香煙煙霧對(duì)肺炎重癥化的作用及研究進(jìn)展

曾 歆，周琪豐，童 瑾

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 呼吸與危重癥科，重慶 400010

目前發(fā)現(xiàn)香煙煙霧(cigarette smoke,CS)中約有4 500種化學(xué)物質(zhì),包括環(huán)芳烴,N-亞硝胺,重金屬(鎳,鎘,鉻和砷),生物堿(尼古丁及其主要代謝物,可替寧)和芳香胺等,可增加病原體在呼吸道的致病力以及損傷宿主防御機(jī)制,從而加重肺部感染。對(duì)于免疫力正常的成年人,吸煙是侵襲性肺炎球菌感染的危險(xiǎn)因素;男性吸煙者肺炎的死亡風(fēng)險(xiǎn)較不吸煙者顯著增加[1]。本文針對(duì)長(zhǎng)期接觸CS導(dǎo)致肺炎易重癥化的可能性機(jī)制,做以下分析。

1 CS對(duì)呼吸道生理結(jié)構(gòu)的影響

1.1 CS使呼吸道纖毛系統(tǒng)失調(diào)

CS通過改變不同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致纖毛細(xì)胞減少、成纖維細(xì)胞增加。機(jī)制如下:1)CS通過激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)抑制纖毛運(yùn)動(dòng)和減少纖毛數(shù)量。腺苷可通過A2A腺苷受體促進(jìn)支氣管上皮細(xì)胞的修復(fù),但CS通過調(diào)節(jié)雙重氧化酶的核酸和蛋白表達(dá),產(chǎn)生過氧化氫,抑制腺苷A2A受體,損傷腺苷的修復(fù)作用,同時(shí)激活PKC。2)CS導(dǎo)致Cl-分泌減少。CS中的氧化劑通過激活MEK-ERK1/2-MAPK通路降低囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)錄來抑制呼吸道上皮細(xì)胞Cl-分泌,產(chǎn)生類似囊性纖維化的生理改變,導(dǎo)致呼吸道表面液體耗竭,降低黏液清除率[2]。3)成纖維細(xì)胞是肺纖維化的重要媒介。而CS暴露的小鼠通過上調(diào)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1的表達(dá)導(dǎo)致肺成纖維細(xì)胞增加,促進(jìn)感染后肺纖維化[3]。

1.2 CS破壞肺泡-毛細(xì)血管內(nèi)皮屏障

肺毛細(xì)血管內(nèi)皮屏障的破壞,更容易導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征發(fā)生。CS可通過激活組蛋白脫乙酰酶6過表達(dá)減少α-微管蛋白乙?；按碳ど窠?jīng)酰胺,從而破壞肺內(nèi)皮屏障;CS中丙烯醛可通過減少肺血管內(nèi)皮細(xì)胞前列環(huán)素合成酶的表達(dá)而造成內(nèi)皮細(xì)胞損傷,破壞內(nèi)皮屏障;CS可誘導(dǎo)肺組織WWOX基因(與腫瘤抑制相關(guān)的染色體脆性位點(diǎn)基因)和蛋白的表達(dá)下降。向小鼠氣管內(nèi)注射小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA)抑制WWOX可導(dǎo)致破壞肺毛細(xì)血管內(nèi)皮屏障[4]。

1.3 CS促進(jìn)血栓形成

長(zhǎng)期吸煙者的血小板生成素(thrombopoietin,TPO)水平以及體外血小板激活指數(shù)較不吸煙者顯著增加,促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化和血栓形成。其次,血小板生成素高水平與體外血小板-單核細(xì)胞聚集和P-選擇素表達(dá)相關(guān),故導(dǎo)致凝血級(jí)聯(lián)改變利于血栓形成。同時(shí),CS通過升高5-羥色胺和兒茶酚胺的水平,增強(qiáng)血小板聚集和黏附性[5],增加血栓強(qiáng)度和縮短纖維蛋白形成時(shí)間。

CS對(duì)呼吸道結(jié)構(gòu)和血?dú)馄琳系膿p傷,影響氣道廓清及換氣功能,并加重氧化應(yīng)激反應(yīng)。若發(fā)生肺部感染,則較健康人群更易產(chǎn)生重癥化。

2 CS導(dǎo)致免疫功能紊亂和障礙

CS可影響先天性和適應(yīng)性免疫,聚集肺部巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞,并分泌大量炎性介質(zhì)。炎性介質(zhì)及細(xì)胞的相互作用可增加肺部感染的易感性和嚴(yán)重程度。其次,病毒感染風(fēng)險(xiǎn)與呼吸道病毒黏附受體上調(diào)有關(guān)[6]。CS可通過增加細(xì)胞間黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)的表達(dá),抗ICAM-1單克隆抗體通過阻斷ICAM-1可抑制病毒復(fù)制[7]。再之,CS可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,使抗胰蛋白酶失活,肺部產(chǎn)生更多胰蛋白酶。胰蛋白酶參與病毒血凝素的排出,幫助病毒顆粒傳播并感染附近的細(xì)胞。以下闡述CS對(duì)不同炎性細(xì)胞及介質(zhì)的影響機(jī)制。

2.1 CS對(duì)炎性介質(zhì)的影響

1)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的激活,如核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB),導(dǎo)致環(huán)氧化物酶2(cyclooxygenase-2,COX2)表達(dá)增加,促進(jìn)氧化應(yīng)激。同時(shí)細(xì)胞核受體(nuclear receptor subfamily 1, group D member 1, Rev-ErbA-α)是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,參與炎性反應(yīng)調(diào)節(jié)。CS通過減少Rev-ErbA-α在肺部的豐度,促進(jìn)肺成纖維細(xì)胞促炎細(xì)胞因子釋放、中性粒細(xì)胞滲出增加以及肺細(xì)胞的加速衰老[8]。2)CS誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞促炎因子產(chǎn)生,這些信號(hào)被受體識(shí)別,如CS激化上皮細(xì)胞的Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs),觸發(fā)非特異性炎性反應(yīng),如CS通過激活組胺H1型受體(H1R)-TLR2/4-COX2軸激活和刺激免疫細(xì)胞產(chǎn)生 IL-8、TNF-α、IFN-γ 和IL-1β等,如CS通過TGF-β使肺泡巨噬細(xì)胞釋放促炎因子IL-36,其中IL-36α和IL-36γ通過誘導(dǎo)輔助性T細(xì)胞Th1和Th17加重肺部炎性反應(yīng)[9-10]。CS顯著增加HIN1感染小鼠肺中CD11b+常規(guī)樹突細(xì)胞(conventional dendritic cell,cDC),同時(shí)破壞肺上皮細(xì)胞屏障功能[11]。3)CS不利于肺部正常免疫和組織修復(fù)?；|(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)對(duì)正常免疫和損傷組織的修復(fù)至關(guān)重要,而金屬蛋白酶組織抑制劑是MMPs的主要抑制劑。吸煙+流感小鼠肺泡灌洗液中金屬蛋白酶組織抑制劑1明顯增加,而未結(jié)合內(nèi)源性抑制劑的MMP-2,9明顯降低。

2.2 CS對(duì)T細(xì)胞的影響

1)miR-155對(duì)樹突狀細(xì)胞的成熟和T細(xì)胞的啟動(dòng)起關(guān)鍵作用[12]。CS通過增加miR-155在肺部的表達(dá),從而增加輔助性T細(xì)胞亞群表達(dá)。2)CD4+和CD8+T細(xì)胞均能產(chǎn)生IFN-γ,后者在抗病毒免疫和巨噬細(xì)胞激活中起關(guān)鍵作用。CS暴露的流感小鼠與對(duì)照組比較,感染后第7天肺中CD4+、CD8+T細(xì)胞和IFN-γ顯著減少,而第10天肺中以上表達(dá)則明顯增加。BALF中IFN-γ也類似變化。說明CS在感染前期抑制T淋巴細(xì)胞,從而影響病毒滅活;而感染后期過度誘導(dǎo)IFN-γ使肺上皮損傷,增加蛋白的滲出[13]。吸煙者痰液CD8+T細(xì)胞的百分比較低而在氣道黏膜內(nèi)卻有所增加,氣道黏膜CD8+T細(xì)胞的聚集與低肺通氣有關(guān),提示CS參與肺部炎性及重塑[14]。3)CS可增加小鼠肺部TGF-β的mRNA,TGF-β參與調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell, Tr cell)增殖,Tr細(xì)胞可抑制 CD8+T細(xì)胞活性,使得病毒復(fù)制更為活躍。

2.3 CS對(duì)巨噬細(xì)胞的影響

1)CS可損害巨噬細(xì)胞DNA,干擾其遺傳物質(zhì)表達(dá)和改變細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)與細(xì)胞表型,增加異常巨噬細(xì)胞數(shù)量,最終導(dǎo)致免疫功能受損,其中與肺巨噬細(xì)胞DNA甲基化有關(guān),特別是芳烴受體阻滯劑。結(jié)構(gòu)上,吸煙者的巨噬細(xì)胞較非吸煙者的體積略大,含有更多高爾基小泡、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和纖維樣包裹體。2)CS可影響巨噬細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)。吸煙者的痰中CD54和CD71表達(dá)增加,影響巨噬細(xì)胞的黏附、增殖和成熟功能。CS抑制CD11b、TLR-2和CD14等與吞噬活性相關(guān)的重要表面抗原的表達(dá),使巨噬細(xì)胞的吞噬能力明顯下降。3)CS中尼古丁、鐵和鎘分別產(chǎn)生不同效應(yīng)。尼古丁直接作用于巨噬細(xì)胞的尼古丁乙酰膽堿受體,降低感染肺泡巨噬細(xì)胞的凋亡和自噬,削弱其對(duì)細(xì)胞內(nèi)病原體的免疫功能[15];并且TNF-α和一氧化氮(nitrogen monoxide,NO)的減少還可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞鐵超載,產(chǎn)生有毒的反應(yīng)性羥基自由基,并有利于細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌增殖?；钚匝?reactive oxygen species,ROS)是肺巨噬細(xì)胞宿主防御的機(jī)制之一,NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX2)是巨噬細(xì)胞產(chǎn)生ROS的主要來源,Rac2(RAS相關(guān)的C3肉毒毒素底物2)是NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX2)復(fù)合物的成分之一。故鎘通過抑制小GTP酶Rac2在Cys189處的異戊二烯化,使得巨噬細(xì)胞NOX2產(chǎn)生ROS的能力受損,導(dǎo)致巨噬細(xì)胞防御功能下降[16]。4)粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子是巨噬細(xì)胞分化和維持功能所必需。CS可增加肺部粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子表達(dá),使得肺巨噬細(xì)胞聚集,誘發(fā)彌漫性間質(zhì)性肺炎[17]。

2.4 CS對(duì)中性粒細(xì)胞的影響

CS可提高痰中中性粒細(xì)胞數(shù)量。機(jī)制如下:1)CS可加速中性粒細(xì)胞從骨髓進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng);2)循環(huán)中性粒細(xì)胞升高與尼古丁誘導(dǎo)兒茶酚胺的分泌相關(guān),原因可能是降低巨噬細(xì)胞吞噬活性,使其對(duì)中性粒細(xì)胞的清除受損;3)CS可通過p38 MAPK/MEK途徑增強(qiáng)IL-8表達(dá),增加中性粒細(xì)胞在肺組織中的募集。一方面,過多的中性粒細(xì)胞可直接損傷肺組織,降低其屏障功能,如CS可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞釋放蛋白酶,抑制抗蛋白酶系統(tǒng),破壞肺彈力纖維[18],以及CS還可以通過增強(qiáng)病毒性肺炎中性粒細(xì)胞內(nèi)集落刺激因子3表達(dá),使得肺泡-毛細(xì)血管屏障功能障礙,使得重癥感染的風(fēng)險(xiǎn)增加[19]。另一方面,吸煙者的中性粒細(xì)胞產(chǎn)生超氧化物能力分別比非吸煙者少50%左右,而超氧化物是中性粒細(xì)胞對(duì)抗病原體的重要途徑之一。另外,體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CSE可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞形態(tài)和代謝顯著改變。

2.5 CS對(duì)NK細(xì)胞和體液免疫的影響

CS會(huì)上調(diào)NK細(xì)胞激活受體在肺上皮細(xì)胞中的表達(dá),從而激活其細(xì)胞毒作用,導(dǎo)致肺損傷。CS還可干擾體液免疫。吸煙者血清中的免疫球蛋白水平較低,而肺中的免疫球蛋白水平較高。

3 CS對(duì)氣道微生物組的影響

吸煙者口腔的微生物多樣性低于非吸煙者,而多樣化的微生物群落更容易抵抗外界干擾。與不吸煙者相比,吸煙者肺部正常的微生物種類減少(如乳酸桿菌),而病原體種類增多,重癥感染的風(fēng)險(xiǎn)將增加。CS可增加肺中特定細(xì)菌類群(如不動(dòng)桿菌、芽孢桿菌和葡萄球菌)的相對(duì)豐度,增加急性呼吸窘迫綜合癥的易感性及導(dǎo)致肺部損傷[20]。CS對(duì)呼吸道微生物群的影響機(jī)制可能有以下幾點(diǎn):

煙草中有多種微生物,包括放線桿菌、梭狀桿菌、克雷伯菌、銅綠假單胞菌和變形桿菌等。CS中的微生物會(huì)通過呼吸道帶入并迅速定植,改變肺部微生物群。吸煙使分解和合成代謝的需求增加,以及下呼吸道pH值和溫度發(fā)生變化,導(dǎo)致微生物組成的變化[21]。

宿主相關(guān)的共生細(xì)菌生物膜有維持呼吸道黏膜及阻止細(xì)菌進(jìn)入的作用。CS作用下,早期階段呼吸道會(huì)建立富含病原體的生物膜。富含病原體的生物膜代謝功能的上調(diào),使得正常共生生物膜死亡。同時(shí),CS會(huì)抑制富含病原體生物膜的毒力特征,使得人體免疫系統(tǒng)不能識(shí)別病原體。其次,CS富含鐵,吸入CS可增加肺內(nèi)鐵濃度,使得鐵/乳鐵蛋白失衡,促進(jìn)生物膜形成[22]。

CS會(huì)損害機(jī)體先天免疫防御,從而導(dǎo)致呼吸道微生物群的豐度、分類組成和多樣性發(fā)生變化。而新的細(xì)菌定植將帶來進(jìn)一步的炎性反應(yīng)和免疫紊亂,形成“惡性循環(huán)”。

4 CS對(duì)新型冠狀病毒肺炎/感染(corona virus disease 2019,COVID-19)的影響

目前關(guān)于吸煙對(duì)COVID-19的影響尚無統(tǒng)一說法,但多項(xiàng)研究表明吸煙可增加COVID-19患者的病情嚴(yán)重程度以及死亡風(fēng)險(xiǎn),且其嚴(yán)重程度與每日吸煙率呈劑量關(guān)系[23]。1)嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)是通過血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)作為受體進(jìn)入人體細(xì)胞[24],而CS可上調(diào)小氣道上皮細(xì)胞的ACE2表達(dá),這與尼古丁乙酰膽堿受體的α7亞型有關(guān)。支氣管上皮細(xì)胞中跨膜絲氨酸蛋白酶2可以介導(dǎo)SARS-CoV-2上的刺突蛋白(S蛋白)水解協(xié)同病毒入胞,而長(zhǎng)期CS暴露使得跨膜絲氨酸蛋白酶2上調(diào),吸煙者更容易受到SARS-CoV-2感染[25]。2)SARS-CoV-2可以抑制受感染細(xì)胞中的早期Ⅰ型IFN反應(yīng),同時(shí)急性CS暴露進(jìn)一步抑制IFN,這使得病毒復(fù)制更高進(jìn)一步加重肺部炎性反應(yīng)[26]。

5 問題與展望

近年來,多項(xiàng)研究已證實(shí)CS通過不同分子及細(xì)胞機(jī)制而破壞肺物理和免疫防御體系,增加肺部感染的風(fēng)險(xiǎn)以及感染后肺炎重癥化,但尚待完善和深入的方面還很多,甚至有相悖的論點(diǎn)。CS對(duì)肺炎重癥化的研究不僅是對(duì)控?zé)煿ぷ鞯呢暙I(xiàn),還可提高對(duì)重癥肺炎病理生理的研究,促進(jìn)重癥醫(yī)學(xué)的發(fā)展。