白細(xì)胞介素-17在空氣污染誘導(dǎo)哮喘發(fā)病中的作用

吳京寧 劉紫霄 趙云霞

河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院呼吸一科,石家莊050051

支氣管哮喘 (哮喘)是由多種細(xì)胞包括嗜酸粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞等,以及細(xì)胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病[1]。哮喘是一個(gè)嚴(yán)重的全球性健康問(wèn)題,影響到所有年齡組,在許多國(guó)家,特別是在兒童中,其患病率正在上升,雖然一些國(guó)家的住院人數(shù)和哮喘死亡人數(shù)有所下降,但哮喘仍然給保健系統(tǒng)和社會(huì)造成不可接受的負(fù)擔(dān)[1]。哮喘有多種表型,包括變態(tài)反應(yīng)性哮喘和非變態(tài)反應(yīng)性哮喘,目前關(guān)于非變態(tài)反應(yīng)性哮喘的研究正在成為熱點(diǎn),它和暴露于空氣污染、感染、肥胖等有關(guān),主要以先天性免疫為主[2]。通過(guò)近幾年的研究發(fā)現(xiàn)這些不同臨床表型可能是由于不同的免疫學(xué)及病理生理學(xué)機(jī)制導(dǎo)致的。例如,由特異性過(guò)敏原引起的過(guò)敏性哮喘的特征是產(chǎn)生免疫球蛋白E、嗜酸粒細(xì)胞及Th2 極化細(xì)胞因子譜 (高水平IL-4、IL-5、IL-13)[3]。對(duì)激素治療效果不明顯的非過(guò)敏性哮喘,最近被證實(shí)與分泌IL-17的Th17細(xì)胞高水平有關(guān)[3]。

近年來(lái)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露于空氣污染可導(dǎo)致哮喘惡化并增加哮喘相關(guān)的住院率及病死率[4],并且空氣污染物對(duì)呼吸道癥狀、藥物使用和肺功能都有不利影響[5]。通常認(rèn)為環(huán)境因素作用于哮喘患者,促使其炎癥、免疫反應(yīng)加重、氣道高反應(yīng)性出現(xiàn),從而促使哮喘發(fā)作,因此環(huán)境因素可以說(shuō)在哮喘發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用[6]。而空氣污染物主要包括大氣顆粒物和有毒氣體。其中空氣中動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑＜2.5μm 的細(xì)顆粒物 (fine particles mather,PM2.5),表面積大,化學(xué)活性強(qiáng),可通過(guò)氣管進(jìn)入肺泡,是誘發(fā)呼吸道疾病的主要成分;有毒氣體主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。迄今為止,關(guān)于空氣污染誘發(fā)哮喘發(fā)病這一領(lǐng)域的研究成果仍相對(duì)不完全,他們之間的關(guān)系尚未明確,本文就IL-17在空氣污染誘導(dǎo)哮喘發(fā)病方面的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,重點(diǎn)討論IL-17在空氣污染誘導(dǎo)哮喘發(fā)病中的作用。

1 IL-17在哮喘發(fā)病機(jī)制中的作用

IL-17家族包括6 種相關(guān)蛋白,即IL-17A、IL-17B、IL-17C、IL-17D、IL-17E 和IL-17F,IL-17 家族中最著名的兩個(gè)成員為IL-17A 和IL-17F。IL-17主要在黏膜屏障組織中,在多種有益和有害的過(guò)程中起作用。IL-17表達(dá)的有益作用在肺中尤其重要,例如:IL-17在防御肺部細(xì)菌、真菌病原體的感染中起重要作用;IL-17及其協(xié)同因子IL-22參與維持氣道上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)及炎性損傷后上皮細(xì)胞的修復(fù)、再生。然而,其異常表達(dá)或過(guò)表達(dá)將導(dǎo)致哮喘、肺炎、肺間質(zhì)纖維化等肺部疾病的發(fā)生或加重[8]。一些研究表明,Th17細(xì)胞在變應(yīng)性哮喘和非變應(yīng)性哮喘中有促炎癥反應(yīng)的作用,并且可能在非變應(yīng)性重癥哮喘中作用更明顯[3]。Th17細(xì)胞在哮喘病理生理學(xué)中起重要作用,我們發(fā)現(xiàn)人類許多慢性炎癥性疾病如:哮喘、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、異體器官排斥反應(yīng)等,都與IL-17A 表達(dá)增加相關(guān)[9]。IL-17F在哮喘患者白細(xì)胞聚集過(guò)程中起重要作用,有研究表明,IL-17F在哮喘患者的痰液、肺組織、支氣管肺泡灌洗液、外周血中表達(dá)增加[10]。曾經(jīng)有報(bào)告顯示重癥哮喘患者血清中IL-17水平比輕中度患者水平升高[9]。近期有研究證明在過(guò)敏性哮喘患者血清中IL-17水平高于正常對(duì)照組[11]。

1.1 IL-17對(duì)重度哮喘的影響 Th17細(xì)胞被認(rèn)為是IL-17的主要來(lái)源,除此之外,γδT 細(xì)胞、NK 細(xì)胞、B細(xì)胞以及一些中性粒細(xì)胞也可產(chǎn)生IL-17。在過(guò)去幾十年的研究已經(jīng)證實(shí)Th17細(xì)胞和中性粒細(xì)胞在重度哮喘發(fā)病機(jī)制中起重要作用。在哮喘患者肺組織中Th17 細(xì)胞和中性粒細(xì)胞通過(guò)釋放調(diào)節(jié)介質(zhì),直接或間接刺激平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移來(lái)導(dǎo)致氣道重塑,使氣道變得狹窄從而呼吸變得困難。因此,闡明中性粒細(xì)胞在重癥哮喘持續(xù)炎癥中的作用以及與鄰近細(xì)胞的相互反應(yīng)是有意義的。研究證明,在哮喘患者中,中性粒細(xì)胞直接或間接轉(zhuǎn)化為促進(jìn)Th17 細(xì)胞分泌的化學(xué)信號(hào),以釋放IL-17A、IL-17F、IL-21 及其他細(xì)胞因子為特征;Th17細(xì)胞的調(diào)節(jié)因子主要通過(guò)誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)磷酸化的增加促使維甲酸相關(guān)性單核受體 (retinoic acid receptor-related orphan nuclear receptor,RORγt)表達(dá)增加,從而產(chǎn)生IL-17增加[12]。一些證據(jù)表明,一方面Th17輔助細(xì)胞可以通過(guò)分泌IL-17A、IL-17F誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞進(jìn)入肺組織,刺激氣道上皮產(chǎn)生炎性因子[13];Th17細(xì)胞誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞的趨化反應(yīng),通過(guò)STAT3的驅(qū)動(dòng)表達(dá)和釋放IL-17以外的細(xì)胞因子[14]。另一方面,作為一種反饋機(jī)制,通過(guò)外周Th17細(xì)胞通路產(chǎn)生CCL2和CCL20細(xì)胞因子來(lái)誘導(dǎo)氣道中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)來(lái)引起氣道的慢性炎癥反應(yīng)[15]。Agache等[9]通過(guò)檢測(cè)85例哮喘患者血清IL-17A 水平,其中輕度哮喘23例,中度哮喘26例,重度哮喘36例,研究發(fā)現(xiàn)有16例患者IL-17A＞20 ng/L,其中3 例 (13.04%)為輕度哮喘患者,2 例(7.69%)為中度哮喘患者,11例 (30.56%)為重度哮喘患者,且有2例重度哮喘患者血清IL-17A＞100 ng/L;在輕度哮喘患者中血清IL-17A 平均值為14.21 ng/L,中度哮喘患者為12.22 ng/L,重度哮喘患者為24.72 ng/L。此研究表明,IL-17可以用來(lái)預(yù)測(cè)哮喘的嚴(yán)重程度,因?yàn)槠湓谥囟认颊咧械闹蹈哂谳p度及中度患者,且IL-17＞20 ng/L是重度哮喘患者的獨(dú)立危險(xiǎn)因子。

1.2 IL-17對(duì)氣道重塑的作用機(jī)制 多項(xiàng)研究表明哮喘不再是單純的炎癥性疾病,目前被認(rèn)為既有炎癥又有結(jié)構(gòu)的改變,這些被稱為氣道重塑,包括氣道許多方面的各種變化,例如氣道上皮細(xì)胞破壞、杯狀細(xì)胞增生、上皮下增厚、氣道平滑肌的增生及肥大、支氣管腺體肥大及細(xì)胞外基質(zhì)成分的改變,從而增加氣道對(duì)非特異性刺激的反應(yīng)和緊縮感,引起氣道高反應(yīng)性。這些改變都是受多種細(xì)胞因子影響的,如IL-17 在哮喘發(fā)作的病理生理學(xué)方面起重要作用[10]。研究表明,在高IL-17水平的環(huán)境,肺組織刺激中性粒細(xì)胞產(chǎn)生高反應(yīng)性活性氧自由基,這會(huì)通過(guò)細(xì)胞毒素和組織破壞活動(dòng)加重炎癥反應(yīng),可能會(huì)促成氣道慢性炎癥的患者的氣道結(jié)構(gòu)重塑[12]。IL-17與氣道重塑的關(guān)系可能是IL-17促進(jìn)哮喘患者的嗜酸粒細(xì)胞釋放轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子,此外,IL-17還可促進(jìn)纖維細(xì)胞平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá),從而促進(jìn)組織收縮和氣道狹窄。除了促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子的釋放,IL-17A 還直接作用于上皮細(xì)胞,增加MUC5A 等分泌黏液的基因表達(dá),并促進(jìn)杯狀細(xì)胞增生 (哮喘所致氣道重塑的標(biāo)志之一)。因此,IL-17在哮喘的反應(yīng)中預(yù)示著較差的結(jié)果,因?yàn)樗鼈兣c嚴(yán)重的炎癥和氣道重塑及氣道高反應(yīng)性密切相關(guān)[8]。

2 空氣污染可誘導(dǎo)哮喘患者IL-17水平升高

空氣污染物主要包括大氣顆粒物及有毒氣體。大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱。各種顆粒狀物質(zhì)均勻地分散在空氣中構(gòu)成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的龐大的懸浮體系,即氣溶膠體系,因此大氣顆粒物也稱為大氣氣溶膠。根據(jù)大氣顆粒物在環(huán)境空氣中動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑大小可分為PM100、PM10、PM2.5及PM0.1,其中PM2.5是霧霾環(huán)境的主要污染物,是一種可以滲入肺深處的污染物。有毒氣體主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。WHO《關(guān)于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》2005版的準(zhǔn)則值為:臭氧的8小時(shí)平均濃度準(zhǔn)則值為100μg/m3,高于240μg/m3會(huì)顯著危害大部分易感人群,過(guò)度時(shí)期目標(biāo)-I為160μg/m3,認(rèn)為在該濃度暴露6.6 h,可導(dǎo)致進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的健康年輕人生理及炎癥性肺功能損傷,可導(dǎo)致兒童的健康損害;二氧化氮的年平均濃度準(zhǔn)則值為40μg/m3,1 h平均濃度為200μg/m3;二氧化硫的24 h平均濃度準(zhǔn)則值為20 μg/m3,10 min 平均濃度為500μg/m3。過(guò)度時(shí)期目標(biāo)-I,24 h平均濃度為125μg/m3[7]。

由于空氣污染成分的復(fù)雜性,因此空氣污染對(duì)哮喘的影響,多通過(guò)臨床流行病學(xué)調(diào)查取得其對(duì)疾病的影響情況[16],對(duì)于發(fā)病機(jī)制的研究則多區(qū)分不同污染物組分對(duì)于哮喘的影響。下面我們分別就相關(guān)文獻(xiàn)探討金屬、多環(huán)芳烴、大氣顆粒物中的柴油機(jī)排氣微粒、PM2.5及臭氧對(duì)哮喘患者IL-17水平的影響[7]。

2.1 空氣污染中金屬和多環(huán)芳烴對(duì)IL-17影響 金屬和多環(huán)芳烴被認(rèn)為是PM2.5中最有害的成分。其中有研究表明,較高濃度的過(guò)渡金屬和有毒金屬與Th2相關(guān)細(xì)胞因子增加有關(guān)。PM2.5中的多環(huán)芳烴可能促進(jìn)Th17細(xì)胞的活化,在大氣顆粒物樣品中,BaP、Ba A、BbFA、CHR、BPE、IPY和PYR 含量極高。最近一些研究已經(jīng)表明了芳基烴受體是在調(diào)節(jié)Th17細(xì)胞分化過(guò)程中多環(huán)芳烴的主要受體,該受體存在于環(huán)境中,并被吸入到肺中,主要由香煙煙霧、汽車排放物、工業(yè)廢氣、燃燒的木材和木炭以及城市灰塵造成的[17]。研究提出,PM2.5中含有的多環(huán)芳烴直接作用于T 細(xì)胞的芳基烴受體,從而促進(jìn)Th17細(xì)胞的分化[18]。芳基烴受體激活促進(jìn)Th17 細(xì)胞分化的機(jī)制尚不清楚,但研究發(fā)現(xiàn)IL-17在大氣顆粒物反應(yīng)中的上調(diào)依賴于芳基烴受體的存在,一種可能的解釋是芳基烴受體是IL-17 轉(zhuǎn)錄的抑制因子,未與配體結(jié)合的芳基烴受體與一種控制IL-17表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,經(jīng)配體結(jié)合后,芳基烴受體與此轉(zhuǎn)錄因子分離,而該轉(zhuǎn)錄因子可自由激動(dòng)某種啟動(dòng)子進(jìn)行IL-17的表達(dá)。除了對(duì)T 細(xì)胞的影響外,其他單個(gè)核細(xì)胞亞群也能表達(dá)IL-17,其中包括γδT 細(xì)胞、固有淋巴樣細(xì)胞和肥大細(xì)胞,他們通過(guò)上調(diào)IL-17的表達(dá)而對(duì)芳基烴受體配體產(chǎn)生反應(yīng),因此大氣顆粒物可能通過(guò)多種途徑促進(jìn)IL-17介導(dǎo)的發(fā)病機(jī)制[17]。由此可以推斷,PM2.5暴露后的哮喘小鼠IL-17A 的增加可歸因于環(huán)境PM2.5中高濃度的多環(huán)芳烴。

2.2 空氣污染中柴油機(jī)排氣微粒 (diesel exhaust particle,DEP)對(duì)哮喘患者IL-17 的影響 辛辛那提市兒童過(guò)敏和空氣污染研究 (the Cincinnati Childhood Allergy and Air Pollution Study,CCAAPS)是一項(xiàng)縱向前瞻性研究,檢測(cè)了兒童接觸DEP的情況,并評(píng)估了對(duì)過(guò)敏反應(yīng)敏感性和哮喘風(fēng)險(xiǎn)的影響。來(lái)自CCAAPS 數(shù)據(jù)顯示,暴露于高水平DEP的兒童哮喘發(fā)病率有所增加,其他流行病學(xué)研究也表明,暴露于與交通相關(guān)的空氣污染與哮喘癥狀的發(fā)展之間存在關(guān)聯(lián)。即使是短期暴露于DEP,也會(huì)對(duì)肺功能產(chǎn)生不良影響,成人哮喘患者暴露于DEP 后會(huì)發(fā)生肺功能下降、中性粒細(xì)胞生物標(biāo)志物增加[19]。Acciani等[19]研究中發(fā)現(xiàn)在接觸DEP暴露后的幼鼠支氣管肺泡灌洗液中CCL20 和CCL2增加,有助于樹(shù)突狀細(xì)胞的募集,從而啟動(dòng)免疫反應(yīng)及Th17細(xì)胞的募集和活化。Th17 細(xì)胞活化后可上調(diào)CCR6受體,而CCL20可通過(guò)CCR6受體進(jìn)一步募集免疫細(xì)胞;CCL2可以通過(guò)其CCR2受體募集樹(shù)突狀細(xì)胞,且已證明暴露DEP后的過(guò)敏反應(yīng)是依賴CCR2 受體的。總之,幼鼠暴露于DEP后會(huì)加重哮喘的過(guò)敏反應(yīng),包括炎癥、致敏、氣道高反應(yīng)性和氣道重塑,免疫學(xué)主要表現(xiàn)為IL-17A、Th17細(xì)胞的增加[19]。

2.3 空氣污染中PM2.5對(duì)哮喘患者IL-17的影響 暴露于顆粒物質(zhì)的小鼠肺中誘導(dǎo)新的細(xì)胞和炎性介質(zhì),如Th17細(xì)胞和IL-17A[18]。徐佳莉等[20]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5能顯著加強(qiáng)哮喘小鼠的癥狀,與對(duì)照組小鼠及未經(jīng)PM2.5處理的哮喘組小鼠相比,經(jīng)15 g/L PM2.5處理的重癥哮喘小鼠血清中由Th17細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子IL-17含量顯著升高,同時(shí)在外周血單個(gè)核細(xì)胞中Th17細(xì)胞的重要轉(zhuǎn)錄因子RORγt的蛋白表達(dá)量也顯著增加,因此說(shuō)明在大劑量PM2.5引起的哮喘炎癥反應(yīng)下,Th17細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用起主導(dǎo)作用。研究表明,IL-17在哮喘小鼠中表達(dá)高于對(duì)照組健康小鼠,而在經(jīng)大劑量PM2.5處理的哮喘小鼠中明顯高于未經(jīng)PM2.5處理的哮喘小鼠。鄒慎春等[21]將無(wú)特殊病原體小鼠隨機(jī)分為正常對(duì)照組、哮喘組、哮喘+低劑量PM2.5組、哮喘+高劑量PM2.5組,發(fā)現(xiàn)對(duì)小鼠血清、支氣管肺泡灌洗液檢驗(yàn)顯示,哮喘組、哮喘+PM2.5組較正常對(duì)照組明顯升高 (P＜0.05),哮喘+低劑量PM2.5組、哮喘+高劑量PM2.5組較哮喘組明顯升高,并且存在劑量依賴性 (P＜0.05)。付慧聰?shù)萚22]研究顯示,與正常對(duì)照組相比,OVA 致敏組及PM2.5暴露哮喘組小鼠外周血單個(gè)核細(xì)胞CD4+IL-17+的表達(dá)明顯升高,且PM2.5暴露哮喘組較OVA 致敏組改變更為明顯,兩組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。以上研究均表明PM2.5暴露可加重哮喘氣道炎癥并且增加IL-17的表達(dá)。

2.4 空氣污染中臭氧對(duì)哮喘患者IL-17影響 臭氧是空氣污染的重要組成部分,即使暴露于低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)局標(biāo)準(zhǔn)以下的濃度,也會(huì)增加哮喘的癥狀;在臭氧濃度較高的日子里,哮喘患者住院治療人數(shù)明顯增多。即使在健康人群中,暴露于臭氧也會(huì)導(dǎo)致氣道上皮細(xì)胞損傷及近端氣道中性粒細(xì)胞、炎性介質(zhì)增加,而哮喘患者更容易受到這種污染物的不良影響[23-25]。我們目前的研究表明,反復(fù)暴露于臭氧誘發(fā)的哮喘以中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)的氣道炎癥為主,且與氣道高反應(yīng)性有關(guān),而引起氣道高反應(yīng)性機(jī)制需要恒定自然殺傷T (invariant nature killer T,iNKT)細(xì)胞及IL-17的參與[26]。Pichavant等[26]研究表明反復(fù)暴露于臭氧可誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)性 (哮喘的主要發(fā)病機(jī)制之一)的發(fā)生,這一機(jī)制主要涉及先天性免疫、iNKT 細(xì)胞及其產(chǎn)生的IL-17。研究中發(fā)現(xiàn)iNKT 細(xì)胞缺乏及經(jīng)抗CD1單克隆抗體阻斷iNKT 細(xì)胞活化的小鼠,都阻斷了臭氧誘導(dǎo)的氣道高反應(yīng)性及iNKT 細(xì)胞浸潤(rùn)到肺組織;此外,臭氧誘導(dǎo)的氣道高反應(yīng)與iNKT 細(xì)胞產(chǎn)生IL-17 有關(guān),研究表明用抗IL-17m Ab中和IL-17或破壞IL-17基因也可以阻止臭氧誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)性的發(fā)生,而與過(guò)敏源誘導(dǎo)產(chǎn)生的氣道高反應(yīng)性無(wú)關(guān)。總之,我們發(fā)現(xiàn)在反復(fù)暴露于臭氧誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)過(guò)程中iNKT 細(xì)胞及其產(chǎn)生的IL-17發(fā)揮重要作用[26]。

綜上所述,空氣污染導(dǎo)致哮喘患者的臨床癥狀加重、醫(yī)院就診率增加,空氣污染物中的金屬、多環(huán)芳烴、柴油機(jī)排氣微粒、PM2.5及臭氧可誘導(dǎo)IL-17增加,可能是導(dǎo)致哮喘的急性加重及發(fā)病率上升的重要原因,該發(fā)病機(jī)制將為空氣污染誘導(dǎo)哮喘的預(yù)防和治療提供依據(jù)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突