兒童支氣管哮喘病理與肺功能轉(zhuǎn)歸

王燕 姚蕾 姚欣

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科210029

支氣管哮喘 (哮喘)是兒童期最常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病之一，常以慢性氣道炎癥為特征，表現(xiàn)為反復(fù)發(fā)作的呼吸道癥狀如喘息、氣短、胸悶和咳嗽，同時(shí)有可逆性氣流受限[1]。哮喘具有異質(zhì)性，盡管兒童哮喘依據(jù)臨床特征可分為不同表型，但其對(duì)診斷和治療的指導(dǎo)價(jià)值目前尚存在一定不足。而病理及相關(guān)研究則有助于加深對(duì)疾病內(nèi)型和發(fā)病機(jī)制的了解，進(jìn)而預(yù)測(cè)治療反應(yīng)、探索新的治療靶點(diǎn)。既往對(duì)哮喘患兒氣道病理及肺功能的變化趨勢(shì)一直了解甚少，近期，隨著一些大型臨床研究的開(kāi)展和結(jié)果報(bào)道，針對(duì)上述有了新的認(rèn)識(shí)。

1 兒童哮喘病理特點(diǎn)

1.1 氣道炎癥 依據(jù)痰液細(xì)胞計(jì)數(shù)，哮喘可分為不同氣道炎癥表型：嗜酸粒細(xì)胞型 (嗜酸粒細(xì)胞＞2.5%)、中性粒細(xì)胞型 (中性粒細(xì)胞＞54%)、混合型 (嗜酸粒細(xì)胞＞2.5%，中性粒細(xì)胞＞54%)或寡細(xì)胞型 (嗜酸粒細(xì)胞≤2.5%，中性粒細(xì)胞≤54%)，其中以嗜酸粒細(xì)胞型最為常見(jiàn)。其病理機(jī)制是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)通過(guò)胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素 (thymic stromal lymphopoietin，TSLP)識(shí)別變應(yīng)原后啟動(dòng)，TSLP 刺激2 型輔助T 細(xì)胞 (type 2 helper T cells，Th2)和2型固有淋巴細(xì)胞 (innate lymphoid cells of group 2，ILC2)，分化并產(chǎn)生IL-4、IL-5和IL-13，這些細(xì)胞因子在氣道中募集、活化嗜酸粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞 (通過(guò)IL-5)，介導(dǎo)免疫球蛋白E 合成 (通過(guò)IL-4)[2]。此外，2型炎癥也可被感染因子和刺激物等因素激活，這些因子通過(guò)產(chǎn)生細(xì)胞因子如IL-33和IL-25刺激固有免疫，進(jìn)而刺激ILC2細(xì)胞[3]。

成人重癥哮喘合并氣道嗜酸粒細(xì)胞增多的主要分子機(jī)制是適應(yīng)性免疫，但在兒童重癥哮喘中并非如此。Bossley等[4]對(duì)53例重癥哮喘兒童進(jìn)行研究，患兒在糖皮質(zhì)激素治療前接受了纖維支氣管鏡檢查，包括支氣管肺泡灌洗和支氣管內(nèi)活檢，發(fā)現(xiàn)患兒氣道嗜酸粒細(xì)胞不同程度的增多，而中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、淋巴細(xì)胞計(jì)數(shù)與對(duì)照組相似，但是支氣管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid，BALF)中Th2細(xì)胞因子，包括IL-4、IL-5和IL-13未見(jiàn)升高，支氣管黏膜活檢中IL-5 (+)和IL-13 (+)細(xì)胞計(jì)數(shù)也不高，誘導(dǎo)痰中則很少能檢測(cè)到這些細(xì)胞因子。Nagakumar等[5]首次發(fā)現(xiàn)重癥難治性哮喘 (severe therapy resistant asthma，STRA)兒童的外周血、BALF和誘導(dǎo)痰中存在ILC2細(xì)胞，其比例明顯高于非哮喘患者，且BALF和誘導(dǎo)痰中ILC2明顯多于外周血。此外，STRA 患兒的黏膜下IL-33表達(dá)增加，并與氣道重塑、類固醇激素抵抗有關(guān)[6]。綜上所述，首先盡管大部分重癥哮喘氣道炎癥都是以嗜酸粒細(xì)胞浸潤(rùn)為主，但是在兒童和成人中其炎癥機(jī)制不同，因此治療上應(yīng)有所區(qū)分。例如成人重癥哮喘合并嗜酸粒細(xì)胞增高患者使用抗IL-5單抗mepolizumab (美泊利單抗)能有效減少急性加重次數(shù)[7]，但上述研究提示，這種單抗可能對(duì)大部分重癥哮喘兒童并不適用。其次，鑒于IL-33和ILC2在兒童重癥哮喘氣道病理機(jī)制中發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步對(duì)這兩個(gè)信號(hào)通路進(jìn)行相關(guān)研究可能為兒童重癥哮喘治療提供新方向。

兒童哮喘氣道炎癥的復(fù)雜性，一方面來(lái)自于其有別于成人的分子機(jī)制，另一方面則來(lái)源于其異質(zhì)性，具體體現(xiàn)在不同個(gè)體間的臨床表現(xiàn)、氣道炎癥表型等均存在差異，即便是在同一個(gè)體中，縱向研究發(fā)現(xiàn)氣道炎癥的類型也不固定，這給兒童哮喘治療帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。Fleming等[8]對(duì)51例重癥哮喘患兒和28例輕中度哮喘患兒的痰液進(jìn)行分析，重癥哮喘患兒 (n=42)平均每3個(gè)月進(jìn)行一次痰液誘導(dǎo)，持續(xù)1年，輕中度哮喘患兒 (n=17)平均每3個(gè)月進(jìn)行2次痰液誘導(dǎo)，持續(xù)3～6 個(gè)月。縱向分析發(fā)現(xiàn)59例兒童中有37例 (63%)表現(xiàn)出2種或2種以上表型，在重癥哮喘組和輕中度哮喘組中均能觀察到痰液炎癥表型的變化，且該炎癥表型與吸入性糖皮質(zhì)激素 (inhaled corticosteroid，ICS)劑量或哮喘控制狀態(tài)的變化無(wú)明顯相關(guān)性。

1.2 氣道重塑 哮喘氣道重塑特征包括上皮下網(wǎng)狀基底膜(reticular basement membrane，RBM)增厚、氣道平滑肌增生和肥大、新生血管生成[9]。氣道重塑與肺功能改變、兒童哮喘是否持續(xù)密切相關(guān)。

1.2.1 RBM 增厚 RBM 增厚是氣道重塑的重要標(biāo)志之一。Tsartsali等[10]對(duì)47例早產(chǎn)兒和嬰兒、40例兒童和23例成人的尸檢 (死于非呼吸系統(tǒng)疾病、無(wú)哮喘病史)支氣管組織標(biāo)本進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)RBM 在妊娠30周時(shí)即可在顯微鏡下被識(shí)別，隨年齡增長(zhǎng)而逐漸增厚直至17歲，以后逐漸變薄。中重度哮喘患兒支氣管黏膜活檢可見(jiàn)RBM 較健康對(duì)照明顯增厚[4，11]，主要是膠原纖維沉積增多所導(dǎo)致。RBM 厚度的臨床價(jià)值尚不明確。Payne等[12]通過(guò)支氣管黏膜活檢發(fā)現(xiàn)難治性哮喘患兒RBM 厚度較健康對(duì)照明顯增加，但其與癥狀持續(xù)時(shí)間、肺功能、當(dāng)時(shí)氣道嗜酸粒細(xì)胞炎癥水平無(wú)關(guān)。van Mastrigt等[13]將所有因臨床病情需要行支氣管黏膜活檢的患兒分為無(wú)哮喘組、中度哮喘組和重度哮喘組，結(jié)果表明RBM 厚度與病情嚴(yán)重程度無(wú)關(guān)。此外，Sonnappa等[14]發(fā)現(xiàn)重度喘息患兒 (中位年齡2 歲)RBM 厚度與其5歲時(shí)肺功能無(wú)關(guān)，進(jìn)一步說(shuō)明RBM 厚度也不能預(yù)測(cè)肺功能改變。

1.2.2 氣道平滑肌增生肥大 氣道平滑肌增生肥大在哮喘患兒中并非廣泛存在。Malmstr?m 等[15]對(duì)12 例致死性哮喘患兒和8例非哮喘對(duì)照者進(jìn)行尸檢，測(cè)量RBM 厚度和氣道平滑肌百分比、計(jì)數(shù)炎癥細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)病例中存在RBM 增厚，但僅1/3的病例氣道平滑肌百分比明顯增加。但氣道平滑肌增厚可作為學(xué)齡前喘息進(jìn)展為哮喘的重要預(yù)測(cè)因子。O′Reilly等[16]在學(xué)齡前喘息患兒中行支氣管鏡檢查，測(cè)定RBM 厚度、氣道平滑肌面積分?jǐn)?shù)、黏膜嗜酸粒細(xì)胞計(jì)數(shù)，后隨訪至11歲，發(fā)現(xiàn)發(fā)展為學(xué)齡期哮喘患兒的學(xué)齡前氣道平滑肌分?jǐn)?shù)明顯增加。此外，哮喘患兒氣道平滑肌增生肥大與支氣管擴(kuò)張劑反應(yīng)性相關(guān)[17]，在成人哮喘中還與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)[18]，在兒童中尚缺乏相關(guān)研究。

1.2.3 新生血管生成 既往研究已經(jīng)證實(shí)，輕中度哮喘患兒的氣道中上皮下血管數(shù)量增加[19-20]。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A (vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A)在肺的發(fā)育和結(jié)構(gòu)維持中起著至關(guān)重要的作用[21]，近來(lái)有研究發(fā)現(xiàn) VEGF-A 單核苷酸多態(tài)性 (single nucleotide polymorphism，SNP)與肺功能相關(guān)。與學(xué)齡前及學(xué)齡期兒童的其他基因型組相比，VEGF-A SNP rs3025028 等位基因純合子組具有更好的肺功能，并且這種影響可以持續(xù)到成年后[22]。VEGF可能通過(guò)調(diào)節(jié)肺的早期生長(zhǎng)或調(diào)節(jié)血管生成影響氣道重塑而對(duì)肺功能產(chǎn)生影響。

1.3 氣道炎癥與氣道重塑 既往觀念認(rèn)為氣道重塑是氣道慢性炎癥及損傷修復(fù)的結(jié)果，但目前許多研究表明氣道重塑可獨(dú)立于氣道炎癥產(chǎn)生。學(xué)齡前重度喘息患兒行支氣管內(nèi)活檢呈現(xiàn)出氣道重塑的特征，包括RBM 增厚、氣道平滑肌增生、新生血管生成，但均未發(fā)現(xiàn)與炎癥細(xì)胞計(jì)數(shù)有相關(guān)性[23]。嗜酸性炎癥也不是重塑存在的必要條件。Baraldo等[24]對(duì)80例接受支氣管內(nèi)活檢的兒童 (21例非嗜酸性哮喘、34例嗜酸性哮喘和25例健康對(duì)照)就RBM 增厚、上皮細(xì)胞丟失、血管生成、炎癥浸潤(rùn)等進(jìn)行定量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，非嗜酸性和嗜酸性哮喘患兒的基底膜均增厚，上皮損失增加，血管數(shù)目增多，表明即使沒(méi)有明顯的嗜酸粒細(xì)胞浸潤(rùn)，哮喘患兒的典型氣道結(jié)構(gòu)改變也會(huì)發(fā)生，推測(cè)可能存在其他機(jī)制促進(jìn)早期氣道重塑。上述研究提示，氣道重塑在兒童哮喘早期，甚至是學(xué)齡前期即可出現(xiàn)，這與氣道重塑是長(zhǎng)期慢性炎癥的結(jié)果這一觀點(diǎn)是相悖的。此外，在沒(méi)有嗜酸粒細(xì)胞浸潤(rùn)的條件下依然可以出現(xiàn)氣道重塑的特征性改變，則說(shuō)明嗜酸粒細(xì)胞并不是產(chǎn)生氣道結(jié)構(gòu)改變的必要條件。

在動(dòng)物模型中，上述結(jié)論得到了進(jìn)一步證實(shí)。Saglani等[25]等構(gòu)建了過(guò)敏性氣道疾病新生鼠模型：新生Balb/c小鼠從出生后第3天開(kāi)始，每周行3次鼻內(nèi)塵螨或生理鹽水刺激，持續(xù)12周，每周對(duì)氣道炎癥和重塑進(jìn)行評(píng)估，從第2 周開(kāi)始使用乙酰甲膽堿評(píng)估氣道高反應(yīng)性 (airway hyperresponsiveness，AHR)。結(jié)果顯示，從第2 周開(kāi)始，塵螨暴露的新生小鼠肺部的總體炎癥和嗜酸性炎癥顯著增加，在第3周達(dá)到高峰；第3周起杯狀細(xì)胞和細(xì)支氣管周圍網(wǎng)狀蛋白沉積明顯增加；從第2 周開(kāi)始AHR 升高。雖然炎癥和AHR 在沒(méi)有過(guò)敏原刺激的情況下于4周后已經(jīng)消退，但網(wǎng)狀蛋白和膠原沉積的增加仍然存在。重要的是，所有的病理改變都是在第2～3周幾乎并行發(fā)生，而不是先后發(fā)生。Fattouh等[26]發(fā)現(xiàn)嗜酸粒細(xì)胞敲除小鼠的肺Th2細(xì)胞、氣道反應(yīng)性、氣道重塑 (上皮下膠原沉積和平滑肌增厚)與野生型小鼠相似。

綜上所述，雖然氣道炎癥能促進(jìn)、加重氣道重塑，但氣道重塑的發(fā)生并不依賴于炎癥，由此可以推測(cè)，僅針對(duì)氣道炎癥進(jìn)行治療并不能阻止氣道重塑發(fā)生、發(fā)展，而氣道結(jié)構(gòu)改變又與肺功能、氣道反應(yīng)性密切相關(guān)，可能導(dǎo)致肺功能逐步下降。目前為止臨床上尚沒(méi)有針對(duì)氣道重塑的有效治療。

1.4 氣道高反應(yīng) 氣道反應(yīng)性增高是哮喘重要的病理生理特點(diǎn)，與氣道重塑有關(guān)[17]，因?yàn)闅獾澜Y(jié)構(gòu)改變包括氣道狹窄和伸長(zhǎng)，導(dǎo)致阻力增加，當(dāng)過(guò)敏原等刺激氣道導(dǎo)致阻力進(jìn)一步增加時(shí)，氣道反應(yīng)性增高。此外，維系氣道穩(wěn)定性的肺泡附著點(diǎn)的減少也可導(dǎo)致氣道反應(yīng)性增高，這在動(dòng)物模型中得到了證明[27]。新生兒氣道反應(yīng)性則受遺傳因素影響。在COPSAC出生隊(duì)列中，Bisgaard等[28]研究了中376名新生兒對(duì)乙酰甲膽堿的反應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)染色體17q12-q21基因座的變異與嬰兒期和4歲時(shí)氣道反應(yīng)性增加有關(guān)。

2 兒童哮喘病理及病理生理轉(zhuǎn)歸

哮喘是兒童最常見(jiàn)的慢性呼吸系統(tǒng)疾病之一，約50%～75%的哮喘兒童在學(xué)齡期和青春期癥狀得到緩解[29-30]，僅少部分呈現(xiàn)哮喘持續(xù)狀態(tài)。研究顯示早期氣道反應(yīng)性對(duì)兒童哮喘轉(zhuǎn)歸有提示作用。COPSAC 隊(duì)列研究測(cè)定362名新生兒在1個(gè)月齡時(shí)氣道對(duì)乙酰甲膽堿的反應(yīng)性，并在7歲時(shí)評(píng)估了哮喘診斷 (77%隨訪)，結(jié)果顯示新生兒氣道反應(yīng)性與7歲時(shí)哮喘診斷呈顯著相關(guān)性，且氣道反應(yīng)性比肺功能更能預(yù)測(cè)哮喘[31]。在Perth 隊(duì)列研究中，在1 個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月時(shí)用強(qiáng)制肺活量測(cè)定技術(shù)測(cè)量氣道對(duì)組胺的反應(yīng)性，并且在6歲和11歲時(shí)評(píng)估哮喘診斷。結(jié)果顯示1個(gè)月時(shí)氣道反應(yīng)性與6歲時(shí)哮喘相關(guān)[32]，12個(gè)月時(shí)的持續(xù)性氣道反應(yīng)性增高與11歲時(shí)哮喘相關(guān)[33]。圖森兒童呼吸研究[34]發(fā)現(xiàn)6歲時(shí)支氣管高反應(yīng)性、氣道功能低下可預(yù)測(cè)22歲時(shí)哮喘的發(fā)生。此外，一項(xiàng)出生隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)超過(guò)1/4的兒童呈哮喘持續(xù)狀態(tài)或緩解后復(fù)發(fā)，預(yù)測(cè)持續(xù)或復(fù)發(fā)的因素除氣道高反應(yīng)性外，還包括特應(yīng)性、女性、吸煙和發(fā)病年齡[35]。上述研究提示成人哮喘的預(yù)后可能在兒童早期就已確定。

盡管大部分哮喘患兒在學(xué)齡期和青春期癥狀緩解，但研究表明，其病理改變持續(xù)存在。Komatsu等[36]發(fā)現(xiàn)癥狀緩解組 (有兒童哮喘史，未經(jīng)哮喘治療至少5年無(wú)哮喘癥狀)氣道反應(yīng)性、痰嗜酸粒細(xì)胞計(jì)數(shù)均顯著高于對(duì)照組，其中50%存在氣道高反應(yīng)性，33%痰嗜酸粒細(xì)胞增多，20.8%同時(shí)具備兩者。另有研究行支氣管黏膜活檢，分別取兒童哮喘臨床緩解組 (研究前至少1年內(nèi)沒(méi)有報(bào)告哮喘癥狀發(fā)作，并且沒(méi)有使用任何藥物來(lái)控制哮喘癥狀，受試者臨床緩解的中位時(shí)間為5年) (n=18)和健康對(duì)照組(n=17)的支氣管黏膜組織。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，臨床緩解組氣道黏膜中嗜酸粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、IL-5顯著升高，說(shuō)明兒童哮喘在長(zhǎng)期臨床緩解后仍存在持續(xù)性氣道炎癥；另一方面，臨床緩解組的RBM 厚度、氣道反應(yīng)性較對(duì)照組增加，表明存在氣道重塑。氣道炎癥和氣道重塑持續(xù)存在，這也可以部分解釋氣道高反應(yīng)，這部分患者仍有哮喘復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[37]。

3 哮喘兒童肺功能轉(zhuǎn)歸

正常肺功能的確立包含3個(gè)重要階段：出生時(shí)、兒童期、25歲后。出生時(shí)肺功能受產(chǎn)前因素、分娩因素影響，可導(dǎo)致肺發(fā)育異常。兒童期是肺發(fā)育階段，20～25歲左右達(dá)到成熟，在此過(guò)程中哮喘、空氣污染、香煙等均會(huì)影響肺功能。25歲以后肺逐漸老化，肺功能下降[38]。雖然大部分哮喘患兒在青春期癥狀緩解，但其肺功能未能完全恢復(fù)，一方面是因?yàn)閮和谙∈肥沟梅伟l(fā)育受阻，另一方面，即便癥狀緩解但氣道炎癥和氣道重塑持續(xù)存在。Vonk等[39]對(duì)119例過(guò)敏性哮喘患兒進(jìn)行3次隨訪調(diào)查，隨訪時(shí)年齡分別為5～14歲、21～33歲、32～42歲，平均隨訪30年，第3次隨訪時(shí)將哮喘完全緩解定義為無(wú)哮喘癥狀、未使用吸入皮質(zhì)類固醇、肺功能正常 [第1秒用力呼氣容積占預(yù)計(jì)值百分比 (forced expiratory volume in one second as a percentage of expected value，F(xiàn)EV1%pred)＞90%]、無(wú)氣道高反應(yīng) (PC10＞16 g/L)，臨床緩解定義為無(wú)哮喘癥狀、不使用吸入皮質(zhì)類固醇。結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅22%的患者在第3 次就診時(shí)哮喘完全緩解，另有30%的患者僅臨床癥狀緩解。

此外，一項(xiàng)回顧性分析發(fā)現(xiàn)有哮喘病史的人患COPD的風(fēng)險(xiǎn)是正常人的10～30倍[40]。既往持續(xù)性哮喘兒童在成年早期更容易出現(xiàn)固定氣流阻塞，甚至可能出現(xiàn)COPD[41]。而對(duì)于哮喘緩解者而言，其COPD 患病風(fēng)險(xiǎn)仍高于健康人群。一項(xiàng)多中心研究納入9 896名參與者 (35～60歲)。根據(jù)是否存在經(jīng)醫(yī)師診斷的兒童期/成年期哮喘及哮喘癥狀分為4組：健康對(duì)照組 (9 154例)、兒童期哮喘緩解組 (287例)、成年期發(fā)作性哮喘 (354例)和兒童期-成年期哮喘 (101 例)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兒童期哮喘緩解組(5.2%)、成年期發(fā)作性哮喘 (14.4%)和兒童期-成年期哮喘 (16.8%)的氣流阻塞 (FEV1/FVC＜0.7)率均明顯高于健康對(duì)照組 (2.2%)，多因素Logistic回歸分析表明，兒童哮喘緩解病史與氣流阻塞獨(dú)立相關(guān)。上述研究提示兒童期哮喘會(huì)對(duì)肺的發(fā)育產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其在成年早期未能達(dá)到肺功能最佳狀態(tài)，在此過(guò)程中，即便患兒癥狀緩解，也不能彌補(bǔ)這一缺陷，導(dǎo)致其在中老年罹患COPD 等肺部疾病的風(fēng)險(xiǎn)增高[42]。

4 總結(jié)

氣道炎癥、氣道重塑是兒童哮喘重要的病理特征，目前認(rèn)為氣道重塑可獨(dú)立于氣道炎癥產(chǎn)生，并且與肺功能、氣道高反應(yīng)密切相關(guān)，而后者是兒童哮喘預(yù)后的重要預(yù)測(cè)因子。因此，僅僅針對(duì)氣道炎癥的治療并不能阻止氣道重塑的發(fā)生、發(fā)展以及肺功能的下降。另外，兒童哮喘氣道炎癥機(jī)制與成人哮喘不同，因此在選擇治療方案時(shí)應(yīng)有所甄別。盡管大部分哮喘患兒在青春期癥狀緩解，但是其病理改變、肺功能受損持續(xù)存在，COPD 患病風(fēng)險(xiǎn)增加。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突