吳雨珊 金壽德 強麗霞 郝瑞清

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院呼吸科150001

隨著世界人口的不斷增加和人類壽命的不斷延長,慢性非傳染性疾病越來越得到人們的重視。COPD 是呼吸系統(tǒng)中的一種慢性非傳染性疾病,發(fā)病率及病死率逐年上升,近年的研究提示COPD 逐漸呈現(xiàn)年輕化趨勢[1]。WHO 統(tǒng)計結(jié)果顯示,每年約有300萬人死于COPD,與全世界趨勢相同,COPD 在亞太地區(qū)已經(jīng)構(gòu)成了主要的健康和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[2-3]。其發(fā)病機制包括炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及蛋白-抗蛋白失衡,研究顯示,在COPD 發(fā)生過程中IL-1β、IL-6及腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)大量釋放,參與炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等過程,最終導(dǎo)致臟器衰竭。因此,炎癥因子在COPD 的發(fā)生、發(fā)展中起關(guān)鍵作用,本文將對IL-1β、IL-6及TNF-α的研究進展進行綜述。

1 COPD和炎癥

COPD 是一種氣道、肺泡和微血管進展性的慢性炎癥性疾病,主要特征性改變?yōu)椴豢赡娴臍饬魇芟?其過程包括小氣道的重塑和因肺氣腫破壞肺實質(zhì)導(dǎo)致肺泡喪失彈性回縮力[4]。慢性阻塞性肺疾病全球倡議指南及西班牙慢性阻塞性肺疾病指南均指出,肺部炎癥是COPD 的重要組成部分[5-6]。AECOPD 表現(xiàn)為患者的病情惡化,并伴有影響臨床表現(xiàn)和嚴(yán)重程度的全身炎癥反應(yīng),使預(yù)后惡化[7]。因此,COPD 的發(fā)生和發(fā)展過程均與炎癥反應(yīng)相關(guān)。這些炎癥過程可能會改變肺部的力學(xué),進而出現(xiàn)第1秒用力呼氣容積進行性下降,肺泡排空障礙,最終導(dǎo)致慢性氣流阻塞和肺泡過度充氣[4,8]。臨床上患者往往出現(xiàn)咳嗽、呼吸困難加重,繼發(fā)合并癥,直接影響患者預(yù)后。

1·1 炎癥的級聯(lián)反應(yīng) 在病原體 (如細(xì)菌、病毒等)進入氣道后,攻擊氣道表面的上皮細(xì)胞,黏膜屏障受損,纖毛擺動能力異常,清除能力下降,黏蛋白蓄積;大量蓄積的黏蛋白為致病菌提供一個良好的 “蛋白培養(yǎng)基”,使其在氣道內(nèi)不斷繁殖,進一步加重感染。在如此往復(fù)循環(huán)的過程中,體內(nèi)的炎癥細(xì)胞及炎癥因子表現(xiàn)的十分活躍,中性粒細(xì)胞聚集、活化,巨噬細(xì)胞浸潤,炎癥因子如:IL 和TNF等大量分泌。在體內(nèi),炎癥因子間還存在互相促進分泌的過程,因此炎癥反應(yīng)如 “滾雪球”般逐漸放大,形成惡性循環(huán)[9-11]。在炎癥的作用下,引起氣道平滑肌增生、黏液高分泌、血管內(nèi)膜增厚、肺泡異常融合等病理變化[8]。在炎癥因子的反復(fù)刺激下,氣流受限、氣道重塑及肺氣腫逐步出現(xiàn),造成頑固性的低氧血癥和二氧化碳的潴留,最終并發(fā)呼吸衰竭。不斷放大引起的全身性炎癥反應(yīng)在COPD相關(guān)的各種合并癥的發(fā)生、發(fā)展中起關(guān)鍵作用,最終導(dǎo)致病情惡化,影響患者的預(yù)后[12]。

1·2 氧化應(yīng)激 中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等異常聚集的炎癥細(xì)胞產(chǎn)生活性氧 (reactive oxygen species,ROS),在COPD 的發(fā)病機制中起重要的作用。在巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和上皮細(xì)胞內(nèi),活化的NADPH 氧化酶2 (NADPH oxidase 2,Nox2)產(chǎn)生超氧自由基 (O2·-),這些自由基可與一氧化氮反應(yīng)形成高反應(yīng)性過氧亞硝酸鹽分子(ONOO-),也可以在超氧化物歧化酶的影響下迅速轉(zhuǎn)化為具有破壞性的過氧化氫 (H2O2)。反過來,這可能導(dǎo)致在Fe2+存在的情況下,H2O2發(fā)生非酶促反應(yīng),產(chǎn)生破壞性羥自由基 (·OH)[13-16]。ROS、O2·-、ONOO-、H2O2和·OH 引發(fā)廣泛的炎癥[17]。當(dāng)氧化劑負(fù)荷超過肺部抗氧化能力時,在局部環(huán)境出現(xiàn)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物和DNA 修飾的異常,引起組織損傷。ROS 通過激活核因子-κB (nuclear factor-κB,NF-κB)途徑來增強炎癥反應(yīng)[18]。氧化應(yīng)激通過激活磷酸肌醇3激酶顯著降低了組蛋白脫乙酰基酶2的活性和表達,不僅放大了炎癥反應(yīng),還阻止類固醇關(guān)閉活化的炎癥基因,導(dǎo)致COPD 患者的皮質(zhì)類固醇的耐藥性[19]。

1·3 蛋白酶-抗蛋白酶失衡 蛋白酶-抗蛋白酶失衡被認(rèn)為是由于炎癥細(xì)胞釋放的蛋白酶增加以及蛋白酶抑制劑的氧化失活所致,并被認(rèn)為是造成COPD 肺實質(zhì)破壞的原因[20-21]。香煙等所產(chǎn)生的氧化劑可以使內(nèi)源性蛋白酶失活,激活肺泡巨噬細(xì)胞,并促進中性粒細(xì)胞流入肺[21-22]。活化的白細(xì)胞釋放蛋白酶,例如中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶,作用于細(xì)胞外基質(zhì),彈性蛋白纖維和膠原蛋白的成分,并產(chǎn)生趨化肽片段,從而進一步吸引巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的大量涌入,引發(fā)進一步的炎癥,氧化應(yīng)激和隨后的肺損傷[21,23]。

1·4 細(xì)胞衰老 COPD 的發(fā)病機制與加速衰老的過程有關(guān)。衰老細(xì)胞可以產(chǎn)生促炎性介質(zhì)和蛋白酶,被統(tǒng)稱為衰老相關(guān)的分泌表型 (senescence-associated secretory phenotypes,SASP)。SASP反應(yīng)是由p21 觸發(fā)的,p21 激活p38絲裂原活化蛋白 (mitogen-activated protein,MAP)激酶和Janus激活的激酶 (Janus-activated kinases,JAK)。這導(dǎo)致促炎轉(zhuǎn)錄因子NF-κB 被激活,從而導(dǎo)致細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-6 和TNF-α),生長因子和趨化因子 (如CXCL-1、CXCL-8 和CCL-2)以及基質(zhì)金屬蛋白酶 (如MMP-2和MMP-9)的分泌,這些促炎介質(zhì)可能會誘導(dǎo)細(xì)胞本身自分泌和周圍細(xì)胞旁分泌從而進一步放大并擴散細(xì)胞衰老[24]。

2 炎癥因子在COPD中的作用

炎癥是機體的一種保護性反應(yīng),旨在清除入侵的病原體,中和有害刺激并啟動組織修復(fù)。先天免疫細(xì)胞通過模式識別受體 (pattern recognition receptor,PRR)與病原生物表面的病原體相關(guān)的分子模式 (pathogen associated molecular patterns,PAMP) 或損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMP)相互識別觸發(fā)炎癥。PRR 在巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞表面表達,還可以通過中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞少量表達[25]。在感染過程中,病原體入侵引起的細(xì)胞應(yīng)激導(dǎo)致DAMP的釋放,與PAMP 協(xié)同作用以激活PRR。PRR激活通過釋放促炎細(xì)胞因子觸發(fā)一系列復(fù)雜的炎癥過程[26],過程中激活了包括NF-κB 在內(nèi)的一系列信號通路,并增強IL-6、TNF-α和IL-1β等炎性細(xì)胞因子m RNA 的轉(zhuǎn)錄,TNF-α和IL-1β也能激活轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生IL-6[27],通過促進抗原呈遞、炎癥細(xì)胞激活和基質(zhì)降解相關(guān)酶的表達,從而激活免疫系統(tǒng),促進急性炎癥反應(yīng)的發(fā)生[28]。TNF-α在病理情況下也通過影響機體免疫功能,參與到氣道非特異性炎癥反應(yīng)之中,引起氣道的病理損傷[29]。這一過程在COPD反復(fù)發(fā)作、病情惡化及病理發(fā)展的過程中起著關(guān)鍵的作用,IL-6、TNF-α 和IL-1β 是過程中的關(guān)鍵細(xì)胞因子[30]。下文將就IL-6、IL-1β和TNF-α在COPD 中的作用作簡要描述。

2·1 IL-1β IL-1β是一種致炎細(xì)胞因子,廣泛的參與機體的炎癥反應(yīng)及免疫調(diào)節(jié)過程,引起組織破壞、水腫等病理損傷。主要由白細(xì)胞、單核-巨噬細(xì)胞生成和分泌。與正常人相比,COPD 患者IL-1β表達增加。其分泌與炎癥小體NLRP3關(guān)系最為密切,當(dāng)細(xì)菌或病毒感染時,通過PAMP模式激活原IL-1β、NF-κB產(chǎn)生原IL-8,激活信號導(dǎo)致銜接蛋白即凋亡相關(guān)斑點樣蛋白和前Caspase-1 的募集,以產(chǎn)生Caspase-1,刺激肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量活性IL-1β[31-32],過量的IL-1β刺激T 淋巴細(xì)胞分泌IL-2和干擾素γ,同時作用于氣道上皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞上調(diào)IL-6、IL-8的表達,從而達到促炎作用,加重肺部損傷[33]。IL-1β、IL-32和干擾素γ會在體內(nèi)形成正反饋循環(huán),提高這3個因子在體內(nèi)激活的水平,引起炎癥放大,進一步加重肺功能受損[34-35]。在外周血單核細(xì)胞中IL-1β是IL-6的有效誘導(dǎo)劑,引起進一步的炎癥反應(yīng)[36]。IL-1β介導(dǎo)的全身炎癥反應(yīng),可以引起COPD 患者病情反復(fù)急性加重,因此IL-1β可以用于預(yù)測未來COPD 患者病情惡化風(fēng)險[37]。

2·2 IL-6 IL-6是一種可來源于多種分泌細(xì)胞 (如:活化的單核-巨噬細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞以及內(nèi)皮細(xì)胞等)的炎癥因子,具有多種生物功能。在COPD 發(fā)生、發(fā)展過程中,IL-6參與多種病理過程,其水平的增加與感染和炎性反應(yīng)相關(guān)[38-40],并可以預(yù)測患者的預(yù)后及死亡率[41-42]。IL-6通過IL-6R 和gp130兩個分子發(fā)揮生物學(xué)活性。IL-6的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有2種不同途徑,分別成為 “經(jīng)典途徑”和 “反式信號途徑”。在經(jīng)典信號途徑中IL-6 與膜結(jié)合IL-6 受體(membrane IL-6 receptor,mIL-6R)結(jié)合后募集兩分子gp130蛋白形成一個六聚體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致Janus激酶家族的轉(zhuǎn)錄因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3磷酸化,并激活絲裂原活化的蛋白激酶和磷酸肌醇3激酶發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)[43]。反式信號途徑的參與者是可溶性IL-6 受體 (soluble IL-6 receptor,sIL-6R), 它是由ADAM-17對mIL-6R 的酶促切割或通過選擇性剪接而產(chǎn)生[44],形成IL-6-sIL-6R-gp130 六聚體。sIL-6R 在肺部細(xì)胞中廣泛表達,且能夠觸發(fā)對IL-6 無反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),所以反式信號途徑與許多炎癥性疾病的發(fā)病機制有關(guān)[45]。研究顯示,中性粒細(xì)胞的活化聚集是COPD 炎癥過程的重要環(huán)節(jié)。IL-6增強炎癥部位內(nèi)皮細(xì)胞中的血管細(xì)胞黏附分子1和細(xì)胞間黏附分子1表達,誘導(dǎo)趨化因子配體8和單核細(xì)胞趨化蛋白1的表達,刺激中性粒細(xì)胞遷移,導(dǎo)致氣道免疫功能紊亂、抵抗力減低,引起氣道高反應(yīng)性[46-47];氣道的表面炎癥細(xì)胞聚集,破壞氣道組織和肺泡組織,肺泡及終末氣道失去張力,增加氣流阻塞作用[8,48];IL-6表達與前膠原Ⅰ型C末端肽呈正相關(guān),通過促進膠原蛋白的聚集、影響細(xì)胞外基質(zhì)的沉積參與COPD 患者的氣道重塑[49]。肺組織和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷作用,引起肺部水腫和血液高凝狀態(tài),加重肺動脈高壓,加速COPD 的病程進展[50]。

2·3 TNF-α TNF-α是一種具有促進炎癥反應(yīng)作用的細(xì)胞因子,可以由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等分泌,同樣具有廣泛的生物學(xué)活性。能夠刺激炎癥細(xì)胞釋放活性氧自由基、脂類及蛋白水解酶,誘導(dǎo)炎性細(xì)胞趨化和局部浸潤,激活內(nèi)皮細(xì)胞的表面黏附受體,促進組織纖維增生,引起組織細(xì)胞損傷,并通過釋放蛋白酶破壞肺結(jié)構(gòu)[51]。NF-κB是TNF信號的關(guān)鍵組成部分,在巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞中均檢測到NF-κB 的激活[52]。通過TNF-α/NF-κB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路增加杯狀細(xì)胞中MUC5AC 的分泌,導(dǎo)致黏液高分泌[53-54]。并通過激活NF-κB 促進炎癥因子IL-6 和IL-8的釋放并放大炎癥反應(yīng)。TNF-α同樣激活p38MAP 激酶,并與NF-κB相互作用[55]。TNF-α作用于氣道的平滑肌細(xì)胞,刺激其釋放大量的血管活性多肽內(nèi)皮素1,內(nèi)皮素1可以發(fā)揮其強烈的縮血管作用和促進細(xì)胞增生的作用,引起氣道內(nèi)的細(xì)胞增殖,進一步引起氣道重塑[56]。雷小婷等[57]研究顯示,高水平的TNF-α可導(dǎo)致體內(nèi)炎癥加劇,當(dāng)其釋放量增加,會導(dǎo)致溶酶體大量釋放,引起肺泡損傷,萎陷的肺泡失去其本身功能,引起呼吸衰竭。

3 炎癥因子抑制劑的臨床作用

炎癥細(xì)胞及炎癥因子在COPD 中起到十分重要的作用,因此若能控制炎癥因子的釋放,或者阻斷下游的級聯(lián)反應(yīng),也許能夠有效地控制疾病的發(fā)生以及進一步的發(fā)展。

以往的研究發(fā)現(xiàn),Anakinra是一種重組IL-1Ra蛋白,可以阻斷IL-1β介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),在囊性纖維化患者中能夠有效地抑制氣道炎癥和黏液阻塞作用[58];并能夠抑制巨噬細(xì)胞活化綜合征[59]。因此可能對于全身炎癥反應(yīng)明顯的患者具有一定的效果。但其目前獲準(zhǔn)作為一種抗風(fēng)濕病藥物,正式的適應(yīng)證為嚴(yán)重的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和自發(fā)炎性疾病。使用過程中發(fā)現(xiàn)部分病例會出現(xiàn)肝臟損傷現(xiàn)象,停藥后病情逐漸消退。

Infliximab是一種抗TNF 抗體,在哮喘患者中能夠改善氣道高反應(yīng)性,并減輕中度哮喘患者的病情加重[60-61];但后續(xù)研究中并沒有得到很好的效果。也通過干擾細(xì)胞內(nèi)信號通路NF-κB和MAP 激酶級聯(lián)反應(yīng),控制炎癥其他靶標(biāo)[62]。為抑制COPD 患者體內(nèi)炎癥反應(yīng)的放大提供了新思路?？筎NF-α生物制劑通過此途徑降低感染性疾病的免疫應(yīng)答反應(yīng),應(yīng)用過程中未見細(xì)菌、病毒感染發(fā)生率增加,而結(jié)核桿菌感染的發(fā)生率有所上升[63]。因此需對任何可能發(fā)生結(jié)核病的患者加以預(yù)防。

Tocilizumab是抗IL-6抗體,實驗證明它通過抑制IL-6與mIL-6R 和sIL-6R 的結(jié)合來阻斷IL-6介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),能夠有效的降低類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎癥狀改善活動評分[64]。Tocilizumab有效的降低細(xì)胞因子風(fēng)暴所引起的全身炎癥反應(yīng),在新型冠狀病毒肺炎重癥患者的治療中得到較為滿意的反饋結(jié)果[65]。雖然現(xiàn)在仍未應(yīng)用到慢性氣道炎癥性疾病中的治療中,但從抑制全身炎癥反應(yīng)上來看,仍為慢性氣道疾病的治療提供了新的思路[66]。

4 小結(jié)與展望

綜上所述,近年來發(fā)現(xiàn),COPD 與慢性炎癥的關(guān)系愈發(fā)密切,特異性的炎癥因子抑制劑在抑制氣道炎癥、減輕氣道敏感性、有效控制黏蛋白分泌上均得到了有效的印證,為臨床研究及治療提供了新的思路,但由于體內(nèi)炎癥反應(yīng)的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性較強,進一步篩選出有效的特異的炎癥因子抑制劑,為臨床治療提供便利,仍有待進一步挖掘和探索。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突