脓毒症的病理生理学-2021年进展:免疫和凝血障碍导致内皮损伤

近年来,随着免疫系统反应的重要性及其与血管内皮细胞的相互作用,我们对脓毒症所致器官功能障碍的病理生理学的认识有所加快,脓毒症可能会产生微血管损伤。这一重要概念的概述将集中描述第一部分中损伤的细胞机制第二部分中器官系统功能障碍的细胞机制。虽然将讨论监测和治疗干预的某些方面,但读者可参考其他来源以获得更全面的信息和指导。类似地,尽管将讨论冠状病毒病患者2019年(新冠肺炎)中提到的病毒脓毒症的某些方面,但应将其视为基于不断发展的理解的初步信息。

1、流行病学

脓毒症是导致死亡率的重要因素。在2020年新冠肺炎大流行爆发之前,疾病控制和预防中心估计,美国每年有170万成年人发生脓毒症,近270,000人死于脓毒症。大多数人在医院外发病,但通常在因脓毒症住院之前至少有1例合并疾病和医疗保健系统暴露。此外,疾病控制和预防中心估计,三分之一在医院死亡的患者患有脓毒症,尽管大多数成人患者在确诊后5天内死亡。与较高死亡率相关的因素包括免疫抑制、肝硬变、血管疾病以及没有接种过流感或肺炎球菌疫苗的病人。在世界范围内,对脓毒症发病率的最佳估计是每年4890万例(2017年),其中1100万人死亡;其中近一半是儿童。虽然统计尚未完成,但严重急性呼吸综合征2型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的全球大流行已导致1.94亿多例脓毒症病例,截至2021年7月已有410万人死亡。

2、简史

虽然感染相关死亡从有记录的医学史开始就被认识到了,但随着人们对分子和临床因素、免疫学和血管反应的认识不断增强,现代对脓毒症的定义在过去三四十年里一直在微调。第一个正式的定义发表于1992年,并对患者进行了连续分类,包括全身炎症反应综合征(SIRS)、脓毒症、严重脓毒症(感染伴器官功能障碍的证据)、感染性休克和多器官功能障碍综合征(MODS)。然而,通过国际拯救脓毒症运动(SSC)的努力和一系列每四或五年更新的指南声明,该定义已经演变。

最新的SSC指南于2017年发布,并得到了执行建议和治疗bandle的支持,以优化程序和过程。这一版本的SSC指南使用了Sepsis-3定义,该定义将脓毒症描述为对感染的失调宿主反应,将脓毒症描述为具有循环和细胞/代谢功能障碍,并与更高的死亡风险相关。然而,这些指南的大部分基于较旧的脓毒症定义和建议评估、发展和评估(等级)方法的分级,以及荟萃分析和多专业国际专家的意见。这些指南指导的治疗干预措施包括早期经验性抗菌治疗、液体复苏和血流动力学终点动态评估、源头控制和优化的支持性治疗措施将不在这里讨论。严重新冠肺炎和脓毒症患者的处理指南可用。这些类似于先前的脓毒症指南,讨论了病毒性脓毒症的具体治疗方法。

3、脓毒症/休克与其他休克状态的定义

休克可由心源性、低血容量性、梗阻性或分布性/血管扩张性原因引起。感染性休克是最常见的分布性/血管扩张性休克,与前列环素和一氧化氮(NO)等血管活性物质的释放有关。这些介质抑制中央、局部和微循环床的血流和灌流的自动调节,并产生血管扩张和最终的低血压。血管内皮细胞的炎症性损伤导致完整性丧失和通透性增加,导致液体和蛋白质渗入血管周围组织和淋巴管(历史上称为第三间隙),从而加剧了低血压。因此,感染性休克有低血容量性休克的成分。由于多种循环介质的心肌抑制作用,感染性休克也可能具有心源性休克的特征。

过电子预警系统寻找被监测患者的体征和症状模式,有助于识别可能患有脓毒症的患者。一项系统回顾表明,通过数字警报对可能的脓毒症进行早期预警和快速的临床反应与减少住院和重症监护病房的住院时间有关。然而,由于脓毒症是一种综合征,需要进行临床评估以确认诊断并排除其他导致生命体征异常的原因。脓毒症标志物可能包括至少2个SIRS阳性标准和疑似或当前的感染源;温度异常(>38°C或<36°C)、呼吸频率加快(>20次/分钟)、心率加快(>90次/分钟)、白细胞计数异常(<4,000/mm3或>12,0000/mm3)。低血压(收缩压<90mmHg)或乳酸水平升高被认为是严重的脓毒症(根据旧的定义),感染性休克被定义为尽管液体复苏但仍持续的脓毒症。临床症状如疲倦、虚弱、出汗或湿热、皮肤有斑点或变色、恶心、呕吐或腹泻有助于确定脓毒症的推定诊断。检验值还有助于加强对脓毒症的诊断,并确定感染的原因。通过使用生物标志物面板采集血液、尿液和痰进行培养或感染检测,并抽取血液进行化学、血液学和凝血值的实验室评估是常规做法,将进行更详细的讨论。当临床检查提示时,应进行适当的成像以进一步确定潜在的感染部位,如肺部(肺炎)。

4、脓毒症的临床表现

感染触发了一系列复杂的途径,旨在识别感染,控制病原体的传播,并启动修复机制。大多数皮疹都会出现局部炎症(发热、发红和肿胀),但更严重或更广泛的感染或由毒力病原体引起的感染可引发全身反应(如发烧、心动过速、呼吸急促)并进展至其他部位的组织、器官功能障碍,最终导致休克。最常见的感染部位是肺部、腹部或尿路,应将其作为可能的来源进行检查。最初,代偿性交感机制降低了发现进展性疾病的能力,直到它们耗尽,脓毒症症状变得非常明显。临床医生应该意识到细微的初始发现,并在出现这些发现时对脓毒症有高度怀疑。

5、对感染的免疫反应

对感染的免疫反应包括一系列复杂的细胞和化学介质,这些介质在级联中流动,导致其他成分的激活或抑制,这取决于微环境和可能的过程时间(图1)。当这些反调节过程保持平衡时,感染或损伤后将很容易恢复动态平衡。当这一过程明显失调时,后果可能是严重的,导致进行性炎症和MODS。正如下面将要讨论的,在免疫反应、凝血系统、组织损伤过程以及炎症和抗炎效应之间存在大量的干扰和相互作用。针对单一成分的治疗在很大程度上是由于对相互作用过程的意外影响,或者可能是因为启动的时机不当,这反映了我们对这些过程的初步理解。最近SARS-CoV2感染的大流行加速了对病毒炎症途径的了解,同时进一步说明了我们知识的不足。

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6、化学和免疫介体

当病原体突破皮肤或胃肠道、呼吸道或泌尿生殖道的物理屏障时,就会触发免疫反应。这些特异性反应与激发病原菌、病毒载量和毒力有关。最快速的是基于对以前遇到的病原体的分子模式的识别,在几分钟到几小时内建立的液体相和细胞防御机制的固有反应。先天反应包括高度相互作用的反应,包括白细胞(中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞)、树突状细胞、先天淋巴细胞和补体系统。中性粒细胞占循环白细胞的50%到70%,是先天免疫系统的效应细胞。被激活的中性粒细胞经历了几个阶段,包括趋化作用,触发迁移到损伤部位,沿着血管内皮细胞滚动,黏附,并穿透血管壁。在与感染易感性增加相关的情况下,如糖尿病、病毒感染、热带疾病以及持续性脓毒症,趋化性受到损害。一旦中性粒细胞发现并识别了病原体,吞噬作用或吞噬作用就会导致吞噬溶酶体内超氧阴离子以受控的方式产生活性氧物质(ROS)。在脓毒症中,ROS的产生可能不受控制,导致这些有毒物质的局部释放,导致更广泛的炎症和微血管通透性增加(图2)。中性粒细胞还使用非氧化机制,通过将含有消化蛋白酶的颗粒与吞噬溶酶体融合来杀死病原体。过度的炎症可能导致广泛的脱颗粒和蛋白水解酶的释放,导致更多的全身性和局部性内皮损伤。病原体清除的第三个重要机制是通过释放DNA、染色质和颗粒蛋白形成中性粒细胞胞外陷阱(NETs),以实现细胞外杀伤,中性粒细胞可能在这个过程中死亡。未成熟的中性粒细胞,或条带,通过完整的血细胞计数来识别,是进行性感染的标志,表明中性粒细胞从骨髓中提前释放。

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正如前面提到的,当病原体从先前的接触中被识别出来时,就会发生先天反应。它是病原体相关分子模式(PAMPS)和模式识别受体(PRRs)激活和放大免疫反应,导致脓毒症的临床和细胞表现(图3)。常见的PRRs包括Toll样受体(TLRs)、维甲酸诱导基因1(RIG-1)样解旋酶和核苷酸寡聚化结构域(NOD)亮氨酸丰富的蛋白;这些统称为炎性小体。不同的TLR对病原体(细菌、病毒或真菌等)是特定的。具体地说,TLRs触发级联反应,导致胞浆核因子-ĸB(NF-αB)的激活,诱导基因产生促炎细胞因子,如肿瘤坏死因子-α(肿瘤坏死因子-α)、白介素1-β(IL-1β)、趋化因子,如细胞内黏附分子-1、血管黏附分子-1,以及一氧化氮和其他ROS。当组织损伤时,相关的分子模式(DAMP)如高迁移率族蛋白B1、热休克蛋白、S100蛋白、线粒体DNA和其他代谢分子引起类似的病理或临床过程时,组织损伤会触发类似的级联反应。先天免疫反应旨在消除DAMP和PAMP,但在脓毒症中可能过度激活,导致严重炎症反应。

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另一个清除病原体的途径是补体系统。它是一系列蛋白质,是先天免疫防御的一部分,但也影响组织再生和更新、胚胎发育和神经元连接调节。C系统中的许多可溶性和表面结合的蛋白质通过三条主要途径相互作用,导致C3和C5的激活。这些过敏性毒素(C3a和C5a)形成一种复合体,可以溶解细菌,刺激吞噬作用,引发氧化爆发,并放大炎症。过量的C5a会导致中性粒细胞功能障碍和细菌杀灭减少,这表明C5a缺乏或过多都是有问题的。补体活性受可溶性和细胞膜结合的抑制物调节。一些PAMP,如内毒素,可以上调中性粒细胞上C3a受体的数量,增强免疫反应,触发网络形成。补体释放也可能损伤内皮屏障,导致内皮和器官功能障碍。

在感染后的时间里,炎症基因转录的上调和中性粒细胞的激活有助于免疫的第二阶段,称为适应性反应(图1)。淋巴细胞从骨髓中的造血干细胞释放。在循环中,B淋巴细胞成熟为浆细胞,产生组织特异性抗体。抗体附着在抗原上,并将入侵者标记为被其他免疫细胞破坏,包括吞噬并通过吞噬作用清除细胞碎片和微生物的巨噬细胞。

另一组淋巴细胞迁移到胸腺进行激活,并成熟为不同的亚型,称为辅助、杀伤或调节性T细胞,产生细胞因子。一种表面糖蛋白,分化簇(CD)决定了其作用。1型辅助性T细胞(Th-1)分泌促炎细胞因子(肿瘤坏死因子-α、IL-1β、IL-2和干扰素-ɣ),2型(Th-2)分泌抗炎细胞因子(IL-4、IL-10和IL-13)。两者都有CD4+表面标记。杀伤T细胞显示CD8+表面标志。树突状细胞是先天系统和适应性系统之间沟通的辅助细胞,存在于作为与外部环境的屏障的组织中,如皮肤和鼻腔、肺部或胃肠道的内皮,以及大多数淋巴组织中。树突状细胞处理病原体的抗原物质,并将其呈递给T细胞,通过细胞因子和趋化因子导致额外的募集和炎症。它们还能帮助B细胞保持免疫记忆。该细胞系的另一个成员–吞噬血细胞巨噬细胞可能被激活,并通过破坏健康的组织和细胞而导致严重感染时出现的贫血、淋巴细胞减少和血小板减少。

免疫细胞的一个重要位置是胃肠道相关淋巴组织(GALT),在那里抗原呈递的树突状细胞、肠道巨噬细胞和适应性免疫细胞之间存在着调节良好的相互作用。这种局部免疫反应中和管腔PAMP和细菌,并能分泌细胞因子以应对入侵者;这是先天免疫反应的重要组成部分。在低灌流的情况下,肠道屏障可能被破坏,允许细菌和PAMP移位,并在门静脉和淋巴循环中触发炎症反应,从而加重休克。这些介质流向肝脏,引起肝脏炎症和放大反应,导致全身损伤。随着保护性厌氧菌的减少而发生的肠道微生物群的复杂变化被称为致病菌群,并可进一步促进局部炎症的失调。抗生素、质子泵抑制剂、阿片类药物、血管升压剂和非肠道喂养可改变微生物菌群。因此,许多免疫细胞和介质对脓毒症的炎症反应起到促进和助燃作用。

炎症介质的过度释放被称为细胞因子风暴,尽管介质的强度和具体模式取决于测量的时间和病原体的性质,并且没有统一的定义。尽管有各种潜在的触发因素,但临床特征相似,有发热、疲劳、厌食、头痛、皮疹、腹泻、关节痛、肌肉痛和神经精神症状。虽然这些发作后可能会出现器官功能障碍,但目前尚不清楚这是直接由细胞因子引起的损伤,还是炎症、凝血和直接组织损伤的联合影响。已经测量了炎症的特定标志物,包括非特异性C反应蛋白(CRP)、D-二聚体和铁蛋白的升高,以及高甘油三酯血症、白细胞增多或白细胞减少、贫血和血小板减少。包括干扰素-ɣ、IL-6、IL-10和可溶性IL-2受体α(IL-2ra,T细胞活化的标志物)在内的细胞因子在脓毒症中可以被检测到并有不同程度的升高,但细胞因子水平通常不能紧急用于指导治疗决定。细胞因子风暴是新冠肺炎患者的一个潜在问题,但到目前为止,在这些患者中报告的细胞因子和炎症标志物的值并不高于其他脓毒症综合征、急性呼吸窘迫综合征或噬血细胞淋巴组织细胞增多症或嵌合抗原受体(CAR)T细胞疗法治疗后的患者。在任何这些情况下,负反馈机制的失败可能导致无调控的炎症,尽管抗炎治疗的应用尚未被证明具有一致的结果益处;关于这些疗法的讨论超出了本文的范围,但已经进行了详细的综述。地塞米松疗法长达10天被证明是需要氧气的新冠肺炎患者的有效抗炎疗法,对于某些呼吸迅速恶化的患者可能会加用抗白介素药。

虽然炎症在历史上被认为是脓毒症最大的问题,但现在假设抗炎反应可以导致更长期的危重状态和更容易发生继发性感染。这被称为持续性炎症-免疫抑制和分解代谢综合征(PICS),以长期危重疾病、器官功能障碍、蛋白质分解代谢和营养不良为特征。患者可能表现出虚弱、恶病质和伤口愈合不良,导致功能结果不佳,需要进行持续治疗,最终低存活率。有人建议,在一些急性脓毒症患者的骨髓中重新填充造血干细胞和未成熟的髓系细胞。未成熟髓系细胞的正常成熟可能会受阻,这些细胞可能会变成髓系抑制细胞(MDSCs),导致具有免疫抑制和炎症特性的这些细胞的异质性群体的扩张。建立这些细胞变化与PIC之间关联的数据有限,研究仍在进行中,可能需要广泛的治疗干预来影响结果。PICS的另一个因素可能发生在巨噬细胞通过吞噬作用清除死亡细胞,其过程转向更具抗炎性的特征。不管具体机制如何,很明显,免疫系统可能会下调和功能失调,使宿主更容易受到感染或无法清除现有的感染。

7、凝血障碍

如果没有与包括凝血系统在内的其他系统的复杂相互作用,对感染的免疫反应就不会发生。脓毒症的特点是平衡向促凝血因子转移,天然抗凝剂减少。细胞因子促进包括单核细胞在内的多种细胞的组织因子的表达,刺激外源性凝血系统和凝血因子VII和凝血酶的激活,以及内在系统,引起进一步的放大。健康和失调状态下促凝血力和抗凝血力的复杂相互作用如图2所示。

8、血小板

血小板是凝血的重要组成部分,在血管损伤后提供快速反应。活化的血小板将中性粒细胞招募到炎症部位,分泌二磷酸腺苷(ADP)、血管性血友病因子(VWF)、血栓素A2、生长因子、5-羟色胺和凝血因子。整合素是血小板上的一组受体,最为人所知的是它们在糖蛋白IIb/IIIa抑制剂治疗中的使用,但还有其他几种有助于聚集。P-选择素受体通过与中性粒细胞、单核细胞和T淋巴细胞相互作用,介导血栓形成和炎症反应。然而,血小板也会触发内皮细胞释放异常大的vWF多聚体,这些多聚体以长条状固定在内皮细胞上,并进一步招募激活的血小板,进一步导致微血栓(图2)。炎症和微血栓的组合导致内皮细胞损伤和大血栓形成,关键组织灌注量发生变化。消耗活化的血小板会导致血小板减少,这是脓毒症的常见症状。与其他生物标记物一样,血小板减少症是预后的重要风险标记物,持续的低值或下降切线可能比测量的绝对值更重要。

对于大多数脓毒症患者来说,治疗性抗凝的作用仍不明确。新冠肺炎放大了凝血障碍的挑战,尽管进行了预防性抗凝,但仍有微血管和大血管血栓形成的广泛报道。一种主要的假说与病毒进入内皮细胞和内皮炎,高炎与血小板和NET的相互作用有关(见图2)。组织 NETs 通过捕获循环细菌,病毒和其他病原体具有有益的作用,但也引起血小板激活,聚集,并通过触发因子V激活和凝血酶的生成进一步促进血栓形成。

在正常状态下,内皮细胞维持内源性凝血和抗凝之间的平衡。脓毒症可能会减少血管内皮细胞产生的天然抗凝血剂,如抗凝血酶III(ATIII)、活化蛋白C(APC)、蛋白S、血栓调节蛋白(TM)和组织因子途径抑制物(TFPI),导致凝血酶和纤维蛋白产生过多的促凝状态。试图取代这些单独形式的抗凝剂并不总是有助于改善患者的预后。

血栓形成和纤维蛋白凝块的形成由纤溶机制来平衡。纤溶酶是唯一的纤溶激活剂,组织型纤溶酶原激活剂(PA)和纤溶酶原抑制物1(PAI-1)之间的平衡反过来调节纤溶酶活性。脓毒症的并发是由于PAI-1和凝血酶激活的纤溶抑制物升高导致内源性纤溶途径失败,导致血栓持续存在。高凝可能导致凝血因子的消耗,其极端可导致弥散性血管内凝血(DIC)和血栓形成和出血的恶性循环。在脓毒症中,D-二聚体水平是血栓形成和溶栓程度的生物标志物,但在其他各种情况下也可能升高,包括静脉血栓栓塞症、DIC、恶性肿瘤和创伤。在脓毒症中,D-二聚体显著升高通常与不良预后有关,尽管当纤溶途径受到高度抑制时,它在脓毒症中可能不会发生。据报道,D-二聚体升高在最危重的新冠肺炎病例中出现,对治疗抗凝的反应可能是一个重要的预后预测指标。未能降低D-二聚体或抗凝后D-二聚体水平有升高的趋势与新冠肺炎患者的较高死亡率有关,特别是那些D-二聚体增加3-4倍的患者。单独的D-二聚体检测报告了特定的范围,临床医生需要注意单位的格式(µg/mL vs µg/L)。

许多脓毒症患者中性粒细胞升高,有助于感染的诊断。然而,由于消耗和/或骨髓抑制,严重脓毒症也可能出现中性粒细胞减少(定义为中性粒细胞绝对数<1,500/微升),这是一个预后较差的迹象。中性粒细胞的周转通常受到多种机制的精确控制。如前所述,中性粒细胞外陷阱增多症导致中性粒细胞迅速消耗、溶解和释放警报物质、蛋白水解酶和自由基氧物种。这是一种程序性细胞死亡,或称凋亡。另一种细胞死亡形式是自噬,定义为溶酶体中细胞成分的降解。自噬是炎症系统的重要组成部分,通过清除炎症细胞和不需要的蛋白质来帮助宿主激活免疫反应,并限制不受控制的炎症程度,否则会导致慢性炎症。

如前所述,炎症/血栓形成对血管内皮细胞的损伤会导致通透性增加–这是一个好处,因为它允许中性粒细胞穿透到损伤/感染的部位,但在其他血管床被触发时也是有害的,导致蛋白质和液体泄漏到血管外组织。血管内皮细胞的一个重要组成部分是糖萼(图2)。这是一层覆盖在血管内皮细胞管腔表面的凝胶层。它曾被认为是被动的物理屏障,但现在已知它是渗透性、血栓形成、细胞因子信号传递和其他过程的主动生化调节器。在细胞因子和ROS激活金属蛋白酶、肝素酶和透明质酸酶后,这一层在炎症期间受到破坏。此外,过度积极的液体复苏导致血管过度扩张的脓毒症治疗也会由于物理剪切力而导致糖萼退化,而心房拉伸释放的心钠素也是损伤的触发因素。不同器官系统对损伤的易感性不同,部分原因是糖萼的厚度和凝胶中带负电荷的蛋白质的数量。白蛋白是一种带正电荷的分子,它与糖萼成分相互作用,调节血管内皮细胞的梯度,虽然它可能具有保护作用,但尚未被证明对患者的预后有影响。因此,复苏中使用的液体的数量和类型很重要。在损伤的情况下,可测量的糖萼成分,如Syndecan-1,Heparan硫酸和透明质酸被释放到循环中,并可能成为预测预后的有用的临床生物标志物。似乎避免过度复苏和容量过载是脓毒症预后的重要因素,关注微循环与关注大循环同样重要。医师可以在优化液体复苏方面发挥重要作用。

结论

在细胞水平上了解脓毒症的病理生理学,对于了解脓毒症交叉通路的复杂性和导致器官功能障碍的因素是很重要的。脓毒症和器官功能障碍的临床表现显然对临床医生很重要,将在本系列的第二部分中讨论。

本文荟萃自网络媒体,只做学术交流学习使用,不做为临床指导,本文观点不代表数字重症立场。

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