哮喘中肺泡巨噬細胞相關研究進展

楊林 程勝

支氣管哮喘(簡稱哮喘)作為一種異質性且高度復雜的慢性氣道炎癥性疾病,表現為氣道反應性的增加,多以胸悶、呼吸困難、干咳為主要癥狀[1]。根據2015年全球疾病負擔研究結果,哮喘患病率在全球范圍內有逐年增加的趨勢,全球哮喘患者達3.58億,較1990年增加了12.6%[2]。研究發現多種因素參與哮喘的發生發展,包括塵螨、呼吸道合胞病毒、鼻病毒、細菌內毒素、煙草煙霧、肥胖、早產,甚至孕婦社會心理狀態等因素也會對新生兒的哮喘的發病有所影響,并且煙草煙霧、呼吸道感染等因素還會影響哮喘兒童的疾病控制水平。因此通過采取減少與過敏原接觸,改善住房條件,減少與煙霧接觸,避免呼吸道感染等措施可能會對降低哮喘患病率以及提高哮喘兒童的疾病控制水平有一定的幫助[3, 4]。

哮喘的發生發展除受到相關外在因素的影響之外,氣道上皮細胞、氣道平滑肌細胞、B淋巴細胞、T淋巴細胞、肥大細胞、中性粒細胞、嗜酸性粒細胞、巨噬細胞等多種細胞在內的參與也十分重要[5, 6]。這些細胞在外界過敏原的刺激下,通過釋放多種細胞因子相互作用組成了哮喘發病的內在機制(圖1)[5]。

圖1 哮喘中部分氣道炎癥機制

這些細胞的功能在既往的研究中已有文獻做出了詳細的論述[7, 8],肺巨噬細胞為正常肺組織中最豐富的免疫細胞[9],其在哮喘的發病過程中也有至關重要的作用,參與了氣道重塑、氣道慢性炎癥環境形成、胞葬作用等多個病理生理過程,并隨著哮喘的發生發展其功能也發生了改變。本文就肺泡巨噬細胞在哮喘中的研究進展進行討論。

一、肺巨噬細胞的起源

肺巨噬細胞主要由兩個細胞群組成：肺泡巨噬細胞(alveolar macrophage,AM)與肺間質巨噬細胞(interstitial macrophages,IM)[10]。肺泡巨噬細胞位于肺的上皮表面,與其他常駐巨噬細胞群相比,它們與環境直接接觸,包括共生細菌、吸入顆粒和宿主上皮衍生因子。肺泡巨噬細胞群起源于胎兒單核細胞,這些單核細胞在胎兒發育過程中浸潤肺部,并通過肺泡上皮細胞的旁分泌信號分化為肺泡巨噬細胞。該常住種群可自我更新,并通過增殖自行維持,而通過循環中的單核細胞補充的來源較少[8]。相比之下,間質巨噬細胞位于支氣管間質組織中,并且未得到充分的研究,一部分原因可能是：(1)細胞鑒定困難。(2)不易分離,極易受到AM的污染。有研究表明肺間質巨噬細胞是一個多樣化的細胞群,可以分為三種功能亞型,即IM1、IM2、IM3。肺間質巨噬細胞群的功能可能與維持呼吸道中的免疫穩態,并對無害的抗原發揮免疫耐受性有關,這在相關小鼠實驗中也有所體現,但其具體功能仍有待進一步探索[11-13]。

二、肺泡巨噬細胞在哮喘中的功能變化

1. 吞噬功能缺陷

健康人體呼吸道并不是無菌的而是由多種微生物所覆蓋,例如細菌、真菌、病毒和古細菌等,與健康人群相比哮喘患者這些微生物種群都或多或少的發生了一些改變[14],雖然目前關于氣道微生物生態失調的病因和功能意義尚不明晰,但作為吞噬細胞的一種,肺泡巨噬細胞可能在塑造哮喘患者的氣道微生態中有重要作用。有研究表明哮喘患者巨噬細胞的吞噬作用存在功能障礙,中度和重度哮喘患者相比對照組肺泡巨噬細胞吞噬作用降低了50%以上,并且肺泡巨噬細胞凋亡率在哮喘受試者中更大,這種情況在脂多糖的刺激下表現更加明顯。這樣的直接后果就是下氣道中細菌長期存在進而導致氣道炎癥加重、遷延。重度哮喘中肺泡巨噬細胞也表現出對流感嗜血桿菌和金黃色葡萄球菌的吞噬缺陷,而且吞噬作用的這種缺陷似乎不僅限于氣道,因為與來自健康和輕度哮喘患者的巨噬細胞相比,來自嚴重哮喘患者的單核細胞來源的巨噬細胞也表現出缺乏的吞噬作用。在大范圍患者群體中,使用地塞米松進行體外干預實驗均未發現單核細胞來源的巨噬細胞的吞噬作用受損,提示重度哮喘肺泡巨噬細胞中所觀察到的吞噬缺陷可能與大劑量皮質類固醇治療無明顯相關[15-17]。

2. 巨噬細胞極化

巨噬細胞作為免疫系統的參與者之一,在哮喘氣道炎癥中因極化方向不同,可表現為抑制炎癥或者促進炎癥的作用[9],即引導促炎反應的經典極化途徑的巨噬細胞(classically activated macrophage,M1)和驅動免疫調節和組織重塑的替代極化途徑的巨噬細胞(alternatively activated macrophage,M2)。M1巨噬細胞通常由細菌脂多糖或某些細胞因子(如干擾素γ、腫瘤壞死因子α和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子)誘導,其特征是高抗原呈遞能力、高促炎細胞因子產生[白細胞介素-1β (Interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素-6 (Interleukin-6,IL-6)、白細胞介素-12 (Interleukin-12,IL-12)和白細胞介素-23 (Interleukin-23,IL-23)]、高趨化因子配體9和低水平的白細胞介素-10(Interleukin-10,IL-10)的產生。在功能上可促進清除外來病原體和腫瘤細胞,以及介導活性氧誘導的組織損傷等。M2巨噬細胞可以通過多種刺激因子進行極化,包括細胞因子[白細胞介素-4(Interleukin-4,IL-4),IL-10和白細胞介素-13(Interleukin-13,IL-13)]、糖皮質激素、免疫復合物和脂多糖。M2巨噬細胞可以根據施加的刺激不同進一步細分為M2a,M2b,M2c和M2d,M2巨噬細胞在功能上主要表現為促進傷口愈合、組織修復、抗炎、免疫調節、腫瘤轉移以及對凋亡細胞的吞噬作用等方面[18]。哮喘患者氣道中由Th2型淋巴細胞誘導的Ⅱ型炎癥反應可以使肺泡巨噬細胞處于由大量IL-4、白細胞介素-5(Interleukin-5,IL-5)、IL-13的微環境中進而導致肺泡巨噬細胞極化為M2表型[19],其中M2巨噬細胞中的M2a和M2c亞群在哮喘的疾病進展中發揮了重要作用。M2a細胞主要產生過敏性細胞因子IL-4和IL-13。此外,趨化因子-17、趨化因子-18、趨化因子-22和趨化因子-24在M2細胞中高表達,并促進Th2淋巴細胞和嗜酸性粒細胞浸潤到炎癥部位。并且這些介質和M2細胞特異性轉錄因子也影響肺組織重塑和纖維化。例如IL-13可以增加粘蛋白5AC(Mucin 5 Subtype AC,Muc5AC)和轉化生長因子β2的表達,同時降低人支氣管上皮細胞中的βⅣ微管蛋白。因此在氣道重塑的早期階段,可以通過調節M2細胞表型來控制肺纖維化。M2c細胞可以通過IL-10和轉化生長因子β激活,并通過釋放IL-10誘導肺部炎癥消退和組織修復,這可能與哮喘氣道組織重塑有關,并且該細胞亞群在入侵病原體的吞噬作用中比其他巨噬細胞表型更有效[13]。

一些細胞因子或信號通路也參與肺泡巨噬細胞的極化。聲波刺猬信號通路(Sonic hedgehog signaling pathways,Shh)屬于刺猬信號家族的成員,在動物的發育過程中,刺猬(hedgehog,Hh)信號家族的成員參與了許多基本發育過程,Hh基因家族編碼一種分泌蛋白,該蛋白在無脊椎動物和脊椎動物成年組織的胚胎發生和環境穩定過程中起關鍵調節作用。在蒼蠅中,信號由單個Hh基因調節,在哺乳動物中,則由Shh, 印度刺猬信號通路(Indian hedgehog signaling pathways,Ihh)和沙漠刺猬信號通路( Desert hedgehog signaling pathways ,Dhh)共同發揮著不同的調節作用[20], Hh信號通路的核心組成部分包括分泌型糖蛋白配體、兩種主要的膜蛋白受體,即Ptched 和smoothened、神經膠質瘤相關核轉錄因子(glioma-associated oncogene transcription factors,GLI)及下游目的基因(圖2)[21]。而Shh是最重要的Hh同源基因產物,在氣道過敏性疾病中可增強肺部2型炎癥反應導致氣道上皮化生并可能對肺泡巨噬細胞產生影響[22]。除此之外,NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3炎癥小體(Nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3 inflammasome, NLRP3)可以通過上調IL-4的表達,使得肺泡巨噬細胞向M2表型極化,從而促進其對哮喘的調節;一些長鏈非編碼核酸也可以通過在巨噬細胞中表達負性調節由IL-4驅動的M2巨噬細胞極化以及參與調控相關肺部炎癥反應[23-25]。

圖2 Hh信號通路細胞內信號傳遞簡圖。當不存在Hh信號時,受體PTCH抑制 SMO的功能,GLI轉錄因子被PKA、CK1和GSK3β磷酸化,生成缺少轉錄激活域的轉錄抑制子形式(Gli-R),入核后抑制Hh 靶基因的表達。當Hh與PTCH結合后,其對SMO 的抑制作用被解除,GLI與SUFU和KIF7解離,導致GLI的全長激活形式(GLIA)易位到細胞核中,入核促進Hh靶基因表達[21]。(注：PTCH：12次跨膜蛋白Patched;BOC：同源基因細胞表面分子;CDON：細胞粘附分子下調相關的癌基因細胞表面分子;GAS1：生長抑制特異性蛋白1;SMO：7次跨膜G蛋白偶聯受體smoothened;CK1： 酪蛋白激酶1α;PKA： 蛋白激酶 A;GSK3β： 糖原合成酶激酶 3β;GLIR： 神經膠質瘤相關核轉錄抑制子;P：磷酸基團;Hh：Hh信號蛋白;SUFU： Fused激酶抑制劑;KIF7：驅動蛋白家族成員7;GLIA：神經膠質瘤相關核轉錄因子激活形式。本圖使用adobe illustrator 2021軟件繪制)

3. 氣道重塑

人體氣道上皮主要通過物理屏障功能、先天免疫防御功能和吸入顆粒的粘膜纖毛清除這三方面功能來預防炎癥和疾病。其主要由纖毛上皮細胞、分泌粘液的杯狀細胞和氣道基底細胞組成。杯狀細胞作為主要的分泌細胞,可以分泌一些粘蛋白分子分泌到氣道內捕獲外界環境分子,其中Muc5AC和粘蛋白5B(Mucin 5 Subtype B,Muc5B)被認為是氣道中的主要粘蛋白[26],有動物實驗表明Muc5B影響肺部炎癥以及參與巨噬細胞介導的反應。在沒有Muc5B的情況下,小鼠不能獲得有效的抗菌反應。在其長期存在的狀態下,抗菌反應得到了有效的增強[27]。有研究表明Muc5B的表達降低,導致氣道粘液纖毛清除不良,且與哮喘痰中巨噬細胞水平呈正相關,這也從側面說明了肺泡巨噬細胞是哮喘氣道重塑參與者之一[28]。此外在哮喘小鼠的氣道杯狀細胞中發現了由高水平Shh信號所誘導Muc5AC基因表達,以及杯狀上皮細胞的化生。而已有研究表明由IL-4/IL-13誘導 JAK/STAT6 信號通路上調Shh表達,可以導致氣道上皮的粘液細胞化生、基底膜纖維化、成纖維細胞和平滑肌細胞肥大和增生,即氣道重塑[29, 30]。目前肺泡巨噬細胞在氣道重塑中的作用尚未完全明確,進一步對哮喘患者肺泡巨噬細胞在氣道重塑中的研究是很有必要的。

4. 胞葬作用受損

在肺部急慢性炎癥過程中會出現大量凋亡細胞,這些凋亡細胞通過釋放ATP、UTP和趨化因子受體、乳脂球表皮生長因子-8、溶血磷脂酰膽堿和鞘氨醇-1-磷酸等物質募集巨噬細胞并增強其吞噬凋亡細胞產物的能力而促進炎癥消散。由肺泡巨噬細胞所驅動的該反應可有效清除死亡細胞殘片,防止炎癥反應發生[31, 32]。有研究表明該抗炎過程在肥胖哮喘患者中明顯減弱,并且與體重指數成負相關,這可能與脂肪組織增加對巨噬細胞極化的影響過程有關[33]。除此之外氣道巨噬細胞的Axl酪氨酸激酶受體表達減少也與此過程有關,恢復或激活2受體進而促進凋亡細胞清除可能對哮喘患者有益[34],而Mer酪氨酸激酶受體也被證實與巨噬細胞吞噬凋亡細胞的過程有關[35]。半乳糖凝集素-3不僅可增強慢性阻塞性肺疾病中巨噬細胞的胞葬作用,也可以通過調節巨噬細胞功能從而對逆轉非嗜酸性粒細胞性哮喘有一定的效果[36]。基于阿奇霉素可以增強哮喘中巨噬細胞胞葬作用的特點,陳海等人的團隊發現大環內酯類藥物 2′-脫氧-9-(S)-紅細胞胺和基于阿奇霉素的2′-脫氧分子兩者抗生素活性較弱,因此可以在避免耐藥細菌產生的基礎上,提升對凋亡細胞的吞噬能力[37]。這些受體、分子及藥物從一定程度上說明通過調節巨噬細胞吞噬功能進而改善胞葬作用的方式來減緩哮喘氣道炎癥的方法是可行的。

三、總結與展望

哮喘是一種慢性氣道炎癥性疾病,其發病過程有多種細胞參與,肺泡巨噬細胞作為免疫機制中重要的一環,受到多種因素的影響,進而使其在吞噬功能、細胞極化、氣道重塑、胞葬作用中所產生的效應有所改變。而2型炎癥所致的巨噬細胞的代替途徑激活即M2型巨噬細胞的極化,在哮喘炎癥的進展中發揮重要的作用,這個過程受到多種因素的調節,已有文獻證明Shh信號通路在氣道2型炎癥中扮演了重要角色,但其對肺泡巨噬細胞直接的影響卻少有文獻報道,通過對該信號通路在哮喘中對肺泡巨噬細胞影響的進一步研究可能會幫助更好的明確哮喘氣道炎癥的發生發展機制,完善相關知識領域。