氣道上皮細(xì)胞在氣道慢性炎性疾病中的研究進(jìn)展

周方偉綜述 許昱審校

氣道慢性炎性疾病是一種在內(nèi)外界刺激因素作用下由氣道上皮細(xì)胞、炎性細(xì)胞和炎性因子參與的非特異性炎性反應(yīng)性疾病[1]。氣道慢性炎性疾病作為呼吸系統(tǒng)不適的常見(jiàn)病因，不僅對(duì)患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響，也給患者帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。其中具有代表性的是慢性鼻竇炎、變應(yīng)性鼻炎、哮喘和慢性阻塞性肺疾病。隨著年齡的增長(zhǎng)、煙草消費(fèi)的提高、城市化和工業(yè)化的發(fā)展和空氣污染加重，氣道慢性炎性疾病的發(fā)病率逐年上升[2]。氣道上皮細(xì)胞是氣道的結(jié)構(gòu)細(xì)胞，不僅具有屏障防御功能，還能在應(yīng)激狀態(tài)下分泌炎性介質(zhì)并和炎性細(xì)胞、抗原遞呈細(xì)胞相互作用，從而發(fā)揮免疫功能。近年來(lái)的研究也證實(shí)了氣道上皮細(xì)胞在氣道慢性炎性疾病的發(fā)生、發(fā)展中起到了重要作用[3]。本文旨在綜述近年來(lái)氣道上皮細(xì)胞在氣道慢性炎性疾病中的研究進(jìn)展，為臨床診斷和治療提供理論依據(jù)。

1 氣道上皮細(xì)胞概述

1.1 氣道上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu) 氣道上皮細(xì)胞構(gòu)成了氣道黏膜表面的保護(hù)屏障，由纖毛細(xì)胞、柱狀細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、Clara細(xì)胞和基底細(xì)胞等多種類(lèi)型構(gòu)成[4]。氣道上皮細(xì)胞中也存在較少見(jiàn)的細(xì)胞類(lèi)型，其中神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞最受關(guān)注。這些細(xì)胞共同形成一層纖毛黏液毯覆蓋于氣道表面，這對(duì)于氣道抵御各種吸入性變應(yīng)原和病原體起到重要作用。氣道不同部位的上皮類(lèi)型也有較大差異，大氣道上皮呈假?gòu)?fù)層狀，小氣道上皮呈柱狀和立方狀[5]。在正常成年人氣道中，從細(xì)支氣管、終末細(xì)支氣管開(kāi)始的遠(yuǎn)端下呼吸道，氣道上皮逐漸由假?gòu)?fù)層纖毛柱狀變?yōu)榱藛螌又鶢?、單層立方上皮。Clara細(xì)胞和基底細(xì)胞逐漸增多,杯狀細(xì)胞逐漸減少，纖毛細(xì)胞已不存在。氣道上皮細(xì)胞附著于基底膜上，通過(guò)結(jié)締組織的網(wǎng)狀層相互支撐。

1.2 氣道上皮細(xì)胞的功能

1.2.1 屏障防御功能：氣道表面由連續(xù)的氣道上皮細(xì)胞覆蓋，通過(guò)頂端緊密連接、粘著連接和半橋粒形成一個(gè)強(qiáng)大的復(fù)合體屏障抵擋外界的異物[3]。氣道上皮細(xì)胞可以通過(guò)多種機(jī)制維持屏障的完整性。氣道上皮中的復(fù)合體不僅可以調(diào)節(jié)細(xì)胞旁通路中離子和小分子的流通量，還能建立細(xì)胞極性和觸發(fā)細(xì)胞的增殖、分化功能，使上皮細(xì)胞具有較強(qiáng)的修復(fù)能力[6]。此外，氣道上皮細(xì)胞還可以通過(guò)分泌蛋白酶抑制劑來(lái)保護(hù)氣道免受蛋白酶引起的病理?yè)p傷。分泌性白細(xì)胞蛋白酶抑制劑(SLPI)是一種由氣道上皮細(xì)胞分泌的絲氨酸蛋白酶抑制劑，對(duì)胰蛋白酶、中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶和肥大細(xì)胞糜蛋白酶具有活性。據(jù)報(bào)道，嚴(yán)重哮喘患者氣道上皮中出現(xiàn)SLPI基因表達(dá)缺失[7]。

1.2.2 黏液纖毛清除功能：氣道上皮并不是一個(gè)被動(dòng)的防御屏障，而是一個(gè)在宿主防御中發(fā)揮積極作用的免疫器官。氣道上皮細(xì)胞識(shí)別異物后，會(huì)增加黏液的分泌和纖毛的擺動(dòng)頻率。纖毛細(xì)胞通過(guò)規(guī)律的擺動(dòng)將氣道分泌的黏液向咽部推移，將大部分吸入性變應(yīng)原、病原體、粉塵等物質(zhì)清除體外。當(dāng)出現(xiàn)氣道慢性炎性疾病時(shí)，黏液纖毛清除功能也出現(xiàn)減退。研究發(fā)現(xiàn)，變應(yīng)性鼻炎小鼠鼻黏膜纖毛面積較少且排列紊亂[8]。慢性鼻竇炎患者和哮喘患者氣道上皮的纖毛也出現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常、擺動(dòng)頻率下降[9]。

1.2.3 先天性免疫功能：氣道上皮細(xì)胞具有活躍的先天性免疫功能，可以分泌多種細(xì)胞因子激活免疫細(xì)胞和招募炎性細(xì)胞。其中，最重要的是胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素(TSLP)、白介素-25(IL-25)、IL-33、粒細(xì)胞—巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)和嗜酸性粒細(xì)胞趨化因子(Eotaxin)。TSLP和IL-25可以激活樹(shù)突狀細(xì)胞(DCs)，啟動(dòng)Th2型細(xì)胞應(yīng)答[10]。IL-33能與巨噬細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和CD4+T細(xì)胞等免疫細(xì)胞表面的ST2受體相結(jié)合，促進(jìn)這些細(xì)胞釋放大量的趨化因子和Th2型細(xì)胞因子[11]。GM-CSF可刺激造血干細(xì)胞向粒細(xì)胞和單核細(xì)胞分化，支持嗜酸性粒細(xì)胞存活[12]。Eotaxin是CC趨化因子家族的一個(gè)成員，可以將Th2細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞招募到炎性反應(yīng)部位發(fā)揮效應(yīng)[13]。因此,可以認(rèn)為氣道上皮是呼吸系統(tǒng)的炎性反應(yīng)中心。

1.3 氣道上皮細(xì)胞與外界環(huán)境因素 近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，氣道上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能受外界環(huán)境因素的影響[14-16]。香煙已經(jīng)被證實(shí)了可以破壞氣道上皮細(xì)胞的連接蛋白和跨膜電阻抗，還會(huì)導(dǎo)致鼻息肉的重構(gòu)[17]。變應(yīng)性鼻炎已被證明不僅與空氣中的變應(yīng)原有關(guān)，還與煙草煙霧、微生物和空氣污染物密切相關(guān)。此外，高水平空氣污染物暴露的受試者和慢性鼻竇炎患者的鼻分泌物和血漿中Clara細(xì)胞蛋白的水平明顯降低[18]。還有研究表明慢性鼻竇炎與重金屬暴露有一定相關(guān)性[14]。在慢性鼻竇炎的發(fā)展過(guò)程中，某些共生生物可能發(fā)揮保護(hù)機(jī)體的作用,提供代謝物改善黏膜健康和防止病原體定植黏膜。微生物群落失調(diào)是慢性鼻竇炎最重要的驅(qū)動(dòng)因素之一,腸道菌群的失調(diào)還可能引發(fā)變應(yīng)性鼻炎和慢性鼻竇炎[19]。

2 氣道上皮細(xì)胞與氣道慢性炎性疾病

2.1 慢性鼻竇炎 慢性鼻竇炎是指發(fā)生在鼻腔、鼻竇黏膜及黏膜下層持續(xù)時(shí)間在12周以上的慢性炎性疾病[20]。慢性鼻竇炎的主要癥狀是鼻塞、黏膿涕、頭面部脹痛和嗅覺(jué)減退等。目前，慢性鼻竇炎的病因和發(fā)病機(jī)制仍有爭(zhēng)議，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為是由氣道上皮屏障功能的破壞、纖毛黏液功能的降低及上皮衍生的炎性反應(yīng)引起[21]。在慢性鼻竇炎中，氣道上皮細(xì)胞長(zhǎng)期受以IL-4、IL-5和IL-13為代表的Th2型細(xì)胞因子的刺激，其屏障受損和通透性改變，也使得外來(lái)物質(zhì)易侵入下層黏膜。此外，這些細(xì)胞因子不僅會(huì)導(dǎo)致纖毛生成蛋白的減少，還會(huì)引起聚合膠體黏蛋白(如MUC5AC和MUC5B)增多，纖毛的自主擺動(dòng)頻率降低。在上皮屏障功能降低的情況下，上皮細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子如TSLP、IL-25和IL-33，從而使先天性免疫細(xì)胞被激活并產(chǎn)生大量的Th2型細(xì)胞因子，進(jìn)一步導(dǎo)致大量嗜酸性粒細(xì)胞聚集和Th2炎性反應(yīng)。在慢性鼻竇炎中，氣道上皮細(xì)胞受損后會(huì)通過(guò)上皮向間質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)行修復(fù)，上皮表型向間質(zhì)細(xì)胞發(fā)生快速且通?？赡娴霓D(zhuǎn)化。在上皮—間質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，上皮細(xì)胞失去細(xì)胞的極性和黏附而出現(xiàn)遷移[22]。在慢性鼻竇炎中，氣道上皮會(huì)出現(xiàn)一定程度的氣道重構(gòu)，包括杯狀細(xì)胞增生、纖維化、基底膜增厚和息肉形成等。

2.2 變應(yīng)性鼻炎 變應(yīng)性鼻炎是一種機(jī)體暴露于變應(yīng)原后由IgE介導(dǎo)的鼻黏膜非感染性慢性炎性疾病，典型癥狀為陣發(fā)性噴嚏、清水樣涕、鼻塞和鼻癢，可伴有眼部癥狀，包括眼癢、眼紅、流淚等。變應(yīng)原可通過(guò)蛋白水解酶破壞氣道上皮細(xì)胞間的連接、釋放炎性因子、下調(diào)黏連蛋白的表達(dá)和直接損傷細(xì)胞等多種途徑造成上皮細(xì)胞物理屏障功能破壞，引起機(jī)體對(duì)變應(yīng)原的易感性增加[23]。據(jù)報(bào)道，某些呼吸道病毒可誘導(dǎo)Th2型細(xì)胞因子分泌，這是引起變應(yīng)性炎性反應(yīng)發(fā)生或加重的重要因素[24]。氣道上皮細(xì)胞的黏液纖毛清除功能可將大部分吸入性變應(yīng)原、病原體和粉塵排除體外，顯著降低了變應(yīng)性鼻炎的發(fā)生率。氣道上皮結(jié)構(gòu)完整性的破壞會(huì)導(dǎo)致變應(yīng)原能輕易地穿過(guò)氣道上皮黏膜層，并與黏膜下層的免疫細(xì)胞相互接觸，隨后觸發(fā)免疫應(yīng)答反應(yīng)[25]。氣道上皮細(xì)胞衍生的細(xì)胞因子TSLP、IL-25、IL-33和GM-CSF等細(xì)胞因子可抑制DCs表達(dá)Th1型細(xì)胞因子,同時(shí)促進(jìn)Th2型細(xì)胞因子的表達(dá)。此外，單核細(xì)胞會(huì)在氣道上皮細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子、趨化因子和炎性介質(zhì)的共同作用下分化成為成熟的DCs并攜帶變應(yīng)原進(jìn)入淋巴結(jié)，隨后刺激淋巴結(jié)內(nèi)的Th0細(xì)胞向Th2細(xì)胞分化，抑制其向Th1細(xì)胞方向分化，最終導(dǎo)致Th1/Th2失衡[26]。

2.3 哮喘 哮喘是一種由多種細(xì)胞參與的氣道慢性炎性疾病，其主要臨床表現(xiàn)是反復(fù)出現(xiàn)的可逆性喘息、咳嗽及氣道黏液分泌過(guò)多。氣道上皮的結(jié)構(gòu)完整性缺陷或功能紊亂是哮喘的啟動(dòng)環(huán)節(jié)[27]。由于各種體內(nèi)、體外因素不斷刺激氣道上皮，引起氣道上皮結(jié)構(gòu)的破壞。氣道上皮細(xì)胞會(huì)釋放多種細(xì)胞因子、趨化因子和炎性介質(zhì)，參與哮喘氣道炎性反應(yīng)、氣道重塑及氣道高反應(yīng)的過(guò)程。氣道重塑是呼吸道受到慢性炎性反應(yīng)反復(fù)刺激的結(jié)果，也是誘發(fā)哮喘氣道高反應(yīng)性(AHR)的主要原因。多種炎性細(xì)胞和細(xì)胞因子的參與、氣道上皮的損傷和上皮下神經(jīng)末梢及氣道平滑肌的裸露等因素導(dǎo)致了AHR的發(fā)生，其主要表現(xiàn)為氣道對(duì)各種刺激因子出現(xiàn)過(guò)早或過(guò)強(qiáng)的收縮反應(yīng)，且與哮喘的嚴(yán)重程度密切相關(guān)[28]。越來(lái)越多的研究證實(shí)，氣道上皮細(xì)胞的先天性免疫功能在哮喘的發(fā)生、發(fā)展中也起到至關(guān)重要的作用。氣道上皮細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子可以直接激活2型天然淋巴細(xì)胞(ILC2)，促進(jìn)并放大Th2型免疫反應(yīng)[29]。與變應(yīng)性鼻炎相似的是，Th2類(lèi)細(xì)胞因子在哮喘的發(fā)病過(guò)程中也起到了關(guān)鍵作用。其中，最重要的是由Th2細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和ILC2等產(chǎn)生的IL-13。IL-13可以與氣道廣泛分部的IL-13受體結(jié)合，活化一系列轉(zhuǎn)錄因子，激活多種細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路，導(dǎo)致氣道上皮黏液細(xì)胞化生及氣道重塑,并因黏液產(chǎn)生過(guò)量而加重氣道阻塞。

2.4 慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種常見(jiàn)的慢性呼吸疾病，以持續(xù)氣流受限為主要特征。COPD主要是由于吸煙、空氣污染、感染、遺傳等多種原因引起氣道狹窄或肺氣腫等結(jié)構(gòu)改變[30-32]。氣道上皮細(xì)胞在COPD中發(fā)揮重要調(diào)控作用，其結(jié)構(gòu)完整性的破壞或功能紊亂是COPD的啟動(dòng)環(huán)節(jié)。當(dāng)發(fā)生COPD后，上皮纖毛細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)纖毛粘連、變短、倒伏和數(shù)量減少，而分布于纖毛細(xì)胞間的杯狀細(xì)胞出現(xiàn)增多，并分泌大量黏液黏附氣道中的異物顆粒。氣道上皮細(xì)胞形態(tài)和功能的改變?cè)贑OPD早期即可出現(xiàn)。氣道上皮細(xì)胞會(huì)分泌多種炎性介質(zhì)、細(xì)胞因子和趨化因子，調(diào)控COPD慢性炎性反應(yīng)。在COPD中，IL-6、IL-8和GM-CSF會(huì)誘導(dǎo)炎性細(xì)胞向氣道遷移和浸潤(rùn)，并釋放一系列的活性產(chǎn)物引起機(jī)體的局部炎性反應(yīng)[33]。IL-33不僅可以募集和激活中性粒細(xì)胞加重局部炎性反應(yīng)，還可以導(dǎo)致氣道上皮細(xì)胞及腺體細(xì)胞的肥大，引起黏液的過(guò)度分泌。TGF-β1可以通過(guò)改變胞外基質(zhì)的組成及氣道平滑肌等結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步調(diào)控氣道的重構(gòu)。表皮生長(zhǎng)因子(EGF)可以刺激氣道平滑肌的增殖和修復(fù)。此外，氣道上皮細(xì)胞還在COPD中發(fā)揮先天性免疫功能。當(dāng)微生物突破氣道物理屏障后，氣道上皮細(xì)胞通過(guò)先天性免疫受體(如Toll樣受體、NOD樣受體)快速識(shí)別這些微生物并產(chǎn)生免疫細(xì)胞應(yīng)答，起到抵御微生物感染的作用[34]。氣道上皮細(xì)胞還可以通過(guò)控制Th2驅(qū)動(dòng)因子的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)后續(xù)的炎性反應(yīng)，而Th2型免疫細(xì)胞會(huì)再次反饋給上皮細(xì)胞構(gòu)建新的更加持續(xù)、增大的免疫反應(yīng)。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，呼吸道上皮細(xì)胞在氣道慢性炎性疾病的發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用。呼吸道上皮細(xì)胞具有屏障防御功能、黏液纖毛清除功能及先天性免疫功能，且可受到外界環(huán)境因素的影響。當(dāng)氣道上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的激活、氣道高反應(yīng)性及氣道重塑。以氣道上皮細(xì)胞為靶點(diǎn)的研究在氣道慢性炎性疾病的機(jī)制中具有重要意義，也為疾病的治療提供可靠的科學(xué)依據(jù)。