上皮間質營養單元在慢性氣道疾病中的研究進展

胡夢云，何勝洋，謝麗華，孫圣華

(中南大學湘雅三醫院呼吸與危重癥科，長沙 410013)

1990年，Brewster等[1]在正常人和哮喘患者的支氣管中發現了一層上皮下成纖維細胞，該細胞與上皮細胞、神經組織和細胞外基質緊密相連。1993年，Evans等[2]發現，氣道上皮中的成纖維細胞與上皮細胞存在相互作用。1999年，Evans等[3]提出了上皮間質營養單元(epithelial-mesenchymal trophic unit，EMTU)的概念，并指出EMTU中細胞間的相互作用在肺發育、修復和體內平衡中起重要作用。EMTU中的結構細胞不僅參與肺發育的控制，還在損傷組織修復和炎癥反應調節等過程中發揮重要作用[4]。EMTU的關鍵細胞是上皮細胞以及與神經相連的成纖維細胞，且上皮細胞與成纖維細胞的功能是可協調的。在慢性氣道疾病導致的氣道重塑過程中，EMTU的變化包括上皮脫落、黏膜杯狀細胞增生、基底膜區增厚和重組、成纖維細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)的發生及疾病嚴重程度密切相關，并可導致不可逆性氣道阻塞和氣道高反應性[6]。EMTU是肺發育的關鍵部位，而EMTU中的上皮細胞與成纖維細胞間的相互作用是氣道重塑的關鍵過程。現就EMTU在慢性氣道疾病中的研究進展予以綜述。

1 EMTU

EMTU由上皮下結構細胞(如平滑肌細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞)、血管和神經等組成。上皮下結構細胞、血管和神經大多位于黏膜層，其中上皮細胞和成纖維細胞是EMTU中的關鍵細胞。研究發現，在EMTU的細胞外基質中存在減毒成纖維細胞鞘，而減毒成纖維細胞鞘由常駐的星狀成纖維細胞相互嚙合形成，這些成纖維細胞緊密附著在網狀基底膜上[3]。當上皮受到細胞外刺激后，可以通過分泌化學信號進行細胞間通訊，也可以通過細胞間的直接接觸作用于成纖維細胞鞘，而成纖維細胞鞘可迅速做出反應，如分化為肌成纖維細胞[7]。EMTU的結構與慢性氣道疾病的致病和發展均密切相關，但目前關于這方面的研究尚不全面。為了更全面、準確地模擬人肺的體內環境，幫助理解EMTU間異常通訊的機制和介質，共培養模型應運而生。從最初的細胞間的相互干預到目前的新型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注。

2 EMTU間的相互作用

在肺組織中，氣管和支氣管氣道壁內的所有細胞與非細胞腔室均以EMTU的形式相互作用[9]。EMTU細胞結構包括支氣管上皮細胞、基底細胞、成纖維細胞、肌成纖維細胞、間充質細胞以及炎癥相關細胞等，各細胞層之間連接緊密，同時各種細胞共同維持氣道的穩定與修復。在正常情況下，支氣管上皮積極參與氣道的防御，當天然上皮屏障受損時，上皮細胞可聯合免疫及炎癥細胞促進組織修復[10]?；准毎梢耘c柱狀上皮細胞、神經元、基底膜和底層間充質細胞相互作用，還可以與上皮細胞、淋巴細胞、樹突狀細胞相互作用[11]。成纖維細胞既可以作為結締組織細胞發揮作用，還可以在各種刺激下產生細胞因子和趨化因子[3]。肌成纖維細胞因合成間質膠原的能力增強而被認為是組織纖維化的關鍵效應細胞[10]。當上皮細胞和間充質細胞被作為調節氣道生長和分支的“營養單位”時，可推動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細胞的因子。當上皮受到外界刺激時，抑制分子的產生減少，導致膠原纖維增殖、促生長因子(如內皮素-1、成纖維細胞生長因子、胰島素樣生長因子、血小板衍生生長因子、轉化生長因子等)釋放增加；隨后，修復反應通過激活位于網狀上皮層正下方的成纖維細胞/肌成纖維細胞網絡，促進氣道重塑[10]。此外，EMTU在臨床發病過程中也存在改變。Tian等[13]通過肺微型CT、肺組織光學二次諧波顯微術和免疫組織化學觀察發現，COPD氣道上皮扁平化、EMTU擴張。早期識別COPD的發生并早期干預，可以有效控制疾病的發展，提高患者的生活質量。

3 EMTU與慢性氣道疾病的關系

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的一個中心特征，尤以氣道平滑肌層的重塑最為關鍵[13-14]。研究表明，上皮間質化是小氣道重塑中的重要改變[15]。COPD患者肺組織病理結果顯示了平滑肌細胞和成纖維細胞的增生以及氣道壁中膠原等基質蛋白的沉積[10]，這些改變均屬于氣道重塑。氣道上皮細胞與間充質細胞間的信號異常是維持炎癥以及驅動環境損傷反應重塑的重要事件。有學者將人支氣管上皮細胞與COPD來源的人肺原代成纖維細胞共培養，結果發現，上皮細胞與成纖維細胞存在相互通訊，且成纖維細胞可調節上皮源性細胞因子分泌[5,16]。McQualter等[17]通過分析肺間質細胞在體外促進肺上皮源性細胞因子形成的能力，發現在肺部疾病的局部微環境中，間質細胞的分化破壞了上皮的修復過程。Royce等[18]通過在不同的細胞外間質中培養人肺支氣管上皮細胞和人胚肺成纖維細胞，發現異常的基底膜細胞外間質誘導了人肺支氣管上皮細胞和人胚肺成纖維細胞的增殖，同時改變了這兩種細胞的形態。Myerburg等[19]應用促進鱗狀細胞分化的培養基培養成纖維細胞和上皮細胞，結果發現，成纖維細胞的存在可誘導極化纖毛分化，同時可加速傷口修復。表明特異性細胞外間質對上皮細胞和成纖維細胞均有影響。Osei和Hackett[20]通過建立原代氣道上皮細胞和肺成纖維細胞共培養模型，發現白細胞介素-1α是調節肺成纖維細胞釋放炎癥介質的主要介質。深入研究EMTU之間的改變，根據發病機制尋求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研究表明，氣道上皮細胞(上皮屏障功能喪失、杯狀細胞增生)、間充質細胞(氣道平滑肌肥大和增生、肌成纖維細胞數量增加、血管生成)和細胞外基質(基底膜增厚和上皮下纖維化)均發生了變化[23]。在哮喘中，這些氣道和幾何結構的變化均稱為“氣道重塑”。上皮細胞的改變與網狀層膠原的沉積有關，在受到細胞外刺激后，上皮細胞首先受到損傷，而上皮細胞受損提示EMTU在哮喘發病初期是活躍的，并可能與哮喘的發病機制相關[24]。基于此，Holgate等[10]提出了一種哮喘發病機制的新模式，即氣道過度炎癥和氣道重塑是患者受到吸入環境成分影響產生的異常損傷和修復反應的結果。哮喘的氣道重塑可能由變應原反復急性激活EMTU所致[3]。Plopper等[25]研究表明，反復暴露于塵螨類變應原的幼年期恒河猴的EMTU是以氣道數量減少、上皮細胞增生、黏液分泌細胞增多的形式發生重塑。在受到吸入環境成分的影響后，復雜的細胞因子相互作用使EMTU中的細胞成分發生病理性重塑，驅動氣道重塑和平滑肌增生[10]，但這需要上皮修復和組織重塑信號通路的參與。反復的急性損傷和修復改變了上皮內神經支配的正常發展[26]。上皮細胞與間充質細胞的相互作用是正常氣道修復所必需的。上皮下間充質細胞具有分化為肌成纖維細胞的能力，導致網狀層間質膠原進一步沉積，肌成纖維細胞的數量進一步增加[7]。在哮喘氣道重塑中，上皮細胞和成纖維細胞的改變具有關鍵作用，另外，平滑肌增殖、氣道高反應性、慢性黏液分泌等也參與其中[27]。除白細胞介素-13[12]外，白細胞介素-1[7]也是肌成纖維細胞分化的有效誘導因子。Osei等[28]證明，上皮源性白細胞介素-1是肺實質-上皮-成纖維細胞通訊的主要介質。動物模型研究表明，當細胞間的通訊受到干擾時，肌成纖維細胞向其他成纖維細胞和平滑肌細胞發出信號，改變這些成纖維細胞和平滑肌細胞的表型，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胞與去血清的初級正常人氣道平滑肌細胞共同培養模型發現，反復刮傷造成的上皮損傷導致共培養模型中的白細胞介素-6、白細胞介素-8、單核細胞趨化蛋白1和基質金屬蛋白酶9水平均升高(其中基質金屬蛋白酶9水平升高幅度最高)，從而刺激氣道平滑肌細胞增殖。肌成纖維細胞在氣道重塑中發揮了重要作用。

4 影響EMTU的相關信號通路

4.1Wnt信號通路 Wnt通路對細胞遷移、器官發育、干細胞自我更新以及損傷和組織修復的穩態均具有顯著影響[30]。在缺少Wnt配體時，β聯蛋白(β-catenin)在胞質內與β-catenin降解復合體相結合；當Wnt配體與膜上的Fizzed受體結合后，β-catenin從復合物中解放出來，在細胞核中與T細胞因子/淋巴增強因子結合，調節重要下游靶基因的表達[31]。有證據顯示，COPD患者的Wnt信號分子在肺活檢和鼠類模型中的表達均下調[32-34]。Guo等[35]使用香煙煙霧提取物誘導支氣管上皮細胞，結果發現Wnt/β-catenin活性降低，導致肺損傷與修復過程的不平衡，進而導致肺實質組織破壞。Kneidinger等[36]通過實驗發現，小鼠肺氣腫模型的Wnt/β-catenin水平下調，而激活Wnt/β-catenin可減輕實驗性肺氣腫。Wu等[37]研究發現，微RNA(microRNA，miRNA/miR)-130a可通過靶向調節Wnt/β-catenin信號通路加重香煙煙霧提取物誘導的支氣管上皮細胞損傷?？傊?，在肺氣腫的致病過程中，Wnt/β-catenin下調，并與其他細胞信號通路相互作用，共同調節氣道炎癥和重塑、肺肌成纖維細胞增殖以及上皮-間充質轉化[38]。因此，可以通過激活Wnt/β-catenin信號通路促進上皮修復，改善肺氣腫。

4.2轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號通路 TGF-β是介導EMTU之間相互作用的關鍵因素，同時也是成纖維細胞向肌成纖維細胞分化的重要細胞因子[39]。Ng-Blichfeldt等[40]首先用TGF-β預處理人肺成纖維細胞，并誘導肌成纖維細胞分化，然后將肌成纖維細胞與成年小鼠肺上皮細胞共培養，結果發現，Wnt和β-catenin靶基因的表達均上調。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，發現miRNA可能以TGF-β和Wnt信號通路為靶點。例如，COPD患者中的miR-15b表達上調可抑制Smad-7的表達，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信號轉導增加。另外，TGF-β還可通過激活Wnt信號通路發揮作用[5]。通過對EMTU關鍵成分過度表達或抑制修復功能的觀察發現，哮喘的氣道重塑是人類出生后EMTU中細胞保持活性或重新激活的結果[43]。TGF-β相關信號通路在EMTU中具有重要作用，未來可通過干預肌成纖維細胞的分化進一步減輕疾病的氣道重塑，改善患者預后。

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EGFR有多個配體，包括表皮生長因子、肝素結合表皮生長因子、雙相調節蛋白、神經調節蛋白和轉化生長因子等[44]。EGFR的磷酸化激酶結構域通過變構作用可激活其配體[45]。在保持氣道上皮的完整性方面，EGFR家族在細胞生長、增殖和分化機制中發揮關鍵作用[46]。哮喘患者上皮EGFR的表達與網狀層的厚度呈正相關，且EGFR水平隨著疾病嚴重程度的增加而升高[24]。通過體外研究可知，上皮細胞的損傷或機械拉伸可導致纖維增殖和成纖維細胞生長因子增加，且在整個上皮細胞中均很明顯，表明應激和損傷是普遍存在的[23]。上皮損傷可誘導EGFR上調，EGFR信號通路可以驅動細胞增殖和修復，是上皮早期反應的體現[47]。另外，EGFR信號轉導也是推動黏液蛋白基因表達和上皮細胞轉化為杯狀細胞的關鍵事件。有研究顯示，EGFR抑制劑可減緩上皮細胞的修復，但緩慢的上皮細胞修復可增加TGF-β的產生[23]。提示，EGFR相關通路參與了支氣管上皮細胞的增殖和修復[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。

5 小 結

在慢性氣道疾病的發生過程中，EMTU的細胞和非細胞結構重塑均不容忽視，其在COPD和哮喘的致病過程中發揮重要作用。在正常生理過程中，EMTU的細胞與非細胞結構之前相互溝通、相互協調，是維持正常肺功能的關鍵；在致病過程中，EMTU的細胞與非細胞結構通過細胞外分泌通訊機制參與慢性氣道疾病的發生、發展。針對EMTU細胞與細胞間、細胞與非細胞間相互作用的研究，有助于進一步了解慢性氣道疾病發病機制，同時也為疾病的早期診斷和后續治療提供了重要的科學依據。因此，未來有望將EMTU作為慢性氣道疾病創新性治療的靶點，進而通過控制疾病發生機制而延緩其發展。