多其他疾病模型不同，由于一下原因，转化性ALI研究是一项特别困难的任务。首先，建立上述ALI标准在动物模型中是不切实际的，因为实验动物与人类在ALI相关的解剖结构和生理功能上不相容。例如，动物肺的大小和肺免疫可能会限制它们在人类中的意义。其次，尽管近几十年来为寻找ALI诊断和预后的生物标志物付出了巨大的努力，但仍然缺乏具有高特异性和敏感性的临床和实验有效措施。第三，由于ALI是一种异质性疾病，可分为具有不同临床特征和结果的表型。例如，根据不同的损伤性质，ALIs通常被分为直接(肺内)或间接(肺外)，在药理学或治疗方法方面几乎没有相似之处。因此，在实验性ALI研究中，用于建立动物模型的损害和由此产生的反应差异很大，这使得它们难以解释，有时还存在争议。因此，目前还没有动物模型能够完全代表ALI的生物学特性。

接下来，我们比较了各种小动物模型，以表征每种指定的ALI模型的优缺点(表2)，并强调了正确构建此类动物模型的关键决定因素。以下是基于各种病因的直接和间接ALI模型，包括典型的实验程序方案和相关的发病机制。

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直接 ALI 模型

在实验环境中，直接ALI模型可被肺内因素激活，如内毒素激发、微生物感染、化学诱导(如油酸、盐酸)、呼吸机插管和物理/辐射损伤(如挫伤、辐射)等。内毒素激发法是其中最流行的一种，最初是为了模拟吸入微生物感染和人类ARDS的临床发展而设计的。脂多糖(LPS)的细菌膜成分通常通过气管内滴注或雾化给药，在啮齿动物模型中引起ALI，导致微血管通透性增加，中性粒细胞向空气空间迁移增加，以及严重的肺部炎。相比之下，腹腔或静脉给药LPS小鼠导致较轻的ALI和更多的短暂炎症类似于脓毒症感染而非直接肺损伤。值得注意的是，在LPS诱导的ALI模型中，使用的LPS试剂的杂质不同，可能通过不同的信号通路启动ALI级联，触发的ALI事件依赖于氧化反应，而不依赖于补体激活。同样，在临床前研究中发现，气管内给药环境颗粒物，如柴油尾气颗粒或香烟烟雾，通过激活toll样受体和释放促炎细胞因子来激发ALI。

鉴于肺炎是ARDS最常见的病因，败血症是主要关联因素，微生物感染已被广泛用于建立肺炎相关ALI模型。包括活菌和病毒在内的多种呼吸道病原体通过雾化吸入、经气管注射、鼻内接种等方法进入动物肺部。由于感染总是入侵物质和宿主免疫之间相互作用的结果，在我们将动物数据转化为符合人类临床场景的有意义的结果之前，至少需要谨慎考虑三个因素。首先，动物研究中使用的同一病原体具有非常不同的克隆和血清型，导致肺损伤的可能性大。其次，对于某些物种特异性病原体，动物模型可能根本不会被感染，因此需要使用转基因、移植和/或人源化模型，或者它们可能会根据菌株、性别和/或年龄等产生不同的损伤反应。例如，在C57BL/6和BALB/c小鼠中鼻内滴注一种高传染性的热带肺炎啮齿菌菌株会导致不同的抗体产生和肺部病变，导致不同的死亡率。此外，经气管内灌注SARS-CoV-2后，人血管紧张素转换酶2(hACE2)表达的C57BL/6小鼠在COVID-19感染后肺部出现与人ALI/ARDS相似的病理变化，包括双侧充血、肺水肿和透明膜形成，这在其他小鼠模型中尚未观察到。第三，感染病原体和动物宿主之间的相互作用受到无限多的遗传和环境因素的影响，使实验结果复杂化。例如，在需要重症监护的病毒感染的ALI患者中，细菌合并感染是非常常见的，这在动物研究中可能无法得到很好的复制。此外，患者合并症是ALI/ARDS预后不良的已知危险因素如何在动物模型中进行测试仍是未知的。

为了模拟胃内容物吸入下呼吸道导致ALI/ARDS，在动物模型中经气管或经气管内灌注盐酸(HCl)，直接靶向肺泡上皮。因此，化学损伤在滴入后4~6小时具有致病作用，其机制包括肺泡-毛细血管屏障功能障碍、肺泡内促炎细胞因子(小鼠中为肿瘤坏死因子-α)升高、中性粒细胞浸润增加(家兔中为白细胞介素-8介导)和肺泡液体运输障碍。然而，在使用盐酸诱导的ALI动物模型时应谨慎。首先，酸性浓度的微小变化可以显著改变肺损伤的结局，从无损伤到致死性损伤的剂量窗相当窄。其次，人类吸入物中含有多种化学液体、生物分泌物和固体颗粒，包括胃酸、血液、细菌和食物颗粒，这可能导致盐酸诱导误吸导致独特的ALI发病机制。第三，在盐酸注入后，通常对动物进行通气以提高存活率，并且酸性pH(如果适度)可以在肺部迅速中和，而不会造成严重伤害。因此，两击模型(例如，盐酸和脂多糖)可能更适合建立扩展损伤模型，研究长期ALI后遗症和治疗干预。

其他引起直接ALI模型的常见化学物质是博莱霉素和油酸。博来霉素是一种抗癌药，主要的副作用是肺毒性，表现为肺纤维化，在相当比例的癌症患者中。因此，该药物已在动物模型中通过静脉、腹腔或气管内给药诱导ALI，导致DNA损伤、自由基产生、氧化应激、炎症反应和肺纤维化。此外，利用人类细胞(包括来自正常和患病供体的细胞)的体外3D组织模型有潜力捕捉与疾病进展相关的动态和患者特异性事件，并为筛选和开发新疗法提供了一个可扩展的平台。值得注意的是，剂量、年龄、给药途径和动物状态(如年龄、性别、品系)都可能影响肺损伤的易感性，并产生不同的损伤部位。此外，油酸是一种18碳不饱和脂肪酸，在大型动物模型(如羊、狗)中静脉给药，以模拟肺循环中的脂质栓塞，这容易导致非脓毒性ARDS。油酸诱导的ALI模型是一种经典的模型，在动物物种中具有高度可重复性，通过坏死细胞死亡直接(在几分钟内)对毛细血管内皮造成损伤，随后出现间质水肿、上皮损伤、中性粒细胞渗透和弥漫性出血。然而，由于油酸不溶于水，因此在体内给药前必须将其溶解在水可混溶的有机溶剂(如乙醇)中，或者与血液或盐水混合。这种制剂可能会根据生物可利用的油酸产生不同的血流动力学反应和肺通透性，从而改变病理结果。此外，由于油酸诱导的ALI不涉及过度炎症，因此不适合用于大多数败血症引起的ALI/ARDS研究。

临床上，机械通气是改善ALI/ARDS患者气体交换的标准治疗方法，但使用不当可引起呼吸机诱导的肺损伤(VILI)，加重危重病情。VILI的致病后果包括肺泡-毛细血管屏障通透性增加，导致肺水肿，以及肺结构机械性过度扩张，导致炎症。虽然VILI的病因尚不清楚，但其病因指向不适当的平台气道压力、潮气量和呼气末正压(PEEP)。对于中度至重度ARDS，官方建议包括4-8mL/kg的低潮气量，低于30cmH2O的低平台压，以及有条件的高PEEP(通常大于5cmH2O)。在VILI的动物模型中，任何影响呼吸机和动物受试者之间相互作用的变量都可能改变损伤模式，如机械力、潮气量、气道压力，以及动物条件，如物种或品系、体温、呼吸频率、麻醉药物的选择等。与VILI的有创机械呼吸机插管相比，高氧诱导的ALI(或高氧急性肺损伤，HALI)是由无创延长高Fio2(吸入氧的分数)呼吸引起的，引起肺O2毒性，对气体交换和呼吸力学造成严重后果。产生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)进一步启动细胞死亡，激活炎症级联反应，加重肺泡损伤，加剧高度依赖于氧浓度和暴露时间的肺损伤。由于机械通气和高浓度氧气的支持治疗在ICU环境中很常见，HALI/VILI组合经常被用于实验室动物研究，以寻找更好的治疗方法。

其他用于诱导临床前ALI模型的直接损伤包括反复盐水灌洗、肺挫伤和放射治疗。事实上，重复灌洗用温等渗盐水消耗肺表面因子破坏肺泡稳定性和肺顺应性，导致上皮损伤，这在人类ALI发病机制中是相反的。因此，该方法更适合于应用ALI的第一个触发因子后的双击动物模型。此外，可以建立肺挫伤(侵入性)或辐射(非侵入性)诱导的ALI模型，以更好地了解急性炎症和损伤反应，结果是肺纤维化。虽然这些模型简单且可重复，但它们与人类ALI/ARDS研究的相关性有限，而且它们很少提出有意义的治疗策略。