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阿片受体激动剂防治高原肺水肿的机理研究
作者: 来源: 阅读次数: 发表日期:2014/6/28 20:57:56
高原性肺水肿(high altitude pulmonary edema,HAPE)是一种重型急性高原病,起病急、进展快、危害大,若不及时救治,可能危及生命。已有的针对HAPE的预防与救治方法目前为止仍然有着组织成本高、救治相对滞后和疗效不佳的致命弱点。随着国家高海拔地区经济开发力度的加强,以及国防建设的需要,迫切需要开发新型的针对HAPE的简便、有效防治手段。
HAPE的发病机制尚不完全清楚,但目前认为高原低氧环境使肺动脉压力过高,导致肺循环障碍及肺血管通透性升高,肺组织间隙液性渗出增加是形成HAPE的主要原因。另外,低氧使肺泡上皮钠通道功能下降,肺组织间隙液性渗出重吸收减少也是形成HAPE重要因素。如果从缓解高原环境下肺动脉压力的升高,降低肺血管的通透性,促进肺泡上皮的重吸收等方面,能够找到简便、合理、有效的治疗方法、药物或阐明其作用机制,就可以从根本上改善HAPE的防治效果,同时也能为HAPE的发病机理做出重要的贡献。
阿片受体激动剂作为一类神经活性物质,有激素和神经递质的功能,对中枢神经系统及外周器官均起作用。已有的研究发现,许多阿片受体,尤其是δ、κ阿片受体在器官的缺血、缺氧保护方面有着重要的作用。值得注意的是,最近几年的研究证实外源性δ受体激动剂DADLE、选择性κ受体激动剂U50488H,对肺的缺氧缺血损伤以及低压缺氧导致的肺动脉高压具有显著的预防和治疗作用。因此设想将阿片受体激动剂用于HAPE的预防和治疗之中,有利于缓解高原低压缺氧环境下引起的肺动脉高压以及肺组织的损害,从而改善HAPE的防治效果。
本研究拟利用动物高原低压缺氧肺水肿模型,观察阿片受体激动剂对HAPE的存活率、缺氧耐受、血流动力学、代谢水平、氧化应激以及肺动脉高压和肺血管、内皮的通透性改善的影响和作用,评价观察阿片肽受体激动剂用于HAPE防治的临床可行性;并通过阿片肽受体激动剂对缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)及其下游调控产物促细胞生成素(EPO)、血管内皮生长因子(VEGF)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、内皮素1(ET-1)表达的影响开展深入研究,为进一步探讨HAPE的机制开辟新的途径,研究结果对高原疾病的发病机制、防治方法和航空航天医学均有重要的意义。
 
目前关于高原性肺水肿(HAPE)有三种机制:由于低氧性肺血管收缩导致的肺动脉高压引起不均一的肺部毛细血管内压升高;炎症反应致内皮细胞通透性障碍;肺泡液体清除功能受抑制;而在某些阶段这些机制可能都参与HAPE的发生。进一步的研究发现,血清或肺组织中VEGF、EPO、ET-1、iNOS、活性氧自由基、NADPH氧化酶系统以及Amiloride敏感性上皮钠通道(ENaC)和Na+-K+-ATP酶等生化介质,参与了上述HAPE的三种机制。而且相关的研究已经证实,以上这些生化介质中的绝大部分均由共同上游信号缺氧诱导因子HIF-1α进行调控。控制和调节这些生化因子在机体高原低压缺氧暴露时的活性表达和功能作用,是解决HAPE防治的关键和难题。从这一观点出发,合理应用阿片受体激动剂,探索和发现其对HAPE发病机制中相关病理、生理和生化因素的作用,有望解决HAPE的预防和治疗问题,同时也为HAPE相关机理的进一步深入研究,开辟了前所未有的新途径。
     阿片类物质及其受体除了强大的中枢作用,在外周组织也有广泛的分布。研究证实,人类和动物的心脏、动脉血管、支气管平滑肌、胃肠道组织、肾脏以及生殖系统均有各类阿片受体的分布和表达。主要包括:对心肌缺氧缺血的保护作用,参与调节正常或异常状态的血管平滑肌张力、局部血流及血压,对胃肠运动和生殖内分泌的调节作用,以及对肾脏的利尿功能调节等。阿片类物质参与的外周生物作用,均与组织的缺氧缺血损伤和保护机制有关,虽然其机理与意义尚未阐明,但是阿片受体激动剂对器官的保护和代谢调节作用已经得到了肯定。
    人类肺血管壁组织的研究发现三类阿片受体都有分布,选择性κ-阿片受体激动剂U50488H对大鼠肺动脉具有显著的剂量依赖性舒张作用,且此作用可被κ阿片受体的选择性阻滞剂nor-2BNI 所阻断。这一舒血管效应具有内皮依赖性,并与NO 有密切的关系。进一步的研究则发现U50488H有可能通过刺激血液及肺组织一氧化氮(NO)的分泌,抑制内皮素(ET)和血管紧张素II(AngII)的产生,从而明显降低正常及低氧性肺动脉高压(HPH)大鼠的平均肺动脉压,并可以有效干预低氧大鼠肺血管重建和适应的进程,对大鼠HPH产生预防与治疗作用。而肺动脉高压与肺血管重建和适应恰恰是HAPE发病机理中的重要环节,提示阿片受体激动剂在HAPE的机制中理应发挥重要的生物学作用。
通过对幼猪肺的缺血再灌注模型研究发现,外源性δ受体激动剂DADLE用药或预处理,可以减少肺的液体渗出,改善肺的顺应性和血液的氧合,抑制肺泡内和肺泡间中性粒细胞的活化与浸润,减少缺氧导致的氧化性损伤,从而达到对肺缺氧、缺血时的保护作用。该研究同时也发现,DADLE的肺保护作用可被ATP敏感钾通道阻断剂Glibenclamide抑制,提示此保护作用可能与ATP敏感钾通道的开放有关。也有研究表明,阿片受体激动剂能够抑制多形核中性白细胞(PMN)和内皮细胞(EC)的粘附并减低粒细胞诱发的内皮细胞损伤,抑制趋化因子对PMN的趋化作用,由此减轻组织内皮的炎性损伤。以往的研究已经证实,高原低压缺氧时器官的病理和氧化性损伤变化特征,与缺血再灌注损害的相关改变机制有着非常高的相似性。这就为研究阿片受体激动剂对高原性肺损伤的作用机制提供了理论上的科学可行性。
高原性肺水肿的发病机制主要涉及低压缺氧导致的缺氧性肺血管收缩、低氧性肺动脉高压、肺泡和肺血管内皮的损伤、炎性渗出以及氧化性应激的损伤等。目前的防治措施多为高原进入过程中的阶梯习服,以及针对已有HAPE发病患者的肺水肿的临床常规治疗手段和药物。虽然取得了一定的效果,但是总的来说由于阶梯习服组织成本高、常规肺水肿治疗预后不如低海拔环境、治疗措施相对滞后等局限性,一直困扰着广大高原医务工作者。上述阿片受体激动剂有效缓解低氧性肺动脉高压、有效干预肺血管重建和低氧适应、抑制肺组织炎性渗出和减少缺氧造成的氧化性损伤等综合生物学作用,为HAPE的防治提供了良好的理论前提,而且能够克服现行HAPE防治方法成本高、治疗相对滞后的缺点。
阿片受体激动剂用于高原性肺水肿可能通过以下途径发挥作用:①减轻高原低压缺氧引起的活性氧自由基脂质过氧化肺损伤。②有效缓解缺氧性肺血管收缩及其导致的肺动脉高压,并有效干预高原低压缺氧时肺血管的重建与低氧适应。③抑制肺泡内皮的炎性活化损伤和渗出,保护组织细胞结构的完整性。④广泛参与以上生物学作用中涉及的VEGF、EPO、ET-1、iNOS、活性氧自由基、NADPH氧化酶系统以及Amiloride敏感性上皮钠通道(ENaC)和Na+-K+-ATP酶等生化介质及其上游调控信号缺氧诱导因子HIF-1α的表达和调节过程。⑤阿片受体激动剂可能从预处理和干预HAPE形成两方面发挥其对肺的预防、保护和治疗作用。
本课题针对上述尚未研究与解决的问题,设想在高原低压缺氧暴露前以及HAPE形成过程中给予阿片受体激动剂,通过抑制HAPE发病和减轻HAPE肺损伤两方面,以期达到对HAPE的防治作用。因此,拟利用兔模拟高原低压缺氧肺水肿模型,观察阿片受体激动剂对HAPE发病过程中机体低压缺氧耐受、存活率、血流动力学、代谢水平、氧化性应激、肺动脉高压、肺组织病理形态学改变和炎性反应程度的影响;并通过阿片受体激动剂对参与HAPE发病机制的生化介质及其上游调控信号缺氧诱导因子HIF-1α作用的深入研究,探讨阿片受体激动剂用于HAPE防治的分子生物学机理。研究结果不仅对HAPE的防治和相关机制具有深刻意义,而且对高原医学和航空航天医学也具有深远影响。
 
一、研究内容
(一)阿片受体激动剂防治高原性肺水肿的临床评价
建立低压舱模拟高原低压缺氧兔HAPE模型,静脉给予阿片受体激动剂,通过低压缺氧耐受时间、动物存活率、血流动力学指标的观察,以及血中阿片受体激动剂浓度的测量,对阿片受体激动剂用于HAPE防治的可行性进行评估,同时找出阿片受体激动剂与HAPE防治效果的剂量-效应关系。
(二)阿片受体激动剂防治高原性肺水肿的机理研究
 1. 阿片受体激动剂对高原性肺水肿兔氧化代谢和氧化应激的影响
 2. 阿片受体激动剂对高原性肺水肿兔肺组织病理形态学改变的影响
 3. 阿片受体激动剂对参与HAPE发病机制的缺氧诱导因子HIF-1α及其调控的下游生化介质的作用
①阿片受体激动剂对血管内皮生长因子(VEGF)水平及HIF-1α表达的影响。
②阿片受体激动剂对一氧化氮及其酶系统、内皮素1(ET-1)和HIF-1α表达的影响。
③阿片受体激动剂对促细胞生成素(EPO)与HIF-1α表达关系的影响。
④阿片受体激动剂对Amiloride敏感性上皮钠通道(ENaC)和Na+-K+-ATP酶活性,以及HIF-1α表达调控的影响。
二、研究目标
1.以临床指标评价阿片受体激动剂用于HAPE防治的可行性。
2.通过检测阿片受体激动剂对HAPE时氧化代谢、氧化应激和肺组织病理形态学改变的影响,在细胞和组织病理学水平探讨阿片受体激动剂对HAPE的作用机制。
3.分析参与HAPE发病机制的生化介质及其上游调控信号缺氧诱导因子HIF-1α的变化,研究阿片受体激动剂在分子生物学水平上对HAPE的保护和作用机理。
三、研究进度安排
第一阶段
前期准备工作,确定分课题及实施步骤,购买实验试剂和药品,完成预实验,重点解决成熟稳定的低压舱模拟高原低压缺氧兔高原性肺水肿模型、阿片受体激动剂的筛选和阿片受体激动剂用于HAPE的剂量-效应关系。
第二阶段
建立低压舱模拟高原低压缺氧兔高原性肺水肿模型,进行阿片受体激动剂对HAPE防治的临床指标评价,完成氧化代谢、氧化应激和肺组织病理形态学改变等指标的检测与分析。
第三阶段
    分析探讨参与HAPE发病机制的血管内皮生长因子(VEGF)、促细胞生成素(EPO)、内皮素1(ET-1)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、以及Amiloride敏感性上皮钠通道(ENaC)和Na+-K+-ATP酶等生化介质及其上游调控信号缺氧诱导因子HIF-1α的变化,研究确定阿片受体激动剂在分子生物学水平上对HAPE的保护和作用机理。
 
阿片受体激动剂用于HAPE的防治已有一定的理论基础。虽然阿片受体激动剂生理与病理意义尚未彻底阐明,但在心血管、神经、呼吸、消化、肾脏、生殖、新陈代谢等多功能调节中的生理作用已得到充分肯定;阿片受体激动剂在离体、在体实验中也充分证实对心、肺、脑等器官的缺氧、缺血保护作用,尤其是发现了阿片受体激动剂有效缓解低氧性肺动脉高压、有效干预肺血管重建和低氧适应、抑制肺组织炎性渗出和减少缺氧造成的氧化性损伤等综合生物学作用。
课题组前期已进行模拟高原低压缺氧动物实验,掌握相关技术和要领。其它方法均为常规实验技术,方法稳定,结果可靠。课题组成员长期从事器官缺氧缺血损伤保护的研究,先后完成了高氧液对高原急性低压缺氧损伤的保护研究,异氟醚对心肌缺血再灌注损伤保护和机理、芬太尼和丙泊酚对失血性休克心机损伤影响的研究,对缺血再灌注损伤的机制有深刻认识,而且掌握动物模型制作的经验和技术。在高氧液对高原急性低压缺氧损伤和器官缺血再灌注损伤的系列研究中,对氧化代谢、应激以及炎症反应的研究使课题组积累了相关技术和理论基础。课题组成员所在的第四军医大学病理学教研室、第四军医大学唐都医院全军重点实验室、第四军医大学基础部电镜中心等具备开展本项研究所需的实验设备及实验条件。本校动物实验中心可提供实验动物和饲养条件。
    1. 本课题是国内外首次提出将阿片受体激动剂用于高原医学的相关研究,相比以往HAPE防治的研究,有着崭新的理论与技术思路。
2. 相对于以往的常规治疗研究与手段,阿片受体激动剂用于HAPE的防治更加简便易行,将会对高原疾病发病机制、防治方法和航空航天医学的研究有重要的意义。
经费概算
本课题经费概算30万元,使用计划包括:
    科研业务费:查新、调研、论文发表、会议费;
    实验材料费:实验动物家兔、 血气及免疫组化试剂、光镜、电镜标本制作及试剂、
                各种生化试剂、各种常规试剂和各种标本收集费;
    仪器设备使用费:电镜、血气分析仪、低压舱及其他仪器使用与常规维修;
          协作费:病理学、基础部、口腔医院和唐都医院相关实验室;
          机动费:
建议承担团队
    本课题研究团队建议由第四军医大学唐都医院麻醉科主持,联合第四军医大学病理学教研室、第四军医大学唐都医院全军重点实验室、第四军医大学基础部电镜中心、第四军医大学口腔医院麻醉科等进行协作研究。