上皮間質(zhì)營養(yǎng)單元在慢性氣道疾病中的研究進(jìn)展

胡夢云，何勝洋，謝麗華，孫圣華

(中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院呼吸與危重癥科，長沙 410013)

1990年，Brewster等[1]在正常人和哮喘患者的支氣管中發(fā)現(xiàn)了一層上皮下成纖維細(xì)胞，該細(xì)胞與上皮細(xì)胞、神經(jīng)組織和細(xì)胞外基質(zhì)緊密相連。1993年，Evans等[2]發(fā)現(xiàn)，氣道上皮中的成纖維細(xì)胞與上皮細(xì)胞存在相互作用。1999年，Evans等[3]提出了上皮間質(zhì)營養(yǎng)單元(epithelial-mesenchymal trophic unit，EMTU)的概念，并指出EMTU中細(xì)胞間的相互作用在肺發(fā)育、修復(fù)和體內(nèi)平衡中起重要作用。EMTU中的結(jié)構(gòu)細(xì)胞不僅參與肺發(fā)育的控制，還在損傷組織修復(fù)和炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)等過程中發(fā)揮重要作用[4]。EMTU的關(guān)鍵細(xì)胞是上皮細(xì)胞以及與神經(jīng)相連的成纖維細(xì)胞，且上皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的功能是可協(xié)調(diào)的。在慢性氣道疾病導(dǎo)致的氣道重塑過程中，EMTU的變化包括上皮脫落、黏膜杯狀細(xì)胞增生、基底膜區(qū)增厚和重組、成纖維細(xì)胞功能減弱以及上皮下纖維化和平滑肌增厚等[5]。氣道重塑與慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)的發(fā)生及疾病嚴(yán)重程度密切相關(guān)，并可導(dǎo)致不可逆性氣道阻塞和氣道高反應(yīng)性[6]。EMTU是肺發(fā)育的關(guān)鍵部位，而EMTU中的上皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞間的相互作用是氣道重塑的關(guān)鍵過程?，F(xiàn)就EMTU在慢性氣道疾病中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 EMTU

EMTU由上皮下結(jié)構(gòu)細(xì)胞(如平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞)、血管和神經(jīng)等組成。上皮下結(jié)構(gòu)細(xì)胞、血管和神經(jīng)大多位于黏膜層，其中上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞是EMTU中的關(guān)鍵細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，在EMTU的細(xì)胞外基質(zhì)中存在減毒成纖維細(xì)胞鞘，而減毒成纖維細(xì)胞鞘由常駐的星狀成纖維細(xì)胞相互嚙合形成，這些成纖維細(xì)胞緊密附著在網(wǎng)狀基底膜上[3]。當(dāng)上皮受到細(xì)胞外刺激后，可以通過分泌化學(xué)信號進(jìn)行細(xì)胞間通訊，也可以通過細(xì)胞間的直接接觸作用于成纖維細(xì)胞鞘，而成纖維細(xì)胞鞘可迅速做出反應(yīng)，如分化為肌成纖維細(xì)胞[7]。EMTU的結(jié)構(gòu)與慢性氣道疾病的致病和發(fā)展均密切相關(guān)，但目前關(guān)于這方面的研究尚不全面。為了更全面、準(zhǔn)確地模擬人肺的體內(nèi)環(huán)境，幫助理解EMTU間異常通訊的機(jī)制和介質(zhì)，共培養(yǎng)模型應(yīng)運(yùn)而生。從最初的細(xì)胞間的相互干預(yù)到目前的新型3D體外模型(如片肺模型、肺部3D生物打印、精確切割肺切片)[8]，EMTU在肺部疾病中的作用越來越受到關(guān)注。

2 EMTU間的相互作用

在肺組織中，氣管和支氣管氣道壁內(nèi)的所有細(xì)胞與非細(xì)胞腔室均以EMTU的形式相互作用[9]。EMTU細(xì)胞結(jié)構(gòu)包括支氣管上皮細(xì)胞、基底細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞以及炎癥相關(guān)細(xì)胞等，各細(xì)胞層之間連接緊密，同時(shí)各種細(xì)胞共同維持氣道的穩(wěn)定與修復(fù)。在正常情況下，支氣管上皮積極參與氣道的防御，當(dāng)天然上皮屏障受損時(shí)，上皮細(xì)胞可聯(lián)合免疫及炎癥細(xì)胞促進(jìn)組織修復(fù)[10]。基底細(xì)胞可以與柱狀上皮細(xì)胞、神經(jīng)元、基底膜和底層間充質(zhì)細(xì)胞相互作用，還可以與上皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞相互作用[11]。成纖維細(xì)胞既可以作為結(jié)締組織細(xì)胞發(fā)揮作用，還可以在各種刺激下產(chǎn)生細(xì)胞因子和趨化因子[3]。肌成纖維細(xì)胞因合成間質(zhì)膠原的能力增強(qiáng)而被認(rèn)為是組織纖維化的關(guān)鍵效應(yīng)細(xì)胞[10]。當(dāng)上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞被作為調(diào)節(jié)氣道生長和分支的“營養(yǎng)單位”時(shí)，可推動(dòng)氣道生理重塑的過程[12]。正常情況下，上皮主要釋放抑制間充質(zhì)細(xì)胞的因子。當(dāng)上皮受到外界刺激時(shí)，抑制分子的產(chǎn)生減少，導(dǎo)致膠原纖維增殖、促生長因子(如內(nèi)皮素-1、成纖維細(xì)胞生長因子、胰島素樣生長因子、血小板衍生生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子等)釋放增加；隨后，修復(fù)反應(yīng)通過激活位于網(wǎng)狀上皮層正下方的成纖維細(xì)胞/肌成纖維細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)氣道重塑[10]。此外，EMTU在臨床發(fā)病過程中也存在改變。Tian等[13]通過肺微型CT、肺組織光學(xué)二次諧波顯微術(shù)和免疫組織化學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，COPD氣道上皮扁平化、EMTU擴(kuò)張。早期識別COPD的發(fā)生并早期干預(yù)，可以有效控制疾病的發(fā)展，提高患者的生活質(zhì)量。

3 EMTU與慢性氣道疾病的關(guān)系

3.1EMTU與COPD COPD的病理特征包括氣道炎癥和重塑、氣道破壞以及肺氣腫。其中，氣道重塑是COPD的一個(gè)中心特征，尤以氣道平滑肌層的重塑最為關(guān)鍵[13-14]。研究表明，上皮間質(zhì)化是小氣道重塑中的重要改變[15]。COPD患者肺組織病理結(jié)果顯示了平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的增生以及氣道壁中膠原等基質(zhì)蛋白的沉積[10]，這些改變均屬于氣道重塑。氣道上皮細(xì)胞與間充質(zhì)細(xì)胞間的信號異常是維持炎癥以及驅(qū)動(dòng)環(huán)境損傷反應(yīng)重塑的重要事件。有學(xué)者將人支氣管上皮細(xì)胞與COPD來源的人肺原代成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞存在相互通訊，且成纖維細(xì)胞可調(diào)節(jié)上皮源性細(xì)胞因子分泌[5,16]。McQualter等[17]通過分析肺間質(zhì)細(xì)胞在體外促進(jìn)肺上皮源性細(xì)胞因子形成的能力，發(fā)現(xiàn)在肺部疾病的局部微環(huán)境中，間質(zhì)細(xì)胞的分化破壞了上皮的修復(fù)過程。Royce等[18]通過在不同的細(xì)胞外間質(zhì)中培養(yǎng)人肺支氣管上皮細(xì)胞和人胚肺成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)異常的基底膜細(xì)胞外間質(zhì)誘導(dǎo)了人肺支氣管上皮細(xì)胞和人胚肺成纖維細(xì)胞的增殖，同時(shí)改變了這兩種細(xì)胞的形態(tài)。Myerburg等[19]應(yīng)用促進(jìn)鱗狀細(xì)胞分化的培養(yǎng)基培養(yǎng)成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞的存在可誘導(dǎo)極化纖毛分化，同時(shí)可加速傷口修復(fù)。表明特異性細(xì)胞外間質(zhì)對上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞均有影響。Osei和Hackett[20]通過建立原代氣道上皮細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)模型，發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞介素-1α是調(diào)節(jié)肺成纖維細(xì)胞釋放炎癥介質(zhì)的主要介質(zhì)。深入研究EMTU之間的改變，根據(jù)發(fā)病機(jī)制尋求COPD的治療手段，早期識別COPD中小氣道重塑的改變，可以為COPD的診治提供新的思路。

3.2EMTU與哮喘 哮喘是一種以慢性氣道炎癥、氣道可逆性和氣道重塑為病理特征的慢性氣道疾病[21-22]。對支氣管和移植肺組織的組織病理學(xué)研究表明，氣道上皮細(xì)胞(上皮屏障功能喪失、杯狀細(xì)胞增生)、間充質(zhì)細(xì)胞(氣道平滑肌肥大和增生、肌成纖維細(xì)胞數(shù)量增加、血管生成)和細(xì)胞外基質(zhì)(基底膜增厚和上皮下纖維化)均發(fā)生了變化[23]。在哮喘中，這些氣道和幾何結(jié)構(gòu)的變化均稱為“氣道重塑”。上皮細(xì)胞的改變與網(wǎng)狀層膠原的沉積有關(guān)，在受到細(xì)胞外刺激后，上皮細(xì)胞首先受到損傷，而上皮細(xì)胞受損提示EMTU在哮喘發(fā)病初期是活躍的，并可能與哮喘的發(fā)病機(jī)制相關(guān)[24]?；诖?，Holgate等[10]提出了一種哮喘發(fā)病機(jī)制的新模式，即氣道過度炎癥和氣道重塑是患者受到吸入環(huán)境成分影響產(chǎn)生的異常損傷和修復(fù)反應(yīng)的結(jié)果。哮喘的氣道重塑可能由變應(yīng)原反復(fù)急性激活EMTU所致[3]。Plopper等[25]研究表明，反復(fù)暴露于塵螨類變應(yīng)原的幼年期恒河猴的EMTU是以氣道數(shù)量減少、上皮細(xì)胞增生、黏液分泌細(xì)胞增多的形式發(fā)生重塑。在受到吸入環(huán)境成分的影響后，復(fù)雜的細(xì)胞因子相互作用使EMTU中的細(xì)胞成分發(fā)生病理性重塑，驅(qū)動(dòng)氣道重塑和平滑肌增生[10]，但這需要上皮修復(fù)和組織重塑信號通路的參與。反復(fù)的急性損傷和修復(fù)改變了上皮內(nèi)神經(jīng)支配的正常發(fā)展[26]。上皮細(xì)胞與間充質(zhì)細(xì)胞的相互作用是正常氣道修復(fù)所必需的。上皮下間充質(zhì)細(xì)胞具有分化為肌成纖維細(xì)胞的能力，導(dǎo)致網(wǎng)狀層間質(zhì)膠原進(jìn)一步沉積，肌成纖維細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)一步增加[7]。在哮喘氣道重塑中，上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的改變具有關(guān)鍵作用，另外，平滑肌增殖、氣道高反應(yīng)性、慢性黏液分泌等也參與其中[27]。除白細(xì)胞介素-13[12]外，白細(xì)胞介素-1[7]也是肌成纖維細(xì)胞分化的有效誘導(dǎo)因子。Osei等[28]證明，上皮源性白細(xì)胞介素-1是肺實(shí)質(zhì)-上皮-成纖維細(xì)胞通訊的主要介質(zhì)。動(dòng)物模型研究表明，當(dāng)細(xì)胞間的通訊受到干擾時(shí)，肌成纖維細(xì)胞向其他成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞發(fā)出信號，改變這些成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的表型，并在無序排列下增殖[23]。Malavia等[29]通過氣-液界面完全分化的初級正常人支氣管上皮細(xì)胞與去血清的初級正常人氣道平滑肌細(xì)胞共同培養(yǎng)模型發(fā)現(xiàn)，反復(fù)刮傷造成的上皮損傷導(dǎo)致共培養(yǎng)模型中的白細(xì)胞介素-6、白細(xì)胞介素-8、單核細(xì)胞趨化蛋白1和基質(zhì)金屬蛋白酶9水平均升高(其中基質(zhì)金屬蛋白酶9水平升高幅度最高)，從而刺激氣道平滑肌細(xì)胞增殖。肌成纖維細(xì)胞在氣道重塑中發(fā)揮了重要作用。

4 影響EMTU的相關(guān)信號通路

4.1Wnt信號通路 Wnt通路對細(xì)胞遷移、器官發(fā)育、干細(xì)胞自我更新以及損傷和組織修復(fù)的穩(wěn)態(tài)均具有顯著影響[30]。在缺少Wnt配體時(shí)，β聯(lián)蛋白(β-catenin)在胞質(zhì)內(nèi)與β-catenin降解復(fù)合體相結(jié)合；當(dāng)Wnt配體與膜上的Fizzed受體結(jié)合后，β-catenin從復(fù)合物中解放出來，在細(xì)胞核中與T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子結(jié)合，調(diào)節(jié)重要下游靶基因的表達(dá)[31]。有證據(jù)顯示，COPD患者的Wnt信號分子在肺活檢和鼠類模型中的表達(dá)均下調(diào)[32-34]。Guo等[35]使用香煙煙霧提取物誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin活性降低，導(dǎo)致肺損傷與修復(fù)過程的不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)組織破壞。Kneidinger等[36]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小鼠肺氣腫模型的Wnt/β-catenin水平下調(diào)，而激活Wnt/β-catenin可減輕實(shí)驗(yàn)性肺氣腫。Wu等[37]研究發(fā)現(xiàn)，微RNA(microRNA，miRNA/miR)-130a可通過靶向調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號通路加重香煙煙霧提取物誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞損傷?？傊诜螝饽[的致病過程中，Wnt/β-catenin下調(diào)，并與其他細(xì)胞信號通路相互作用，共同調(diào)節(jié)氣道炎癥和重塑、肺肌成纖維細(xì)胞增殖以及上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[38]。因此，可以通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)上皮修復(fù)，改善肺氣腫。

4.2轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號通路 TGF-β是介導(dǎo)EMTU之間相互作用的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化的重要細(xì)胞因子[39]。Ng-Blichfeldt等[40]首先用TGF-β預(yù)處理人肺成纖維細(xì)胞，并誘導(dǎo)肌成纖維細(xì)胞分化，然后將肌成纖維細(xì)胞與成年小鼠肺上皮細(xì)胞共培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Wnt和β-catenin靶基因的表達(dá)均上調(diào)。另外，Ezzie等[41]通過比較無癥狀吸煙者與COPD患者肺組織中miRNA的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)miRNA可能以TGF-β和Wnt信號通路為靶點(diǎn)。例如，COPD患者中的miR-15b表達(dá)上調(diào)可抑制Smad-7的表達(dá)，而Smad-7是TGF-β信號通路的阻斷劑[42]。由此可知，COPD患者中的TGF-β信號轉(zhuǎn)導(dǎo)增加。另外，TGF-β還可通過激活Wnt信號通路發(fā)揮作用[5]。通過對EMTU關(guān)鍵成分過度表達(dá)或抑制修復(fù)功能的觀察發(fā)現(xiàn)，哮喘的氣道重塑是人類出生后EMTU中細(xì)胞保持活性或重新激活的結(jié)果[43]。TGF-β相關(guān)信號通路在EMTU中具有重要作用，未來可通過干預(yù)肌成纖維細(xì)胞的分化進(jìn)一步減輕疾病的氣道重塑，改善患者預(yù)后。

4.3表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptors，EGFR)信號通路 EGFR是一種糖蛋白，每個(gè)EGFR有多個(gè)配體，包括表皮生長因子、肝素結(jié)合表皮生長因子、雙相調(diào)節(jié)蛋白、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白和轉(zhuǎn)化生長因子等[44]。EGFR的磷酸化激酶結(jié)構(gòu)域通過變構(gòu)作用可激活其配體[45]。在保持氣道上皮的完整性方面，EGFR家族在細(xì)胞生長、增殖和分化機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用[46]。哮喘患者上皮EGFR的表達(dá)與網(wǎng)狀層的厚度呈正相關(guān)，且EGFR水平隨著疾病嚴(yán)重程度的增加而升高[24]。通過體外研究可知，上皮細(xì)胞的損傷或機(jī)械拉伸可導(dǎo)致纖維增殖和成纖維細(xì)胞生長因子增加，且在整個(gè)上皮細(xì)胞中均很明顯，表明應(yīng)激和損傷是普遍存在的[23]。上皮損傷可誘導(dǎo)EGFR上調(diào)，EGFR信號通路可以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞增殖和修復(fù)，是上皮早期反應(yīng)的體現(xiàn)[47]。另外，EGFR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也是推動(dòng)黏液蛋白基因表達(dá)和上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為杯狀細(xì)胞的關(guān)鍵事件。有研究顯示，EGFR抑制劑可減緩上皮細(xì)胞的修復(fù)，但緩慢的上皮細(xì)胞修復(fù)可增加TGF-β的產(chǎn)生[23]。提示，EGFR相關(guān)通路參與了支氣管上皮細(xì)胞的增殖和修復(fù)[48]。針對EGFR信號通路的研究為慢性哮喘的治療提供了新靶點(diǎn)。

5 小 結(jié)

在慢性氣道疾病的發(fā)生過程中，EMTU的細(xì)胞和非細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑均不容忽視，其在COPD和哮喘的致病過程中發(fā)揮重要作用。在正常生理過程中，EMTU的細(xì)胞與非細(xì)胞結(jié)構(gòu)之前相互溝通、相互協(xié)調(diào)，是維持正常肺功能的關(guān)鍵；在致病過程中，EMTU的細(xì)胞與非細(xì)胞結(jié)構(gòu)通過細(xì)胞外分泌通訊機(jī)制參與慢性氣道疾病的發(fā)生、發(fā)展。針對EMTU細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與非細(xì)胞間相互作用的研究，有助于進(jìn)一步了解慢性氣道疾病發(fā)病機(jī)制，同時(shí)也為疾病的早期診斷和后續(xù)治療提供了重要的科學(xué)依據(jù)。因此，未來有望將EMTU作為慢性氣道疾病創(chuàng)新性治療的靶點(diǎn)，進(jìn)而通過控制疾病發(fā)生機(jī)制而延緩其發(fā)展。