周期性动态牵张对肺泡二型上皮细胞的活性和转分化的影响

叶寰¹ 詹庆元¹ 刘晓阳¹ 任雁宏¹ 杨春² 王辰¹
1. 首都医科大学附属北京朝阳医院呼吸病研究所, 2. 清华大学航天航空学院

背景 过度机械牵张是引起呼吸机相关肺损伤的重要原因之一。肺泡上皮由肺泡Ⅰ型和Ⅱ型上皮细胞构成，其中肺泡Ⅱ型上皮细胞能够增殖并分化成肺泡Ⅰ型上皮细胞，是肺损伤后修复的关键。本研究的目的是研究不同方式的周期性牵张刺激对肺泡Ⅱ型上皮细胞活性以及转分化功能的影响，探寻能够避免肺损伤，而又有利于肺损伤后修复的通气策略。方法原代肺泡Ⅱ型上皮细胞自成年雄性SD大鼠分离获得。采用尼罗红染色及透射电镜鉴定，在弹性硅胶膜上进行培养并对其施加周期性牵张力学刺激。采用自制的动态等双轴拉伸装置，对贴附于硅胶膜上的大鼠肺泡Ⅱ型上皮细胞应用正弦凸轮进行周期性等双轴拉伸。以肺泡上皮细胞贴附的硅胶膜面积变化（即基底膜面积变化）百分比（△SA％）代表肺泡上皮细胞所受的牵张强度，分别对细胞施加不同强度的牵张刺激（包括不同的牵张幅度、牵张基础强度、牵张峰强度）。采用Live/Dead viability/cytotoxicity 试剂盒测定细胞活性并计算死亡率。应用实时定量PCR技术(real-time PCR)检测不同力学刺激下Ⅱ型肺泡上皮细胞标记蛋白SPC、Ⅰ型上皮细胞标记蛋白caveolin-1（小窝蛋白-1）变化。结果 经鉴定，分离纯化的肺泡Ⅱ型上皮细胞纯度可达95%以上。研究显示当周期性牵张幅度或基础强度≥37%ΔSA时，细胞死亡率明显升高，而牵张峰强度（即：牵张幅度曲线的峰值）和细胞死亡率无明显关联。real-time PCR显示当牵张幅度≥25%ΔSA时小窝蛋白-1的mRNA表达较对照组明显增强，而SPC的mRNA表达较对照组则明显减弱，提示Ⅱ型上皮细胞向Ⅰ型转分化显著增强。而在改变峰强度和基础强度后，小窝蛋白-1和SPC的mRNA无明显改变。结论肺泡Ⅱ型上皮细胞只有在发生周期性牵张幅度或基础牵张强度≥37%ΔSA时，死亡率才有明显增加，而牵张的峰强度对其活性影响不大。肺泡Ⅱ型上皮细胞转分化功能在周期性牵张幅度≥25%ΔSA时显著增强，但却并不依赖于牵张峰强度和基础强度的改变。周期性牵张幅度=25%ΔSA时，既避免了对细胞活性的影响，又促进了Ⅱ型向Ⅰ型上皮细胞的转分化。这意味着在机械通气过程中，大潮气量和高呼气末正压有加重肺损伤的可能，而适当的潮气量不仅有利于避免肺进一步损伤，而且可以促进肺损伤后修复的发生。