气道上皮细胞在哮喘发病机制中的作用（一）
2009/05/15
宋立强
西安，第四军医大学西京医院呼吸内科 710032
呼吸系统是机体直接对外开放的器官之一，气道上皮细胞（airway epithelium cell, AEC）则处于该系统与外界环境接触的最前沿。AEC不仅是具备黏液－纤毛系统的的物理屏障，而且是能对吸入性理化、生物学刺激因子产生相应代谢反应的功能单位。特别是在哮喘的病理生理过程中，AEC在早期就出现形态和功能的改变，处于持续、异常的损伤与修复状态，并通过自分泌、旁分泌及juxtacrine等方式产生多种细胞因子和炎性介质，从而影响炎症细胞、平滑肌细胞的功能及周围组织的结构，启动、参与和调控哮喘的慢性炎症反应。AEC的这种结构与功能变化被称为“上皮重塑”，是哮喘发病的早期事件。AEC在哮喘气道黏液高分泌、气道高反应性、气道重塑等临床和病理变化中均扮演重要角色。
一、 AEC的基本结构
按照功能上是否发生气体交换，气道分为传导性气道（conducting airway）和交换性气道（respiratory airway）。AEC常狭义地指位于传导性气道粘膜的部分。AEC是由假复层纤毛柱状AEC和杯状细胞为主的复合体，其下的基底膜上还存在散在、单行的基底细胞，以及具有分泌功能的神经内分泌细胞（Kulchisky细胞）和Clara细胞。
二、 AEC与哮喘发病关系问题的提出
一般认为，哮喘是一种气道慢性非特异性炎症。它是由多种细胞（特别是嗜酸性细胞、肥大细胞和T淋巴细胞）参与、50多种炎症介质和25种以上的细胞因子相互作用形成的。气道炎症是哮喘患者出现气道可逆性阻塞、气道非特异性高反应性及气道重塑的决定性因素之一[Lau S,2000]。
然而，针对性的糖皮质激素消炎治疗，并没能明显改善一些患者的临床症状。激素低敏感型哮喘（steroid insensitive asthma）是描述这一现象的新概念。最近的临床观察证实，5～11岁的哮喘儿童经过吸入性激素1年的治疗，支气管舒张功能只有轻度改善，并在此后的3年中逐渐倒退至与安慰剂组相似的水平[Moghal N,1998]。Lange研究组[Lange P,1998]对成人哮喘患者进行了长达15年的跟踪调查，结果发现：尽管坚持正规、足量的激素治疗，重症哮喘患者依旧保持着持续的气道高反应性，肺通气功能指标仍呈渐进性下降；特别是气道重塑的异构性改变过程未能受到彻底遏制。这可能是由于激素虽然在一定程度上抑制了Th2细胞、嗜酸性粒细胞在气道局部浸润，以及释放细胞因子和炎症介质，表现为轻中度哮喘的短期缓解，但是激素未能从根本上阻断气道炎症反应的发生。因此，寻找气道炎症形成的始动部位是非常必要的。
哮喘的发生是遗传因素与环境因素（反复接触过敏原、病原体、冷空气、运动及废气烟雾等）相互作用的结果。首先，哮喘具有一定的遗传特质性。随着分子生物学技术的飞速发展，哮喘特应性基因及其染色体定位，已成为哮喘分子遗传学研究的重点。目前已报道的免疫相关基因有人类白细胞抗原基因（位于6p）、T细胞抗原受体α/δ链基因（14q11.2）、细胞因子基因簇（5q31-32）及IgE高亲合力受体β亚单位基因（11q13）等。患有遗传性过敏症的患者，对外来变应原具有产生特异性IgE的倾向，这是儿童和青年型哮喘发生的危险因素之一。但分子流行病学调查显示，这些患者当中只有10%最终发展成哮喘，而成人型哮喘大多数发生在非过敏性慢性疾患者群中。Jansen[Jansen DF,1999]也证实特应性变态反应与气道高反应有着不同的遗传基因谱。可见，具备特应性反应的遗传因素并不是哮喘的发病必要条件。
相反，环境因素来愈来愈受到人们的关注。临床流行病学调查证实，近30年来哮喘发病率越来越高，与大气污染、气候变迁、呼吸道反复感染、药物及饮食结构改变等众多环境因素密切相关[Stein RT,1999; Nicolai T,1999; Johnston SK,1996]。也就是说，人类生存环境的变化与业已存在的遗传易感性相接轨，共同演绎了目前哮喘的高发状况。AEC作为隔断呼吸系统与外界环境接触的屏障，持续暴露在吸入性有害物质中，成为连接环境与基因链条的关键环节。解剖学的特定地位，决定了AEC生物学特性的变化是哮喘发生的早期事件。
三、AEC功能异常是哮喘发病的始动环节
GINA2002年版特别强调非炎性细胞在气道炎症形成中的作用，如AEC、平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞等。近年的研究资料表明，AEC位于外界刺激与内环境接触的第一环节，其结构与功能异常在哮喘慢性炎症形成中占据重要地位。AEC在哮喘发生中扮演着靶细胞和效应细胞两个角色[Polito AJ,1997]。作为靶细胞，AEC是气道机械屏障的重要组成，保护肺及机体内环境的稳定，首当其冲遭受吸入性污染物、感染物的直接侵害。加之后期炎性细胞释放的炎症介质刺激，AEC表现出损伤、脱落的病理改变。作为效应细胞，受激发的AEC能通过吞噬过敏原分子、分泌黏液和杀菌物质等方式，提高局部防御能力，并选择性表达粘附分子、白细胞介素、集落刺激因子和趋化性细胞因子等激活机体免疫系统，最终可能引发异常的气道炎症反应。修复中的AEC还能释放表皮生长因子、转化生长因子β等生长因子及纤维连接蛋白等细胞外基质，这些生长因子和基质在促进AEC修复的同时，也引起成纤维细胞、肌成纤维细胞、平滑肌细胞的增生及释放胶原分子,引发气道重塑。可见，AEC在气道慢性炎症和气道重塑两个并行的病理过程中均发挥中心调节作用。
许多实验都证明，多种吸入性刺激因子都会直接引起在体或离体AEC的功能变化。据报道，当健康人体吸入内燃机燃烧废气时，受累AEC能高表达IL-8和GM-CSF，气道活检标本和BALF中中性粒细胞数量也明显增加。一些常见的气体变应原如灰尘微抗原（Der p）蛋白分解酶类，可引起AEC释放IL-6、IL-8及GM-CSF，同时ICAM-1表达升高[King C,1998]。鼻病毒感染也能导致AEC中IL-6、IL-8、IL-16、RANTES、ICAM-1及VCAM-1表达水平显著增加[Papadopoulos NG,2000 ]。反过来，局部出现的高浓度细胞因子将招募和活化免疫细胞，后者直接或间接对AEC产生反馈作用，促进受损AEC的清除及修复。
总结上述AEC结构与功能变化的流程：受损－修复－释放细胞因子等－反作用于AEC。这也是正常气道对外界刺激的防御反应过程，但这些反应在正常的非哮喘个体不会引起过度的慢性气道炎症,也不伴气道重塑。推测哮喘患者AEC功能不良，对外界环境刺激的免疫反应发生偏离，从而启动具备异常特征的慢性气道炎症和气道重塑过程。下面将从三个方面论述哮喘AEC的变化特点。
（1）、哮喘AEC的损伤
AEC是保证气道内环境稳定的重要屏障，常暴露于污染物、病原体及免疫原等外界干扰因素中。这些因素直接的细胞毒作用、蛋白水解作用，或继发局部炎症反应的间接作用，都容易导致AEC受损。譬如，氧化剂通过破坏细胞间的紧密连接来提高气道上皮的通透性，并可诱导细胞凋亡。免疫原通过其直接的蛋白水解酶活性，割裂细胞间的连结，增加胞膜的通透性，诱导细胞死亡[Devalia JL,1999]。嗜酸性粒细胞、肥大细胞则是引起AEC第二次损害的主要效应细胞。当体外培养AEC的密度降低时，鼻病毒对其的侵蚀能力也相应增强[Papadopoulos NG,1999]。此外，一些吸入物质主要通过激发AEC的应激反应，诱发广泛的前炎性改变，来间接破坏AEC的功能。早在80年代中期，Laitinen等[Laitinen LA,1995]就观察到，哮喘AEC出现结构紊乱，表现为纤毛柱状细胞脱落、上皮通透性增加，临床表现出与AEC损伤程度一致的气道高反应性。该作者还认为AEC脱落是哮喘的特征性表现之一。随后的观察也证实这一点[Montefort SJ,1992;Chetta AA,1996; Ilowite JS,1989 ]。但AEC脱落的主要原因尚无定论。研究表明，肥大细胞产生的胶原蛋白酶系、嗜酸性粒细胞产生的颗粒蛋白、巨噬细胞及AEC本身产生的基质金属蛋白酶，均可损伤AEC、基底细胞及两者之间发挥连接作用的粘附分子[Bousquet J,2000 ]。另外，尽管COPD与哮喘等气道疾病同样是炎症细胞浸润性病变，但在COPD等的病理变化中均未发现AEC脱落现象。可见，哮喘AEC更脆弱易损，或者其对损伤的反应更强烈。也有研究认为，由于细胞间粘附紊乱，哮喘AEC、基底细胞与基底膜的连接变得松弛[Bousquet J,2000]。也有学者补充认为，AEC脱落是炎性细胞清除受损部位细胞碎片的结果，这样能为AEC的再生提供空间；同时炎性细胞还提供了多种生长因子。可见，AEC受损与脱落，是哮喘气道早期的病理变化。
（2）、哮喘AEC的修复
根据不同的损伤程度，AEC出现相应的修复反应。轻微损伤能加快细胞的生理性再生过程，以替代衰老细胞。当受到亚死亡程度的损害，细胞则表现出应激反应。在轻度和中度哮喘，AEC常发生脱落等广泛性的损伤，残余的AEC和基底细胞均会出现分化，恢复气道的分层结构。这一过程是由细胞内可诱导基因的活性变化来调节的。目前发现，粘附分子和生长因子可做为胞外刺激因子，通过结合胞膜受体及信号分子级联通路，启动AEC可诱导基因的表达。其中表皮生长因子受体（EGFR或c-erbB）是AEC修复的重要起始位点。该受体的配体包括EGF、TGF-α、heparin-binding EGF-like growth factor（HB-EGF）、双调蛋白（amphiregulin）、betacellulin和epiregulin等，AEC及粘膜下腺均能产生这些促生长因子。早期研究发现，EGFR在急性肺损伤中扮演促进AEC修复的角色。例如EGFR能加快烟雾损伤的羊AEC修复[Barrow RE,1993 ]。此外，机械损伤、过氧化刺激、TNF或变应原浸出物都能提高AEC中EGFR的表达水平。也有人将EGFR表达升高的现象作为AEC受损的早期标志。EGFR是一种受体型酪氨酸蛋白激酶，胞浆区含有一个酪氨酸激酶催化活性结构域。该酶被配体结合激活后，能催化胞浆中特定底物酪氨酸残基的磷酸化，进而激活Ras-MAPK途径，将胞外配体信号转至胞内，提高AEC的DNA合成量及增殖活性[Lemmon MA1994 ]。可见，在非哮喘患者AEC，增高表达的EGFR仅仅局限在组织结构受损的区域[Davies DE,1999]。
而对哮喘气道活检发现，除去损伤区AEC，形态结构完整区的AEC也有EGFR高表达[Polosa R,1998 ]。日本学者采用免疫组化染色方法对哮喘患者尸检和临床标本进行研究，结果显示所有AEC均呈阳性。提示AEC发生了广泛性的功能变化[Amishima MM,1998 ]，哮喘AEC受损的广泛程度远比人们预想值大。其次，AEC修复后，EGFR的高表达状态并未改变，这表明AEC仍处于异常的修复状态。然而，Demoly[Demoly P,1994 ]观察到增生细胞核抗原（Proliferating cell nuclear antigen，PCNA）在哮喘患者AEC呈低水平表达，说明修复中的AEC并不处于明显的增生状态。但激素治疗后的AEC中PCNA表达显著升高[Druilhe A,1998]，这与激素能加速上皮修复的临床现象相一致，可能气道炎症损伤被抑制有关。在激素低敏感型哮喘患者，人们也观察到虽然经过激素治疗，患者的临床症状未见缓解，同时EGFR仍保持高表达。综上可见，尽管哮喘气道上皮的修复相关蛋白EGFR表达上调，但并未表现出EGFR激发的有丝分裂信号升高的增生现象。这种不一致提示EGFR的信号转导通路受阻，抑或EGFR在哮喘AEC中担负其它功能。譬如在培养大肠癌细胞，EGFR激活可引起细胞粘附结构的启动和胞桥小体的内在化，这些变化与细胞的迁移有关[Solic N,1997 ]。再有，正常AEC的生长周期是由cyclin/cyclin依赖的蛋白激酶系统调控的，调节细胞从G1期至S期、G2期至有丝分裂期。p21waf作为cyclin依赖性蛋白激酶的抑制剂，起着负向调节G1期cyclin的作用。TGF-β则能诱导p21waf的产生。而重症哮喘AEC中，p21wa和TGF-β表达是显著升高的[Torres LC,2000]，这与正常AEC受损的修复过程相矛盾。可见，哮喘AEC处于一种异常的修复状态。
处于修复状态的AEC未能表现出明显的增生活性，提示一种修复受阻的病理现象，也说明哮喘患者AEC与正常AEC的异质性，可能也是哮喘内在遗传特征的一种表现。其原因尚不清楚。这种异常修复的不良后果已被近年的许多研究所证实：①AEC产生白细胞介素和趋化性细胞因子等细胞因子的能力增强，加重和延长慢性炎症过程。②AEC释放各种生长因子的数量增加，有利于上皮下层的肌成纤维细胞合成胶原，加重哮喘的气道重塑[Holgate ST,2000]。③气道粘膜结构的改变，以及AEC、抗原递呈细胞和T细胞之间信号交换情况的改变，能营造出Th0细胞向Th2细胞方向趋化、IgE持续产生所必需的微环境。
（3）、哮喘AEC功能的改变
在体研究哮喘气道与正常气道对环境刺激易感性的本质差异，有着太多的干扰因素。体外研究中，Bayram等[Bayram H,1998]比较培养的轻度哮喘患者和正常人AEC的特点差异，发现哮喘AEC释放IL-8、GM-CSF和sICAM-1的数量显著升高，并且只有该细胞能产生RANTES。当两种细胞都受到低浓度柴油燃烧残留物干预时，纤毛的摆动频率无明显差异，但哮喘AEC产生细胞因子的数量增加。这种应激反应的差异在体外培养AEC中能维持数代。Bhathena[Bhathena PR,2001] 则检测到哮喘AEC膜表面IL-9受体表达增加。Alimam报道[Alimam NZ,2000]，哮喘小鼠模型AEC分泌黏液量增加，其中黏液糖蛋白基因MUC5AC的转录和翻译水平升高。Bucchieri[Bucchieri F,2000 ]的观察发现，受到同样剂量氧化剂的作用，哮喘AEC比正常AEC更容易发生凋亡。可见，哮喘AEC功能的改变表现在多个方面，其发生机制仍不清楚。
除了环境与遗传因素，哮喘气道炎症过程中继发产生的细胞因子和炎性介质也能作用于AEC，触发或加速该细胞功能改变。譬如，IL-9、IL-4及IL-16能促进AEC产生IL-16 [Yoshida N,2001]。IL-9能促进AEC对黏液及RANTES的分泌[Little FF,2001;Longphre M,1999]。IL-5能促进上皮表达ICAM-1、VCAM-1，从而与嗜酸性粒细胞粘附增强[Sanmugalingham D,2000]。TNF-α和或INF-γ能促进AEC产生大量纤维粘连蛋白[Harkenon E,1995]。这些功能变化大多与AEC发挥对气道炎症的调节作用相关。所以，引起哮喘发病的因素并不主要是特异性变态反应，更重要的是AEC的异常及其周围微环境的改变，使机体表现出哮喘易感性和气道炎症持续性。
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