白细胞介素-17在空气污染诱导哮喘发病中的作用

吴京宁 刘紫霄 赵云霞

河北医科大学第三医院呼吸一科,石家庄050051

支气管哮喘 (哮喘)是由多种细胞包括嗜酸粒细胞、肥大细胞、T 淋巴细胞、中性粒细胞、平滑肌细胞、气道上皮细胞等,以及细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病[1]。哮喘是一个严重的全球性健康问题,影响到所有年龄组,在许多国家,特别是在儿童中,其患病率正在上升,虽然一些国家的住院人数和哮喘死亡人数有所下降,但哮喘仍然给保健系统和社会造成不可接受的负担[1]。哮喘有多种表型,包括变态反应性哮喘和非变态反应性哮喘,目前关于非变态反应性哮喘的研究正在成为热点,它和暴露于空气污染、感染、肥胖等有关,主要以先天性免疫为主[2]。通过近几年的研究发现这些不同临床表型可能是由于不同的免疫学及病理生理学机制导致的。例如,由特异性过敏原引起的过敏性哮喘的特征是产生免疫球蛋白E、嗜酸粒细胞及Th2 极化细胞因子谱 (高水平IL-4、IL-5、IL-13)[3]。对激素治疗效果不明显的非过敏性哮喘,最近被证实与分泌IL-17的Th17细胞高水平有关[3]。

近年来发现长期暴露于空气污染可导致哮喘恶化并增加哮喘相关的住院率及病死率[4],并且空气污染物对呼吸道症状、药物使用和肺功能都有不利影响[5]。通常认为环境因素作用于哮喘患者,促使其炎症、免疫反应加重、气道高反应性出现,从而促使哮喘发作,因此环境因素可以说在哮喘发生、发展中具有重要作用[6]。而空气污染物主要包括大气颗粒物和有毒气体。其中空气中动力学当量直径＜2.5μm 的细颗粒物 (fine particles mather,PM2.5),表面积大,化学活性强,可通过气管进入肺泡,是诱发呼吸道疾病的主要成分;有毒气体主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。迄今为止,关于空气污染诱发哮喘发病这一领域的研究成果仍相对不完全,他们之间的关系尚未明确,本文就IL-17在空气污染诱导哮喘发病方面的文献进行综述,重点讨论IL-17在空气污染诱导哮喘发病中的作用。

1 IL-17在哮喘发病机制中的作用

IL-17家族包括6 种相关蛋白,即IL-17A、IL-17B、IL-17C、IL-17D、IL-17E 和IL-17F,IL-17 家族中最著名的两个成员为IL-17A 和IL-17F。IL-17主要在黏膜屏障组织中,在多种有益和有害的过程中起作用。IL-17表达的有益作用在肺中尤其重要,例如:IL-17在防御肺部细菌、真菌病原体的感染中起重要作用;IL-17及其协同因子IL-22参与维持气道上皮细胞稳态及炎性损伤后上皮细胞的修复、再生。然而,其异常表达或过表达将导致哮喘、肺炎、肺间质纤维化等肺部疾病的发生或加重[8]。一些研究表明,Th17细胞在变应性哮喘和非变应性哮喘中有促炎症反应的作用,并且可能在非变应性重症哮喘中作用更明显[3]。Th17细胞在哮喘病理生理学中起重要作用,我们发现人类许多慢性炎症性疾病如:哮喘、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、异体器官排斥反应等,都与IL-17A 表达增加相关[9]。IL-17F在哮喘患者白细胞聚集过程中起重要作用,有研究表明,IL-17F在哮喘患者的痰液、肺组织、支气管肺泡灌洗液、外周血中表达增加[10]。曾经有报告显示重症哮喘患者血清中IL-17水平比轻中度患者水平升高[9]。近期有研究证明在过敏性哮喘患者血清中IL-17水平高于正常对照组[11]。

1.1 IL-17对重度哮喘的影响 Th17细胞被认为是IL-17的主要来源,除此之外,γδT 细胞、NK 细胞、B细胞以及一些中性粒细胞也可产生IL-17。在过去几十年的研究已经证实Th17细胞和中性粒细胞在重度哮喘发病机制中起重要作用。在哮喘患者肺组织中Th17 细胞和中性粒细胞通过释放调节介质,直接或间接刺激平滑肌细胞的增殖和迁移来导致气道重塑,使气道变得狭窄从而呼吸变得困难。因此,阐明中性粒细胞在重症哮喘持续炎症中的作用以及与邻近细胞的相互反应是有意义的。研究证明,在哮喘患者中,中性粒细胞直接或间接转化为促进Th17 细胞分泌的化学信号,以释放IL-17A、IL-17F、IL-21 及其他细胞因子为特征;Th17细胞的调节因子主要通过诱导信号转导和转录激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)磷酸化的增加促使维甲酸相关性单核受体 (retinoic acid receptor-related orphan nuclear receptor,RORγt)表达增加,从而产生IL-17增加[12]。一些证据表明,一方面Th17辅助细胞可以通过分泌IL-17A、IL-17F诱导中性粒细胞进入肺组织,刺激气道上皮产生炎性因子[13];Th17细胞诱导中性粒细胞的趋化反应,通过STAT3的驱动表达和释放IL-17以外的细胞因子[14]。另一方面,作为一种反馈机制,通过外周Th17细胞通路产生CCL2和CCL20细胞因子来诱导气道中性粒细胞的浸润来引起气道的慢性炎症反应[15]。Agache等[9]通过检测85例哮喘患者血清IL-17A 水平,其中轻度哮喘23例,中度哮喘26例,重度哮喘36例,研究发现有16例患者IL-17A＞20 ng/L,其中3 例 (13.04%)为轻度哮喘患者,2 例(7.69%)为中度哮喘患者,11例 (30.56%)为重度哮喘患者,且有2例重度哮喘患者血清IL-17A＞100 ng/L;在轻度哮喘患者中血清IL-17A 平均值为14.21 ng/L,中度哮喘患者为12.22 ng/L,重度哮喘患者为24.72 ng/L。此研究表明,IL-17可以用来预测哮喘的严重程度,因为其在重度哮喘患者中的值高于轻度及中度患者,且IL-17＞20 ng/L是重度哮喘患者的独立危险因子。

1.2 IL-17对气道重塑的作用机制 多项研究表明哮喘不再是单纯的炎症性疾病,目前被认为既有炎症又有结构的改变,这些被称为气道重塑,包括气道许多方面的各种变化,例如气道上皮细胞破坏、杯状细胞增生、上皮下增厚、气道平滑肌的增生及肥大、支气管腺体肥大及细胞外基质成分的改变,从而增加气道对非特异性刺激的反应和紧缩感,引起气道高反应性。这些改变都是受多种细胞因子影响的,如IL-17 在哮喘发作的病理生理学方面起重要作用[10]。研究表明,在高IL-17水平的环境,肺组织刺激中性粒细胞产生高反应性活性氧自由基,这会通过细胞毒素和组织破坏活动加重炎症反应,可能会促成气道慢性炎症的患者的气道结构重塑[12]。IL-17与气道重塑的关系可能是IL-17促进哮喘患者的嗜酸粒细胞释放转化生长因子,此外,IL-17还可促进纤维细胞平滑肌肌动蛋白的表达,从而促进组织收缩和气道狭窄。除了促进转化生长因子的释放,IL-17A 还直接作用于上皮细胞,增加MUC5A 等分泌黏液的基因表达,并促进杯状细胞增生 (哮喘所致气道重塑的标志之一)。因此,IL-17在哮喘的反应中预示着较差的结果,因为它们与严重的炎症和气道重塑及气道高反应性密切相关[8]。

2 空气污染可诱导哮喘患者IL-17水平升高

空气污染物主要包括大气颗粒物及有毒气体。大气颗粒物是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。各种颗粒状物质均匀地分散在空气中构成一个相对稳定的庞大的悬浮体系,即气溶胶体系,因此大气颗粒物也称为大气气溶胶。根据大气颗粒物在环境空气中动力学当量直径大小可分为PM100、PM10、PM2.5及PM0.1,其中PM2.5是雾霾环境的主要污染物,是一种可以渗入肺深处的污染物。有毒气体主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。WHO《关于颗粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空气质量准则》2005版的准则值为:臭氧的8小时平均浓度准则值为100μg/m3,高于240μg/m3会显著危害大部分易感人群,过度时期目标-I为160μg/m3,认为在该浓度暴露6.6 h,可导致进行运动的健康年轻人生理及炎症性肺功能损伤,可导致儿童的健康损害;二氧化氮的年平均浓度准则值为40μg/m3,1 h平均浓度为200μg/m3;二氧化硫的24 h平均浓度准则值为20 μg/m3,10 min 平均浓度为500μg/m3。过度时期目标-I,24 h平均浓度为125μg/m3[7]。

由于空气污染成分的复杂性,因此空气污染对哮喘的影响,多通过临床流行病学调查取得其对疾病的影响情况[16],对于发病机制的研究则多区分不同污染物组分对于哮喘的影响。下面我们分别就相关文献探讨金属、多环芳烃、大气颗粒物中的柴油机排气微粒、PM2.5及臭氧对哮喘患者IL-17水平的影响[7]。

2.1 空气污染中金属和多环芳烃对IL-17影响 金属和多环芳烃被认为是PM2.5中最有害的成分。其中有研究表明,较高浓度的过渡金属和有毒金属与Th2相关细胞因子增加有关。PM2.5中的多环芳烃可能促进Th17细胞的活化,在大气颗粒物样品中,BaP、Ba A、BbFA、CHR、BPE、IPY和PYR 含量极高。最近一些研究已经表明了芳基烃受体是在调节Th17细胞分化过程中多环芳烃的主要受体,该受体存在于环境中,并被吸入到肺中,主要由香烟烟雾、汽车排放物、工业废气、燃烧的木材和木炭以及城市灰尘造成的[17]。研究提出,PM2.5中含有的多环芳烃直接作用于T 细胞的芳基烃受体,从而促进Th17细胞的分化[18]。芳基烃受体激活促进Th17 细胞分化的机制尚不清楚,但研究发现IL-17在大气颗粒物反应中的上调依赖于芳基烃受体的存在,一种可能的解释是芳基烃受体是IL-17 转录的抑制因子,未与配体结合的芳基烃受体与一种控制IL-17表达的转录因子结合,经配体结合后,芳基烃受体与此转录因子分离,而该转录因子可自由激动某种启动子进行IL-17的表达。除了对T 细胞的影响外,其他单个核细胞亚群也能表达IL-17,其中包括γδT 细胞、固有淋巴样细胞和肥大细胞,他们通过上调IL-17的表达而对芳基烃受体配体产生反应,因此大气颗粒物可能通过多种途径促进IL-17介导的发病机制[17]。由此可以推断,PM2.5暴露后的哮喘小鼠IL-17A 的增加可归因于环境PM2.5中高浓度的多环芳烃。

2.2 空气污染中柴油机排气微粒 (diesel exhaust particle,DEP)对哮喘患者IL-17 的影响 辛辛那提市儿童过敏和空气污染研究 (the Cincinnati Childhood Allergy and Air Pollution Study,CCAAPS)是一项纵向前瞻性研究,检测了儿童接触DEP的情况,并评估了对过敏反应敏感性和哮喘风险的影响。来自CCAAPS 数据显示,暴露于高水平DEP的儿童哮喘发病率有所增加,其他流行病学研究也表明,暴露于与交通相关的空气污染与哮喘症状的发展之间存在关联。即使是短期暴露于DEP,也会对肺功能产生不良影响,成人哮喘患者暴露于DEP 后会发生肺功能下降、中性粒细胞生物标志物增加[19]。Acciani等[19]研究中发现在接触DEP暴露后的幼鼠支气管肺泡灌洗液中CCL20 和CCL2增加,有助于树突状细胞的募集,从而启动免疫反应及Th17细胞的募集和活化。Th17 细胞活化后可上调CCR6受体,而CCL20可通过CCR6受体进一步募集免疫细胞;CCL2可以通过其CCR2受体募集树突状细胞,且已证明暴露DEP后的过敏反应是依赖CCR2 受体的。总之,幼鼠暴露于DEP后会加重哮喘的过敏反应,包括炎症、致敏、气道高反应性和气道重塑,免疫学主要表现为IL-17A、Th17细胞的增加[19]。

2.3 空气污染中PM2.5对哮喘患者IL-17的影响 暴露于颗粒物质的小鼠肺中诱导新的细胞和炎性介质,如Th17细胞和IL-17A[18]。徐佳莉等[20]研究发现PM2.5能显著加强哮喘小鼠的症状,与对照组小鼠及未经PM2.5处理的哮喘组小鼠相比,经15 g/L PM2.5处理的重症哮喘小鼠血清中由Th17细胞分泌的细胞因子IL-17含量显著升高,同时在外周血单个核细胞中Th17细胞的重要转录因子RORγt的蛋白表达量也显著增加,因此说明在大剂量PM2.5引起的哮喘炎症反应下,Th17细胞的调节作用起主导作用。研究表明,IL-17在哮喘小鼠中表达高于对照组健康小鼠,而在经大剂量PM2.5处理的哮喘小鼠中明显高于未经PM2.5处理的哮喘小鼠。邹慎春等[21]将无特殊病原体小鼠随机分为正常对照组、哮喘组、哮喘+低剂量PM2.5组、哮喘+高剂量PM2.5组,发现对小鼠血清、支气管肺泡灌洗液检验显示,哮喘组、哮喘+PM2.5组较正常对照组明显升高 (P＜0.05),哮喘+低剂量PM2.5组、哮喘+高剂量PM2.5组较哮喘组明显升高,并且存在剂量依赖性 (P＜0.05)。付慧聪等[22]研究显示,与正常对照组相比,OVA 致敏组及PM2.5暴露哮喘组小鼠外周血单个核细胞CD4+IL-17+的表达明显升高,且PM2.5暴露哮喘组较OVA 致敏组改变更为明显,两组间差异有统计学意义。以上研究均表明PM2.5暴露可加重哮喘气道炎症并且增加IL-17的表达。

2.4 空气污染中臭氧对哮喘患者IL-17影响 臭氧是空气污染的重要组成部分,即使暴露于低于美国环境保护局标准以下的浓度,也会增加哮喘的症状;在臭氧浓度较高的日子里,哮喘患者住院治疗人数明显增多。即使在健康人群中,暴露于臭氧也会导致气道上皮细胞损伤及近端气道中性粒细胞、炎性介质增加,而哮喘患者更容易受到这种污染物的不良影响[23-25]。我们目前的研究表明,反复暴露于臭氧诱发的哮喘以中性粒细胞浸润的气道炎症为主,且与气道高反应性有关,而引起气道高反应性机制需要恒定自然杀伤T (invariant nature killer T,iNKT)细胞及IL-17的参与[26]。Pichavant等[26]研究表明反复暴露于臭氧可诱导气道高反应性 (哮喘的主要发病机制之一)的发生,这一机制主要涉及先天性免疫、iNKT 细胞及其产生的IL-17。研究中发现iNKT 细胞缺乏及经抗CD1单克隆抗体阻断iNKT 细胞活化的小鼠,都阻断了臭氧诱导的气道高反应性及iNKT 细胞浸润到肺组织;此外,臭氧诱导的气道高反应与iNKT 细胞产生IL-17 有关,研究表明用抗IL-17m Ab中和IL-17或破坏IL-17基因也可以阻止臭氧诱导气道高反应性的发生,而与过敏源诱导产生的气道高反应性无关。总之,我们发现在反复暴露于臭氧诱导气道高反应过程中iNKT 细胞及其产生的IL-17发挥重要作用[26]。

综上所述,空气污染导致哮喘患者的临床症状加重、医院就诊率增加,空气污染物中的金属、多环芳烃、柴油机排气微粒、PM2.5及臭氧可诱导IL-17增加,可能是导致哮喘的急性加重及发病率上升的重要原因,该发病机制将为空气污染诱导哮喘的预防和治疗提供依据。

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