Abstract
L’ossigeno (O2) è essenziale per la vita, ma come farmaco ha un massimo beneficio biologico positivo e effetti di tossicità di accompagnamento. L’ossigeno è terapeutico per il trattamento dell’ipossiemia e dell’ipossia associata a molti processi patologici. I processi fisiopatologici sono associati ad un aumento dei livelli di specie reattive O2 indotte da iperossia (ROS) che possono reagire prontamente con i tessuti biologici circostanti, danneggiando lipidi, proteine e acidi nucleici., Le difese antiossidanti protettive possono essere sopraffatte dal ROS che porta allo stress ossidativo. L’endotelio capillare alveolare attivato è caratterizzato da una maggiore adesività che causa l’accumulo di popolazioni cellulari come i neutrofili, che sono una fonte di ROS. L’aumento dei livelli di ROS causa iperpermeabilità, coagulopatia e deposizione di collagene, nonché altri cambiamenti irreversibili che si verificano all’interno dello spazio alveolare. Nell’iperossia, le vie di segnalazione multiple determinano la risposta cellulare polmonare: apoptosi, necrosi o riparazione., Comprendere gli effetti della somministrazione di O2 è importante per prevenire danni alveolari involontari causati da iperossia in pazienti che richiedono ossigenazione supplementare.
1. Introduzione
Quando si somministra ossigeno supplementare (O2) per trattare l’ipossiemia associata a condizioni acute e croniche, può essere presente tossicità O2 per sovraesposizione. Ogni anno, si prevede che la necessità di O2 supplementare sia di circa 800.000 individui ad un costo di 1,8 miliardi di dollari . L’uso non ottimale di O2 si riflette in errori di prescrizione e trattamento che superano quelli correlati agli antibiotici .,
Le cellule endoteliali alveolari epiteliali e capillari alveolari sono bersagli vulnerabili per lesioni indotte da O2-radicali liberi causate da iperossia. Nella lesione polmonare acuta (ALI) causata da iperossia, l’iperpermeabilità della microvascolatura polmonare causa l’allagamento degli alveoli con stravasi plasmatici che portano ad edema polmonare e anomalie nelle vie della coagulazione e della fibrinolisi che promuovono la deposizione di fibrina . Le cellule epiteliali alveolari di tipo II sono danneggiate dai radicali liberi O2 che portano alla compromissione della produzione di tensioattivo ., Pertanto, il massimo beneficio biologico positivo per questa molecola essenziale ma tossica esiste lungo un continuum dose-risposta, carenza-tossicità.
2. Fisiopatologia della tossicità dell’ossigeno
L’iperossia è uno stato di eccesso di O2 nei tessuti e negli organi. La tossicità dell’ossigeno si verifica quando la pressione parziale di O2 alveolare (PAO2) supera quella che viene respirata in condizioni normali. Con l’esposizione continua a concentrazioni soprafisiologiche di O2, si sviluppa uno stato di iperossia. In condizioni patologiche iperossiche, viene prodotto un grande afflusso di specie reattive O2 (ROS)., Nei sistemi biologici intracellulari ed extracellulari, l’effetto di massa dell’elevazione del ROS, causato dalla sovraesposizione di O2, interrompe l’equilibrio tra ossidanti e antiossidanti e questa interruzione dell’omeostasi può causare danni a cellule e tessuti .
Il tempo di esposizione, la pressione atmosferica e la frazione di O2 ispirato (FIO2) determinano la dose cumulativa di O2 che porta alla tossicità. L’ossigeno è tossico per i polmoni quando FIO2 elevato (>0,60) viene somministrato per un tempo di esposizione prolungato (≥24 ore) a pressione barometrica normale (1 atmosfera assoluta (ATA))., Questo tipo di esposizione è indicato come avvelenamento da O2 a bassa pressione, tossicità polmonare o effetto Lorraine Smith. L’esposizione all’ossigeno dopo circa 12 ore porta a congestione polmonare, edema polmonare e atelettasia causata da danni ai rivestimenti dei bronchi e degli alveoli. La formazione di liquido nei polmoni provoca una sensazione di mancanza di respiro combinata con un bruciore alla gola e al torace, e la respirazione diventa molto dolorosa . La ragione di questo effetto nei polmoni ma non in altri tessuti è che gli spazi d’aria dei polmoni sono direttamente esposti all’alta pressione O2., L’ossigeno è consegnato agli altri tessuti del corpo alla pressione parziale quasi normale di O2 (PO2) a causa del sistema dell’amplificatore dell’emoglobina-O2 . La tossicità si verifica anche quando l’ATA è alta (1,6–4) e l’alto tempo di esposizione FIO2 è breve. Questo tipo di esposizione è indicato come avvelenamento da O2 ad alta pressione o effetto Paul Bert ed è tossico per il sistema nervoso centrale (SNC). La tossicità del sistema nervoso centrale provoca convulsioni seguite da coma nella maggior parte delle persone entro 30-60 minuti. Le convulsioni si verificano spesso senza preavviso e sono suscettibili di essere letali., Altri sintomi includono nausea, spasmi muscolari, vertigini, disturbi della vista, irritabilità e disorientamento . I subacquei oceanici hanno maggiori probabilità di sperimentare la tossicità del SNC .
Le cellule epiteliali endoteliali e alveolari capillari polmonari sono bersagli per ROS con conseguente edema polmonare indotto da lesioni, inondazioni alveolari, emorragia e depositi di collagene, elastina e membrana ialina . Sopra un PAO2 critico, il meccanismo di buffering dell’emoglobina-O2 fallisce e il tessuto PO2 può salire a centinaia o migliaia di mm Hg., Ad alti livelli di O2, i sistemi enzimatici antiossidanti endogeni protettivi vengono consumati dal ROS che porta alla morte cellulare .
La tossicità dell’ossigeno causata dal ROS progredisce in fasi sovrapposte in base al grado di gravità e reversibilità della lesione. Le fasi sono iniziazione, infiammazione, proliferazione e fibrosi. Inizialmente, ci sono aumentati ROS e livelli antiossidanti impoveriti, e il polmone non riesce a liberarsi delle mucose., La fase infiammatoria o la fase essudativa è caratterizzata dalla distruzione del rivestimento polmonare e dalla migrazione dei mediatori infiammatori derivati dai leucociti nei siti di lesione. La fase proliferativa è subacuta e vi sono ipertrofia cellulare, aumento delle secrezioni da tensioattivi che secernono cellule alveolari di tipo II e aumento dei monociti. La fase terminale finale è la fase fibrotica in cui i cambiamenti al polmone sono irreversibili e permanenti. C’è deposizione di collagene e ispessimento dello spazio interstiziale polmonare e il polmone diventa fibrotico .,
Clinicamente, l’ipossiemia progressiva, o l’alta tensione O2 nel sangue, richiede un aumento della FIO2 e della ventilazione assistita, che aggravano ulteriormente i cambiamenti fisiopatologici associati alla tossicità O2. I raggi X del torace possono mostrare un pattern interstiziale alveolare in una distribuzione irregolare con evidenza di una moderata perdita di volume da atelettasia, tuttavia non esiste un modo clinico di diagnosticare la tossicità da O2. Campioni di biopsia polmonare possono mostrare cambiamenti coerenti con la tossicità O2, ma il valore primario della biopsia è quello di escludere altre cause di lesioni polmonari., Variazioni di pressione dell’aria all’interno della cavità polmonare chiusa e lesioni indotte dal ventilatore possono accompagnare ed essere indistinguibili dalla tossicità O2. La tossicità dell’ossigeno può essere minimizzata mantenendo il PAO2 inferiore a 80 mm Hg o il FIO2 inferiore a 0,40 – 0,50 .
La risposta cellulare polmonare all’esposizione iperossica e all’aumento del ROS è ben descritta. Anatomicamente, la superficie epiteliale polmonare è vulnerabile a una risposta infiammatoria distruttiva. Questa infiammazione danneggia la barriera capillare alveolare che porta a uno scambio di gas compromesso ed edema polmonare., Le specie reattive di O2 inducono la secrezione delle cellule polmonari dei chemoattractants e le citochine stimolano la mobilizzazione e l’accumulazione del monocito e del macrofago nei polmoni, piombo al ROS supplementare. L’interazione dei leucociti ROS aggrava ulteriormente la lesione. La ricerca ha dimostrato che quando questi strati cellulari altamente ridotti diventano sempre più ossidati e i livelli di antiossidanti cadono, l’attivazione indotta da ROS di più vie di trasduzione del segnale a monte regola la risposta cellulare: adattamento, riparazione o morte cellulare per apoptosi, oncosi o necrosi .,
La chinasi proteica attivata dal mitogeno (MAPK), il recettore toll-like 4 (TLR4), i trasduttori di segnale e gli attivatori della trascrizione (STAT) e il fattore nucleare kappa beta (NF kß) sono alcuni percorsi proteici ben studiati che comunicano il segnale del recettore all’acido desossiribonucleico (DNA) della cellula determinando così la risposta cellulare. La via MAPK è un regolatore dei geni della morte cellulare, dello stress, della trasformazione e della regolazione della crescita. L’attivazione della chinasi proteica attivata dal mitogeno precede la chinasi regolata dal segnale extracellulare (ERK1 / 2), un promotore della proliferazione cellulare., La chinasi proteica C-Jun-terminale (JNK1 / 2) e la chinasi p38 inducono sia la morte cellulare che l’infiammazione . I percorsi TLR4, STAT e nuclear regulatory factor 2 (Nrf2) sono associati all’espressione genica di sopravvivenza come le proteine caspasi-3 e l’elemento di risposta antiossidante (ARE) . La via NF kß è un segnale di up-stream per i geni dell’infiammazione e della sopravvivenza: enzimi antiossidanti (AOE), Bcl-2, AKT, eme ossigenasi (HO-1) e proteine da shock termico (HSP). La famiglia di segnali AKT1-4 svolge un ruolo importante nel metabolismo del glucosio, nella proliferazione cellulare, nell’apoptosi, nella trascrizione e nella migrazione cellulare., Le proteine Bcl-2 sono antiapoptotiche mentre HO-1 e HSP sono proteine onnipresenti di risposta allo stress . Queste vie di segnalazione sono regolatori della risposta delle cellule epiteliali polmonari agli aumenti di ROS e iperossia . La sovraespressione di citochine e chemochine in risposta allo stress iperossico può essere protettiva. Il fattore di necrosi tumorale alfa (TNFa), l’interleuchina 1 beta (IL-1β), l’interleuchina 6 (IL-6), il recettore della chemochina 2 (CXCR2), l’interleuchina 11 (IL-11), l’espressione del fattore di crescita dell’insulina e dei cheratinociti e la subunità beta di Na, K-ATPasi hanno dimostrato di attenuare i segnali di morte .
3., La formazione di radicali liberi
L’ossigeno è un requisito per la respirazione cellulare nel metabolismo del glucosio e la maggior parte dell’O2 consumata dai mitocondri viene utilizzata per la generazione di adenosina trifosfato (ATP). La catena di trasporto degli elettroni mitocondriali riduce l’O2 molecolare elementare a O2 ionico dal relè di elettroni che rende O2 utilizzabile per la generazione di ATP, durante questo processo vengono generati radicali liberi ossidanti . I livelli tossici di O2 portano alla formazione di ROS aggiuntivi, che possono imporre danni alle membrane lipidiche, alle proteine e agli acidi nucleici., Le specie reattive O2 mediano ruoli fisiologici e fisiopatologici all’interno del corpo .
I radicali liberi sono un tipo di specie chimiche instabili, reattive, di breve durata che hanno uno o più elettroni spaiati e possono possedere una carica netta o essere neutri. La specie è definita libera perché l’elettrone spaiato nell’orbita esterna è libero di interagire con le molecole circostanti . Le cellule generano radicali liberi, o ROS, mediante la riduzione di O2 molecolare in acqua (H2O) (Figura 1).,
Chimicamente, tre tipi di reazioni portano alla formazione di ROS. La riduzione di un elettrone di O2 molecolare all’anione superossido () è catalizzata da metalli di transizione tra cui ferro (Fe) e rame (Cu) come
La simultanea reazione di riduzione dell’ossidazione di perossido di idrogeno (H2O2) e l’aggiunta di un elettrone per produrre il radicale idrossile (HO●)., Le membrane biologiche possono agire in quattro diverse modalità: trasferimento di elettroni, sostituzione nucleofila, deprotonazione e astrazione di un atomo di idrogeno come in
Una reazione di tipo fenton iniziata e la decomposizione di H2O2 richiede e H2O2 come precursori e presenza di Fe e Cu per il completamento. L’HO● è la maggior parte delle lesioni prodotte nei sistemi biologici, reagendo con molecole nelle immediate vicinanze., Queste reazioni sono chiamate reazioni simili a Fenton che generano O2 e HO● quando Fe II o Cu I reagisce con H2O2
La somma delle reazioni (3) e (4), o la reazione di Haber-Weiss mostrata in (5) sopra dimostra la formazione di HO● dalla decomposizione catalizzata dal metallo di H2O2. L’interazione tra e H2O2 è la fonte della maggior parte dei danni ai sistemi biologici a causa della reattività del continuo prodotto, altamente tossico HO● ., Queste reazioni che producono ROS si verificano endogenamente coinvolgendo enzimi, neutrofili e organelli come i mitocondri ed esogenicamente indotti da radiazioni, inquinanti, xenobiotici e tossine. La sopravvivenza cellulare e l’adattamento in un’atmosfera ossidativa dipendono da sufficienti difese antiossidanti per contrastare gli effetti del ROS su cellule e tessuti .
4. Funzioni e classificazioni di antiossidanti
Ossidante l’omeostasi antiossidante è altamente regolata ed essenziale per il mantenimento delle funzioni cellulari e biochimiche ., Un cambiamento nell’equilibrio verso un aumento dell’ossidante rispetto alla capacità dell’antiossidante definisce lo stress ossidativo e può portare a danni ossidativi. Cambiare l’equilibrio verso un aumento del potere riducente dell’antiossidante può anche causare danni ed è definito come stress riduttivo . Riduzione, antiossidante e ossidazione, o reazioni pro-ossidanti derivano da un guadagno o una perdita di elettroni e una perdita o un guadagno in O2 .
Un antiossidante (un agente riducente o riducente) è tutto ciò che può prevenire o inibire l’ossidazione ., Il ritardo dell’ossidazione può essere ottenuto impedendo la generazione o inattivando ROS . Prevenzione, diversione, dismutazione (decadimento), scavenging e tempra sono proprietà antiossidanti specializzate (Tabella 1). Le difese antiossidanti possono essere classificate come nonenzimatiche ed enzimatiche o endogene e dietetiche. Esempi di antiossidanti non enzimatici sono glutatione (GSH), acido ascorbico, vitamina E, beta-carotene e acido urico. I principali antiossidanti enzimatici sono la superossido dismutasi (SOD), la catalasi e la perossidasi GSH che deviano o smutano il ROS in prodotti innocui., Gli antiossidanti endogeni o dietetici si basano sulla capacità dell’antiossidante di essere sintetizzato dall’uomo. Gli antiossidanti endogeni sono SOD, catalasi, GSH perossidasi, acido urico e bilirubina. Gli antiossidanti dietetici sono acido ascorbico, vitamina E e beta-carotene . Acido ascorbico, vitamina E, acido urico, bilirubina e GSH scavenging ROS da substrati spendibili, sostituibili o riciclabili. Vitamina E e beta-carotene placano ROS per assorbimento di elettroni e / o energia.,avenges hydroxyl radical
Gli antiossidanti possono essere classificati in quattro categorie in base alla funzione. (1) Antiossidanti preventivi che sopprimono la formazione di ROS, (2) antiossidanti di scavenging radicale che sopprimono l’inizio della catena e/o rompono le reazioni di propagazione della catena, (3) gli antiossidanti di riparazione e de novo come gli enzimi proteolitici e gli enzimi di riparazione del DNA e (4) antiossidanti che consentono l’adattamento che si verifica quando il segnale per la produzione e le,
La superossido dismutasi si converte in H2O2 e ha tre isoforme ampiamente distribuite negli organismi dei mammiferi. (1) Citoplasmatica SOD (SOD1 o Cu zinco (CuZn) SOD) è situato nel citoplasma, nucleo, e perossisomi, (2) mitocondriale SOD (SOD2 o MnSOD) si trova nella matrice mitocondriale vicino la catena di trasporto degli elettroni, e (3) SOD extracellulare (SOD3 o EcSOD) si trova in extracellulare e matrice extracellulare di tutti i tessuti umani, in particolare il cuore, la placenta, il pancreas e del polmone . Gli effetti protettivi di EcSOD nei polmoni sono estremamente importanti e ben consolidati .,
La catalasi, uno dei catalizzatori più potenti che si trovano principalmente nel perossisoma, funziona per decomporre H2O2 in H2O. La difesa della catalasi dalla lesione ossidante alle cellule epiteliali polmonari esiste nel citosol o nei mitocondri.
La glutatione reduttasi è un enzima antiossidante importante per il mantenimento dell’ambiente riducente intracellulare. Questo enzima catalizza la riduzione del glutatione disolfuro (GSSG) a GSH . Il glutatione disolfuro è prodotto attraverso l’ossidazione di GSH da parte di ROS che si presentano durante le condizioni di stress ossidativo., A causa delle alte concentrazioni di GSH, GSH/GSSG è considerato il principale tampone redox della cellula e il rapporto di GSH/GSSG è visto come un importante indicatore dello stato redox cellulare. Il rapporto di GSH/GSSG diminuisce in una condizione di stress ossidativo . Il danno tissutale può svilupparsi quando uno squilibrio ossidante/antiossidante si verifica come conseguenza dell’iperossia . Gli effetti dannosi dell’iperossia possono portare a tossicità O2, morte cellulare e possono essere un fattore scatenante in ALI .
5., Presentazione clinica della lesione polmonare acuta iperossica
La lesione polmonare acuta e la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS) si verificano secondariamente, sindromi infiammatorie causate da fattori scatenanti o fattori di rischio descritti come diretti o indiretti, polmonari o extrapolmonari. I cambiamenti patologici associati a HALI imitano l’ALI innescato da altre condizioni come shock emorragico, lesioni da riperfusione, polmonite, sepsi o inalazione di paraquat . Il rischio di sviluppare ALI o ARDS dopo lesioni da inalazione dipende dalla tossicità e dalla concentrazione della sostanza inalata ., Ad esempio, le cellule e la struttura della membrana capillare alveolare sono altamente suscettibili ai danni da livelli tossici di O2 . Sia ALI che ARDS sono lo stesso disturbo clinico, che differisce solo per la gravità dell’ipossiemia. Il rapporto tra la pressione arteriosa di O2 (PaO2) e la concentrazione di FIO2 erogata dal supporto del ventilatore distingue le due sindromi. Per ALI, il PaO2 / FIO2 è ≤300 mm Hg e per ARDS, il PaO2 / FIO2 è ≤200 mm Hg .,
Si pensa che la lesione all’alveolo si sviluppi quando l’infiammazione polmonare o sistemica porta al rilascio sistemico di citochine e altre molecole proinfiammatorie. I mastociti, che esprimono mediatori che esercitano effetti sulla vascolarizzazione polmonare, sono anche aumentati dopo l’esposizione iperossica . Il rilascio di citochine attiva i macrofagi alveolari e recluta i neutrofili nei polmoni. Si verifica la successiva attivazione di leucotrieni, ossidanti, fattore di attivazione piastrinica e proteasi., Queste sostanze danneggiano l’endotelio capillare e l’epitelio alveolare, interrompendo le barriere tra i capillari e gli spazi aerei. Edema fluido, proteine e detriti cellulari inondano gli spazi aerei e l’interstizio, causando la rottura del tensioattivo, il collasso dello spazio aereo, la mancata corrispondenza della ventilazione-perfusione, lo smistamento e l’irrigidimento dei polmoni con ridotta compliance e ipertensione polmonare. Non vi è alcun motivo per la lesione; tuttavia, le aree polmonari dipendenti sono più frequentemente colpite .,
L’esame del tessuto rivela che la rottura del tensioattivo, la lesione epiteliale e la sepsi avviano l’espressione aumentata delle citochine che sequestrano ed attivano le cellule infiammatorie. L’aumento del rilascio di ROS altera la normale funzione endoteliale. L’analisi del microarray ha rivelato l’espressione aumentata dei geni relativi allo sforzo ossidativo, alla funzione antiproteolitica e alla riparazione extracellulare della matrice come pure alle proteine tensioattive diminuite in ALI ozono-indotta . Il danno alveolare diffuso risulta con neutrofili intra-alveolari che indicano la presenza di una risposta infiammatoria negli alveoli., Globuli rossi, frammenti cellulari e membrane basali epiteliali erose sono presenti con formazione di membrane ialine, indicando che le proteine del siero sono entrate e precipitate negli spazi aerei a causa della rottura della barriera capillare alveolare. La formazione di microtrombi indica la presenza di lesioni endoteliali e l’attivazione della cascata di coagulazione .
La sindrome da lesione polmonare acuta si presenta entro 24-48 ore dall’innesco diretto o indiretto., Inizialmente, il paziente può avvertire dispnea, tosse, dolore toracico, tachipnea, tachicardia, uso muscolare accessorio, cianosi, pelle screziata e suoni respiratori anormali (crepitii, rhonchi e respiro sibilante). L’analisi dei gas nel sangue rivela un progressivo peggioramento dell’ipossiemia, che porta a insufficienza respiratoria. Infiltrati bilaterali sono visti su una radiografia del torace e sono coerenti con edema polmonare, ma senza la componente cardiaca di elevata pressione atriale sinistra. Il trattamento comprende ventilazione meccanica, assistenza di supporto e trattamento delle cause sottostanti ., La mortalità di ALI è migliorata negli ultimi dieci anni; tuttavia, varia ancora dal 30% al 75% e si verifica in circa 86 di 100.000 individui all’anno .
6. Conclusione
L’ossigeno, spesso usato per trattare l’ipossiemia in ambito clinico, è di per sé un fattore scatenante in HALI dato che l’esposizione è sufficientemente concentrata e di durata adeguata. Il polmone è un bersaglio vulnerabile per la lesione indotta da ossidante, avviando una cascata di segnali proteici che determinano la risposta cellulare. Le superfici endoteliali alveolari epiteliali e alveolari capillari sono ferite., Iperpermeabilità, microtrombi (derivanti da coagulazione alterata e fibrinolisi), deposizione di collagene e fibrosi alterano la struttura e la funzione alveolare. Comprendere meccanismi precisi di lesioni e risposte cellulari polmonari all’iperossia è una prova essenziale per la pratica esperta.
Riconoscimento
Questo progetto è stato sponsorizzato dal TriService Nursing Research Program (TSNRP) (N08-012, HU0001-08-1-TS08)., Le informazioni o i contenuti e le conclusioni non rappresentano necessariamente la posizione o la politica ufficiale di, né deve essere dedotta alcuna approvazione ufficiale da parte del TSNRP, del Dipartimento della Difesa o del Governo degli Stati Uniti.