香烟烟雾对肺炎重症化的作用及研究进展

曾 歆，周琪丰，童 瑾

重庆医科大学附属第二医院 呼吸与危重症科，重庆 400010

目前发现香烟烟雾(cigarette smoke,CS)中约有4 500种化学物质,包括环芳烃,N-亚硝胺,重金属(镍,镉,铬和砷),生物碱(尼古丁及其主要代谢物,可替宁)和芳香胺等,可增加病原体在呼吸道的致病力以及损伤宿主防御机制,从而加重肺部感染。对于免疫力正常的成年人,吸烟是侵袭性肺炎球菌感染的危险因素;男性吸烟者肺炎的死亡风险较不吸烟者显著增加[1]。本文针对长期接触CS导致肺炎易重症化的可能性机制,做以下分析。

1 CS对呼吸道生理结构的影响

1.1 CS使呼吸道纤毛系统失调

CS通过改变不同信号转导导致纤毛细胞减少、成纤维细胞增加。机制如下:1)CS通过激活蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)抑制纤毛运动和减少纤毛数量。腺苷可通过A2A腺苷受体促进支气管上皮细胞的修复,但CS通过调节双重氧化酶的核酸和蛋白表达,产生过氧化氢,抑制腺苷A2A受体,损伤腺苷的修复作用,同时激活PKC。2)CS导致Cl-分泌减少。CS中的氧化剂通过激活MEK-ERK1/2-MAPK通路降低囊性纤维化跨膜电导调节器转录来抑制呼吸道上皮细胞Cl-分泌,产生类似囊性纤维化的生理改变,导致呼吸道表面液体耗竭,降低黏液清除率[2]。3)成纤维细胞是肺纤维化的重要媒介。而CS暴露的小鼠通过上调转化生长因子-β1的表达导致肺成纤维细胞增加,促进感染后肺纤维化[3]。

1.2 CS破坏肺泡-毛细血管内皮屏障

肺毛细血管内皮屏障的破坏,更容易导致急性呼吸窘迫综合征发生。CS可通过激活组蛋白脱乙酰酶6过表达减少α-微管蛋白乙酰化及刺激神经酰胺,从而破坏肺内皮屏障;CS中丙烯醛可通过减少肺血管内皮细胞前列环素合成酶的表达而造成内皮细胞损伤,破坏内皮屏障;CS可诱导肺组织WWOX基因(与肿瘤抑制相关的染色体脆性位点基因)和蛋白的表达下降。向小鼠气管内注射小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)抑制WWOX可导致破坏肺毛细血管内皮屏障[4]。

1.3 CS促进血栓形成

长期吸烟者的血小板生成素(thrombopoietin,TPO)水平以及体外血小板激活指数较不吸烟者显著增加,促进动脉粥样硬化和血栓形成。其次,血小板生成素高水平与体外血小板-单核细胞聚集和P-选择素表达相关,故导致凝血级联改变利于血栓形成。同时,CS通过升高5-羟色胺和儿茶酚胺的水平,增强血小板聚集和黏附性[5],增加血栓强度和缩短纤维蛋白形成时间。

CS对呼吸道结构和血气屏障的损伤,影响气道廓清及换气功能,并加重氧化应激反应。若发生肺部感染,则较健康人群更易产生重症化。

2 CS导致免疫功能紊乱和障碍

CS可影响先天性和适应性免疫,聚集肺部巨噬细胞和T淋巴细胞,并分泌大量炎性介质。炎性介质及细胞的相互作用可增加肺部感染的易感性和严重程度。其次,病毒感染风险与呼吸道病毒黏附受体上调有关[6]。CS可通过增加细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)的表达,抗ICAM-1单克隆抗体通过阻断ICAM-1可抑制病毒复制[7]。再之,CS可诱导氧化应激,使抗胰蛋白酶失活,肺部产生更多胰蛋白酶。胰蛋白酶参与病毒血凝素的排出,帮助病毒颗粒传播并感染附近的细胞。以下阐述CS对不同炎性细胞及介质的影响机制。

2.1 CS对炎性介质的影响

1)丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路可调节转录因子的激活,如核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB),导致环氧化物酶2(cyclooxygenase-2,COX2)表达增加,促进氧化应激。同时细胞核受体(nuclear receptor subfamily 1, group D member 1, Rev-ErbA-α)是一种转录调节因子,参与炎性反应调节。CS通过减少Rev-ErbA-α在肺部的丰度,促进肺成纤维细胞促炎细胞因子释放、中性粒细胞渗出增加以及肺细胞的加速衰老[8]。2)CS诱导气道上皮细胞促炎因子产生,这些信号被受体识别,如CS激化上皮细胞的Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs),触发非特异性炎性反应,如CS通过激活组胺H1型受体(H1R)-TLR2/4-COX2轴激活和刺激免疫细胞产生 IL-8、TNF-α、IFN-γ 和IL-1β等,如CS通过TGF-β使肺泡巨噬细胞释放促炎因子IL-36,其中IL-36α和IL-36γ通过诱导辅助性T细胞Th1和Th17加重肺部炎性反应[9-10]。CS显著增加HIN1感染小鼠肺中CD11b+常规树突细胞(conventional dendritic cell,cDC),同时破坏肺上皮细胞屏障功能[11]。3)CS不利于肺部正常免疫和组织修复。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)对正常免疫和损伤组织的修复至关重要,而金属蛋白酶组织抑制剂是MMPs的主要抑制剂。吸烟+流感小鼠肺泡灌洗液中金属蛋白酶组织抑制剂1明显增加,而未结合内源性抑制剂的MMP-2,9明显降低。

2.2 CS对T细胞的影响

1)miR-155对树突状细胞的成熟和T细胞的启动起关键作用[12]。CS通过增加miR-155在肺部的表达,从而增加辅助性T细胞亚群表达。2)CD4+和CD8+T细胞均能产生IFN-γ,后者在抗病毒免疫和巨噬细胞激活中起关键作用。CS暴露的流感小鼠与对照组比较,感染后第7天肺中CD4+、CD8+T细胞和IFN-γ显著减少,而第10天肺中以上表达则明显增加。BALF中IFN-γ也类似变化。说明CS在感染前期抑制T淋巴细胞,从而影响病毒灭活;而感染后期过度诱导IFN-γ使肺上皮损伤,增加蛋白的渗出[13]。吸烟者痰液CD8+T细胞的百分比较低而在气道黏膜内却有所增加,气道黏膜CD8+T细胞的聚集与低肺通气有关,提示CS参与肺部炎性及重塑[14]。3)CS可增加小鼠肺部TGF-β的mRNA,TGF-β参与调节性T细胞(regulatory T cell, Tr cell)增殖,Tr细胞可抑制 CD8+T细胞活性,使得病毒复制更为活跃。

2.3 CS对巨噬细胞的影响

1)CS可损害巨噬细胞DNA,干扰其遗传物质表达和改变细胞超微结构与细胞表型,增加异常巨噬细胞数量,最终导致免疫功能受损,其中与肺巨噬细胞DNA甲基化有关,特别是芳烃受体阻滞剂。结构上,吸烟者的巨噬细胞较非吸烟者的体积略大,含有更多高尔基小泡、内质网和纤维样包裹体。2)CS可影响巨噬细胞相关细胞因子的表达。吸烟者的痰中CD54和CD71表达增加,影响巨噬细胞的黏附、增殖和成熟功能。CS抑制CD11b、TLR-2和CD14等与吞噬活性相关的重要表面抗原的表达,使巨噬细胞的吞噬能力明显下降。3)CS中尼古丁、铁和镉分别产生不同效应。尼古丁直接作用于巨噬细胞的尼古丁乙酰胆碱受体,降低感染肺泡巨噬细胞的凋亡和自噬,削弱其对细胞内病原体的免疫功能[15];并且TNF-α和一氧化氮(nitrogen monoxide,NO)的减少还可导致巨噬细胞铁超载,产生有毒的反应性羟基自由基,并有利于细胞内细菌增殖。活性氧(reactive oxygen species,ROS)是肺巨噬细胞宿主防御的机制之一,NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX2)是巨噬细胞产生ROS的主要来源,Rac2(RAS相关的C3肉毒毒素底物2)是NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX2)复合物的成分之一。故镉通过抑制小GTP酶Rac2在Cys189处的异戊二烯化,使得巨噬细胞NOX2产生ROS的能力受损,导致巨噬细胞防御功能下降[16]。4)粒细胞巨噬细胞集落刺激因子是巨噬细胞分化和维持功能所必需。CS可增加肺部粒细胞巨噬细胞集落刺激因子表达,使得肺巨噬细胞聚集,诱发弥漫性间质性肺炎[17]。

2.4 CS对中性粒细胞的影响

CS可提高痰中中性粒细胞数量。机制如下:1)CS可加速中性粒细胞从骨髓进入循环系统;2)循环中性粒细胞升高与尼古丁诱导儿茶酚胺的分泌相关,原因可能是降低巨噬细胞吞噬活性,使其对中性粒细胞的清除受损;3)CS可通过p38 MAPK/MEK途径增强IL-8表达,增加中性粒细胞在肺组织中的募集。一方面,过多的中性粒细胞可直接损伤肺组织,降低其屏障功能,如CS可诱导中性粒细胞释放蛋白酶,抑制抗蛋白酶系统,破坏肺弹力纤维[18],以及CS还可以通过增强病毒性肺炎中性粒细胞内集落刺激因子3表达,使得肺泡-毛细血管屏障功能障碍,使得重症感染的风险增加[19]。另一方面,吸烟者的中性粒细胞产生超氧化物能力分别比非吸烟者少50%左右,而超氧化物是中性粒细胞对抗病原体的重要途径之一。另外,体外实验发现CSE可诱导中性粒细胞形态和代谢显著改变。

2.5 CS对NK细胞和体液免疫的影响

CS会上调NK细胞激活受体在肺上皮细胞中的表达,从而激活其细胞毒作用,导致肺损伤。CS还可干扰体液免疫。吸烟者血清中的免疫球蛋白水平较低,而肺中的免疫球蛋白水平较高。

3 CS对气道微生物组的影响

吸烟者口腔的微生物多样性低于非吸烟者,而多样化的微生物群落更容易抵抗外界干扰。与不吸烟者相比,吸烟者肺部正常的微生物种类减少(如乳酸杆菌),而病原体种类增多,重症感染的风险将增加。CS可增加肺中特定细菌类群(如不动杆菌、芽孢杆菌和葡萄球菌)的相对丰度,增加急性呼吸窘迫综合症的易感性及导致肺部损伤[20]。CS对呼吸道微生物群的影响机制可能有以下几点:

烟草中有多种微生物,包括放线杆菌、梭状杆菌、克雷伯菌、铜绿假单胞菌和变形杆菌等。CS中的微生物会通过呼吸道带入并迅速定植,改变肺部微生物群。吸烟使分解和合成代谢的需求增加,以及下呼吸道pH值和温度发生变化,导致微生物组成的变化[21]。

宿主相关的共生细菌生物膜有维持呼吸道黏膜及阻止细菌进入的作用。CS作用下,早期阶段呼吸道会建立富含病原体的生物膜。富含病原体的生物膜代谢功能的上调,使得正常共生生物膜死亡。同时,CS会抑制富含病原体生物膜的毒力特征,使得人体免疫系统不能识别病原体。其次,CS富含铁,吸入CS可增加肺内铁浓度,使得铁/乳铁蛋白失衡,促进生物膜形成[22]。

CS会损害机体先天免疫防御,从而导致呼吸道微生物群的丰度、分类组成和多样性发生变化。而新的细菌定植将带来进一步的炎性反应和免疫紊乱,形成“恶性循环”。

4 CS对新型冠状病毒肺炎/感染(corona virus disease 2019,COVID-19)的影响

目前关于吸烟对COVID-19的影响尚无统一说法,但多项研究表明吸烟可增加COVID-19患者的病情严重程度以及死亡风险,且其严重程度与每日吸烟率呈剂量关系[23]。1)严重急性呼吸系统综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)是通过血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)作为受体进入人体细胞[24],而CS可上调小气道上皮细胞的ACE2表达,这与尼古丁乙酰胆碱受体的α7亚型有关。支气管上皮细胞中跨膜丝氨酸蛋白酶2可以介导SARS-CoV-2上的刺突蛋白(S蛋白)水解协同病毒入胞,而长期CS暴露使得跨膜丝氨酸蛋白酶2上调,吸烟者更容易受到SARS-CoV-2感染[25]。2)SARS-CoV-2可以抑制受感染细胞中的早期Ⅰ型IFN反应,同时急性CS暴露进一步抑制IFN,这使得病毒复制更高进一步加重肺部炎性反应[26]。

5 问题与展望

近年来,多项研究已证实CS通过不同分子及细胞机制而破坏肺物理和免疫防御体系,增加肺部感染的风险以及感染后肺炎重症化,但尚待完善和深入的方面还很多,甚至有相悖的论点。CS对肺炎重症化的研究不仅是对控烟工作的贡献,还可提高对重症肺炎病理生理的研究,促进重症医学的发展。