氣道上皮細胞在哮喘肺部炎癥中的屏障作用和免疫調節作用

柴園園，徐佳雨，劉莉

(西安醫學院，西安 710021)

哮喘是一種由多種細胞、細胞因子和炎癥介質參與的慢性氣道炎癥，以氣流可逆性阻塞、氣道高反應性和氣道慢性炎癥為特征，臨床上突出表現為發作性的呼氣性呼吸困難。目前全球有3億多人受哮喘的影響，每年造成的醫療成本和經濟損失巨大，使其成為公共醫療體系的主要負擔之一[1]。盡管哮喘的病因是多因子影響，但哮喘基礎的發病機制是哮喘個體對環境中抗原的過敏性炎癥反應的異常調節。持續的過敏性炎癥和環境的損傷發揮協同作用，導致慢性哮喘期嚴重的氣道結構損傷，包括黏液大量分泌，上皮下組織纖維化及肌成纖維細胞的化生，均會導致慢性的氣道阻塞和肺氣腫的產生[2]。

免疫系統的反應過度是哮喘發病機制的中心事件，然而結構細胞，特別是氣道上皮細胞也發揮著至關重要的作用，其在受到環境因素(如變應原、病原體)刺激時構成氣道的屏障，并通過黏膜纖毛清除機制清除外來抗原物質。氣道上皮細胞在正常的免疫穩態平衡過程中發揮重要作用，而上皮細胞功能障礙參與哮喘氣道炎癥疾病的發展。氣道上皮細胞作為關鍵的免疫調節子對外界刺激做出響應，通過分泌細胞因子、趨化因子、生長因子及抗菌肽募集淋巴細胞發揮調節作用。現就氣道上皮細胞在哮喘肺部炎癥中的屏障作用和免疫調節作用進行綜述。

1 氣道上皮的屏障功能

氣道上皮細胞形成了一個連續性的高度可調節的物理屏障，排列形成氣道腔，保護分隔上皮下的組織和吸入的外界抗原，對生物、化學或物理應激源具有強大的抵抗力[3]。上皮細胞間的連接形成的黏附力維持著氣道上皮屏障，由緊密連接、半橋粒和黏附連接構成。

緊密連接又稱閉鎖小帶，位于細胞側面的頂端，呈帶狀環繞細胞周圍，是由附著在細胞骨架肌動蛋白絲上的幾種跨膜和胞質蛋白形成的多蛋白連接復合物。緊密連接的主要成分包括閉合蛋白、咬合蛋白以及免疫球蛋白超家族的連接黏附分子。這些蛋白通過扣帶蛋白cingulin、閉鎖小帶蛋白(zona occludens，ZO)-1、ZO-2和ZO-3與肌動蛋白絲相連[4]。緊密連接構成的屏障可阻止細菌大分子物質等通過細胞間隙進入上皮下的結締組織。

黏附連接又稱黏著小帶，多位于緊密連接的下方，環繞上皮細胞頂部。此處細胞膜內含有跨膜的細胞黏附分子，稱為上皮鈣黏素。上皮鈣黏素為其他連接復合體的形成提供了結構上的支持。相鄰細胞間隙內有上皮鈣黏素胞外部分構成的低電子密度絲狀物連接相鄰細胞的膜。上皮鈣黏素的胞內部分在膜的胞質面與錨定蛋白結合，形成薄層致密物質。來自胞質的肌動蛋白絲附著在該致密物上，并在胞質內形成終末網。黏附連接主要發揮黏著作用，亦具有維持細胞形態以及傳遞細胞收縮力的作用[5]。

半橋粒是上皮細胞的細胞骨架與固有層之間形成黏附性連接的重要結構。半橋粒利用整合素及凝集素將上皮細胞外基質中的層粘連蛋白和纖連蛋白連接到細胞骨架的中間絲上[6]。

在健康個體的氣道中，緊密連接的閉合小帶和黏附連接的黏著小帶以及半橋粒構成了緊密的蛋白質連接網絡，這些蛋白質網絡將上皮細胞的基底外側連接在一起，從而阻止了絕大多數分子(包括水、離子和蛋白質以及病原體或其他吸入顆粒物)的通過。

2 哮喘肺部炎癥對氣道上皮屏障功能的影響

變應原本身、病毒感染和過敏性炎癥可損害氣道上皮屏障的完整性。氣道上皮通常是暴露于吸入的變應原、病原體或污染物的第一個組織，其通過誘導局部炎癥反應對這種接觸做出反應，是局部免疫反應的中心部分，并連接固有和適應性免疫功能，以抵抗進入呼吸系統的各種有害物質的入侵。

2.1哮喘患者氣道屏障功能的改變 哮喘患者的屏障功能因上皮破壞而受損。如支氣管活檢顯示，在脆弱或受損的氣道中黏膜上皮有部分或完全的剝脫，纖毛柱狀細胞也有脫落[7]。哮喘患者支氣管肺泡灌洗液中上皮細胞的存在和痰液中上皮細胞的聚集體進一步證實了上皮脫落現象[8]。此外，哮喘患者的支氣管活檢顯示有緊密連接的斑塊破壞，形成緊密連接和黏附連接的必需蛋白表達顯著降低。哮喘患者痰液中上皮鈣黏素的表達水平也與哮喘病情的嚴重程度相關[9]。在體外研究中，原代支氣管上皮細胞可以在氣液界面中培養，分化并形成類似于氣道黏膜的假復層上皮，通過測量跨上皮電阻即可評估體外屏障的完整性[9]。多項研究表明，與健康對照組氣道上皮相比，哮喘患者氣液界面培養的氣道上皮的跨上皮電阻較低[10-11]。

2.2變應原對氣道上皮屏障功能的影響 根據“蛋白酶假說”，具有蛋白酶活性的變應原能夠裂解細胞間上皮連接的蛋白質成分，從而破壞屏障功能，變應原可以通過細胞旁途徑穿過氣道黏膜，最終導致機體過敏。研究證實，屋塵螨中的主要變應原可直接裂解咬合蛋白和ZO-1[12]。體外實驗中，屋塵螨提取物可以增加上皮層的通透性并降低跨上皮電阻[13]。類似地，在體外實驗中變應原性的真菌鏈格孢提取物或煙曲霉來源的堿性蛋白酶1可以降低人支氣管上皮細胞的跨上皮電阻[14]。但固有的蛋白酶活性可能并不是變應原削弱氣道上皮屏障完整性的唯一途徑。蟑螂、屋塵螨、真菌和霉菌提取物也被證實可以通過激活蛋白酶激活受體1和(或)2導致黏附連接的蛋白降解[15]。研究發現，ZO-1、上皮鈣黏素及閉合蛋白在哮喘患者上皮組織中表達下調，提示黏附機制存在廣泛的缺陷[16]。

2.3病毒感染對氣道上皮屏障及哮喘病理的影響 病毒感染對氣道屏障功能的影響較變應原更為明顯。呼吸道病毒通過不同的機制引起上皮連接功能障礙。人鼻病毒、呼吸道合胞病毒、人間質肺病毒、流感病毒和副流感病毒通過結合其受體，從而導致病毒的胞吞作用發生。一旦病毒被內吞就將啟動病毒復制過程，對受感染的細胞產生影響。一方面，細胞開始產生Ⅰ型干擾素(interferons，IFN)，以減慢內部病毒復制并激活針對該病毒的細胞免疫應答，而感染的氣道上皮細胞也被病毒特異性的細胞毒性T細胞殺死；另一方面，病毒本身也可殺死上皮細胞，因為病毒可誘導細胞的形態改變，概括為細胞病變效應。對于人鼻病毒和流感病毒，細胞病變效應表現為氣道上皮細胞變圓和脫落，最終被病毒溶解，從而釋放出新復制形成的病毒[17]。人鼻病毒和呼吸道合胞病毒通過降低上皮連接蛋白的表達影響氣道上皮屏障的完整性[18]。

2.4哮喘肺部炎癥中細胞因子對氣道上皮屏障的作用 哮喘患者肺部免疫反應還包括細胞因子[如白細胞介素(interleukin,IL)-1β、IFN-γ和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)]的釋放，從而直接影響上皮的屏障功能。在體外研究中，這些細胞因子可以維持上皮通透性，并降低閉合蛋白、連接黏附分子、咬合分子和ZO-1的表達[19]。哮喘患者由于在氣道上皮病毒感染前已經存在過敏性炎癥反應，上述細胞因子對上皮細胞的影響更顯著。此外，輔助性T細胞(helper T cell，Th細胞)2型細胞因子IL-4和IL-13也通過抑制β聯蛋白、上皮鈣黏素、咬合分子和ZO-1的表達來增加上皮通透性[20]。

3 氣道上皮細胞調節固有免疫參與哮喘肺部炎癥病理進程

3.1氣道上皮細胞釋放細胞因子調節肺部炎癥 上皮細胞能夠釋放趨化因子的能力在1990年已有研究報道，人肺上皮細胞系A549在TNF或IL-1β刺激下可以釋放IL-8[21]。肺泡上皮細胞在多種因素(如TNF、IL-1β、流感病毒、缺血再灌注)的刺激下可以釋放TNF、IL-6、IFN、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子等[22]，表明在肺臟中上皮細胞是促炎因子的重要來源。

氣道上皮細胞是促炎因子及中性粒細胞趨化物的重要來源。在特異性的肺上皮細胞核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)抑制蛋白基因突變的轉基因小鼠中，中性粒細胞對脂多糖的應答減弱，與之有關的細胞因子TNF、IL-1β、巨噬細胞炎性因子2以及角質細胞趨化因子表達下降[23]。由于氣道上皮細胞中NF-κB信號受到抑制，NF-κB依賴的細胞因子釋放減少。上皮細胞作為促炎因子的重要來源還在一個屋塵螨炎癥模型中得到證實，實驗表明在抗原誘導的炎癥中，氣道上皮細胞中Toll樣受體4表達是必需的[24]。因此，氣道上皮細胞中的Toll樣受體信號在細菌病原體和吸入性抗原引起的炎癥應答中發揮重要作用。

3.2氣道上皮細胞釋放抗菌肽調節肺部炎癥 氣道上皮細胞除釋放細胞因子，在固有免疫和適應性免疫中也可以通過釋放抗菌肽發揮作用，如已知的防御素。防御素是一種廣泛表達于各種組織中的陽離子肽，分子量為3 500～5 000。防御素的主要功能是直接抑制病原體及其產物，調節固有免疫和適應性免疫應答。防御素家族包括α防御素和β防御素。防御素可以直接殺死細菌、病毒及真菌，引起病毒或細菌的聚合，使細菌毒素失活。同時，防御素還可以發揮趨化單核細胞、巨噬細胞、T細胞以及樹突狀細胞(dendritic cell，DC)的作用[25]。因此，氣道上皮細胞分泌的防御素在肺部炎癥和免疫應答中發揮重要作用。

3.3氣道上皮細胞通過轉運并釋放分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A，sIgA)調節哮喘肺部炎癥 除上述固有快速反應的細胞因子和抗菌肽外，人氣道上皮細胞還能轉運并在上皮游離面釋放免疫球蛋白。氣道上皮下黏膜層中的漿細胞可以合成二聚體免疫球蛋白A(immunoglobulin A，IgA)，并與上皮基膜外側大量存在的多聚免疫球蛋白受體(polymeric immunoglobulin receptor，pIgR)結合。pIgR和二聚體IgA的復合物在分泌小泡中轉運至上皮細胞頂端，在此處以sIgA的形式釋放到氣道管腔中，sIgA可以結合靶抗原、變應原或病原體并將其捕獲黏附在黏液中。在哮喘狀態下，氣道上皮中pIgR的表達水平降低，導致sIgA分泌減少，使IgA在上皮下隔室中無效積聚[26]。

目前sIgA在慢性炎癥性肺疾病中的作用仍不明確。sIgA可以激活嗜酸粒細胞和中性粒細胞，這兩類細胞在哮喘的發病機制和持續性中均發揮核心作用，提示sIgA可以促進哮喘的病理進程[27]。IgA在哮喘和其他慢性氣道炎癥中具有保護作用，研究表明，隨著年齡的增長，IgA敲除小鼠傾向于發展為類似于人類慢性阻塞性肺疾病的慢性氣道炎癥[28]。外源性細菌攻擊后，pIgR基因敲除小鼠出現哮喘的表型[29]。在哮喘患者的研究中發現，氣道上皮中pIgR、sIgA表達水平下降[30]。以上研究表明，sIgA在特應性哮喘慢性期的發病機制中發揮重要作用，但sIgA缺乏在哮喘急性發作中是否也發揮重要作用尚待進一步闡明。

4 氣道上皮細胞參與適應性免疫調節哮喘肺部炎癥

氣道上皮細胞作為宿主免疫反應的關鍵環節，不僅可以通過釋放各種細胞因子、抗菌肽以及sIgA發揮作用參與固有免疫，還可以調節適應性免疫的穩態，在Th2型反應為主的免疫應答中尤為重要。在過敏性哮喘中，氣道上皮細胞是促炎癥細胞因子和趨化因子的主要產生細胞，如IL-13、IL-33、CC趨化因子配體[chemokine (C-C motif) ligand]5、CCL7、CCL17、CCL22和幾種嗜酸粒細胞趨化因子，這些細胞因子均可介導或支持Th2型炎癥的發展[31]。在不同的上皮損傷后，氣道上皮細胞可以分泌上皮趨化因子，如胸腺基質淋巴細胞生成素(thymic stromal lymphopoietin,TSLP)、IL-25和IL-33，它們能夠促進Th細胞向Th2細胞分化[32]。

4.1上皮趨化因子TSLP調節哮喘肺部炎癥 TSLP的產生可由多種因素觸發，外源性誘因包括環境刺激物，如微生物、蛋白酶、柴油機尾氣顆粒和香煙煙霧提取物等；內源性的誘因包括促炎癥細胞因子、Th2相關的細胞因子以及IgE，表明TSLP參與Th2細胞反應的正反饋回路[33]。呼吸道病毒感染在哮喘病情惡化中發揮重要作用，呼吸道病毒也可以誘導TSLP表達[34]。在哮喘和慢性阻塞性肺疾病某些亞型中可以發現TSLP在支氣管黏膜中高表達[35]。在某些模型中，TSLP驅動的過敏性炎癥由2型天然淋巴細胞介導，而2型天然淋巴細胞是一種能夠產生Th2細胞因子的非B細胞/非T細胞群體[36]。屋塵螨小鼠哮喘模型中，氣道的嗜酸粒細胞炎癥以及氣道高反應性與氣道中TSLP的水平呈正相關。中和TSLP可以逆轉氣道炎癥、氣道結構改變和氣道高反應性，表明TSLP在慢性變應性哮喘的氣道炎癥始發、持續和重塑中起關鍵作用[37]。

4.2上皮趨化因子IL-25調節哮喘肺部炎癥 IL-25也稱為IL-17E，是IL-17細胞因子家族的成員，但其功能與其他IL-17細胞因子家族成員完全不同，IL-25能夠在多個組織部位加劇Th2型炎癥，阻斷IL-25信號轉導可以減輕多種小鼠模型的過敏性炎癥[38]。盡管最初的報道IL-25是Th2細胞衍生的細胞因子，但上皮細胞、肺泡巨噬細胞、肥大細胞、嗜堿粒細胞和嗜酸粒細胞目前也被報道為IL-25的潛在來源[39]。IL-25通過聯合Th2細胞和2型天然淋巴細胞，激活和介導先天性和適應性免疫，從而引起持續的Th2型的黏膜炎癥[40]。IL-25與IL-17受體之間相互作用，引起包括NF-κB、信號轉導及轉錄激活因子6、GATA結合蛋白3、活化T細胞核因子1在內的轉錄因子激活和上調，從而導致Th2細胞的激活和極化，釋放IL-4、IL-5和IL-13。另一方面，IL-25抑制Th1/Th17細胞相關的轉錄因子，如T-bet和信號轉導及轉錄激活因子4，并減少TNF-α、IFN-γ和IL-17A的分泌，從而進一步加劇Th2細胞反應的傾斜[41]。

4.3上皮趨化因子IL-33調節哮喘肺部炎癥 IL-33是IL-1細胞因子家族的成員，發揮警報蛋白和變應原性細胞因子的作用，還可發揮轉錄調節的作用。IL-33的全長重組蛋白可能具有生物活性，但IL-33在不同位點的蛋白水解可以調節其活性。肥大細胞和中性粒細胞中的蛋白水解酶可以裂解并進一步激活IL-33的活性[42]。某些變應原中的蛋白酶也可以裂解并進一步激活IL-33[43]。此外，IL-33可以直接激活并誘導多種細胞產生細胞因子[44]。近年研究顯示，白三烯和IL-33在信號轉導回路中共同發揮作用，這可能是過敏性疾病中炎癥惡化的重要放大器[45]。肺泡細胞中的白三烯受體發出的信號可促進IL-33產生，而IL-33作用于T細胞可上調白三烯受體的表達[46]。哮喘重癥患者的氣道中IL-33表達增加。此外，IL-33可以誘導上皮細胞產生TSLP[47]。在人類受試者和小鼠過敏性氣道疾病模型中發現，IL-33通過調節適應性免疫和先天性免疫在Th2介導的炎癥中發揮核心驅動作用[48]。

4.4氣道上皮調節DC參與哮喘肺部炎癥進程 氣道上皮細胞通過與DC、T細胞、B細胞相互作用介導和激活適應性先天免疫應答。氣道上皮細胞通過釋放CCL20，與未成熟DC和朗格漢斯細胞表達的CCR6相互作用來誘導趨化DC遷移至上皮細胞[49]。呼吸道DC的募集對B細胞、T細胞和自然殺傷細胞介導的適應性免疫反應至關重要。TSLP還能誘導DC上主要組織相容性復合體Ⅰ類和Ⅱ類共刺激分子(如CD40，CD80和CD86)的表達增加。此外，TSLP促進DC誘導的幼稚CD4+T細胞分化為Th2細胞，從而產生IL-4、IL-13和TNF，而不產生IL-10和IFN-γ[50]。氣道上皮細胞協調并影響適應性免疫反應，同時在固有免疫和適應性免疫調節之間發揮連接作用。

5 氣道上皮細胞功能改變(E2極化)在哮喘炎癥中的作用

盡管受損的屏障功能在放大免疫系統激活中是重要的環節之一，但上皮細胞功能改變在肺部炎癥進程中發揮的作用遠超出了物理屏障功能。上皮細胞與白細胞之間的相互作用可導致呼吸道上皮細胞生物學的持續改變。

5.1哮喘肺部炎癥中氣道上皮細胞發生E2極化 氣道上皮細胞不斷受到病原體、變應原和環境污染物的刺激，因此，氣道上皮細胞能夠快速有效地應對各種細胞損傷并產生相應的反應，如局部細胞因子的產生，離子交換的側向轉運，多種黏液成分和抗菌肽的分泌以及上皮的脫落。目前，由典型的Th1或Th2細胞定向免疫反應引發的不同炎癥環境可能對氣道上皮的生物學功能生產不同影響，并導致相應上皮細胞的某種E1或E2極化[51]。變應原能夠激活E2上皮細胞，并產生促炎細胞因子和趨化因子，誘導炎癥發生并促進上皮2型應答，即“E2應答”，分泌上皮趨化因子TSLP、IL-33、IL-31、CCL26、IL-25等。局部E2反應包括多種細胞因子(IL-4、IL-5、IL-9、IL-13、IL-25和IL-33)分泌的增加，以及嗜酸粒細胞數目的增多，另外還會產生一系列趨化因子，并趨化炎癥細胞向過敏組織遷移[52]。感染則可以誘導E1細胞應答，釋放CXC趨化因子配體2、CXC趨化因子配體L8、IL-12和CCL20，從而刺激IFN-γ、IL-2、IL-12、IL-18、IL-36和TNF-α的局部釋放，產生廣泛的抗病毒活性。E1應答細胞還能誘導未感染細胞中主要組織相容性復合體1分子的上調和抗病毒的抗性[53]。氣道上皮細胞分化的免疫學結果也引起了人們的關注，致敏作用、恢復過程和氣道重塑也可為干預和預防肺部損傷提供新思路。

5.2多種轉錄因子調節氣道上皮細胞E2極化 與E2極化相關的轉錄因子包含E2中樞轉錄因子GATA3、核因子E2、骨髓嗜病毒整合位點1和HEY2(hes related family bhlh transcription factor with yrpw motif 2)。GATA3是免疫細胞中2型應答的主要轉錄因子，但在氣道上皮細胞中也有表達。研究表明，核因子E2對香煙煙霧引起的上皮細胞損傷具有保護作用，表明核因子E2可能在以IL-4為主的微環境中發揮保護一定的細胞活性保護作用[54]。研究證實，MEIS1失活可導致氣道平滑肌數量增加，相應的軟骨減少，提示MEIS1在過敏性氣道疾病中起重要作用[55]。在過敏性疾病的患者中，活化的Notch受體1和效應基因HEY2的表達水平升高，上皮中杯狀細胞的化生也與增高的Notch信號有關[53,56]。綜上所述，E2極化對氣道上皮細胞的免疫功能具有顯著影響，在哮喘發病機制中發揮重要作用。

6 小 結

氣道上皮在疾病的發生、進展和惡化中起關鍵作用。通過明確哮喘中氣道上皮細胞在屏障功能、固有免疫、適應性免疫中的作用，更有力地證實了氣道上皮作為肺部炎癥和免疫反應的核心作用。氣道上皮免疫應答的失調也與炎癥的病理狀態(如哮喘、急性肺損傷和慢性阻塞性肺疾病)密切相關。上皮屏障功能障礙與免疫應答之間關系的確切性以及免疫應答對炎癥病理狀態的影響仍是未來的研究熱點。進一步研究氣道上皮調節肺部免疫功能和氣道穩態的機制，可為明確哮喘和其他呼吸系統疾病的發病機制以及新的診療方法提供新思路。