人类鼻病毒在哮喘患者气道重塑中的作用机制及临床意义

谭漫琳 李树钧

在健康的个体中，人类鼻病毒（Human rhinovirus，HRV）感染是普通感冒主要的原因，然而，在支气管哮喘（哮喘）患者中，HRV 感染可以对疾病的发生和发展产生重大影响。哮喘是一种常见的慢性气道炎症性疾病，具有明显的异质性和复杂的病理生理特征。在幼年时期，HRV 诱发的喘息性疾病是哮喘后续发展的一个重要危险因素，越来越多的证据表明，反复HRV 感染在哮喘气道重塑多个方面的发生发展中起着重要的作用。近年来，哮喘病死率有所下降，但发病率仍不断上升，且至今尚无有效治愈的方法，不易控制的重症哮喘是致命性过敏反应的危险因素，哮喘急性发作给全球的卫生保健系统带来了巨大的经济负担，成为哮喘患者住院和死亡的主要原因。众多研究发现，HRV 感染是哮喘急性发作常见的诱因之一。因此，更好地了解HRV 在哮喘中的作用显得尤为重要。过去十余年的研究对HRV 感染所致哮喘患者气道重塑的发生发展有了新的认识，现就目前关于HRV 感染在哮喘发生及气道重塑中的作用机制加以综述，并提出相关治疗策略，以限制HRV 感染对哮喘的影响。

一、HRV 分类

HRV 是一种单股正链RNA 病毒，基因组约7 200 个bp，被蛋白质衣壳包裹，其病毒蛋白（virus protein，VP）分别是VPl、VP2、VP3 和VP4。VPl、VP2 及VP3 位于病毒颗粒表面，而VP4 位于内部并掩藏病毒核酸。HRV 属于病毒科，肠道病毒属，根据其病毒壳蛋白核苷酸序列分为3 型：HRV-A、HRV-B 和HRV-C。HRV-A、HRV-B 分别含74、25 个亚型，余下的属于自2009 年后才确认的HRV-C［1］。HRV 也可根据其结合受体分类，其中88 种HRV-A、HRV-B 通过与细胞间黏附分子-1（ICAM-1）受体黏附到细胞表面，11 种HRV-A 与极低密度脂蛋白受体相结合入侵机体［1-2］，HRV-C 主要感染纤毛气道上皮细胞，哮喘易感基因产物钙黏蛋白相关家族成员3（CDHR3）可以介导HRV-C 的结合和复制，CDHR3 主要在纤毛气道上皮细胞表达，调节CDHR3 表达或纤毛细胞分化的因子可能影响对HRV-C 的易感性［3-4］。研究表明，5 岁以下与HRV-C 感染相关的急性哮喘患儿中，男性患儿中度／重度恶化的几率显著增加［5］，而住院成年哮喘患者疾病严重程度则与HRV 类型无关，但总的来说，无论是何种亚型，HRV 感染与哮喘的发生发展、急性加重联系紧密［6］。

二、HRV 感染与哮喘发生发展的关系

病毒性呼吸道感染所致喘息性疾病的致病原（尤其是HRV）和严重程度可以显著预测高危人群的哮喘发展，与没有喘息性疾病的人相比，在3 岁以内有HRV 诱导喘息性疾病的儿童哮喘发病率为9.8%［7］。很少有报道描述病毒性呼吸道感染在成人患者哮喘急性发作中的重要性，但Takeshi等［8］的研究首次表明，各种呼吸道病毒如HRV，hMPV，Inf-V和RSV 与成人患者的哮喘发作有关，且HRV-A 和HRV-C 具有广泛的遗传差异性，具有季节性变化，HRV 是秋季哮喘发作的常见原因。也有研究表明，上呼吸道病毒感染所致哮喘急性发作者，患儿高达85%，成年人大约50%，在这些研究检测到的病毒中，HRV 占60%，是主要的病原体［9］。Yutaka等［10］也有报道，通过实时PCR 技术检测成人支气管哮喘急性发作感染性病原体，流感嗜血杆菌为最常检测到的微生物（26.6%），其次为HRV（15.6%）。另外，Öhrmalm 等［11］研究了一项无感染症状的稳定型哮喘患者与健康人群的对照实验（纳入研究人员年龄为10 岁～35 岁），采用PCR 分析鼻咽吸出物中常见呼吸道病毒RNA 的存在情况，显示HRV 是唯一检测到的病毒（哮喘患者4.5%，对照组0.9%），并提示HRV 似乎在哮喘和空气过敏原IgE 致敏的青年人气道中更普遍。

1.HRV 感染与遗传背景：基因-环境的相互作用被认为是哮喘发展的关键环节，全基因组关联研究已经确定了一些与哮喘进展相关的候选基因和基因位点，譬如17q21 位点的变异可以影响GSDMB 和ORMDL3 基因的表达，在HRV 诱导喘息性哮喘疾病过程中这两种基因表达水平增加，GSDMB基因特异位点的纯合子单核苷酸多态性可使存在HRV 感染史的人群哮喘风险增加26 倍［12-13］。一项特定哮喘表型的全基因组关联研究发现新的易感基因CDHR3 在气道上皮高表达，是早期儿童哮喘急性发作的易感位点，其单核苷酸多态性导致529 位置的半胱氨酸残基突变为酪氨酸残基，与HRV的结合及子代数量增加和哮喘患者病情加重有关［14］，日本一项关于成人候选基因的两独立样本病例对照研究也显示，CDHR3 变异是严重成人哮喘的重要易感因素，与以特应性、早发性和低肺功能为特征的哮喘表型有显著关联性［15］。

2.HRV 感染与过敏反应：过敏反应和病毒诱导喘息都是哮喘发展的独立危险因素，在一个高危的新生儿队列研究中，马尔科夫模型显示，过敏反应增加了后续病毒诱导喘息的风险［16］，一项基于阳性家族史的儿童哮喘队列研究表明，早期的HRV 感染可使患哮喘的风险增加10 倍，提示在有阳性家族史的儿童群体中，早期HRV 感染和哮喘的发生密切相关［13］。

3.HRV 感染与哮喘气道重塑的关系：哮喘患者呼吸道的特征性结构变化，统称为气道重塑。这些变化包括网状基底膜增厚、平滑肌增生、血管生成及上皮表型转变等，这些变化会缩小气道管腔并导致气道壁增厚，被认为是气道高反应性的发展和持续的基础［17］，早期气道上皮网状基底膜增厚、嗜酸性粒细胞和辅助（CD4）淋巴细胞浸润是哮喘的特征性改变，重型哮喘患者气道壁明显增厚，其气管壁炎性分泌物和黏液混合后所致支气管阻塞是患者死亡的主要原因［18］。传统认为气道重塑发生在多年的慢性气道炎症，最近对患有新发呼吸道症状的学龄前儿童进行的支气管活检研究表明，即使在确诊哮喘之前，也存在气道重塑的特征，如网状基底膜增厚、嗜酸性粒细胞浸润及气道平滑肌增生，这暗示着气道重塑与炎症同步发生［19-20］。许多研究表明HRV 可通过很多方面影响气道重塑，如下所述：

（1）增加黏蛋白MUC5AC 基因的表达：气道黏液分泌过多是哮喘的重要病理生理特征，黏蛋白是气道黏液的主要成分，MUC5AC 主要分布在细胞质或液泡膜中，哮喘患者MUC5AC 基因表达增加，气道上皮杯状细胞数量随之增加，分泌过多黏蛋白，其在短时间内大量进入呼吸道，可能导致严重气道阻塞，气道阻力增加，甚至导致患者死亡［21-22］。HRV 感染人体后，人体通过模式识别受体TLR3 特异性识别病毒，多种表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）配体的转录激活，随后EGF 通过自分泌／旁分泌激活细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated protein kinase，EKR），EKR 进入细胞核后诱导MUC5AC 基因表达增加，气道黏液黏蛋白含量随之增加，其信号传导过程为HRV→NK-κB（核因子-κB）→MMP（基质金属蛋白酶）→TGF-ɑ（转录生长因子ɑ）→EGFR→MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）→ERK →Sp1（特异性蛋白1）→MUC5AC 基因→MUC5AC 黏蛋白［23-24］。

（2）减少紧密连接的表达：肺内部环境与外界物质的交界面由多种类型细胞构成的假复层黏膜屏障构成，一系列连接复合物包括紧密连接、粘附连接、间隙连接、桥粒和连接蛋白维持这种保护屏障，紧密连接通常位于相邻上皮细胞的顶端，调节离子和溶质的选择性通过，防止病原体及其产物进入肺间质。Looi 等［25］的研究首次证明了在HRV 感染后紧密连接蛋白表达改变与上皮功能受损之间的直接关联，影响大分子物质通透性。claudin-1、occludin、ZO-1 是紧密连接的重要组成蛋白，在HRV 感染后，哮喘患者的气道上皮细胞中claudin-1 和occludin mRNA 明显增加，但claudin-1，occludin 和ZO-1 蛋白表达显著降低，这种转录与表达的不平衡性原因尚不清楚，可能与多种因素有关，如多效转录抑制因子Snail，其参与转录后过程，导致claudin-1 蛋白合成减少。确定的是，HRV 感染导致紧密连接解离，从而导致哮喘患者气道上皮细胞通透性增加和上皮抗性丧失，大分子物质通透性增加提示，HRV 感染有助于过敏原或病原体穿过上皮细胞，促进其与气道内部环境的相互作用，从而进一步加重气道炎症和结构重塑［26］。

（3）促进平滑肌增厚及上皮下纤维化：①肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）超家族成员14（TNFSF14），也称为LIGHT 或CD258，是过敏原诱发的严重哮喘模型中气道重塑的强大驱动力，肺泡上皮细胞和中性粒细胞是LIGHT 的潜在来源，Mehta 等［27］进行了一项HRV 多次感染小鼠评估气道重塑的实验，结果证明，反复HRV 感染可诱导小鼠肺中LIGHT 表达，引起小鼠支气管周围平滑肌增厚和上皮下纤维化的增加，产生以中性粒细胞增加为主的支气管血管炎。但LIGHT 究竟如何促进肺组织重塑仍在探索中，目前已经证明，它可以诱导肺巨噬细胞和上皮细胞中的几种炎症分子，如转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），胸腺基质淋巴细胞生成素（thymic stromal lym-phopoietin，TSLP）和MMP-9，间接地增强肺重塑反应［27-28］，CXCL1、3、5 等趋化因子是支气管上皮细胞中LIGHT 的靶标，LIGHT 可能通过诱导各种趋化因子进一步扩增重塑表型，此外，LIGHT 还可以驱动肺成纤维细胞／肌成纤维细胞的增殖，这可能有助于增加平滑肌质量，因此，LIGHT 有可能以多种方式促进气道重塑［29］。IL-1β 也可能诱导小鼠肺气道重塑，若在每次HRV感染前24 h 给予小鼠IL-β 中和抗体，小鼠支气管周围平滑肌和上皮下纤维化显著减少，支气管肺泡灌洗液中的中性粒细胞亦明显降低。另外，TGF-β 是由许多刺激驱动的肺气道重塑的核心，主要与胶原蛋白的产生有关，有助于增加平滑肌质量，LIGHT 可以在肺巨噬细胞中上调TGF-β 表达，LIGHT、IL-1β 以及TGF-β 可产生协同作用，促进肺HRV 反复感染后气道重塑［27］；②气道上皮中EGFR 在环境屏障和气道炎症诱发方面起着核心作用，EGFR 的天然配体包括EGF、TGF-α、肝 素 结 合 表 皮 生 长 因 子（heparin-binding epidermal growth factor，HB-EGF）。双调蛋白等，双调蛋白来源于气道平滑肌细胞，具有促进细胞生长和促炎作用，其分泌依赖于缓激肽（bradykinin，BK）诱导COX-2 表达、PGE2 分泌增加，即通过BK→COX-2／PGE2 自分泌环从气道平滑肌细胞中表达并分泌。HRV 可增加哮喘肺中BK 释放的激肽释放酶活性，从而使双调蛋白的分泌增加，促进气道上皮下纤维化，HRV 也可诱导具有相似活性的生长因子（如成纤维细胞生长因子2 和HB-EGF）的基因表达增加［30-32］。

（4）促进气道壁血管增生：气道壁血管数量及大小增加是气道重塑的重要特征，血管生成有赖于血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的生物效应，其通过与细胞表面上的酪氨酸激酶受体结合来刺激细胞应答。HRV 感染后早期即可显著上调VEGF 的表达，主要通过p38丝裂原活化蛋白激酶和ERK 1／2 途径［31］，介导气道平滑肌细胞的促血管生成能力，并可能通过黏膜充血导致气道狭窄来促进气道重塑［33］。

（5）调节气道平滑肌细胞迁移：Shariff 等［17］近期的研究显示，HRV 感染气道上皮细胞后可上调趋化因子的表达，如CCL5、CXCL8、CXCL10 等，并证实CCL5、CXCL8 可导致气道平滑肌细胞向上皮细胞定向迁移，从而促进气道重塑过程。其中CCL5 是最有效的趋化因子，而趋化因子CXCL10 的水平则与呼吸道分泌物中观察到的淋巴细胞的数量增加相关［34］。细胞迁移通过激活受体而启动，如G 蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor， GPCR），酪 氨 酸 激 酶 受 体（receptor tyrosine kinase，RTK）和整联蛋白（integrin）等，受体激活后其触发下游细胞内信号传导，导致气道平滑肌细胞迁移［35］。

（6）诱导上皮-间质转化（epithelial-stroma transformation，EMT）：EMT 是指上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型特征的细胞生物学过程，细胞在EMT 过程中发生一系列改变，如失去细胞极性、丧失上皮标志、丢失细胞间的紧密连接和黏附连接、使细胞骨架重排以及失去间质标志表达等［36］。EMT 是目前研究哮喘气道重塑机制的重点，E-钙黏蛋白和波形蛋白分别代表上皮和间皮特征，E-钙黏蛋白的表达降低，波形蛋白的表达增加以及从上皮细胞到间充质细胞（成纤维细胞／肌成纤维细胞）形态的转变是EMT 过程的重要表现［37］。Fischer 等［38］在尘螨诱导小鼠哮喘发作的研究中，发现哮喘小鼠气道上皮细胞E-钙黏蛋白表达降低，波形蛋白表达增加，提示哮喘发病与EMT 相关。哮喘患者气道上皮下区域中活化的间充质细胞数量增加，被认为是基质蛋白沉积导致网状基底膜增厚的主要原因。Minor 等［39］在研究HRV 与哮喘EMT 关系的实验中，也发现HRV 能够诱导与EMT 一致的支气管上皮细胞的表型和形态学变化。HRV 似乎在上皮标志物的丧失中发挥更大作用，且经TGFβ1 处理后，HRV 可明显诱导上皮和间充质标志物的变化并改变其形态，诱导上皮细胞E-钙黏蛋白表达显著降低，间充质标记物纤连蛋白表达增加，间充质细胞数量增加，促进气道重塑，此过程似乎涉及MAPK 途径及转录阻遏物SLUG 的激活。

由此可见，HRV 感染在气道重塑发生发展中发挥着重要作用，上皮细胞的HRV 感染引起上皮表型的改变，并触发与气道重塑的各个方面有关的基质蛋白和介质的释放，在易感个体中，反复HRV 感染可导致上皮表型的永久改变，介导杯状细胞增生和黏液分泌增加，上皮下纤维化，血管生成和平滑肌增加等，从而促进气道重塑的进展［40］。

4.对临床实践的启示：支气管哮喘的防治给全球的卫生保健系统带来了巨大的经济负担，HRV 感染在哮喘发生发展和急性发作、恶化中起着重要的作用，因此，找到有效限制HRV 对哮喘影响的药物显得十分重要，而目前包括皮质类固醇激素在内的减轻哮喘恶化的抗炎药物，没有证据表明这些药物能直接治疗HRV 诱导的炎症，由于HRV 变异度很高，疫苗的开发亦很难实现，因此，抗病毒药物治疗是减少HRV 感染负担所必需的［41］。就目前的研究来看，可从两个方向出发：

（1）抑制HRV 感染和复制：①防止病毒与其受体结合，部分HRV-A 及HRV-B 通过与ICAM-1 受体黏附到细胞表面，吸入性重组可溶性ICAM-1 在实验性治疗中显示可减少HRV 感染，使症状严重程度显著降低，但研究中使用的可溶性ICAM-1 的成本和剂量方案不适用于广泛的临床治疗［42］。衣壳结合药物如pleconaril、pirodavir、vapendavir 等可结合病毒衣壳以限制其与细胞受体结合，Pleconaril 具有包括HRV在内的广谱抗病毒活性，但因其副作用尚未获得FDA 批准。Pirodavir 是HRV-A 和HRV-B 的有效体外抑制剂，但在天然HRV 感染的治疗中未产生明显临床效益［43］；②开发蛋白酶抑制剂：HRV 的持续复制及后代病毒的组装依赖于病毒蛋白酶3C（3Cpro）进行蛋白水解自我切割，现已开发不可逆HRV 3Cpro 抑制剂Rupintrivir 及新型肠道病毒蛋白酶抑制剂SG85。其被证实可有效限制HRV 的复制，现蛋白酶抑制剂正成功用于治疗HIV 和丙型肝炎病毒感染，可进一步考虑新型HRV 3Cpro 抑制剂的开发［41］；③蛋白激酶D（PKD）抑制剂：HRV 感染可导致PKD 磷酸化，PKD 抑制剂可有效阻断病毒蛋白和RNA 表达，从而阻断HRV 复制，研究小分子靶向PKD 不失为抑制HRV 复制的一个选择［44］。

（2）减少HRV 诱导的炎症：①热休克蛋白90（heat shock protein，Hsp90）抑制剂pochonin D：Hsp90 是一种分子伴侣，是许多病毒在其生命周期多个阶段所需的关键宿主因子，包括病毒进入、核输入、转录及复制。Pochonin D 是具有潜在Hsp90 抑制能力的根赤壳菌素类似物，具有作为广谱抗病毒剂的潜力。一项用pochonin D 处理的HRV 感染小鼠的实验表明，pochonin D 显著降低小鼠肺裂解物和肺RNA 中促炎趋化因子／细胞因子（CCL2，CXCL1，TNF-α，IL-6 和IL1β）水平，减少中性粒细胞向炎症部位的浸润，并改善HRV 感染所致肺和气道的病理损伤；②吉西他滨：吉西他滨作为肠道病毒71 的新型抑制剂，在体外也具有抗HRV 活性。一项评估吉西他滨对HRV 感染治疗作用的小鼠模型实验表明，鼻内给予吉西他滨可减少TNF-α 和IL-1β 等促炎细胞因子及肺浸润淋巴细胞数量，显着降低肺HRV 载量，其抗病毒活性可能与CTP 合成酶的抑制有关，也许可以把吉西他滨重新定位为抗病毒药物，以抑制HRV 感染；③白藜芦醇：白藜芦醇（3，4′，5-三羟基-反式-二苯乙烯）是一种天然多酚，葡萄、花生、浆果中含量较多，具有抗氧化、抗炎、抗癌、心脏保护和神经保护等作用，通过抑制促炎介质的合成、抑制活化蛋白-1（activating protein-1，AP-1）和NF-κB 及调节丝裂原活化蛋白激酶／血红素氧合酶下调炎症反应，显着降低TNF-α 和hs-CRP 水平。相关研究表明，白藜芦醇可抑制HRV-16 诱导的ICAM-1 的表达，减少ICAM-1 糖基化以抑制HRV 进入细胞，并可以减弱气道重塑相关的纤维化反应、上皮下胶原沉积和黏液分泌、肥大细胞脱颗粒反应，白藜芦醇水性制剂与羧甲基β 葡聚糖（carboxymethyl beta glucan，CMG）组合的鼻喷雾剂可降低儿童呼吸道感染，缓解患儿鼻部症状和呼吸道感染后遗症，白藜芦醇的运用可能是理想的治疗方法，对于治疗HRV 感染和预防并发症可能具有重要意义；④奥马珠单抗：奥马珠单抗是一种抗IgE 人源化单克隆抗体，与IgE 的Cε3区域特异性结合，剂量依赖性降低游离IgE 水平，抑制IgE 与效应细胞（肥大细胞、嗜碱粒细胞）表面的高亲和力受体FcεR I 的结合，减少炎症细胞的激活（如肥大细胞的脱颗粒）和多种炎性介质释放。一项研究表明奥马珠单抗可通过抑制IgE 介导的炎症，减少HRV 感染期间病毒脱落的持续时间和峰值水平，并降低HRV 感染相关疾病的发生频率和严重程度。奥马珠单抗已于2017 年8 月24 日获中国国家食品药品监督管理总局（CFDA）批准上市。

综上所述，HRV 感染在哮喘的发病、急性发作和加重中扮演重要角色，总结HRV 感染导致哮喘发生和恶化的机制，归纳HRV 感染所致的哮喘急性和加重的治疗前沿和研究热点，有助于深入了解HRV 的生物学特点及其致病机制。但是，仍需要进一步的研究，才能充分确定宿主对HRV 感染抗病毒免疫反应的关键方面，并探索出减轻HRV 感染对哮喘进展的方法，为未来哮喘精准治疗提供更多靶点。如调节过敏性气道炎症以确保对疾病的最佳控制，阻断关键炎症途径或增强抗病毒反应等，确定潜在的治疗方法并在合适的模型中进行评估，评价安全性及有效性后充分应用于临床，是控制HRV 感染相关哮喘的关键目标。