救命的氧氣為什麼會給肺炎患者帶來致命傷害?
2020年08月14日11:13

  來源:學術經緯

  感染新冠病毒後,從輕症轉為重症的一個標誌性症狀是呼吸急促,患者血液中的氧氣水平顯著降低,這被稱為低氧血症。為了讓患者的血氧水平恢復正常,吸氧是治療時常用的呼吸支援手段。然而,一項新研究表明,呼吸道疾病患者常用的這類療法可能會通過意想不到的途徑,產生意想不到的後果。

  在《科學》子刊Science Translational Medicine今日刊登的一篇論文中,密西根大學醫學院(University of Michigan Medical School)的研究人員發現,肺部的細菌會快速受到高濃度氧氣的影響,在肺損傷過程中扮演重要角色。“人們常常以為肺部應該是相對幹淨、沒有細菌存在,但我們現在知道,肺里的細菌也像腸道細菌一樣需要保持生態平衡。”該研究第一作者Shanna Ashley博士說。

  儘管我們生存離不開氧氣,但科學家們早已在動物實驗中發現,吸入氧氣過多會導致肺部受損,臨床上也與死亡率升高、嚴重肺損傷和肺炎相關。“氧氣實際上是一種很強的肺毒素。”負責這項研究的Robert Dickson教授說,“假如我把健康小鼠放入100%的氧氣中,它們在5天內就會死去,並且遭受的嚴重肺部損傷與新冠肺炎或其他肺損傷患者很類似。”

  這支研究團隊所在的呼吸與危重症醫學科室中,患者常常需要持續接受高濃度的氧療。因此,瞭解治療用的氧氣如何造成危害,以及為什麼有些患者更容易發生不幸,是十分重要的問題。

圖片來源:123RF
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  研究人員對1500例使用呼吸機超過24小時的危重患者進行了研究。他們檢測了患者肺部樣本中的細菌後發現,不同樣本中的細菌種類存在明顯差異,並且這種差異與患者吸入氧氣的濃度有關。

  具體來說,吸入氧濃度高(FiO2>55%)的患者,其細菌培養物中檢出的金黃色葡萄球菌比例遠遠高於其他細菌。這種細菌非常耐氧,是重症監護病房(ICU)中肺部感染的常見原因。

吸入氧濃度不同的患者,其組織樣本中培養出來的細菌種類組成有明顯差異
吸入氧濃度不同的患者,其組織樣本中培養出來的細菌種類組成有明顯差異

  不同種類的細菌對於氧氣的耐受程度各不相同,因此研究人員猜測,給患者提供的氧氣也許影響了他們呼吸道中的細菌組成。

  研究人員為此設計了一組實驗,通過16S rRNA測序手段,分析了小鼠肺部菌群的組成。他們將健康小鼠分成兩組,分別暴露在高氧環境和常氧環境。“和我們預測的一樣,當我們提供高濃度的氧氣時,健康小鼠的肺部菌群迅速發生了變化,” Ashley博士描述說,“不耐氧的細菌變少了,而耐氧細菌明顯變多。” 三天之後,耐氧的葡萄球菌成了小鼠肺部最豐富的細菌。

肺部有不同類型的細菌,它們的生態平衡受到了氧氣濃度的影響(圖片來源:123RF)
肺部有不同類型的細菌,它們的生態平衡受到了氧氣濃度的影響(圖片來源:123RF)

  接下來,科學家們在這項研究中回答了一個“先有雞還是先有蛋”的關鍵問題:肺部菌群的改變導致肺損傷,還是肺部受損改變了細菌組成?

  研究人員首先觀察了發生的時間:從小鼠吸入高濃度氧氣後的反應來看,僅僅過了1天,肺部細菌的組成就已經發生變化,而到了第3天可以檢測到肺部損傷。從相對時間來看,肺部菌群被破壞要先於肺損傷發生。此外,高氧環境下,小鼠肺部細菌的變化程度與小鼠肺炎的嚴重程度密切相關。

  為了進一步確認肺部細菌在高氧引起的肺損傷中扮演什麼角色,研究人員利用無菌小鼠開展了一項關鍵實驗。同樣72小時吸入高濃度氧氣,體內無菌的小鼠卻沒有發生肺損傷。

在顯微鏡下,無菌小鼠的肺部組織(右)看起來十分正常,沒有因為吸入高濃度氧氣發生損傷
在顯微鏡下,無菌小鼠的肺部組織(右)看起來十分正常,沒有因為吸入高濃度氧氣發生損傷

  “我們認為這是一個不同尋常的發現!”Dickson教授說,“和對照組的普通帶菌小鼠相比,無菌小鼠和它們擁有同樣的遺傳基因,接受相同量的氧氣,然而它們的肺部獲得了保護。”

  “這充分說明,微生物在肺損傷過程中起了重要作用。”Ashley博士補充道。

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  既然如此,使用抗生素是不是可以保護接受氧療的患者?危重患者通常在吸入氧氣的同時也會使用抗生素,但研究人員指出,問題並沒有那麼簡單。

  “細菌並不是全好或全壞,這也是為什麼我們要挖掘出背後的機製。”研究作者指出,“我們如今採用的干預措施還遠遠不夠特異,我們需要對細菌採取更有針對性的操作。”

  儘管這項研究在動物身上有力地證明了不同氧氣濃度如何造成肺損傷,但研究人員也告誡說,不要基於這些發現過早地改變臨床實踐。“向危重患者提供多少氧氣,是一個複雜的問題,也是一個需要深入研究的問題。”Dickson教授說,“我希望後續可以通過隨機對照試驗的結果,來作出更好的決定。”

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