text: 急性和慢性肺损伤中的氧化应激与炎症
  翻译：上海市公共卫生临床中心 麻醉科 俞立奇摘要：急性和慢性肺损伤是全球导致死亡的主要原因之一。肺损伤会影响呼吸系统的几个组成部分，包括气道、肺实质和肺血管系统。尽管急性和慢性肺损伤意味着巨大的经济和临床负担，但目前可用的治疗方法主要集中于缓解疾病症状，而不是逆转和/或预防肺部病理改变。此外，一些支持性干预措施，如给氧和机械通气，可能导致肺功能（进一步）恶化，甚至发展为永久性损伤。最后，败血症可能起源于肺外或呼吸系统本身，导致许多肺部相关死亡。考虑到这些挑战，我们旨在总结分子和细胞机制，特别关注导致急性和慢性肺损伤特征性病理生理学的气道炎症和氧化应激。此外，我们将强调当前治疗策略的局限性，并探索新的基于抗氧化剂的药物选择，这些药物可能对治疗急性和慢性肺损伤有效。关键词：哮喘；慢性阻塞性肺病；肺气肿；高氧；肺纤维化；败血症；呼吸机相关肺损伤1. 简介与21世纪生活方式相关的人口增长为目前威胁人类健康的各种疾病打开了一扇窗户。成人和儿童急性和慢性肺损伤的全球负担不断增加。许多呼吸道疾病的死亡率和发病率的原因尚不清楚。然而，世界卫生组织（WHO）发布的最新统计数据估计，未来10年内，由于空气和/或环境污染暴露、感染（病毒、细菌和其他病原微生物），或特定的遗传背景（例如囊性纤维化和α1-抗胰蛋白酶缺乏症），世界人口中将有10亿人患有急性和/或慢性肺病。肺部是为数不多的暴露于各种环境污染物的内脏之一，这些污染物包括来自不同自然和人为来源的有机/无机/生物制剂，并不断受到从单纯性发展到复杂性的疾病的威胁，这可能会影响生活质量，最终甚至导致死亡。根据病理生理学和传播方式，急性和慢性肺损伤可大致分为传染性疾病（如肺炎）和非传染性疾病（例如肺纤维化）。这些呼吸道疾病的病因多种多样，诊断方法也截然不同。然而，大多数非传染性疾病通常都得到类似的治疗。这些治疗通常包括支气管扩张剂、皮质类固醇和抗生素，它们只针对疾病的主要症状，而无论是在预防还是治疗方面都不能提供任何长期的缓解。在理解驱动肺损伤的潜在机制（包括分子和免疫途径）方面的不断进步，可以确定有前景的治疗靶点。事实上，在基因组项目结束后的过去二十年里，我们对这些疾病的分子病理学的了解有了很大的提高。肺部疾病负担沉重的地区缺乏适当的预防/管理策略，这在印度、中国等中低收入国家以及拉丁美洲、非洲和亚太地区尤其令人担忧。这篇综述将讨论目前威胁全球数百万人健康的主要急性和慢性肺损伤。2. 哮喘的氧化应激和炎症哮喘是一种以慢性炎症和气道高反应性（AHR）为特征的气道疾病。其病理生理包括过度的支气管收缩、免疫细胞（如淋巴细胞和嗜酸性粒细胞）积聚、粘液大量分泌、促炎介质（包括细胞因子、组胺和前列腺素）和活性氧。临床上，哮喘表现为反复发作的咳嗽、呼吸困难、肺部听诊时出现喘息和胸骨后压迫。这些发作是由过敏反应引起的，导致气道条件恶化，具有到达支气管相应肺区域并导致气流阻塞的炎症特征。AHR被定义为气道对过敏刺激的反应加剧，过敏刺激会激活几种炎症、氧化和免疫介质，导致支气管收缩和粘液分泌过多。因此，这种情况会严重导致可变的气流限制，并长期损害肺功能。尽管在临床情况下对哮喘进行了正确的诊断、严重程度分类和管理，但对哮喘AHR的潜在机制仍没有达成共识。哮喘的AHR可分为两类：持续性和变异性。在这两种情况下，患者都会出现气道炎症以及结构和功能变化，最终导致气道重塑。在哮喘过程中，细胞外基质、气道上皮和气道平滑肌被认为是重塑过程的基本组成部分。哮喘的结构变化包括上皮损伤、粘膜腺增生、基底膜胶原和蛋白聚糖沉积、血管生成和气道平滑肌质量增加。气道平滑肌细胞是控制小气道张力和口径的主要效应器。组织病理学研究表明，由于增生和肥大，支气管树的气道平滑肌质量增加。因此，这些细胞的结构和功能变化是哮喘AHR的基础。哮喘的炎症可能是氧化应激和抗氧化防御之间失衡的原因。炎症反应主要由嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和巨噬细胞介导，以及由气道驻留细胞如间充质细胞（即成纤维细胞和气道平滑肌细胞）释放介质。特别是，嗜酸性粒细胞具有从其颗粒中产生活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的能力。此外，嗜酸细胞携带嗜酸细胞过氧化物酶（EPO），EPO对溴具有亲和力，形成次溴酸，这被广泛认为是嗜酸细胞造成组织损伤的主要原因。在过氧化氢（H2O2）存在的情况下，中性粒细胞产生强氧化剂次氯酸（HOCl）通过髓过氧化物酶（MPO）与氯相互作用。尽管MPO产生HOCl被认为在防御病原体方面很重要，但慢性炎症期间的过量产生会促进宿主组织损伤，这与许多炎症疾病的进展密切相关。酶系统和非酶系统受到哮喘的影响。据报道，哮喘患者的气道中存在总谷胱甘肽、氧化谷胱甘肽和还原型谷胱甘肽（GSH）的紊乱，这表明GSH的合成和/或运输在氧化应激的反应中发生了改变。此外，超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶（CAT）的酶活性也会受到影响。炎症细胞在哮喘的病理生理中至关重要，尤其是在氧化应激的程度方面。例如，巨噬细胞通过产生大量的ROS和RNS发挥核心作用，这通常与促炎细胞因子如肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素1β（IL-1β）的增加有关。在巨噬细胞中，呼吸爆发（respiratory brust）增加了诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶的活性，从而增加了一氧化氮（NO•）、过氧亚硝酸盐（ONOO•）、超氧化物（O2•−）和H2O2。嗜酸性粒细胞释放富含EPO的嗜酸性细胞外诱捕网（EET）并释放H2O2；EET的形成和EPO活性都依赖于ROS和RNS的产生以及氧化应激状态。上皮细胞也是ROS和RNS的主要产生者，并通过释放NO和趋化因子（如IL-8）将免疫细胞募集到气道，从而导致哮喘的氧化应激。重要的是，哮喘患者肺部的中性粒细胞浸润会提高趋化因子水平，如基序趋化因子配体1（CXCL1）和CXCL8。这有助于MPO维持氧化状态，MPO可以产生H2O2和细胞外中性粒细胞诱捕网（NETs）。尽管对消除病原体是必要的，但NETs也是炎症和氧化应激的主要原因。2.1.氧化应激在哮喘病理生理学中的作用细胞和许多促炎介质之间的复杂相互作用在哮喘的病理生理中是显而易见的。在这些介质中，内源性ROS和RNS被强烈认为是气道炎症的原因，而还原和氧化系统之间的不平衡，导致氧化状态占支配地位，是疾病严重程度的决定因素。最近，哮喘中氧化应激的直接和间接标志物水平增加；这些物质包括尿液、血浆、痰、支气管肺泡灌洗液和肺组织中评估的H2O2、丙二醛（MDA）、硫代巴比妥酸反应物质和异丙肾上腺素。考虑到空气污染物是ROS的丰富来源，参与氧化应激机制的基因可以对呼吸系统产生强大的影响。由于环境因素与哮喘有关，表观遗传学已被用于解释该疾病的病因、表型和异质性。有证据表明，产前接触烟草烟雾（一种丰富的ROS来源）与婴儿、幼儿和青少年的呼吸功能受损、哮喘和/或呼吸道感染有关。特别是关于哮喘，遗传多态性和环境暴露之间的相互作用表明，这种疾病的表观遗传学机制，超越了基因组印迹、组蛋白修饰、DNA甲基化改变和微小RNA调节。哮喘气道中炎症细胞的增加以及由此导致的局部ROS产生的增加涉及上皮细胞的激活，并可由暴露于来自香烟烟雾（CS）、空气污染、螨虫和灰尘等来源的外源性ROS引发，这可能导致哮喘发作。哮喘气道中炎症细胞的增加以及由此导致的局部ROS产生的增加涉及上皮细胞的激活，并可由暴露于来自香烟烟雾（CS）、空气污染、螨虫和灰尘等来源的外源性ROS引发，这可能导致哮喘发作。ROS可以直接影响气道细胞，并诱导/促进许多与哮喘相关的病理生理特征，包括脂质过氧化、细胞膜释放花生四烯酸、蛋白质结构改变、气道平滑肌高反应性、气道介质分泌物增加、血管通透性增加、化学引诱剂的合成和释放、胆碱酯酶活性降低和肾上腺素能受体反应受损。哮喘中的氧化还原失衡也表现为核因子-E2相关因子2（Nrf2）功能的变化。一般来说，最初的抗氧化反应可防止细胞炎症和细胞毒性损伤，而II期抗氧化酶依赖于Nrf2的调节，并可通过上调血红素加氧酶1（HO-1）、SOD3、NAD（P）H苯醌脱氢酶1（NQO1）、谷胱甘肽S转移酶（GST）和谷氨酸-半胱氨酸连接酶。这些酶保护已经发生炎症的气道免受颗粒物等污染物的亲电化学物质的促氧化作用，颗粒物被认为是哮喘恶化的主要原因。因此，在哮喘患者中，II期酶的水平降低和激活增加了对这些环境刺激物的易感性，导致气道炎症反应加剧。因此，这些酶在维持细胞氧化还原稳态、预防气道炎症和哮喘恶化方面发挥着至关重要的作用。图1总结了抗氧化应激和炎症在哮喘中的参与和相互作用。图1:氧化和亚硝化应激在哮喘病理生理学中的示意图。炎症细胞如中性粒细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞的募集（例如，通过IL-8）和活化导致ROS和RNS的释放，以及NETs+MPO（来自中性粒细胞）和EETs+EPO（来自嗜酸粒细胞）的释放，从而累积增加H2O2水平。巨噬细胞诱导iNOS和NADPH氧化酶的活性，导致ROS和RNS的释放增加，从而促进氧化/亚硝化应激并降低抗氧化酶的活性。为了对抗氧化/亚硝化应激，细胞通过激活转录因子Nrf2和NF-κB来对这些条件做出反应，这两种转录因子将分别转移到细胞核并转录抗氧化酶和细胞因子。血红素加氧酶（HO-1）；过氧化氢（H2O2）；诱导型一氧化氮合酶（iNOS）；kB抑制剂（ikB）；kelch样ECH相关蛋白1（Keap 1）；嗜酸性粒细胞过氧化物酶（EPO）；髓过氧化物酶（MPO）；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）；核因子-E2相关因子2（Nrf2）；核因子-κB（NF-κB）；一氧化氮（NO）；过氧亚硝酸盐（ONOO−）；醌氧化还原酶（NQO1）；活性氮（RNS）；活性氧（ROS）；超氧化物（O•−）；超氧化物歧化酶（SOD）和超氧化物歧化酶3（SOD3）。2.2. 用于氧化应激研究的最常见哮喘实验模型使用各种过敏原，包括卵清蛋白（OVA）和花粉来源的环境过敏原，已经开发了几种研究哮喘炎症和形态学表现的实验性小鼠模型。除了不同过敏刺激的影响外，诱导的类型也会影响这些模型的实验结果。过敏反应的急性模型已被广泛用于阐明短期炎症反应、免疫球蛋白E（IgE）水平和上皮增生和肥大等形态学变化的更简单机制。在这些急性模型中通常观察到的大多数炎症细胞由嗜酸性粒细胞组成，许多变化似乎在停止过敏原给药后的几天内逆转，而不是模仿疾病的慢性特征。附加方案使用佐剂（例如，氢氧化铝[HA]），其促进由免疫系统触发的强大的2型免疫反应（Th2），以更准确地反映患者的临床情况。OVA+HA的经典模型仍被广泛使用，包括过敏原致敏和该模型的多种变体的过敏原激发在内的几种方案已被充分运用。在OVA+HA致敏和随后的OVA激发后，通常在激发后24-72小时观察到IgE增加、免疫和炎症细胞涌入以及支气管收缩。致敏和激发的天数因研究而异，除了OVA/HA给药途径（如皮下、腹膜内、鼻内或气雾剂吸入）外，还会极大地影响过敏反应和其他实验结果。尽管C57BL/6和BALB/c是最常用的，但OVA模型的主要优点是其与不同菌株的小鼠的兼容性。这些模型适用于表征过敏原诱导的肺组织结构变化，如气道阻塞、支气管收缩、高分泌和AHR特性，如肺阻力和顺应性随时间的变化。2.3. 哮喘治疗策略世界各地的哮喘治疗都采用了同样的几种治疗策略。目前，哮喘的基础药物治疗包括皮质类固醇（抗炎药）和β2-肾上腺素能激动剂（支气管扩张剂）的组合。尽管哮喘在其病理生理中有氧化剂/抗氧化剂失衡的重要组成部分，但由于目前临床数据不足，迄今为止研究的抗氧化剂尚未纳入治疗策略。尽管上述药物单独或联合使用时具有强效作用，但随着时间的推移，它们往往会出现副作用或有效性降低（如脱敏），从而限制了其长期使用。抗氧化治疗，无论是通过直接还是间接机制，都已成为解决氧化应激诱导的细胞损伤的主要和最有前途的方法之一。事实上，几项（临床前）研究已经证明了抗氧化剂的治疗潜力，尤其是对哮喘的治疗潜力。然而，应该注意的是，单独调节氧化应激可能不如与其他治疗干预措施相结合有效。在下一节中，我们将讨论各种被认为有希望用于哮喘治疗的抗氧化剂。2.4. 天然产物和生物活性物质从植物中提取的天然提取物含有几种具有抗氧化特性的化合物，包括苯甲酸、肉桂酸、香豆素、没食子酸和黄酮。类黄酮具有多种生物作用，包括抗氧化、抗炎、抗癌、减肥、抗糖尿病、免疫调节和抗过敏特性。作为强大的抗氧化剂，黄酮类化合物能够通过与自由基化合物反应、清除NO和抑制黄嘌呤氧化酶活性来稳定ROS，从而保护细胞成分免受ROS的侵害。因此，众所周知，黄酮类化合物在呼吸道疾病中具有有益的生物活性。例如，类黄酮樱花素在哮喘小鼠模型中，已被证明在减轻AHR、降低8-异丙肾上腺素和Th2促炎细胞因子以及IgE水平，在减少支气管周围血管和肺实质重塑（通过抑制NF-κB活化）方面有效。槲皮素（3,5,7,3,4-五羟基黄酮）是一种黄酮类化合物，通常存在于各种食品中，如苹果、洋葱、土豆、西兰花和茶，以及某些植物物种中。其抗氧化和细胞保护能力已被公认。槲皮素的一些药理特性包括抗癌和抗病毒活性、减少细胞增殖、防止血小板聚集、稳定免疫细胞、松弛血管平滑肌和防止低密度脂蛋白氧化。最近，槲皮素对气道的作用也得到了证实。白藜芦醇是一种多酚类化合物，主要存在于花生、葡萄（红酒）、桑椹和几种植物中，由于其低毒性和广泛的生物活性，最近被认为是一种有前途的生物活性物质。白藜芦醇的几种抗氧化机制已被描述，包括其抑制炎症细胞产生ROS的能力，清除自由基，并通过刺激ROS相关的Nrf2刺激内源性抗氧化剂的合成。已观察到白藜芦醇对肺纤维化、慢性阻塞性肺病（COPD）和肺动脉高压的有益作用。此外，白藜芦醇能够减少急性哮喘模型中的气道炎症和高反应性，并诱导哮喘肺上皮细胞中的GSH合成，减轻氧化应激，减少GSH。NADPH氧化酶的p47phox亚基是产生超氧化物的重要成分。白藜芦醇治疗肥胖哮喘小鼠减少了OVA诱导的肺部炎症，同时减少了p47phox的表达和ROS的产生，并提高了肺组织中的SOD水平。据报道，萜烯及其合成衍生物具有多种药理活性，包括抗真菌、抗病毒、抗菌、抗心律失常、抗痉挛、抗组胺、抗炎和抗氧化作用。后一种特性归因于这些化合物调节内源性抗氧化系统和直接消除ROS的能力。2.5. 饮食和营养素补充剂食物和营养素在保护气道和肺部免受氧化损伤方面发挥着重要作用。例如，从减少水果和蔬菜的摄入会导致防御抗氧化剂水平下降，从而增加对吸入刺激物的易感性的观察中可以明显看出这一点。此外，水果、蔬菜、果汁和维生素（A、C和E）的低摄入量与儿童肺功能缺陷有关，健康成年人的低血清维生素A水平与气道阻塞之间存在关联。由于抗氧化酶是保护气道免受氧化应激的基础，一些建议的治疗策略包括摄入微量营养素，如维生素（A、C和E）、多酚和类胡萝卜素，以帮助保护（哮喘）个体免受氧化应激和气道炎症的影响。据报道，维生素A和类胡萝卜素对多种人类疾病有益，包括腹泻、急性呼吸道感染、缺血性心脏病、免疫紊乱和哮喘。这些作用可能与已知的类胡萝卜素（如β-胡萝卜素）对脂质过氧化和DNA损伤的预防作用有关。β-胡萝卜素在植物和水果中含量丰富，是维生素a的前体。它可以作用于细胞膜，消除超氧阴离子，并作为可溶性抗氧化剂直接与过氧自由基反应。维生素E是指在各种具有抗氧化财产的食品中发现的一组维生素，其中α-生育酚的研究最多。它可以通过干扰脂质过氧化链式反应来保护细胞膜。虽然α-生育酚对轻度至中度哮喘患者的FEV1没有影响，但在芬兰和意大利的研究表明，α-生育酚可以减少哮喘成年人的喘息，对肺功能有一些有益的影响。维生素C是肺细胞外液中含量最高的抗氧化剂。其抗氧化活性是通过清除氧自由基和抑制巨噬细胞分泌超氧化物阴离子等不同机制发挥的。此外，维生素C在自由基通过提供氢气破坏蛋白质和脂质之前，会与自由基反应并使其失活，从而防止/逆转氧化。维生素D来源于食物摄入，或者可以在暴露于阳光下后合成。与维生素D充足的患者相比，维生素D缺乏的严重哮喘患者的FEV1值较低。此外，维生素D3的缺乏会导致ROS的产生增加，从而导致DNA损伤，补充维生素D3可以显著降低ROS的生成。在OVA诱导的哮喘小鼠模型中，维生素D3通过减少α-平滑肌肌动蛋白表达、气道炎症、胶原沉积、杯状细胞增生以及TGFβ/Smad信号传导，以及Nrf2/HO-1通路的激活增加治疗哮喘。2.6. 酶模拟物和生物活性通常，酶模拟物被认为是具有模拟较大酶（如SOD、CAT和GPx）自然活性的催化能力的小化合物。在存在氧化剂的情况下，哮喘患者气道中的SOD活性受损，并且由于炎症细胞产生大量氧自由基而导致哮喘危象加剧后，SOD活性甚至进一步降低。因此，旨在提高气道中SOD水平的策略对哮喘的治疗可能是有希望和有效的。理想情况下，SOD模拟物应具有例如清除O2•−、H2O2、ONOO•和脂质过氧化物的特性。基于有机锰复合物如AEOL10150和AEOL10113开发的SOD模拟物已显示出对气道炎症的有益作用。例如，AEOL10113在OVA小鼠哮喘模型中抑制支气管炎症和高反应性。GPx模拟物通过降低各种ROS的水平而显示出作为抗氧化剂的前景；其中包括单线态氧（一种更具反应性的氧形式）、HOCl和ONOO•。NADPH氧化酶负责产生O2•−，并间接产生其他ROS和RNS。NADPH氧化酶过度产生ROS被认为在与几种炎症性呼吸道疾病相关的组织损伤中起着至关重要的作用，包括囊性纤维化、COPD和哮喘，因此被认为是抗氧化治疗的可能靶点。罗布麻素是一种天然有机化合物和抗氧化剂，可能通过与硫醇化合物反应来阻断NADPH氧化酶的激活。吸入罗布麻素不会改变哮喘患者的呼吸参数，如FEV1和呼气峰流量。然而，它能够降低呼出空气冷凝物中的H2O2、亚硝酸盐（NO2−）和硝酸盐（NO3−）水平，这表明它具有抗炎作用。本文介绍了哮喘的病理生理学和几种抗氧化剂治疗之间的关系。使用天然化合物治疗哮喘的主要优点是副作用少；然而，有必要在该领域进行更多的转化研究，以验证单独使用天然抗氧化剂或与其他疗法联合使用作为患者的一种选择。3. COPD和肺气肿的氧化应激和炎症肺部不断暴露在潜在的有害颗粒中，这些颗粒会破坏覆盖该器官的细胞的稳态，最终可能导致不可逆转的形态和功能变化。据报道，一些炎症和氧化事件是COPD的关键因素，无论是引起支气管收缩、肺气肿，还是一系列病理生理改变，都表明COPD患者的异质性。此外，疾病进展的典型特征是小气道纤维化增加。吸烟烟雾（CS）是COPD的主要危险因素，由包括ROS在内的多种有毒化学物质组成。过量的ROS水平会诱导氧化应激，导致蛋白质、脂质和DNA等细胞分子发生有害变化。在慢性阻塞性肺病中，即使在戒烟后，炎症也会持续存在，导致持续的炎症组织损伤。各种物质作为先天免疫和适应性免疫的细胞和介质，对这种组织炎症相关的肺损伤有影响。ROS和RNS的过度产生引发了两个关键机制：蛋白酶/抗蛋白酶和氧化剂/抗氧化剂之间的失衡。CS和其他刺激性吸入剂会触发先天和适应性免疫反应，导致炎症介质的表达和激活，从而损伤局部成分，如肺上皮细胞、成纤维细胞和ECM成分（如弹性纤维和胶原纤维）。最终，这些改变导致肺顺应性的丧失，这是COPD表型的特征。3.1. 蛋白质分解失衡肺中的结缔组织形成了由ECM组织的肺支架。基底膜、气道固有层和肺泡间质（肺泡和血管之间的一个薄隔间）构成了肺ECM的主要结构。基底膜的主要成分是IV型胶原和层粘连蛋白，而固有层和间质主要由原纤维胶原、弹性纤维、纤连蛋白、糖胺聚糖和蛋白聚糖组成。ECM组成受到内源性蛋白如MMPs及其抑制剂（金属蛋白酶组织抑制剂[TIMP]）的严格调节；MMPs和TIMPs之间的平衡对于ECM的稳态至关重要。MMPs是蛋白水解酶，它构成了一个锌依赖性蛋白酶大家族，通常由巨噬细胞和肺结构细胞合成和分泌，以响应各种介质的激活。然而，MMPs也可以在中性粒细胞中产生/储存，并在脱颗粒时释放。MMPs可分为不同的亚类，如明胶酶（MMP2和9）、胶原酶（MMP1、8和13）、膜型MMPs（MMP14至MMP25）和巨噬细胞MMP（MMP12）。CS暴露导致中性粒细胞和巨噬细胞的募集，后者可以产生大量蛋白酶，从而破坏MMPs和TIMPs之间的平衡。这会导致蛋白水解，特别是影响弹性蛋白和造成组织破坏。几项研究表明，COPD患者的弹性纤维减少，纤维破裂，弹性发生受损。据报道，严重COPD患者表现出与弹性蛋白生成相关的几个基因，包括在肺组织中的弹性蛋白和纤维蛋白-5表达上调。纤维蛋白-5敲除小鼠似乎表现出可以调节弹性纤维的形成，导致类似于严重肺气肿的弹性蛋白病。自从肺气肿首次被描述为一种与抗蛋白酶缺乏相关的疾病以来，蛋白水解的作用已经得到了确立和认识。来源于污染空气的CS或刺激物吸引炎症细胞并产生压倒性的蛋白水解环境，主要包括中性粒细胞来源的蛋白酶和弹性蛋白酶、巨噬细胞来源的MMP12、组织蛋白酶L和S以及胶原酶MMP2和MMP9。抗纤溶屏障主要由中性粒细胞弹性蛋白酶抑制剂α1-抗胰蛋白酶（AAT）和TIMP组成。除了由于蛋白水解失衡导致的ECM降解外，产生的ECM片段还可以作为趋化因子并促进局部炎症。具体而言，层粘连蛋白和纤连蛋白片段对人类中性粒细胞和单核细胞具有趋化作用。因此，ECM蛋白水解产生的片段可以使炎症持续存在，而不考虑当前的吸烟状态。3.2. 氧化还原失衡慢性吸烟使支气管树和肺部暴露于高水平的外源性ROS，导致氧化应激和诱导与肺部炎症相关的细胞损伤过程。COPD患者气道中被激活的炎症和结构细胞，包括中性粒细胞、巨噬细胞和上皮细胞，也会产生ROS。CS激活转录因子，如NF-κB和激活蛋白1，并导致巨噬细胞中组蛋白脱乙酰酶（HDAC）的翻译后修饰。这些过程激活炎症细胞，触发内源性ROS和促炎细胞因子的释放，从而导致更多中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞的募集，并加剧炎症过程。这些步骤使慢性阻塞性肺病的生理病理构成的周期性和渐进性疾病持续存在（图2）。图2:COPD病理生理学中的进行性循环。氧化和有毒物质（如香烟烟雾）会引发肺部环境中的细胞和分子变化，表现为慢性炎症，可能导致修复反应不足、肺实质崩解（肺气肿）和小气道功能反应失调（支气管炎）。即使在停止吸烟后，炎症也可能持续。大多数吸烟者之所以逃避这种循环，主要是因为未知的原因，但可能是基因和环境之间复杂的相互作用造成的。呼吸道外源性（如CS）和内源性（炎症细胞）刺激产生的氧化剂/ROS负荷失衡导致氧化应激，诱导血管内皮细胞凋亡，并损害肺泡巨噬细胞的吞噬能力，最终导致坏死和肺气肿。氧化应激也会损害AAT和分泌的白细胞蛋白酶抑制剂等抗蛋白酶的功能，从而加速肺实质中弹性蛋白的分解。NADPH氧化酶产生的O2•−分别通过抗氧化酶SOD和CAT转化为H2O2和水。在铁盐存在的情况下，O2•−和H2O2可以一起反应形成高活性的羟基自由基（HO•）。O2•−也可以与NO•结合形成过氧亚硝酸盐，过氧亚硝酸盐除了诱导蛋白质的氧化损伤外，还自行产生HO•。CS也是RNS的来源。NO•在CS中大量存在，也可以由炎症细胞中表达的iNOS内源性产生。NO•与O2•−反应产生二氧化氮（NO2）和ONOO•，导致亚硝化应激。Osoata等人报告称，COPD患者呼出的冷凝物中ONOO•增加。ROS对肺组织的有害作用包括对肺实质细胞膜的直接损伤（脂质损伤）、对细胞代谢重要的酶和蛋白质的修饰，以及导致这些细胞凋亡的DNA突变。在COPD患者的气道和肺泡上皮细胞中都观察到4-羟基-2-壬烯醛（4HNE）（脂质过氧化的产物）的形成增加。COPD患者血液中脂质过氧化的另一产物MDA水平升高，并随着疾病的严重程度而升高。氧化剂的正常产生被人体呼吸系统中的几种抗氧化剂抵消/平衡，包括CAT、SOD和GSH（一种由谷氨酸-半胱氨酸连接酶和谷胱甘肽合成酶形成的三肽）。细胞外抗氧化剂，特别是GPx，在CS和氧化应激反应中显著上调。大多数抗氧化剂由Nrf2调节，Nrf2被氧化应激激活。当受到刺激时，Nrf2易位到细胞核，在那里它与抗氧化反应物质（ARE）结合，并转录编码抗氧化酶的基因。在COPD患者的肺部，尽管存在高水平的氧化应激，但Nrf2并未被正确激活。Nrf2的破坏有利于严重的肺气肿，即使在没有外源性刺激物的情况下，由于内源性ROS的持续产生，氧化应激也会得到维持。3.3. 肺气肿和慢性阻塞性肺病的实验模型使用肺气肿和慢性阻塞性肺病的动物模型可以研究特定的病理特征，如支气管收缩和肺泡破坏，并确定其作用机制，这最终有助于开发新的治疗策略。尽管豚鼠、仓鼠、兔子和狗也被使用，但这些模型中的绝大多数都是在小鼠和大鼠中设计的。CS作为COPD的主要危险因素，在基础研究中得到了广泛应用。其他实验性兴奋剂包括猪胰腺弹性蛋白酶（PPE），CS的主要替代品、木瓜蛋白酶、空气污染或生物物质燃烧，无论是单独使用还是与脂多糖（LPS）等其他刺激物联合使用。一些方案考虑将CS和其他刺激混合，以引起组织破坏的加重，这是肺气肿的典型表现。例如，在COPD的Wistar大鼠模型中，在第一天和第14天气管内滴注LPS，并在第2-13天和第15-30天用CS攻击动物。另一方面，当只使用香烟（不含LPS）时，病理特征通常需要更长的时间才能建立；为了克服这个问题，可以增加香烟的数量，连续暴露60天（每周7天）。或者，动物可以每周暴露5天，持续6个月。已经描述了几种方案，并且每种诱导模型都有理想的香烟剂量/数量和建立肺气肿的CS暴露时间。暴露给动物的香烟类型代表了另一个讨论话题。一些群体使用商业香烟，这些香烟通常由人们消费，因此模仿人类的条件。另一方面，一些人为使用专门为研究目的开发的香烟辩护（肯塔基州研究与发展中心，美国肯塔基州列克星敦），从而获得更可靠和一致的实验条件。关于颗粒物、焦油、尼古丁和一氧化碳含量的信息也可用于大多数商业香烟。3.4. COPD的抗氧化治疗策略目前的治疗方法在控制COPD症状方面是有效的（在某种程度上），但无法逆转或充分预防疾病进展，尽管对所涉及的病理机制有着深入的了解。考虑到氧化应激的病理生理作用，几个小组一直在探索天然和合成抗氧化剂作为治疗剂，单独或作为佐剂，试图抑制肺气肿的形成。有人建议对COPD患者进行非药物治疗，包括改变饮食和体育活动的生活方式。流行病学研究表明，富含维生素C、维生素E和β-胡萝卜素（水果、蔬菜、油性鱼类、全谷物）的饮食与肺功能呈正相关，可以预防COPD。这可能归因于这些微量营养素直接对抗氧化应激的能力，从而对抗氧化应激引发的炎症。氧化应激是COPD发病机制的主要驱动因素。因此，肺部微环境所受的高含量氧化剂以及过度暴露导致的抗氧化防御系统的衰竭会导致（慢性）炎症。事实上，COPD患者的外源性（如CS和空气污染）和内源性氧化剂（白细胞中复杂NADPH氧化酶介导的呼吸爆发和肺上皮细胞中线粒体呼吸）通常升高。持续的氧化刺激导致抗氧化反应的衰竭及其主调节因子Nrf2（以及相关的下游信号传导）的减少。在这种情况下，研究补充抗氧化剂作为一种治疗策略的能力在研究界引起了兴趣，并可以进行探索，以更好地理解肺气肿组织重塑的机制。抗氧化剂可以通过各种特定的作用机制促进氧化还原系统，包括（i）清除ROS，（ii）诱导Nrf2，（iii）促进抗氧化酶活性，（iv）抑制氧化酶，（v）保存氧化还原传感器，如谷胱甘肽或硫氧还蛋白系统，（vi）恢复氧化损伤的分子，（vii）调节氧化还原调节途径，和（viii）螯合过渡金属离子。概述这些抗氧化作用的抗氧化剂示意图如图3所示：图3:各种抗氧化作用机制的示意图。左上角显示了吸入香烟烟雾对肺部微环境的氧化应激和炎症的诱导作用。在右边，概述了白细胞和上皮细胞的作用以及相关的信号事件。编号从1到8的灰色圆圈表示受外源抗氧化剂影响的途径，详细信息见灰色方框（左下角）。3.5. 合成抗氧化剂对肺气肿/慢性阻塞性肺病的疗效N-乙酰半胱氨酸（NAC）已被广泛研究并用作COPD患者的辅助治疗，在临床试验中已达到4期。除了其溶解粘液作用外，NAC还充当半胱氨酸的供体，半胱氨酸是谷胱甘肽合成的限制性氨基酸。在一项对1000多名中国慢性阻塞性肺病患者进行高剂量NAC（600 mg，每日两次）的大型研究中，观察到急性发作减少了约20%。这些数据的最新补充分析表明，目前吸烟者和戒烟者以及接受NAC联合任何长效支气管扩张剂但不吸入皮质类固醇的患者，NAC使病情的恶化减少效果最好。由于这些有希望的结果，NAC已在几个实验模型中被用作积极的抗氧化剂对照，以确定治疗肺气肿和其他COPD并发症的其他抗氧化剂策略。例如，在一个混合小鼠模型中，肺气肿由猪胰腺弹性蛋白酶（PPE）诱导，CS颗粒物加重，NAC治疗通过防止氧化应激和减少炎症反应来减少CS介导的肺损伤。此外，Nrf2-GSH信号传导对于NAC对ATII细胞中CS诱导的损伤的保护作用是重要的。重要的是，在缺乏Nrf2的ATII细胞中，NAC被认为通过ROS清除活性提供部分保护作用。在一个仅使用PPE（一种非氧化刺激）诱导小鼠肺气肿的模型中，研究了iNOS的作用。在PPE诱导的肺气肿之后，小鼠表现出硝基酪氨酸水平增加，硝基酪氨酸是过氧亚硝酸盐暴露诱导的蛋白质上的氧化修饰残基。氨基胍治疗被用作抑制iNOS的药理学策略，从而减少对蛋白质的氧化损伤并保护肺实质。iNOS敲除小鼠的使用证实了这些数据。这些发现表明，iNOS在肺气肿中起氧化酶的作用，可能是药理学调节的靶点。抗氧化酶的药理学模拟物也代表了肺气肿的潜在治疗策略。细胞外超氧化物歧化酶（EC-SOD或SOD3）在肺中高度表达，并在ECM微环境中起超氧化物阴离子清除剂的作用。SOD3已被证明可以防止ECM成分的氧化裂解，如硫酸肝素和弹性蛋白，从而减轻肺部炎症反应。在SOD3转基因小鼠中或通过向WT或SD3-KO小鼠施用药理学SOD模拟物MnTE-2-PyP，SOD3的正调节减弱了肺气肿的特征，并减少了小鼠肺中ECM的氧化碎裂。因此，使用药理学模拟物增强抗氧化酶活性可能在COPD/肺气肿的干预中具有治疗潜力。此外，另一组研究了谷胱甘肽过氧化物酶1（GPx1）对CS诱导的急性肺部炎症的保护作用。他们使用了gpx-1敲除小鼠和gpx模拟物ebselen，表明gpx-1对CS诱导的肺部炎症具有保护作用，并且gpx-1模拟物可能具有治疗作用，尤其是预防作用。二烯丙基二硫化物（Dads）天然存在于大蒜和葱属的其他物种中，但它也已被化学工业商业化，并被证明可以抵御氧化应激和一些癌分子，如亚硝胺（CS中存在的致癌物）。据报道，Dads可作为抗氧化酶激活剂（GST、SOD、GPx和CAT）、谷胱甘肽合成的刺激剂和细胞色素P450家族2亚家族E成员1的抑制剂，限制ROS和致癌物的产生。尽管CS持续刺激，但Dads对小鼠的治疗干预阻断了肺气肿的形成。此外，最高剂量的Dads可防止组织和氧化损伤，如干预组中4HNE、硝基酪氨酸和羰基还原酶1水平与假吸烟组相似所示。Dads的保护作用也已在腹膜内注射CS提取物诱导的肺气肿大鼠模型中得到证实。Dads不仅表现出抗氧化作用，还表现出抗炎作用，增加抗氧化酶，减少BAL中的细胞流入，抑制细胞因子的产生，减少氧化应激标志物。他汀类药物是一类最初开发用于治疗代谢紊乱的药物，但也被证明具有一系列有趣的药理作用，即所谓独立于其降胆固醇作用的多效性作用。这些包括与COPD的保护作用有关的抗炎和抗氧化特性。例如，对肺气肿小鼠吸入阿托伐他汀和辛伐他汀可以改善肺组织结构，改善肺功能，降低ROS水平，恢复SOD和CAT活性以及GSH/谷胱甘肽二硫化物（GSSG）比率，消除任何氧化损伤标志物的增加。在这项研究的后续，Melo及其同事研究了阿托伐他汀对PPE诱导的小鼠肺气肿的影响。他们证明阿托伐他汀剂量依赖性地促进弹性蛋白酶诱导的肺气肿后的小鼠肺修复。所有评估的氧化还原参数，包括Nrf2、SOD、CAT、GSH/GSSG和MDA，在治疗动物中恢复到对照水平。如表1所示，这些报道的合成抗氧化剂在氧化应激相关疾病中对ROS的强大作用被认为是调节/治疗肺气肿的有前途的药物。3.6. 对肺气肿/慢性阻塞性肺病有效的天然抗氧化剂多酚是一组重要的分子，已在肺部疾病和其他疾病中进行了探索。多酚通常存在于含有水果、蔬菜、谷物和咖啡、茶和葡萄酒等饮料的日常饮食中。最近，研究人员广泛研究了膳食多酚及其对疾病和维护人类健康的潜在化学保护作用。Lanzetti和他的同事探索了伴侣茶（由烤香草冬青制成）的好处，这种饮料在南美洲（尤其是巴西）很常见。伴侣茶含有多种多酚，其中绿原酸含量最高。在小鼠身上证明了伴侣茶对CS诱导的肺气肿的保护作用，保留了弹性纤维和肺结构，以及GSH/GSSG氧化还原传感器比率和过氧化氢酶活性。此外，该治疗阻止了肺气肿组CS诱导的促氧化MPO活性。已经使用实验性恢复方案在患有CS诱导的肺气肿的小鼠中研究了多酚桉树醇的作用。桉树醇促进肺气肿小鼠的肺修复，这表明它可以被认为是治疗COPD的潜在植物药物。此外，桉树醇可有效降低脂质过氧化的标志物MDA水平，并反向增加SOD活性，这表明其抗氧化作用是通过不同的机制实现的。蜂胶是一种蜜蜂从植物汁液和树胶中代谢的树脂物质，含有多种多酚，在类似的肺气肿恢复小鼠模型中进行了研究。结果显示，蜂胶通过将巨噬细胞极化从M1转移到M2来促进肺修复，以非Nrf2依赖的方式激活促分解反应。槲皮素是多酚家族的一员，已被证明通过不同的机制发挥抗氧化活性，包括清除自由基和上调ARE-Nrf2介导的转录活性。后一种作用是通过抑制Nrf2泛素化和蛋白酶体周转，以及在翻译后水平上减少Keap1而发生的。此外，槲皮素可有效预防小鼠肺气肿，消除CS效应，并将氧化还原参数如SOD和CAT活性以及GSH/GSSG比率保持在基线水平。对氧化损伤参数也观察到了类似的影响，表明处理可以防止MDA和羰基化蛋白的增加。此外，在弹性蛋白酶/LPS小鼠模型中，槲皮素还通过减少氧化应激（iNOS和MDA）、肺部炎症（角质形成细胞衍生的蛋白趋化因子（小鼠IL-8）、MCP1、巨噬细胞炎症蛋白2、IL-1β）以及MMP9和-12的表达和活性来阻止肺气肿的发展。这些发现似乎受到Sirtuin 1（Sirt1）的调节，因为与Sirt1抑制剂sirtinol联合治疗阻断了槲皮素对肺部表型的影响。白藜芦醇是一种己烯酚类多酚，在科学和非科学文献中受到了相当大的关注。对著名的“法国悖论”负有责任的是，尽管法国人的饮食富含脂肪，但对心血管结果的有益影响主要归因于白藜芦醇。一项使用同分异构体顺式白藜芦醇（c-RSV）刺激小鼠骨髓间充质干细胞的研究表明，c-RSV通过热休克蛋白70（HSP70）介导的调节诱导血管内皮生长因子（VEGF）的表达，从而产生基因修饰的间充质细胞（HSP-VEGFA-MSC）。在小鼠中评估了该干细胞系减轻弹性蛋白酶诱导的肺气肿的保护能力。数据表明，c-RSV以剂量依赖的方式升高Nrf2和HO-1的核含量。当这些细胞被注射到弹性蛋白酶诱导的肺气肿小鼠的颈静脉（以诱导转基因表达）时，临床结果得到了改善。c-RSV治疗后，呼吸功能显著改善，肺组织VEGFA、Nrf2和SOD2的表达水平显著升高。Wang等人。使用由CS暴露和LPS滴注诱导的肺气肿的混合大鼠模型。接受白藜芦醇治疗的动物表现出MDA水平降低，同时SOD活性增加，Sirt1和增殖物激活受体-γ上调共激活因子-1α（PGC-1α）的表达。白藜芦醇还降低了炎症参数，如IL-6和IL-8血清水平。作者提出，白藜芦醇在该大鼠COPD模型中的有益作用与氧化应激和炎症反应的抑制有关，可能是通过激活和上调Sirt1/PGC-1α信号通路介导的。姜黄素属于姜黄素类，是从姜黄中提取的酚类色素，具有抗炎、抗氧化和抗癌活性。由于其分子结构，它在水中的溶解性很差，这限制了它的临床应用。然而，姜黄素已被证明通过上调Sirt1促进自噬和抑制内质网应激来改善大鼠肺气肿。此外，姜黄素可以通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）和抑制NF-κB活化，显著抵消CS提取物（CSE）在Beas-2B细胞培养中诱导的细胞活力降低和炎症。与这些体外研究结果一致，姜黄素在CS诱导的肺气肿大鼠模型中有效地减轻了肺功能下降和炎症反应。一些非酚类天然抗氧化剂也值得关注。硫福拉芬是一种异硫氰酸盐，来源于十字花科蔬菜，如西兰花、球芽甘蓝和卷心菜，以其诱导Nrf2的活性而闻名。体外研究表明，萝卜硫素通过上调Nrf2表达和降低ROS水平，保护大鼠肺泡上皮细胞免受CSE诱导的氧化损伤。在COPD患者的单核细胞衍生巨噬细胞（MDMs）中，莱菔硫素预处理显著抑制了toll样受体2（TLR2）、TLR4和特异性激动剂诱导的髓细胞分化初级反应88（Myd88），最终导致IL-6和TNF-α水平降低。尽管TLRs通常参与炎症反应的途径，但它们的激活也有助于ROS的释放和氧化还原稳态。如前所述，维生素代表了一组经典的抗氧化剂。在不能合成维生素C的衰老标志物蛋白-30敲除小鼠中，维生素C不仅可以预防CS诱导的肺气肿，而且可以在肺气肿建立后提供部分肺修复。从机制上讲，维生素C治疗减少了CS暴露小鼠肺部的氧化应激，增加了胶原合成，并提高了VEGF水平。在CS诱导的COPD小鼠模型中测试了具有已知抗氧化和抗炎作用的维生素E异构体γ-生育三烯醇。γ-生育三烯酚剂量依赖性的益处在暴露于CS 2周的小鼠的BALF中被观察到，减少中性粒细胞计数和细胞因子、趋化因子和氧化损伤生物标志物的水平，以及肺促炎和促氧化基因的表达，并恢复如抑制信号转导子和转录激活子3（STAT3）和NF-κB的核转位以及上调Nrf2所示的肺内源性抗氧化活性。在暴露于CS 2个月（而不是2周）的小鼠中，γ-生育三烯酚改善了支气管上皮的增厚和肺泡囊的破坏，从而改善了肺功能。重要的是，与皮质类固醇泼尼松相比，γ-生育三烯醇表现出更好的抗氧化功效和对肺气肿和肺功能下降的保护作用。表2总结了在肺气肿/慢性阻塞性肺病的细胞培养物和动物模型中给予天然抗氧化剂所获得的相关结果：表2:天然抗氧化剂（AO）在细胞系统（*）和动物模型中治疗肺气肿（特征）的应用。COPD和肺气肿相关机制的复杂性仍然是开发治疗策略的一个巨大障碍，该策略可以有效逆转或至少令人满意地控制这些疾病的症状。尽管有越来越多的证据（主要是临床前性质的）表明抗氧化剂对慢性阻塞性肺病/肺气肿的有益治疗作用，但需要将这些药物作为独立或联合疗法进行临床验证。4. 特发性肺纤维化中的氧化应激和炎症特发性肺纤维化（IPF）是一种病因不明的进行性潜在致命疾病，与衰老以及环境和职业因素（如吸烟）有关。IPF的发病机制尚不完全清楚。然而，众所周知，异常组织修复和ECM重塑起着关键作用。在IPF中，发生成纤维细胞迁移、增殖和分化为肌成纤维细胞。有人提出，上皮-间充质转化（EMT）是thses（myo）-成纤维细胞的重要来源。因此，肺泡上皮细胞经历EMT，获得更成纤维细胞的表型；同时，成纤维细胞和肌成纤维细胞的增殖和迁移导致纤维化病灶的形成（图4）。进行性和异常的组织重塑会导致肺部结构和功能的改变。氧化应激和炎症与促进肺纤维化有关。这些机制，加上蛋白酶/抗蛋白酶失衡，最终导致细胞凋亡和ECM蛋白的损失。图4：特发性肺纤维化（IPF）的发病机制。衰老、环境和职业因素与肺纤维化的发展有关。肺泡上皮细胞的损伤导致异常的组织修复和细胞外基质重塑。肺泡上皮细胞（II型细胞）经历上皮-间质转化（EMT），促进成纤维细胞和肌成纤维细胞的积累、增殖和迁移。总之，氧化应激和炎症在IPF的进展中起着重要作用。炎症过程包括中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞的浸润。巨噬细胞通过释放几种MMPs和生长因子促进IPF的发展，包括转化生长因子β（TGF-β）、血小板衍生生长因子（PDGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）。根据表型，巨噬细胞可以被表征为典型的炎症性（M1）或促纤维化（M2），这两者都参与了IPF的潜在机制。M2巨噬细胞与TGF-β的产生有关，TGF-β是参与肺纤维化发展的关键生长因子，因为它能够调节ECM的产生并作为成纤维细胞迁移和分化的调节剂。最近的一项研究表明，IL-24和IL-4可以协同促进M2表型。PDGF参与肺血管生成和肺动脉高压，IPF患者肺泡巨噬细胞中PDGF浓度升高。MMPs的释放导致ECM降解，产生可促进炎症细胞流入的片段。据报道，IPF患者的BAL液中多种MMPs水平升高，如MMP-3、-7、-8和-9。此外，高水平MMP-8和-9 rap患者的肺功能在1年内缓慢下降，这表明这些MMPs对IPF的进展具有特殊的临床意义。有人认为，细胞氧化还原状态和氧化剂/抗氧化剂的平衡对IPF的进展至关重要。肺部由于直接暴露在空气中，更容易受到氧自由基的伤害。此外，外源性氧化剂和空气污染物会诱导氧化剂的产生，并促进炎症细胞的活化，从而产生自由基。ROS在正常组织修复过程中对细胞过程的调节包括分化、迁移、侵袭和凋亡。然而，过量的ROS和RNS水平促进的氧化应激会导致细胞损伤并损害正常的组织修复。NADPH氧化酶（NOX）是ROS的主要来源，通过催化O2的还原形成ROS。氮氧化物同种型的激活与IPF的发病机制有关。NOX4尤其与肌成纤维细胞活化和肺成纤维细胞表型调节有关。这些发现得到了博来霉素诱导的肺纤维化啮齿动物模型中的观察结果的支持，其中ROS的产生和NOX4基因转录物以及蛋白质水平增加。重要的是，口服NOX4抑制剂减轻了纤维化病理改变，如纤维化病灶和胶原沉积水平的降低。中性粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、成纤维细胞和肌成纤维细胞是ROS和RNS的重要来源。在早期至中期IPF患者的肺部，炎症细胞和肺泡上皮中iNOS（负责RNS的产生）和硝基酪氨酸的表达显著增加。在血清样本中，与对照受试者相比，IPF患者的总氢过氧化物和8-异丙肾上腺素（氧化应激标志物）浓度更高。此外，氧化应激（总氢过氧化物）与呼吸困难的严重程度呈正相关，而氧化应激与功能参数FVC呈负相关，表明全身氧化应激水平可以作为指示疾病严重程度的标志。其他研究表明，通过血清氢过氧化物评估，急性加重的IPF患者的氧化应激高于病情稳定的患者，并随着IPF的进展而增加。一项检查BAL样本的研究表明，与健康的非吸烟者相比，患有IPF的非吸烟者的氧化（羰基化）蛋白浓度升高。总之，越来越多的证据表明细胞氧化还原状态的修饰与IPF之间存在联系。目前，还没有治愈IPF的方法。为了研究抗氧化剂的治疗潜力，已经探索了几种旨在减少IPF氧化应激的治疗方法。最近的研究表明，NAC对博莱霉素或二氧化硅诱导的肺纤维化大鼠的治疗增加了SOD和GSH的活性，显著降低了纤维化评分，并降低了肺组织匀浆中羟脯氨酸、MDA和一氧化氮的水平。此外，NAC给药降低了TGF-β、IL-1和TNF-α的血清水平以及PDGF的表达和胶原沉积。吡非尼酮和宁替达尼已被批准用于治疗IPF；然而，到目前为止，它们还没有被证明能令人满意地稳定肺功能。吡非尼酮是一种口服药物，具有抗纤维化、抗炎和抗氧化特性，可减少TGF-β和炎性细胞因子的产生和释放，同时抑制氧化应激。最近的研究表明，IPF患者的血清增加了原代人肺动脉平滑肌细胞（HPASMCs）的细胞内ROS水平和胶原合成，吡非尼酮治疗可以显著预防这一现象，这表明抗氧化特性是该药物体内效应的基础。在TGF-β1诱导的原代小鼠肺成纤维细胞中，吡非尼酮改善了上清液中Nrf2、HO-1和Gpx1的mRNA和蛋白表达，并降低了I型胶原和IL-6的水平。吡非尼酮治疗IPF患者的成纤维细胞可抑制TGF-β1对成纤维细胞增殖和成纤维细胞向肌成纤维细胞转化的作用。尼替达尼是一种酪氨酸激酶抑制剂，靶向促纤维化途径的成分，包括PDGF受体α和β、FGF受体1-3和VEGF受体1-3。一项评估不同剂量的尼替达尼的II期疗效和安全性试验（TOMORROW）和安慰剂对照的III期临床试验（INPULSIS-1和INPULSIS-2）显示，尼替达尼布减少了IPF患者FVC的下降，表明其对疾病进展有治疗作用。驱动IPF的具体细胞和分子机制仍不完全清楚。两种获批的药物，吡非尼酮和宁替达尼，在减少/控制IPF进展方面显示出了前景，但在逆转症状或治愈疾病方面却没有。更好地了解氧化应激如何促进IPF的进展，可能有助于确定新的靶点，并制定预防和治疗IPF的治疗策略。5. 高氧状态下的氧化应激和炎症氧气（O2）是一种重要分子，由于其亲脂性，很容易在哺乳动物的生物微环境中传播，对有氧呼吸至关重要。氧气也调节活性氧的形成。据估计，线粒体复合物I和III使用约1-3%的氧气消耗来产生超氧化物阴离子（O2•−），这是许多生物过程中的一种重要信号分子，如细胞生长、增殖、分化、对氧化应激的生理反应、存活和凋亡。低血O2水平（低氧血症）可以通过增加O2浓度（氧气治疗）来调节。氧气水平过高（高氧）可能是频繁的医源性事件导致额外的氧气供应的结果。氧气疗法被列入世界卫生组织的基本药物清单，对预防儿童和成人的发病率和死亡率至关重要。由于氧气治疗是世界上最常见的干预措施之一，应仔细考虑高氧的后果，因为长期暴露于高浓度的氧气对人体健康有害。吸入的氧气部分由氧气压缩机或氧气瓶产生，通常在（心脏和胸部）手术期间提供给急性呼吸综合征患者，以逆转/预防低氧血症（而不是呼吸困难）。氧气通过导管、面罩或鼻罩（无创）、机械通气（有创），甚至通过体外膜肺氧合系统输送，以将动脉血氧饱和度维持在94-98%（对于大多数急性病患者）或88-92%（对于那些有高碳酸血症呼吸衰竭风险的患者）。然而，当生理上的O2供应在约16 kPa（120 mmHg）的O2分压以上保持很长一段时间时，氧合血红蛋白饱和度不会超过100%，并导致血液中O2含量过高。矛盾的是，高氧会导致气体交换的巨大破坏、氧化应激/损伤、线粒体损伤、炎症、巨噬细胞对病原体的先天免疫反应受损，在肺微循环中血小板活化和螯合，控制细胞增殖、细胞凋亡、坏死、肺纤维化的机制失调和机械通气患者死亡率增加。气道和肺部更容易受到高氧的不良影响，因为呼吸系统是O2输送到身体的主要入口。但这并不排除高氧血症引起类似全身效应的可能性。5.1. 高氧引起的应激和氧化损伤单独的高氧足以诱导肺泡巨噬细胞、I型和II型肺泡上皮细胞、Clara细胞和肺内皮细胞的氧化应激。在高氧条件下，氧化应激是有利的，因为细胞氧化还原平衡向ROS和NOS的过度形成转移。过量的O2有利于黄素、醌、NADPH氧化酶（尤其是NADPH氧化酶-1）和双氧化酶（肺上皮）的作用，通过加速O2还原为O2•−，然后O2•−突变为H2O2（通过SOD和涉及Fe-S的反应）并还原为HO•（在Fe2+和Cu+离子存在的情况下）。在L-精氨酸存在的情况下，O2的较高生物利用度也通过增加iNOS活性促进ONOO•的产生，加速NO•和O2之间的反应。因此，ROS和NOS（及其具有高还原潜力的代谢中间体）与过量O2的浓度成比例升高，应被重要地视为高氧期间肺部氧化损伤的诱导物，因为它们维持氧化应激，使肺部炎症永久化，并诱导细胞凋亡和坏死。最近的证据还表明，高氧诱导的氧化应激可能与肺部炎症过程中淋巴细胞的极化有关。高氧对氧化还原平衡的干扰与氧化应激的持续存在相结合，促进了对氧化还原状态变化敏感的转录因子的合成，如早期生长反应1、激活蛋白1、NF-κB和Nrf2。特别是后者负责利用抗氧化酶（CAT、SOD、GPx和MPO）、非酶促抗氧化成分（GSH和硒）和蛋白质（如HO-1）。NF-κB通过刺激IL-8和TNF-α的合成和高迁移率族蛋白1（HMGB1）在调节高氧炎症反应中的作用已被公认。即使在高氧仅维持50%12小时的情况下，也可以观察到抗氧化系统的过负荷（例如，如SOD活性降低所示）。然而，正是随着吸入氧气的比例延长（24-48小时）升高到75-100%，这种超负荷表现为抗氧化酶（如CAT、GPx和MPO）活性的严重失衡和谷胱甘肽耗竭，这使肺部更容易受到损伤。短暂的高氧似乎会诱导一种重要的氧化反应，但不是免疫反应。此外，短期高氧（100%小鼠的O2持续2.5小时，人类的O2持续3.5小时）不会导致小鼠或健康人类志愿者的炎性细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-8和IL-10）水平升高。抗氧化系统活性的过负荷和ROS对生物分子的直接攻击导致高氧状态下的细胞损伤。例如，高氧诱导的氧化应激导致小鼠肺上皮细胞线粒体内膜和外膜的破坏，同时伴有乙醛脱氢酶活性的降低和细胞质空泡化。高氧状态下的肺氧化损伤已间接证实存在脂质过氧化产物，如MDA、羰基化蛋白和DNA碱基加合物（8-氧代-20-脱氧鸟苷）。此外，对上皮细胞-层粘连蛋白相互作用的完整性、ECM蛋白标记物的存在、肺泡上皮细胞数量密度和肺组织病理学等的分析表明，血管系统的密度降低。使用这些模型对高氧特征的表征进行了对照研究，以研究如何最大限度地减少肺部的氧化脆弱性。据报道，外源性给予NADPH氧化酶抑制剂氯化二苯碘鎓、硫氧还蛋白、视黄酸、SOD1、多酚（如白藜芦醇）、类黄酮（如马齿苋素），阿司匹林或表面活性物质可促进对高氧的不良影响抵抗力更强。或者，SOD2和SOD3的过表达或线粒体醛脱氢酶，增加过氧化氢酶和HO-1的存在，或遵循抗氧化饮食，都具有有益的效果。最近，降钙素基因相关神经肽对II型肺泡上皮细胞的抗氧化作用被证明是通过降低MDA水平、提高SOD活性和激活Notch信号通路介导的。5.2. 氧化应激与高氧血症炎症之间的关系除了诱导II型细支气管末端和肺泡细胞凋亡外，高氧血症本身还可能通过维持氧化应激和/或对肺泡巨噬细胞（特别是通过细胞凋亡）、I型和II型肺泡上皮细胞以及肺内皮细胞的直接氧化损伤而引发炎症。总之，这些事件导致局部丰富的趋化因子和白细胞介素，它们募集白细胞（这可能会也可能不会对已经建立的炎症情况产生过度影响），破坏肺泡-毛细血管屏障，增加通透性，甚至直接导致细胞死亡。在高氧条件下，肺泡上皮细胞或巨噬细胞激活MAPK转导通路，该通路与炎症、死亡和细胞凋亡有关。氧化应激和MAPK途径激活之间的关系通过外源性暴露于H2O2来证明。细胞外信号调节激酶（ERK）和MAPK通路与气道上皮细胞死亡的关系已得到证实。另一方面，Jiang及其同事表明，即使在高氧过程中SMAD3和ERK1/2受到抑制，胱天蛋白酶3的水平也会增加，这表明II型肺泡上皮细胞凋亡对生长的中断可以通过其他凋亡途径来补偿。高氧状态下的ERK信号传导是复杂的，可以从不同的细胞器激活，包括细胞质、高尔基复合体、内涵体、细胞膜、细胞核，尤其是线粒体。在高氧状态下，活化的ERK信号可以诱导细胞凋亡，甚至维持高氧炎症肺中巨噬细胞的活力。同时，NADPH诱导的高氧状态下ROS的产生激活小GTP酶，进而激活MAPK途径和c-Jun NH2末端激酶（JNK），导致TGF-β1的表达增加和TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8]的产生；后者与中性粒细胞流入有很强的相关性。矛盾的是，TNF-α、IL-1β和IL-6的存在与暴露于高氧和炎症的小鼠的存活时间更长有关，这可能是由于它们作为自分泌、旁分泌和外分泌炎症介质的广泛作用。早期证据表明，TNF-α和IL-1β的存在通过一种反馈机制提供了对高氧肺损伤的保护，该机制涉及抗氧化反应的上调和SOD2活性的增加。然而，目前已知TNF-α和IL-1β诱导IL-6的强烈表达，这是一种在炎症部位产生的多效性细胞因子，可诱导淋巴细胞（B和T）募集，甚至引发抗炎反应。众所周知，IL-1β也会将细胞募集到炎症部位，并刺激促炎介质的产生。显然，细胞因子在高氧中的参与是复杂的，并且似乎与实验模型和暴露于O2的时间有关。例如，IL-1β在高氧12小时后没有升高，但有研究在24小时、48小时、3天、4天和7天后升高。IL-6在高氧症中的作用似乎存在争议。Ward及其同事表明，IL-6可以保护肺部免受高氧损伤，这可以从B细胞淋巴瘤2蛋白的诱导和TIMP-1的存在导致的细胞死亡和DNA断裂的减少中得到证明。在新生小鼠中，对高氧的肺部炎症反应以IL-6、TNF-α、IL-12、IL-10和MCP1为特征，但在炎症反应和缺乏IL-6的情况下，肺细胞死亡显著增加。另一方面，有明确证据表明，IL-6除了参与T细胞向Th17表型的极化外，还参与了高氧诱导的肺部炎症和氧化应激的急性病例，特别是当高氧与预先存在的炎症情况叠加时。在实验性哮喘小鼠模型中，急性炎症反应的模式被高氧改变为Th17表型，其特征是强烈的中性粒细胞浸润和IL-17的存在。这种类型的免疫反应在肺部炎症的实验模型中受到了特别的关注，因为它被认为是一种急性、复杂和难以控制的反应，并且可以通过Th17局部释放IL-17和IL-22来进一步促进。除了IL-6的存在外，高氧本身还诱导TGF-β1的释放，T细胞（Tbet）中表达的T-box的表达已得到证实。高氧状态下的这一分子库特别重要，因为其相关受体的激活对于幼稚Th细胞分化为Th17细胞是必要的。NF-κB的激活导致肺内皮细胞中细胞间粘附分子1（ICAM-1）和血小板内皮细胞粘附分子1的表达，促进中性粒细胞粘附以及在高氧状态下迁移。中性粒细胞是ROS和MMPs的重要来源，高氧状态下的中性粒细胞流入与大鼠肺部的DNA损伤有关。在小鼠身上观察到，即使中性粒细胞活性减弱，肺损伤仍然存在。高氧性肺部炎症是复杂的，涉及各种其他细胞，包括巨噬细胞、内皮细胞、肺泡上皮细胞和血小板。肺泡巨噬细胞通常对损伤具有抵抗力，但在高氧条件下会发生细胞凋亡，在此过程中ERK/MAPK通路的激活似乎会导致巨噬细胞死亡。有证据表明，即使在高氧诱导的氧化应激下，SOD、CAT和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活性显著增加，巨噬细胞也能存活和增殖长达48小时；然而，在高氧暴露60小时后，增殖受到抑制，长期的氧化应激导致细胞死亡。ERK通路的持续激活通过下调特异性磷酸酶来减少促凋亡蛋白Bcl-2的作用，从而维持巨噬细胞在高氧条件下的生存。巨噬细胞是高氧中ROS的最重要来源，当在高氧微环境中活跃时，可维持氧化应激/损伤和炎症。肺泡巨噬细胞通过合成和分泌IL-1β、IL-6、TNF-α、干扰素γ、HMGB1以及来源于环氧合酶和5-脂氧合酶的类二十碳烷（如白三烯B4）（并受其自身刺激）来对高氧的初始损伤作出反应。HMGB1和白三烯B4均诱导中性粒细胞流入肺部。高氧刺激的肺泡巨噬细胞通过趋化因子受体的激活将中性粒细胞募集到肺部，并产生和释放增加中性粒细胞粘附的因子。在新生儿中，高氧诱导巨噬细胞极化为M1表型，有利于肺中IL-6/STAT3的存在。实验模型表明，肺部高水平的IL-6（以及TNF-α和IL-1β）与长期暴露于高氧直接相关。内皮损伤和上皮死亡是高氧诱导的肺部炎症发病机制中的关键点，它们直接损害肺泡毛细血管屏障的完整性。Bhandari及其同事报告称，在高氧状态下可以观察到细胞死亡的外在和内在途径，包括坏死。这些作者表明，血管生成素2的表达增加了胱天蛋白酶3、8和9的表达。此外，肺泡-毛细血管屏障功能障碍和肺泡巨噬细胞死亡与通过P2X7受体的K+流出有关，P2X7使炎症小体和细胞因子分泌保持激活。在新生大鼠中，已经证明了低氧诱导的循环细胞外小泡含有大量的焦孔素Dp30，这是一种炎症小体介导的细胞死亡执行蛋白，可能有助于支气管肺发育不良的病理特征。使用体外鼠细胞培养系统，短时间的高氧可促进N-糖酵解紊乱，尤其是肺内皮细胞，这表明内皮内表面的受体信号传导和与免疫细胞的相互作用可能受损。大约四十年前，Barry和Crapo指出，大鼠肺微循环中血小板的大量螯合是高氧的一个潜在的重要事件。Barazzone及其同事后来表明，这种现象依赖于TNF-α和CD11a。不幸的是，缺乏深入研究血小板在高氧诱导的肺损伤中的作用。众所周知，当上皮损伤诱导时，高氧条件下的巨噬细胞通过将细胞表面脂蛋白与纤维蛋白原结合，激活外源性凝血途径。未来的研究有助于澄清高氧是否与血栓性临床事件有关，特别是考虑到O2通常与预先存在的炎症状况叠加。气道上皮通过诱导IL-1α、TGF-β1和TGF-β2，通过合成表面活性物质，或许通过表达IL-10，刺激IL-11基因表达，从而调节高氧性肺部炎症。到目前为止，IL-10在肺对高氧反应中的作用仍不确定。TGF-β增加了I型胶原的产生，驱动成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，阻断肺泡化，并促进幼稚T细胞分化为Th17细胞，因此引起了人们的极大兴趣。作为对高氧诱导的肺损伤的反应，成纤维细胞迁移到肺，增殖并分化为产生I型胶原（而不是III型胶原）的肌成纤维细胞，从而改变ECM。I型胶原的早期沉积与炎症并行，促成了支气管肺发育不良的“新”概念，其特征是肺泡发育迟缓、持续炎症、轻度纤维化和肺泡-毛细血管屏障完整性受损。肺成纤维细胞中的高毒性I型胶原合成与氧化应激和随后的Rho相关蛋白激酶途径的激活有关。对高氧状态下激活的炎症和细胞死亡途径的鉴别导致了关于如何减轻这些途径对肺损伤的影响的不同研究。FGF-18抑制NF-κB信号通路，降低暴露于高氧的II型上皮细胞的氧化应激和炎症水平。凝聚素是一种在气道上皮细胞中表达的糖蛋白，其过表达可防止高氧诱导的线粒体膜破坏，并可防止BCL2相关的X细胞凋亡调节蛋白易位、细胞色素C释放和胱天蛋白酶激活。脑信号蛋白3A对ERK通路的抑制是抑制高氧诱导的细胞凋亡和炎症。在高氧诱导的肺损伤实验模型中，白杨素（一种类黄酮）的给药通过增加抗氧化活性（SOD和GSH）、抑制促炎介质（TNF-α和IL-1β）、改善肺泡化和减少细胞凋亡（半胱氨酸蛋白酶 3）来减轻肺损伤。其他几种方法已经成功地对抗了高氧诱导的氧化应激和肺部炎症。Bezerra及其同事证明，用外源性表面活性剂处理可以降低成年小鼠肺组织匀浆中的氧化应激和炎症标志物（HMGB1、TNF-α和IL-17）。其他研究表明，依托咪酯对高氧诱导的小鼠应激和炎症的有益作用是上调肺组织中的Nrf2和HO-1。在暴露于高氧的新生大鼠中，给予18β-甘草次酸（甘草甜素的主要代谢产物）可抑制NF-κB和NLRP3炎症小体的激活，并降低ROS水平。岩藻糖胶（一种富含L-岩藻糖的硫酸多糖复合物）通过抑制细胞凋亡、减轻氧化应激和抑制肺成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，从而减少肺纤维化和I型胶原沉积，保护新生大鼠免受高氧诱导的肺损伤。在这里，我们概述了高氧导致内皮损伤、肺泡上皮损伤、血管通透性增加、水肿、高细胞性和激活趋化因子/白细胞介素，累积导致肺部形态变化（见图5）。高氧诱导的氧化损伤可以通过细胞和细胞外生物分子的伴随氧化发生，这是由ROS和RNS的攻击引起的，这些ROS和RNS是由可用的过量氧气直接形成的。此外，来自炎症细胞的蛋白水解酶，特别是中性粒细胞和巨噬细胞，有助于肺的重塑。由于肺部受到各种损伤的影响，如机械应力、感染、低灌注、全身炎症和药物毒性，高氧在诱导人类肺部损伤中的相对作用很难评估，尤其是考虑到大多数患有高氧疾病的患者，这些患者都有背景（通常是肺部）疾病。因此，我们坚信，需要继续研究高氧诱导的“氧化爆发”，特别是当与预先存在的炎症条件叠加时。更好地了解高氧诱导的肺损伤所涉及的分子和细胞事件将有助于预防/限制O2治疗的医源性后果。图5:高氧早期诱发氧化应激和炎症。（A） 健康肺部的高氧血症会导致氧化应激引起的肺部损伤和炎症。当高氧叠加在已有炎症的肺部时，氧化应激诱导的肺部损伤和炎症会加剧。（B） 高氧血症激活巨噬细胞和肺上皮细胞中的MAPK、JNK和NF-kB通路，导致细胞凋亡、氧自由基的形成，以及具有细胞因子库（L-6、IL-1B、IL-8、TNF-%、TGF-B1和STAT3）的炎症微环境，这些细胞因子库有利于幼稚T细胞向Thl的极化，并促进中性粒细胞的吸引内皮细胞表达用于中性粒细胞粘附的ICAM-1和PECAM-1。（C） 低氧诱导的氧化应激以及对巨噬细胞和肺上皮细胞的损伤导致血管通透性增加，粘液产生增加，淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞大量募集到炎症部位。内皮损伤使红细胞散开，并促进血小板在细胞外基质蛋白上聚集。（D）Thorpe管和Bourdon管超生理氧输送的一个例子。6. 脓毒症的氧化应激与炎症氧化应激和炎症在败血症的发展中起着重要作用。继2016年第三次败血症和败血症休克国际共识定义会议之后，败血症被定义为“由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍”。基于全球疾病负担的数据，据估计，2017年全球败血症的发病率为4890万，与败血症相关的死亡人数为1100万，占全球登记死亡人数的19.7%。在美国，败血症是医院最昂贵的疾病，占240多亿美元，占美国医院费用的13%。脓毒症是一种复杂的多因素综合征，宿主的免疫反应可能会有很大差异。例如，致病病原体和感染部位对宿主反应的发展至关重要。感染可由各种来源引起，如细菌、病毒、真菌和寄生病原体。在细菌中，革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌引起更多败血症。原发性感染有许多不同的部位，肺是败血症相关死亡病例最常见的病变部位。6.1. 脓毒症和急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征肺炎等肺部感染之后可能会出现败血症。这可能发展为直接败血症诱导的急性肺损伤（ALI）或其最严重的变体，急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。当原发性感染发生在肺部以外（如胃肠道）时，脓毒症也可间接产生ALI/ARDS。ALI和ARDS的特征是血管渗漏、肺泡渗出物和低氧血症，随后是纤维增殖期，该阶段可以被阻断并恢复，也可以发展为纤维化并最终死亡。感染后，肺内皮和上皮屏障被破坏，导致液体和蛋白质的通透性增加，导致肺泡水肿。此外，肺泡间隙中存在中性粒细胞、单核细胞、炎性细胞因子和红细胞的过度募集和积聚。尽管炎症对病原体清除和疾病解决很重要，但其过度激活可能会产生组织损伤等有害影响。过度的炎症反应可通过诱导p53（肿瘤抑制基因）表达增加和随后的细胞凋亡来损伤肺泡上皮细胞。脓毒症还以细胞因子风暴为特征，包括不受控制地产生促炎细胞因子，如TNF-α、IL-6和IL-1β。除其他外，这些细胞因子可以诱导内皮细胞的活化，导致粘附分子（如P-和e-选择素）的上调，这将导致中性粒细胞增加沉积到肺泡间隙。活化的血小板也通过与中性粒细胞（中性粒细胞血小板聚集体）相互作用在肺组织中积聚。这些聚集体会加重肺损伤，因为研究表明，它们具有更大的吞噬能力、粘附功能和产生有毒氧代谢产物的能力。白细胞在败血症的发病机制中起着关键作用。除了大量涌入的中性粒细胞外，其他重要的细胞包括常驻肺泡和（从血液中）募集的巨噬细胞。中性粒细胞是第一批被招募到感染部位的细胞，它们在肺部的积聚是感染性炎症的标志。与存活的患者相比，败血症诱导的ARDS患者死亡时BAL中中性粒细胞的数量更多。然而，中性粒细胞数量不能作为创伤和其他原因导致ARDS患者死亡的预测指标。ROS和RNS的产生是先天免疫系统对抗入侵病原体的重要机制，因为它们具有抗菌功能。然而，ROS和RNS的产生失调可通过肺组织损伤导致ARDS的进展。中性粒细胞含有NADPH氧化酶复合物，因此是ROS的重要来源。这种复合物可以将氧气还原为超氧阴离子，超氧阴离子将释放到细胞外，然后分解为H2O2，这是一种更稳定的产物。中性粒细胞颗粒中存在的一种酶MPO可以进一步催化H2O2生成羟基自由基和HOCl。过量的ROS产生会以多种方式损害细胞。例如，肺上皮细胞通过与DNA的反应被ROS损伤，从而改变细胞结构和功能。此外，ROS可以通过细胞膜中存在的花生四烯酸的过氧化引起氧化应激并通过诱导转录因子的激活而导致炎症介质的产生，从而促进炎症。Johnson等人使用大鼠模型进行的一项经典研究表明，肺内滴注产生氧代谢产物的酶会导致急性肺损伤，这大大有助于理解ROS在肺部的毒性。在生理条件下，抗氧化防御系统在抑制ROS/RNS中发挥重要作用，从而防止组织损伤。然而，在ALI/ARDS疾病中，存在有利于ROS产生而不是清除的氧化还原失衡。因此，据报道，ALI/ARDS患者的血浆脂质过氧化产物增加，抗氧化血浆水平降低。因此ROS在败血症炎症的发生和ALI的进展中发挥着重要作用，这使其成为潜在的治疗靶点。与肺部感染相关的一般事件，随后ROS产生和炎症加剧，最终导致ALI/ARDS发展和肺败血症，如图6所示：图6：受损肺泡肺组织的示意图 可以通过其他器官的炎症加剧直接或间接受损。在直接损伤中，常驻肺泡巨噬细胞通过其表面存在的模式识别受体（未显示）识别入侵的病原体，产生细胞因子和趋化因子。中性粒细胞被募集到肺泡间隙，在那里它们产生更多的细胞因子和ROS/RNS，导致内皮和上皮损伤。通过增加p53的表达，上皮细胞凋亡也会增加，并会破坏紧密的屏障，导致水肿液和红细胞增多，以及中性粒细胞浸润肺泡组织。中性粒细胞向选择素表达增加的方向迁移（在内皮细胞上），并可与血小板形成聚集体。许多中性粒细胞会通过NOX2的表达产生过量的活性氧代谢产物，MPO最终将H2O2转化为其最终产物。抗氧化策略被认为通过（1）中和氧代谢产物，（2）抑制PLA2，导致NOX2抑制，或（3）诱导Nrf2活化（使用BMSC）来减少过量ROS的产生。6.2.脓毒症的抗氧化治疗在许多可用的研究败血症的模型中，有三个突出模型：（I）内毒素血症（全身接种LPS），（II）细菌接种（例如，全身给药大肠杆菌），和（III）屏障破坏操作（如盲肠穿孔、CLP盲肠结扎和穿刺）。后者目前被认为是金标准，因为它代表了一种与败血症临床过程相似的情况，随着时间的推移，在不同的器官和组织中表现出病理生理变化。使用这些实验模型，抗氧化剂在抑制过量ROS产生引起的损伤中的重要作用已经得到证明。例如，分子氢（H2）已被证明可以通过中和来减少OH-•造成的危害。事实上，在LPS诱导的ALI模型中，用富氢盐水处理的大鼠表现出肺部炎症减轻、巨噬细胞凋亡减少和M2表型巨噬细胞增加。如前所述，Nrf2是一种参与氧化应激反应的重要转录因子。在中度氧化应激下，Nrf2被激活并转移到细胞核，在那里它可以作为抗氧化基因的转录激活剂。使用LPS诱导的ALI小鼠模型进行的研究显示，骨髓来源的间充质干细胞（BMSC）具有保护作用，这可以通过抑制炎症小体NLRP3信号传导而降低肺部的炎症和氧化作用来证明。Nrf2抑制剂部分破坏了这种有益的作用，这表明Nrf2抑制可以增加ROS水平，进而为NLRP3激活提供必要的信号。磷脂酶A2（PLA2）是一种重要的酶，参与NOX2的活化和ROS的产生。在LPS诱导的ALI模型中，非特异性cPLA2抑制剂MJ-33保护小鼠免受肺损伤。同一组使用了PIP-2，这是一种来源于表面活性蛋白a（一种天然肺蛋白）的肽，可抑制PLA2的活性，并表明PIP-2对PLA2/NOX2信号传导的抑制在细菌感染模型中可有效预防ALI。已经进行了一些使用抗氧化剂治疗败血症的临床试验。研究表明，在感染等应激条件下，血浆中强效抗氧化剂维生素C的水平会下降。服用维生素C缩短了败血症患者在ICU的住院时间和机械通气的持续时间。然而，考虑到一些研究没有发现积极的结果，维生素C的使用仍然存在争议。由于氧化应激在脓毒症ALI/ARDS的发展中起着重要作用，因此探索涉及不同抗氧化剂的治疗策略可能对治疗ALI/ARDS具有重要意义。7. 机械通气相关肺损伤（VILI）中的氧化应激和炎症机械通气（MV）是一种用于重症监护室的有创生命支持工具，用于有死亡风险的患者。尽管MV每年挽救数百万人的生命，但MV引起的肺部扩张和收缩会促进炎症细胞浸润和氧化应激，从而可能导致呼吸机诱导的肺损伤（VILI）。与VILI相关的物理机制是由于高肺容量引起的肺泡过度扩张和塌陷，如：重新开放低容量通气肺的功能单元。在实验和临床研究中，当高肺容量和高气道压力与血管通透性增加之间存在关联时，MV也会促进对肺实质的损伤。因此，机械拉伸通过细胞的募集和炎症介质的释放，以及局部和全身ROS的产生，触发肺部炎症反应，统称为生物伤。肺泡上皮细胞（AEC）、巨噬细胞和中性粒细胞是负责VILI诱导的肺部炎症反应的主要细胞。机械通气引起的转导机制可能通过Ca2+损伤细胞膜，特别是在AECs中。具有高潮气量的MV可触发小鼠BAL中促炎介质的释放，如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、CXCL1、CXCL10和MIP-2。其中，IL-6和IL-1β也被发现能刺激NF-κB激活。最近，一项针对大鼠的实验研究表明，高压通气增加了肺组织中的IL-33水平，这表明IL-33是VILI的一种新的生物标志物。HMGB1是一种非组蛋白核蛋白和损伤相关模式分子，由AEC和肺泡巨噬细胞表达；它能吸引中性粒细胞，并可能与VILI有关。另一项实验研究显示，HMGB1在接受MV的兔子的BAL中积累。在VILI过程中，细胞外HMGB1与TLRs和晚期糖基化终末受体（RAGE）产物结合，从而激活ALI中的细胞内p38和其他下游信号通路。关于肺泡巨噬细胞，具有高潮气量的MV已被证明能促进小鼠肺细胞的自噬和HMGB1分泌，从而增加肺部炎症反应。其他实验模型表明，中性粒细胞从血液中募集到气道（通过间隙连接通过内皮），是导致VILI的重要细胞。中性粒细胞的激活是由促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β启动的，之后中性粒细胞产生并释放NETs，这些NETs已被证明在小鼠VILI中具有致病作用。TLR4是中性粒细胞活化和存活的调节因子；因此，TLR4-MyD88信号通路在小鼠高潮气量VILI的发病机制中起着关键作用。一旦被募集到肺实质中，中性粒细胞就会释放出可能含有MPO、NADPH氧化酶和MMP9/中性粒细胞弹性蛋白酶的颗粒。这些酶在ROS的产生以及响应MV的肺实质中ECM降解的激活中至关重要。MV引起的肺泡循环拉伸促进NADPH氧化酶系统的激活，该系统由属于NOX家族的跨膜和胞浆蛋白组成。亚基gp91phox（NOX2）和p47phox对于VILI中循环拉伸诱导的ROS（如过氧化氢H2O2、O2•−和•OH）的产生至关重要。RNS（一氧化氮NO•及其代谢产物）在利用高潮气量诱导VILI的实验模型中也发挥着重要作用。NO•可由三种NOS亚型（神经元型、内皮型和诱导型）产生。iNOS亚型与大鼠模型中的VILI直接相关。MV下RNS和ROS的过量产生导致氧化还原状态的破坏，导致内源性抗氧化防御系统产生失调。对MV诱导的循环应激促进的氧化损伤的反应主要由抗氧化反应物质（ARE）介导。因此，Nfr2诱导肺抗氧化酶/蛋白质的转录和翻译以响应促氧化剂刺激。在基础条件下，Nrf2与keap1结合并维持在细胞质中。然而，在MV诱导的肺泡循环拉伸下，Nfr2与Keap1断开并易位到细胞核，诱导与解毒和细胞保护相关的几个基因的转录。我们的研究小组使用健康动物探索了VILI的各种实验模型（高潮气量、呼气末正压、容量控制或压力控制）。我们观察到抗氧化酶SOD和CAT的增加，谷胱甘肽系统的耗竭与肺组织氧化损伤的增加有关，脂质过氧化和羰基化蛋白水平的增加，以及MPO活性的增加。所有这些变化都与MV诱导的炎症细胞的募集和重要细胞因子和趋化因子的产生相平行。在VILI的实验模型中，抗氧化剂NAC能够减少MV引起的急性肺损伤。最近，一些其他生物活性化合物被认为可以保护或预防MV诱导的VILI。在接受机械通气（高潮气量为25mL/kg，持续4h）的成年大鼠中，用不同浓度的多酚姜黄素治疗可以改善MV诱导的氧化还原失衡和炎症，可能涉及抑制NF-κB活化。我们的小组研究了具有生物活性的化合物番茄红素，这是一种类胡萝卜素，可使番茄、西瓜、番木瓜、粉红葡萄柚和番石榴等各种食品呈现红色，具有营养（即药理营养）特性。番茄红素的作用是减少氧化还原失衡，提高抗氧化酶水平，并通过细胞周期调节和基因表达调节来改善免疫反应。因此，我们推测，营养化合物，如番茄红素和其他抗氧化剂（如槲皮素、橙皮苷）可能是预防或治疗VILI的新的治疗替代品（图7）。这些推测需要在临床前实验模型和临床研究中得到（进一步）验证。图7。与呼吸机诱导的肺损伤（VILI）相关的机制综述，以及可能预防或治疗机械通气（MV）引起的VILI的生物活性化合物。8. 结论这篇综述涉及对气道和肺部影响最大的呼吸系统疾病：COPD、IPF、败血症、VILI、哮喘和高氧。每种情况下的炎症反应都是特异性的，并依赖于多种细胞因子/趋化因子和信号机制的参与。通常，转录因子如NF-κB和AP1，以及某些激酶（如MAPK）参与炎症。所有炎症反应都集中在炎症细胞的积聚和激活上，如巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和淋巴细胞，随后对气道驻留细胞（如上皮细胞和间充质细胞）进行损伤和/或（表型）调节。尽管每种病理状况都有其特殊性，炎症和组织反应最终导致损伤，尤其是在持续的情况下，可能（慢性）损害肺功能。炎症通常会产生氧化应激反应。尤其是在肺部，持续暴露于空气和（高浓度）氧气为上皮、间充质、内皮和炎症细胞提供了丰富的氧化还原信号底物。在这种情况下，这里讨论的所有呼吸条件都具有氧化还原信号成分。目前针对呼吸道疾病的药物通常可以治疗症状，在不直接作用于病因的情况下提供暂时缓解。如本综述所述，抗氧化剂在治疗与氧化应激相关的各种呼吸系统疾病方面显示出巨大的潜力，其在不同实验性肺病模型和一些临床研究中的疗效证明了这一点。迄今为止，使用动物模型获得的绝大多数有希望的结果尚未在临床试验中重现。然而，考虑到药理安全性、有限的副作用以及新型强效化合物的不断出现，抗氧化剂应作为治疗呼吸道疾病的治疗剂进行进一步探索。原文地址：Antioxidants 2023, 12, 548.https://doi.org/10.3390/antiox12030548