上皮細胞在氣道變態(tài)反應性疾病中的作用
Role of airway epithelial cells in the pathogenesis on respiratory allergic diseases
王勇聰,彭華,汪建(廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院耳鼻咽喉科,廣東 廣州 510010)
[關鍵詞]氣道上皮細胞;變態(tài)反應性疾病;發(fā)病機制
呼吸道變態(tài)反應性疾病的發(fā)病率在臨床上呈日益增高的趨勢,嚴重影響人們的生活和工作[1]。常見的呼吸道變態(tài)反應性疾病包括:變態(tài)反應性鼻炎(allergic rhinitis,AR)、支氣管哮喘(bronchial asthma,BA)以及過敏性咳嗽等。上、下氣道的變態(tài)反應性疾病既相互關聯(lián),又有其特殊的組織特異性。近年來,氣道上皮細胞在呼吸道變態(tài)反應性疾病發(fā)病機制中的作用越來越受到人們的關注和重視。呼吸道上皮細胞分布于整個上下氣道,是阻擋吸入性過敏原入侵機體的第一道防線,同時也具有一定的免疫調節(jié)功能。氣道上皮細胞的研究為呼吸道變態(tài)反應的治療提供新思路,本文綜述如下。
1氣道上皮細胞的黏液纖毛清除功能
呼吸道上皮中的杯狀細胞可分泌黏液,黏膜下層中的黏液腺可分泌黏液和漿液。呼吸道黏膜的每個上皮細胞約有200條纖毛,通過規(guī)律的擺動將呼吸道分泌的黏液向咽部推移。吸入性變應原通過氣道上皮進入機體是氣道過敏性疾病發(fā)生的始動因素。某些呼吸道病毒,如人類鼻病毒(human rhinovirus,HRV)、呼吸道合胞病毒(respiratory syneytial virus,RSV)等可誘導Th2型細胞因子分泌,這是引起呼吸道變態(tài)反應性疾病發(fā)生或加重的重要因素[2]。柴油顆粒、粉塵等空氣中污染物則是誘發(fā)AR或BA的重要佐劑[3]。而呼吸道上皮細胞的黏液纖毛清除功能可直接將大部分吸入性變應原、呼吸道的病原體、粉塵等清除體外,極大地減少了呼吸道變態(tài)反應性疾病的發(fā)生概率。
另一方面,呼吸道黏膜變態(tài)反應性炎癥可使氣道上皮細胞
的黏液纖毛清除功能減退。劉建國等[4]研究發(fā)現(xiàn)變應原暴露會引起大鼠鼻黏膜細胞纖毛面積減少、排列紊亂,有的纖毛粘集成團、向不同方向傾倒,上皮纖毛和絨毛等多數(shù)超微結構發(fā)生進行性損害,隨著變應原暴露時間的延長大鼠會出現(xiàn)鼻涕排除障礙。變應原暴露、病毒感染或基因突變皆可引起哮喘患者氣道上皮細胞的纖毛結構異常、擺動頻率下降,進而降低黏液纖毛的清除功能[5]。
2氣道上皮細胞的物理屏障功能
氣道表面由連續(xù)的上皮細胞覆蓋,通過緊密連接、半橋粒和粘著連接而形成一個完整的氣道黏膜屏障,將空氣中的有害物質和黏膜下層的免疫細胞分離開來。病毒感染、煙霧等可直接損傷氣道上皮細胞,誘發(fā)或加重AR或BA的癥狀[6]。而變應原則通過其蛋白水解酶活性破壞氣道上皮細胞間的連接,以及釋放炎癥因子、下調粘連蛋白的表達、直接損傷細胞等多種途徑造成氣道上皮細胞物理屏障功能破壞。塵螨等帶有蛋白水解活性酶的變應原可直接水解氣道上皮細胞之間的連接,也可通過蛋白酶活化受體-2(protease activated receptor-2,PAR-2)的激活間接破壞氣道上皮細胞之間的連接[7-8]。細胞連接的粘附分子 (cell adhesion molecule,CAM)依賴于Ca2+才能發(fā)揮作用,而帶有酶活性變應原可競爭性結合Ca2+,導致氣道上皮細胞間的連接分離[9]??缒も}粘附蛋白是緊密連接和粘著連接的重要組成成分,在連接復合體中起著支架作用。而體內、外研究實驗發(fā)現(xiàn)呼吸道變應性疾病患者氣道上皮細胞之間的跨膜鈣粘附蛋白等多種連接蛋白表達減少[10-11]。氣道上皮細胞間連接的完整性遭到破壞導致變應原輕易地穿過氣道上皮黏膜層,并與黏膜下層的免疫細胞相接觸,隨后啟動免疫應答反應[12]。
氣道上皮細胞的物理屏障功能障礙還促進了呼吸道重塑。在正常呼吸道上皮細胞中,表皮生長因子(epithelial growth factors,EGF)從細胞的基底側分泌,而表皮生長因子受體(epithelial growth factors receptors,EGFR)位于細胞的頂面,兩者被氣道上皮細胞形成的物理屏障分隔開來[13]。變應原刺激可導致氣道上皮細胞表達的EGF、EGFR增加[14-15]。當氣道上皮細胞的物理屏障功能出現(xiàn)障礙后,細胞基底側分泌的EGF能與位于氣道上皮細胞頂面的EGFR相結合,進而促進氣道上皮組織增厚、重構[13]。呼吸道變態(tài)反應性疾病患者的上皮細胞高表達的骨膜素可促進嗜酸性粒細胞、肌纖維細胞釋放轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β),后者可促使纖維母細胞分化為成熟的纖維細胞并合成大量的膠原蛋白和細胞外基質,導致氣道上皮細胞向間充質轉化,引起呼吸道增厚、組織重構[13,16]。而氣道上皮細胞向間充質轉化后又可導致跨膜鈣粘附蛋白生成減少,進一步破壞氣道上皮細胞的物理屏障功能[12]。
變應原引起呼吸道上皮細胞黏膜屏障功能障礙在機體對變應原易感性中起到重要作用[12]。變應原導致的氣道上皮細胞間連接破壞、呼吸道重構、氧自由基生成增多、氣道高反應等均可引起機體對變應原的易感性增加。研究還發(fā)現(xiàn)變應原可通過激活核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)途徑導致氣道上皮細胞表達大量的易感基因,如:PCDH1[17],CDHR3[18],SMAD3,HLA-DR,IL1RL1[19]。反復變應原暴露可促進小鼠氣道上皮細胞的蛋白酪氨酸磷酸酶SHP2基因表達增加,而SHP2能夠調控小鼠氣道上皮細胞TGF-β1的產(chǎn)生[20]。氣道上皮細胞表達大量易感基因增加了機體對吸入性變應原、空氣中粉塵等有害物質的易損傷性,同時也導致氣道上皮細胞的自我修復和分化形成完整的氣道上皮細胞屏障的功能下降,進一步促進呼吸道變態(tài)反應性疾病的發(fā)生[12]。
3氣道上皮細胞的免疫功能
近年來研究發(fā)現(xiàn)人類呼吸道上皮細胞具有活躍的免疫功能。氣道上皮細胞表面表達多種模式識別受體(pattern recognition receptors,PRRs),包括:Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)、PARs-2、NOD樣受體(NOD-like receptors,NLRs)、C型凝集素受體(C-type lectins receptors,CTLRs)、EGFR等。吸入性變應原激活氣道上皮細胞表面的PRPs后,通過激活NF-κB途徑促進多種炎癥相關的細胞因子基因表達以及多種細胞因子、趨化因子的釋放,如:胸腺基質淋巴細胞生成素(thymic stromal lymphopoietin,TSLP)、白細胞介素-33(interleukin-33,IL-33)、白細胞介素25(interleukin-25,IL-25)、血管內皮生長因子-A(vascular endothelial growth factor-A,VEGF-A)、血管內皮生長因子-C(vascular endothelial growth factor-C,VEGF-C)、粒細胞集落刺激因子(granulocyte,monocyte colony stimulating factor,GM-CSF)、CC趨化因子2(CC chemokine ligand 2,CCL2)、CC趨化因子20(CC chemokine ligand 20,CCL20)、嗜酸性粒細胞活化趨化因子、干細胞因子(stem cell factor, SCF)、細胞間粘附分子1(intracellular adhesion molecule-1,ICAM-1)、白細胞介素6(interleukin-6,IL-6)、白細胞介素8(interleukin-8,IL-8)等的釋放,隨后觸發(fā)呼吸道變態(tài)反應性炎癥的發(fā)生或加重[13,21]。
樹突狀細胞作為抗原遞呈細胞,在變應原誘導的呼吸道變態(tài)反應性疾病的發(fā)病機制中起著重要的橋梁作用。氣道上皮細胞可通過釋放細胞因子控制樹突狀細胞的抗原遞呈功能[22]。變應原刺激氣道上皮細胞后分泌的CCL2、CCL20等能促使血液中的單核細胞游出至黏膜下層,分泌的VEGF-A和VEGF-C能促進黏膜基底層血管和淋巴管的生成[23]。而新生的血管和淋巴管對單核細胞的游出以及攜帶變應原的樹突狀細胞向淋巴結轉移提供了便利[13]。氣道上皮細胞分泌的IL-33、IL-25、TSLP、GM-CSF等細胞因子可抑制樹突狀細胞表達Th1型免疫反應相關的細胞因子IL-12,同時促進Th2型免疫反應相關的多種細胞因子,如:IL-4、IL-6、白三烯C4(leukotriene C4,LTC4)等的釋放[13]。游出的單核細胞在氣道上皮細胞分泌的趨化因子、細胞因子、氧自由基等的共同作用下分化成為成熟的樹突狀細胞并攜帶變應原進入淋巴結,隨后刺激淋巴結內的原始Th0細胞向Th2細胞分化,抑制其向Th1細胞方向分化,導致Th1/Th2失衡[13]。氣道上皮細胞間充質轉化后也可持續(xù)激活樹突狀細胞并促進成熟樹突狀細胞向淋巴結轉移[24]。
氣道上皮細胞分泌的TSLP、IL-25、IL-33、ICAM-1、SCF等細胞因子除了招募、激活樹突狀細胞外,同時也能直接激活其他的免疫相關細胞,包括嗜酸性粒細胞、嗜堿性粒細胞、肥大細胞、T淋巴細胞等。TSLP能激活樹突狀細胞產(chǎn)生IL-8和嗜酸性粒細胞活化趨化因子,進而刺激CD4+T細胞產(chǎn)生Th2型細胞因子[25]。IL-25通過激活樹突狀細胞促進Th2型細胞因子的產(chǎn)生[26]。氣道上皮細胞分泌的IL-33能與巨噬細胞、肥大細胞、嗜堿性粒細胞、CD4+T細胞等免疫相關細胞表面的相應受體ST2受體相結合,促進這些細胞釋放大量的Th2型細胞因子和趨化因子,在過敏性炎癥的免疫調節(jié)中起重要作用[27-28]。IL-33與嗜堿性粒細胞表面ST2受體結合后還能促進IgE受體介導的組胺釋放[28]。研究發(fā)現(xiàn)激活IL-33/ST2軸不僅調節(jié)多種細胞產(chǎn)生Th2型細胞因子,還導致氣道的高反應[29]。呼吸道黏膜上皮細胞產(chǎn)生的IL-33在缺乏T細胞和B細胞的情況下也能誘導過敏反應[30]。氣道上皮細胞來源的SCF可促進肥大細胞的成熟并向呼吸道黏膜浸潤[31]。嗜酸性粒細胞活化趨化因子有促進嗜酸性粒細胞在呼吸道黏膜浸潤的作用[32]。AR或BA臨床癥狀消失后仍有少量ICAM-1、嗜酸性粒細胞存在于氣道黏膜內,導致呼吸道黏膜仍然處于高敏狀態(tài)[33]。
氣道上皮細胞除了通過分泌的細胞因子產(chǎn)生免疫反應,也可通過產(chǎn)生的多種損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMP)誘導免疫應答。變應原刺激呼吸道黏膜引起黏膜血漿外滲,隨后導致氣道上皮細胞缺氧、水腫,并釋放大量的DAMP,包括自由基、三磷酸腺苷、尿酸、溶血磷脂酸等,這些DAMP可通過激活TLRs、NLRs等模式識別受體,誘導免疫應答[34]。氧自由基(reactive oxygen species,ROS)可通過損傷氣道上皮細胞的生物膜、核酸、蛋白或者減少抗氧化劑的表達而導致機體對過敏原易感性增加[35],也可通過誘導氣道上皮細胞表達細胞因子和EGFR而觸發(fā)變態(tài)反應性疾病的發(fā)生或加重[36]。三磷酸腺苷、尿酸、溶血磷脂酸等DAMP分子通過NF-κB途徑激活樹突狀細胞以及其他相關免疫細胞,同時通過促進氣道上皮細胞進一步釋放TSLP、GM-CSF、IL-33、IL-25等細胞因子,進一步導致Th1/Th2失衡[13,37-38]。呼吸道變應性疾病患者的氣道上皮細胞大量表達誘生型一氧化氮合成酶,進一步加重呼吸道黏膜炎癥[39]。
4總結與展望
呼吸道黏膜上皮細胞具有黏液纖毛清除功能、物理屏障功能以及多種免疫功能,氣道上皮細胞結構及功能的異常可破壞氣道的固有免疫,導致免疫系統(tǒng)的異常信號傳導、氣道重塑以及氣道高反應性,在呼吸道變應性疾病的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用。雖然近年來人們對氣道上皮細胞在呼吸道變應性疾病發(fā)病機制中的作用日益重視,但還有很多未明之處有待進一步研究。以氣道上皮細胞為靶點的研究在呼吸道變應性疾病的機制及治療中具有重要的意義[1]。
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(編輯:周小林)
[收稿日期]2014-11-18[修回日期] 2014-11-29
[通訊作者]汪建,E-mail:13889909318@139.com
[基金項目]國家自然科學基金項目資助(2013046)
doi:10.11659/jjssx.11E014025
[中圖分類號]R562.25;R765.21
[文獻標識碼]B
[文章編號]1672-5042(2015)03-0333-04