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1、细胞应力损伤,呼吸机所致肺损伤的重要机制,Stain 应变或牵拉，或在应力作用下弹簧所改变的长度。Stress-应力，或每单位面积上所施加的力Stiffness-刚度，作用在弹性元件上的力的增量与相应位移的增量之比。Yield Stress-屈服应力，物质所能承受而不发生变形的最大应力Plastic Deformation-塑性变形，当受到一个应力时，物质发生变形，除去这种外力后，不能回复原状。,表面张力-处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为零，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引
2、力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。,一肺的微观力学,1.正常肺肺泡的微观力学首先必须承认目前我们尚缺乏足够的工具可以在微观领域动态地并具有精确地空间分辨率去定量应力及张力的变化。50多年前就已意识到肺实质应力及张力的形态学分布是不均匀的。肺及使其封闭起来的边界结构，如肋骨架、腹部横隔膜、心脏、纵隔被认为是一个在重力下变形的弹性固体。不一致的应力及张力领域被施加在肺及与其变形匹配的边界组织。,实验证实仰卧犬在吸气状态下，从FRC到TLC，肺牵拉沿纵径方向增长了40%。肺实质是一个网络组织结合体。镶嵌在这个网络组
3、织中的血管及气管比起肺实质来说抵抗了更多的变形应力。基于灌注固定组织标本形态学分析的肺实质微观力学模型，考虑构成肺泡管的弹力蛋白及胶原纤维的螺旋状网络是主要的应力承受结构。而肺泡壁主要被表面张力所支承。在肺容量增加时，其仅仅是简单地展开。这解析了为什么从肺局部区域计算的可见大于1 cm 3 的牵张显著地高估了肺细胞在呼吸时所经历的伸展。,有研究证实：通过电镜观察，在一次吸气时，基底膜面积对应于线性牵张大约增加了35%，而细胞伸展仅仅是15%因为大多数固定剂影响了组织的水合作用及表面张力，因此，想对于活体状态，它们扭曲了肺的组织结构。,2.损伤状态下肺泡的微观力学,损伤肺在自己重力作用下闭陷这种
4、长期以来形成的观念已受到挑战。挑战主要基于以下观念：损伤时液体聚集在小气道及远端的肺泡组织，这将防止而不是促进依赖区的肺组织闭陷。损伤肺所具有的两种特性使其对变形损伤的危险性增加。第一种特性是在吸气时，可以扩张的肺泡数量减少。损伤肺通常含有通气良好、通气较差及不通气这三种肺单位。较小的、损伤程度较低的肺单位优先复张，于是接受了吸入潮气量的大部分。这使其易被扩张并增加了损伤的危险性。,第二种特性是：肺扩张时局部阻抗是不均匀一致的。这导致了远端肺泡组织液体及表面张力分布的不均一性。这种肺阻抗的不均一性导致相邻的、互相依赖的并具有不同容量的肺单位之间可产生一个剪切力。此外，。在小气道和肺泡管重复开放
5、和关闭期间，液体桥的破裂及在呼吸时液气界面移动所施加在衬里细胞上的应力均可可引起损伤。,二呼吸机所致肺损伤的血气屏障,1.病理及形态学改变早期组织间隙水肿，内皮细胞细胞膜水泡及连接细胞之间的基底膜缺失。更长时间的损伤造成细胞内及细胞间缝隙的形成及广泛细胞破坏后基底膜的裸露。有研究早已证实毛细血管的通透性至少部分是由内皮细胞蛋白收缩所控制。黏附分子受体及细胞骨架蛋白在内皮细胞调节肺血管屏障特性方面有着十分重要的作用。高应力不仅可以造成血管内皮细胞之间的缝隙甚至可以造成内皮细胞内缝隙的形成。,2.损伤肺的细胞应力损伤。损伤的机械通气模式使细胞膜及所附着的细胞产生应力损伤。随着潮气量的增大及暴露在这
6、种应力下时间的延长，用碘化丙啶做标示剂所显示的有细胞膜缺陷的细胞就越来越多。而将此应力去除，60%的受损细胞可修复这些膜缺陷。尚不清楚，是否内皮细胞及上皮细胞在应力作用下是唯一容易受损的肺细胞。与牵拉相关的细胞膜断裂时，细胞膜下的细胞骨架起什么样的作用。基膜出现应力损伤是否将不可避免的引起细胞应力损伤。同样不清楚是否细胞间及细胞内缝隙的形成是一种主动改造变形以适应大的可造成亚损伤的牵拉。,三细胞反应及变形应力所造成的后果,活细胞的微观流变学：肺的主要应力承受元素是弹力蛋白、胶原纤维网状系统及表面张力。此也解析了肺的弹性回缩倾向。确实，肺可以看作是一个被表面张力扭曲的组织网状结构。而细胞对变形的
7、抵抗对整个肺部的稳定性的贡献是非常微小的。虽然如此，肺细胞必须适应其所粘附框架的变形。细胞通过黏附受体，例如整合素与周围环境交互作用。整合素在此可提供细胞骨架与细胞外基质之间的动态、双向的联结。,在大潮气量呼吸时，基底膜表面积区域的增加，使附着于其上的上皮细胞及微血管内皮细胞发生形态改变。在呼吸时，上皮细胞及内皮细胞两者均承受到了变形应力。而此变形应力是肺容量、跨肺压、表面张力及作用在血气屏障上面的血压交互效应的结果。所导致细胞形态的改变要求细胞表面积对容量比增加，这通常伴有细胞应力承受元素（即细胞骨架）的重组。,细胞骨架是一个互联的生物聚合体网状构造系统，它可对环绕的基质施加向心力。它被细胞
8、膜覆盖，即类脂双层膜，并以特殊的外部及内部小叶区域组成了它的分子构成。比较一下细胞骨架蛋白，细胞膜在生理条件下仅承受很少的应力。然而，当一个大的形态改变被从外面给予时，细胞骨架经历了渐进的张力。,有意思的是源于较大的亚损伤牵拉所产生的细胞膜缺陷仅是短暂的并可被迅速修复。固体材料的力学特性可被弹性常数描述。而弹性常数是相关物体对容量及形态改变抵抗的定义.在这个框架内屈服应力及渐进应力是物体对塑性变形及结构破坏敏感性的定量描述。对细胞成分例如细胞骨架蛋白、骨架网络构造、脂旨双层膜及整体细胞包括肺泡及支气管上皮细胞的材料特性可做相关估计。,在讨论细胞损伤的内容中，生物材料的两个特性值得评论：网络结构
9、特殊的流变学特性；在确定细胞适应性时，细胞主动重新改变（或塑造）的重要性。因为细胞，特别是细胞骨架是网络构造，个体应力承受元素（如单一反应纤维）的力学特性在确定细胞的变形抵抗时仅仅是第二位的。细胞是张力承受微纤维并已被加以应力的网络结构，它与压力抵抗微管及细胞外基质分子成分是相配对的。因此，它们对变形的抵抗关键取决于整体网络结构的互相联结及应力承受元素之间的分子接触面被破坏、变性及改变的速率。活体细胞展现了强大的可塑性，即应力承受元素被施加一个变形应力时，它很容易被改变。变形应力引发的细胞改变涉及到主动的能量依赖的过程。此过程可避免结构损伤的形成。,2.细胞重塑（或改变，Cellular Re
10、modeling）：预防细胞膜损伤,基质及细胞骨架依赖的力学感知及细胞重塑 连结细胞外基质与细胞支架生物聚合体的蛋白在力学感知及转导方面起着十分重要的作用。它们被装配进黏着斑、小半鞘翅及复合物中及被认为是用来监测局部应力的袖珍牵拉测定仪。黏着斑是高可塑的结构并以一种应力依赖的方式改变。这容许粘附细胞去探测周围框架的局部阻抗并依次提供运动方向控制及细胞形变的线索。,最广泛研究的涉及力学感知的黏附受体是整合素。在配体诱导活化后，整合素通过衔接蛋白的结构联合转导细胞内的生化信号，这包括GTP酶、受体及非受体酷氨酸激酶及磷酸肌醇。其余黏附分子例如钙粘素越来越被意识到在力学传导及作为变形所引发的上皮细胞
11、及内皮细胞屏障功能受损的分子靶目标上均起着十分重要的作用。,通过许多独特的及相关联的生化信号，基质分子在肺被应力引发的重朔变形中不可置疑地起着一个主要作用。例如，在体外，暴露在一个压缩应力下的支气管上皮细胞引发未受到应力作用的纤微细胞的反应。压缩应力显示可收缩环绕上皮细胞外侧的细胞间隙。,细胞表面面积的调节及细胞膜张力,细胞变形导致细胞重塑的假设在预防细胞应力损伤的应用方面是重要的。不仅重塑反应涉及到基质及细胞骨架蛋白而且还有胞膜内外的囊状脂质运输。这种脂质运输在调节细胞膜的表面积及胞膜张力并最终帮助防止胞膜应力损伤方面起着一个工具的作用。在某种程度上细胞膜应力损伤前炎症因子信号启动及呼吸机损
12、伤肺细胞死亡的触发因素之一。,Morris发现最早期原始细胞大小的调节是被微脂体的物理过程所控制。她由此得出监测及调节类脂双层膜的张力最终确定了细胞大小的设定点。按照此理论，类脂双层膜的张力已改变了膜对渗透物的传导性并最终影响了细胞容量的变化。当代细胞已进化了许多精确的控制机制，这包括蛋白对能量消耗的调节及物质流量的调节。细胞可感知物质流通量的大小，胞吞及胞吐的作用、蛋白通道及泵活性以及细胞骨架网状结构的聚合率。容量、表面积及形态是各自率常数加权分配的简单后果。胞膜张力是许多控制回路（或机制）的中心。胞膜张力的改变不仅可影响膜离子及水的传导性同样可影响胞吞及胞吐的速率。,变形诱发的脂质运输,在
13、呼吸时，结缔组织基质尺寸的改变使附着其上的细胞的形态发生了改变，这间歇地增高了胞膜的张力。据此，Vlahakis推理认为为了防止胞膜渐进性张力升高。肺泡上皮细胞对基质伸展的反应是显示一个净的向胞外的脂质运输（胞吐作用）。脂肪囊（或小泡）到胞膜的运输不仅是温度及能量依赖的，而且这种反应可被细胞骨架活化因子及胞膜胆固醇消耗所抑制。最近的观察已证实：在调节强力牵拉的肺泡上皮细胞的表面积时，变形所诱发的的脂质运输在胞膜伸展上的重要性。,变形应力同样可引发胞吞反应。当考虑到胞膜张力调节的背景，牵拉引发表面膜脂质的胞吞反应似乎是违反直觉的。然而，实验证据是不可否认的。胞吐及胞吞脂质运输反应是有其内在联系的
14、。胞吐及胞吞可一时脱节，然而，当胞膜张力变化时，其相对应的率也会变化。,对正常及损伤肺的几项研究将兴趣着眼于变形触发囊状小泡脂质运输的分子及路径的特异性。当肺患有相对温和的组织间隙肺水肿时，肺细胞膜表面的脂质微区域经历了一个真实的重组。膜重塑的功能后果，这几乎确定伴有表面蛋白表达的改变，仍有待进一步研究。在体外，这样的变化是与细胞表型的变化相关的。推理得知，细胞对机械损伤的敏感性发生了变化。例如，通过对肺泡上皮细胞膜填充脂质如胆固醇并形成一个特殊的微区域而完成胞膜重塑。这反过来加速Type II to Type I细胞表形的分化转移。这两型细胞具有不同的力学特性。,已注意到损伤肺的肺泡渗出液含
15、有细胞碎片及丰富的胆固醇。在肺损伤愈合期间，作为型细胞的原始细胞，型细胞必须在胆固醇丰富的环境下分化。在活体内过多的胆固醇是否及如何影响型细胞到型细胞的分化，这种分化对变形诱发的脂质运输及力学传导的后果均是未知数。,真核细胞胞膜是富含胆固醇、磷酸卵磷酯及鞘类磷脂。胞膜的脂质及蛋白是疏水配对的以维持低的膜能量状态。脂质及蛋白成分的改变会改变膜的能量状态并会因此影响它们的功能。鞘类磷脂在细胞的许多功能上起着重要的作用，这包括力学传导。它们在细胞膜上浓度的精确调节与胆固醇密切相关，借助胆固醇它们形成膜特定的微区域。在内皮细胞、成纤维细胞及其余一些上皮细胞，鞘类磷脂、胆固醇及糖基磷脂酰肌醇锚(着点)蛋
16、白显示会优先与50-100nm（纳米）凹称为细胞膜穴样凹陷或定义为小窝蛋白结合。这些结构在非网格蛋白依赖的胞吞或内摄作用中起着十分重要的作用。在某种程度上对这些小窝蛋白而言，它们是受到侧面应力即可展开的细胞膜内陷。它们不仅对变形诱发的脂质运输的力学传导十分重要，而且是维持亚渐进膜张力的中心环节。,3.细胞膜损伤,已经意识到在肺部过度的机械力导致以肺细胞及其胞膜损伤为特征的组织损伤。正常情况下胞膜承受的拉伸应力至少比丝状的肌动蛋白低一个数量级。致使胞膜破裂的张力被估计范围在1-25mN/m，相应的膜牵拉仅为1-3%。,渐退的张力随着类脂双层膜的成分及构成而变化，也与在一定的时间范围内胞膜破坏相关
17、。几项研究检测了在培养基中肺上皮细胞胞膜应力损伤的分子及生物物理的决定因素。研究结论概括如下：应力损伤发生的概率与牵拉的幅度及速率相关。细胞之间及细胞所处于的系统之间，对损伤应力的敏感性变化很大。这同样包括继发的膜修复的概率方面。影响细胞骨架装配及囊状小胞运输的干预增加了细胞对损伤的敏感性，这通常假设主要是妨碍了其应力承受结构修复的能力。,4.细胞膜修复,细胞损伤后使膜恢复其完整性的能力是所有细胞生存的基础，事实上所有细胞都具有此能力。直到最近，普遍流行的观点是损伤胞膜的修复主要通过自我封闭来完成，即磷脂与水之间的疏水性相互作用将驱使脂质流向缺损的游离缘。事实上，这个机制很容易在膜模型及红细胞
18、上观察到。然而，这种自我封闭不足以修补大的缺损也不能解析有核细胞的再封闭。,近期研究发现：1m 等级的小破损将引发靠近损伤处的Ca2+依赖的囊泡胞吐作用，从而降低膜张力并促进损伤闭合。囊泡的产生及运输涉及到非肌性肌球蛋白并且对肌动蛋白细胞骨架的破裂是敏感的。继发于胞膜完整性缺失而发生的细胞溶质Ca2+的升高同样促进囊泡内膜的接合（拼接）。这些作为补丁被输送到大的缺损位置并在那里与细胞膜融合。在损伤细胞，溶酶体对内膜补丁显得是一个普遍的资源。在膜损伤后，溶酶体释放出其内容物对外来生物也是一种最原始的防御机制。细胞同样具有适应性的机制去保护细胞膜以对抗机械力损伤。,在3T3成纤维细胞，重复的膜损伤
19、导致Ca2+调节的囊泡胞吐作用的增强并使得膜自我封闭速率加快。在短时间内（几分钟），这种适应反应需要cAMP 依赖的蛋白激酶A，而长时间（几天内），则需要cAMP反应元素结合蛋白。囊泡融合反应被多种蛋白催化，这些蛋白调节最初确认的膜而这些膜注定要被融合。它们推动膜互相接近并使脂质/水界面去稳定并开始混合这些脂质膜。,结论,总之，细胞和细胞膜对变形损伤是敏感的。两者作为传感器及效应器可对物理应力作出反应。许多机械通气损伤的表现，如水肿、炎症、组织重塑及纤维化，均可追踪到细胞膜的应力损伤。虽然，损伤并不仅仅由变形相关的细胞信号传递所触发，但我们必须记住：是细胞而不是肺泡、气道、血管及结缔组织感受及传导局部应力。,目前，常用的通气策略，低潮气量及高PEEP，在实验性肺损伤模型中明显地降低了细胞应力损伤。因此，可以考虑把气体交换、肺复张及合理的呼吸系统力学特性作为治疗目标的替代品，即通过物理方式预防细胞应力损伤及促进气道及肺泡的损伤恢复。这是因为损伤修复，需要细胞迁移、增殖及上皮细胞的转分化。理解先前已充满水肿液及闭陷的肺泡重新复张充气是如何及是否影响这些关键细胞的生物学功能是十分重要的。,
