白細胞介素-17在空氣污染誘導哮喘發(fā)病中的作用

吳京寧 劉紫霄 趙云霞

河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院呼吸一科,石家莊050051

支氣管哮喘 (哮喘)是由多種細胞包括嗜酸粒細胞、肥大細胞、T 淋巴細胞、中性粒細胞、平滑肌細胞、氣道上皮細胞等,以及細胞組分參與的氣道慢性炎癥性疾病[1]。哮喘是一個嚴重的全球性健康問題,影響到所有年齡組,在許多國家,特別是在兒童中,其患病率正在上升,雖然一些國家的住院人數(shù)和哮喘死亡人數(shù)有所下降,但哮喘仍然給保健系統(tǒng)和社會造成不可接受的負擔[1]。哮喘有多種表型,包括變態(tài)反應性哮喘和非變態(tài)反應性哮喘,目前關于非變態(tài)反應性哮喘的研究正在成為熱點,它和暴露于空氣污染、感染、肥胖等有關,主要以先天性免疫為主[2]。通過近幾年的研究發(fā)現(xiàn)這些不同臨床表型可能是由于不同的免疫學及病理生理學機制導致的。例如,由特異性過敏原引起的過敏性哮喘的特征是產生免疫球蛋白E、嗜酸粒細胞及Th2 極化細胞因子譜 (高水平IL-4、IL-5、IL-13)[3]。對激素治療效果不明顯的非過敏性哮喘,最近被證實與分泌IL-17的Th17細胞高水平有關[3]。

近年來發(fā)現(xiàn)長期暴露于空氣污染可導致哮喘惡化并增加哮喘相關的住院率及病死率[4],并且空氣污染物對呼吸道癥狀、藥物使用和肺功能都有不利影響[5]。通常認為環(huán)境因素作用于哮喘患者,促使其炎癥、免疫反應加重、氣道高反應性出現(xiàn),從而促使哮喘發(fā)作,因此環(huán)境因素可以說在哮喘發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用[6]。而空氣污染物主要包括大氣顆粒物和有毒氣體。其中空氣中動力學當量直徑＜2.5μm 的細顆粒物 (fine particles mather,PM2.5),表面積大,化學活性強,可通過氣管進入肺泡,是誘發(fā)呼吸道疾病的主要成分;有毒氣體主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。迄今為止,關于空氣污染誘發(fā)哮喘發(fā)病這一領域的研究成果仍相對不完全,他們之間的關系尚未明確,本文就IL-17在空氣污染誘導哮喘發(fā)病方面的文獻進行綜述,重點討論IL-17在空氣污染誘導哮喘發(fā)病中的作用。

1 IL-17在哮喘發(fā)病機制中的作用

IL-17家族包括6 種相關蛋白,即IL-17A、IL-17B、IL-17C、IL-17D、IL-17E 和IL-17F,IL-17 家族中最著名的兩個成員為IL-17A 和IL-17F。IL-17主要在黏膜屏障組織中,在多種有益和有害的過程中起作用。IL-17表達的有益作用在肺中尤其重要,例如:IL-17在防御肺部細菌、真菌病原體的感染中起重要作用;IL-17及其協(xié)同因子IL-22參與維持氣道上皮細胞穩(wěn)態(tài)及炎性損傷后上皮細胞的修復、再生。然而,其異常表達或過表達將導致哮喘、肺炎、肺間質纖維化等肺部疾病的發(fā)生或加重[8]。一些研究表明,Th17細胞在變應性哮喘和非變應性哮喘中有促炎癥反應的作用,并且可能在非變應性重癥哮喘中作用更明顯[3]。Th17細胞在哮喘病理生理學中起重要作用,我們發(fā)現(xiàn)人類許多慢性炎癥性疾病如:哮喘、類風濕性關節(jié)炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、異體器官排斥反應等,都與IL-17A 表達增加相關[9]。IL-17F在哮喘患者白細胞聚集過程中起重要作用,有研究表明,IL-17F在哮喘患者的痰液、肺組織、支氣管肺泡灌洗液、外周血中表達增加[10]。曾經(jīng)有報告顯示重癥哮喘患者血清中IL-17水平比輕中度患者水平升高[9]。近期有研究證明在過敏性哮喘患者血清中IL-17水平高于正常對照組[11]。

1.1 IL-17對重度哮喘的影響 Th17細胞被認為是IL-17的主要來源,除此之外,γδT 細胞、NK 細胞、B細胞以及一些中性粒細胞也可產生IL-17。在過去幾十年的研究已經(jīng)證實Th17細胞和中性粒細胞在重度哮喘發(fā)病機制中起重要作用。在哮喘患者肺組織中Th17 細胞和中性粒細胞通過釋放調節(jié)介質,直接或間接刺激平滑肌細胞的增殖和遷移來導致氣道重塑,使氣道變得狹窄從而呼吸變得困難。因此,闡明中性粒細胞在重癥哮喘持續(xù)炎癥中的作用以及與鄰近細胞的相互反應是有意義的。研究證明,在哮喘患者中,中性粒細胞直接或間接轉化為促進Th17 細胞分泌的化學信號,以釋放IL-17A、IL-17F、IL-21 及其他細胞因子為特征;Th17細胞的調節(jié)因子主要通過誘導信號轉導和轉錄激活因子3 (signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)磷酸化的增加促使維甲酸相關性單核受體 (retinoic acid receptor-related orphan nuclear receptor,RORγt)表達增加,從而產生IL-17增加[12]。一些證據(jù)表明,一方面Th17輔助細胞可以通過分泌IL-17A、IL-17F誘導中性粒細胞進入肺組織,刺激氣道上皮產生炎性因子[13];Th17細胞誘導中性粒細胞的趨化反應,通過STAT3的驅動表達和釋放IL-17以外的細胞因子[14]。另一方面,作為一種反饋機制,通過外周Th17細胞通路產生CCL2和CCL20細胞因子來誘導氣道中性粒細胞的浸潤來引起氣道的慢性炎癥反應[15]。Agache等[9]通過檢測85例哮喘患者血清IL-17A 水平,其中輕度哮喘23例,中度哮喘26例,重度哮喘36例,研究發(fā)現(xiàn)有16例患者IL-17A＞20 ng/L,其中3 例 (13.04%)為輕度哮喘患者,2 例(7.69%)為中度哮喘患者,11例 (30.56%)為重度哮喘患者,且有2例重度哮喘患者血清IL-17A＞100 ng/L;在輕度哮喘患者中血清IL-17A 平均值為14.21 ng/L,中度哮喘患者為12.22 ng/L,重度哮喘患者為24.72 ng/L。此研究表明,IL-17可以用來預測哮喘的嚴重程度,因為其在重度哮喘患者中的值高于輕度及中度患者,且IL-17＞20 ng/L是重度哮喘患者的獨立危險因子。

1.2 IL-17對氣道重塑的作用機制 多項研究表明哮喘不再是單純的炎癥性疾病,目前被認為既有炎癥又有結構的改變,這些被稱為氣道重塑,包括氣道許多方面的各種變化,例如氣道上皮細胞破壞、杯狀細胞增生、上皮下增厚、氣道平滑肌的增生及肥大、支氣管腺體肥大及細胞外基質成分的改變,從而增加氣道對非特異性刺激的反應和緊縮感,引起氣道高反應性。這些改變都是受多種細胞因子影響的,如IL-17 在哮喘發(fā)作的病理生理學方面起重要作用[10]。研究表明,在高IL-17水平的環(huán)境,肺組織刺激中性粒細胞產生高反應性活性氧自由基,這會通過細胞毒素和組織破壞活動加重炎癥反應,可能會促成氣道慢性炎癥的患者的氣道結構重塑[12]。IL-17與氣道重塑的關系可能是IL-17促進哮喘患者的嗜酸粒細胞釋放轉化生長因子,此外,IL-17還可促進纖維細胞平滑肌肌動蛋白的表達,從而促進組織收縮和氣道狹窄。除了促進轉化生長因子的釋放,IL-17A 還直接作用于上皮細胞,增加MUC5A 等分泌黏液的基因表達,并促進杯狀細胞增生 (哮喘所致氣道重塑的標志之一)。因此,IL-17在哮喘的反應中預示著較差的結果,因為它們與嚴重的炎癥和氣道重塑及氣道高反應性密切相關[8]。

2 空氣污染可誘導哮喘患者IL-17水平升高

空氣污染物主要包括大氣顆粒物及有毒氣體。大氣顆粒物是大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質的總稱。各種顆粒狀物質均勻地分散在空氣中構成一個相對穩(wěn)定的龐大的懸浮體系,即氣溶膠體系,因此大氣顆粒物也稱為大氣氣溶膠。根據(jù)大氣顆粒物在環(huán)境空氣中動力學當量直徑大小可分為PM100、PM10、PM2.5及PM0.1,其中PM2.5是霧霾環(huán)境的主要污染物,是一種可以滲入肺深處的污染物。有毒氣體主要指臭氧、二氧化硫、二氧化氮[7]。WHO《關于顆粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空氣質量準則》2005版的準則值為:臭氧的8小時平均濃度準則值為100μg/m3,高于240μg/m3會顯著危害大部分易感人群,過度時期目標-I為160μg/m3,認為在該濃度暴露6.6 h,可導致進行運動的健康年輕人生理及炎癥性肺功能損傷,可導致兒童的健康損害;二氧化氮的年平均濃度準則值為40μg/m3,1 h平均濃度為200μg/m3;二氧化硫的24 h平均濃度準則值為20 μg/m3,10 min 平均濃度為500μg/m3。過度時期目標-I,24 h平均濃度為125μg/m3[7]。

由于空氣污染成分的復雜性,因此空氣污染對哮喘的影響,多通過臨床流行病學調查取得其對疾病的影響情況[16],對于發(fā)病機制的研究則多區(qū)分不同污染物組分對于哮喘的影響。下面我們分別就相關文獻探討金屬、多環(huán)芳烴、大氣顆粒物中的柴油機排氣微粒、PM2.5及臭氧對哮喘患者IL-17水平的影響[7]。

2.1 空氣污染中金屬和多環(huán)芳烴對IL-17影響 金屬和多環(huán)芳烴被認為是PM2.5中最有害的成分。其中有研究表明,較高濃度的過渡金屬和有毒金屬與Th2相關細胞因子增加有關。PM2.5中的多環(huán)芳烴可能促進Th17細胞的活化,在大氣顆粒物樣品中,BaP、Ba A、BbFA、CHR、BPE、IPY和PYR 含量極高。最近一些研究已經(jīng)表明了芳基烴受體是在調節(jié)Th17細胞分化過程中多環(huán)芳烴的主要受體,該受體存在于環(huán)境中,并被吸入到肺中,主要由香煙煙霧、汽車排放物、工業(yè)廢氣、燃燒的木材和木炭以及城市灰塵造成的[17]。研究提出,PM2.5中含有的多環(huán)芳烴直接作用于T 細胞的芳基烴受體,從而促進Th17細胞的分化[18]。芳基烴受體激活促進Th17 細胞分化的機制尚不清楚,但研究發(fā)現(xiàn)IL-17在大氣顆粒物反應中的上調依賴于芳基烴受體的存在,一種可能的解釋是芳基烴受體是IL-17 轉錄的抑制因子,未與配體結合的芳基烴受體與一種控制IL-17表達的轉錄因子結合,經(jīng)配體結合后,芳基烴受體與此轉錄因子分離,而該轉錄因子可自由激動某種啟動子進行IL-17的表達。除了對T 細胞的影響外,其他單個核細胞亞群也能表達IL-17,其中包括γδT 細胞、固有淋巴樣細胞和肥大細胞,他們通過上調IL-17的表達而對芳基烴受體配體產生反應,因此大氣顆粒物可能通過多種途徑促進IL-17介導的發(fā)病機制[17]。由此可以推斷,PM2.5暴露后的哮喘小鼠IL-17A 的增加可歸因于環(huán)境PM2.5中高濃度的多環(huán)芳烴。

2.2 空氣污染中柴油機排氣微粒 (diesel exhaust particle,DEP)對哮喘患者IL-17 的影響 辛辛那提市兒童過敏和空氣污染研究 (the Cincinnati Childhood Allergy and Air Pollution Study,CCAAPS)是一項縱向前瞻性研究,檢測了兒童接觸DEP的情況,并評估了對過敏反應敏感性和哮喘風險的影響。來自CCAAPS 數(shù)據(jù)顯示,暴露于高水平DEP的兒童哮喘發(fā)病率有所增加,其他流行病學研究也表明,暴露于與交通相關的空氣污染與哮喘癥狀的發(fā)展之間存在關聯(lián)。即使是短期暴露于DEP,也會對肺功能產生不良影響,成人哮喘患者暴露于DEP 后會發(fā)生肺功能下降、中性粒細胞生物標志物增加[19]。Acciani等[19]研究中發(fā)現(xiàn)在接觸DEP暴露后的幼鼠支氣管肺泡灌洗液中CCL20 和CCL2增加,有助于樹突狀細胞的募集,從而啟動免疫反應及Th17細胞的募集和活化。Th17 細胞活化后可上調CCR6受體,而CCL20可通過CCR6受體進一步募集免疫細胞;CCL2可以通過其CCR2受體募集樹突狀細胞,且已證明暴露DEP后的過敏反應是依賴CCR2 受體的。總之,幼鼠暴露于DEP后會加重哮喘的過敏反應,包括炎癥、致敏、氣道高反應性和氣道重塑,免疫學主要表現(xiàn)為IL-17A、Th17細胞的增加[19]。

2.3 空氣污染中PM2.5對哮喘患者IL-17的影響 暴露于顆粒物質的小鼠肺中誘導新的細胞和炎性介質,如Th17細胞和IL-17A[18]。徐佳莉等[20]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5能顯著加強哮喘小鼠的癥狀,與對照組小鼠及未經(jīng)PM2.5處理的哮喘組小鼠相比,經(jīng)15 g/L PM2.5處理的重癥哮喘小鼠血清中由Th17細胞分泌的細胞因子IL-17含量顯著升高,同時在外周血單個核細胞中Th17細胞的重要轉錄因子RORγt的蛋白表達量也顯著增加,因此說明在大劑量PM2.5引起的哮喘炎癥反應下,Th17細胞的調節(jié)作用起主導作用。研究表明,IL-17在哮喘小鼠中表達高于對照組健康小鼠,而在經(jīng)大劑量PM2.5處理的哮喘小鼠中明顯高于未經(jīng)PM2.5處理的哮喘小鼠。鄒慎春等[21]將無特殊病原體小鼠隨機分為正常對照組、哮喘組、哮喘+低劑量PM2.5組、哮喘+高劑量PM2.5組,發(fā)現(xiàn)對小鼠血清、支氣管肺泡灌洗液檢驗顯示,哮喘組、哮喘+PM2.5組較正常對照組明顯升高 (P＜0.05),哮喘+低劑量PM2.5組、哮喘+高劑量PM2.5組較哮喘組明顯升高,并且存在劑量依賴性 (P＜0.05)。付慧聰?shù)萚22]研究顯示,與正常對照組相比,OVA 致敏組及PM2.5暴露哮喘組小鼠外周血單個核細胞CD4+IL-17+的表達明顯升高,且PM2.5暴露哮喘組較OVA 致敏組改變更為明顯,兩組間差異有統(tǒng)計學意義。以上研究均表明PM2.5暴露可加重哮喘氣道炎癥并且增加IL-17的表達。

2.4 空氣污染中臭氧對哮喘患者IL-17影響 臭氧是空氣污染的重要組成部分,即使暴露于低于美國環(huán)境保護局標準以下的濃度,也會增加哮喘的癥狀;在臭氧濃度較高的日子里,哮喘患者住院治療人數(shù)明顯增多。即使在健康人群中,暴露于臭氧也會導致氣道上皮細胞損傷及近端氣道中性粒細胞、炎性介質增加,而哮喘患者更容易受到這種污染物的不良影響[23-25]。我們目前的研究表明,反復暴露于臭氧誘發(fā)的哮喘以中性粒細胞浸潤的氣道炎癥為主,且與氣道高反應性有關,而引起氣道高反應性機制需要恒定自然殺傷T (invariant nature killer T,iNKT)細胞及IL-17的參與[26]。Pichavant等[26]研究表明反復暴露于臭氧可誘導氣道高反應性 (哮喘的主要發(fā)病機制之一)的發(fā)生,這一機制主要涉及先天性免疫、iNKT 細胞及其產生的IL-17。研究中發(fā)現(xiàn)iNKT 細胞缺乏及經(jīng)抗CD1單克隆抗體阻斷iNKT 細胞活化的小鼠,都阻斷了臭氧誘導的氣道高反應性及iNKT 細胞浸潤到肺組織;此外,臭氧誘導的氣道高反應與iNKT 細胞產生IL-17 有關,研究表明用抗IL-17m Ab中和IL-17或破壞IL-17基因也可以阻止臭氧誘導氣道高反應性的發(fā)生,而與過敏源誘導產生的氣道高反應性無關。總之,我們發(fā)現(xiàn)在反復暴露于臭氧誘導氣道高反應過程中iNKT 細胞及其產生的IL-17發(fā)揮重要作用[26]。

綜上所述,空氣污染導致哮喘患者的臨床癥狀加重、醫(yī)院就診率增加,空氣污染物中的金屬、多環(huán)芳烴、柴油機排氣微粒、PM2.5及臭氧可誘導IL-17增加,可能是導致哮喘的急性加重及發(fā)病率上升的重要原因,該發(fā)病機制將為空氣污染誘導哮喘的預防和治療提供依據(jù)。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突