慢性阻塞性肺疾病肺泡巨噬细胞吞噬功能低下机制的研究进展

王小虎 刘晓菊 包海荣 曾晓丽 (兰州大学第一医院老年呼吸科，甘肃 兰州 730000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是目前世界范围内老年人中致死性疾病上升速度最快的疾病之一，造成了严重的经济和社会负担。COPD急性加重(AECOPD)是COPD患者病程中造成病情进展、肺功能恶化的非常重要的过程，是造成COPD患者住院率和死亡率增加的最主要原因。众所周知，多种炎性细胞和肺部的结构细胞参与了COPD的发病，其中肺泡巨噬细胞(AM)因直接暴露于环境中的香烟烟雾、大气可吸入颗粒物(PM)及各种病原微生物等有毒有害物中，在COPD的形成和发展中起着重要的作用。AM吞噬功能低下可能是导致COPD患者病情反复恶化、出现AECOPD的重要机制之一。

1 肺泡巨噬细胞(AM)的吞噬过程

AM通过吞噬清除吸入的大气PM和病原微生物，启动固有免疫，参与抗原递呈和免疫调节，是机体抵御外来微生物侵袭肺脏的第一道防线，在维持肺组织结构稳定、功能正常等方面起着不可或缺的作用〔1〕。AM表面分布有模式识别受体(PRR)，如Toll样受体(TLR)，甘露糖受体(MR)，清道夫受体(SR)等，通过相关受体识别等启动吞噬过程〔2〕。内化和吞噬小体的成熟是吞噬作用成为有效的免疫防御的必备条件〔3〕。

2 COPD患者AM的吞噬功能低下

临床上导致AECOPD的原因很多，包括细菌和病毒感染、吸入刺激物、不恰当停用治疗药物、外界环境改变、出现并发症等，其中感染是造成AECOPD的最常见原因〔4〕。新近Donnelly等〔5〕综述了巨噬细胞吞噬功能缺陷与气道疾病之间的关系，较多的研究认为吞噬缺陷导致感染持续存在，使气道疾病恶化。正常情况下，尽管上呼吸道有细菌定植，但下呼吸道处于相对无菌环境。Rosell等〔6〕汇总分析了使用防污保护性毛刷检查下呼吸道细菌定植的数据，结果表明大约29%的稳定期COPD患者存在下呼吸道细菌定植，而AECOPD患者约为54%，这些定植菌包括流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、肺炎链球菌、铜绿假单胞菌等。近期研究发现了更多种类的定植细菌〔7〕。细菌感染诱发的AECOPD加重了气道炎症，加速了肺功能的减退，使临床症状恶化，但具体机制尚未完全阐明。Oliver等〔8〕发现鼻病毒感染可导致人AM对细菌感染的防御能力缺损，这种AM吞噬功能缺陷可能是细菌在气道定植和繁殖的主要原因;Berenson等〔9〕研究发现COPD患者AM吞噬非典型性流感嗜血杆菌和凋亡细胞的能力存在缺陷。Taylor等〔10〕比较了COPD患者和正常吸烟者及非吸烟者AM和单核细胞源性巨噬细胞(MDM)对肺炎链球菌和流感嗜血杆菌的吞噬功能，结果发现COPD患者AM和MDM吞噬肺炎链球菌和流感嗜血杆菌杆菌的能力较正常对照者显著降低。表明COPD患者的AM吞噬能力降低使下呼吸道的细菌定植，可能是细菌感染频次增加致AECOPD发生的主要原因。

3 COPD患者AM吞噬功能低下的可能机制

3.1识别受体表达下调、信号通路缺陷致AM吞噬功能降低

3.1.1TLR TLR以胞内区高度进化保守的TIR(Toll/IL－1R homologous region)结构域为特征。目前人体中发现了10种TLR，其中与细菌识别关系密切的是TLR2和TLR4。TLR2主要识别革兰阳性菌的肽聚糖、分枝杆菌、衣原体及部分真菌的胞壁脂蛋白等，TLR4主要识别革兰阴性菌外膜的脂多糖(LPS)。Droemann等〔11〕研究证实和非吸烟者相比，吸烟者和COPD患者AM的TLR2表达降低，且AM在受到LPS刺激后TLR2的表达不上调，说明COPD患者的AM的TLR2对LPS刺激不敏感可能是其吞噬能力下降的原因之一。Lee等〔12〕研究显示，吸烟的肺气肿患者TLR4表达下调，且TLR4下降的程度与肺气肿的严重程度具有相关性。Raoust等〔13〕研究发现，野生型小鼠AM表面的TLR2/TLR4可识别铜绿假单胞菌的LPS，并进一步激活细胞内的级联反应，使TNF-α和IL-6的释放增多，而TLR2、4-/-的小鼠的AM在受到铜绿假单胞菌刺激时不能产生这种级联反应。另有研究证实，TLR4信号转导通路中的下游因子髓样分化因子88(MyD88)或IL-1受体相关激酶(IRAK4)缺陷的小鼠，细菌感染的概率增加〔14〕。LPS通过刺激TLR4使巨噬细胞活化，调节细胞因子产生、增强巨噬细胞的趋化和吞噬能力，而当TLR4和/或其信号通路存在缺陷时其吞噬能力降低〔15〕。COPD患者下呼吸道的细菌定植增加，使AM反复受LPS的刺激，导致TLR信号通路发生负性调节和LPS耐受，当出现新的菌株感染时，对感染菌株的识别力下降，无法将其彻底清除，诱发 AECOPD〔16〕。最近 West等〔17〕研究表明，TLR4可使巨噬细胞吞噬小体招募线粒体数增加，并使线粒体内活性氧(ROS)的生成增多，而线粒体ROS水平的降低可以导致巨噬细胞杀菌能力缺陷。说明TLR4还可通过巨噬细胞线粒体ROS的生成影响其对细菌的杀灭作用。

3.1.2MR MR为C型凝集素家族成员，主要表达在巨噬细胞和树突细胞上。MR通过识别多种病原体上的特定糖基末端，可以和白色念珠菌、卡氏肺囊虫、结核分枝杆菌、利氏曼原虫、肺炎链球菌、克雷伯杆菌等一系列病原微生物或其产物相互作用，使巨噬细胞活化并诱导产生细胞因子，通过清除衰老细胞、识别病原微生物和抗原递呈等作用，维持机体的稳态〔18〕。目前认为巨噬细胞通过MR对病原体的识别增强其对病原体的吞噬作用。Hodge等〔19〕研究发现，和正常非吸烟者相比，COPD患者AM表面MR表达明显降低，低剂量的阿奇霉素可以明显增加AM表面MR的表达，而阻断MR受体可使AM的吞噬能力下降60%。

除了MR，其他的C类凝集素还有表面活性蛋白A(SPA)，表面活性蛋白D(SP-D)，甘露糖结合凝集素(MBL)等，SPA、SP-D可以增加AM表面MR的表达、促进AM吞噬病原体，是参与肺部固有免疫防御的重要成分。Sano等〔20〕研究表明，肺部凝集素作用于AM，诱导细胞表面SR-A和MR的表达，增强AM对肺炎链球菌、分枝杆菌的吞噬作用，其可能的机制是SP－A和TLR2结合，抑制TLR2与其配体如肽聚糖的反应，继而抑制肽聚糖诱导的NF-κB的激活和TNF-α的释放。Hodge等〔19〕发现和正常人相比 COPD患者支气管肺泡灌洗液(BALF)中的SP-D水平明显降低。More等〔21〕研究也表明，吸烟及肺功能下降伴随着BALF中SP-D水平的降低。COPD患者SP-D水平的下降可能会引起AM表面与吞噬细菌有关的PRR表达的下调，使AM的吞噬能力下降。这也使SP-A，SP－D有望成为监测COPD病情变化的生物标记物。除SP-A，SP-D外，MBL与COPD的感染恶化也有关。MBL是补体活化信号通路中的关键分子，新近研究发现，MBL2的基因多态性所致的MBL缺陷也伴随着AECOPD的风险增加〔22〕。

3.1.3SR SR是肺部固有免疫的重要组成部分，可以辅助巨噬细胞识别、结合并摄取细菌。胶原样结构巨噬细胞受体(MARCO)是巨噬细胞识别非调理吞噬的主要SR。吸烟可能导致COPD患者SR MARCO表达降低，而萝卜硫素通过激活转录因子Nrf2而恢复COPD患者AM对细菌的识别和吞噬。分析基因表达和启动子发现，Nrf2增强巨噬细胞的吞噬能力是通过上调下游因子MARCO而实现的〔5〕。研究还发现增加巨噬细胞SR MARCO的表达，可改善巨噬细胞吞噬流感嗜血杆菌的能力〔23〕。Sulahian等〔24〕研究发现，无论人的 MDM 还是小鼠的AM，SR介导的吞噬作用都需要微管、蛋白激酶C、酪氨酸激酶、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)等的参与。而COPD患者体内的氧化应激可导致MAPK、PI3K等信号通路改变，这些改变进一步使AM表面SR介导的吞噬作用的降低。其他SR，如LOX-1，SR-PSOX和SRCL等，也能和细菌结合，并可能有助于AM对吸入性颗粒物的识别，但这些受体在COPD患者AM中的表达及在AECOPD中的作用均有待更深入地研究。

3.2氧化应激损伤AM吞噬功能 ROS自由基可通过外源和多种内源性途径产生，如吸烟、化学毒物、药物代谢、细胞呼吸、辐射、光照和金属离子等。少量的自由基是体内重要生化反应不可缺少的，正常情况下自由基的产生与体内抗氧化系统基本处于平衡状态，产生过量会造成体内抗氧化物大量消耗，氧化/抗氧化失衡，造成机体的氧化应激，造成生物大分子DNA、脂类和蛋白质氧化损伤，引起与许多病理过程有关的细胞结构的广泛损伤，影响组织细胞功能。

近年来，氧化应激在COPD发病中的作用已经成为研究热点，且其作用越来越多地被呼吸医师认识〔25〕。与COPD发病关系密切的ROS多为烟草吸入、大气中PM的吸入、药物代谢、感染诱发的细胞内呼吸爆发等。目前研究已经发现氧化应激直接或间接影响到巨噬细胞的多种功能，特别是巨噬细胞的吞噬功能。ROS造成的细胞外基质蛋白质的羰基化，影响巨噬细胞表面的识别受体，损害巨噬细胞吞噬凋亡细胞及入侵的病原微生物的能力，而抗氧化物可以逆转或改善巨噬细胞的吞噬功能。新近研究发现抗氧化物萝卜硫素，是核因子Nrf2的活化剂，通过增加内源性抗氧化物水平、上调巨噬细胞表面的MARCO，逆转COPD患者对流感嗜血杆菌吞噬能力低下状况〔23〕。Hodge等〔26〕的研究发现香烟所致的COPD巨噬细胞吞噬功能低下，使用抗氧化物半胱氨酸前体处理可以得到改善。另外，Brown等〔27〕也发现使用抗氧化物半胱氨酸前体和N-乙酰半胱氨酸可以使AM对金黄色葡萄球菌的吞噬功能恢复。这些研究结果均支持氧化应激造成巨噬细胞的吞噬功能低下，而抗氧化物的使用可以使吞噬功能得到改善。

3.2.1吸烟影响AM吞噬功能 吸烟是COPD发生发展的常见危险因素之一。香烟烟雾中含有大量 ROS和高浓度的LPS〔28〕。因此，香烟烟雾暴露会导致呼吸道黏膜纤毛功能紊乱，黏液高分泌及黏膜的完整性受损;香烟烟雾中的ROS等通过氧化应激导致AM等炎性细胞的激活而触发持续的肺部慢性炎症，破坏巨噬细胞内多种参与固有防御的信号通路，致AM的吞噬功能降低，最终造成COPD患者的下呼吸道细菌定植增加，从而导致AECOPD。Doyle等〔29〕通过微阵列分析的方法发现，吸烟改变了巨噬细胞参与机体防御的重要机制，如香烟烟雾提取物(CSE)可以明显下调巨噬细胞的IFN-γ信号通路。此外，Marti-Lliteras等〔30〕研究表明，CSE可以破坏小鼠 AM吞噬流感嗜血杆菌的能力，这可能与CSE抑制了细菌触发的PI3K信号通路的活化有关;和非吸烟者相比，吸烟者和COPD患者的AM吞噬流感嗜血杆菌数量较低，伴随着PI3K下游分子丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的磷酸化水平降低。

3.2.2大气颗粒物(PM)损害AM吞噬功能 近年来，随着城市工业化的发展、汽车尾气的增加以及沙尘暴天气等的影响，城市大气中的可吸入颗粒物 PM10(空气动力学直径≤10 μm)、PM2.5(空气动力学直径≤2.5 μm)、超细颗粒物(空气动力学直径≤0.1 μm)等含量越来越高。AM在清除和处理吸入的PM中起到至关重要的作用。AM被PM激活后，释放大量ROS自由基、蛋白酶、促炎介质等，这些物质在COPD的发生发展中起着重要作用〔31〕。Miyata等〔32〕总结了AM接触到大气中的PM后机体发生的反应时显示不同大小的PM对巨噬细胞产生的作用不同，PM10通过 TLR4引起固有免疫反应，而PM2.5和超细颗粒物主要是通过过渡金属和多环芳烃诱导产生ROS，使机体处于氧化应激状态，损害AM的吞噬能力。AM通过固有的调理依赖的吞噬作用，经巨噬细胞表面的SR识别并内吞PM，继而促发获得性免疫反应。巨噬细胞如果不能有效清除PM，使PM持续滞留在肺组织，导致一种慢性的、低能级的炎症反应，是发生AECOPD的原因之一〔31〕。Zhou等〔33〕研究发现，PM2.5抑制小鼠AM摄取细菌的内化阶段，使AM吞噬细菌的数量下降，导致肺部感染的概率增加，其可能原因是PM2.5介导了细胞的氧化应激。使用抗氧化剂二甲基硫脲可以部分逆转AM吞噬能力的下降就是佐证之一。最近研究表明，在单核细胞向AM分化的过程中，柴油机尾气PM的慢性暴露可能破坏COPD患者AM的数量及功能〔34〕。

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