细胞因子在早产儿BPD发病机制中的作用

何莎莎，董文斌

(1.西南医科大学附属医院新生儿科，四川 泸州 646000；2.四川省出生缺陷临床医学研究中心，四川 泸州 646000)

支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasia，BPD)是常见的早产儿呼吸系统疾病。出生胎龄<32周的早产儿体内正处于小管晚期或囊状早期的肺组织容易受到感染和高氧等因素的损伤，引起肺部持续的炎症反应，导致肺微血管发育停滞，继而不能形成正常的肺泡次级间隔，使肺部血气屏障失调。肺部持续的炎症反应是BPD的主要病理机制，参与炎症反应的各种细胞因子与BPD的发生密切相关。

1促炎细胞因子与早产儿BPD

早产儿尚未发育成熟的肺组织被各种病原体感染后，大量的中性粒细胞及巨噬细胞在肺部聚集激活并释放出大量的促炎细胞因子，导致肺血管内皮细胞和肺泡上皮细胞的损伤，大量的血清蛋白进入肺泡腔，使水钠重吸收和液体渗出之间的平衡被打破，引发肺水肿，最终发生BPD。

1.1肿瘤坏死因子-α与BPD

肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)是巨噬细胞分泌产生的促炎细胞因子，其在机体内的炎症反应中表达变化早于其他促炎细胞因子[如白介素(interleukin，IL)-1β、IL-8][1]。TNF-α作为炎症反应中的关键起始因子主要从以下三方面参与BPD的发生过程。

第一方面，积聚的TNF-α会损伤肺泡和肺血管的正常结构。早产儿BPD的肺部炎症由细胞表面或细胞质受体触发，这些受体分为三种：Toll样受体(toll-like receptors，TLRs)、Nod样受体(NOD-like receptors，NLRs)和C型凝集素受体(C type lectin receptors，CLRs)[2-3]。当早产儿肺组织感染时，内、外源性的致病抗原作为配体与中性粒细胞表面的TLRs特异性结合，激活核转录因子(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)和激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)等转录因子，这些转录因子会促使炎症细胞产生大量的TNF-α，导致肺泡上皮细胞及肺微血管内皮细胞完整性受损。

第二方面，TNF-α不仅是NF-κB的下游靶点，TNF-α也可以逆向使核转录因子NF-κB激活，激活的NF-κB会引发其他促炎细胞因子(如IL-1、IL-8等)的释放，从而进一步加重BPD的肺损伤。TNF-α包含一个受体结构域和一个凝集素样结构域(TIP结构域)[4]。在稳定细胞中，NF-κB的p50、p65与抑制蛋白IκB形成复合体，此时的NF-κB无活性。炎症发生时，TNF-α的受体结构域与TNF受体Ⅰ结合，IκB发生磷酸化，多聚体释放出NF-κB的p50和p65，引起NF-κB激活，导致核定位信号被暴露。暴露的核定位信号依靠信号肽进入细胞核中，在细胞核内核定位信号和靶基因启动子区的κB序列发生特异性结合，上调其他炎症相关基因的表达。例如，上调细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)的表达，ICAM-1能进一步促进活化细胞之间的直接接触，使中性粒细胞内流增加，加速肺部炎症和肺泡重塑[5]。

第三方面，高氧环境下释放的TNF-α会过度激活还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶(oxidase，NOX)，NOX通过促进氧分子接收从NADPH转移的电子来诱导过氧化物和氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的产生[6-7]。积聚的ROS破坏早产儿出生后终末小管期的肺组织，最终引起肺血管密度降低及通透性增加、肺泡数量下降、肺泡结构单一，导致BPD的发生。

总之，适当抑制TNF-α可以减少BPD相关炎症反应，但也不能过度抑制。因为有研究表明过度抑制机械通气新生儿体内的TNF-α会增强转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信号介导的细胞凋亡和炎症反应[8]。但是鉴于TNF-α在BPD中的功能复杂性，如何能合适地把握抑制TNF-α的正确时机和用药剂量，还需更多的实验及临床数据的进一步验证。而且遗传易感性方面的研究也证实了BPD的形成与位于TNF-α基因启动子区第308位单个核苷酸突变有关(鸟嘌呤被腺嘌呤取代)，TNF-α活性增强，导致早产儿患BPD的风险升高[9]。综上，体内TNF-α过多或者过少均会促使早产儿BPD的形成，通过TNF-α基因多态性来预测早产儿BPD的发病和严重程度可能是未来的一种新手段。

1.2 IL-33与BPD

IL-33是IL-1家族中新发现的促炎细胞因子，来源于肺泡上皮细胞、巨噬细胞和树突状细胞[10-12]。IL-33不仅参与了哮喘、特应性皮炎等过敏性疾病的发生，也参与了BPD的肺组织炎症反应[13-16]。Tang等[17]研究发现，在高氧诱导的BPD小鼠肺组织中，IL-33的mRNA和蛋白质表达水平均显著升高，而且随着氧暴露时间的延长，IL-33 mRNA的表达出现递增的现象。肿瘤抑制素2(suppression of tumorigenicity 2，ST2)是IL-1家族受体成员之一，IL-33与ST2受体结合后介导不同的信号通路来参与BPD的形成。

①在肺发育的假腺期，发育气道周围的纤维连接蛋白可以促进气道的分支和肺泡上皮细胞的分化。当肺部发生感染时，炎症通过p38和p65信号通路直接促进肺上皮细胞表达IL-33，IL-33/ST2信号通路诱导肺泡上皮细胞形成中性粒细胞胞外杀菌网络(neutrophil extracellular traps，NETs)。NETs利用其携带的弹性蛋白酶和其他酶共同降解肺泡上皮细胞内的纤维连接蛋白，从而出现气道分支异常及肺泡简化[18]。所以，IL-33/ST2信号通路导致的纤维连接蛋白缺乏可能是促使BPD发生的一个重要原因。②早产儿肺通常在相对低氧的宫内环境中发育，当出生后暴露在室内空气中(21%氧浓度)也被认为是高氧，导致细胞氧化应激[19]。氧化应激促使肺泡上皮细胞产生大量的IL-33[20]。在新生儿高氧诱导的哮喘样疾病中，IL-33在IL-1R辅助蛋白的作用下与ST2受体结合，刺激2型天然淋巴细胞(group 2 innate lymphoid cells，ILC2)扩增。ILC2作为诱导先天免疫和获得性免疫的中心调节因子，在受刺激时会产生大量细胞因子IL-5和IL-13，这些细胞因子联合IL-33共同促使肺组织炎症反应的发生[21]。BPD和新生儿哮喘均是高氧导致的早产儿慢性肺部疾病，IL-33/ST2/ILC2信号轴也可能参与了BPD肺部炎症的形成。

BPD患儿的IL-33水平与BPD的严重程度呈正相关[22]，而且在动物实验中用抗IL-33抗体治疗高氧急性肺损伤的新生大鼠(BPD的动物模型)，出现肺上皮细胞凋亡数目减少和肺组织病理性损伤减轻[17]。IL-33作为一种新的生物学标记物，在今后可能用于判断BPD的严重程度、评估治疗效果和BPD的随访，阻断IL-33/ST2信号通路很可能成为治疗早产儿BPD的一个新靶点。

1.3 IL-6与BPD

IL-6介导了肺组织早期炎症反应及促进肺重塑，是导致早产儿发生BPD的独立危险因素[23]。有研究表明，同在高氧环境下，IL-6基因缺失小鼠的肺组织中细胞凋亡数目显著低于野生型小鼠[24]。除了在动物实验中研究IL-6与BPD的关系，在早产儿的相关体液中也证实了两者的关系。Hsiao等[25]研究发现极低出生体重儿BPD组血清和气管抽吸液中的IL-6水平均高于非BPD组。而且暴露于绒毛膜羊膜炎(chorioamnionitis，CAM)的早产儿脐血中CD4+T细胞表达的IL-6水平也显著高于那些未暴露于CAM的早产儿[26-27]。推测，早期暴露于高水平IL-6的早产儿，可能是因为其正常的免疫系统被抑制，从而增加了患BPD的风险。IL-6的降低可减轻高氧诱导的肺损伤。

2抗炎细胞因子与早产儿BPD

早产儿(孕周<37周)的肺组织处在肺泡及肺间质均未发育成熟的小管期或囊泡期，当早产儿在该阶段暴露于感染、高氧等有害因素时，不成熟肺组织表达的抗炎细胞因子不足以抑制促炎细胞因子的产生，炎症反应调节失败，最终促成BPD的发生。

2.1 IL-10与BPD

IL-10是辅助型T细胞2(T helper 2 cell，Th2)、巨噬细胞等产生的抗炎细胞因子，具有很强的抗炎功能，可清除炎症中的病原体，抑制肺部炎症反应[28]。越来越多的证据表明IL-10在BPD的发生中具有重要的保护作用。IL-10在BPD中的作用主要体现在以下三方面。

第一方面，IL-10可减少IL-6、IL-8、TNF-α等促炎细胞因子的释放，从而终止BPD肺部炎症反应[29]。IL-10通过与IL-10受体(IL-10 receptor，IL-10R)特异结合，激活信号转导和转录激活因子(signal transducers and activators of transcription，STAT)，启动JAK/STAT信号通路来发挥其强大的抗炎功能[30]。首先IL-10与IL-10R1的特异性结合使IL-10R2暴露其结合位点。随后，IL-10R2与IL-10/IL-10R1结合形成三元复合体，该复合体会激活蛋白激酶JAK，JAK会磷酸化STAT3。最后，激活的STAT3同源二聚体进入胞核内调控IL-10靶基因启动子内的SBE区域。

第二方面，高氧环境下，诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)作为NF-κB信号的重要下游蛋白在肺组织中被激活，iNOS产生过量的一氧化氮(nitric oxide，NO)直接对细胞产生毒性，引起弥漫性的肺泡损伤。IL-10可抑制NF-κB的活化，进而抑制iNOS的活性来保护肺组织[31]。

第三方面，IL-10通过减少组织蛋白酶B的释放来减轻BPD的肺部炎症。高氧环境下IL-8特异结合胎儿肺泡Ⅱ型细胞(fetal alveolar type Ⅱ cell，FAT Ⅱ Cs)表面受体，导致细胞内氧自由基积累，引起溶酶体膜损伤，并释放出组织蛋白酶B来诱导肺泡细胞的死亡[32-33]。IL-10可能通过抑制IL-8来减少组织蛋白酶B的激活，IL-10也可能通过抑制NF-κB导致人巨噬细胞释放的组织蛋白酶B减少。

足月儿的肺巨噬细胞能产生充足的IL-10来调节炎症，早产儿的肺巨噬细胞却不能产生足量的IL-10[34]。这可能是早产儿比足月儿更容易发生BPD的一个原因。最近也有研究发现，在BPD早产儿生后24h静脉血中IL-10水平明显下降，而且在中度BPD早产儿中IL-10缺乏更严重[35]。该研究进一步提示IL-10缺乏与BPD疾病严重程度有关，足量的IL-10是防止早产儿患BPD的保护因素。外源性补充重组IL-10可能是治疗BPD的一种新策略[33，36]。

2.2 IL-4与BPD

IL-4是Th2细胞和肺泡巨噬细胞产生的具有多种生物学功能的抗炎细胞因子。它不仅是CD4+T细胞分化的关键调节因子，也是B细胞同型转换的关键因素[37]。IL-4主要通过两种途径参与BPD肺组织的抗炎反应。①IL-4和IL-4受体(IL-4 receptor，IL-4R)特异结合能抑制中性粒细胞脱颗粒，阻止一些与BPD发生发展相关的促炎细胞因子(如TNF-α、IL-6、IL-8和IL-1β)的产生，从而抑制肺部炎症反应[38-39]。②单核巨噬细胞有M1和M2两种类型，M2型能有效地抑制M1型引发的炎症反应[40]。IL-4是决定单核巨噬细胞向M2型极化的一个关键因素，当IL-4/IL-4R结合时会激活下游的JAK/STAT6和PI3K/AKT通路，诱导大量的M2型巨噬细胞产生[41]。增加的M2型巨噬细胞不仅会抑制M1的促炎表型，还会导致具有抗炎作用的IL-10大量分泌，从而改善肺组织的炎症[42-43]。综上，IL-4可能直接参与了BPD肺组织的抗炎活动，也可能借助IL-10间接地参与了抗炎活动。

3促纤维化细胞因子与早产儿BPD

炎症造成的BPD肺损伤在各种促纤维化细胞因子的作用下会进一步发展为肺间质纤维化。肺损伤后，肺泡巨噬细胞等趋化因子被活化并释放出促纤维化细胞因子，导致许多肌成纤维细胞增殖分裂，产生大量的细胞外基质蛋白，如结构蛋白、粘连糖蛋白等沉积于肺，造成肺部不可逆的损伤。

3.1转化生长因子-β1与BPD

转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)来源于上皮细胞、内皮细胞及肺泡巨噬细胞等。正常量的TGF-β1能诱导肺血管内皮生长因子有关基因的表达，促进肺血管的正常发育，对肺组织是有利的。但是当TGF-β1过量表达就会抑制肺泡发育，诱导肺纤维化[44]。

肺纤维化是BPD患儿的晚期肺部并发症之一。TGF-β1作为促纤维化细胞因子通过TGF-β1/Smad信号通路调控肌成纤维细胞的增殖与分化，与BPD患儿晚期肺纤维化的发生发展密切相关。高氧是诱发BPD的主要因素，随着持续高氧，TNF-α等促炎细胞因子会促进TGF-β1的合成。过量的TGF-β1与Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体(TGFβRⅡ)结合，转化生长因子β受体Ⅱ(transforming growth factor β receptor Ⅱ，TβRⅡ)招募并磷酸化Ⅰ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体(TGFβRⅠ)，磷酸化的TGFβRⅠ再募集并磷酸化Smad2/Smad3，Smad2/Smad3再与Smad4蛋白结合[45]。Smad2/3-Smad4复合体作为转录因子进入细胞核中，诱导肌成纤维细胞合成大量的弹性蛋白等细胞外基质成分[46]，异常积累的细胞外基质就会阻碍正常的肺泡发育，诱发BPD晚期的肺纤维化。

越来越多的证据也支持TGF-β1参与了BPD的形成。在一项回顾性研究中发现，BPD患儿在出生后7d、14d、21d，其外周血中的TGF-β1水平逐渐升高[47]。除了外周血，在气管抽吸液中TGF-β1也有变化。Aly等[48]研究发现，BPD组患儿气管抽吸液中的TGF-β1水平比非BPD组显著升高。综上，早产儿外周血和气管抽吸液中升高的TGF-β1水平可能具有预测BPD的临床价值。抗TGF-β1的治疗可能成为预防早产儿BPD的有效疗法。

3.2血小板衍生生长因子与BPD

血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)主要由骨髓巨核细胞和上皮细胞产生，是胎肺间充质细胞的促分裂原[49]。PDGF受体有PDGFR-α、PDGFR-β两种类型，PDGFR-α可促进肺泡的发育，PDGFR-β可促进肺血管的形成[50]。所以PDGF信号对肺泡和肺血管的发育极为重要。

PDGF信号的缺失会导致早产儿发生BPD[51]。在肺组织发育的肺泡期(孕周37周～生后3岁)，从支气管上皮释放出的PDGF-A与肺间充质细胞(肌纤维母细胞)表达的PDGFR-α结合后，会磷酸化细胞内酪氨酸激酶结构域中的酪氨酸残基，从而激活下游的信号通路(如：PI3K/Akt通路、MAPK通路)来诱导肺间充质细胞沿上皮基底膜转移到次级肺泡隔的顶端，肺间充质细胞进一步分化为能产生α平滑肌肌动蛋白和弹性蛋白的肺泡肌成纤维细胞，这些是参与肺泡形成所必需的细胞[52-53]。早产儿(孕周<37周)未经历这个时期，所以早产儿不能形成正常的次级肺泡隔，阻碍了肺泡的正常发育，当受高氧等有害刺激时就容易发生BPD。

PDGF信号的过表达会促使BPD患儿发生肺纤维化。BPD患儿的肺组织在受到持续感染时，Ⅱ型肺泡上皮细胞受损会释放出大量的PDGF[54]。PDGF/PDGFR信号会激活下游的p38 MAPK和p42/p44 MAPK通路，促进肺纤维细胞向受损的肺部迁移，加速细胞外基质蛋白如胶原蛋白、纤维连接蛋白和层粘连蛋白等在肺泡和肺间质中异常积累，引起肺纤维化[55]。

4总结与展望

综上所述，各种促炎、抗炎及促纤维化细胞因子都在BPD的发病过程起着重要作用。肺发育不成熟、肺部炎症反应、肺纤维化是BPD的3个病理基础阶段，每个阶段有不同的细胞因子参与，而且各细胞因子之间还存在相互作用。从血清、气管抽吸物或支气管肺泡灌洗液等多方面来检测患儿机体内细胞因子的动态变化对临床及早进行BPD干预很有价值。目前为止，BPD的发病机制还未完全阐明，更无特别有效的预防和诊疗措施，从细胞因子方面进一步探讨BPD的发病机制，对临床早期预防和诊疗BPD具有重大意义。细胞因子有望在临床上用于治疗BPD，从而为BPD开辟一种新的治疗途径。