|
重新认识气道平滑肌在哮喘中的地位
刘春涛
四川大学华西医院（四川成都 610041）
上个世纪七十年代以来，从单纯的支气管平滑肌痉挛到慢性气道炎症，人类对哮喘的认识发生了根本性的转变，并由此奠定了以抗炎为主的哮喘现代治疗的基石。哮喘气道炎症的学说得到了大量实验室和临床资料的支持，尤其是以ICS为主的抗炎药物在临床上广泛使用，并取得了令人瞩目的效果，更为气道炎症学说提供了勿庸置疑的证据。但气道炎症的诸多环节尚不清楚，气道炎症是是什么时候开始的？为什么发生？如何调控？如何发展？尤其是，用气道炎症是否能够解释哮喘的所有病理生理现象及其后果？是否能真实地反映哮喘的全貌？Th1/Th2学说在最近十余年受到普遍关注，用Th1/Th2失衡解释哮喘气道炎症的的发生机制似乎比较容易为人理解，但最近认识到实际上这是一个过于简单化、理想化的解释，不少研究结果并不完全支持Th1/Th2假说。
哮喘发病机制的气道炎症学说其基本框架是：气道炎症损伤气道粘膜和其他结构细胞，导致气道高反应性（AHR），在各种激发因子的作用下，支气管平滑肌收缩痉挛，引起气道阻塞、气流受限，从而出现各种临床表现。气道阻塞的次要成因还可能包括气道粘膜的水肿、气道壁增厚、黏液高分泌等等。这一理论看似合理，其实也存在漏洞，例如，迄今尚未能找到气道炎症和气道高反应性之间联系的直接证据。早就发现气道炎症的严重程度和哮喘症状、肺功能并无相关性。有证据显示，有效的抗炎治疗并不能根治哮喘，不能完全消除气道高反应性；通过支气管肺泡灌洗（BAL）直接测定哮喘患者气道炎性介质的水平，这些生物标记物的水平和哮喘的严重程度和气道高反应性之间并没有直接的关系；完全没有临床症状和气道炎症的个体仍然可能存在气道高反应性。似乎在整个气道炎症学说当中，在气道炎症和气道反应性之间，还存在一个缺失的环节[1]。
近年来气道结构细胞如上皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞在哮喘中的地位受到重视。研究发现，这些细胞并不仅仅是被动的气道炎症损伤的靶细胞，而是作为效应细胞主动参与气道炎症反应。其中对气道平滑肌（ASM）细胞的研究尤其深入，研究表明在哮喘，ASM在表型、结构和功能上的改变具有动力性和可塑性（dynamic and plasticity），和其他炎症反应组分的关系之复杂远远超出人们的想象。
对ASM重要性的认识，还来自另外一个众所周知的事实。上个世纪九十年代长效受体激动剂（LABA），特别是ICS和LABA的联合治疗应用于临床，使哮喘治疗水平发生了革命性的改观，大多数哮喘患者通过这一治疗能够达到并维持哮喘的完全控制，这一点在单纯依赖ICS的时代是难以想象的——单纯的抗炎治并没有解决哮喘的基本异常－由于ASM过度缩短引起的气道的过度狭窄。
新的证据促使我们重新审视ASM－一种长期以来被漠视、被低估的特殊的效应器－在哮喘当中的地位，并有可能填补气道炎症和气道反应性之间的缺口（gap）。
一、ASM在哮喘时的改变
1、平滑肌体积的改变 早就发现在哮喘（包括COPD），由于增生（细胞数目）和肥大（细胞大小），ASM体积增加。ASM体积增加的其他原因还有：（1）在气道受到损伤之后，其他部位的肌细胞会迁移到气道，参与气道的修复；（2）ASM凋亡减少。ASM体积增加可以分为两种亚型：Ⅰ型为中心大气道肌层增厚，平滑肌细胞数量增加，即以ASM增生为主；Ⅱ型为为整个支气管树肌层的增厚，平滑肌细胞体积增大，即以ASM肥大为主[2]。轻中度哮喘ASM细胞数目增加两倍，而细胞大小并无明显增加；重度哮喘ASM细胞大于轻度哮喘，增生并不明显；提示不同严重程度的哮喘ASM体积增加的分子机制不同[3]。
ASM体积增加的生理后果是：（1）ASM收缩力可能增强，但也有研究发现增殖或的ASM细胞表达的收缩蛋白更少，收缩细胞器功能不全，提示ASM体积的增加与收缩能力并不相关[4]。（2）支气管壁面积增加，这一点除了直接引起气道狭窄外，还可以引起支气管收缩力与管径的不匹配（mismatch），在等长收缩时导致更严重的狭窄。
迄今对ASM体积增加与支气管张力的调节和不可逆气道阻塞的形成的关系还不清楚。减少ASM体积和阻止肌细胞迁移到气道有可能成为新的治疗策略。
2、ASM表型的改变 在哮喘，ASM细胞的表型可收缩表型转变为增殖型、合成型和分泌型, 主动释放多种细胞因子、趋化因子、生长因子、粘附分子等, 参与哮喘气道炎症与气道重构的发生。其特征表现包括有丝分裂活性增强；细胞内高尔基池、核糖体、粗面内质网等与合成有关的细胞器表达增加；收缩蛋白及相关激酶的表达发生变化。ASM表型的转换受IGF-1、PDGF、IL-1beta、TGF-beta、EGF等调控, 也与周围细胞外基质（ECM）成分如Ⅳ型胶原、1型胶原、弹性蛋白、肝素、层粘连蛋白、纤维连接蛋白、血小板反应素的调节，而ASM细胞本身也可以合成此类基质蛋白。在体外，不同的诱导因子作用下ASM的表型不同，或表型相同，但功能有差异[5]。
3、ASM的凋亡 体外试验和动物模型研究发现，在哮喘ASM凋亡减少，这也是ASM体积增大的原因之一。肽类生长因子能够促进细胞存活、对抗凋亡，而TNF-α、蛋白酶、ECM蛋白（如纤维连接蛋白）、蛋白聚糖（PG，如decorin））能够诱导ASM凋亡 [6]。
4、ASM细胞的迁移 早就发现哮喘时出现肌细胞向气道管腔迁移的现象。迁移的肌细胞一方面成为ASM，另一方面成为肌成纤维细胞的重要来源，而后者是气道重构特别是上皮下纤维化的关键因素。在体外，多种生长因子、趋化因子、细胞因子和黏附分子如PDGF、bFGF、TGF-β、IL-1β、eotaxin，及其受体/配体如CXCR1、CXCR2、CCR7、CXCR1/2配体IL-8和CCR7配体CCL19可调节ASM细胞的迁移。调节ASM细胞迁移的信号通路涉及激活p21激酶（p21-activating kinase）/p38促有丝分裂激活的蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase）、热休克蛋白27、酪氨酸激酶Src、蛋白激酶A等[7,8]。
迁移至气道的平滑肌细胞的来源仍不清楚，可能来自原有的平滑肌层、循环的成纤维细胞，或者骨髓、肺源性间质干细胞。
二、ASM在AHR中的作用
气道炎症和气道高反应性（AHR）是哮喘的两个基本的病理生理特征，传统观点认为AHR缘自气道炎症，临床上往往将支气管激发试验测定的AHR作为反映气道炎症的指标。然而气道炎症并不能完全解释AHR的发生机制[9,10]，有研究表明，ASM结构和功能异常可能和AHR的关系更加密切。更应该认识到的是，不管有没有气道炎症参与，ASM的过度收缩是导致AHR乃至哮喘临床表现的终末环节——没有ASM就没有气道痉挛，AHR也就无从谈起。
在哮喘，ASM表现出对刺激因子更早更强的收缩反应。对ASM收缩力增加的机制进行了深入的研究，发现和数种机制有关。首先，哮喘患者ASM具有可塑性（plasticity）特点，表现为ASM骨架蛋白和收缩蛋白重排，使其在任何长度均能产生更大的收缩力。其次，由于信号通路和收缩性蛋白表达的改变，引起ASM收缩速率加快，并能对抗潮气呼吸和深吸气的舒张效应。第三，ASM体积增加，使支气管壁面积增加，可进一步加重ASM收缩时的支气管缩窄，但气道重构的整体效应是加重还是对抗支气管收缩尚有争议[11]。其他与ASM收缩和AHR有关的因素还包括：抵抗平滑肌缩短的机械负荷，气道的几何学因素如气道粘膜的厚度、肺容量或跨肺压。
目前尚不清楚的是ASM、气道炎症、AHR三者之间究竟是什么样的关系。ASM引起AHR，是继发于气道炎症的一种后果，或者是整个气道炎症的一部分，还是独立或并行于气道炎症的一个途径？
三、ASM对炎症反应的调节作用
大量证据表明，ASM可能作为一种免疫调节细胞参与气道炎症反应，其调节机制涉及细胞粘附分子、细胞因子以及toll样受体的激活。
1、细胞粘附分子（CAMs） ASM细胞表面表达特定的CAMs如 ICAM-1和VCAM-1，并可被一系列炎症介质和细胞因子诱导，如TNF-α、IL-β或IFN-γ。通过这些粘附分子，一方面对于调节ASM自身的炎性分子的表达非常关键，另外一方面可介导嗜酸粒细胞、中性粒细胞、肥大细胞黏附于ASM，以调节这些细胞的功能[5,12,13]。
2、趋化因子 ASM可能是气道趋化因子的重要来源。哮喘患者的支气管活检标本中ASM肌束表达MCP-1、RANTES、eotaxin、Fractalkine和CXCL10 [5，14]。体外培养的ASM在炎性介质诱导下分泌多种趋化因子，如eotaxin、RANTES、CXCL8、MCP-1、MCP-2、MCP-3以及胸腺调节和激活调节的趋化因子[15]。ASM来源的趋化因子对于募集炎性细胞到气道，使炎症反应持续并扩大化具有重要意义。
3、Toll样受体 (TLRs) ASM主要表达TLR-3，ASM表面的TLRs能显著上调炎症介质的分泌，如TNF-α、IL-β或IFN-γ[16]，并调节支气管对激动剂的舒缩反应。
4、ASM与细胞外基质（ECM） ASM通过产生ECM成分（如纤维连接蛋白、胶原、透明质酸、层黏蛋白和波状蛋白）以及基质调节酶（MMP/TIMP），在气道重构中发挥作用。ECM的改变又反过来调节ASM细胞的生长和合成功能。来源于哮喘患者的气道平滑肌细胞与健康人相比，分泌胶原蛋白I、perlecan和chondroitin sulfate显著增多，而分泌层黏蛋白-1和胶原蛋白Ⅳ减少。气道重构时ECM成分的变化对ASM的增殖速度、收缩蛋白表达和功能.、表型转换、细胞存活/凋亡、细胞迁移、细胞因子分泌以及对支气管舒张剂的反应性等均有多方面的调节作用。 值得关注的是，ECM包绕ASM，其成分可能为ASM提供抗凋亡信号，纤维连接蛋白、胶原蛋白I/V、层黏蛋白是重要的抗凋亡因子，而弹力蛋白酶是凋亡诱导因子[5,17]。
四、ASM到底有没有用？
长期以来生理学家对ASM的生理学功能一直感到困惑，并存在种种争议[18]。ASM的功能可能有：（1）蠕动以协助呼气和黏液推进；（2）在外周肺脏持续收缩以产生液体压；（3）促进淋巴液和静脉回流；（4）维持通气/血流比值恒定；（5）保护外周肺脏；（6）保护气道结构；（7）稳定气道；（8）加强咳嗽反射；（9）减少解剖死腔 [19]。但上述功能没有一项为维持正常呼吸系统生理功能所必须，ASM缺失不会引起任何一种疾病或生理功能缺陷。最近更有学者提出，气道平滑肌是人类进化过程中逐渐退化的器官，就像人类的阑尾，并无重要的生理作用[20]。同时，大量研究证实ASM在哮喘的发病机制当中是重要的免疫调节细胞、引起气道狭窄的主要效应器，那么有没有可能通过某种措施象去除阑尾一样去除ASM，像治愈阑尾炎一样治愈哮喘？
最近采用支气管热成形术（Brochial thermoplasty，BT）或射频消融术去除ASM的临床试验，为理解ASM在哮喘当中的地位提供了新的证据，代表了对ASM的认识的一个转变。
Danek等人首先在犬模型中验证消融气道平滑肌以降低气道高反应性的设想，结果提示BT可以选择性地作用于气道平滑肌，达到永久消融的目的。消融的平滑肌数量与气道管径的增加呈正相关，与气道对乙酰甲胆碱的反应性呈负相关，这一效应可以维持到治疗后3年。2004年Miller等人在一项前瞻性研究中首次将BT用于非哮喘患者，组织学观发现气道壁平滑肌数量显著减少。2005年Cox等人对16名轻中度哮喘患者进行了支气管热成形术的疗效和安全性评价，结果显示BT对轻中度哮喘患者安全性良好，可以明显缓解哮喘症状，改善气道高反应性，其疗效可以维持到治疗后2年。2006年Laviolette和Rubin等人观察了BT对于BT对中重度持续性哮喘的治疗效果，结果显示对于中重度持续性哮喘患者，BT的介入治疗比单纯应用吸入皮质激素联合长效β2受体激动剂能够达到更好的哮喘控制。2007年新英格兰医学杂志发表了迄今最重要的关于支气管热成形术的临床试验结果。这项名为AIR Trial Study的研究由英国、加拿大、丹麦和巴西的11个中心完成。该研究证实：（1）在药物治疗的基础上，支气管热成形术能够进一步改善哮喘控制，减少症状，降低急性发作频率。（2）上述效果在术后第3月非常明显，至少可维持到术后1年。（3）支气管热成形术的不良反应主要是术后短期哮喘症状加重，6周以后显著改善，未出现严重的不可耐受的不良反应[21]。
关于BT治疗哮喘的临床价值，尤其是长期有效性和安全性，支持者和反对者的观点都非常激烈。从已披露的试验结果来看，至少说明（1）去除或部分去除ASM有助于改善哮喘的控制，尤其是能够降低支气管收缩反应；（2）BT的近期并发症主要是气道粘膜的损失以及刺激粘液腺肥大，去除ASM本身似乎并没有什么不良的后果。
对于ASM有用还是无用、该保留还是去除，Bates的观点似乎更有代表性：某些人认为ASM是引起哮喘的罪魁祸首，已经宣判了ASM的死刑，如用射频消融术。也许，对ASM更好的惩罚是拉长它、折磨它（torture by stretching on the rack would be a more effective punishment） [22]。
五、ASM：未解之谜和未来的方向
NHLBI 2006年9月举办了一次专家研讨会[5]，旨在更好地了解ASM在健康人和哮喘患者当中的复杂角色，并确定未来针对ASM的研究方向。研讨会的主题包括如下几个方面。
1、发生生物学 有证据显示从胚胎发育开始，ASM即可合成有活性的肌肉特异性肌动蛋，尚有如下问题没有答案：.
l 在胚胎期局部有哪些因子调节ASM的生成？
l 在胚胎期调节ASM的细胞内信号在成年后是否仍然有作用？
l 在胚胎期ASM调节蛋白表达的方式在健康成年人和哮喘/COPD患者有无不同？
l 在宫内去除ASM是否能够防止在成年人发病？
l 能够分化为ASM的祖细胞或前体细胞在成年人是否还存在？
2、ASM兴奋收缩藕联 有证据表明，哮喘患者的ASM兴奋收缩藕联与正常人不同，但离子通道（特别是钙离子通道）、收缩性和细胞骨架蛋白表达的改变、受体、第二信使、及其气道重构的确切作用不清。因此需要阐明：
l 自发性钙离子释放在气道张力的产生中起什么作用？
l 调节细胞内钙离子通道功能的分子是什么？
l 调节小气张力的道自发性离子释放事件是什么？
l 大小气道离子通道表达有什么不同？
l ASM细胞氯离子去极化的分子机制是什么？
l ASM表型的适应型改变是否会改变肌纤维膜的离子通道的表达和功能？这些表型在哮喘、COPD和囊性肺纤维化有什么不同？
l 收缩性和骨架大蛋白什么样的修饰可以诱导ASM的动力性重构和所致的高反应性？
l 哪些刺激因子可以激发机械性适应及适应所需要的调节ASM物理学特性的蛋白表达？
3、细胞增殖、生长和迁移 需要回答的问题包括：
l ASM体积增加的生理性后果是什么？
l ASM体积增加是发生于整个气管支气管树还是局限于某一个节段的气道？
l 调节ASM体积的主要细胞因子和生长因子是什么？
l 调节ASM肥大的关键性翻译和转录调节机制是什么？
l 如果的确存在肌细胞的迁移，这些细胞来自哪里？血管内？骨髓？
l 细胞迁移的生理性意义是什么？
4、免疫学 作为一种免疫调节细胞，对ASM的研究结果大多数来自体外实验。需要解决的问题包括：
l ASM在体内也表达趋化因子、细胞因子和生长因子吗？
l ASM来源的趋化因子、细胞因子的生理意义是什么？这些因子是否调节血管发生？
l 是否有可能采取治疗措施阻止ASM是否免疫调节分子和刺激ASM释放抗炎因子？这些治疗措施的后果是什么？
l ASM是否能够调节上皮细胞、淋巴细胞和肥大细胞的功能，是否在体内分泌促炎和抗炎介质？
l 如果ASM是抗炎治疗的靶细胞，糖皮质激素在体内能够影响ASM细胞吗？
5、:基质 需要回答以下问题：
l 基质表达是否可以决定气道主要的间充质细胞系，从而调节ASM表型？
l 在病毒或变应原诱导的气道高反应性模型，哪些细胞是调节基质沉积的主要细胞？
l 基质沉积对气道重构和气道阻塞的意义是什么？
l 基质分泌的改变是否导致ASM体积增加？
l 决定气道壁基质沉积和更新（turnover）的关键因素是什么？
参加研讨会的专家对今后关于ASM的研究工作提出建议：（1）建立一个采集支气管组织标本的协作网，以评价正常人和哮喘患者ASM的功能；（2）采用基因组和蛋白组技术开发生物标记物以研究ASM的功能；（3）研究新的方法将体内和体外ASM功能研究的结果联系起来；（4）找到在细胞表型转换中发挥重要作用的ASM的干细胞或前体细胞及其信号通路；（6）在动物模型中靶向干预ASM，以了解其免疫调节作用及在气道重构和不可逆气道阻塞中的作用；（7）开发靶向去除ASM的新技术。
六、以ASM为靶细胞的干预策略
关于支气管热成形术的临床试验初步结果令人鼓舞，但这一技术的风险性和成本效益比需要更多的研究，因此，开发新的相对无创且更易为医生和病人接受的干预方法仍有必要。
未来的干预策略可能有：
1、抑制ASM增殖；
2、诱导ASM凋亡；
3、阻止ASM迁移；
4、通过细胞骨架蛋白、收缩性蛋白及信号通路改变ASM的收缩特性。
七、结论
ASM在哮喘以及COPD等气道阻塞性疾病的发生机制当中扮演重要的角色，ASM是调节支气管张力最重要的收缩单位，是控制气道直径的效应器，同时也是重要的免疫调节细胞。从这个意义上讲，哮喘不仅是一种慢性炎症性疾病，也是一种平滑肌病变疾病。目前关于ASM的大多数结果来自体外实验，需要在体内加以验证，如哮喘患者的支气管标本。对ASM的研究有可能填补目前哮喘研究领域缺失的环节，并有可能成为新的治疗靶细胞。
参考文献
1 Omar Tliba,Yassine Amrani, Reynold A. Panettieri, Jr.Is Airway Smooth Muscle the “Missing Link” Modulating Airway Inflammation in Asthma? Cest 2008,133 :237
2 Ebina M, Takahashi T, Chiba T, et al. Cellular hypertrophy and hyperplasia of airway smooth muscles underlying bronchial asthma:a 3-D morphometric study. Am Rev Respir Dis 1993; 148:720–726.
3 Woodruff PG, Dolganov GM, Ferrando RE, et al.Hyperplasia of smooth muscle in mild to moderate asthma without changes in cell size or gene expression. Am J Respir Crit Care Med 2004;169:1001-1006.
4  anettieri RA, Murray RK, DePalo LR, et al. A human airway smooth muscle cell line that retains physiological responsiveness. Am J Physiol Cell Physiol 1989;256:C329–C335.
5 Reynold A. Panettieri, Jr., Michael I.,et al. Airway smooth muscle in bronchial tone, inflammation,and remodeling:Basic knowledge to clinical relevance.Am J Respir Crit Care Med 2008;177:248–252
6 D'Antoni ML,Torregiani C,Ferraro Pet al. Effects of decorin and biglycan on human airway smooth muscle cell proliferation and apoptosis. American Journal of Physiology - Lung Cellular & Molecular Physiology 2008;294 764-71
7 Goncharova EA, Billington CK, Irani C, et al. Cyclic AMP-mobilizing agents and glucocorticoids modulate human smooth muscle cell migration. Am J Respir CellMol Biol 2003;29:19–27.
8 Krymskaya VP, Goncharova EA, Ammit AJ, et al. Src is necessary and sufficient for human airway smoothmuscle cell proliferation and migration. FASEB J 2005;19:428–430.
9 Leckie MJ, ten Brinke A, Khan J, et al. Effects of an interleukin-5 blocking monoclonal antibody on eosinophils, airway hyper-responsiveness, and the late asthmatic response. Lancet 2000; 356:2144–2148
10 Walter DM, McIntire JJ, Berry G, et al. Critical role for IL-13 in the development of allergen-induced airway hyperreactivity. J Immunol 2001; 167:4668–4675
11 FulvioR.Gil,Anne Marie-Lauzon.Smooth muscle molecular mechinsms in airway hypeeresponsiveness and asthma.Can J Physiol Pharmacol 2007;85:133-140
12 Hughes JM, Arthur CA, Baracho S, et al. Human eosinophil airway smooth muscle cell interactions. Mediators Inflamm 2000; 9:93–99
13 Lee CW, Lin WN, Lin CC, et al. Transcriptional regulation of VCAM-1 expression by tumor necrosis factor-alpha in human tracheal smooth muscle cells: involvement of MAPKs, NF-_B, p300, and histone acetylation. J Cell Physiol 2006; 207:174 –186
14 Brightling CE, Ammit AJ, Kaur D, et al. The CXCL10/ CXCR3 axis mediates human lung mast cell migration to asthmatic airway smooth muscle. Am J Respir Crit Care Med 2005; 171: 1103–1108
15 Lazaar AL, Panettieri RA Jr. Airway smooth muscle as a regulator of immune responses and bronchomotor tone. Clin Chest Med 2006; 27:53– 69
16 Sukkar MB, Xie S, Khorasani NM, et al. Toll-like receptor 2, 3, and 4 expression and function in human airway smooth muscle. J Allergy Clin Immunol 2006; 118:641–648
17 Hirst SJ, Twort CHC, Lee TH. Differential effects of extracellular matrix proteins on human airway smooth muscle cell proliferation and phenotype.Am J Respir Cell Mol Biol 2000; 23:335-44.
18 Mead J, Fredberg JJ. Point:Counterpoint Airway smooth muscle is/is not useful. J Appl Physiol 2007,102: 1708–1711
19 Macklin CC. The musculature of the bronchi and lungs. Physiol Reviews 1929; 9: 1–60.
20 Mitzner W. Airway smooth muscle: the appendix of the lung.Am J Respir Crit Care Med 2004; 169:789-790.
21 刘春涛.支气管热成形术用于哮喘治疗的研究进展. 中国呼吸与危重监护杂志 2007；6：311-313
22 Jason H. T. Bates.How should airway smooth muscle be punished for causing asthma? J Appl Physiol 2008; 104: 575–576 | 
IP卡
狗仔卡
发表于 2009-5-25 14:26
收藏
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
发表于 2009-12-1 17:13
