百草枯中毒所致急性肺損傷是目前臨床上百草枯中毒致死的主要因素，近年來對于其損傷機制的研究不斷深入，但其具體機制尚不完全明確。現對近年來百草枯中毒肺損傷在炎癥反應、氧化損傷、基因異常表達等方面的機制研究進行綜述，以期為臨床醫生對百草枯中毒致肺損傷的治療提供依據。
引用本文： 高宏光, 曹鈺. 急性百草枯中毒致急性肺損傷發病機制的研究進展. 華西醫學, 2014, 29(6): 1047-1049. doi: 10.7507/1002-0179.20140321 復制
百草枯是目前致人類中毒死亡率最高的除草劑。百草枯可造成以肺損傷為主的多器官功能損害，致死率極高。百草枯所致肺損傷主要表現為肺泡炎、急性肺水腫，以及進行性肺間質纖維化[1]，因此針對百草枯中毒的治療也主要集中在抑制全身炎癥反應、抗氧化、免疫抑制等方面，但治療效果不佳，病死率居高不下[2]。現對近年來百草枯中毒肺損傷在炎癥反應、氧化損傷、基因異常表達等方面的機制研究進行綜述，以期為臨床醫生對百草枯中毒致肺損傷的治療提供新的思路。
1 百草枯在肺組織的吸收
百草枯被吸收入血后，迅速向肺組織聚集，其在肺內的濃度可為血液濃度的10～90倍[3]。多數學者認為，這可能與肺組織內Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮細胞膜上存在能量依賴性多胺攝取系統有關[4]。百草枯與精胺、戊二胺等多胺類物質的結構相似，因而可競爭性地被上述細胞攝取，導致其在肺內蓄積[2]。該攝取過程具有能量依賴性和時間依賴性[5]。盡管存在該特殊轉運機制，但多胺轉運體對百草枯的親和力弱于多胺，因而還可能存在其他機制，導致百草枯在肺組織的蓄積。另有研究發現，在不具多胺主動轉運系統的肺巨噬細胞、肺血管內皮細胞和間質細胞中，百草枯則主要通過彌散作用進入細胞內，進而損傷細胞[6]。可見，百草枯可通過多種方式在肺組織形成蓄積，導致肺組織嚴重損傷。
2 氧化應激損傷學說
大量研究表明，百草枯中毒所致急性肺損傷（ALI）的機制與氧化應激損傷有關[7]。百草枯在血清中以聯吡啶陽離子（百草枯2+）的形式存在，當其被吸收進入肺組織細胞后，奪取還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的還原性H生成百草枯+，繼而與O2反應，又生成超氧陰離子（O2-）和百草枯2+。O2-與抗氧化性物質，如超氧化物歧化酶（SOD）等反應，生成過氧化氫（H2O2），最終在Fe2+的催化作用下，發生Fenton反應，生成氧化毒性更強的羥自由基（OH-）。OH-則可誘導細胞膜或核膜上的不飽和脂肪酸（PUFA）發生鏈式氧化反應，導致細胞膜和核膜受損，DNA雙鏈結構遭到破壞，細胞受損，甚至出現凋亡/壞死。上述反應循環往復，百草枯2+無損耗，但卻消耗大量的還原性物質（谷胱甘肽、SOD等），同時又生成更多的含氧自由基，損傷組織細胞[6]。該損傷過程被稱為氧化應激損傷。
3 線粒體損傷學說
Venkatesan [8]的研究認為，線粒體既是百草枯誘導自由基產生的主要場所，又是自由基損傷的首要細胞器。當百草枯2+進入線粒體后，與遞氫體NADH-Q發生反應，進而抑制呼吸鏈中的NADH-Q還原酶的活性，導致有氧代謝減弱，無氧代謝增強，同時產生大量的乳酸和過量的含氧自由基，攻擊線粒體膜，使其能量合成功減少，膜通透性增加，以致大量含氧自由基釋放入細胞質，甚至進入細胞核，經過一系列氧化還原反應，細胞功能受損，甚至出現凋亡/壞死[9]。
而Lin等[10]的進一步研究發現，百草枯可通過誘導Ⅱ型肺泡上皮細胞線粒體膜上的Ca2+依賴性電壓門控通道的不適當打開，使線粒體膜電位發生去極化，膜的通透性增加，線粒體腫脹。可見，Ca2+參與百草枯損傷線粒體的作用機制。曹鈺等[11]研究表明，百草枯中毒后，肺組織細胞內的鈣離子濃度升高，毛細血管滲血增多，而使用金屬離子螯合劑——乙二胺四乙酸則可明顯減輕上述損傷作用。該結果進一步顯示，鈣超載可能是急性百草枯中毒通過損傷線粒體而導致ALI的重要機制之一。但是，目前關于百草枯中毒后線粒體內氧化應激反應和鈣超載之間關聯性的研究尚少，相信這將成為今后研究的熱點之一。
4 DNA損傷及細胞凋亡學說
沈洪麗等[12]研究表明，基因表達異常和DNA損傷是急性百草枯中毒后肺內細胞死亡的主要原因。百草枯在分子水平上對細胞的損傷表現為DNA的氧化損傷，即DNA堿基的改變和螺旋雙分子結構的破壞，故有學者認為急性百草枯中毒后細胞死亡的根本原因是DNA損傷和基因表達的異常。在遭受氧化損傷后線粒體DNA遭受損傷，線粒體本身的DNA修復能力有限，而線粒體基因組編碼多條呼吸鏈的多肽，Satomi等[13]研究表明百草枯主要通過氧化作用損傷核酸，以DNA遭受損傷，而RNA幾乎未損傷，在一定程度上DNA的損傷進一步加速了細胞的凋亡。
目前百草枯誘導上皮細胞凋亡的機制仍未清楚。Takeyama等[14]研究表明p53蛋白參與是百草枯誘導細胞凋亡必要條件。通過百草枯處理表達p53的人肺上皮樣細胞L132發現，S期細胞比例顯著降低，該結果表明百草枯阻斷細胞從Gl期進入S期，p53蛋白轉錄表達上升，缺乏p53的人早幼粒細胞U937對百草枯完全抵抗。Yu等[15]通過測定8-羥基-脫氧鳥苷，進一步證實DNA的損傷主要源于堿基的改變和螺旋雙分子結構的破壞，百草枯在有氧存在時可以產生活性氧簇，從而使得DNA限制性酶切位點修飾，這表明百草枯并沒有通過氧化反應損傷DNA。在今后一段時間內，改變基因的表達可能會成為研究急性百草枯中毒誘導ALI的熱點之一。
5 細胞因子網絡學說
百草枯中毒發生后可過度釋放細胞因子進入血液循環，導致全身炎癥反應綜合征和多器官功能衰竭，主要是由于腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細胞介素（IL）-2及IL-8等細胞生長因子不僅能夠使炎癥細胞浸潤、分化和成熟，還能促進細胞因子和炎癥遞質的進一步分泌和表達，形成復雜的細胞因子網絡，調節宿主機體免疫能力[16]。TNF-α參與機體炎癥反應和免疫過程，是介導機體炎癥反應的關鍵因子，可以通過核轉錄因子（NF）-κB誘導表達，也可以通過自分泌和旁分泌調節自身及其他因子的表達，對機體產生潛在的損傷。已有研究提示急性百草枯中毒后NF-κB被激活上調TNF-α的轉錄，使TNF-α等炎性因子生成增多，該研究同時發現TNF作為細胞因子家族中最強效的炎癥介質，在結合TNF受體以后，可刺激NF-κB與IKB解離，此時，TNF-α-NF-κB形成了一個正反饋信號，促使TNF-α大量表達，這種惡性循環在多器官功能障礙綜合征的發生發展中有重要意義[17]。NF-κB激活后，將調控其他促炎介質及其下游細胞因子得以釋放，組建而成的復雜的細胞因子網絡，通過啟動炎性細胞因子基因轉錄表達，釋放轉化生長因子（TGF）-β1、TNF-α等因子及繼發性炎癥因子，導致形成“細胞因子級聯反應”啟動肺部炎癥。而炎性因子將進一步激活NF-κB，肺泡炎癥將被加速發展和放大，發展成正反饋的級聯放大效應[18]。Venkatesan [8]研究表明，急性百草枯中毒早期肺組織產生大量炎性細胞和免疫細胞浸潤，并分泌多種遞質，在炎性介質、細胞因子的產生及調控炎癥反應的基因表達中起關鍵作用。呂望等[19]研究發現急性百草枯中毒后患者炎癥介質IL-6、IL-8濃度顯著升高，表明炎癥反應可能也促使急性百草枯中毒所致ALI。作為肺纖維化中主要炎癥細胞因子之一，IL-6由多種細胞產生，其主要功能為誘導B細胞生長、分化并產生免疫球蛋白，形成免疫復合物造成ALI。趙巖[20]等對58例百草枯中毒患者血清IL-6、TNF-α水平觀察發現百草枯中毒患者血清IL-6、TNF-α水平與正常對照組相比明顯升高，死亡組患者血清IL-6、TNF-α水平高于存活組。ALI時，細胞生長因子可以使炎癥細胞浸潤，單核巨噬細胞分化和成熟，也可以促進進一步分泌和表達細胞因子和炎癥遞質，從而形成復雜的細胞因子網絡，產生肺泡炎和ALI。在這個細胞因子網絡中，TGF-β所發揮的作用尤為重要。Jian等[21]通過實驗發現在百草枯所誘導的肺纖維化模型中TGF-β表達明顯增強。在百草枯中毒的早期巨噬細胞分泌TGF-β1，可刺激成纖維細胞增殖和分化。隨著肺纖維化的進展，成纖維細胞以自分泌和旁分泌的方式產生TGF-β1，與肺間質相互作用，促使間充質干細胞增殖和分泌細胞外基質。
6 肺間質纖維化的形成與發展
Ruiz等[22]在百草枯中毒及高濃度氧環境下所致肺纖維化小鼠模型的研究中發現基質金屬蛋白酶（MMP）在不同階段的變化，MMP-9在早期炎癥反應階段增加，而MMP-2在肺纖維化期顯著上調。國內學者研究也顯示在百草枯中毒早期MMP-9升高明顯，其原因可能為早期炎癥反應所釋放的炎癥因子，趨化并促進了MMP的合成分泌，使其參與肺泡基底膜的降解與破壞，進一步加重炎癥反應及允許成纖維細胞的侵入，而在百草枯中毒后期，MMP-9呈下降趨勢，TIMP-1則持續高表達，TIMP-1抑制了MMP的降解作用，最終導致細胞外基質降解減少和過度沉積[23]。
7 小結
急性百草枯中毒目前已然成為國內農藥中毒死亡的主要原因。目前普遍認為，急性百草枯中毒的主要損害在于對于肺的損傷，但是其損傷機制目前還不完全清楚。本文通過分析近年來對于急性百草枯中毒機制的國內外研究成果，總結出急性百草枯中毒造成的ALI發病機制主要有以下幾點：① 百草枯在肺內的高濃度蓄積是百草枯中毒ALI的先決條件。② 目前比較公認的是急性百草枯中毒后造成的氧自由基增加及脂質過氧化連鎖反應引發的一系列損傷。③ 基因與細胞因子的眾多研究表明百草枯可以引起多種細胞因子級聯反應，最終造成細胞凋亡。雖然對于急性百草枯中毒的研究已進入基因及分子水平，但是還需要更多的研究證實其導致肺損傷的機制。因此，對于急性百草枯中毒的損傷機制還需要深入研究。
百草枯是目前致人類中毒死亡率最高的除草劑。百草枯可造成以肺損傷為主的多器官功能損害，致死率極高。百草枯所致肺損傷主要表現為肺泡炎、急性肺水腫，以及進行性肺間質纖維化[1]，因此針對百草枯中毒的治療也主要集中在抑制全身炎癥反應、抗氧化、免疫抑制等方面，但治療效果不佳，病死率居高不下[2]。現對近年來百草枯中毒肺損傷在炎癥反應、氧化損傷、基因異常表達等方面的機制研究進行綜述，以期為臨床醫生對百草枯中毒致肺損傷的治療提供新的思路。
1 百草枯在肺組織的吸收
百草枯被吸收入血后，迅速向肺組織聚集，其在肺內的濃度可為血液濃度的10～90倍[3]。多數學者認為，這可能與肺組織內Ⅰ型及Ⅱ型肺泡上皮細胞膜上存在能量依賴性多胺攝取系統有關[4]。百草枯與精胺、戊二胺等多胺類物質的結構相似，因而可競爭性地被上述細胞攝取，導致其在肺內蓄積[2]。該攝取過程具有能量依賴性和時間依賴性[5]。盡管存在該特殊轉運機制，但多胺轉運體對百草枯的親和力弱于多胺，因而還可能存在其他機制，導致百草枯在肺組織的蓄積。另有研究發現，在不具多胺主動轉運系統的肺巨噬細胞、肺血管內皮細胞和間質細胞中，百草枯則主要通過彌散作用進入細胞內，進而損傷細胞[6]。可見，百草枯可通過多種方式在肺組織形成蓄積，導致肺組織嚴重損傷。
2 氧化應激損傷學說
大量研究表明，百草枯中毒所致急性肺損傷（ALI）的機制與氧化應激損傷有關[7]。百草枯在血清中以聯吡啶陽離子（百草枯2+）的形式存在，當其被吸收進入肺組織細胞后，奪取還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的還原性H生成百草枯+，繼而與O2反應，又生成超氧陰離子（O2-）和百草枯2+。O2-與抗氧化性物質，如超氧化物歧化酶（SOD）等反應，生成過氧化氫（H2O2），最終在Fe2+的催化作用下，發生Fenton反應，生成氧化毒性更強的羥自由基（OH-）。OH-則可誘導細胞膜或核膜上的不飽和脂肪酸（PUFA）發生鏈式氧化反應，導致細胞膜和核膜受損，DNA雙鏈結構遭到破壞，細胞受損，甚至出現凋亡/壞死。上述反應循環往復，百草枯2+無損耗，但卻消耗大量的還原性物質（谷胱甘肽、SOD等），同時又生成更多的含氧自由基，損傷組織細胞[6]。該損傷過程被稱為氧化應激損傷。
3 線粒體損傷學說
Venkatesan [8]的研究認為，線粒體既是百草枯誘導自由基產生的主要場所，又是自由基損傷的首要細胞器。當百草枯2+進入線粒體后，與遞氫體NADH-Q發生反應，進而抑制呼吸鏈中的NADH-Q還原酶的活性，導致有氧代謝減弱，無氧代謝增強，同時產生大量的乳酸和過量的含氧自由基，攻擊線粒體膜，使其能量合成功減少，膜通透性增加，以致大量含氧自由基釋放入細胞質，甚至進入細胞核，經過一系列氧化還原反應，細胞功能受損，甚至出現凋亡/壞死[9]。
而Lin等[10]的進一步研究發現，百草枯可通過誘導Ⅱ型肺泡上皮細胞線粒體膜上的Ca2+依賴性電壓門控通道的不適當打開，使線粒體膜電位發生去極化，膜的通透性增加，線粒體腫脹。可見，Ca2+參與百草枯損傷線粒體的作用機制。曹鈺等[11]研究表明，百草枯中毒后，肺組織細胞內的鈣離子濃度升高，毛細血管滲血增多，而使用金屬離子螯合劑——乙二胺四乙酸則可明顯減輕上述損傷作用。該結果進一步顯示，鈣超載可能是急性百草枯中毒通過損傷線粒體而導致ALI的重要機制之一。但是，目前關于百草枯中毒后線粒體內氧化應激反應和鈣超載之間關聯性的研究尚少，相信這將成為今后研究的熱點之一。
4 DNA損傷及細胞凋亡學說
沈洪麗等[12]研究表明，基因表達異常和DNA損傷是急性百草枯中毒后肺內細胞死亡的主要原因。百草枯在分子水平上對細胞的損傷表現為DNA的氧化損傷，即DNA堿基的改變和螺旋雙分子結構的破壞，故有學者認為急性百草枯中毒后細胞死亡的根本原因是DNA損傷和基因表達的異常。在遭受氧化損傷后線粒體DNA遭受損傷，線粒體本身的DNA修復能力有限，而線粒體基因組編碼多條呼吸鏈的多肽，Satomi等[13]研究表明百草枯主要通過氧化作用損傷核酸，以DNA遭受損傷，而RNA幾乎未損傷，在一定程度上DNA的損傷進一步加速了細胞的凋亡。
目前百草枯誘導上皮細胞凋亡的機制仍未清楚。Takeyama等[14]研究表明p53蛋白參與是百草枯誘導細胞凋亡必要條件。通過百草枯處理表達p53的人肺上皮樣細胞L132發現，S期細胞比例顯著降低，該結果表明百草枯阻斷細胞從Gl期進入S期，p53蛋白轉錄表達上升，缺乏p53的人早幼粒細胞U937對百草枯完全抵抗。Yu等[15]通過測定8-羥基-脫氧鳥苷，進一步證實DNA的損傷主要源于堿基的改變和螺旋雙分子結構的破壞，百草枯在有氧存在時可以產生活性氧簇，從而使得DNA限制性酶切位點修飾，這表明百草枯并沒有通過氧化反應損傷DNA。在今后一段時間內，改變基因的表達可能會成為研究急性百草枯中毒誘導ALI的熱點之一。
5 細胞因子網絡學說
百草枯中毒發生后可過度釋放細胞因子進入血液循環，導致全身炎癥反應綜合征和多器官功能衰竭，主要是由于腫瘤壞死因子（TNF）-α、白細胞介素（IL）-2及IL-8等細胞生長因子不僅能夠使炎癥細胞浸潤、分化和成熟，還能促進細胞因子和炎癥遞質的進一步分泌和表達，形成復雜的細胞因子網絡，調節宿主機體免疫能力[16]。TNF-α參與機體炎癥反應和免疫過程，是介導機體炎癥反應的關鍵因子，可以通過核轉錄因子（NF）-κB誘導表達，也可以通過自分泌和旁分泌調節自身及其他因子的表達，對機體產生潛在的損傷。已有研究提示急性百草枯中毒后NF-κB被激活上調TNF-α的轉錄，使TNF-α等炎性因子生成增多，該研究同時發現TNF作為細胞因子家族中最強效的炎癥介質，在結合TNF受體以后，可刺激NF-κB與IKB解離，此時，TNF-α-NF-κB形成了一個正反饋信號，促使TNF-α大量表達，這種惡性循環在多器官功能障礙綜合征的發生發展中有重要意義[17]。NF-κB激活后，將調控其他促炎介質及其下游細胞因子得以釋放，組建而成的復雜的細胞因子網絡，通過啟動炎性細胞因子基因轉錄表達，釋放轉化生長因子（TGF）-β1、TNF-α等因子及繼發性炎癥因子，導致形成“細胞因子級聯反應”啟動肺部炎癥。而炎性因子將進一步激活NF-κB，肺泡炎癥將被加速發展和放大，發展成正反饋的級聯放大效應[18]。Venkatesan [8]研究表明，急性百草枯中毒早期肺組織產生大量炎性細胞和免疫細胞浸潤，并分泌多種遞質，在炎性介質、細胞因子的產生及調控炎癥反應的基因表達中起關鍵作用。呂望等[19]研究發現急性百草枯中毒后患者炎癥介質IL-6、IL-8濃度顯著升高，表明炎癥反應可能也促使急性百草枯中毒所致ALI。作為肺纖維化中主要炎癥細胞因子之一，IL-6由多種細胞產生，其主要功能為誘導B細胞生長、分化并產生免疫球蛋白，形成免疫復合物造成ALI。趙巖[20]等對58例百草枯中毒患者血清IL-6、TNF-α水平觀察發現百草枯中毒患者血清IL-6、TNF-α水平與正常對照組相比明顯升高，死亡組患者血清IL-6、TNF-α水平高于存活組。ALI時，細胞生長因子可以使炎癥細胞浸潤，單核巨噬細胞分化和成熟，也可以促進進一步分泌和表達細胞因子和炎癥遞質，從而形成復雜的細胞因子網絡，產生肺泡炎和ALI。在這個細胞因子網絡中，TGF-β所發揮的作用尤為重要。Jian等[21]通過實驗發現在百草枯所誘導的肺纖維化模型中TGF-β表達明顯增強。在百草枯中毒的早期巨噬細胞分泌TGF-β1，可刺激成纖維細胞增殖和分化。隨著肺纖維化的進展，成纖維細胞以自分泌和旁分泌的方式產生TGF-β1，與肺間質相互作用，促使間充質干細胞增殖和分泌細胞外基質。
6 肺間質纖維化的形成與發展
Ruiz等[22]在百草枯中毒及高濃度氧環境下所致肺纖維化小鼠模型的研究中發現基質金屬蛋白酶（MMP）在不同階段的變化，MMP-9在早期炎癥反應階段增加，而MMP-2在肺纖維化期顯著上調。國內學者研究也顯示在百草枯中毒早期MMP-9升高明顯，其原因可能為早期炎癥反應所釋放的炎癥因子，趨化并促進了MMP的合成分泌，使其參與肺泡基底膜的降解與破壞，進一步加重炎癥反應及允許成纖維細胞的侵入，而在百草枯中毒后期，MMP-9呈下降趨勢，TIMP-1則持續高表達，TIMP-1抑制了MMP的降解作用，最終導致細胞外基質降解減少和過度沉積[23]。
7 小結
急性百草枯中毒目前已然成為國內農藥中毒死亡的主要原因。目前普遍認為，急性百草枯中毒的主要損害在于對于肺的損傷，但是其損傷機制目前還不完全清楚。本文通過分析近年來對于急性百草枯中毒機制的國內外研究成果，總結出急性百草枯中毒造成的ALI發病機制主要有以下幾點：① 百草枯在肺內的高濃度蓄積是百草枯中毒ALI的先決條件。② 目前比較公認的是急性百草枯中毒后造成的氧自由基增加及脂質過氧化連鎖反應引發的一系列損傷。③ 基因與細胞因子的眾多研究表明百草枯可以引起多種細胞因子級聯反應，最終造成細胞凋亡。雖然對于急性百草枯中毒的研究已進入基因及分子水平，但是還需要更多的研究證實其導致肺損傷的機制。因此，對于急性百草枯中毒的損傷機制還需要深入研究。