引用本文: 梁颖红, 龚艳杰, 刘佳, 魏明, 涂玲, 张宜花, 杨璐. 输血相关急性肺损伤大鼠肺组织细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子的表达. 中国呼吸与危重监护杂志, 2016, 15(4): 379-383. doi: 10.7507/1671-6205.2016089 复制
随着血液采集、血制品制备过程中消毒灭菌技术的提高和操作规程的不断完善,多数输血相关并发症已得到了较满意的控制[1]。但免疫相关性输血并发症问题日益突出[2],输血相关急性肺损伤(transfusion-related acute lung injury,TRALI)就是其中之一。它通常发生于输血期间或输血后6 h内,以急性缺氧和非心源性肺水肿为特点,因致死率高而越来越受到临床输血工作者关注[3-6],但发病的确切机制尚不明确。研究一般认为TRALI是由特异性抗体或生物活性脂质等因子引起中性粒细胞在受血者肺微血管内聚集和活化,导致血管内皮损伤和肺水肿等临床症状[7]。而细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子(cytokine-induced neutrophil chemoattractant,CINC)不仅与中性粒细胞的迁移直接相关,而且可以诱导溶酶体酶的释放并促进黏附分子的大量表达[8]。为此本研究通过“二次打击法”[9]建立TRALI Spragu-Dawley(SD)大鼠模型,观察CINC-1在TRALI肺组织中表达的变化,旨在探讨CINC-1在TRALI发病中的作用,为防治TRALI提供实验依据。
材料与方法
一 实验动物
6~7周龄的雄性SD大鼠180只,体重(235±25) g,无特定病原体条件下饲养,标准颗粒饲料、饮水、垫料及一切物品均经无菌处理。
二 方法
1.动物模型制备:参考文献[9]的方法建立TRALI SD大鼠模型。将60只SD大鼠随机分为4组,分别为TRALI组、正常对照组、脂多糖(LPS)对照组和阳性对照组,每组15只大鼠。其中,TRALI组大鼠按2 mg/kg经腹腔注射LPS,1 min内完毕,回笼2 h,按80 mg/kg经腹腔注射氯胺酮麻醉,分离大鼠股血管并插管,内充50%肝素/生理盐水混合液,5~10 min内移除等于大鼠10%血容量的血液约1 mL,静脉输注等体积的储存28 d的同种异体血浆,输注速度≤4 mL/h;正常对照组大鼠经腹腔注射生理盐水2 mg/kg并移除大鼠血液后静脉输注等体积生理盐水;LPS对照组大鼠按2 mg/kg经腹腔注射LPS(2 mg/kg,≤1 min完毕),2 h后静脉输注等体积的生理盐水,其余实验方法与步骤同TRALI组;阳性对照组大鼠除了移除约等于大鼠10%血容量的血液(约1 mL)后静脉输注等体积LPS(5 mg/kg),其余实验方法与步骤同TRALI组。
2.血浆的制备:参考文献[10-11]的方法,无菌条件下采集120只大鼠全血1.5 U(1 U含全血150 mL及枸橼酸钠、枸橼酸、葡萄糖、腺嘌呤与磷酸二氢钠混合制成的保存液45 mL),(4±2)℃储存28 d后,3 000 r/min分离血浆100 mL,无菌条件下分装100份,每份均为1 mL,-80 ℃保存备用,输注前将血浆56 ℃水浴30 min。
3.肺组织病理评分和血标本的采集:于造模后6 h后,按0.35 mg/kg腹腔注射水合氯醛麻醉大鼠开胸,暴露心肺,右心室采血处死动物,左心室取血,进行动脉血气分析,检测动脉血氧分压;右主支气管插管行支气管肺泡灌洗,计数支气管肺泡灌洗液(BALF)中细胞总数及中性粒细胞百分比。取左肺称重,计算肺系数(肺湿重/体重×100%);右肺石蜡包埋HE染色观察肺损伤程度,并按Mikawa等[12]的方法进行肺损伤评分。记录4项指标:(1)肺泡充血;(2)出血;(3)肺泡腔或血管壁中性粒细胞浸润或聚集;(4)肺泡壁增厚和(或)透明膜形成。各指标分别依病变轻重进行评分:0分(无病变或非常轻微),1分(轻度病变),2分(中度病变),3分(重度病变),4分(极重度病变)。各项评定分数相加为急性肺损伤总评分。血液离心后吸取血浆,-80 ℃冰箱中保存备用。
4.肺组织匀浆髓过氧化物酶(MPO)活性和CINC-1蛋白检测:取左肺组织,置于液氮中,-80 ℃冰箱保存。取部分左肺组织,制备10%匀浆,比色法测定MPO活性;另取部分左肺组织称重后制备10%匀浆,离心,取上清液,ELISA法检测CINC-1蛋白含量,均按试剂说明严格操作。
5.肺组织CINC-1 mRNA转录水平分析:采用Trizol法提取总RNA,逆转录合成cDNA,引物由上海博亚生物有限公司合成,内参照采用β肌动蛋白(β-actin)。引物序列如下:CINC-1(304 bp):上游5′-GCTCGCTTCTCTCTGCAGC-3′,下游5′-CCATCGG TGCAATCTATCTTC-3′;β-actin(600 bp):上游5′-AGGGTGTGATGGTGGGTATG-3′,下游5′-CATAGCT CTTCTCCAGGGAG-3′。反应参数如下:CINC-1:95 ℃变性3 min,而后94 ℃变性30 s,52 ℃复性30 s,72 ℃延伸1 min,共33个循环,最后于72 ℃延伸8 min;β-actin:95 ℃变性3 min,而后94 ℃变性30 s,58 ℃复性30 s,72 ℃延伸1 min,共33个循环,最后于72 ℃延伸8 min。PCR产物经2%琼脂糖凝胶电泳后扫描拍照,用KODAKID型凝胶成像分析系统分析其扩增产物光密度,用β-actin为内参照对待测产物基因电泳条带吸光光密度值进行标准校正,以各组的校正光密度值与β-actin的校正光密度值之比表示CINC-1 mRNA的表达量。
6.免疫组化法检测肺组织CINC-1蛋白表达:CINC-1免疫组化一抗购自武汉博士德公司)。经10%甲醛固定的肺脏标本石蜡包埋后切片,厚度4 μm,二甲苯和乙醇脱蜡和水化后,行CINC-1免疫组化SP法染色,显微镜下以胞浆染成棕黄色为阳性细胞。
三 统计学处理
采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。数据采用x±s表示,多个样本均数采用单因素方差分析(one-way ANOVA),方差齐时采用Bonferroni法进行多重比较,方差不齐时采用Welch分析。P<0.05为差异有统计学意义。
结果
一 肺组织病理学观察
正常对照组大鼠肺组织结构清楚,肺泡壁结构完整,肺泡内未见炎性细胞渗出及肺泡萎陷,肺泡间隔均一无增宽(图 1a)。LPS对照组大鼠肺泡间隔轻度增宽,间质轻度充血水肿,少量炎性细胞浸润(图 1b)。TRALI组大鼠肺泡间隔增宽,间质充血水肿并有较多炎性细胞浸润,偶见间质出血(图 1c)。阳性对照组大鼠肺间质及肺泡腔均有较多中性粒细胞,部分聚集成团,可见间质、肺泡腔出血及灶性肺不张(图 1d)。

二 肺组织病理评分、肺系数和动脉氧分压
阳性对照组和TRALI组大鼠肺组织充血水肿,病理评分、肺系数和MPO活性较正常对照组升高(P<0.01),TRALI组病理评分、肺系数和MPO活性较LPS对照组明显升高(P<0.05)。同时阳性对照组和TRALI组大鼠伴有换气功能的障碍,表现为氧分压显著降低(P<0.01或P<0.05)。结果见表 1。

三 BALF细胞总数和中性粒细胞百分比
阳性对照组和TRALI组BALF细胞总数和中性粒细胞百分比较正常对照组明显增高(P<0.01)。阳性对照组和TRALI组BALF细胞总数和中性粒细胞百分比较LPS对照组增高(P<0.05)。阳性对照组支气管肺泡灌洗液细胞总数和中性粒细胞百分比与TRALI组比较差异无统计学意义(P>0.05)。结果见表 2。

四 肺组织CINC-1蛋白和mRNA表达
阳性对照组和TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较正常对照组明显升高(P<0.01);TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较LPS对照组升高(P<0.05)。结果见表 2和图 2。

1:正常对照组;2:LPS对照组;3:TRALI组;
4:阳性对照组;M:分子量标准五 免疫组化法检测肺组织CINC-1蛋白表达
正常对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞几乎没有或只有轻度染色,呈浅棕色细颗粒。LPS对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞有轻度CINC-1蛋白表达,呈浅棕色细颗粒。阳性对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞CINC-1蛋白表达明显增多,呈深棕色颗粒。TRALI组肺泡隔毛细血管内皮细胞内CINC-1蛋白表达较正常对照组和LPS对照组明显增加,呈棕色颗粒。结果见图 3。

讨论
本实验研究结果显示,经LPS腹腔注射为第一事件,输注储存28 d的同种异体血浆(小于6 h),大鼠TRALI模型出现了急性肺损伤的症状和临床过程,病理检查也证实了其肺组织出现了肺间质弥漫性中性粒细胞浸润、肺间隔增厚、纤维蛋白渗出、肺泡内出血等表现,且肺组织病理血评分及肺组织湿干重比与正常对照组和LPS对照组比较差异均具有统计学意义,这表明TRALI模型成功建立。
关于TRALI的发病机制有多种学说,“二次打击学说”对TRALI发病机制的解释较为合理。第一次打击是患者输血当时的临床病理状态(如脓毒血症、近期外科手术、大量输血或应用细胞因子),这种状态导致循环中的中性粒细胞被激活并隐蔽在肺内[13-15];第二次打击是输入含白细胞抗体血液(或血液制品)和/或含生物活性脂质的库存血,供体血中白细胞抗体或储血中生物活性脂质与受者白细胞发生反应并激活补体,肺微血管内皮细胞Fcγ受体引起中性粒细胞在肺微血管内粘附、聚集和滞留[16-17]。中性粒细胞的脱粒产物如过氧化物酶和蛋白酶可导致肺微血管内皮损伤和通透性增加,肺微血管渗漏使液体和蛋白质渗入肺泡及间质中,发生渗透性肺水肿,从而影响气体交换,出现低氧血症,最终引起TRALI的临床表现[18]。有关动物实验也证实TRALI依赖于机体基本情况的严重程度以及所输注的血液制品[19]。临床危重患者往往存在可能激活中性粒细胞的基础条件,“二次打击学说”可能能够解释TRALI在这类人群中的高发病率[20-21]。
中性粒细胞浸润和激活在一定程度上决定了急性肺损伤的严重程度[22]。MPO是中性粒细胞的特异性酶,其活性高低可反映组织中中性粒细胞的聚集程度,大量中性粒细胞粘附聚集于肺组织毛细血管内,与血管内皮细胞相互作用,造成肺损伤。CINC是中性粒细胞的特异性趋化因子,CINC-1可促进粒细胞与血管内皮细胞粘附并趋化粒细胞到组织中[23]。本研究结果显示,TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较正常对照组和LPS对照组升高,病理评分、肺系数和MPO活性较正常对照组和LPS对照组也显著升高,提示CINC-1可能参与了TRALI的发病过程。
总之,通过“二次打击法”成功建立TRALI大鼠模型,提示TRALI的发病机制可能是在某种临床状态下,输注含有生物反应介质的血液制品作用于肺血管的内皮细胞,诱导肺血管内皮细胞CINC-1表达,引起中性粒细胞在肺组织内粘附、聚集和激活,导致肺血管内皮细胞受损和肺泡毛细血管膜通透性增加,发生非心源性肺水肿。因此,推测肺微血管内皮细胞损伤和中性粒细胞激活在TRALI发生过程中发挥重要作用,但其确切发病机制有待进一步深入研究。
随着血液采集、血制品制备过程中消毒灭菌技术的提高和操作规程的不断完善,多数输血相关并发症已得到了较满意的控制[1]。但免疫相关性输血并发症问题日益突出[2],输血相关急性肺损伤(transfusion-related acute lung injury,TRALI)就是其中之一。它通常发生于输血期间或输血后6 h内,以急性缺氧和非心源性肺水肿为特点,因致死率高而越来越受到临床输血工作者关注[3-6],但发病的确切机制尚不明确。研究一般认为TRALI是由特异性抗体或生物活性脂质等因子引起中性粒细胞在受血者肺微血管内聚集和活化,导致血管内皮损伤和肺水肿等临床症状[7]。而细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子(cytokine-induced neutrophil chemoattractant,CINC)不仅与中性粒细胞的迁移直接相关,而且可以诱导溶酶体酶的释放并促进黏附分子的大量表达[8]。为此本研究通过“二次打击法”[9]建立TRALI Spragu-Dawley(SD)大鼠模型,观察CINC-1在TRALI肺组织中表达的变化,旨在探讨CINC-1在TRALI发病中的作用,为防治TRALI提供实验依据。
材料与方法
一 实验动物
6~7周龄的雄性SD大鼠180只,体重(235±25) g,无特定病原体条件下饲养,标准颗粒饲料、饮水、垫料及一切物品均经无菌处理。
二 方法
1.动物模型制备:参考文献[9]的方法建立TRALI SD大鼠模型。将60只SD大鼠随机分为4组,分别为TRALI组、正常对照组、脂多糖(LPS)对照组和阳性对照组,每组15只大鼠。其中,TRALI组大鼠按2 mg/kg经腹腔注射LPS,1 min内完毕,回笼2 h,按80 mg/kg经腹腔注射氯胺酮麻醉,分离大鼠股血管并插管,内充50%肝素/生理盐水混合液,5~10 min内移除等于大鼠10%血容量的血液约1 mL,静脉输注等体积的储存28 d的同种异体血浆,输注速度≤4 mL/h;正常对照组大鼠经腹腔注射生理盐水2 mg/kg并移除大鼠血液后静脉输注等体积生理盐水;LPS对照组大鼠按2 mg/kg经腹腔注射LPS(2 mg/kg,≤1 min完毕),2 h后静脉输注等体积的生理盐水,其余实验方法与步骤同TRALI组;阳性对照组大鼠除了移除约等于大鼠10%血容量的血液(约1 mL)后静脉输注等体积LPS(5 mg/kg),其余实验方法与步骤同TRALI组。
2.血浆的制备:参考文献[10-11]的方法,无菌条件下采集120只大鼠全血1.5 U(1 U含全血150 mL及枸橼酸钠、枸橼酸、葡萄糖、腺嘌呤与磷酸二氢钠混合制成的保存液45 mL),(4±2)℃储存28 d后,3 000 r/min分离血浆100 mL,无菌条件下分装100份,每份均为1 mL,-80 ℃保存备用,输注前将血浆56 ℃水浴30 min。
3.肺组织病理评分和血标本的采集:于造模后6 h后,按0.35 mg/kg腹腔注射水合氯醛麻醉大鼠开胸,暴露心肺,右心室采血处死动物,左心室取血,进行动脉血气分析,检测动脉血氧分压;右主支气管插管行支气管肺泡灌洗,计数支气管肺泡灌洗液(BALF)中细胞总数及中性粒细胞百分比。取左肺称重,计算肺系数(肺湿重/体重×100%);右肺石蜡包埋HE染色观察肺损伤程度,并按Mikawa等[12]的方法进行肺损伤评分。记录4项指标:(1)肺泡充血;(2)出血;(3)肺泡腔或血管壁中性粒细胞浸润或聚集;(4)肺泡壁增厚和(或)透明膜形成。各指标分别依病变轻重进行评分:0分(无病变或非常轻微),1分(轻度病变),2分(中度病变),3分(重度病变),4分(极重度病变)。各项评定分数相加为急性肺损伤总评分。血液离心后吸取血浆,-80 ℃冰箱中保存备用。
4.肺组织匀浆髓过氧化物酶(MPO)活性和CINC-1蛋白检测:取左肺组织,置于液氮中,-80 ℃冰箱保存。取部分左肺组织,制备10%匀浆,比色法测定MPO活性;另取部分左肺组织称重后制备10%匀浆,离心,取上清液,ELISA法检测CINC-1蛋白含量,均按试剂说明严格操作。
5.肺组织CINC-1 mRNA转录水平分析:采用Trizol法提取总RNA,逆转录合成cDNA,引物由上海博亚生物有限公司合成,内参照采用β肌动蛋白(β-actin)。引物序列如下:CINC-1(304 bp):上游5′-GCTCGCTTCTCTCTGCAGC-3′,下游5′-CCATCGG TGCAATCTATCTTC-3′;β-actin(600 bp):上游5′-AGGGTGTGATGGTGGGTATG-3′,下游5′-CATAGCT CTTCTCCAGGGAG-3′。反应参数如下:CINC-1:95 ℃变性3 min,而后94 ℃变性30 s,52 ℃复性30 s,72 ℃延伸1 min,共33个循环,最后于72 ℃延伸8 min;β-actin:95 ℃变性3 min,而后94 ℃变性30 s,58 ℃复性30 s,72 ℃延伸1 min,共33个循环,最后于72 ℃延伸8 min。PCR产物经2%琼脂糖凝胶电泳后扫描拍照,用KODAKID型凝胶成像分析系统分析其扩增产物光密度,用β-actin为内参照对待测产物基因电泳条带吸光光密度值进行标准校正,以各组的校正光密度值与β-actin的校正光密度值之比表示CINC-1 mRNA的表达量。
6.免疫组化法检测肺组织CINC-1蛋白表达:CINC-1免疫组化一抗购自武汉博士德公司)。经10%甲醛固定的肺脏标本石蜡包埋后切片,厚度4 μm,二甲苯和乙醇脱蜡和水化后,行CINC-1免疫组化SP法染色,显微镜下以胞浆染成棕黄色为阳性细胞。
三 统计学处理
采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。数据采用x±s表示,多个样本均数采用单因素方差分析(one-way ANOVA),方差齐时采用Bonferroni法进行多重比较,方差不齐时采用Welch分析。P<0.05为差异有统计学意义。
结果
一 肺组织病理学观察
正常对照组大鼠肺组织结构清楚,肺泡壁结构完整,肺泡内未见炎性细胞渗出及肺泡萎陷,肺泡间隔均一无增宽(图 1a)。LPS对照组大鼠肺泡间隔轻度增宽,间质轻度充血水肿,少量炎性细胞浸润(图 1b)。TRALI组大鼠肺泡间隔增宽,间质充血水肿并有较多炎性细胞浸润,偶见间质出血(图 1c)。阳性对照组大鼠肺间质及肺泡腔均有较多中性粒细胞,部分聚集成团,可见间质、肺泡腔出血及灶性肺不张(图 1d)。

二 肺组织病理评分、肺系数和动脉氧分压
阳性对照组和TRALI组大鼠肺组织充血水肿,病理评分、肺系数和MPO活性较正常对照组升高(P<0.01),TRALI组病理评分、肺系数和MPO活性较LPS对照组明显升高(P<0.05)。同时阳性对照组和TRALI组大鼠伴有换气功能的障碍,表现为氧分压显著降低(P<0.01或P<0.05)。结果见表 1。

三 BALF细胞总数和中性粒细胞百分比
阳性对照组和TRALI组BALF细胞总数和中性粒细胞百分比较正常对照组明显增高(P<0.01)。阳性对照组和TRALI组BALF细胞总数和中性粒细胞百分比较LPS对照组增高(P<0.05)。阳性对照组支气管肺泡灌洗液细胞总数和中性粒细胞百分比与TRALI组比较差异无统计学意义(P>0.05)。结果见表 2。

四 肺组织CINC-1蛋白和mRNA表达
阳性对照组和TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较正常对照组明显升高(P<0.01);TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较LPS对照组升高(P<0.05)。结果见表 2和图 2。

1:正常对照组;2:LPS对照组;3:TRALI组;
4:阳性对照组;M:分子量标准五 免疫组化法检测肺组织CINC-1蛋白表达
正常对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞几乎没有或只有轻度染色,呈浅棕色细颗粒。LPS对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞有轻度CINC-1蛋白表达,呈浅棕色细颗粒。阳性对照组肺泡隔毛细血管内皮细胞CINC-1蛋白表达明显增多,呈深棕色颗粒。TRALI组肺泡隔毛细血管内皮细胞内CINC-1蛋白表达较正常对照组和LPS对照组明显增加,呈棕色颗粒。结果见图 3。

讨论
本实验研究结果显示,经LPS腹腔注射为第一事件,输注储存28 d的同种异体血浆(小于6 h),大鼠TRALI模型出现了急性肺损伤的症状和临床过程,病理检查也证实了其肺组织出现了肺间质弥漫性中性粒细胞浸润、肺间隔增厚、纤维蛋白渗出、肺泡内出血等表现,且肺组织病理血评分及肺组织湿干重比与正常对照组和LPS对照组比较差异均具有统计学意义,这表明TRALI模型成功建立。
关于TRALI的发病机制有多种学说,“二次打击学说”对TRALI发病机制的解释较为合理。第一次打击是患者输血当时的临床病理状态(如脓毒血症、近期外科手术、大量输血或应用细胞因子),这种状态导致循环中的中性粒细胞被激活并隐蔽在肺内[13-15];第二次打击是输入含白细胞抗体血液(或血液制品)和/或含生物活性脂质的库存血,供体血中白细胞抗体或储血中生物活性脂质与受者白细胞发生反应并激活补体,肺微血管内皮细胞Fcγ受体引起中性粒细胞在肺微血管内粘附、聚集和滞留[16-17]。中性粒细胞的脱粒产物如过氧化物酶和蛋白酶可导致肺微血管内皮损伤和通透性增加,肺微血管渗漏使液体和蛋白质渗入肺泡及间质中,发生渗透性肺水肿,从而影响气体交换,出现低氧血症,最终引起TRALI的临床表现[18]。有关动物实验也证实TRALI依赖于机体基本情况的严重程度以及所输注的血液制品[19]。临床危重患者往往存在可能激活中性粒细胞的基础条件,“二次打击学说”可能能够解释TRALI在这类人群中的高发病率[20-21]。
中性粒细胞浸润和激活在一定程度上决定了急性肺损伤的严重程度[22]。MPO是中性粒细胞的特异性酶,其活性高低可反映组织中中性粒细胞的聚集程度,大量中性粒细胞粘附聚集于肺组织毛细血管内,与血管内皮细胞相互作用,造成肺损伤。CINC是中性粒细胞的特异性趋化因子,CINC-1可促进粒细胞与血管内皮细胞粘附并趋化粒细胞到组织中[23]。本研究结果显示,TRALI组大鼠肺组织CINC-1蛋白含量和CINC-1 mRNA表达较正常对照组和LPS对照组升高,病理评分、肺系数和MPO活性较正常对照组和LPS对照组也显著升高,提示CINC-1可能参与了TRALI的发病过程。
总之,通过“二次打击法”成功建立TRALI大鼠模型,提示TRALI的发病机制可能是在某种临床状态下,输注含有生物反应介质的血液制品作用于肺血管的内皮细胞,诱导肺血管内皮细胞CINC-1表达,引起中性粒细胞在肺组织内粘附、聚集和激活,导致肺血管内皮细胞受损和肺泡毛细血管膜通透性增加,发生非心源性肺水肿。因此,推测肺微血管内皮细胞损伤和中性粒细胞激活在TRALI发生过程中发挥重要作用,但其确切发病机制有待进一步深入研究。