补体系统与早产发生的研究进展

张友义,刘伟娜,赵慧娜,徐 晨,倪 鑫

(1.海军军医大学生理学教研室,中国上海200433;2.中南大学湘雅医院分子代谢组学研究中心,中国湖南长沙410008;3.复旦大学基础医学院生理学与病理生理学系,中国上海200032;4.中国人民解放军第413医院妇科,中国浙江舟山316000;5.杨浦区妇幼保健院,中国上海200090)

早产是由感染、子宫过度扩张、应激、药物滥用以及神经精神疾病等许多因素引起的一种综合征,这也是早产机制迄今尚未完全阐明的重要原因[1]。在涉及早产发病的许多因素中,宫内感染与早产风险增加密切相关,占早产的25%～40%[2]。研究显示,微生物侵入子宫腔引起的宫内感染是感染相关早产的主要原因,许多早产孕妇的绒毛膜、羊膜和羊水中均鉴定出病原微生物,从早产孕妇中分离到的常见微生物有支原体、链球菌、拟杆菌等[1]。有研究报道,采用16S rRNA基因测序对早产孕妇羊水中的菌群进行检测时,与传统细菌培养的方法相比,宫内感染的检出率高30%～50%,且检测到的细菌类群数量也增加1.5～3.5倍[3]。有关宫内感染途径的研究表明,来自阴道和子宫颈的上行微生物是微生物侵入羊膜腔导致宫内感染的主要途径,此外,还有来自腹膜腔的微生物经输卵管逆行途径、医源性(如羊膜穿刺术)[4]以及口腔微生物经血液转移到胎盘[5]等途径。除了宫内感染外,宫外感染如肺炎、牙周病等亦可造成早产[6]。然而,通过抗感染治疗由菌群紊乱所致的阴道炎、由性传播导致的生殖道感染以及根治牙周炎,并不能显著地降低早产发生的风险[7],这说明导致早产的感染过程涉及到更复杂的机制。

补体系统在感染引起的炎症反应中发挥重要的作用。补体系统是一种天然免疫机制,由超过50种血液蛋白质组成,通过引发一系列酶促反应,从而驱动炎症反应的发生,最终将病原体清除[8]。补体系统的失调可促发过度的炎症反应,并对自身组织产生损害[9]。研究显示,机体口腔[10]、肠道[11]、皮肤[12]和鼻咽[13]的正常与否与这些组织中的菌群失调以及补体系统的激活有着密切的关系。最近还有研究表明宫颈重塑、早产胎膜早破也与补体的激活有关[14]。鉴于菌群失调可影响补体的激活,而阴道甚至口腔菌群失调又与早产密切相关,本文对补体系统在早产中的作用予以简要的综述。

1 感染和炎症在早产发生中的作用

一般认为早产分娩是由于一个或多个病因过早激活子宫而导致宫颈成熟、蜕膜激活以及子宫肌出现节律性收缩[15]。目前,启动该过程所涉及的机制尚不清楚,但感染和炎症与早产高度相关。机体多数组织中都存在着巨噬细胞,该细胞是天然免疫反应中被最先激活的效应细胞之一。巨噬细胞乃至其他白细胞通过补体受体(CR1、CR3、CR4)和 Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)等模式识别受体来识别病原体[16]。病原体抗原与细胞上的模式受体结合,导致NF-κB和其他转录因子的活化[17],从而促使炎性细胞因子的生成,这些细胞因子又可招募免疫细胞群到达感染部位,进而引起炎症级联反应。在感染的早期阶段,IL-1β、IL-6、IL-8和IL-12等细胞因子参与招募不同的免疫细胞群,这些免疫细胞产生的包括细胞因子在内的炎性介质还可促使局部血管扩张、微血管通透性增加,进而促使白细胞在局部的浸润,导致组织炎症反应[18～19]。

目前的研究表明,无论是正常分娩启动还是早产诱因导致的分娩启动都有炎症过程参与[20]。在宫颈重塑与扩张、胎膜破裂以及节律性宫缩等分娩的几个阶段都伴随有局部的炎症。比如:临产时母胎界面有大量的白细胞浸润,以单核细胞和中性粒细胞为主,且该处趋化因子的生成也明显增加[21];临产的妊娠组织(如胎膜、子宫肌)中趋化因子和炎性细胞因子CCL2、IL-8、IL-1β及IL-6显著升高,在这些组织中有大量白细胞的浸润[22]。有研究表明IL-1β和IL-6等细胞因子可促使子宫肌收缩[23]。而且,相关的动物实验也表明,抑制炎症或者TLR4、IL-6的缺少可以延长妊娠时间、推迟分娩,同时也可推迟感染等导致的早产[24]。这些信息提示炎症在正常分娩和早产诱因导致分娩中发挥关键的作用。

2 微生物组与早产

“微生物组”是指寄居在人体内的微生物所有种类[25]。阴道中存在的微生物形成复杂的生态系统,其在正常的生理功能和感染中起作用,如乳酸杆菌通过产生乳酸和其他抑菌化合物,可防止其他致病微生物群过度生长[26]。当乳酸杆菌的平衡受到破坏时,容易导致厌氧菌的过度生长,更可能导致细菌性阴道炎[27]。而存在于阴道的微生物以及子宫、羊膜中的各种模式识别受体[28]则可直接或通过释放如脂类、碳水化合物、蛋白质或核酸[29]等物质激活促炎反应或抗炎反应,一方面通过抗炎防止益生细菌被消除,另一方面通过激活炎症以消除病原菌,从而维持健康的阴道微环境,这提示健康的阴道微生态在预防与早产相关的生殖道感染中发挥重要作用。

阴道内有超过50种非致病性益生菌群[30],由于宿主和环境因素不同,这些菌群在不同女性中差异很大。近期,针对来自不同种族的396名无症状非孕妇女的阴道微生态进行的一项研究确定了5组菌群,其中4组以乳酸杆菌为主,同时不同种族间阴道微生态存在显著差异[31]。虽然不同种族的阴道微环境差异可能是由于宿主和环境因素不同导致,但是阴道微环境的差异可能对感染以及炎症相关的早产有影响[32]。有关妊娠期阴道微生态的研究发现,随着妊娠的进行,阴道中的菌群种类有所减少[33],但是造成妊娠期阴道微生态构成发生变化的因素尚不清楚。一项针对27名孕妇的研究发现,口服益生菌可改变阴道菌群的构成,且有利于减少阴道炎性细胞因子的生成[34]。

3 妊娠与补体系统

3.1 补体系统概述

如前所述,补体系统是先天免疫反应的一个重要组成部分,其主要功能为“补充”抗体在病原体破坏中的作用。正常情况下补体系统的激活水平较低,其激活后引发一系列酶促反应,以不可逆的形式与病原体结合来清除病原体,并促进组织损伤的修复。

补体激活途径包括经典、凝集素和替代3种途径,每种途径由各自始发组分触发。经典途径由抗原—抗体复合物触发;替代途径由外来异物或受损的自身组织激活;凝集素途径由甘露糖、糖蛋白或微生物表面的碳水化合物与凝集素的结合来激活[35]。无论哪种始发组分,3种途径都是通过特异性C3转化酶将补体成分C3酶切成C3a和C3b片段。C3a是一种裂解产物,其作为过敏毒素起作用,募集并激活炎性细胞、放大局部炎症,并影响血管通透性和平滑肌收缩性。C3b的功能是调节吞噬细胞吞噬病原体和非自身细胞,并启动形成膜攻击复合物(C5～C9)的下游补体蛋白质的活化,导致病原体细胞裂解和死亡[36],如C9活化导致靶细胞的裂解是许多宿主主要的防御机制。B、D因子和备解素通过替代途径活化C3;B因子的衍生物Bb是一种活化产物,有助于C3的额外裂解。由于发挥作用后的补体活化产物若不能有效清除,将会在体内沉积,进而引起宿主组织损伤,所以机体中发挥作用后的补体活化产物将被血浆羧肽(如C3a des-Arg)快速去除,如C3b和C4b因子一旦失活将被丝氨酸蛋白酶切割成片段后被去除[37]。

3.2 补体系统在妊娠中的作用

补体成分主要由肝脏合成,但也可以在包括胎盘在内的多种组织中合成。功能完整的补体系统对于维持宿主防御以及保护胎儿和母体免受感染至关重要。妊娠期补体激活增加从而保证胎儿和胎盘的正常发育。人们在正常和复杂的妊娠胎盘组织中均发现了补体产物[38],如:C1q可由蜕膜组织中的上皮细胞分泌,且在入侵子宫动脉内滋养细胞与血管内皮接触部位可检测到C1q。C1q敲除小鼠出现胎盘发育和螺旋动脉重构异常,进而导致窝仔数减少和胎儿体重减轻,同时表现出类似先兆子痫的表型如血压升高和蛋白尿,表明C1q对于正常妊娠至关重要,如果人体缺乏该补体将使胎盘发育不良进而导致早产[39～40]。活化的补体C3也参与了滋养细胞侵入子宫螺旋动脉和蜕膜的过程。胚胎营养因子3(embryonic trophic factor-3,ETF-3)含有丰富的C3、C3b及其降解产物iC3b,其中iC3b是胚胎植入前最重要的因子,这提示胎盘形成前,C3是胚胎发育和生长的重要因子[41]。在妊娠早期补体系统可被一个或多个触发因素激活,如异物或者受损组织细胞。妊娠期间C4d/C4和C3a/C3的比值以及sC5b-9的表达水平都会增加,提示在正常妊娠中机体主要通过经典或凝集素途径使补体系统激活。补体激活的异常可导致子痫前期、流产和早产等多种不良妊娠结局。研究发现,子痫前期、抗磷脂抗体综合征和早产患者循环血中补体激活片段(如C3a/Bb)明显升高[32]。若补体调节因子(如CD55)有遗传缺陷将导致补体过度激活进而引起复发性流产[42]。同时,补体成分的严重缺乏会使机体容易感染脑膜炎奈瑟球菌或肺炎链球菌,而遗传性C3缺乏也将导致妊娠早期的严重感染。需要指出的是,遗传性C3缺乏的女性中没有文献报道过正常妊娠案例。此外,还有越来越多的证据表明补体调节蛋白的遗传基因突变易导致早产等不良妊娠结局。

上述补体激活和不良妊娠结局之间的关联表明,有针对性地调控补体激活可减少其过度激活对孕产妇和新生儿的危害。目前,相关靶向治疗剂可通过阻止补体激活、减弱激活的补体成分的作用或耗尽补体来起作用。但是,也有报道指出补体缺乏将导致宿主受感染的风险增加,对于补体缺乏(包括C5阻断)的孕妇都建议接种脑膜炎双球菌疫苗[43]。所以目前在孕妇身上使用补体抑制剂的剂量以及是否该用尚存争议。有研究显示,在妊娠期使用补体抑制剂eculizumab具有良好的耐受性和有益性;同时低水平的eculizumab不改变新生儿的经典或旁路补体信号传导途径[44]。在脑膜炎双球菌疫苗接种后,静脉一次性注射1 200 mg eculizumab,患者耐受且无不良反应,同时妊娠延长17 d,治疗后母体血液和尿液中sC5b-9而非C5a水平下降[45]。在对抗磷脂抗体介导的小鼠流产模型的研究中,人们通过实验证明使用针对C5的中和抗体或使用CH2缺失的针对β2-糖蛋白1的重组抗体来控制补体激活可有效预防流产[46]。

4 补体与早产

使用16S rRNA基因测序可以鉴定出更多的细菌种类。鉴定人体中微生物组的组成和代谢能力以及补体标志物可以对人体各个部位中存在的微生物种类进行更全面的评估,并且可以阐明它们与早产发生的关系。来自不同部位的致病微生物均可影响母体血液和生殖组织中补体途径的激活。感染期间,补体激活的水平增加,以帮助吞噬细胞清除病原体。阴道中包括菌群在内的微生物组成的改变将影响补体系统被激活的程度,由此产生的炎症反应涉及多种炎症介质的产生,如果失调,将会刺激子宫收缩、促进宫颈成熟和蜕膜激活,从而增加早产的风险。

尽管机体存在抑制补体过度激活的机制,但补体激活途径一旦失调,将导致补体激活产物在胎盘、子宫颈和蜕膜螺旋动脉上的沉积,进而对这些组织造成损伤[14]。巨噬细胞可以降解附着有补体的妊娠相关组织,这可能是早产的另一途径。因此当外来异物、受损组织和感染等因素引起补体系统失调时,可通过所产生的炎症反应增加早产的风险。

4.1 早产与补体系统的动物研究

脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)既是TLR4配体,也是补体系统旁路激活途径的激活剂。研究表明,补体活化产物可沉积于胎盘、子宫颈和蜕膜螺旋动脉[14],孕鼠阴道给予LPS,引起宫颈C3b沉积、胶原降解、基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)活性增加,从而导致早产。有研究发现,补体的激活通过C5a/C5aR的相互作用促进巨噬细胞浸润和MMP活化,从而促进子宫颈成熟和分娩[33]。有研究报道,从小鼠阴道给予LPS处理可诱发早产,且子宫肌层中C5a水平升高,同时与收缩相关蛋白质的表达也增加,提示补体C5a升高可促进子宫肌收缩从而导致早产的发生[47]。有学者研究了C5a受体(C5aR1)基因敲除小鼠腹腔注射LPS导致早产和流产的发生率,结果显示C5aR1的基因敲除可抑制流产的发生,但并不能阻止早产的发生[48]。上述研究提示生殖道局部感染可能更多地通过补体激活导致分娩,而全身暴露于LPS可能更复杂并且不完全依赖于补体。除了感染导致的早产,在孕酮拮抗剂RU38486诱导的小鼠早产模型中,人们发现补体激活在这类早产中也发挥重要作用[49]。此外,补体激活还与早产儿的并发症有关。Girardi等[50]的研究发现,LPS诱导早产的胎鼠羊水以及脑组织中C5a的水平显著升高,给予C5a抗体不仅可以抑制早产,也可抑制早产导致的胎鼠大脑皮层损伤,而在C5aR基因敲除的胎鼠中,则不会出现早产引起的脑损伤。

4.2 早产与补体系统的队列研究

怀孕前三个月C3a水平升高可能是早产和胎膜早破的独立预测因素,特别是C3a处于较高水平的孕妇,其在妊娠后期出现不良妊娠结局的可能性是C3a处于较低水平孕妇的3倍。同样,在控制已知的早产相关危险因素后,妊娠早期补体因子Bb水平升高者,患早产的概率几乎是补体因子Bb正常组的4倍,表明Bb增加作为早产的预测因子具有更大的潜力[51]。另外,自发性早产与补体受体1(complement receptor 1,CR1)编码变异相关[52]。在微生物侵入羊膜腔导致早产的孕妇羊水中,补体因子 C3a、C4a、C5a和 Bb 均升高[53]。补体调节因子CD55在妊娠期外周血白细胞中升高,而在早产患者中进一步升高;在有过早产史但仍怀孕34周的女性中,CD55增加更多,这表明CD55的增加是为了控制炎症而延长妊娠[54]。有报道指出,外周血白细胞中的CD55可能是早产的有用预测因子,可作为单独指标[55]。在近期的一项生物标志物研究中,Lynch等[7]发现与足月对照组相比,补体因子B和H在早产患者外周血中升高。上述研究均表明补体激活是早产的主要途径之一。

5 展望

感染、早产和胎膜早破之间的关系表明菌群和补体失调在早产中起主要作用。没有临床症状的低丰度病原微生物的存在可能促进补体的激活并增加早产的风险[30]。因此,感染相关的早产不仅仅是由于病原微生物的存在和活动,而是可能涉及存在的病原微生物的组成、病原体间的比例、环境中存在的“保护性”菌群的数量,以及个体女性对这些因素的炎症反应和补体反应等更复杂的机制。宫内感染和宫内炎性通路的激活是早产的决定性风险因素。尽管宫内感染与早产密切相关,但对感染的免疫反应可能受免疫遗传因素的影响,如基因多态性或基因-环境相互作用,这可能使一些暴露于这些因素的女性更易发生炎症相关的早产。未能检出感染的孕妇或许可以解释抗感染治疗为什么不能降低早产风险,当然一些孕妇也可能感染了无法识别的微生物。通过最新的16S rRNA基因测序方法,可以鉴定出更多通常用培养方法无法鉴定的微生物,从而可以对存在的微生物群进行更详细的评估[30]。使用这些较新的方法探索与宫内感染相关的途径,结合补体激活的测量,可以阐明与炎症相关早产的潜在机制。完整的补体系统对于正常妊娠非常重要,既可用于宿主防御,也可用于确保胎盘和胎儿的正常发育。胎盘中的补体调节对于防止母体的先天免疫系统伤害胎儿非常重要。早产可能是补体过度激活或者是遗传性或获得性补体缺陷的结果,且这些缺陷不利于胎盘和胎儿的充分发育。在补体失衡与妊娠不良结局方面,我们需要科学地评估补体过度激活或补体缺陷中可用于预测各种不良妊娠结局的生物标志。另外,我们需要进一步研究如何在不损害宿主防御所必需的补体激活前提下,控制补体不良激活,达到既不影响胎盘和胎儿的正常发育又可防治早产的目的。