气道上皮细胞在过敏性哮喘固有免疫应答中的作用研究进展

李为强 郑晔 姜晓峰 （哈尔滨医科大学附属第四医院检验科，哈尔滨 150001）

过敏性哮喘是一种常见的慢性呼吸道疾病， 流行病学调查发现，全球有3亿多人患有过敏性哮喘［1］。过敏性哮喘主要是由2型辅助性T细胞（type 2 T helper cells，Th2）介导的一种异质性疾病，典型病理特征是炎症细胞浸润、黏液分泌增加以及气道壁增厚，其发病机制涉及复杂的固有免疫和适应性免疫过程［2］。过敏性哮喘的固有免疫应答是气道炎症的起始阶段，也是引发适应性免疫应答的前提［3-4］，而目前对于过敏性哮喘的研究和治疗多集中于适应性免疫应答，尤其是针对Th2型炎症的研究，治疗策略包括传统的糖皮质激素和支气管扩张剂，以及新兴的Th2型炎症因子的单克隆抗体等药物，但这些药物并没有干预过敏的起始阶段，而且对不同过敏性哮喘患者的治疗效果也不同，无法起到根治过敏性哮喘反复发作的作用［5］。AEC的基本结构包括具有纤毛结构的纤毛细胞、具有分化修复功能的基底细胞、具有分泌功能的Club细胞（过去称为clara细胞）和杯状细胞以及少量的刷细胞和神经内分泌细胞，AEC间存在紧密连接等结构，可形成物理屏障并维持细胞的极性［6］。AEC在调节过敏性哮喘的固有免疫应答中最为重要，因为AEC除了具有调节水和离子的转运以及利用纤毛、黏液清除外源物质的屏障功能外，还能启动多种固有免疫途径来激活适应性免疫细胞，最终影响肺部的微环境，导致过敏性哮喘的发生［7］。过敏性哮喘时AEC的典型病理特征为Club细胞和纤毛细胞向杯状细胞分化、杯状细胞增生和肥大，黏液分泌增加，并且由于AEC的紧密连接结构和纤毛结构遭到破坏，AEC间连接松散且结构不完整［8］。因此，本文将介绍AEC在过敏性哮喘固有免疫应答中的具体作用和针对AEC固有免疫功能的药物，旨在为研究过敏性哮喘的发病机制和研发新型药物提供帮助，为过敏性哮喘患者带来福音。

1 AEC在过敏性哮喘固有免疫应答中的作用网络

气道结构细胞和多种固有免疫细胞及其分泌的生物活性因子之间复杂的相互作用共同组成了过敏性哮喘中的固有免疫应答（图1）。空气中的花粉、微生物和食物中的牛奶、海鲜等过敏原均会诱发过敏性哮喘，正常情况下AEC会利用纤毛和分泌的黏液清除过敏原，AEC间的紧密连接结构也会拦截过敏原防止其进入气道内环境［19］。但过敏原中酶类成分或表达病原体相关模式分子（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）的微生物会活化和损伤AEC，此时AEC的屏障功能受损，使得树突状细胞（dendritic cell，DC）能直接接触过敏原并转运至淋巴结的T细胞区，引发强烈的Th2反应［20］。活化后的AEC会分泌更多的黏液和抗菌肽来维持气道内环境的稳定，与此同时，AEC会分泌固有免疫因子来募集活化多种固有免疫细胞，通过启动气道内炎症对抗过敏原和病原体，这些固有免疫细胞包括DC、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、巨噬细胞、肥大细胞、2型固有样淋巴细胞（group 2 innate lymphoid cells，ILC2s）和自然杀伤性T细胞（nature killer T cell，NKT）等［7］。这些固有免疫细胞对过敏性哮喘的作用十分广泛，如气道内嗜酸性粒细胞的浸润被认为是过敏性哮喘的典型特征；肥大细胞通过免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）依赖性或非依赖性机制释放组胺、蛋白酶、白三烯、趋化因子；嗜碱性粒细胞和ILC2s能直接分泌IL-4、IL-13等Th2型因子；DC和NKT细胞能直接对Th2细胞起作用，除此之外，这些固有免疫细胞之间还能通过分泌细胞因子相互作用，这一系列反应最终会导致过敏性哮喘的气道内Th2型炎症、黏液增加、气道高反应性等［9-13］。总之，AEC不仅可以作为气道的结构细胞起到防御屏障的作用，还能通过分泌固有免疫因子募集上述固有免疫细胞导致气道炎症，这种炎症过程将导致更多的促炎细胞因子或趋化因子的产生，当这些因子失衡时就会导致过敏性哮喘的发生。

2 AEC调节过敏性哮喘固有免疫应答的途径

2.1 分泌抗微生物物质 在微生物进入气道激活适应性免疫应答之前，AEC可分泌黏蛋白、类花生酸、溶菌酶、补体和防御素等抗微生物物质参与固有免疫应答，又称为“化学屏障”，这种化学屏障能够调节过敏性哮喘的炎症反应。黏蛋白能够拦截、清除入侵的微生物，但黏蛋白的过度分泌会影响支气管的通气功能从而加重哮喘症状，CHO等［21］实验发现过敏性哮喘患者的AEC暴露于过敏原后更容易产生黏蛋白。AEC能分泌β-防御素防止多种呼吸道病毒进入气道而加重哮喘症状，但过高的β-防御素水平可能会引发炎症细胞在气道内聚集，导致肺损伤和气道的结构破坏，这反而会加重过敏性哮喘的症状［22］。AEC在受到过敏原刺激时会分泌类花生酸，包括前列腺素类、白三烯类，这些化学物质通过影响气道炎症、支气管收缩、黏液分泌参与过敏性哮喘的发病过程［4］。在微生物的刺激下AEC还能分泌补体C3（complement 3，C3）和C5，它能够增强抗体和巨噬细胞的活性，在气道的防御机制中起着至关重要的作用，研究发现C3水平和过敏性哮喘的严重程度之间存在正相关关系［23-24］。可以看出，AEC的化学屏障在抵抗微生物侵害的同时也会促进过敏性哮喘的发生，因此通过调节AEC的化学屏障功能可以影响过敏性哮喘的发病进程。

2.2 表达模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR） PRR是许多固有免疫细胞启动固有免疫应答的关键，然而AEC也可以表达PRR，并通过PRR参与过敏性哮喘的固有免疫应答。这些PRR包括Toll样受体（Toll like receptors，TLRs）、C型凝集素受体（C-type lectin receptors，CLRs）、NOD样受体（NOD like receptors，NLRs）等。TLRs属于转膜蛋白受体家族成员，广泛表达于固有免疫细胞膜和内体膜上，AEC可利用表达TLRs识别病原体表面相关模式分子率先启动固有免疫应答对抗病原体［25］。AEC表达的TLRs在过敏性哮喘的发病机制中扮演着双重角色。一方面，当多种病毒、过敏原与AEC上TLRs结合后，可直接诱导AEC发生胞内氧化应激反应，导致气道重塑［26］。另一方面，SHALABY等［27］发现激活AEC中TLR4-β干扰素TIR结构域衔接蛋白（TIR domain-containing adaptor inducing interferon-β，TRIF）通路可以缓解以Th2型免疫应答为主的过敏性哮喘。AEC表达的TLRs在过敏性哮喘中的双重作用，可能归因于过敏原的种类以及TLRs亚型在AEC中的表达量。CLRs家族中的甘露糖受体（mannose receptor，MR）和C型凝集素受体1（dendritic cell-associated C-type lectin-1，Dectin-1）可与细菌、真菌、屋尘螨等过敏原表面的PAMPs结合，介导固有免疫应答从而引发后续的过敏性反应［28］。MICHAEL等［29］通过胶体金衔接甘露糖的形式观察到AEC可以利用网格蛋白介导对甘露糖的内吞，并证实了AEC表达甘露糖受体。NATHAN等［30］发现屋尘螨的β-葡聚糖结构可以与AEC表面的Dectin-1受体特异性结合，并促进AEC分泌趋化因子配体20（C-C motif chemokine ligand 20，CCL20），CCL20能够募集活化DC，DC再诱导初始T细胞向Th2细胞分化，这可能是屋尘螨诱导过敏性哮喘的原因之一。NOD样受体，即核苷酸结合寡聚域样受体，其家族成员包括NOD1、NOD2、NOD样受体蛋白3（NODlike receptor protein 3，NLRP3）等，UEHARA等［31］通过免疫荧光染色实验证实了肺及呼吸道内多种上皮细胞表达NOD1和NOD2。统计分析表明，NOD1的mRNA和蛋白表达水平在过敏性哮喘儿童中明显升高，而且也表明过敏性哮喘患者与NOD2的基因多态性有关［32］。所以，AEC表达的PRR在识别病原体和过敏原的同时也会导致自身的活化，活化后的AEC可以调节过敏性哮喘中的固有免疫应答。

2.3 分泌固有免疫因子 AEC暴露于有害环境如过敏原（部分含蛋白水解酶活性）、病毒感染或空气污染物后，会释放IL-25、IL-33、胸腺基质淋巴细胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）、集落刺激因子-1（colony-stimulating factor 1，CSF-1）等固有免疫因子参与气道炎症［33］。IL-25一方面可以作用于固有免疫细胞如经典树突状细胞（classical dendritic cell，cDC）、浆细胞样树突状细胞（plasmacytoid dendritic cell，pDC）、NKT细胞、ILC2s， 另一方面，IL-25可直接作用于适应性免疫细胞如CD4+T细胞，这些炎症细胞激活后可释放Th2型细胞因子，引发过敏性哮喘［34-36］。IL-33属于IL-1细胞因子家族成员，在内皮细胞和上皮细胞细胞核中大量表达，环境中过敏原的蛋白酶能够修饰并促进IL-33的成熟，成熟后的IL-33可诱导气道炎症［37］。IL-33诱导气道炎症的方式主要通过募集嗜酸性粒细胞、肥大细胞、嗜碱性粒细胞和ILC2s，这些炎症细胞可表达生长刺激表达基因2蛋白（growth stimulation expressed gene 2，ST2）［38-40］。另外，全基因组关联分析研究发现，编码IL-33及其受体ST2基因的单核苷酸多态性与多种形式的过敏性哮喘有关［41］。TSLP属于IL-2细胞因子家族成员，当外源物质刺激肺及小肠上皮细胞时可大量产生，它能促进DC的成熟并诱导肥大细胞、嗜酸性粒细胞和ILC2s活化，推动过敏性哮喘的发生［42］。MOON等［43］发现空气中的过敏物质会刺激AEC产生可以直接作用于DC的CSF1，同时也证明了过敏原反应性IgE的产生依赖上皮源性的CSF1。AEC受到屋尘螨刺激后还会释放CCL20和转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGFβ），抑制AEC分泌TGF-β会缓解气道ILC2s的聚集和IL-13的分泌［30，44］。总之，AEC分泌的固有免疫因子可以募集多种炎症细胞导致气道炎症。

2.4 参与固有免疫记忆 与适应性免疫通过基因重排形成的免疫记忆不同，固有免疫记忆的形成主要是通过固有免疫细胞的表观遗传重编程，如组蛋白修饰、miRNA修饰、DNA甲基化等［45］。以往对固有免疫记忆的研究多集中于免疫细胞，最新研究发现，上皮细胞也存在固有免疫记忆［46］。BIGOT等［47］参照证明单核细胞具有固有免疫记忆的方法，首次证实了AEC具有固有免疫记忆，这种免疫记忆源于表观遗传的修饰。CHAND等［48］发现初次用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激AEC后，AEC通过持续表达TLR4和表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）也表现出固有免疫记忆，当再次接触LPS时气道表现出AEC的增生和产生黏液增加。AEC还与具有固有免疫记忆的免疫细胞建立联系，这也是AEC参与固有免疫记忆的方式。例如，MARTINEZ-GONZALEZ等［49］发现ILC2s虽然不能直接被过敏原激活，但是可被过敏原刺激AEC后产生的IL-33激活，IL-33激活后的ILC2s表现出与记忆T细胞相似的基因表达特征，也表现出抗原非特异性的记忆样特征，能够更容易诱发过敏反应，同时解释了过敏性哮喘患者为什么会对多种过敏原致敏。AEC参与的固有免疫记忆，可能是气道过敏反应阈值降低的原因。

3 针对AEC固有免疫功能的靶向治疗药物

目前针对气道Th2型炎症反应的生物制剂如Mepolizumab、Lebrikizumab等为患有严重和类固醇耐药性的过敏性哮喘患者提供了治疗方案［5］。然而，这些生物制剂仅针对炎症级联反应末端的效应分子，并没有治愈疾病的能力。AEC参与的固有免疫应答是过敏性哮喘炎症反应的开端，针对AEC对炎症级联反应中上游进行干预，不仅能够抑制下游效应物反应，而且能够将这些反应导向更具耐受性的状态。现阐述几种针对AEC固有免疫功能的靶向治疗药物。

TLR配体佐剂是细菌衍生的化合物，可与过敏原结合并诱导Th1型炎症反应，从而减弱Th2型炎症反应。例如，Pollinex Quattro （PQ），它将花粉过敏原与AEC上LPS的无毒变体TLR4配体单磷酰脂质A（monophosphoryl lipid A，MPLA）结合在一起从而减少过敏反应，临床试验证实这种药物具有不良反应少、临床疗效明显的特点［14］。抗病毒的药物如Inarigivir soproxil和PUL-042也能够用于治疗过敏性哮喘，二者分别是NOD2和TLR6的激动剂，主要通过提高机体的抗病毒能力减缓过敏性哮喘的加剧［15］。应用补体C5的单克隆抗体Eculizumab也能降低气道的炎症反应，达到缓解过敏性哮喘症状的目的［16］。也有针对AEC分泌的固有免疫因子的靶向治疗药物。例如，Tezepelumab是一种人IgG2单克隆抗体，通过抑制TSLP的活性阻止免疫细胞释放炎症细胞因子，可以与糖皮质激素联合使用，从而改善哮喘炎症状态、防止哮喘恶化［17］。靶向IL-33的单克隆抗体Etokimab（曾用名ANB020）及其受体ST2的单克隆抗体MSTT1041A都已经进入Ⅱ期临床试验，并且已经证实能显著降低过敏性炎症，未来可能用于治疗难以控制的过敏性哮喘［18］。由此可以看出，针对AEC固有免疫功能的靶向治疗药物已被广泛研究，在临床试验中也取得了很好的疗效。

4 小结与展望

综上所述，AEC在气道固有免疫应答的启动、维持和调节中起到重要作用，AEC通过调节气道固有免疫应答参与过敏性哮喘的发生，参与的方式包括产生“化学屏障”、表达模式识别受体、分泌多种固有免疫因子、参与固有免疫记忆的形成等，最终活化适应性免疫细胞引发过敏性哮喘。虽然针对AEC固有免疫功能的靶向治疗药物得到了迅速发展，但大多数药物仍处在临床试验阶段，未来还需要大量的实验论证才能应用到临床，这些药物的使用将会为过敏性哮喘的治疗提供更多策略。