肺泡Ⅱ型上皮细胞与巨噬细胞之间的相互作用在急性呼吸窘迫综合征中的影响

2019-09-21陈一凡窦懋森王林林宋元林

国际呼吸杂志 2019年17期

陈一凡窦懋森王林林宋元林

1复旦大学附属中山医院呼吸科,上海200032；2复旦大学附属中山医院感染科,上海200032

ARDS是指各种肺内外致病因素导致的急性、进行性呼吸困难。其主要临床特征有肺水肿、肺萎陷、难治性低氧血症,可导致呼吸衰竭、多器官功能障碍甚至死亡。目前认为,ARDS的病理进程和肺组织内炎性因子产生过多密切相关。尽管我们对其发病机制和患者管理的探索取得了重大进展,但其发病率和病死率仍然很高,大约40%的患者发展为危重疾病[1]。低潮气量通气、神经肌肉阻滞等是为数不多的降低病死率的治疗手段。然而,近年来的各项研究仍未能找到有效降低ARDS病死率的治疗方法。最近,以细胞为基础的治疗方案已经开始出现,其重点是改善肺泡上皮屏障的功能。在临床前研究中,间充质干细胞已经在某种程度上减轻了肺部损伤的症状,这无疑给受损肺组织的修复带来了希望[2]。

肺泡的上皮屏障主要由肺泡Ⅰ型上皮细胞(alveolar epithelial typeⅠcells,ATⅠ)和肺泡Ⅱ型上皮细胞(alveolar epithelial typeⅡcells,ATⅡ)2种形态和功能不同的细胞类型组成。其中,ATⅡ是合成和分泌肺泡表面活性物质的主要细胞,并且被认为是肺泡上皮的祖细胞。在上皮细胞受损后,ATⅡ会迅速增殖同时分化为ATⅠ来帮助修复损伤的肺组织[3]。过去关于ARDS的研究主要集中在肺水清除和上皮屏障重塑方面。而目前人们对于ATⅡ在ARDS发生、发展中作用的认识则逐步扩展到其在起始应答、招募炎症细胞、代谢调控、抗炎与修复等方面的作用,其中ATⅡ与巨噬细胞之间的交互正是近年来研究的热点。

在肺泡中主要有2种类型的肺泡巨噬细胞,分别是肺固有巨噬细胞和肺招募巨噬细胞。肺固有巨噬细胞贴覆在ATⅡ上,大致上每7个肺泡中有1个肺固有巨噬细胞[4]。它们在正常生理状态下分布均匀,保持静止,起到免疫抑制的作用[5]。而在ARDS的炎症反应中,外周血巨噬细胞被募集到肺泡腔内,称为肺招募巨噬细胞(后文简称肺巨噬细胞)[4]。巨噬细胞有非常强大的可塑性,在外界环境的刺激下,其可分化为以促进炎症为主的M1型巨噬细胞或以抑制炎症、促进修复为主的M2型巨噬细胞[6]。M1型巨噬细胞主要分泌促炎因子,包括肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、诱导型一氧化氮合酶、IL-1β和IL-6。M2型巨噬细胞则具有促进细胞增殖和组织修复的功能,主要分泌转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)和IL-10[7]。M1与M2型巨噬细胞的转化(M1/M2平衡)在ARDS的进展与消退中起着关键作用[8]。

近些年的研究表明,在ARDS各个阶段ATⅡ都参与和巨噬细胞的交互并调控M1/M2平衡,进而影响疾病进程的转归。以下通过ARDS的3个分期分别阐述肺泡上皮细胞与巨噬细胞之间的交互在ARDS发生、发展中的影响。

1 ATⅡ与肺巨噬细胞在ARDS炎症起始期的交互作用

Janssen等[9]研究表明在静息态时,肺固有巨噬细胞大多为M2型,贴覆在ATⅡ上。但目前对于两者之间的细胞接触研究还不是很透彻[10]。Raz[11]发现肺固有巨噬细胞和ATⅡ之间可能受到上皮整合素αvβ6的调节,其可以激活巨噬细胞释放抗炎因子如TGF-β,而抑制其促炎因子的分泌(主要为TNF-α和IL-6)[12]。同时,Morris等[13]发现,缺乏整合素αvβ6表达的小鼠由于肺TGF-β的降低而表现出持续的肺泡巨噬细胞激活。这提示我们在静息态时ATⅡ与固有巨噬细胞的交互是保持肺泡免疫平衡的重要机制,而这种平衡的破坏或者缺如可能是急性炎症的始动因素。

在急性肺损伤小鼠模型早期,M2型肺固有巨噬细胞会转化为M1型,并释放各种促炎介质[8]。而ATⅡ可以直接在细菌脂多糖的刺激下,分泌角质细胞趋化因子和脂多糖趋化因子[14],以募集血液中的中性粒细胞,后者在肺损伤急性炎症期起到了关键作用。同时,近些年来的研究发现ATⅡ在肺部炎症早期招募炎症细胞的活动中起到了非常重要的作用。Sharma等[15]发现在ARDS早期,肺固有巨噬细胞会与ATⅡ分离,分泌更多的TNF-α以刺激ATⅡ并增加其分泌角质细胞趋化因子和脂多糖趋化因子,招募更多的中性粒细胞,从而增强ARDS的炎症反应。反过来,ATⅡ还可以通过分泌单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)招募血液中的单核细胞[16],并且分泌细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)联合MCP-1共同促进血液中的巨噬细胞迁移入肺泡腔,并且增加其吞噬功能[17]。

尽管目前对于ATⅡ和巨噬细胞在ARDS早期交互作用的研究还处于起始阶段,但已有的这些研究表明在肺固有巨噬细胞协助下ATⅡ增强了对中性粒细胞的募集,而ATⅡ通过分泌MCP-1和ICAM-1进一步招募巨噬细胞入肺。这似乎提示我们在ARDS早期,ATⅡ与肺固有巨噬细胞之间的正反馈循坏,构成了肺组织应对相应病原体和外来刺激的重要应答。同时,上述试验也提示我们在ARDS的起始阶段,采取ATⅡ补充替代治疗并不利于ARDS的修复缓解,反而会促进其与肺泡巨噬细胞之间的反馈,从而加重炎症反应。

2 ATⅡ与肺巨噬细胞在ARDS急性炎症期的交互作用

ARDS急性炎症期以血液中的单核细胞和巨噬细胞迁移进入肺泡腔为起始。但目前关于单核细胞和巨噬细胞迁移到肺泡腔后,ATⅡ和肺巨噬细胞之间的交互还不是很清楚。既往的研究认为在ARDS急性炎症期,M1型巨噬细胞的激活加剧了肺组织的炎症反应[8],同时主导促炎作用的M1型巨噬细胞会释放TNF-α,下调ATⅡ中钠通道的表达,诱导ATⅡ损伤和凋亡,抑制其增殖功能,并加重肺水肿[18]。

但事实上,ATⅡ与巨噬细胞之间的交互远没有这么简单。巨噬细胞炎症蛋白2(macrophage inflammatory protein-2,MIP-2)是中性粒细胞的强有力趋化因子。研究发现,在ARDS患者的支气管肺泡灌洗液中,此趋化因子具有较高的表达水平[19]。以往认为,M1型巨噬细胞首先被激活,释放MIP-2等炎性介质,招募中性粒细胞在肺内聚集并激活,引发急性炎症[20]。但有研究证明,ATⅡ在TNF-α的刺激下,也会分泌MIP,协助巨噬细胞继续从血液中募集中性粒细胞,同时,其还会分泌MCP-1继续招募血液中的巨噬细胞。尽管对于ATⅡ与肺巨噬细胞在ARDS急性炎症期相互作用的研究还处于起步阶段,但上述试验已经揭示了在ARDS急性炎症期,ATⅡ和肺巨噬细胞之间的交互会形成一个不断放大炎症效应的正反馈循环,从而加重ARDS的发展。值得注意的是,Cakarova等[21]却发现,在ARDS急性炎症期,活化的肺泡巨噬细胞释放的TNF-α可诱导上皮细胞的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子表达,从而促使ATⅡ增殖并分化为ATⅠ启动修复机制。这似乎表明,促炎和抑炎在ARDS的进程中并不是各分期泾渭分明的,相反则是通过各细胞的交互作用共同交织在一起。

3 ATⅡ与肺巨噬细胞在ARDS修复缓解期的交互作用

在ARDS修复缓解期中,肺泡屏障的成功修复与患者的生存密切相关。而重建肺泡上皮屏障的完整性则涉及多种机制,包括肺水肿液清除、促炎症因素消退和细胞修复增殖等。过去认为,ATⅡ和Clara细胞增殖和分化为ATⅠ是ARDS修复期的主要特征[22]。

在关于ARDS修复期的始动因素方面,近年来取得了不少突破。目前认为M1型巨噬细胞向M2型转化是修复期的重要特征。而ATⅡ与巨噬细胞之间的交互则是调控M1/M2平衡的重要因素。干扰素γ介导了肺泡巨噬细胞向M1型转化的经典JAK/STAT1途径。Minutti等[23]研究表明,肺表面活性蛋白A可以与干扰素γ结合,抑制干扰素γ与其膜受体相互作用,从而抑制肺泡巨噬细胞向M1型转化。同时Speth等[24]在脂多糖诱导的炎症反应模型中发现,脂多糖与ATⅡ膜上的Toll样受体4结合,上调环氧合酶2和膜结合型前列腺素E合成酶1表达,导致ATⅡ合成前列腺素E2增加。而前列腺素E2则会与相邻肺泡巨噬细胞上的EP受体结合,增强其分泌微粒内细胞因子信号转导抑制因子3的含量。Bourdonnay等[25]则发现肺泡巨噬细胞分泌的细胞因子信号转导抑制因子3会被相邻的ATⅡ摄取,通过与JAK的关键磷酸化酪氨酸残基以及细胞因子受体[26]结合,负性调控内源性STAT3通路的活化及其主要效应因子MCP-1,从而发挥抗炎作用。而Guillamat-Prats等[27]进一步在小鼠急性肺损伤模型的体内实验中发现,外源性递送ATⅡ可以促进肺组织修复。以上研究表明,ATⅡ可以通过诸如前列腺素E2等分子抑制巨噬细胞向M1型转化,并促进M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞转化,这对于ARDS的早期损伤修复十分重要。这些分子可为促进ARDS损伤修复提供联合治疗,这可能在未来的ARDS治疗中具有一定价值。

M2型巨噬细胞有助于ARDS中肺组织的修复。在减轻炎症方面,Butler等[28]发现,M2型巨噬细胞会分泌IL-1受体拮抗剂,竞争性抑制IL-1与ATⅡ上IL-1Ⅰ型受体的结合,从而减轻炎症反应对于ATⅡ的破坏。同时,ATⅡ在IL-1受体拮抗剂作用下减少ICAM-1的分泌,这会下调肺巨噬细胞分泌MIP-2。同时,ICAM-1和MIP-2的分泌减少会削弱中性粒细胞在肺的募集,从而减轻炎症反应。而在加快肺水清除减轻肺水肿方面,M2型巨噬细胞分泌表皮细胞生长因子和IL-1受体拮抗剂,通过增加顶端上皮钠通道和基底外侧钠钾泵的活性转运来增强肺泡液清除[29-30]。此外,在恢复肺泡上皮屏障的进程中,M2型巨噬细胞通过表达纤连蛋白1、TGF-β诱导蛋白IG-H3和胰岛素样生长因子1,作用于ATⅡ促进组织增殖和修复[31-32]。闭塞蛋白1的修复也是肺泡上皮恢复紧密连接的重要指征。Herold等[20]发现,M2型巨噬细胞表达的IL-1受体拮抗剂还可通过IL-1β拮抗作用阻止ATⅡ中闭塞蛋白1的破坏和分解,从而保护了肺泡屏障的完整。Goldmann等[33]的研究首次报道了在外源性TGF-β的刺激下,原代提取的人ATⅡ在体外表现出上皮间充质转化的基因表达和蛋白水平的表型变化,并获得产生胶原的能力。这可能提示在ARDS的修复期,M2型巨噬细胞不仅会促使ATⅡ产生纤维,甚至还会刺激ATⅡ的表型发生改变,从而加速了组织修复进程。以上研究表明,M2型巨噬细胞在ARDS修复期减轻炎症、加快肺水清除、恢复肺泡上皮屏障的作用均是通过与ATⅡ的交互作用而完成的。综上,ATⅡ与肺巨噬细胞的交互在ARDS修复期构成了一个抑炎的正反馈,ATⅡ促进M1型巨噬细胞向M2型的转化,而M2型巨噬细胞则从各方面促进ATⅡ恢复其正常功能,促进肺组织的修复。

总之,在ARDS的发展进程中,肺泡上皮细胞和巨噬细胞之间的交互随着ARDS进程的不同,起到了不同的反馈循环作用(图1)。这种对细胞之间双向通讯的探索为改善ARDS中肺泡内微环境炎症和促进上皮屏障修复提供了新的研究角度和思路。目前,对于这2种细胞之间的交互在ARDS发生、发展机制中所起作用的相关研究还方兴未艾。今后的研究重点将聚焦在ATⅡ和不同来源的巨噬细胞之间的交互对ARDS各阶段病理进程的影响,这将有助于深入理解ARDS各期始动因素和炎症发展转归方面的机制,为减轻炎症并促进肺泡上皮修复提供新的思路。