慢性阻塞性肺疾病炎癥機制研究進展

周 復綜述，羅治海審校

（重慶市巴南區人民醫院呼吸科401320）

慢性阻塞性肺疾病炎癥機制研究進展

周 復綜述，羅治海審校

（重慶市巴南區人民醫院呼吸科401320）

肺疾病，慢性阻塞性； 炎癥； 細胞因子； 綜述

慢性阻塞性肺疾病（COPD）在世界范圍內患病率及病死率都日漸增高，給經濟和社會帶來了巨大的負擔，全球疾病負擔研究項目（GBDS）和世界衛生組織（WHO）預測，到2020年，COPD將成為世界第三大死亡原因和第五大世界經濟負擔。COPD全球倡議（GOLD，updated 2014）對COPD的定義是：COPD是一種普遍可以預防和治療的疾病，以持續性的氣流受限為特征，通常呈進行性發展與呼吸道和肺對有害顆粒（或氣體）的慢性炎性反應增強有關[1]。COPD發病機制仍不清楚，目前公認的機制包括炎性反應機制、氧化/抗氧化失衡、蛋白酶/抗蛋白酶失衡機制等，其中炎性反應機制被認為是最重要的。本文對COPD炎癥致病機制中較重要的炎癥細胞和炎癥介質進展進行綜述。

1 COPD與炎性反應

炎癥機制認為，有害氣體或顆粒中以煙草危害最為常見，進入呼吸道后引起機體局部炎癥級聯反應，分泌各種細胞因子和趨化因子，激活炎癥細胞（包括巨噬細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、中性粒細胞等）和結構細胞（包括上皮細胞、內皮細胞和成纖維細胞等），釋放出各種炎癥介質和酶類破壞正常呼吸道結構，反復炎癥導致COPD臨床癥狀出現，尤以肺氣腫和慢性支氣管炎為主。如圖1所示，巨噬細胞在COPD發病機制起中心作用，當煙草或其他有害顆粒被吸入氣道后刺激巨噬細胞釋放各種炎癥介質，啟動COPD發生；中性粒細胞可能被趨化因子生長調節基因1（CXCL-1）、CXCL-8、白介素-8（IL-8）、白三烯B4（LTB4）等趨化物質吸引，進一步放大炎性反應；蛋白酶[基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）、MMP-9、MMP-12、中性粒細胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶G、蛋白酶3、MMP-8、組織蛋白酶-K、組織蛋白酶-L和組織蛋白酶-S等]和CD8+淋巴細胞共同作用導致正常呼吸道結構破壞和黏液高分泌，出現肺氣腫型和支氣管炎型臨床表現；轉化生化因子-β（TGF-β）的釋放可能誘導小氣道纖維化。

2 炎癥細胞與炎癥介質

2.1 炎癥細胞

2.1.1 上皮細胞 被激活的上皮細胞產生的炎癥介質，包括腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-1β、IL-6、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）、IL-8、TGF-β、血管內皮生長因子（VEGF）及IL-33等。IL-33水平在COPD患者血清及外周血淋巴細胞均有升高，煙草提取物和脂多糖刺激都能提高淋巴細胞和支氣管上皮細胞表達IL-33的能力，免疫熒光證實肺組織的IL-33主要來自支氣管上皮細胞[2]。VEGF能夠維持正常肺泡結構的完整性，小鼠模型研究結果顯示，阻斷VEGF受體能夠誘導細胞的凋亡和肺氣腫樣改變[3]。

圖1 COPD的炎癥機制

2.1.2 巨噬細胞 在COPD發生進展中，巨噬細胞是最重要的細胞之一，尤其在慢性炎癥的啟動階段具有決定性作用，也是研制COPD抗感染治療藥物的主要靶細胞。巨噬細胞不僅在COPD患者的痰、支氣管肺泡灌洗液、氣管和肺實質細胞中明顯增多，而且在破壞的肺泡中也出現聚集[4]。吸入有害物質后，巨噬細胞在氣管內和肺組織內發生聚集，激活后釋放TNF-α、IL-1、IL-8、單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）、LTB4、活性氧（ROS）；而肺泡中的巨噬細胞還會分泌一些彈性蛋白水解酶MMP-2、MMP-9、MMP-12和組織蛋白酶-K、組織蛋白酶-L、組織蛋白酶-S[5]。

2.1.3 中性粒細胞 研究發現，COPD患者的痰及支氣管肺泡灌洗液的中性粒細胞數量明顯增多，然而在呼吸道和肺實質中性粒細胞數量增加得卻不是很明顯，推測可能是中性粒細胞快速地通過了呼吸道和肺實質所致[6]。激活的上皮細胞和巨噬細胞在氣道中分泌LTB4、IL-8、趨化因子CXCL-1和CXCL-8、上皮中性粒細胞活化肽-78（ENA-78）等，在這些趨化因子作用下募集大量的中性粒細胞，活化的中性粒細胞釋放出中性粒細胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶-G、蛋白酶3、MMP-8、MMP-9等，這些蛋白酶會破壞正常肺組織并強有力地促進支氣管黏液的分泌[5]，其中的IL-8也能夠由活化的中性粒細胞分泌。推測中性粒細胞進一步放大了炎性反應，促進了COPD的形成和發展。

2.1.4 T淋巴細胞 淋巴細胞浸潤在COPD發病機制中被認為是最關鍵的因素之一，無論是氣道還是肺實質T淋巴細胞的總量都明顯增加，以CD8+T淋巴細胞增加為主，增加量與肺泡破壞和呼吸道的阻塞程度密切相關。目前有學者認為，CD4+T淋巴細胞與疾病的嚴重性相關，CD8+T淋巴細胞與肺組織破壞相關[7]。有研究發現，COPD患者氣道中CD8+T細胞通過分泌顆粒酶B、穿孔素等誘導細胞凋亡和DNA裂解，加重COPD病情進展[8]。有研究認為這可能是由于增加的T細胞中有部分出現免疫衰退，不能表達CD28受體，導致穿孔素和顆粒酶B分泌增加[9]。雖然吸煙的COPD患者氣道中CD4+細胞增加的數量不多，但這部分細胞能夠表達活化的轉錄激活因子4（STAT-4），該轉錄因子對于激活和調節1型輔助性T細胞（Th1）細胞譜系的發育是必不可少的[10]。

2.1.5 嗜酸性粒細胞 10%～40%的COPD患者可發現誘導痰中嗜酸性粒細胞增多，痰中嗜酸性粒細胞不僅可用于評估COPD患者對糖皮質激素的治療敏感性，而且通過降低氣道中嗜酸性粒細胞數量會明顯降低COPD急性加重的發生率[11]。外周血中嗜酸性粒細胞與支氣管黏膜下的嗜酸性粒細胞存在聯系，二者與支氣管網狀基底膜增厚密切相關，被認為是氣道重塑的原因之一[12]。

2.2 炎癥介質 目前認為，在COPD發病中起重要作用的介質有脂類介質（LTB-4、前列腺素E2、前列腺素F2α）、趨化因子（CXCL-1、CXCL-8、CXCL-9、CXCL-10、CXCL-11、CCL-2、CCL5）、細胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17）、生長因子等，有些因子來源于激活的炎癥細胞，有些來源于肺實質細胞，COPD的發展不是一種炎癥介質單一作用的結果，而是這些因子相互作用所致，其作用范圍也不局限于肺組織，還可能會造成身體其他部位損害或加重一些并發癥[13]。

2.2.1 酯類炎性介質 （1）LTB4：COPD的重要特征是中性粒細胞浸潤，中性粒細胞在浸潤部位通過釋放趨化物質招募更多的白細胞聚集，進一步放大炎性反應[14]，LTB4被認為是炎癥放大過程中早期釋放的重要趨化因子[15]，能夠明顯地提高中性粒細胞招募數量和促進中性粒細胞向炎癥中心部位遷移。Afonso等[16]研究發現，LTB4的合成放大了甲酰肽介導的中性粒細胞極化和趨化，推測LTB4可能是細胞間遠距離信號傳遞分子，能夠調節中性粒細胞的遷移和招募。有研究結果顯示，COPD患者誘導痰和呼出氣冷凝物中均檢出LTB4，尤其在COPD急性加重期，LTB4濃度增加更顯著[17]。（2）前列腺素E2（PGE2）：是一種重要的炎癥介質，環氧合酶2是PGE2合成的限速酶，PGE2的合成可能會促進肺部成纖維細胞衰老及炎癥進展[18]。此外，有研究發現，COPD患者誘導痰中PGE2增加程度與氣流受限程度是一致的，推測PGE2可能通過MMP-2介導參與COPD炎癥進展及氣道重塑[19]。

2.2.2 細胞因子 （1）TNF-α：TNF-α是一種重要的中性粒細胞趨化物，由單核巨噬細胞系和肥大細胞分泌，COPD穩定期和急性加重期患者的誘導痰中均出現明顯增加。有研究發現，給予健康人和老鼠霧化吸入重組人TNF-α制劑或使用抗原、細菌內毒素、呼吸道病毒等刺激物產生內源性TNF-α，均能誘導中性粒細胞和嗜酸性粒細胞浸潤，導致細胞破壞、黏液化生、氣道纖維化及氣道高反應[20]。（2）IL-1：主要由單核巨噬細胞和成纖維細胞分泌，作用于白介素-1受體1（IL-1R1），有證據顯示其參與肺氣腫和氣道炎癥的發生[21-22]，尤其在COPD急性加重期會明顯升高。Sichelstiel等[23]在流感病毒誘導COPD急性加重期的模型中發現，流感病毒感染早期（24 h內），IL-1β需要IL-17A介導才會引起中性粒細胞趨化，而在感染后期，IL-1β可以單獨誘導中性粒細胞浸潤并進一步放大炎性反應。（3）IL-6：COPD患者血漿和誘導痰中同時出現IL-6水平升高，且升高程度與肺功能損傷程度有關，IL-6與干擾素-γ（INF-γ）、IL-1β和IL-1受體拮抗劑多態性共同作用可引起吸煙人群肺功能下降[24]。IL-6基因位于人類第7號染色體，存在多個基因多態性，在吸煙人群中，IL-6-174G/C單核苷酸基因多態性與第1秒用力呼氣容積（FEV1）的快速下降和COPD發病風險相關[25]。IL-6作為一種重要的炎癥標記物，與白細胞計數、C反應蛋白（CRP）、IL-8、纖維蛋白原、趨化因子CCL-18/PARC和表面活性蛋白-D（SP-D）共同用于預測COPD死亡率，明顯地提高了預測的準確性。該試驗是經大樣本、多中心、長時間的隨訪得出的結果，對臨床具有重要的指導性[26]。（4）IL-17：IL-17家族有A～E 6個同源的細胞因子，研究較多的是IL-17A。COPD患者誘導痰中IL-17分泌增加，增加程度與氣流受限和肺功能下降相關，吸入糖皮質激素后痰中IL-17仍然增加，而中性粒細胞數沒有變化[27]。（5）IL-18：以前被稱作INF-γ誘導因子，于1995年首次純化并克隆出人類的INF-γ誘導因子，后被命名為IL-18。Kang等[28]通過在轉基因小鼠肺組織高表達IL-18，誘導CD4+、CD8+、CD19+和NK1.1+細胞聚集和細胞內IFN-γ、IL-17A和IL-13的水平升高，并證實IFN-γ、IL-17A和IL-13都參與了IL-18介導的COPD的發生和進展，進一步分析IL-18介導IFN-γ抑制巨噬細胞、淋巴細胞、嗜酸性粒細胞聚集，參與肺氣腫和細胞毒反應；IL-18介導IL-17A和IL-13參與氣道和血管重塑，推測IL-18對COPD的病理改變起中心作用。

2.2.3 趨化因子 （1）趨化因子CXCL-8：在COPD穩定期和急性加重期均發現痰及支氣管肺泡灌洗液中CXCL-8水平增加，目前認為CXCL-8通過CXCR1和CXCR2受體引起中性粒細胞的趨化。有研究顯示，CX CL-8被單克隆抗體中和后，中性粒細胞招募數量下降到12%的基準水平，而未被單克隆抗體中和的對照組為61.9%，且CXCL-8單克隆抗體的抑制作用呈現濃度相關性，在CXCL-8單克隆抗體濃度達到0.1 mg/mL，中性粒細胞趨化就完全降到基準水平[29]。選擇性CXCR2拮抗劑和非選擇性的CXCR1/CXCR2拮抗劑均能夠降低CXCL-8誘導的中性粒細胞招募數量，但非選擇性拮抗劑具有更強的抑制效果，且在低濃度（1 μg/mL）時只有非選擇性拮抗劑有抑制作用[29]。（2）CXCL-1：Corhay等[30]研究發現，CXCL-1在健康人和COPD穩定期中沒有升高，而在COPD急性加重期（呼出氣冷凝物檢測結果）會出現明顯升高，隨著病情好轉，CXCL-1會明顯下降，推測CXCL-1只參與COPD急性加重期的炎性反應。（3）CXCL-5：CXCL-5在不同的炎癥模型中起著不同作用，有時促進炎性反應，有時抑制炎性反應。在大腸桿菌誘導的肺部炎癥模型中，CXCL-5通過抑制趨化因子清除、調節趨化因子組成及減弱CXCR2親和力來增加血液中CXCL-1和CXCL-2的濃度，減少中性粒細胞向肺組織浸潤，導致肺部細菌量增多而引起死亡；而在吸入脂多糖誘導的肺部炎癥模型中，CXCL-5促進了中性粒細胞向肺組織的浸潤[31]。在二手煙誘導的肺部炎癥模型中，CXCL-5減少肺泡灌洗液中巨噬細胞浸潤數量，還觀察到CXCL-5具有調節肺組織中趨化因子CXCL-2和TNF-α的合成，激活核轉錄因子-κB（NF-κB）和促分裂素原活化蛋白激酶、表達細胞間黏附分子-1的能力[32]。

3 小結與展望

COPD病因復雜，其具體發病機制仍不清楚，目前認為是由多個因素相互作用引起，最常見的是吸煙，其次是α1-抗胰蛋白酶缺乏、職業粉塵、有害的化學物質、空氣污染、呼吸道感染等。不同病因的COPD肺部炎性反應可能會有差異，可能參與的主要炎癥細胞不同或釋放的主要炎癥介質不同。在不同的炎癥模型上也觀察到，使用不同的炎癥刺激誘導物（如病毒感染、煙草提取物、脂多糖等）引起肺部炎性反應中，參與的主要炎癥細胞和炎癥介質有明顯差異。未來可以利用這些新的研究成果開發出選擇性更高的藥物，增加治療有效性并減少不良反應；篩選出更加有意義的COPD炎癥生物標記物，更好地評價COPD嚴重性和預后。

[1]Fabbri LM，Hurd SS，GOLD Scientific Committee.Global strategy for the diagnosis，manage ment and prevention of COPD：2003 update[J].Eur Respir J，2003，22（1）：1-2.

[2]Xia J，Zhao J，Shang J，et al.Increased IL-33 expression in chronic obstructive pulmonary disease[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2015，308（7）：619-627.

[3]Yasuo M，Mizuno S，Allegood J，et al.Fenretinide causes emphysema， which is prevented by sphingosine 1-phoshate[J].PLoS One，2013，8（1）：e53927.

[4]Barnes PJ.Alveolar macrophages as orchestrators of COPD[J].COPD，2004，1（1）：59-70.

[5]Barnes PJ.Increased levels of interleukin-8 in BAL fluid from smokers susceptible to pulmonary emphysema[J].Clin Chest Med，2014，35（1）：71-86.

[6]Tanino M，Betsuyaku T，Takeyabu K，et al.Increased levels of interleukin-8 in BAL fluid from smokers susceptible to pulmonary emphysema[J]. Thorax，2002，57（5）：405-411.

[7]Forsslund H，Mikko M，Karimi R，et al.Distribution of T-cell subsets in BAL fluid of patients with mild to moderate COPD depends on current smoking status and not airway obstruction[J].Chest，2014，145（4）：711-722.

[8]Hodge S，Hodge G，Holmes M，et al.Increased CD8 T-cell granzyme B in COPD is suppressed by treatment with low-dose azithromycin[J].Respirology，2015，20（1）：95-100.

[9]Hodge G，Mukaro V，Reynolds PN，et al.Role of increased CD8/CD28（null）T cells and alternative co-stimulatory molecules in chronic obstructive pulmonary disease[J].Clin Exp Immunol，2011，166（1）：94-102.

[10]Di Stefano A，Caramori G，Capelli A，et al.STAT4 activation in smokers and patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Eur Respir J，2004，24（1）：78-85.

[11]Eltboli O，Brightling CE.Eosinophils as diagnostic tools in chronic lung disease[J].Expert Rev Respir Med，2013，7（1）：33-42.

[12]Eltboli O，Mistry V，Barker B，et al.Relationship between blood and bronchial submucosal eosinophilia and reticular basement membrane thickening in chronic obstructive pulmonary disease[J].Respirology，2015，20（4）：667-670.

[13]Barnes PJ.Mediators of chronic obstructive pulmonary disease[J].Pharmacol Rev，2004，56（4）：515-548.

[14]Silva MT.Neutrophils and macrophages work in concert as inducers and effectors of adaptive immunity against extracellular and intracellular microbial pathogens[J].J Leukoc Biol，2010，87（5）：805-813.

[15]Sadik CD，Kim ND，Iwakura Y，et al.Neutrophils orchestrate their own recruitment in murine arthritis through C5aR and FcγR signaling[J].Proc Natl Acad Sci USA，2012，109（46）：3177-3185.

[16]Afonso PV，Janka-Junttila M，Lee YJ，et al.LTB4 is a signal-relay molecule during neutrophil chemotaxis[J].Dev Cell，2012，22（5）：1079-1091.

[17]Drozdovszky O，Barta I，Antus B.Sputum eicosanoid profiling in exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease[J].Respiration，2014，87（5）：408-415.

[18]Dagouassat M，Gagliolo JM，Chrusciel S，et al.The cyclooxygenase-2-prostaglandin E2 pathway maintains senescence of chronic obstructive pulmonary disease fibroblasts[J].Am J Respir Crit Care Med，2013，187（7）：703-714.

[19]Chen Y，Chen P，Hanaoka M，et al.Enhanced levels of prostaglandin E2 and matrix metalloproteinase-2 correlate with the severity of airflow limitation in stable COPD[J].Respirology，2008，13（7）：1014-1021.

[20]Makwana R，Gozzard N，Spina D，et al.TNF-α-induces airway hyperresponsiveness to cholinergic stimulation in guinea pig airways[J].Br J Pharmacol，2012，165（6）：1978-1991.

[21]Botelho FM，Bauer CM，Finch D，et al.IL-1α/IL-1R1 expression in chronic obstructive pulmonary disease and mechanistic relevance to smokeinduced neutrophilia in mice[J].PLoS One，2011，6（12）：e28457.

[22]Pauwels NS，Bracke KR，Dupont LL，et al.Role of IL-1α and the Nlrp3/ caspase-1/IL-1β axis in cigarette smoke-induced pulmonary inflammation and COPD[J].Eur Respir J，2011，38（5）：1019-1028.

[23]Sichelstiel A，Yadava K，Trompette A，et al.Targeting IL-1β and IL-17A driven inflammation during influenza-induced exacerbations of chroniclung inflammation[J].PLoS One，2014，9（2）：e98440.

[24]Hackett TL，Stefanowicz D，Aminuddin F，et al.Effect of gene environment interactions on lung function and cardiovascular disease in COPD[J].Int J Chron Obstructi Pulmon Dis，2011，6：277-287.

[25]He JQ，Foreman MG，Shumansky K，et al.Associations of IL6 polymorphisms with lung function decline and COPD[J].Thorax，2009，64（8）：698-704.

[26]Celli BR，Locantore N，Yates J，et al.Inflammatory biomarkers improve clinical prediction of mortality in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Am J Respir Crit Care Med，2012，185（10）：1065-1072.

[27]Doe C，Bafadhel M，Siddiqui S，et al.Expression of the T helper 17-associated cytokines IL-17A and IL-17F in asthma and COPD[J].Chest，2010，138（5）：1140-1147.

[28]Kang MJ，Choi JM，Kim BH，et al.IL-18 induces emphysema and airway and vascular remodeling via IFN-γ，IL-17A，and IL-13[J].Am J Respir Crit Care Med，2012，185（11）：1205-1217.

[29]Kaur M，Singh D.Neutrophil chemotaxis caused by chronic obstructive pulmonary disease alveolar macrophages：the role of CXCL8 and the receptors CXCR1/CXCR2[J].J Pharmacol Exp Ther，2013，347（1）：173-80.

[30]Corhay JL，Moermans C，Henket M，et al.Increased of exhaled breath condensate neutrophil chemotaxis in acute exacerbation of COPD[J].Respir Res，2014，15：115.

[31]Balamayooran G，Batra S，Cai S，et al.Role of CXCL5 in leukocyte recruitment to the lungs during secondhand smoke exposure[J].Am J Respir Cell Mol Biol，2012，47（1）：104-111.

[32]Mei J，Liu Y，Dai N，et al.CXCL5 regulates chemokine scavenging and pulmonary host defense to bacterial infection[J].Immunity，2010，33（1）：106-117.

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.18.022

A

1009-5519（2015）18-2787-04

2015-04-18）

周復（1980-），女，重慶巴南人，主治醫師，主要從事呼吸內科臨床工作；E-mail：zhouf2015@sina.com。

羅治海（E-mail：1271301155@qq.com）。