血管參與支氣管哮喘發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

郭永艷 文穎 霍如婕 田新瑞

支氣管哮喘是一種常見的氣道疾病，氣道炎癥、肺功能下降和氣道重塑是其重要特征。目前全球有3億患者，生活質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響[1]。大多數(shù)哮喘與過敏相關(guān)，表現(xiàn)為Th2型主導(dǎo)的炎癥，也見于對寄生蟲的免疫反應(yīng)[2]。肺血管由于參與肺內(nèi)氣體交換，維持內(nèi)環(huán)境平衡，調(diào)節(jié)氣道氣流變化，從而與哮喘發(fā)病密切相關(guān)。支氣管血管在哮喘發(fā)作時發(fā)生通透性、擴(kuò)張性和密度的變化，與支氣管哮喘發(fā)病的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，并是導(dǎo)致哮喘持續(xù)發(fā)病的重要因素之一[3]。我們綜述了近年來血管因素在哮喘氣道炎癥及氣道重塑中的作用及機(jī)制的研究進(jìn)展。

血管在哮喘炎癥中的作用

哮喘是一種慢性氣道炎癥性疾病，其特征是多種炎癥細(xì)胞和炎癥介質(zhì)導(dǎo)致的氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性。在易感人群中，這種慢性炎癥導(dǎo)致患者反復(fù)出現(xiàn)喘息、氣短、胸悶和咳嗽，常在夜間和清晨發(fā)作加劇。炎癥級聯(lián)反應(yīng)的激活，導(dǎo)致肺內(nèi)血管生成異常，促進(jìn)炎癥細(xì)胞向炎癥部位遷移，導(dǎo)致哮喘慢性炎癥持續(xù)[4]。

哮喘性炎癥會刺激血管新生，從而導(dǎo)致氣道阻塞和氣道高反應(yīng)性。有研究探討了哮喘血管生成與潛在的慢性過敏性炎癥之間的關(guān)系，結(jié)果表明血管生成和慢性炎癥相互促進(jìn)[5]。血管生成和微血管改變是哮喘慢性炎癥的特征，在支氣管哮喘發(fā)病過程中，支氣管血管可能通過血管舒張、血管再生和微血管滲漏而導(dǎo)致支氣管壁發(fā)生炎性改變。同時，支氣管黏膜下層血管通過上調(diào)細(xì)胞粘蛋白，識別并促進(jìn)炎癥細(xì)胞遷移，進(jìn)而加重哮喘炎癥狀態(tài)。

血管參與哮喘炎癥的作用機(jī)制

一、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)

VEGF是血管內(nèi)皮最特異的生長因子，1983年首次被描述為腫瘤細(xì)胞分泌的血管通透性因子。血管內(nèi)皮生長因子受體(vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR)的活化，導(dǎo)致其下游的多種信號通路激活，包括Ras、磷脂酶C-g、聚合粘附激酶、p38和磷脂酰肌醇3激酶。VEGFR-1和VEGFR-2主要表達(dá)于血管內(nèi)皮細(xì)胞和造血細(xì)胞上[6]。VEGF在哮喘患者氣道中表達(dá)增高，增強(qiáng)微血管通透性，是內(nèi)皮細(xì)胞增殖的重要誘導(dǎo)因子之一，促進(jìn)血管再生。Lee等人的研究表明VEGF是哮喘炎癥、氣道和血管重構(gòu)以及相關(guān)生理病理改變的重要影響因子。VEGF可促進(jìn)抗原致敏和Th2型免疫反應(yīng)炎癥，增加樹突細(xì)胞的數(shù)量和活化，將固有免疫和適應(yīng)性Th2型免疫反應(yīng)聯(lián)系起來，加重哮喘氣道炎癥[7]。

氣道黏液分泌過多是哮喘重要的病理生理特征之一。呼吸道黏液分泌過多會產(chǎn)生黏液堵塞，導(dǎo)致呼吸功能受損，在某些情況下甚至導(dǎo)致患者猝死。黏蛋白是氣道黏液的主要成分，對黏液的黏彈性起主要作用。MUC5AC是一種主要由杯狀細(xì)胞分泌的黏蛋白糖蛋白，在哮喘患者中過度表達(dá)，因此黏液分泌增加。Kim Sung-Ho等人的研究表明，VEGF通過與VEGFR2相互作用上調(diào)MUC5AC的表達(dá)[8]。

總之，VEGF在生理性和病理性血管生成中都有重要作用。一方面，VEGF是內(nèi)皮細(xì)胞的一種強(qiáng)大的促有絲分裂和趨化因子，刺激新血管的形成，另一方面，它增強(qiáng)了原有血管的血管內(nèi)皮通透性，促進(jìn)水腫的形成和炎癥細(xì)胞從循環(huán)系統(tǒng)向炎癥部位遷移，促進(jìn)炎癥的發(fā)展和持續(xù)[9]。VEGF過量可能是導(dǎo)致哮喘等Th2型炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)制之一。

二、缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducing factor，HIF)

哮喘可導(dǎo)致氣道水腫、炎癥、纖維化、氣道阻塞、通氣減少和肺泡毛細(xì)血管受損，這些情況可引起肺通氣或換氣障礙，從而引起肺組織氧氣供應(yīng)不足。長期缺氧會啟動代償機(jī)制以恢復(fù)氧合或使機(jī)體適應(yīng)缺氧狀態(tài)。缺氧由HIF介導(dǎo)，它有兩種亞基HIF-1α/ 2α和 1β[10]。HIF-1α是一種轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)哺乳動物細(xì)胞的炎癥和代謝基因中起著至關(guān)重要的作用。近期研究結(jié)果表明，HIF-1α為哮喘炎癥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器[11]。

轉(zhuǎn)錄因子HIF-1是由兩個亞基組成的二聚體蛋白:HIF-1α(缺氧誘導(dǎo)型)和HIF-1β(組成型)。缺氧時，HIF-1通過向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，與靶基因啟動子區(qū)缺氧反應(yīng)元件(hypoxic reaction elements，HREs)結(jié)合，激活基因轉(zhuǎn)錄。在炎癥過程中，缺氧微環(huán)境或非氧依賴機(jī)制可以上調(diào)HIF-1α水平。HIF-1在缺氧時上調(diào)VEGF表達(dá)[12]。HIF-1α還可以調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子、趨化因子、粘附分子等相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)。與健康人相比，哮喘患者肺組織、支氣管上皮細(xì)胞以及支氣管灌洗液中HIF-1α，2α水平和VEGF水平升高。研究同時發(fā)現(xiàn)HIF-1α、2α和VEGF水平呈正相關(guān)[13]。降低氧氣供應(yīng)一段時間后，通過翻譯修飾穩(wěn)定HIF-1α，α亞基裂解，與β亞基結(jié)合，這種異質(zhì)二聚體結(jié)合包括HREs在內(nèi)的眾多啟動子，激活VEGF靶基因轉(zhuǎn)錄。HIF-1激活表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)，導(dǎo)致VEGF在肺組織中過表達(dá)[10]。

綜上，HIF通過調(diào)節(jié)相關(guān)因子如VEGF、EGF等的表達(dá)進(jìn)一步加重哮喘炎癥以及促進(jìn)血管再生。

三、內(nèi)皮細(xì)胞

血管系統(tǒng)以內(nèi)皮細(xì)胞為內(nèi)襯，形成連續(xù)的單層。與慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)類似，炎癥和潛在的內(nèi)皮功能障礙也可能是哮喘患者黏附分子水平升高的潛在原因。內(nèi)皮細(xì)胞遷移(endothelial cell migration，TEM)是哮喘發(fā)生的重要機(jī)制之一。除了炎癥和內(nèi)皮功能障礙外，哮喘中TEM升高的另一個可能機(jī)制是趨化因子的上調(diào)。哮喘患者的內(nèi)皮細(xì)胞可能增加了趨化因子的產(chǎn)生，以吸引和激活循環(huán)中的嗜酸性粒細(xì)胞。肺內(nèi)皮組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2 (TG2)在哮喘中表達(dá)上調(diào)，它可能是肺嗜酸性粒細(xì)胞募集所必需的[14]。

血管內(nèi)皮在血管張力、血流和炎癥反應(yīng)中起著重要作用。在早期哮喘、COPD中年婦女中，氣流阻塞和肺功能低下與內(nèi)皮功能低下有關(guān)[15]。IL-33通過上調(diào)粘附分子刺激內(nèi)皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)，激活的血管內(nèi)皮細(xì)胞通過招募免疫細(xì)胞參與哮喘氣道炎癥發(fā)展。內(nèi)皮細(xì)胞上細(xì)胞間粘附分子1 (ICAM-1)的過度表達(dá)和ICAM-1及其配體之間的相互作用是各種白細(xì)胞群募集和粘附在內(nèi)皮細(xì)胞上的主要機(jī)制，這也導(dǎo)致更多的炎癥細(xì)胞轉(zhuǎn)移到炎癥部位。IL-33還可通過上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中CCL2和ICAM-1的表達(dá)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞Sox17介導(dǎo)炎性樹突狀細(xì)胞和單核細(xì)胞的募集[16]。

血管在哮喘氣道重塑中的作用及機(jī)制

氣道重塑是指氣道平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的結(jié)構(gòu)改變和激活。結(jié)構(gòu)上的改變包括反復(fù)氣道損傷后的過度修復(fù)，網(wǎng)狀基底膜和支氣管黏膜中多種ECM蛋白如膠原蛋白和纖維連接蛋白的沉積增加，以及氣道平滑肌、杯狀細(xì)胞增生和新血管的生成[17]。研究表明，在兒童或成人哮喘患者的肺組織中，氣道血管分布增加，并與哮喘的嚴(yán)重程度相關(guān)。血管改變通過促炎介質(zhì)、細(xì)胞因子和生長因子的滲出和轉(zhuǎn)移，直接促進(jìn)氣道狹窄和氣道高反應(yīng)性；通過促進(jìn)炎性細(xì)胞的遷移，引起氣道壁水腫，促進(jìn)呼吸道黏膜上皮細(xì)胞的積聚，參與氣道重塑[18]。

慢性氣道疾病的氣道重塑伴隨著血管重構(gòu)的發(fā)生。在慢性肺部疾病如哮喘和COPD中，支氣管血管生成和肺血管重構(gòu)增加，最終導(dǎo)致支氣管和肺血液循環(huán)的改變[19]。支氣管血管重構(gòu)和支氣管血管血容量可能通過黏膜充血、氣道水腫、炎癥、管壁增厚等引起氣道狹窄。血管壁結(jié)構(gòu)的改變、血管生成、血管通透性的增加和內(nèi)皮細(xì)胞的激活是血管重構(gòu)的主要特征。支氣管血管的分布程度與疾病的嚴(yán)重程度和氣道高反應(yīng)性相關(guān)[20]。哮喘患者的氣道壁血管腔室的擴(kuò)張，可能是由于原有血管結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張，或是由于血管再生，這兩個過程亦可能同時發(fā)生，并由內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移、血管周圍支持細(xì)胞(周細(xì)胞)的補(bǔ)充和成熟過程造成。血管再生是一個由促血管生成因子和抗血管生成因子之間的平衡介導(dǎo)的嚴(yán)格調(diào)控的過程[21]。

一、VEGF與血管再生及血管重構(gòu)

許多研究報(bào)道了特定的生長因子，如成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)和VEGF參與了哮喘和COPD血管重構(gòu)的過程[22]。VEGF是氣道炎癥和氣道重塑的強(qiáng)效刺激物，是哮喘和COPD血管生長的關(guān)鍵調(diào)控因子[4,7]。VEGF在Th2型炎癥中發(fā)揮重要作用，除了刺激血管生成和水腫外，VEGF還通過IL -13依賴性和非依賴性機(jī)制誘導(dǎo)嗜酸性炎癥、粘液上皮化生、上皮下纖維化、肌細(xì)胞增生、樹突狀細(xì)胞活化和氣道高反應(yīng)性。越來越多的證據(jù)表明，在氣道重構(gòu)中，支氣管組織內(nèi)的微血管數(shù)量和大小異常增加。VEGF的作用是增加這些異常血管的通透性，導(dǎo)致血管擴(kuò)張和水腫，從而導(dǎo)致氣道狹窄[19]。

二、TGF與血管重構(gòu)

血管重構(gòu)，包括血管平滑肌(vascular smooth muscle，VSM)細(xì)胞肥大導(dǎo)致的內(nèi)膜和內(nèi)側(cè)層增厚[22]。一些重要的重塑介質(zhì)，包括TGF-β和趨化因子，由受損或正在修復(fù)的上皮細(xì)胞釋放，或者是對炎癥介質(zhì)如IL-13的反應(yīng)，在上皮下纖維化的發(fā)展和ASM聚集中起重要作用[19]。TGF-β1是TGF細(xì)胞因子超家族的成員，是參與血管重構(gòu)發(fā)病機(jī)制的主要調(diào)節(jié)因子，也參與嚴(yán)重哮喘患者肺纖維化的發(fā)展和哮喘氣道重塑[23]。有文獻(xiàn)報(bào)道VEGF能夠活化Th2型細(xì)胞，介導(dǎo)其釋放TGF-β1，從而使哮喘進(jìn)一步加重。TGF-β1在哮喘氣道中表達(dá)，促進(jìn)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化，可能導(dǎo)致上皮下纖維化和哮喘氣道平滑肌的增殖。TGF-β1及其Smad-3信號通路在氣道重塑中的重要性已經(jīng)在Smad-3通路缺陷的老鼠模型中被證明[1]。也有研究表明，TGF-β1可通過激活A(yù)kt信號通路，下調(diào)siPTEN而上調(diào)miR-181a，從而降低細(xì)胞增殖和遷移、減少細(xì)胞外基質(zhì)沉積來調(diào)節(jié)氣道重塑[23]。

三、內(nèi)皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化

上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是哮喘的發(fā)病機(jī)制之一，可通過慢性氣道炎癥誘導(dǎo)從而參與氣道重塑[24]。內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)是內(nèi)皮功能障礙中的一個復(fù)雜事件，是EMT的一種特殊形式。在這個過程中，內(nèi)皮細(xì)胞失去內(nèi)皮細(xì)胞表型，如CD31鈣黏素，獲得間質(zhì)表型如α-SMA、波形蛋白、膠原蛋白I型、鈣黏附分子。大量研究表明，miR-181家族成員可調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞功能、血管發(fā)育和惡性腫瘤的發(fā)生，其中MiR-181b過表達(dá)或沉默通過與內(nèi)皮細(xì)胞特異分子和TGFBR1相互作用參與EndMT過程[25]。

內(nèi)皮細(xì)胞具有許多上皮特征，包括強(qiáng)的頂端-基底極性、形成管道的能力以及向間充質(zhì)樣細(xì)胞過渡的潛能。研究表明，EndMT是受損心臟和腎臟的成纖維細(xì)胞來源(程度尚不清楚)，并促進(jìn)組織重塑和纖維化[26]。哮喘氣道重塑可能與內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化有關(guān)，有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

總之，血管在哮喘發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。血管改變通過增加血管數(shù)量、通透性、擴(kuò)張性、促進(jìn)炎癥細(xì)胞遷移、刺激內(nèi)皮細(xì)胞等導(dǎo)致哮喘氣道炎癥加重，同時激活VEGF、HIF等信號通路調(diào)節(jié)哮喘氣道炎癥；通過血管再生、血管重構(gòu)、內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化、VEGF、TGF-β1信號通路等促進(jìn)氣道重塑。目前，治療哮喘的主要方法是吸入糖皮質(zhì)激素。然而，盡管吸入了高濃度的糖皮質(zhì)激素，仍有相當(dāng)數(shù)量的患者無法治愈，因此探索哮喘的具體發(fā)病機(jī)制，尋找有效的藥物治療靶點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)哮喘個性化精準(zhǔn)治療和預(yù)防至關(guān)重要。