病毒感染相关慢性阻塞性肺病急性加重的免疫机制及潜在靶点研究进展

张东艳，张 森，刘 华

（甘肃中医药大学第一临床医学院/甘肃省人民医院呼吸与危重症医学科，甘肃 兰州 730030）

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种因吸入烟草烟雾等有害颗粒或气体引起气道氧化应激、炎症反应以及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等多种途径参与发病的慢性气道炎症及系统性炎症的异质性疾病[1]。据报道[2]，40 岁以上人群COPD 患病率为13.7%，估算我国COPD 患病人数高达9900 万，其预防、治疗和费用仍然是一个挑战。COPD 患者因气道感染或非感染因素引起呼吸症状急性恶化，导致需要加强治疗甚至就诊的程度即为慢性阻塞性肺疾病急性加重（acute exacerbation of chronicobstructive pulmonary disease，AECOPD）[3]。有研究报道[4]，每年有22%～40%的COPD 患者经历至少一次中度或严重的恶化，因急性加重而住院的COPD 患者3 个月的死亡率超过15%。触发和促进AECOPD 发生和发展的最常见因素是呼吸道感染。近年来，AECOPD的异质性逐步得到重视和初步探索，急性加重有可能是“细菌感染、毒感染、嗜酸粒细胞增高或寡细胞”的内因型[5]，其防治策略也有所不同，然而目前多采取呼吸支持、营养支持治疗及适当应用糖皮质激素以改善肺功能，使患者度过病情危险期，但其实质上仍将急性加重视作“同质性事件”。而抗病毒治疗在AECOPD的治疗中存在较大争议。病毒所致AECOPD 可能与病毒感染所致免疫炎症因子过度表达有关。病毒诱发AECOPD的具体途径仍需进一步明确。本文对呼吸道病毒感染相关AECOPD 患者免疫机制及潜在靶点进行综述。

1 病毒相关AECOPD的先天性固有免疫机制

1.1 TLR 信号通路介导的先天性免疫识别 Toll 样受体（Toll-like receptor，TLR）是非克隆性表达于多种先天性免疫细胞包括上皮细胞表面，其作为受体分子的一类Ⅰ型膜糖蛋白[6]。先天免疫系统通过模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）与入侵病原体和组织细胞溶解过程中释放的病原相关分子 模 式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）和损伤相关的分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）相应结合，激活多种免疫途径，识别“自己”与“非己”。TLRs 为膜型PRR的代表成员[7]。TLRs 可启动激活信号转导途径，并诱发炎性细胞因子和共刺激因子的表达，包括核因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）和干扰素（interferon，IFN）调节因子（interferon regulatory factors，IRFs）等[8]。香烟 烟 雾（cigarette smoke，CS）可 以 直 接 触 发PAMPs，导致TLR2、3、4、9 等多种TLRs 表达升高，与痰中性粒细胞数量、促炎细胞因子的分泌和肺功能损害有关[9]。CS 被认为是宿主暴露于病毒后先天免疫应答的抑制剂，香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）抑制了甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）感染的人和小鼠肺内视黄酸诱导基因-Ⅰ样解旋酶受体（retinoid acid-inducible gene-Ⅰ-like receptors，RLRs）（胞内型TLR）介导的的抗病毒先天免疫反应[10]。有研究发现[11]，在AECOPD 中呼吸道合胞病毒的感染可导致TLR3的表达增高。白芹等[12]使用流感病毒菌株H3N2感染人的原代气道上皮细胞，结果发现流感病毒通过激活TLR7/NF-κB信号通路，可激活NF-κB，使气道炎症反应级联放大，而siRNA 沉默TLR7 表达促炎作用减弱，说明流感病毒通过激活TLR7/NF-κB 信号通路参与AECOPD 病理生理过程。Carvalho JL 等[13]研究发现，鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus，LR）通过减少TLRs 受体的表达，恢复转录因子NF-κB/信号传导与转录激活因子-3（signal transducer and activator of transcription-3，STAT-3）和细胞因子信号转导抑制物-3（suppressors-of-cytokine-signaling 3，SOCS3）之间的平衡来调节人气道上皮细胞分泌促炎和抗炎分子。以上研究提示，TLRS 是识别病原体和产生持续性全身炎症“瀑布效应”的中间环节，通过TLRs调控促炎反应，可能为免疫调节剂和抗病毒药物的开发提供新思路。

1.2 NLRP3 炎症体与自噬途径 NLRP3 炎症体是由胞质型PRRs 核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）参与组装的多蛋白复合物，介导病毒核酸的细胞质识别并招募和激活促炎症蛋白酶Caspase-1，活化的Caspase-1 切割白细胞介素-1β（interleukin-1 β，IL-1β）和IL-18的前体，产生相应的成熟细胞因子[14]。近年研究表明[15]，异常的NLRP3 激活与导致癌症、衰老和退行性疾病发展的慢性炎症有关。王海滨等[16]研究发现，COPD 急性期组血清NLRP3 炎症体水平高于稳定期组，与肺功能指标明显相关。

自噬是一种通过溶酶体途径发生的降解过程，具有重要的免疫功能协调作用，包括免疫系统发育、调节先天和获得性免疫和炎症反应、细胞内微生物的选择性降解以及宿主对感染性疾病的保护。Dong X等[17]研究证实，病毒感染过程中启动依赖于SNX5（sorting nexin 5）的自噬相关的PI3KC3-C1/PtdIns(3)P 信号通路活化，以细胞自主的方式限制病毒复制，表明易感性差异与病毒侵入细胞能力或病毒感染后干扰素相关通路的激活无关，其主要发挥先天性抗病毒免疫作用。

Cheng Y 等[18]研究发现，核因子NF-E2 相关因子（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）可与线粒体自噬受体蛋白（optineurin，OPTN）结合，启动线粒体自噬体形成，进而清除功能受损的线粒体，从上游阻断NLRP3 炎性小体活化。IL-1β 是COPD 发展过程中具有代表性的衰老相关分泌表型因子。Shen Y 等[19]研究表明，自噬缺失的细胞在IL-1β/肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）联合处理下因ATP 缺失引起溶酶体透化作用，水解酶如组织蛋白酶释放导致组织坏死。综上所述，线粒体自噬功能不足参与COPD 发病机制，并在COPD 中具有一定的保护作用。然而，高璇[20]研究表明，相比单纯CSE 刺激，经过CSE 刺激及腺病毒感染的3LL 细胞系增加了腺病毒感染后自噬水平，腺病毒感染通过影响自噬水平参与了促进COPD 发生发展的过程中。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）通路可抑制自噬，Deretic V[21]研究表明，抑制剂雷帕霉素的短期给药可提高小鼠CD8+T 记忆细胞对病毒感染反应的质量和幅度。以上结果表明，特异性的活化自噬被认为是一种诱导广泛抗病毒免疫力的新策略，可以减少炎症同时提高免疫反应的灵敏度，可能是病毒诱导的AECOPD的治疗靶点。

1.3 IL-33-ST2 通路 IL-33 是IL-1 家族的一种细胞因子，可在屏障组织中表达，具有多效性功能[22]。一方面在稳态条件下，IL-33 主要以核蛋白的形式存在于非造血细胞中，在组织损伤、感染或坏死时，IL-33 以活性形式迅速释放到细胞外环境中，并以表达IL-33 受体生长刺激表达基因2 蛋白（growth ST imulation expressed gene 2，ST2）的细胞为靶标，通过在多个靶细胞中诱导各种促炎症细胞因子、趋化因子、和粘附分子来加重肺部炎症。另一方面，IL-33增强转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）介导的叉头状家族转录因子Foxp3 驱动Treg 细胞（regulatory T-cells）的扩增及其自身受体ST2的表达，促进炎症的缓解。

2 型固有淋巴细胞（type 2 innate lymphoid cells，ILC2）属于先天淋巴细胞。ILC2 主要作用于介导Th2（T helper cell 2，Th2）细胞应答增强和组织修复。Monticelli LA 等[23]研究表明，流感病毒感染肺部后，ILC2 敲除鼠显示出增生性上皮细胞再生能力受损和大量上皮细胞坏死。IL-33 是促使ILC2 分化的关键细胞因子。有研究发现[24]，与健康人相比，COPD患者血清IL-33、可溶性ST2（sST2）水平明显高于健康人，外周血单核细胞ST2mRNA的表达及ILC2s水平显著升高，而ILC2的增殖分化依赖于转录因子RAR 相关孤立受体A（RAR-related orphan receptor A，RORA），因此RORAmRNA 表达水平也明显升高，表明IL-33 促进COPD 患者外周血单核细胞分化为ILC2 可能在COPD的发生发展中起重要作用。IL-33 也与病毒诱导哮喘恶化期间中性粒细胞细胞外陷阱的形成有关。Ravanetti L 等[25]研究表明，在流感病毒诱发哮喘加重的小鼠模型中抗ST2 抗体的治疗显著降低了气道高反应性和肺部炎症细胞数量，消除气道腔内的中性粒细胞细胞外陷阱，降低了病毒载量。Aizawa H 等[26]研究发现，氧化应激通过丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路参与了IL-33 在气道上皮细胞中的表达，在鼻病毒感染过程中增加了IL-33的表达；该研究同时比较了健康受试者和COPD 患者血清中抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAC）对IL-33 表达的影响，结果发现H2O2增强的IL-33 表达及其被NAC 逆转也被证实，说明氧化应激机制可能参与COPD 气道上皮细胞中IL-33表达的调节和病毒诱导的恶化。该途径的调节可能成为病毒诱导的COPD 恶化的治疗靶点。

1.4 HIF-1α 与糖酵解重编程 COPD 患者的气道以慢性炎症、结构重塑和纤维化为特征。Mall MA 等[27]用特异性缺氧探针盐酸匹莫硝唑证实了炎症气道上皮存在组织缺氧。为了使寄主能够在低氧条件下对病原体做出有效和高效的反应，一定的低氧调节机制是必不可少的，其中缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）是主要调节因子之一[28]。在缺氧条件下，HIF-1α 蛋白积累并与缺氧响应元件（hypoxia response elements，HREs）结合，从而激活其靶基因的转录，重新编程宿主细胞的葡萄糖代谢，将细胞代谢切换到无氧糖酵解途径，对ATP的需求降低，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NAPDH）活性增加[29]。Gualdoni GA 等[30]研究证明，鼻病毒感染通过增加葡萄糖转运体-1（glucose tansporter-1，GLUT-1）的表达，诱导宿主细胞的代谢改变使其朝着增强糖酵解的方向发展，从而实现有效的病毒复制。To EE 等[31]研究发现，多种呼吸道病毒通过内体NADPH 氧化酶2（NOX2）的激活，促进活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，在核内体中ROS通过修饰Toll 样受体7 来抑制抗病毒信号网络，以防止过度抗病毒反应。相反，COPD 中存在气道和全身炎症，氧化应激和炎症介质循环水平增加，过量的ROS 产生有可能损害基本的抗病毒免疫反应[32]。Oostwoud LC 等[33]研究表明使用谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）模拟物依布硒（ebselen）和NOX2 氧化酶抑制剂罗布麻宁（apocynin）可显著降低暴露于CS 小鼠模型IAV 引起的肺部炎症、超氧化物生成和病毒滴度。apocynin 吸入可降低COPD 患者气道中亚硝酸盐的浓度，提示Gpx 通路作为一个新的治疗靶点来治疗病毒引起的AECPOD。Semba H 等[34]研究证明，HIF-1α 诱导的丙酮酸脱氢酶同工酶1（pyruvate dehydrogenase kinase isozyme 1，PDK1）促进了轻度缺氧时巨噬细胞的糖酵解，PDK的化学抑制剂二氯乙酸（DCA）体外强烈抑制原代巨噬细胞的迁移，DCA 显著抑制了巨噬细胞中IL-1β 等炎症基因的表达。因此，HIF-1α-PDK1 轴诱导的活性糖酵解是发生在全身炎症过程中巨噬细胞迁移和激活过程的基础，表明抑制巨噬细胞HIF-1α-PDK1 轴可以抑制炎症反应，可能成为一种潜在的调节炎症过程的治疗方案。

2 病毒相关AECOPD的特异性免疫反应失衡机制

2.1 Th1、Th17、Treg 失衡 调节性T 细胞（regulatory T-cells，Treg）和辅助性T 细胞（T helper cells，Th）包括Thl、Th2、Thl7、Th22，属于CD4+T 淋巴细胞的不同亚群。相较健康人群，COPD 患者抑制了T 细胞分化，以此作为免疫反应的特征。对AECOPD 患者的免疫功能研究发现[35]，AECOPD 患者的免疫功能偏向免疫抑制表型。COPD 患者最常见的表型为嗜中性粒细胞表型，其主要与炎性小体激活、T1 和T17介导的免疫反应有关[1]。基质金属肽酶12（matrix metallopeptidase 12，MMP12）、中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）等产生的弹性蛋白片段作为一种自身抗原，可诱导IL17A 驱动的特异性T细胞反应，COPD 患者外周血中Th1、Th17 和Tc17水平显著升高。Th17 介导的自身免疫可导致支气管炎样和肺气肿表型[36]。有研究发现[37]，在COPD 相关Th1/17 偏置炎症环境中，polyI:C（聚胞苷酸，双链RNA的类似物）诱导病毒模式识别受体（TLR3、TLR7、IFIH1 和DDX58）表达增加，IL-6、CXCL-8、TNF 和IL-1βmRNA的表达在polyI:C 应答中显著上调，IL-1βmRNA 表达的增加无显著差异，这表明Th1/17 偏置的细胞因子环境本身并不会导致与COPD 相关的抗病毒应答受损，模式识别受体增强的信号转导可能有助于病毒诱导的AECOPD的炎症反应。Chiappori A 等[38]研究将CD4+Treg 定义为CD4+CD25 高表达CD127 低表达CD4+T 细胞群体，Treg 通过免疫抑制因子介导细胞在外周免疫耐受。人类白细胞抗原-DR（HLA-DR）是一种人类Ⅱ类主要组织相容性复合体（MHC）抗原，表达于CD4+T 淋巴细胞表面，特别是CD4+Treg 细胞，可作为活化T细胞的标记物[39]。Zhang L 等[40]通过流式细胞术分析外周血T 细胞的免疫表型，并与非病毒诱导的AECOPD 组进行比较，结果发现病毒诱导的AECOPD患者外周血中CD4+HLA-DR+的频率更低，提示病毒组的CD4+Tregs 在体内对效应T 细胞的抑制作用较弱、时间较长，这与病毒诱导的AECOPD 患者临床症状较严重相一致。与以上研究结果不同，常芬[41]研究发现，Treg 通过表达细胞毒T 淋巴细胞相关抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4）来抑制免疫应答，在AECOPD 患者中CTLA-4 表达高于稳定期COPD 患者和健康的非吸烟受试者，导致Th1 细胞对病原菌的清除能力减弱，阻断CTLA-4 可恢复Th1 细胞功能。

2.2 PD-1/PD-L1 与CD8+T 淋巴细胞 研究发现[42]，AECOPD 患者的肺部中CD8+T 细胞数量增多，但这些患者仍然面临呼吸道病毒感染的巨大风险，且AECOPD 患者抗病毒功能紊乱与程序性死亡受体（programmed death 1，PD-1）/程序性死亡受体-配体1（programmed cell death-ligand 1，PD-L1）轴有关。PD-1 是T 细胞受体CD28 家族的成员，近年研究发现PD-1 是传统T 淋巴细胞细胞的负性调节因子。Mckendry RT 等[43]研究发现，COPD 患者肺移植体中CD8+T 细胞表达PD-1的比例明显高于健康对照组。病毒感染显著上调了CD4+和CD8+T 细胞PD-1的表达，同时流感显著上调健康对照组CD8+T 细胞的细胞毒性脱颗粒标志物CD107a，而COPD 患者的CD107a 无明显上调，说明COPD 患者CD8+T 细胞利用颗粒酶B 和穿孔素等诱导病毒感染细胞凋亡，导致抗病毒细胞毒功能存在缺陷，病毒脱落时间延长；此外，病毒诱导COPD 组巨噬细胞PD-L1的表达减少，而IFN-γ的释放相应增加，以上研究表明COPD 患者不能通过降低PD-L1的表达来阻止细胞因子的释放共同参与COPD 急性加重。Huang J等[44]研究发现，胰高血糖素样肽-1 受体（glucagonlike peptide-1 receptor，GLP-1R）在COPD 患者外周血单个核细胞中的表达水平低于健康受试者，并与IFN-γ的表达有关，且经特异性GLP-1R 激动剂利拉鲁肽治疗显著恢复了外周血单个核细胞的IFN-γ产生，并下调了表达PD-1的T 细胞比例。这表明GLP-1R 信号传导的损害也发生在COPD 患者的循环外周血单个核细胞中，GLP-1R 信号的恢复可以改善COPD 患者的T 细胞功能缺陷。

3 总结

免疫功能障碍和炎症反应是COPD 发生的驱动机制。大量研究提示病毒感染通过影响机体免疫系统，导致免疫系统功能失调，从而诱发COPD 发生或者加重。在AECOPD 中必须在清除病原体，但损害肺组织的促炎反应和具有抗炎作用但阻碍抗菌免疫的免疫抑制网络之间取得微妙的平衡，在免疫抑制反馈环扎找到一个平衡点可能是AECOPD 治疗中的重要靶点。COPD 是一种与皮质类固醇不敏感相关的疾病，存在COPD 相关糖皮质激素抵抗，且使用皮质类固醇抗炎治疗时可能会损害先天抗病毒免疫反应。研发新的针对AECOPD 相关炎症级联反应中不同潜在靶点的药物，促进免疫功能的恢复可以潜在地防止病原体介导的疾病恶化，还可以减轻病毒感染诱导的炎症和组织破坏，或将成为真正治疗病毒感染相关AECOPD 最直接的方法。