支气管哮喘气道血管再生与重塑的研究进展

白诗瑶 任媛 李孟露 苏新明

中国医科大学附属第一医院呼吸疾病研究所,沈阳110001

支气管哮喘 (简称哮喘)是最常见的慢性非传染性疾病之一,常导致喘息、呼吸急促、胸闷和咳嗽等呼吸系统症状,并伴有可变性气流受限。目前全世界哮喘患者总数约为3.34亿,我国约达4 570万,且呈逐年上升趋势。现阶段,哮喘的治疗仍以缓解症状和控制炎症为主[1-2]。但即使在没有症状的情况下,哮喘气道重塑等病理变化 (特别是结构变化)在气道中仍持续存在。血管再生与重塑是气道重塑的重要因素之一,包括血管表型改变,血管数目/单位面积的增加和血管活性的增加,即血管扩张、渗漏和细胞向靶组织迁移等。近年来,越来越多的研究表明,气道血管再生与重塑在哮喘的发生发展中起重要作用。

1 哮喘

哮喘是一种复杂的异质性炎症性疾病,其主要的病理变化为气道炎症、气道重塑及气道高反应。根据参与反应的炎症细胞和免疫细胞的不同,可以将哮喘分为不同的表型,包括过敏性/嗜酸粒细胞哮喘、中性粒细胞哮喘、混合嗜酸粒细胞/中性粒细胞哮喘和少粒细胞哮喘,其中以嗜酸粒细胞哮喘最常见。已有研究表明,Th2细胞在过敏原刺激下分泌IL-5、IL-4和IL-13等细胞因子,这些细胞因子与嗜酸粒细胞特异性趋化因子CCL11共同调节嗜酸粒细胞聚集、过敏性炎症反应及气道高反应。同时Ig E 可以通过调节Th2细胞的功能,从而在调节嗜酸粒细胞介导的气道高反应中发挥作用[3-4]。除嗜酸粒细胞外,中性粒细胞也被证实与哮喘严重程度密切相关,它通过产生趋化因子和蛋白酶积极参与到哮喘气道炎症和气道重塑的过程中,且受到肺上皮细胞和其他免疫细胞的调节[5]。气道重塑往往被认为是哮喘患者气道炎症加重的结果,但是二者之间的联系一直存在争议。有研究表明气道重塑在一定程度上依赖于气道炎症,但又部分独立[6-7]。目前认为气道上皮细胞和气道平滑肌细胞等结构细胞在重塑过程中起重要作用,包括气道平滑肌细胞的肥大和增生、血管生成、上皮杯状细胞的增加以及基底膜下细胞外基质的沉积等在内的各种结构改变均可导致气道壁增厚,进而导致气道重塑。其中气道平滑肌细胞的积聚和细胞外基质的沉积都可能与持续的气道高反应性有关,特别是气道平滑肌层厚度已被证明与气道高反应性呈正相关[8-11]。此外,支气管血管渗漏引起的血管充血和气道水肿也会导致哮喘的气道狭窄和气道高反应[12-13]。这种血管通透性增加和水肿是支气管血管重塑的共同特征,微血管重塑是气道重塑的表现之一,是涉及小动脉、毛细血管以及小静脉的结构改变 (通常是增大)。而新生血管的形成和微血管重塑均可导致哮喘患者的气道壁增厚。尽管目前对哮喘病理生理的研究仍集中在气道炎症和气道平滑肌的重塑改变,但是支气管血管的再生与重塑在哮喘气道中的作用越来越受到关注。

2 哮喘气道血管再生与重塑的影响因素

气道血管由支气管平滑肌层的血管和固有层的上皮下毛细血管网组成,在提供氧气和营养、维持内环境稳定中具有重要作用。大量对哮喘病理生理的研究表明[12,14-15],哮喘时气道血管发生了再生和重塑等一系列的病理改变,其中血管密度和血管面积的增加是哮喘气道血管重塑的重要特征。与血管重塑不同,血管生成是指通过现有的血管来扩大血管网络的过程,主要有2种机制:发芽血管生成和易损性血管生成 (又称不发芽的血管生成),其过程涉及内皮祖细胞、间充质前体细胞以及纤维细胞的分化。随着新生血管的生成,微血管通透性增加,更有利于炎细胞的聚集。正常气道血管是炎细胞向管腔和上皮运输的重要途径,在哮喘气道中,血管数量的增加、血管扩张和充血都可能导致气道保持炎症状态,进一步降低气道顺应性,增加管腔狭窄,降低肺功能。在气道血管中存在多种血管调节因子如炎性介质、生长因子等,它们驱动哮喘气道新生血管形成,促进微血管通透性的增加,与哮喘的发生发展及严重程度相关[15-16]。

2.1 血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF) VEGF 是血管生成正向调节因子之一,它可以诱导许多早期即可观察到的血管生成功能变化,包括内皮细胞发芽[17]。VEGF 家族成员主要有VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E (病毒编码)和胎盘生长因子,其中VEGF-A 和VEGF-B主要调节血管生成,VEGF-C和VEGF-D 主要调节淋巴管生成,而胎盘生长因子则直接或间接刺激血管生长和成熟,并在缺血时的血管生成和动脉生成中发挥重要作用。VEGF-A 是VEGF家族中最具特征性且最受关注的成员,在血管生成的调节中起主导作用,通常被称为VEGF。VEGF 经过选择性外显子剪接后产生多种异构体,包括VEGF121、VEGF165、VEGF189、 VEGF206 等, 其 中 VEGF165 (小 鼠VEGF164)是组织中表达频率最高且最有效的促血管生成因子[15]。已有研究证明VEGF 酪氨酸激酶受体主要有3种,分别为VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3,它们在不同细胞的表达不同,并与不同的VEGF家族成员特异性结合。VEGFR-2具有低亲和力、高同源性的特点,是VEGF主要的信号受体,能够调节血管生成和血管通透性[18]。VEGF在哮喘气道重塑的血管改变中主要发挥其血管生成的作用,而非扩大原有的血管。已有研究表明[19],轻、中度哮喘患者支气管黏膜中VEGF表达上调且与气道血管增多显著相关。除了参与气道血管改变外,VEGF 还能刺激气道上皮下纤维化,促进基底膜的增厚,进而参与哮喘气道壁的重塑过程。研究发现在卵清蛋白激发的哮喘小鼠肺组织中,VEGF 及VEGFR-2 的表达上调[20],并且VEGF可以促进血管平滑肌细胞通透性,增加纤维蛋白沉积,其独特的异构体基因表达在气道的结构改变中起关键作用。在哮喘小鼠病理性血管再生与重塑过程中,不同的VEGF亚型在功能上存在不同,其中VEGF164 在气道血管中起主要作用,而VEGF188 则在肺组织血管中起重要作用[14-15]。

气道中VEGF的主要来源是肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞以及肺泡巨噬细胞。早已有研究表明,哮喘患者肺组织内VEGF、VEGFR 和Ang-1的表达增加,并且痰VEGF水平与哮喘严重程度和气流阻塞有关。此外,哮喘患者的组蛋白甲基化异常导致VEGF启动子缺乏抑制复合体,进而导致气道平滑肌VEGF高分泌并调节哮喘气道血管生成[21]。缺氧诱导因子是编码VEGF基因的最重要的激活因子之一,它与表皮生长因子、血小板衍生生长因子以及突变的癌基因共同协调VEGF的表达[18]。气道平滑肌细胞还能够分泌Th2细胞因子 (如IL-4、IL-5和IL-13),促进VEGF的产生,而IL-32可以显著抑制VEGF的产生和血管生成[21-22]。最新研究发现,信号蛋白3E (Sema3E)可显著降低屋尘螨诱导的小鼠VEGF及其受体VEGFR-2的表达,并能增强负调控因子VEGFR-1的表达[23]。

因此,VEGF是哮喘患者气道血管生长的关键调节因子,主要通过VEGFR-2 信号通路来指导血管生成和血管生成过程中细胞的增殖、迁移、存活及血管通透性,并在Th2型炎症反应中发挥作用。抑制VEGF 及其受体可能有助于控制哮喘气道炎症和气道血管再生与重塑,这将成为哮喘的一种新的治疗途径。

2.2 IL 气道炎症一直以来在哮喘的发生发展中受到极大的关注,已有报告表明血管生成可能是哮喘过敏性炎症发展的重要一步。哮喘发生时,IL-6、IL-8、IL-17、肿瘤坏死因子α和转化生长因子β等细胞因子的分泌增加,这些炎性因子具有促血管生成的特性,能够刺激血管内皮细胞通透性或血管扩张。

IL-17是由Th17细胞产生的细胞因子,对于过敏性哮喘患者,其外周血单个核细胞中Th17 细胞的百分比及血浆中IL-17的浓度与疾病严重程度呈正相关,并且IL-17还参与了系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎等慢性炎症性疾病的血管再生。研究发现,IL-17A 能够促进卵清蛋白诱导的哮喘小鼠支气管周围血管的形成,并通过诱导促炎细胞因子和包括CXCR2相关配体在内的趋化因子的释放来增强过敏性炎症,但是IL-17A 对鼠肺微血管内皮细胞的增殖没有直接影响[24]。另有研究发现,支气管上皮细胞和气道平滑肌细胞在IL-17A 的作用下,分泌多种血管生成因子如VEGF、内皮素1、胎盘生长因子、CXCL-8和粒细胞集落刺激因子,间接影响内皮功能,导致肺血管重塑。内皮素1是一种强有力的支气管收缩剂,CXCL-8和粒细胞集落刺激因子不仅能够促进血管生成,还在中性粒细胞向肺部募集的过程中发挥主要作用。因此,靶向干预IL-17A 对气道上皮和平滑肌细胞的影响可能会预防哮喘气道血管重构[25]。

IL-13在诱导气道上皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞所致的气道重塑中起关键作用,但在血管生成中的作用尚不清楚。IL-25由上皮细胞分泌,可以通过上调VEGF及其受体的表达促进血管内皮细胞增殖和体内血管生成,并且还可以增强Th2 应答的作用。联合阻断IL-13和IL-25可以有效减轻过敏原诱导的气道炎症、气道高反应和气道重塑 (包括黏液生成、细胞外胶原沉积、支气管周围平滑肌增生和血管生成)[26]。

IL-32 是一种新的促炎细胞因子,最初被称为NK4,参与多种疾病的发生发展,包括变态反应性疾病、炎症性疾病和癌症。已有研究表明,IL-32不仅在肿瘤发生、侵袭转移、血管生成中起作用,它还能通过调节抗肿瘤免疫反应,从而影响肿瘤进展[27-28]。近年来,IL-32 在哮喘发病机制中的作用越来越受到重视。IL-32由多种免疫细胞 (如自然杀伤细胞、T 细胞、外周血单个核细胞和单核细胞)和非免疫细胞 (如内皮细胞、成纤维细胞和角质形成细胞)产生。研究发现,哮喘患者气道IL-32γ与第1秒用力呼气容积呈负相关,与年加重率呈正相关[29]。此外,IL-32 还具有抗炎和抗免疫反应的功能,IL-32 能显著抑制VEGF的产生和哮喘患者气道血管生成[30]。因此,IL-32 是一种参与抑制哮喘血管生成的细胞因子,可能应用于预防气道血管改变的治疗,并作为治疗有效的指标。

2.3 激活素A 激活素A 是一种多效性细胞因子,属于转化生长因子β超家族,与其他转化生长因子相似,激活素信号是通过与丝氨酸/苏氨酸激酶家族特定受体 (Ⅰ型受体和Ⅱ型受体)顺序相互作用和胞内Smad蛋白的激活来启动的。激活素A 能够调节基本的生物过程,如造血、胚胎发育、组织修复和纤维化等,并在先天和获得性免疫反应以及相关疾病的病理生理中起关键作用。近年来,越来越多的研究证明,激活素A 在Th2细胞介导的过敏反应和气道重塑的过程中发挥重要作用[31-32]。卵泡抑素是激活素A 的拮抗剂,它可以抑制激活素A 的生物活性,从而抑制哮喘气道重塑[33-34]。在暴露于屋尘螨且过度表达转化生长因子β信号分子Smad2的小鼠气道上皮细胞中,激活素A与IL-25水平显著上调,而在体内激活素A 的中和作用抑制了IL-25 的增加并减少胶原沉积和气道高反应性[35]。Samitas等[36]通过检测激活素A 及其信号分子在不同严重程度的哮喘患者中的表达和来源发现,激活素A 由多种结构细胞和炎症细胞产生,在哮喘患者的血清、支气管肺泡灌洗液和支气管组织中升高,并在哮喘发作时进一步升高,在重症哮喘患者的支气管黏膜上皮下的表达更为突出。Samitas等[36]还发现激活素A 在体外还具有抑制人肺内皮细胞增殖和血管生成的能力,这可能是由于激活素A 通过调节VEGF信号,增加抗血管生成的VEGFR-1和IL-18分泌并减少促血管生成的VEGFR-2和IL-17分泌而导致的。尽管目前已经证明激活素A 对调节哮喘气道炎症和气道重塑存在潜在影响,但是其具体的效应还存在矛盾,仍然有待研究。

气道细胞外基质成分改变是气道壁重构的特征之一,与血管生成和炎症相关。Tumstatin作为一种基质因子,通过调节气道平滑肌来源的细胞外基质,从而促使抗炎、抗血管生成微环境的形成[37]。除去上述血管调节因子外,还有其他能够影响气道血管再生与重塑的因素,如血管生成素[38-39]、肥大细胞[40]、血小板[17,41]等。

3 哮喘气道血管再生与重塑的治疗

目前,针对哮喘发生时气道血管改变的治疗的关注越来越多。已有研究发现抗血管生成治疗可以抑制气道重塑和气道高反应,甚至可以产生抗炎效果[42]。笔者所在课题组的前期研究发现在卵清蛋白诱导的哮喘小鼠中,胸腺醌除了可以拮抗IL-4/IL-5来减轻炎症反应外,还可以显著降低VEGF及VEGFR-2的高表达水平,从而发挥抗血管生成的作用[20]。最近的研究表明,Sema3A 可以通过抑制VEGF活性和NO 的表达减少血管生成,同时它还能减少中性粒细胞和嗜酸粒细胞在卵清蛋白诱导的哮喘小鼠肺组织和支气管肺泡灌洗液中的浸润[43]。现在主要使用的哮喘治疗药物,如吸入性皮质类固醇、长效β2受体激动剂及抗白三烯类药物可以抑制哮喘患者的血管扩张、血管生成和血管通透性升高等气道血管改变[44]。在哮喘患者的气道中,吸入性皮质类固醇可以通过作用于促血管生成因子来下调哮喘气道血管的再生和重塑,而长效β2 受体激动剂则在降低血管通透性方面更有效,二者的联合治疗能够协同作用于哮喘气道的血管改变。尽管在传统的哮喘治疗中,皮质类固醇能够积极地作用于气道血管的再生与重塑,但是与发挥其抗炎效果相比,需要增加吸入皮质类固醇的剂量和持续时间才能更好地发挥其抗气道重塑的作用;然而增加吸入剂量和持续时间不利于药物的长期使用。目前针对哮喘的治疗仍然以缓解症状和控制炎症为主,临床上仍没有特别针对气道重塑 (特别是气道血管生成和重塑)的方法,而哮喘长期反复发作,导致气道重塑进展,气道持续阻塞,最终将出现不可逆性改变。因此,寻找能够缓解哮喘气道血管再生与重塑的抗血管生成药物很可能有利于哮喘控制,为哮喘的治疗提供新的靶点。

组蛋白去乙酰化酶 (histone deacetylase,HDAC)是调节组蛋白和非组蛋白去乙酰化修饰的关键酶,它能够调节核小体的空间重构、抑制转录因子及各种信号分子的功能,并且能够应用于肿瘤[45]、炎症性疾病[46]以及纤维化相关疾病[47]的治疗。越来越多的研究表明HDAC 能调节血管内皮细胞功能,在包括动脉粥样硬化在内的血管疾病的发生发展中起重要作用[48]。HDAC 在肺组织中广泛表达,与哮喘、COPD、肺间质纤维化及肺动脉高压等慢性呼吸系统疾病密切相关[49]。在哺乳动物细胞中,HDAC 被分为四类,共有18种HDAC 亚型 (HDAC1-18),在不同的疾病中有不同的HDAC亚型表达。HDAC8是Ⅰ类HDAC 家族的重要成员,主要存在于细胞核中,参与并调控细胞凋亡与增殖、平滑肌细胞分化和收缩等细胞过程[50]。最新研究表明,HDAC8能与α平滑肌肌动蛋白结合,调节血管平滑肌细胞的收缩性,并且在肺纤维化的过程中表达增加[51]。此外,HDAC8 还能通过其去乙酰化作用,调控p53活性,使长期造血干细胞在应激条件下存活,在维持长期造血重建中起关键作用[52]。

笔者所在课题组的前期研究发现,HDAC8 特异性抑制剂 (PCI-34051)能够显著缓解哮喘小鼠气道炎症、气道高反应和气道重塑,且HDAC8特异性抑制剂的治疗效果明显优于其他HDAC 抑制剂[53-55]。HDAC8在哮喘小鼠的气道上皮细胞、气道血管周围及肺泡腔炎症细胞和血管平滑肌细胞 (特别是在新生血管的平滑肌细胞)中高表达[56],并且血管平滑肌细胞在哮喘致病过程中发生病理改变,参与哮喘血管再生和重塑的发生[15]。因此,HDAC8特异性抑制剂可能在哮喘血管再生与重塑的治疗中起作用。

4 总结与展望

血管再生与重塑是哮喘气道重塑的重要特征之一,其主要过程包括血管壁结构改变、血管生成、血管通透性增加和内皮细胞活化,其中血管生成在哮喘相关的气道重塑改变的病理生理学中发挥更重要的作用。血管生成是一个复杂的多因素的过程,依赖于众多促血管生成因子和抗血管生成因子之间的平衡调节。尽管研究证明抗血管生成治疗对哮喘症状的缓解有效,但是目前抗血管生成药物在哮喘治疗中的应用仍存在很大障碍。因此,进一步明确哮喘血管再生和重塑的发病机制,有望为哮喘抗血管生成治疗提供理论依据。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突