气道上皮细胞在气道慢性炎性疾病中的研究进展

周方伟综述 许昱审校

气道慢性炎性疾病是一种在内外界刺激因素作用下由气道上皮细胞、炎性细胞和炎性因子参与的非特异性炎性反应性疾病[1]。气道慢性炎性疾病作为呼吸系统不适的常见病因，不仅对患者的生活质量产生了重大影响，也给患者带来了巨大经济负担。其中具有代表性的是慢性鼻窦炎、变应性鼻炎、哮喘和慢性阻塞性肺疾病。随着年龄的增长、烟草消费的提高、城市化和工业化的发展和空气污染加重，气道慢性炎性疾病的发病率逐年上升[2]。气道上皮细胞是气道的结构细胞，不仅具有屏障防御功能，还能在应激状态下分泌炎性介质并和炎性细胞、抗原递呈细胞相互作用，从而发挥免疫功能。近年来的研究也证实了气道上皮细胞在气道慢性炎性疾病的发生、发展中起到了重要作用[3]。本文旨在综述近年来气道上皮细胞在气道慢性炎性疾病中的研究进展，为临床诊断和治疗提供理论依据。

1 气道上皮细胞概述

1.1 气道上皮细胞结构 气道上皮细胞构成了气道黏膜表面的保护屏障，由纤毛细胞、柱状细胞、杯状细胞、Clara细胞和基底细胞等多种类型构成[4]。气道上皮细胞中也存在较少见的细胞类型，其中神经内分泌细胞最受关注。这些细胞共同形成一层纤毛黏液毯覆盖于气道表面，这对于气道抵御各种吸入性变应原和病原体起到重要作用。气道不同部位的上皮类型也有较大差异，大气道上皮呈假复层状，小气道上皮呈柱状和立方状[5]。在正常成年人气道中，从细支气管、终末细支气管开始的远端下呼吸道，气道上皮逐渐由假复层纤毛柱状变为了单层柱状、单层立方上皮。Clara细胞和基底细胞逐渐增多,杯状细胞逐渐减少，纤毛细胞已不存在。气道上皮细胞附着于基底膜上，通过结缔组织的网状层相互支撑。

1.2 气道上皮细胞的功能

1.2.1 屏障防御功能：气道表面由连续的气道上皮细胞覆盖，通过顶端紧密连接、粘着连接和半桥粒形成一个强大的复合体屏障抵挡外界的异物[3]。气道上皮细胞可以通过多种机制维持屏障的完整性。气道上皮中的复合体不仅可以调节细胞旁通路中离子和小分子的流通量，还能建立细胞极性和触发细胞的增殖、分化功能，使上皮细胞具有较强的修复能力[6]。此外，气道上皮细胞还可以通过分泌蛋白酶抑制剂来保护气道免受蛋白酶引起的病理损伤。分泌性白细胞蛋白酶抑制剂(SLPI)是一种由气道上皮细胞分泌的丝氨酸蛋白酶抑制剂，对胰蛋白酶、中性粒细胞弹性蛋白酶和肥大细胞糜蛋白酶具有活性。据报道，严重哮喘患者气道上皮中出现SLPI基因表达缺失[7]。

1.2.2 黏液纤毛清除功能：气道上皮并不是一个被动的防御屏障，而是一个在宿主防御中发挥积极作用的免疫器官。气道上皮细胞识别异物后，会增加黏液的分泌和纤毛的摆动频率。纤毛细胞通过规律的摆动将气道分泌的黏液向咽部推移，将大部分吸入性变应原、病原体、粉尘等物质清除体外。当出现气道慢性炎性疾病时，黏液纤毛清除功能也出现减退。研究发现，变应性鼻炎小鼠鼻黏膜纤毛面积较少且排列紊乱[8]。慢性鼻窦炎患者和哮喘患者气道上皮的纤毛也出现结构异常、摆动频率下降[9]。

1.2.3 先天性免疫功能：气道上皮细胞具有活跃的先天性免疫功能，可以分泌多种细胞因子激活免疫细胞和招募炎性细胞。其中，最重要的是胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP)、白介素-25(IL-25)、IL-33、粒细胞—巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)和嗜酸性粒细胞趋化因子(Eotaxin)。TSLP和IL-25可以激活树突状细胞(DCs)，启动Th2型细胞应答[10]。IL-33能与巨噬细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞和CD4+T细胞等免疫细胞表面的ST2受体相结合，促进这些细胞释放大量的趋化因子和Th2型细胞因子[11]。GM-CSF可刺激造血干细胞向粒细胞和单核细胞分化，支持嗜酸性粒细胞存活[12]。Eotaxin是CC趋化因子家族的一个成员，可以将Th2细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞和肥大细胞招募到炎性反应部位发挥效应[13]。因此,可以认为气道上皮是呼吸系统的炎性反应中心。

1.3 气道上皮细胞与外界环境因素 近年来的研究发现，气道上皮细胞的结构和功能受外界环境因素的影响[14-16]。香烟已经被证实了可以破坏气道上皮细胞的连接蛋白和跨膜电阻抗，还会导致鼻息肉的重构[17]。变应性鼻炎已被证明不仅与空气中的变应原有关，还与烟草烟雾、微生物和空气污染物密切相关。此外，高水平空气污染物暴露的受试者和慢性鼻窦炎患者的鼻分泌物和血浆中Clara细胞蛋白的水平明显降低[18]。还有研究表明慢性鼻窦炎与重金属暴露有一定相关性[14]。在慢性鼻窦炎的发展过程中，某些共生生物可能发挥保护机体的作用,提供代谢物改善黏膜健康和防止病原体定植黏膜。微生物群落失调是慢性鼻窦炎最重要的驱动因素之一,肠道菌群的失调还可能引发变应性鼻炎和慢性鼻窦炎[19]。

2 气道上皮细胞与气道慢性炎性疾病

2.1 慢性鼻窦炎 慢性鼻窦炎是指发生在鼻腔、鼻窦黏膜及黏膜下层持续时间在12周以上的慢性炎性疾病[20]。慢性鼻窦炎的主要症状是鼻塞、黏脓涕、头面部胀痛和嗅觉减退等。目前，慢性鼻窦炎的病因和发病机制仍有争议，传统观点认为是由气道上皮屏障功能的破坏、纤毛黏液功能的降低及上皮衍生的炎性反应引起[21]。在慢性鼻窦炎中，气道上皮细胞长期受以IL-4、IL-5和IL-13为代表的Th2型细胞因子的刺激，其屏障受损和通透性改变，也使得外来物质易侵入下层黏膜。此外，这些细胞因子不仅会导致纤毛生成蛋白的减少，还会引起聚合胶体黏蛋白(如MUC5AC和MUC5B)增多，纤毛的自主摆动频率降低。在上皮屏障功能降低的情况下，上皮细胞会产生炎性细胞因子如TSLP、IL-25和IL-33，从而使先天性免疫细胞被激活并产生大量的Th2型细胞因子，进一步导致大量嗜酸性粒细胞聚集和Th2炎性反应。在慢性鼻窦炎中，气道上皮细胞受损后会通过上皮向间质转化进行修复，上皮表型向间质细胞发生快速且通常可逆的转化。在上皮—间质转化过程中，上皮细胞失去细胞的极性和黏附而出现迁移[22]。在慢性鼻窦炎中，气道上皮会出现一定程度的气道重构，包括杯状细胞增生、纤维化、基底膜增厚和息肉形成等。

2.2 变应性鼻炎 变应性鼻炎是一种机体暴露于变应原后由IgE介导的鼻黏膜非感染性慢性炎性疾病，典型症状为阵发性喷嚏、清水样涕、鼻塞和鼻痒，可伴有眼部症状，包括眼痒、眼红、流泪等。变应原可通过蛋白水解酶破坏气道上皮细胞间的连接、释放炎性因子、下调黏连蛋白的表达和直接损伤细胞等多种途径造成上皮细胞物理屏障功能破坏，引起机体对变应原的易感性增加[23]。据报道，某些呼吸道病毒可诱导Th2型细胞因子分泌，这是引起变应性炎性反应发生或加重的重要因素[24]。气道上皮细胞的黏液纤毛清除功能可将大部分吸入性变应原、病原体和粉尘排除体外，显著降低了变应性鼻炎的发生率。气道上皮结构完整性的破坏会导致变应原能轻易地穿过气道上皮黏膜层，并与黏膜下层的免疫细胞相互接触，随后触发免疫应答反应[25]。气道上皮细胞衍生的细胞因子TSLP、IL-25、IL-33和GM-CSF等细胞因子可抑制DCs表达Th1型细胞因子,同时促进Th2型细胞因子的表达。此外，单核细胞会在气道上皮细胞分泌的细胞因子、趋化因子和炎性介质的共同作用下分化成为成熟的DCs并携带变应原进入淋巴结，随后刺激淋巴结内的Th0细胞向Th2细胞分化，抑制其向Th1细胞方向分化，最终导致Th1/Th2失衡[26]。

2.3 哮喘 哮喘是一种由多种细胞参与的气道慢性炎性疾病，其主要临床表现是反复出现的可逆性喘息、咳嗽及气道黏液分泌过多。气道上皮的结构完整性缺陷或功能紊乱是哮喘的启动环节[27]。由于各种体内、体外因素不断刺激气道上皮，引起气道上皮结构的破坏。气道上皮细胞会释放多种细胞因子、趋化因子和炎性介质，参与哮喘气道炎性反应、气道重塑及气道高反应的过程。气道重塑是呼吸道受到慢性炎性反应反复刺激的结果，也是诱发哮喘气道高反应性(AHR)的主要原因。多种炎性细胞和细胞因子的参与、气道上皮的损伤和上皮下神经末梢及气道平滑肌的裸露等因素导致了AHR的发生，其主要表现为气道对各种刺激因子出现过早或过强的收缩反应，且与哮喘的严重程度密切相关[28]。越来越多的研究证实，气道上皮细胞的先天性免疫功能在哮喘的发生、发展中也起到至关重要的作用。气道上皮细胞分泌的细胞因子可以直接激活2型天然淋巴细胞(ILC2)，促进并放大Th2型免疫反应[29]。与变应性鼻炎相似的是，Th2类细胞因子在哮喘的发病过程中也起到了关键作用。其中，最重要的是由Th2细胞、巨噬细胞和ILC2等产生的IL-13。IL-13可以与气道广泛分部的IL-13受体结合，活化一系列转录因子，激活多种细胞信号传导通路，导致气道上皮黏液细胞化生及气道重塑,并因黏液产生过量而加重气道阻塞。

2.4 慢性阻塞性肺疾病 慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的慢性呼吸疾病，以持续气流受限为主要特征。COPD主要是由于吸烟、空气污染、感染、遗传等多种原因引起气道狭窄或肺气肿等结构改变[30-32]。气道上皮细胞在COPD中发挥重要调控作用，其结构完整性的破坏或功能紊乱是COPD的启动环节。当发生COPD后，上皮纤毛细胞会出现纤毛粘连、变短、倒伏和数量减少，而分布于纤毛细胞间的杯状细胞出现增多，并分泌大量黏液黏附气道中的异物颗粒。气道上皮细胞形态和功能的改变在COPD早期即可出现。气道上皮细胞会分泌多种炎性介质、细胞因子和趋化因子，调控COPD慢性炎性反应。在COPD中，IL-6、IL-8和GM-CSF会诱导炎性细胞向气道迁移和浸润，并释放一系列的活性产物引起机体的局部炎性反应[33]。IL-33不仅可以募集和激活中性粒细胞加重局部炎性反应，还可以导致气道上皮细胞及腺体细胞的肥大，引起黏液的过度分泌。TGF-β1可以通过改变胞外基质的组成及气道平滑肌等结构，进一步调控气道的重构。表皮生长因子(EGF)可以刺激气道平滑肌的增殖和修复。此外，气道上皮细胞还在COPD中发挥先天性免疫功能。当微生物突破气道物理屏障后，气道上皮细胞通过先天性免疫受体(如Toll样受体、NOD样受体)快速识别这些微生物并产生免疫细胞应答，起到抵御微生物感染的作用[34]。气道上皮细胞还可以通过控制Th2驱动因子的表达来调节后续的炎性反应，而Th2型免疫细胞会再次反馈给上皮细胞构建新的更加持续、增大的免疫反应。

3 小结与展望

综上所述，呼吸道上皮细胞在气道慢性炎性疾病的发生、发展中起着重要作用。呼吸道上皮细胞具有屏障防御功能、黏液纤毛清除功能及先天性免疫功能，且可受到外界环境因素的影响。当气道上皮细胞的结构和功能出现异常时，会导致免疫系统的激活、气道高反应性及气道重塑。以气道上皮细胞为靶点的研究在气道慢性炎性疾病的机制中具有重要意义，也为疾病的治疗提供可靠的科学依据。