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自由基类分子的病理损伤机制与SARS病毒性肺炎的治疗策略
原作者: 吴军 博士 发布日期:2003-08-03
美国洛杉矶加州大学医学院分子医学药理系 SARS来势汹汹,因为是一种新发现的病毒,人们对它的致病机制还不是很明确。因此,对该病的治疗,到目前为止,并没有针对性的药物和治疗措施。 其实,流感病毒,单纯疱疹病毒,呼吸道合胞病毒,仙台病毒等在致病毒性炎症时有一些共同发病机理特征,就是病毒与渗透到肺组织里免疫细胞的相互作用过程中,宿主免疫细胞(巨噬细胞,中性粒细胞等)过度产生的自由基类分子(free radicals),如氧自由基(O2o─),一氧化氮自由基(oNO)及其衍生物(ROS),对受感染机体的生命基本结构分子、细胞以至组织器官造成损伤。 自由基又称游离基,就是具有未配对电子(即外层轨道中具有奇数电子)的原子、原子团、离子或分子,具有很强的化学反应能力。在机体受到病毒、细菌入侵时,免疫细胞产生自由基物质,主要是O2o─, oNO等,作为防御手段杀灭细菌病毒,为人体免疫系统中相当重要的一环。但是,当自由基产生过量时,由于它们的非特异反应特性,对受感染机体的生命基本结构分子如蛋白质、核苷酸、脂肪等有极强的氧化硝化反应能力,导致对细胞,组织的攻击,造成对蛋白质、核苷酸、脂肪的结构和功能受到破坏,使细胞膜发生脂质过氧化,形成氧化压力和硝化压力,诱导细胞的凋亡破坏内皮细胞的稳定,增高血管渗透性,以至出现水肿,出血等病理现象,导致肺功能的损害,肺功能丧失以至宿主死亡。 (Akaike et al., 1998, 2000a, 2001; Davis and Matalon,2001)。 通过对流感病毒感染小鼠的研究,发现病毒在宿主体内的浓度在第4天达到高峰,第8天下降到最高值的50%。这个时候,肺病变在第8天变得极严重,同时出现死亡现象。当死亡率达到20%,也就是感染第10天时,病毒在体内的含量已经极低。说明,病毒本身不造成肺炎死亡,只是肇事者。有其他间接的因素才是导致肺病变的元凶(Akaike et al., 1990)。在另一个以鼠巨细胞病毒接种到鼠腹腔,形成鼠肺炎的实验模型里,受感染鼠的肺组织里面是没有病毒存在的。 病毒入侵机体时,机体免疫细胞就会做出排斥抵抗病毒的反应。伽玛干扰素(IFN-g),就是免疫细胞分泌的抗病毒的主要细胞因子。但与此同时,伽玛干扰素又能刺激诱导型一氧化氮自由基合成酶(iNOS)的活性,导致oNO的爆发性生成。同时,腺苷脱氨酶的活性,在血浆里增加了10倍,在支气管肺泡液里增高了170倍,在感染的第8天达到最高值。说明体内的腺苷被源源不断地转化为O2o─的主要产生酶,黄嘌呤氧化酶XO的底物,为O2o─的爆发性生成提供了原料保障。在肺组织里,XO的活性在病毒感染的第8天,比感染初期增加了近40倍。对O2o─的直接测定也显示,O2o─的产生在感染第6天大大升高,在第8天翻番,出现爆发性生成,对肺细胞造成极大损害。这个时候,受感染小鼠开始出现死亡。 O2o─与 oNO还可以反应生成的过氧亚硝基阴离子(ONOO─)对机体组织的进一步损伤。ONOO─不仅是很强的氧化剂,还有很强的硝化作用,在铁,铜离子催化下对蛋白质,核酸,不饱和脂肪酸进行修饰,引起蛋白质结构的改变。ONOO─还可以造成核酸突变(A→G),导致癌变和病毒的进一步变异,激活蛋白酶和金属细胞外基质蛋白酶(MMPs)的活性,加速蛋白和细胞外基质的降解,导致血管通透性增高。 同时,有研究证实,受病毒感染的小鼠体内抗氧化剂匮乏用流感病毒感染小鼠,发现小鼠体内抗氧化剂如维生素C,E和谷胱苷肽的浓度大大降低,说明宿主防御自由基损伤的能力大为降低,容易受到自由基引起的损伤。 现在,SARS治疗专家已经总结SARS发病的三个阶段,即:病毒增殖期,免疫系统过度活跃期,肺肾等多器官功能损害期。这跟上述小鼠的流感病毒感染肺炎模型的发病规律是一致的。 利用超氧化物岐化酶SOD对过量产生的氧自由基O2o─进行清除,可以极大地改善感染病毒的小鼠的生存率(SOD 1000活性单位,> 60%; 经多聚物修饰的pyran-SOD 200活性单位,> 85%)。把XO酶的抑制剂allopurinol(2毫克)给感染小鼠口服,也可以改善感染动物的死亡率(> 60%)。L-NMMA是一种oNO产生酶的抑制剂。在病毒感染的第3到第7天,给感染小鼠每天口服一次,每次2毫克,可以提高受感染动物的生存率达50%。值得提醒的是,L-NMMA对受治疗动物的体内病毒的复制并没有影响,即使给与更高的剂量(5 毫克/鼠)。 以上研究结果说明,过量产生的自由基类分子,才是关键性致损伤因子。抑制和/或者加强机体清除自由基/抗氧化能力,将大大改善受感染宿主的生存率。 在俄罗斯,早在上个世纪70年代,就有报告用维生素C来治疗急性和慢性肺炎。近年,俄罗斯医生用维生素E治疗流感病毒引起的肺炎,发现可以显著地降低患者体内脂质的过氧化。有临床治疗报告显示,抗氧化剂维生素E,维生素C可以显著地降低患成人呼吸窘迫症(ARDS)和医院性肺炎(nosocomial pneumonia)患者的多器官衰竭。接受维生素E,维生素C作为补充治疗的患者,严格接受医院的营养提供。治疗组在ICU住院期间,给与维生素E(经胃管每8小时1000 IU)和维生素C(静脉每8小时1000 mg)。结果,维生素辅助治疗组患者患多器官衰竭的百分率大大低于没有维生素辅助治疗组患者的百分率。 国内已经开始根据清除过度产生的自由基的治疗策略来治疗病毒性心肌炎,儿童病毒性肺炎,甚至病毒性肝炎等病毒引起的感染疾病。针对克萨奇病毒引起的心肌炎,浙江大学医学院Chen P等人已经通过实验证明,发病机理是VC, VE, beta-CAR, SOD, CAT 和GSH-Px的平均水平下降,机体产生的过量自由基引起的氧化损伤和脂质氧化损伤。给与VC, VE, beta-CAR可以显著改善患者的治疗。 需要特别说明的是,维生素C因为可以促使血液中的转铁蛋白中的稳定不活泼的三价铁离子逸出成不稳定的有催化活性的二价铁离子,根据著名的Fenton反应,从过氧化氢产生出氢氧根离子,对机体产生副作用。因此,对患者补铁时,应该注意亚铁离子对自由基产生的促进作用,以及维生素C通过亚铁离子所起的副作用。 硒(selenium, Se)是谷胱苷肽过氧化物酶(GSH-Px)的辅助因子,是机体清除自由基的重要成分。在肺炎情况下,硒和谷光苷肽过氧化物酶的水平在患者体内是明显低于正常水平的。在罹患系统性炎症反应综合症(SIRS)等肺炎的ICU病人,硒和GSH-Px的水平甚至低到正常水平的40%。在德国慕尼黑大学内科,医生对SIRS患者进行补硒治疗。接受补硒的患者给与硒酸盐静脉注射(sodium selenite)535微克3天,285微克3天,155微克3天,之后每天35微克。对照组每天给与35微克。结果,治疗组GSH-Px活性显著增高,血浆肌酸酐(plasma creatinine)显著降低,全体死亡率下降(33.4%对52.4%)。特别是针对有严重肺炎和呼吸机能不全的患者,补硒治疗可以大大降低患者的死亡率(36%对89%)。在中国,硒用于防治克山病和肝癌,更取得世界瞩目的良好效果。 几种中药,通过实验证明,确有去自由基效果。黄连解毒剂可以有效地抑制oNO,IL-1和PGE2的产生,抑制中性粒细胞与血管内皮细胞的粘附,对H2O2及O2-均具有清除作用,治疗呼吸道合胞病毒肺炎有效,副作用少。生脉散也可以增强SOD和GSH-Px的活性,增进对氧自由基的清除作用。 广州钟南山院士和北京李太生教授都有所发现,以往的研究显示谷氨酰胺双肽有改善细胞免疫、降低ICU患者死亡率的作用。建议考虑用静脉注射谷氨酰胺双肽来调节免疫功能(《中国医学论坛报》5月11日网站)。实际上,谷氨酰胺双肽是抗氧化剂谷胱苷肽的合成前体,给患者增加谷氨酰胺双肽,就是增加患者抵抗自由基的氧化压力的能力。 有学者认为是机体免疫系统产生的细胞因子失调。实际上,很多细胞因子是要通过刺激自由基的产生酶的表达,影响自由基的生产,来达到其作用的。例如INF,TNF, IL-1等。别忘了,生物的生命活动,是通过化学反应来进行的。 现代微生物学的主题是研究病原体与宿主之间的相互作用,而不是只关注某个特别的病原体本身。研究SARS的病毒分子和遗传结构,固然有利于更好地了解其生物学特性,并有利于制作疫苗,和开发特异性抑制其入侵和复制等活动的药物,可是,有报道说因为SARS病毒属于RNA病毒,容易变异,这样给针对于病毒本身的特异性治疗措施处于被动局面。其实,不管病毒如何突变,都是要通过宿主的过度免疫反应产生过量自由基,导致对宿主的组织器官的损伤而发病,这个共同机理是不大改变的。而且,对于病毒感染中后期患者,病毒滴度已经大大降低,针对病毒本身的治疗措施,已经没有多大意义。这时,对于病毒感染中后期患者,更应该注重调节患者的生理机能,帮助身体里的各器官正常运作,最终战胜疾病。 "广州医学院附一院呼吸研究所副所长陈荣昌发现,部分危重病人并非死于非典,而是丧生于严重的并发症" [《人民日报》 (2003年05月08日第五版)],说明,治疗不必针对于SARS病毒本身,而应该针对病毒的共同发病机理---过度产生的自由基造成的损害! 从目前公开报道的资料来看,国内卫生部,广州呼吸病研究所,和香港的医疗机构的治疗方案都没有提到抑制SARS的自由基过量生成的治疗措施。说明SARS治疗中对自由基过量生成造成损伤的发病机制认识不足。因此,在对非典型肺炎患者的治疗中,应该高度重视免疫细胞过度产生的自由基所造成的损伤,并加强抑制自由基的过量产生,或者加强机体清除过度产生的自由基的能力,来作为针对性的治疗措施。 建议 1:立即召集国内从事自由基损伤研究的基础和临床专家组成小组,对SARS患者的自由基产生和病理损伤进行实验调查检测,明确自由基损伤对患者的发病机理概念,并以此为依据,展开对SARS肺炎患者的综合治疗 2:对SARS感染者早期给与大剂量维生素E,C或者其他抗氧化剂,红霉素,黄连素等治疗,以抑制自由基的过量产生 3:对严重SARS肺炎患者,在给与激素等治疗时,加强抗氧化剂如维生素E,硒,SOD,谷胱苷肽等的综合治疗 4:对临床使用的抗氧化剂进行及时效果评估,以找到更合理的种类和剂量 主要参考文献: Akaike T. Role of free radicals in viral pathogenesis and mutation. Rev Med Virol. 2001 Mar-Apr;11(2):87-101. Review. Akaike T, Maeda H. Nitric oxide and virus infection. Immunology. 2000a Nov;101(3):300-8. Review. Davis I, Matalon S. Reactive species in viral pneumonitis: lessons from animal models. News Physiol Sci. 2001 Aug;16:185-90. Review. Oda T, Akaike T, Hamamoto T, Suzuki F, Hirano T, Maeda H. Oxygen radicals in influenza-induced pathogenesis and treatment with pyran polymer-conjugated SOD. Science. 1989 May 26;244(4907):974-6.