肺泡Ⅱ型上皮細胞與巨噬細胞之間的相互作用在急性呼吸窘迫綜合征中的影響

陳一凡 竇懋森 王林林 宋元林

1復旦大學附屬中山醫院呼吸科,上海200032；2復旦大學附屬中山醫院感染科,上海200032

ARDS是指各種肺內外致病因素導致的急性、進行性呼吸困難。其主要臨床特征有肺水腫、肺萎陷、難治性低氧血癥,可導致呼吸衰竭、多器官功能障礙甚至死亡。目前認為,ARDS的病理進程和肺組織內炎性因子產生過多密切相關。盡管我們對其發病機制和患者管理的探索取得了重大進展,但其發病率和病死率仍然很高,大約40%的患者發展為危重疾病[1]。低潮氣量通氣、神經肌肉阻滯等是為數不多的降低病死率的治療手段。然而,近年來的各項研究仍未能找到有效降低ARDS病死率的治療方法。最近,以細胞為基礎的治療方案已經開始出現,其重點是改善肺泡上皮屏障的功能。在臨床前研究中,間充質干細胞已經在某種程度上減輕了肺部損傷的癥狀,這無疑給受損肺組織的修復帶來了希望[2]。

肺泡的上皮屏障主要由肺泡Ⅰ型上皮細胞(alveolar epithelial typeⅠcells,ATⅠ)和肺泡Ⅱ型上皮細胞(alveolar epithelial typeⅡcells,ATⅡ)2種形態和功能不同的細胞類型組成。其中,ATⅡ是合成和分泌肺泡表面活性物質的主要細胞,并且被認為是肺泡上皮的祖細胞。在上皮細胞受損后,ATⅡ會迅速增殖同時分化為ATⅠ來幫助修復損傷的肺組織[3]。過去關于ARDS的研究主要集中在肺水清除和上皮屏障重塑方面。而目前人們對于ATⅡ在ARDS發生、發展中作用的認識則逐步擴展到其在起始應答、招募炎癥細胞、代謝調控、抗炎與修復等方面的作用,其中ATⅡ與巨噬細胞之間的交互正是近年來研究的熱點。

在肺泡中主要有2種類型的肺泡巨噬細胞,分別是肺固有巨噬細胞和肺招募巨噬細胞。肺固有巨噬細胞貼覆在ATⅡ上,大致上每7個肺泡中有1個肺固有巨噬細胞[4]。它們在正常生理狀態下分布均勻,保持靜止,起到免疫抑制的作用[5]。而在ARDS的炎癥反應中,外周血巨噬細胞被募集到肺泡腔內,稱為肺招募巨噬細胞(后文簡稱肺巨噬細胞)[4]。巨噬細胞有非常強大的可塑性,在外界環境的刺激下,其可分化為以促進炎癥為主的M1型巨噬細胞或以抑制炎癥、促進修復為主的M2型巨噬細胞[6]。M1型巨噬細胞主要分泌促炎因子,包括腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、誘導型一氧化氮合酶、IL-1β和IL-6。M2型巨噬細胞則具有促進細胞增殖和組織修復的功能,主要分泌轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)和IL-10[7]。M1與M2型巨噬細胞的轉化(M1/M2平衡)在ARDS的進展與消退中起著關鍵作用[8]。

近些年的研究表明,在ARDS各個階段ATⅡ都參與和巨噬細胞的交互并調控M1/M2平衡,進而影響疾病進程的轉歸。以下通過ARDS的3個分期分別闡述肺泡上皮細胞與巨噬細胞之間的交互在ARDS發生、發展中的影響。

1 ATⅡ與肺巨噬細胞在ARDS炎癥起始期的交互作用

Janssen等[9]研究表明在靜息態時,肺固有巨噬細胞大多為M2型,貼覆在ATⅡ上。但目前對于兩者之間的細胞接觸研究還不是很透徹[10]。Raz[11]發現肺固有巨噬細胞和ATⅡ之間可能受到上皮整合素αvβ6的調節,其可以激活巨噬細胞釋放抗炎因子如TGF-β,而抑制其促炎因子的分泌(主要為TNF-α和IL-6)[12]。同時,Morris等[13]發現,缺乏整合素αvβ6表達的小鼠由于肺TGF-β的降低而表現出持續的肺泡巨噬細胞激活。這提示我們在靜息態時ATⅡ與固有巨噬細胞的交互是保持肺泡免疫平衡的重要機制,而這種平衡的破壞或者缺如可能是急性炎癥的始動因素。

在急性肺損傷小鼠模型早期,M2型肺固有巨噬細胞會轉化為M1型,并釋放各種促炎介質[8]。而ATⅡ可以直接在細菌脂多糖的刺激下,分泌角質細胞趨化因子和脂多糖趨化因子[14],以募集血液中的中性粒細胞,后者在肺損傷急性炎癥期起到了關鍵作用。同時,近些年來的研究發現ATⅡ在肺部炎癥早期招募炎癥細胞的活動中起到了非常重要的作用。Sharma等[15]發現在ARDS早期,肺固有巨噬細胞會與ATⅡ分離,分泌更多的TNF-α以刺激ATⅡ并增加其分泌角質細胞趨化因子和脂多糖趨化因子,招募更多的中性粒細胞,從而增強ARDS的炎癥反應。反過來,ATⅡ還可以通過分泌單核細胞趨化蛋白1(monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)招募血液中的單核細胞[16],并且分泌細胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)聯合MCP-1共同促進血液中的巨噬細胞遷移入肺泡腔,并且增加其吞噬功能[17]。

盡管目前對于ATⅡ和巨噬細胞在ARDS早期交互作用的研究還處于起始階段,但已有的這些研究表明在肺固有巨噬細胞協助下ATⅡ增強了對中性粒細胞的募集,而ATⅡ通過分泌MCP-1和ICAM-1進一步招募巨噬細胞入肺。這似乎提示我們在ARDS早期,ATⅡ與肺固有巨噬細胞之間的正反饋循壞,構成了肺組織應對相應病原體和外來刺激的重要應答。同時,上述試驗也提示我們在ARDS的起始階段,采取ATⅡ補充替代治療并不利于ARDS的修復緩解,反而會促進其與肺泡巨噬細胞之間的反饋,從而加重炎癥反應。

2 ATⅡ與肺巨噬細胞在ARDS急性炎癥期的交互作用

ARDS急性炎癥期以血液中的單核細胞和巨噬細胞遷移進入肺泡腔為起始。但目前關于單核細胞和巨噬細胞遷移到肺泡腔后,ATⅡ和肺巨噬細胞之間的交互還不是很清楚。既往的研究認為在ARDS急性炎癥期,M1型巨噬細胞的激活加劇了肺組織的炎癥反應[8],同時主導促炎作用的M1型巨噬細胞會釋放TNF-α,下調ATⅡ中鈉通道的表達,誘導ATⅡ損傷和凋亡,抑制其增殖功能,并加重肺水腫[18]。

但事實上,ATⅡ與巨噬細胞之間的交互遠沒有這么簡單。巨噬細胞炎癥蛋白2(macrophage inflammatory protein-2,MIP-2)是中性粒細胞的強有力趨化因子。研究發現,在ARDS患者的支氣管肺泡灌洗液中,此趨化因子具有較高的表達水平[19]。以往認為,M1型巨噬細胞首先被激活,釋放MIP-2等炎性介質,招募中性粒細胞在肺內聚集并激活,引發急性炎癥[20]。但有研究證明,ATⅡ在TNF-α的刺激下,也會分泌MIP,協助巨噬細胞繼續從血液中募集中性粒細胞,同時,其還會分泌MCP-1繼續招募血液中的巨噬細胞。盡管對于ATⅡ與肺巨噬細胞在ARDS急性炎癥期相互作用的研究還處于起步階段,但上述試驗已經揭示了在ARDS急性炎癥期,ATⅡ和肺巨噬細胞之間的交互會形成一個不斷放大炎癥效應的正反饋循環,從而加重ARDS的發展。值得注意的是,Cakarova等[21]卻發現,在ARDS急性炎癥期,活化的肺泡巨噬細胞釋放的TNF-α可誘導上皮細胞的粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子表達,從而促使ATⅡ增殖并分化為ATⅠ啟動修復機制。這似乎表明,促炎和抑炎在ARDS的進程中并不是各分期涇渭分明的,相反則是通過各細胞的交互作用共同交織在一起。

3 ATⅡ與肺巨噬細胞在ARDS修復緩解期的交互作用

在ARDS修復緩解期中,肺泡屏障的成功修復與患者的生存密切相關。而重建肺泡上皮屏障的完整性則涉及多種機制,包括肺水腫液清除、促炎癥因素消退和細胞修復增殖等。過去認為,ATⅡ和Clara細胞增殖和分化為ATⅠ是ARDS修復期的主要特征[22]。

在關于ARDS修復期的始動因素方面,近年來取得了不少突破。目前認為M1型巨噬細胞向M2型轉化是修復期的重要特征。而ATⅡ與巨噬細胞之間的交互則是調控M1/M2平衡的重要因素。干擾素γ介導了肺泡巨噬細胞向M1型轉化的經典JAK/STAT1途徑。Minutti等[23]研究表明,肺表面活性蛋白A可以與干擾素γ結合,抑制干擾素γ與其膜受體相互作用,從而抑制肺泡巨噬細胞向M1型轉化。同時Speth等[24]在脂多糖誘導的炎癥反應模型中發現,脂多糖與ATⅡ膜上的Toll樣受體4結合,上調環氧合酶2和膜結合型前列腺素E合成酶1表達,導致ATⅡ合成前列腺素E2增加。而前列腺素E2則會與相鄰肺泡巨噬細胞上的EP受體結合,增強其分泌微粒內細胞因子信號轉導抑制因子3的含量。Bourdonnay等[25]則發現肺泡巨噬細胞分泌的細胞因子信號轉導抑制因子3會被相鄰的ATⅡ攝取,通過與JAK的關鍵磷酸化酪氨酸殘基以及細胞因子受體[26]結合,負性調控內源性STAT3通路的活化及其主要效應因子MCP-1,從而發揮抗炎作用。而Guillamat-Prats等[27]進一步在小鼠急性肺損傷模型的體內實驗中發現,外源性遞送ATⅡ可以促進肺組織修復。以上研究表明,ATⅡ可以通過諸如前列腺素E2等分子抑制巨噬細胞向M1型轉化,并促進M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞轉化,這對于ARDS的早期損傷修復十分重要。這些分子可為促進ARDS損傷修復提供聯合治療,這可能在未來的ARDS治療中具有一定價值。

M2型巨噬細胞有助于ARDS中肺組織的修復。在減輕炎癥方面,Butler等[28]發現,M2型巨噬細胞會分泌IL-1受體拮抗劑,競爭性抑制IL-1與ATⅡ上IL-1Ⅰ型受體的結合,從而減輕炎癥反應對于ATⅡ的破壞。同時,ATⅡ在IL-1受體拮抗劑作用下減少ICAM-1的分泌,這會下調肺巨噬細胞分泌MIP-2。同時,ICAM-1和MIP-2的分泌減少會削弱中性粒細胞在肺的募集,從而減輕炎癥反應。而在加快肺水清除減輕肺水腫方面,M2型巨噬細胞分泌表皮細胞生長因子和IL-1受體拮抗劑,通過增加頂端上皮鈉通道和基底外側鈉鉀泵的活性轉運來增強肺泡液清除[29-30]。此外,在恢復肺泡上皮屏障的進程中,M2型巨噬細胞通過表達纖連蛋白1、TGF-β誘導蛋白IG-H3和胰島素樣生長因子1,作用于ATⅡ促進組織增殖和修復[31-32]。閉塞蛋白1的修復也是肺泡上皮恢復緊密連接的重要指征。Herold等[20]發現,M2型巨噬細胞表達的IL-1受體拮抗劑還可通過IL-1β拮抗作用阻止ATⅡ中閉塞蛋白1的破壞和分解,從而保護了肺泡屏障的完整。Goldmann等[33]的研究首次報道了在外源性TGF-β的刺激下,原代提取的人ATⅡ在體外表現出上皮間充質轉化的基因表達和蛋白水平的表型變化,并獲得產生膠原的能力。這可能提示在ARDS的修復期,M2型巨噬細胞不僅會促使ATⅡ產生纖維,甚至還會刺激ATⅡ的表型發生改變,從而加速了組織修復進程。以上研究表明,M2型巨噬細胞在ARDS修復期減輕炎癥、加快肺水清除、恢復肺泡上皮屏障的作用均是通過與ATⅡ的交互作用而完成的。綜上,ATⅡ與肺巨噬細胞的交互在ARDS修復期構成了一個抑炎的正反饋,ATⅡ促進M1型巨噬細胞向M2型的轉化,而M2型巨噬細胞則從各方面促進ATⅡ恢復其正常功能,促進肺組織的修復。

總之,在ARDS的發展進程中,肺泡上皮細胞和巨噬細胞之間的交互隨著ARDS進程的不同,起到了不同的反饋循環作用(圖1)。這種對細胞之間雙向通訊的探索為改善ARDS中肺泡內微環境炎癥和促進上皮屏障修復提供了新的研究角度和思路。目前,對于這2種細胞之間的交互在ARDS發生、發展機制中所起作用的相關研究還方興未艾。今后的研究重點將聚焦在ATⅡ和不同來源的巨噬細胞之間的交互對ARDS各階段病理進程的影響,這將有助于深入理解ARDS各期始動因素和炎癥發展轉歸方面的機制,為減輕炎癥并促進肺泡上皮修復提供新的思路。

圖1 在急性呼吸窘迫綜合征各期中肺泡Ⅱ型上皮細胞與巨噬細胞交互 A：炎癥起始期；B：急性炎癥期；C：修復緩解期

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突