危重病人高碳酸血症：从基础到临床

危重病人高碳酸血症：从基础到临床河北衡水哈励逊国际和平医院重症医学科重症行者翻译组贺彩译，王金荣校长期以来，二氧化碳(CO2)的江湖地位，往好了说是新陈代谢的废弃产物，往坏了说是一种有毒分子，如果体内浓度失调，会严重损害健康。

但临床观察表明，“允许”性高碳酸血症，即故意允许呼吸产生的CO2留在病人体内，有抗炎作用，在某些情况下可能是有益的。

与此同时，在细胞水平上的研究已经证明，无论是二氧化碳本身还是它所产生的酸中毒，都对多种不同信号通路有深远影响。

在整个机体层面，现在似乎多个感觉系统能够感知二氧化碳浓度，调整呼吸以及其他对气体或局部水平的反应。

动物模型广泛用于研究各种疾病状态下二氧化碳水平的变化，以及允许或直接输送二氧化碳对预后的影响。

与此同时，进一步的临床观察也在细胞和动物水平上得到了阐明。

在这里，我们目前对二氧化碳如何影响哺乳动物生物系统的认识进行了概述，特别强调了炎症通路和疾病，如肺特异性或全身性脓毒症。

我们也探索了一些未来的方向和可能性，如直接控制血液中的二氧化碳水平，未来可能会改善临床监测策略。

1.引言苏格兰化学家JosephBlack(1728-1799)首先证明，呼出气体中存在二氧化碳，这导致多年来认为二氧化碳只是一种废弃物和危险的副产品，需要在呼吸过程中尽可能有效地从生物系统中清除。

然而，最近人们逐渐认识到，二氧化碳对生物系统有许多深远的影响，而这些影响并不仅仅是有害的。

研究分为两个方向，通过分子方法研究蛋白质和其他化合物与二氧化碳的相互作用，并回顾了特定的传感机制，而在整个动物或患者中给药或允许二氧化碳积累，既给我们提供了机制上的见解，也为我们提供了可能的治疗窗口。

在这篇综述中，我们关注急性炎症过程，特别是危重病人，以及如何利用迅速发展的关于二氧化碳与生物过程相互作用的知识基础，最终用于挽救生命，而不是最初描述的毒性。

2.体外研究与进展基于细胞培养的研究对于理解高碳酸血症(HC)及其相关酸中毒(HCA)，如何影响接受机械通气治疗的ARDS患者临床结局至关重要。

几项基于细胞培养的发现描述了HC对肺细胞的影响，然而，很少有人阐明这些效应发生的机制。

Shigemura等人在2017年的一篇综述中描述了HC对肺泡上皮功能和修复的影响。

Ijland等人早先的一篇综述汇编了许多HC对肺泡巨噬细胞、肺泡II型上皮细胞和肺动脉内皮细胞影响的早期细胞培养证据。

已经证明，HCA通过核因子κB(NFκB)依赖机制减少细胞迁移，从而抑制肺上皮损伤愈合。

在此基础上，也有人报道HC抑制脂多糖诱导的巨噬细胞、成纤维细胞和肺泡上皮细胞中白细胞介素(IL)-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α的表达。

另一方面，Wang等人报道HC不影响LPS诱导IκBα的降解、RelA/p65的核移位或丝裂原激活蛋白激酶的激活。

相反，Keogh等人提供了NFκB通路的分子视角，并暗示了HC诱导的炎症信号中RelB/p100依赖信号的改变。

Casalino-Matsuda等人进一步研究描述了A型流感病毒(IAV)模型中升高的二氧化碳对肺泡巨噬细胞的影响。

HC通过激活蛋白激酶B，在体内和体外增加IAV复制，抑制巨噬细胞中抗病毒基因和蛋白的表达。

先前已证明“允许性”高碳酸血症在体外和体内的肺部炎症模型中增加中性粒细胞粘附性，并增加IL-8的表达。

本综述作者2016年的一项研究表明，HC可以防止循环机械牵拉引起的肺上皮炎症、损伤和调亡。

此外，研究还发现，通过胞质抑制剂IκBα抑制拉伸诱导的典型NFκB激活途径是由pH依赖机制介导，而不是通过CO2介导的。

最近，利用HC暴露的肺上皮细胞的微穿刺伤口模型，也报道了类似的发现。

HC控制细胞功能的机制还涉及到其他信号通路，研究发现了对人类气道上皮细胞核小体和脂质代谢的影响，caspase-7诱导microRNA-133a的下调，以及氧感缺氧诱导因子α通路。

尚不清楚的是，这些信号通路上的个别点在多大程度上受到HC或HCA的直接影响，或者在实际敏感点或特定感知点的下游。

最近一项研究报道了二氧化碳浓度对正常人原发性支气管上皮细胞基因表达的影响。

与免疫反应和核小体组装相关的基因大部分下调，而脂质代谢基因主要在高碳酸血症状态上调。

最近的另一项关于原发性人类小气道上皮细胞和毛细血管内皮细胞的研究证实了这些发现，因为HC被发现可减弱炎症反应并诱导线粒体功能障碍。

他们还提出，间充质干细胞(MSCs)可能对高碳酸血症性ARDS患者并无治疗益处，尽管该研究局限于仅关注间充质干细胞在肺上皮损伤修复中的潜力。

最近，有几项研究试图进一步阐明HC影响肺细胞的机制和途径。

Bharat等人报道HC延迟了大气道和单层肺泡上皮细胞的损伤愈合。

该研究提出，损伤愈合是由于通过上调AMP-激酶抑制Rac1-GTPase 而抑制上皮细胞迁移，同时抑制NFκB介导的CXCL12释放。

最近的另一项研究研究了二氧化碳水平升高对NaK-ATP酶(NKA)内质网折叠的影响。

NKA是极化细胞的基底膜钠钾泵，在从肺泡中液体重吸收促进有效的气体交换中至关重要。

研究小组发现HC通过阻止蛋白质亚基的正确组装而降低了NKA细胞的表面丰度和功能。

此外，本研究还报道了增加ATP的产生可以挽救高浓度CO2诱导的线粒体功能障碍，可能恢复ARDS和HC患者的肺泡上皮屏障功能。

同样，证明升高的二氧化碳水平促进人类肺泡上皮细胞系中ERK/AMPK/JNK轴的激活，导致上皮细胞钠通道功能障碍。

同样，二氧化碳水平升高能促进人肺泡上皮细胞ERK/AMPK/JNK轴的激活，导致上皮细胞钠通道功能障碍。

在使用Calu-3人类气道上皮细胞的离子和液体运输的囊性纤维化模型中，HC破坏气道表面流体的稳态也有报道。

最近一项对肺癌细胞的体外研究报道称，肿瘤高碳酸血症微环境可能导致对某些化疗方法耐药。

这些报告强调HC的复杂机制，并支持在更大的模型中进一步研究，以揭示可能用于治疗的负面和正面影响。

3.高碳酸血症在急性肺损伤临床前研究模型中的作用在一些与急性肺损伤(ALI)相关的临床前研究模型中，已经研究了HC和HCA的影响(表1)。

经常用来评估HC对肺的影响的模型是呼吸机相关性肺损伤(VILI)模型，本模型故意将肺泡过度拉伸造成肺损伤,这在临床中非常常见，且需采取必要、积极的通气策略。

与无CO2的正常通气相比，HC(FICO20.12)在剂量和时间上显示出对肺的保护作用。

这些保护作用包括降低微血管通透性、防止支气管肺泡灌洗液(BAL)中蛋白质和血红蛋白的过多蓄积以及减少肺泡液重吸收。

在家兔VILI模型中，也报道HC(PaCO280-100mmHg)可以防止灌洗液和BAL中硝酸盐水平的升高，而先前认为这与实验内毒素血症对肺的有害影响有关。

用HCA治疗大鼠和家兔(FICO20.05和PaCO280-100mmHg)，改善VILI的肺顺应性和氧合水平，同时减少组织学肺损伤。

大量研究还发现，BAL中炎性细胞因子减少，包括TNF-α、细胞因子诱导的中性粒细胞趋化剂-1(cinc1)、巨噬细胞炎性蛋白2(MIP-2)和IL-6。

其中一种可以解释HC相关炎症细胞数量减少的机制是抑制NFκB相关的通路，因为CO2可以阻止p65易位(p65/RELA是典型NFκB通路的关键转录因子)。

Contreras等人也注意到IκBα降解的减少是NFκB激活的另一个限制步骤。

作者注意到IL-8、上皮细胞损伤和细胞死亡的减少，归因于HC对NFκB激活的影响。

整个动物模型已经使用多组学方法来确定二氧化碳对基因表达的影响，可以观察到对各种信号通路的调节，如秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇和各种小鼠组织中Wnt信号增加。

Peltekova等人的研究观察到主要诱导前列腺素生成酶COX-2的减少，尽管有报道称对其下游影响不大。

一个值得注意的发现是肺组织中硝基酪氨酸在PaCO2水平上的增加，认为具有血脑屏障保护作用。

这一观察结果是有益还是有害尚不完全清楚，因为它可能与抑制促炎或促凋亡蛋白有关，从而提供治疗作用。

另外，这可能与过氧亚硝酸盐的形成增加及其相关的有害影响有关，包括脂质过氧化、谷胱甘肽消耗、线粒体呼吸抑制和DNA直接损伤。

Xia等人最近一项研究发现HC(FICO20.05)增强迷走神经活动，对肺产生治疗作用。

他们发现实施迷走神经切断术消除了HC提供的保护作用，包括MPO活性降低，BAL细胞因子、蛋白质和细胞计数减少，组织损伤评分降低。

Otulakowski等人表明HC(FICO20.12)通过抑制金属蛋白酶ADAM17抑制肺泡上皮细胞中p44/42MAPK信号通路的牵拉介导激活。

药物阻断ADAM17证明可降低MAPK的下游激活，并在双敲除小鼠模型中减弱VILI。

最近，同一作者通过全基因组基因表达分析，发现HC(FICO2 0.12)上调-生育酚转运体(一种有效的抗氧化剂)，并将其益处与抑制致病性趋化剂联系起来。

另一种常用的HC动物模型是与肺移植和ARDS相关的缺血-再灌注模型(表1)。

在许多缺血-再灌注研究中，观察到肺水肿、肺硬化和组织学肺损伤减少。

在缺血-再灌注损伤模型中，已证明HC可减少肺上皮细胞的凋亡。

此外，同组研究人员发现，在相同的损伤中，二氧化碳缓冲剂从表面上保持正常生理pH值，对肺损伤严重程度有不利影响。

然而，必须指出的是，缓冲剂是一个有争议的问题，传统的碳酸氢钠缓冲剂甚至可能增加细胞质酸性水平，而新发患者却不能。

此外有数据表明，碳酸氢盐治疗减缓了糖尿病酮症酸中毒的解决，也减缓了乳酸的清除，碳酸氢盐对血流动力学的益处是由于渗透负荷。

在未受伤的肺上使用HCA对肺微血管系统无不良反应，当发生损伤时，HCA阻止了肺微血管通透性的增加。

Wu等人在研究中发现，HC上调血红素氧合酶-1，这是一种保护组织免受炎症损伤的抗氧化酶，阻断该酶逆转了HC的有益作用。

炎症NFκB通路信号传导的减弱也被认为是HC在一系列缺血-再灌注模型中的作用。

肺炎和全身感染是ARDS的常见原因。

在许多致病性ALI模型中已经研究了HC可能的有益和有害影响(表1)。

在LPS灌注大鼠ALI模型中，预防和治疗性HCA(暴露后LPS灌注)均可改善肺氧合和顺应性，并减弱中性粒细胞浸润和组织学肺损伤。

有趣的是，Tang等人的研究表明HC(FICO20.05)预处理10分钟而不是60分钟可减轻小鼠LPS模型中的肺损伤和炎症。

在大肠杆菌诱导的肺损伤大鼠模型中，HCA降低气道压力，改善肺顺应性;然而，这一次只有当HCA与抗生素治疗结合使用时，肺组织损伤才得到改善，这可能强调HCA的作用可能受到感染性损伤类型的影响。

在这一团队的另一项类似研究中，在严重的大肠杆菌诱导的ALI 大鼠模型中，HCA暴露改善了模型中中性粒细胞耗竭后的肺生理，减轻了肺组织学损伤，表明HCA在这种急性环境中的有益作用与对中性粒细胞的任何影响无关。