免疫衰老与慢性阻塞性肺疾病

林巧梅，袁益明

四川大学华西医院老年医学科，成都 610041

衰老是个复杂的过程，表现为生理结构完整性的逐渐退化，导致机体功能损害和死亡易感性增加[1]。哺乳动物衰老的主要特征包括基因组不稳定、端粒缩短、细胞外基质重塑、表现遗传学改变、细胞通信改变和免疫功能失调等。老年人的免疫系统随着年龄的增长而出现功能障碍，对感染和癌症的易感性增加，疫苗反应性也降低，这种免疫功能的生理性下降被称为“免疫衰老”。免疫衰老及其相关的慢性低度全身性炎症(称为“炎症衰老”)可能导致老年人肺部疾病的发生和发展[2]。本文概述了免疫衰老以及它如何潜在地影响慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)的发生发展。

1 免疫衰老的概念

免疫衰老(immunosenescence)代表一种免疫缺陷状态，其特征是胸腺退化，功能降低，T细胞增殖减少，辅助性T细胞活动减弱，导致体液免疫和细胞免疫反应减弱[3]。在衰老过程中，适应性免疫功能显著下降，而固有免疫似乎被激活，导致一种称为炎症衰老(inflammaging)的促炎状态[4]。老年人通常存在慢性低度炎症、较高感染率及多种慢性病。慢阻肺以持续存在的气流受限和呼吸道症状为特征，吸烟是其最常见的危险因素。慢阻肺的发病率随着年龄增长而增加，65～74岁的患者发病率最高。因此，衰老被认为是其发生的关键因素。正常老年性肺气肿与慢阻肺的区别就在于前者没有肺泡壁的破坏和炎症[5]。炎症是慢阻肺稳定期的主要特征，导致气道和肺结构细胞的激活、改变，以及浸润性炎症细胞的激活和募集[6]。免疫衰老所诱导轻度全身性炎症反应，可能直接参与慢阻肺的发生发展。

2 固有免疫衰老与慢阻肺

固有免疫系统主要由组织屏障、固有免疫细胞和固有免疫分子组成。固有免疫应答是机体对抗入侵病原体的第一道防线，参与固有免疫的细胞如中性粒细胞，单核细胞/巨噬细胞，树突状细胞等，作用广泛，无特异性，缺乏免疫记忆，通过模式识别受体识别病原体相关模式分子而发挥作用，是一切免疫应答的基础。固有免疫系统在衰老过程中的主要特征是基础水平的免疫刺激以及当需要特定功能(如产生自由基)时的免疫麻痹[7]。

气道与外界相通，前者通过黏液纤毛清除系统将病原微生物等异物颗粒排出体外，从而发挥保护作用。有效地将黏液中的细胞碎屑和病原体清除出气道依赖于：黏蛋白和其他黏液蛋白的合成和分泌，气道表面的适当水化，以及纤毛的协调摆动[8]。随着年龄的增长，纤毛功能下降与呼吸道上皮纤毛超微结构缺陷的发生率增加有关。Ho等[9]研究表明，随着年龄增长，纤毛摆动频率减少，鼻腔黏液纤毛清除时间延长，微管缺陷发生率显著增加，包括微管的排列紊乱和额外的微管或单个微管的存在。Grubb等[8]发现与年轻小鼠相比，老年小鼠上呼吸道和下呼吸道的黏液纤毛清除功能都显著降低。老年小鼠离体气管和支气管组织的生物电学特性测定显示氯离子分泌显著减少，提示其维持气道表面充足水分能力降低，影响黏液纤毛清除效率。在老年小鼠的细支气管肺泡灌洗液和离体气管组织中黏蛋白Mucin 5B的水平都降低，黏液纤毛清除功能受到明显抑制，提示老年小鼠Mucin 5B水平降低可能是黏液纤毛清除功能降低的原因之一。由纤毛结构和功能异常引起的黏液纤毛清除功能下降是慢阻肺的一个主要标志。Perotin等[10]发现慢阻肺患者肺组织中29%的纤毛基因表达异常，小气道上皮细胞中16%的纤毛基因表达异常，提示纤毛结构和功能的改变是慢阻肺的一个重要特征。吸烟也损害纤毛结构和功能，增加黏液蛋白的产生，使水合作用减少，黏液黏度增加而清除率下降，黏液浓缩，阻塞气道，成为感染及炎症的病灶[11]，是慢阻肺发病或加重的原因之一。

虽然外周循环中的中性粒细胞数量不随年龄变化，但有证据表明其趋化作用、吞噬功能以及超氧化物生成可能受损[12]。Fulop等[13]证明，相较于其他细胞，中性粒细胞膜的流动性随着年龄的增长而增加，这是由于细胞膜中磷脂含量增加，而胆固醇含量未变。膜流动性增加将影响脂筏的功能。脂筏是磷脂双分子层内流动性相对较低的区域，富含胆固醇和鞘磷脂。脂筏对细胞信号的调节很重要，膜受体的活性受到脂筏相关信号小体中内含子或外显子信号元件的调节[14]。在衰老过程中，膜流动性增加将影响脂筏的形成和完整性，从而影响一系列膜受体的信号传导。随着年龄的增长，中性粒细胞功能缺陷与其特定受体引起的信号减少和细胞膜上脂筏的改变有关[15]。与年轻人相比，老年人的中性粒细胞表现出细胞因子信号转导抑制因子1(SOCS1)和SOCS3(负向调节JAK-STAT信号通路)的基础表达减少，并且对介导细胞因子、趋化因子和活性氧产生的髓样细胞触发性受体1反应减弱。这种异常的信号转导可能与膜脂成分和脂筏的改变导致膜信号域的不恰当定位或滞留有关。随年龄增长，磷脂酰肌醇3-激酶活性增强，损害骨髓来源的中性粒细胞对特定趋化信号的趋化能力。但Kulkarni等[16]发现，在流感病毒感染期间，由于老年小鼠的肺泡上皮细胞分泌更高水平的趋化因子CXCL1和CXCL2，以及肺泡巨噬细胞对中性粒细胞清除率下降，导致中性粒细胞在其肺泡腔中数量比年轻小鼠更高。活化的中性粒细胞在慢阻肺患者的痰和支气管肺泡灌洗液中增加，并与疾病严重程度相关。当痰上清液中髓过氧化物酶和人中性粒细胞载脂蛋白等颗粒蛋白浓度升高时，招募到慢阻肺患者气道内的中性粒细胞被激活。中性粒细胞分泌多种丝氨酸蛋白酶，包括中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶G和蛋白酶3，以及基质金属蛋白酶8和基质金属蛋白酶9，这些蛋白酶可破坏肺泡壁。气道中性粒细胞增多还能导致黏液高分泌，因为中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶G和蛋白酶3是黏膜下腺和杯状细胞分泌黏液的强力刺激因素[17]。

单核细胞来源于骨髓，从血液移行至全身组织器官，成为巨噬细胞。普遍认为外周血中的单核-巨噬细胞数量不随年龄变化，但其杀菌能力、吞噬活性和抗原提呈功能下降。在免疫衰老中的研究多集中在细胞表面或内部Toll样受体(TLRs)表达、炎症细胞因子及趋化因子分泌等方面。TLRs是一个针对病原体高度保守的模式识别受体家族；配体包括来自细菌、分枝杆菌和真菌的脂肽、脂多糖(LPS)、细菌鞭毛蛋白和核酸(双链和单链RNA以及未甲基化的CpG寡核苷酸)[14]。Hearps等[18]发现，与年轻人比较，老年人单核细胞吞噬作用下降，且端粒缩短，细胞内肿瘤坏死因子的基线水平及膜受体TLR4活化水平显著提高，表明衰老与固有免疫的慢性激活和单核细胞功能下降有关。随年龄增长，巨噬细胞抗原提呈能力受损与其主要组织相容性抗原Ⅱ类分子(MHC-Ⅱ)表面表达减少有关。Herrero等[19]发现，由于转录因子与启动子的W盒和X盒的结合减少，干扰素γ(INF-γ)诱导的老年小鼠巨噬细胞MHC-Ⅱ类分子基因的表达受损。Plowden等[20]观察到老年人和老年小鼠的巨噬细胞产生更多的前列腺素E2，抑制了MHC-Ⅱ类分子的表面表达，从而导致其抗原提呈能力下降。单核-巨噬细胞通过分泌多种细胞因子、趋化因子等来应对入侵的病原体与“危险”信号。但衰老对单核-巨噬细胞活化后细胞因子和趋化因子分泌的影响尚不清楚。van Duin等[21]在对154名青年和老年人的分析中，观察到在TLR1/2异源二聚体激动剂刺激下，单核细胞中肿瘤坏死因子α(TNF-α)和白细胞介素6(IL-6)的产生随年龄的增加而减少。老年人单核细胞TLR1/2功能下降，这与TLR1表面表达减少有关。在免疫系统老化的背景下，TLR1/2信号的缺陷可能影响老年人对感染性疾病和疫苗反应的免疫应答。在体外经有丝分裂原激活后，老年人外周血单个核细胞产生促炎细胞因子水平增加，如IL-1、IL-6和TNF-α。慢阻肺患者支气管肺泡灌洗液中巨噬细胞的数量最多，且与疾病严重程度相关。巨噬细胞分泌的TNF-α、IL-8、白三烯B4和活性氧会刺激产生高水平的组织蛋白酶和基质金属蛋白酶，从而破坏肺实质。此外，慢阻肺患者气道巨噬细胞对凋亡细胞的吞噬功能受损，对已招募的炎症细胞清除减少，导致持续的抗原刺激和炎症反应[22]。

树突状细胞(DC)起源自骨髓多能造血干细胞，根据分化途径可分为2种亚型，即髓样DC(MDC)和浆细胞样DC(PDC)。DC是机体功能最强的专职抗原递呈细胞，它能高效地摄取、加工处理和递呈抗原，是连接固有免疫和适应性免疫反应的桥梁。DC的数量和表型不随年龄增长而变化，但其功能在衰老过程中部分受到损害。Agrawal等[23]在所研究的人群中发现，老年人和年轻人的MDC和PDC的数量和表型是相似的。但老年人DC吞噬和迁移功能较年轻人下降。磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)信号通路在DC吞噬和迁移过程中起正向调节作用，同时也通过诱导p38MAPK的激活来负向调节TLR信号。老年人DC中丝氨酸/苏氨酸激酶磷酸化水平降低，间接提示PI3K信号通路激活减少，这可能解释了老年人DC功能异常的原因。虽然老年组和青年组MDC的TLR4水平相似，但在LPS刺激下，老年组MDC TNF-α、IL-6分泌水平较青年组高，这可能是由于TLRs下游细胞内信号的改变所致。气道内未成熟的DC与上皮细胞相邻，延伸胞浆突起以摄取气道腔内抗原并逐渐分化成熟。DC在成熟过程中迁移到局部淋巴组织，如区域淋巴结或黏膜淋巴集合体，将处理后的抗原呈递给淋巴细胞，启动对病原体的适应性免疫反应[12]。DC的吞噬作用可分为2种：一种是感知和摄取入侵病原体，启动适应性免疫反应；另一种是吞噬自身抗原，如凋亡细胞，是维持外周自身免疫耐受的关键。随年龄增长，DC的吞噬和迁移功能受损，无法刺激幼稚CD4+T细胞对新抗原产生有效的适应性免疫反应，不仅会导致病原体的清除减少，而且会引起与衰老相关的外周自我耐受性丧失和慢性炎症[24]。

3 适应性免疫衰老与慢阻肺

适应性免疫应答是指体内抗原特异性T/B淋巴细胞接受抗原刺激后，自身活化、增殖、分化为效应细胞，产生一系列生物学效应的全过程。免疫应答的重要生物学意义是通过识别自身和非己，有效排除体内抗原性异物，以保持机体内环境的相对稳定。适应性免疫系统发挥作用的两个关键武器为：幼稚淋巴细胞和记忆淋巴细胞。前者确保机体对任何外来入侵的抗原产生特异性免疫反应，而后者则对再次入侵的抗原做出更快、更强的反应。

与年龄相关的胸腺退化、萎缩与T细胞免疫功能的受损直接相关；退化始于青春期，在T细胞免疫开始下降之前。增龄相关的胸腺退化与老年人胸腺组织中营养细胞因子(如IL-7)的缺乏有关。当胸腺随着年龄增长而退化，幼稚的T细胞和B细胞会消失，端粒也会变短，从而降低对新抗原的反应。CD4+/CD8+比值降低，共刺激分子CD28丢失，CD4+CD28-、CD8+CD28-细胞增加，降低了免疫和疫苗反应[25]。Hodge等[26]发现，慢阻肺患者外周血中CD8+/CD28-T细胞明显升高，产生高水平的促炎细胞因子IFN-γ，以及细胞毒介质颗粒酶b和穿孔素，与从大气道到肺泡壁的整个肺部的损伤有关。组蛋白乙酰转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)分别是上调和下调促炎基因转录的酶。糖皮质激素需要HDAC2来关闭激活的炎症基因。在慢阻肺患者中肺巨噬细胞、CD8+CD28-T细胞HDAC2表达减少，对皮质类固醇容易产生抵抗。慢阻肺患者痰中Th17/Treg细胞的比例升高。Th17细胞表达IL-17，通过刺激气道上皮细胞产生中性粒细胞趋化介质如CXCL-1、CXCL-8和IL-6，促进气道炎症反应。Th17和Treg细胞之间的失衡可能是慢阻肺气道慢性炎症反应原因之一[27]。

有几种机制可以解释老年人B细胞数量减少。在衰老过程中，由于转录因子E1、转录因子E47的表达和活性降低，以及祖B细胞向前B细胞转化所需的重组激活基因的表达和活性降低，前B细胞数量减少。此外，与年轻小鼠相比，老年小鼠的骨髓基质细胞释放更少的IL-7，导致体外淋巴细胞生成减少[28]。随着年龄的增长，由于B细胞增殖能力下降，幼稚B细胞减少，记忆B细胞增加，B细胞活性下降和表面Ig/B细胞受体亲和力和信号的缺陷，导致对新抗原的反应能力降低，主要表现为抗体反应降低，高亲和力抗体产生减少[29-30]。记忆性和幼稚B细胞可以产生不同的细胞因子和趋化因子，特别是记忆B细胞能产生高水平的促炎细胞因子IL-1α、IL-1β、IL-6和TNF-α，这提示B细胞可能参与老年人炎症环境的产生或维持[30-31]。免疫衰老诱导Th1细胞因子向Th2细胞因子转变，Th2细胞因子的过度产生可能会加剧B细胞介导的自身免疫性疾病[2,32]。

4 结论

衰老与慢性阻塞性肺疾病存在多个相同机制。因此，人们可以合理地推测衰老和慢阻肺之间可能存在因果关系。慢阻肺可被认为是一种“加速衰老”的表型，但同时衰老也可能导致慢阻肺的变化。而衰老过程中出现的免疫功能失调可能是巩固这一关系的关键。在衰老过程中，上皮屏障功能降低、纤毛结构和功能异常，肺泡巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞功能降低，T/B淋巴细胞从头生成减少，幼稚淋巴细胞比例下降，记忆淋巴细胞比例升高，抗原识别谱系的多样性显著减少，机体对新抗原的反应能力受损，使老年人中代谢性疾病和自身免疫性疾病、癌症和神经系统疾病发病率逐渐增加，对疫苗反应力降低，发生严重感染的易感性增加。然而，尽管衰老和慢阻肺之间存在显著的分子相似性和相关性，但如果没有明确的流行病学数据来描述老年人群中慢阻肺的流行模式，就很难推断或得出因果关系。