上皮细胞在气道变态反应性疾病中的作用

上皮细胞在气道变态反应性疾病中的作用

Role of airway epithelial cells in the pathogenesis on respiratory allergic diseases

王勇聪，彭华，汪建(广州军区广州总医院耳鼻咽喉科，广东 广州 510010)

[关键词]气道上皮细胞；变态反应性疾病；发病机制

呼吸道变态反应性疾病的发病率在临床上呈日益增高的趋势，严重影响人们的生活和工作[1]。常见的呼吸道变态反应性疾病包括：变态反应性鼻炎(allergic rhinitis，AR)、支气管哮喘(bronchial asthma，BA)以及过敏性咳嗽等。上、下气道的变态反应性疾病既相互关联，又有其特殊的组织特异性。近年来，气道上皮细胞在呼吸道变态反应性疾病发病机制中的作用越来越受到人们的关注和重视。呼吸道上皮细胞分布于整个上下气道，是阻挡吸入性过敏原入侵机体的第一道防线，同时也具有一定的免疫调节功能。气道上皮细胞的研究为呼吸道变态反应的治疗提供新思路，本文综述如下。

1气道上皮细胞的黏液纤毛清除功能

呼吸道上皮中的杯状细胞可分泌黏液，黏膜下层中的黏液腺可分泌黏液和浆液。呼吸道黏膜的每个上皮细胞约有200条纤毛，通过规律的摆动将呼吸道分泌的黏液向咽部推移。吸入性变应原通过气道上皮进入机体是气道过敏性疾病发生的始动因素。某些呼吸道病毒，如人类鼻病毒(human rhinovirus，HRV)、呼吸道合胞病毒(respiratory syneytial virus，RSV)等可诱导Th2型细胞因子分泌，这是引起呼吸道变态反应性疾病发生或加重的重要因素[2]。柴油颗粒、粉尘等空气中污染物则是诱发AR或BA的重要佐剂[3]。而呼吸道上皮细胞的黏液纤毛清除功能可直接将大部分吸入性变应原、呼吸道的病原体、粉尘等清除体外，极大地减少了呼吸道变态反应性疾病的发生概率。

另一方面，呼吸道黏膜变态反应性炎症可使气道上皮细胞

的黏液纤毛清除功能减退。刘建国等[4]研究发现变应原暴露会引起大鼠鼻黏膜细胞纤毛面积减少、排列紊乱,有的纤毛粘集成团、向不同方向倾倒,上皮纤毛和绒毛等多数超微结构发生进行性损害,随着变应原暴露时间的延长大鼠会出现鼻涕排除障碍。变应原暴露、病毒感染或基因突变皆可引起哮喘患者气道上皮细胞的纤毛结构异常、摆动频率下降，进而降低黏液纤毛的清除功能[5]。

2气道上皮细胞的物理屏障功能

气道表面由连续的上皮细胞覆盖，通过紧密连接、半桥粒和粘着连接而形成一个完整的气道黏膜屏障，将空气中的有害物质和黏膜下层的免疫细胞分离开来。病毒感染、烟雾等可直接损伤气道上皮细胞，诱发或加重AR或BA的症状[6]。而变应原则通过其蛋白水解酶活性破坏气道上皮细胞间的连接，以及释放炎症因子、下调粘连蛋白的表达、直接损伤细胞等多种途径造成气道上皮细胞物理屏障功能破坏。尘螨等带有蛋白水解活性酶的变应原可直接水解气道上皮细胞之间的连接，也可通过蛋白酶活化受体-2(protease activated receptor-2，PAR-2)的激活间接破坏气道上皮细胞之间的连接[7-8]。细胞连接的粘附分子 (cell adhesion molecule,CAM)依赖于Ca2+才能发挥作用，而带有酶活性变应原可竞争性结合Ca2+，导致气道上皮细胞间的连接分离[9]。跨膜钙粘附蛋白是紧密连接和粘着连接的重要组成成分，在连接复合体中起着支架作用。而体内、外研究实验发现呼吸道变应性疾病患者气道上皮细胞之间的跨膜钙粘附蛋白等多种连接蛋白表达减少[10-11]。气道上皮细胞间连接的完整性遭到破坏导致变应原轻易地穿过气道上皮黏膜层，并与黏膜下层的免疫细胞相接触，随后启动免疫应答反应[12]。

气道上皮细胞的物理屏障功能障碍还促进了呼吸道重塑。在正常呼吸道上皮细胞中，表皮生长因子(epithelial growth factors，EGF)从细胞的基底侧分泌，而表皮生长因子受体(epithelial growth factors receptors，EGFR)位于细胞的顶面，两者被气道上皮细胞形成的物理屏障分隔开来[13]。变应原刺激可导致气道上皮细胞表达的EGF、EGFR增加[14-15]。当气道上皮细胞的物理屏障功能出现障碍后，细胞基底侧分泌的EGF能与位于气道上皮细胞顶面的EGFR相结合，进而促进气道上皮组织增厚、重构[13]。呼吸道变态反应性疾病患者的上皮细胞高表达的骨膜素可促进嗜酸性粒细胞、肌纤维细胞释放转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)，后者可促使纤维母细胞分化为成熟的纤维细胞并合成大量的胶原蛋白和细胞外基质，导致气道上皮细胞向间充质转化，引起呼吸道增厚、组织重构[13,16]。而气道上皮细胞向间充质转化后又可导致跨膜钙粘附蛋白生成减少，进一步破坏气道上皮细胞的物理屏障功能[12]。

变应原引起呼吸道上皮细胞黏膜屏障功能障碍在机体对变应原易感性中起到重要作用[12]。变应原导致的气道上皮细胞间连接破坏、呼吸道重构、氧自由基生成增多、气道高反应等均可引起机体对变应原的易感性增加。研究还发现变应原可通过激活核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)途径导致气道上皮细胞表达大量的易感基因,如：PCDH1[17]，CDHR3[18]，SMAD3，HLA-DR，IL1RL1[19]。反复变应原暴露可促进小鼠气道上皮细胞的蛋白酪氨酸磷酸酶SHP2基因表达增加，而SHP2能够调控小鼠气道上皮细胞TGF-β1的产生[20]。气道上皮细胞表达大量易感基因增加了机体对吸入性变应原、空气中粉尘等有害物质的易损伤性，同时也导致气道上皮细胞的自我修复和分化形成完整的气道上皮细胞屏障的功能下降，进一步促进呼吸道变态反应性疾病的发生[12]。

3气道上皮细胞的免疫功能

近年来研究发现人类呼吸道上皮细胞具有活跃的免疫功能。气道上皮细胞表面表达多种模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)，包括：Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)、PARs-2、NOD样受体(NOD-like receptors,NLRs)、C型凝集素受体(C-type lectins receptors，CTLRs)、EGFR等。吸入性变应原激活气道上皮细胞表面的PRPs后，通过激活NF-κB途径促进多种炎症相关的细胞因子基因表达以及多种细胞因子、趋化因子的释放，如：胸腺基质淋巴细胞生成素(thymic stromal lymphopoietin，TSLP)、白细胞介素-33(interleukin-33，IL-33)、白细胞介素25(interleukin-25，IL-25)、血管内皮生长因子-A(vascular endothelial growth factor-A,VEGF-A)、血管内皮生长因子-C(vascular endothelial growth factor-C,VEGF-C)、粒细胞集落刺激因子(granulocyte，monocyte colony stimulating factor，GM-CSF)、CC趋化因子2(CC chemokine ligand 2，CCL2)、CC趋化因子20(CC chemokine ligand 20，CCL20)、嗜酸性粒细胞活化趋化因子、干细胞因子(stem cell factor, SCF)、细胞间粘附分子1(intracellular adhesion molecule-1，ICAM-1)、白细胞介素6(interleukin-6，IL-6)、白细胞介素8(interleukin-8，IL-8)等的释放，随后触发呼吸道变态反应性炎症的发生或加重[13，21]。

树突状细胞作为抗原递呈细胞，在变应原诱导的呼吸道变态反应性疾病的发病机制中起着重要的桥梁作用。气道上皮细胞可通过释放细胞因子控制树突状细胞的抗原递呈功能[22]。变应原刺激气道上皮细胞后分泌的CCL2、CCL20等能促使血液中的单核细胞游出至黏膜下层，分泌的VEGF-A和VEGF-C能促进黏膜基底层血管和淋巴管的生成[23]。而新生的血管和淋巴管对单核细胞的游出以及携带变应原的树突状细胞向淋巴结转移提供了便利[13]。气道上皮细胞分泌的IL-33、IL-25、TSLP、GM-CSF等细胞因子可抑制树突状细胞表达Th1型免疫反应相关的细胞因子IL-12，同时促进Th2型免疫反应相关的多种细胞因子，如：IL-4、IL-6、白三烯C4(leukotriene C4，LTC4)等的释放[13]。游出的单核细胞在气道上皮细胞分泌的趋化因子、细胞因子、氧自由基等的共同作用下分化成为成熟的树突状细胞并携带变应原进入淋巴结，随后刺激淋巴结内的原始Th0细胞向Th2细胞分化，抑制其向Th1细胞方向分化，导致Th1/Th2失衡[13]。气道上皮细胞间充质转化后也可持续激活树突状细胞并促进成熟树突状细胞向淋巴结转移[24]。

气道上皮细胞分泌的TSLP、IL-25、IL-33、ICAM-1、SCF等细胞因子除了招募、激活树突状细胞外，同时也能直接激活其他的免疫相关细胞，包括嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、T淋巴细胞等。TSLP能激活树突状细胞产生IL-8和嗜酸性粒细胞活化趋化因子，进而刺激CD4+T细胞产生Th2型细胞因子[25]。IL-25通过激活树突状细胞促进Th2型细胞因子的产生[26]。气道上皮细胞分泌的IL-33能与巨噬细胞、肥大细胞、嗜碱性粒细胞、CD4+T细胞等免疫相关细胞表面的相应受体ST2受体相结合，促进这些细胞释放大量的Th2型细胞因子和趋化因子，在过敏性炎症的免疫调节中起重要作用[27-28]。IL-33与嗜碱性粒细胞表面ST2受体结合后还能促进IgE受体介导的组胺释放[28]。研究发现激活IL-33/ST2轴不仅调节多种细胞产生Th2型细胞因子，还导致气道的高反应[29]。呼吸道黏膜上皮细胞产生的IL-33在缺乏T细胞和B细胞的情况下也能诱导过敏反应[30]。气道上皮细胞来源的SCF可促进肥大细胞的成熟并向呼吸道黏膜浸润[31]。嗜酸性粒细胞活化趋化因子有促进嗜酸性粒细胞在呼吸道黏膜浸润的作用[32]。AR或BA临床症状消失后仍有少量ICAM-1、嗜酸性粒细胞存在于气道黏膜内，导致呼吸道黏膜仍然处于高敏状态[33]。

气道上皮细胞除了通过分泌的细胞因子产生免疫反应，也可通过产生的多种损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMP)诱导免疫应答。变应原刺激呼吸道黏膜引起黏膜血浆外渗，随后导致气道上皮细胞缺氧、水肿，并释放大量的DAMP，包括自由基、三磷酸腺苷、尿酸、溶血磷脂酸等，这些DAMP可通过激活TLRs、NLRs等模式识别受体，诱导免疫应答[34]。氧自由基(reactive oxygen species，ROS)可通过损伤气道上皮细胞的生物膜、核酸、蛋白或者减少抗氧化剂的表达而导致机体对过敏原易感性增加[35]，也可通过诱导气道上皮细胞表达细胞因子和EGFR而触发变态反应性疾病的发生或加重[36]。三磷酸腺苷、尿酸、溶血磷脂酸等DAMP分子通过NF-κB途径激活树突状细胞以及其他相关免疫细胞，同时通过促进气道上皮细胞进一步释放TSLP、GM-CSF、IL-33、IL-25等细胞因子，进一步导致Th1/Th2失衡[13，37-38]。呼吸道变应性疾病患者的气道上皮细胞大量表达诱生型一氧化氮合成酶，进一步加重呼吸道黏膜炎症[39]。

4总结与展望

呼吸道黏膜上皮细胞具有黏液纤毛清除功能、物理屏障功能以及多种免疫功能，气道上皮细胞结构及功能的异常可破坏气道的固有免疫，导致免疫系统的异常信号传导、气道重塑以及气道高反应性，在呼吸道变应性疾病的发生和发展中起着重要作用。虽然近年来人们对气道上皮细胞在呼吸道变应性疾病发病机制中的作用日益重视，但还有很多未明之处有待进一步研究。以气道上皮细胞为靶点的研究在呼吸道变应性疾病的机制及治疗中具有重要的意义[1]。

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(编辑：周小林)

[收稿日期]2014-11-18[修回日期] 2014-11-29

[通讯作者]汪建,E-mail:13889909318@139.com

[基金项目]国家自然科学基金项目资助(2013046)

doi:10.11659/jjssx.11E014025

[中图分类号]R562.25；R765.21

[文献标识码]B

[文章编号]1672-5042(2015)03-0333-04