哮喘联盟

                                                 宋立强
                                  第四军医大学西京医院呼吸内科  710032

   哮喘本质上是一种以Th2细胞免疫应答为主的慢性非特异性气道炎症，但用这一单纯的炎症理论尚不足以解释哮喘的慢性自然病史，近年来哮喘气道重塑在哮喘发病机制和治疗中的作用越来越受关注。它是一个集合性术语，特指哮喘患者气道壁不同于正常气道的结构改变，组织学特征包括气道壁增厚，上皮下纤维化，平滑肌细胞（ASMCs）增生、肥大，杯状细胞和黏液腺增生、肥大，血管生成等。作为哮喘的特征性病理改变，气道重塑是哮喘慢性炎症长期存在及支气管痉挛反复发作的结果，是哮喘中不可逆性气道阻塞、顽固性气道高反应性及肺功能降低的直接原因，是哮喘慢性化、持续化、严重化的病理基础，也是激素抵抗性哮喘的病理基础。
   一、主要病理变化
   （一）黏液腺增生和黏液性化生
   上皮腺体增生和黏液性化生，导致黏液分泌过多，黏液栓阻塞气道是慢性哮喘和重症难治性哮喘的重要特征。病理观察表明上皮腺体增生和黏液性化生不仅能增强支气管平滑肌的收缩作用，而且还能增加气液交界处的表面张力，促使支气管狭窄甚至闭塞。
   （二）基底膜增厚及上皮下纤维化
   基底膜增厚是哮喘气道重塑的特征性改变，发生在疾病的早期。包括了除层黏连蛋白外的免疫球蛋白、Ⅰ型和Ⅲ型胶原、生腱蛋白、纤维连接蛋白的丛状沉积。这些蛋白由活性肌成纤维细胞产生，并最终导致气道上皮下纤维化。而气道上皮下纤维化能减少气道黏膜皱折的数量，改变黏膜折叠的类型，使气道黏膜在支气管平滑肌收缩时从多而细的皱折变为少而大的皱折，以此增加气道阻力并加重气道狭窄。 
   （三）气道平滑肌细胞增生与肥大
   气道平滑肌细胞增生肥大的直接后果是增加气道的收缩力，导致管壁增厚，加重气道狭窄，使气道反应性进一步增高。此外它还可合成ECM加重气道壁的纤维化。目前认为气道平滑肌变化是气道重塑的结构基础。 
   （四）气道血管异常生成和/或血管重构
   与正常人相比，哮喘患者气道黏膜下层和(或)黏膜固有层单位面积内血管数目和所占面积均增加，且管壁水肿，内皮下基层膜增厚，并出现肌细胞萎缩和管壁的玻璃样变。
   （五）弹力纤维破碎
   哮喘患者支气管黏膜活检显示弹力纤维破裂甚至缺乏，电镜下也表明哮喘患者气道发生了促弹性组织离解过程，表现为纤维斑化、紊乱和增厚。
   （六）细胞外基质沉积
   ECM包括胶原、弹力纤维、网状纤维、黏多糖及蛋白质复合物、胶样无定形均匀物质等。气道壁ECM过度沉积，又称为气道ECM重塑，是构成气流阻塞的重要原因。除了上面提及的胶原和弹性纤维的变化外，还包括纤维黏连蛋白活性增强、基底膜周围β2层黏连蛋白的沉积和基底膜内细胞黏合素表达的增加等。
   （七）气道神经组织变化
   哮喘患者气道P物质(substance P,SP)含量增高，且具有SP活性的神经组织在形态学特征上与正常人存在显著差别。
   二、气道重塑的主要发生机制
   （一）气道平滑肌细胞的增生及表型转化
   作为气管管壁的主要结构细胞，气道平滑肌细胞的增生是气道重塑的结构基础和中心性环节，它不仅使支气管对刺激的收缩反应更强烈，加重气道高反应性，而且使气道壁增厚变形，导致基础气道阻力增加和不可逆性气流阻塞的发生，出现难以逆转的气道重塑。此外平滑肌细胞还能通过表型转化由收缩型变成合成型，表达黏附分子，释放细胞因子并产生基质成分和蛋白酶。而这些物质反过来又会促进和加重气道重塑，它们或是促进杯状细胞粘液腺增生、肥大及分泌，或是激发成纤维细胞和ASMCs促有丝分裂反应，或是增强这些细胞的结缔组织合成能力，使其产生大量胶原及氨基聚糖等细胞外基质沉积于基底膜。
   鉴于ASMCs在哮喘气道重塑发生机制中的重要作用，目前它已成为哮喘气道重塑研究及治疗的重要标靶，研究ASMCs增殖及信号转导途径对于阐明哮喘发病机制、选择针对性的治疗方案具有重要意义。影响气道平滑肌细胞增生的因素众多。
   1.促ASMCs增生的主要活性物质
   目前研究认为促ASMCs有丝分裂的物质主要有：
   (1)生长因子：包括TGF-β、VEGF、PDGF、IGF、bFGF；
   (2)炎症介质：包括内皮素-1、白三烯D4、血栓素A2；
   (3)细胞因子：包括IL-11和IL-6。另外有研究表明IL-1和TNF-α在哮喘患者的肺泡灌洗液中增多，但是否能直接促进ASMCs增殖仍存在争议；
   (4)酶：包括α-凝血酶、溶酶体水解酶。这些丝裂原有的直接诱发细胞有丝分裂，有的则通过刺激其它细胞来间接诱导ASMCs有丝分裂。应指出的是，这些研究发现均为体外实验的结果，哮喘患者体内是否存在同样的作用机制目前仍未清楚。
   2.ASMCs增生的负向调节因素
   能与腺苷酸环化酶结合而增加环磷酸腺苷(cyclic adenosine mono-phosphate,cAMP)的物质，诸如β2受体激动剂、血管活性肠肽、前列腺素E2等均能抑制平滑肌细胞增殖，其增加cAMP的作用机制十分复杂，目前认为可能与抑制Raf-1活化及其抑制磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)、细胞周期蛋白D等的蛋白表达有关。平滑肌细胞还能自分泌血栓素A2、原生型环氧化酶-1或诱生型环氧化酶-2等内源性增殖抑制因子。此外，糖皮质激素、肝素、TGF-β1、IL-4及脱氢表雄甾酮等均具有抑制ASMCs增殖的作用。
   3.ASMCs增殖的信号转导途径
   尽管不同的丝裂原通过不同的受体介导ASMCs的增殖，但近来研究证据表明这些细胞外信号对ASMCs的增殖激活途径都是以p21Ras为交汇点，由此与下游的Raf-1和PI3K相互作用，分别介导细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinases,ERK)途径和PI3K途径。因此ERK和PI3K的激活是介导ASMCs增殖的两条最主要的信号转导途径。
   （1） ERK信号转导途径
   这是多数生长因子和炎症介质调控ASMCs增殖的关键性途径。不同丝裂原受体的信号通过这一共同通路汇集后能够磷酸化某些转录因子，改变基因转录的速度，影响基因表达水平，从而调节ASMCs的生长状态。ERK信号转导通路的核心是由ERK和其上游分子MEK(MAPK kinase)和Raf(MAPKK kinase)三种蛋白激酶构成的三级级联激活反应链，而级联系统的激活又依赖于活化的Ras与Raf的结合。目前认为，这条信号转导通路有两条激活途径：
   (1)受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTK)途径：生长因子PDGF、VEGF、IGF-1等通过其膜受体胞浆区所具有的酪氨酸激酶活性活化ERK；
   (2)G蛋白耦联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)途径：血栓素A2、内皮素-1、5-羟色胺、凝血酶，前列腺素及其衍生物均是通过这一途径而激活ERK的。当然，这两种激活方式并不是互相独立的，它们之间存在协同作用，能发生转移激活。
   （2）PI3K信号转导途径
   这是调控ASMCs增殖的另一重要途径。活化的PI3K通过催化底物PI4-P和PI4,5-P2发生磷酸化而生成相应的PI-3,4-P2(PIP2)和PI-3,4,5-P3(P IP3)，并以此作为第二信使将活化信号传入细胞内，激活级联系统中的p70S6K、Rac1和Cdc42等下游效应分子，再通过诱导细胞周期蛋白D1等的表达促进ASMCs的增殖。
   研究证明PI3K可通过其SH2结构域被RTK的磷酸化酪氨酸残基作用而活化，也可通过其催化亚基被GPCR的βγ亚基激活而活化，其活化途径是由不同的丝裂原所作用的受体种类而决定的。此外，不同的丝裂原还可以通过信号中转分子Ras的介导而间接激活PI3K。
   除外以上两条信号转导途径，活性氧中间产物也是介导HASMCs有丝分裂所需要的[25]。对调控ASMCs增殖的信号转导途径的深入研究，必将为防治哮喘气道重塑提供新方法和新思路，而开发对靶细胞和信号转导分子都具高度选择性的增殖抑制剂将是今后研究的主要方向。
   （二）上皮间质的相互作用
   哮喘时气道重塑的调控根源于上皮，它是表皮生长因子(endothelial growth factor,EGF)和转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)的重要来源。EGF可刺激上皮细胞增生，促进上皮细胞合成基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)，并能增加气道平滑肌细胞的DNA合成以促进细胞分裂增殖；而TGF-β则抑制上皮细胞增生及MMPs合成，促进成纤维细胞增殖。在哮喘的发病过程中，呼吸道上皮细胞正常修复机制受损，EGF的表达相对不足而TGF-β表达明显增多，引起EGF/TGF-β失衡，导致上皮细胞不适当地被锁定于修复表型，通过释放碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、胰岛素样生长因子-2(insulin-like growth factor-2,IGF-2)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor, PDGF)和内皮素-1等促增殖和促纤维化生长因子，将由其始动的重建信号延伸和放大至粘膜深层，作用于间质的成纤维及平滑肌细胞，出现“上皮-间充质营养单位再激活”，导致平滑肌肥厚、基膜增厚、粘液腺增生等气道重塑的结构性病变。
   （三）肥大细胞刺激纤维增生、血管生成
   除了上皮细胞外，其它细胞也能调控间质细胞活性。肥大细胞释放的类胰蛋白酶，是刺激成纤维细胞和平滑肌细胞增生的潜在因素，且能刺激Ⅰ型胶原合成。哮喘患者气道内血管密度和血管面积与肥大细胞数目明显相关，肥大细胞产生的许多介质都有促进血管生成及调节内皮细胞功能的作用。气道血管生成可能从以下几个方面参与哮喘气道重塑：
   (1)血管体积增加，使气道壁增厚；
   (2)血管生成促进气道平滑肌细胞、成纤维细胞增生/肥大和分泌功能；
   (3)血管黏附分子表达异常导致炎症细胞浸润增加；
   (4)血管生成还可能参与气道上皮化生。
   （四）MMP-9/TIMP-1失衡
   ECM的降解和沉积失衡是导致哮喘呼吸道壁结构异常构建的重要原因，这一过程中MMP-9发挥着重要作用。MMP-9是与哮喘气道重塑关系最为密切的MMPs成员，主要负责降解多糖以外的全部ECM成分。组织金属蛋白酶抑制剂-1(tissue matrix metalloproteinnases inhibitor-1,TIMP-1)是MMP-9的特异性抑制剂，生理情况下它以1∶1的分子比例与MMP-9结合，特异性抑制MMP-9的活性。研究发现哮喘患者Ⅲ、Ⅴ型胶原及黏合素在上皮下的沉积与局部MMP-9、TIMP-1表达增高有关，且MMP-9的表达强度大于TIMP-1，提示MMP-9与TIMP-1的活性失调与呼吸道重塑有关。对慢性哮喘大鼠气道重塑模型的活体研究进一步证实MMP-9/TIMP-1失衡在哮喘的ECM结构重塑中起核心作用。这一平衡是维持ECM内环境稳定的决定因素，目前MMP-9/TIMP-1比例已成为显示哮喘气道组织破坏和修复之间平衡的一种标志。MMP-9还可在其他多个层面上参与气道重塑：
   (1)MMP-9在IL-13介导下通过激活TGF-β促进成纤维细胞的增殖、胶原纤维合成而导致基底膜增厚；
   (2)MMP-9可激活与基质生长有关的肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、TGF-β1等生长因子的释放，通过诱导成纤维细胞的分化及ASMCs的增殖来参与气道平滑肌层的增厚；
   (3)MMP-9可降解血管胶原成分，加快血管平滑肌细胞移行到血管基质，扩大血管的表面积，并参与血管内皮生长因子的释放，促进新血管形成；
   (4)MMP-9还可降解上皮下胶原，促进上皮细胞的移行。
   （五）嗜酸性粒细胞的促进作用
   嗜酸性粒细胞是ECM重塑的主要效应细胞，它在受到炎性介质刺激后通过分泌大量的MMP-9来参与气道重塑；同时活化的MMP-9反过来又能促进嗜酸性粒细胞穿越基底膜向炎性反应部位浸润，从而产生恶性循环，进一步加重气道重塑。嗜酸性粒细胞还可通过产生TGF-β1、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、IL-13、白三烯等多种与纤维化相关的细胞因子，在哮喘气道重塑上发挥重要作用。神经生长因子是嗜酸粒细胞的化学吸附剂和活化因子，两者互为因果,互相促进合成释放。它能够提高嗜酸粒细胞的存活率，使嗜酸粒细胞数量增加，增强嗜酸粒细胞在气道重塑中的效应；此外，它还可提高支配气道平滑肌收缩的神经系统兴奋性，使气道长期处于炎症状态，导致气道重塑的发生。
   （六）肌成纤维细胞的促进作用
   目前认为肌成纤维细胞在上皮下纤维化的形成过程中起主导作用。作为胶原及其他ECM的主要来源，肌成纤维细胞一方面可通过释放弹性蛋白，纤维连接蛋白和层黏连蛋白等ECM促进组织重塑；另一方面还可释放TGF-β1等细胞因子，通过募集炎性细胞和调节ECM的代谢参与气道结构重塑。
   三、展望
   哮喘气道重塑是一个复杂的、多因素参与的过程。虽然目前GINA方案已经制定了控制哮喘的长期治疗措施，并取得令人瞩目的临床疗效，但这些措施都仅局限于症状控制层面上，以气道慢性炎症为基础的气道重塑仍呈持续性、进行性发展，并成为影响哮喘预后和治疗的主要原因。因此，从细胞和分子的角度了解气道重塑，对未来探索新的哮喘靶向性治疗方法十分重要。只有这样，才能实现哮喘的症状、炎症、重塑的全面控制。