細胞因子在早產兒BPD發病機制中的作用

何莎莎，董文斌

(1.西南醫科大學附屬醫院新生兒科，四川 瀘州 646000；2.四川省出生缺陷臨床醫學研究中心，四川 瀘州 646000)

支氣管肺發育不良(bronchopulmonary dysplasia，BPD)是常見的早產兒呼吸系統疾病。出生胎齡<32周的早產兒體內正處于小管晚期或囊狀早期的肺組織容易受到感染和高氧等因素的損傷，引起肺部持續的炎癥反應，導致肺微血管發育停滯，繼而不能形成正常的肺泡次級間隔，使肺部血氣屏障失調。肺部持續的炎癥反應是BPD的主要病理機制，參與炎癥反應的各種細胞因子與BPD的發生密切相關。

1促炎細胞因子與早產兒BPD

早產兒尚未發育成熟的肺組織被各種病原體感染后，大量的中性粒細胞及巨噬細胞在肺部聚集激活并釋放出大量的促炎細胞因子，導致肺血管內皮細胞和肺泡上皮細胞的損傷，大量的血清蛋白進入肺泡腔，使水鈉重吸收和液體滲出之間的平衡被打破，引發肺水腫，最終發生BPD。

1.1腫瘤壞死因子-α與BPD

腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α，TNF-α)是巨噬細胞分泌產生的促炎細胞因子，其在機體內的炎癥反應中表達變化早于其他促炎細胞因子[如白介素(interleukin，IL)-1β、IL-8][1]。TNF-α作為炎癥反應中的關鍵起始因子主要從以下三方面參與BPD的發生過程。

第一方面，積聚的TNF-α會損傷肺泡和肺血管的正常結構。早產兒BPD的肺部炎癥由細胞表面或細胞質受體觸發，這些受體分為三種：Toll樣受體(toll-like receptors，TLRs)、Nod樣受體(NOD-like receptors，NLRs)和C型凝集素受體(C type lectin receptors，CLRs)[2-3]。當早產兒肺組織感染時，內、外源性的致病抗原作為配體與中性粒細胞表面的TLRs特異性結合，激活核轉錄因子(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)和激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)等轉錄因子，這些轉錄因子會促使炎癥細胞產生大量的TNF-α，導致肺泡上皮細胞及肺微血管內皮細胞完整性受損。

第二方面，TNF-α不僅是NF-κB的下游靶點，TNF-α也可以逆向使核轉錄因子NF-κB激活，激活的NF-κB會引發其他促炎細胞因子(如IL-1、IL-8等)的釋放，從而進一步加重BPD的肺損傷。TNF-α包含一個受體結構域和一個凝集素樣結構域(TIP結構域)[4]。在穩定細胞中，NF-κB的p50、p65與抑制蛋白IκB形成復合體，此時的NF-κB無活性。炎癥發生時，TNF-α的受體結構域與TNF受體Ⅰ結合，IκB發生磷酸化，多聚體釋放出NF-κB的p50和p65，引起NF-κB激活，導致核定位信號被暴露。暴露的核定位信號依靠信號肽進入細胞核中，在細胞核內核定位信號和靶基因啟動子區的κB序列發生特異性結合，上調其他炎癥相關基因的表達。例如，上調細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)的表達，ICAM-1能進一步促進活化細胞之間的直接接觸，使中性粒細胞內流增加，加速肺部炎癥和肺泡重塑[5]。

第三方面，高氧環境下釋放的TNF-α會過度激活還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶(oxidase，NOX)，NOX通過促進氧分子接收從NADPH轉移的電子來誘導過氧化物和氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的產生[6-7]。積聚的ROS破壞早產兒出生后終末小管期的肺組織，最終引起肺血管密度降低及通透性增加、肺泡數量下降、肺泡結構單一，導致BPD的發生。

總之，適當抑制TNF-α可以減少BPD相關炎癥反應，但也不能過度抑制。因為有研究表明過度抑制機械通氣新生兒體內的TNF-α會增強轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號介導的細胞凋亡和炎癥反應[8]。但是鑒于TNF-α在BPD中的功能復雜性，如何能合適地把握抑制TNF-α的正確時機和用藥劑量，還需更多的實驗及臨床數據的進一步驗證。而且遺傳易感性方面的研究也證實了BPD的形成與位于TNF-α基因啟動子區第308位單個核苷酸突變有關(鳥嘌呤被腺嘌呤取代)，TNF-α活性增強，導致早產兒患BPD的風險升高[9]。綜上，體內TNF-α過多或者過少均會促使早產兒BPD的形成，通過TNF-α基因多態性來預測早產兒BPD的發病和嚴重程度可能是未來的一種新手段。

1.2 IL-33與BPD

IL-33是IL-1家族中新發現的促炎細胞因子，來源于肺泡上皮細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞[10-12]。IL-33不僅參與了哮喘、特應性皮炎等過敏性疾病的發生，也參與了BPD的肺組織炎癥反應[13-16]。Tang等[17]研究發現，在高氧誘導的BPD小鼠肺組織中，IL-33的mRNA和蛋白質表達水平均顯著升高，而且隨著氧暴露時間的延長，IL-33 mRNA的表達出現遞增的現象。腫瘤抑制素2(suppression of tumorigenicity 2，ST2)是IL-1家族受體成員之一，IL-33與ST2受體結合后介導不同的信號通路來參與BPD的形成。

①在肺發育的假腺期，發育氣道周圍的纖維連接蛋白可以促進氣道的分支和肺泡上皮細胞的分化。當肺部發生感染時，炎癥通過p38和p65信號通路直接促進肺上皮細胞表達IL-33，IL-33/ST2信號通路誘導肺泡上皮細胞形成中性粒細胞胞外殺菌網絡(neutrophil extracellular traps，NETs)。NETs利用其攜帶的彈性蛋白酶和其他酶共同降解肺泡上皮細胞內的纖維連接蛋白，從而出現氣道分支異常及肺泡簡化[18]。所以，IL-33/ST2信號通路導致的纖維連接蛋白缺乏可能是促使BPD發生的一個重要原因。②早產兒肺通常在相對低氧的宮內環境中發育，當出生后暴露在室內空氣中(21%氧濃度)也被認為是高氧，導致細胞氧化應激[19]。氧化應激促使肺泡上皮細胞產生大量的IL-33[20]。在新生兒高氧誘導的哮喘樣疾病中，IL-33在IL-1R輔助蛋白的作用下與ST2受體結合，刺激2型天然淋巴細胞(group 2 innate lymphoid cells，ILC2)擴增。ILC2作為誘導先天免疫和獲得性免疫的中心調節因子，在受刺激時會產生大量細胞因子IL-5和IL-13，這些細胞因子聯合IL-33共同促使肺組織炎癥反應的發生[21]。BPD和新生兒哮喘均是高氧導致的早產兒慢性肺部疾病，IL-33/ST2/ILC2信號軸也可能參與了BPD肺部炎癥的形成。

BPD患兒的IL-33水平與BPD的嚴重程度呈正相關[22]，而且在動物實驗中用抗IL-33抗體治療高氧急性肺損傷的新生大鼠(BPD的動物模型)，出現肺上皮細胞凋亡數目減少和肺組織病理性損傷減輕[17]。IL-33作為一種新的生物學標記物，在今后可能用于判斷BPD的嚴重程度、評估治療效果和BPD的隨訪，阻斷IL-33/ST2信號通路很可能成為治療早產兒BPD的一個新靶點。

1.3 IL-6與BPD

IL-6介導了肺組織早期炎癥反應及促進肺重塑，是導致早產兒發生BPD的獨立危險因素[23]。有研究表明，同在高氧環境下，IL-6基因缺失小鼠的肺組織中細胞凋亡數目顯著低于野生型小鼠[24]。除了在動物實驗中研究IL-6與BPD的關系，在早產兒的相關體液中也證實了兩者的關系。Hsiao等[25]研究發現極低出生體重兒BPD組血清和氣管抽吸液中的IL-6水平均高于非BPD組。而且暴露于絨毛膜羊膜炎(chorioamnionitis，CAM)的早產兒臍血中CD4+T細胞表達的IL-6水平也顯著高于那些未暴露于CAM的早產兒[26-27]。推測，早期暴露于高水平IL-6的早產兒，可能是因為其正常的免疫系統被抑制，從而增加了患BPD的風險。IL-6的降低可減輕高氧誘導的肺損傷。

2抗炎細胞因子與早產兒BPD

早產兒(孕周<37周)的肺組織處在肺泡及肺間質均未發育成熟的小管期或囊泡期，當早產兒在該階段暴露于感染、高氧等有害因素時，不成熟肺組織表達的抗炎細胞因子不足以抑制促炎細胞因子的產生，炎癥反應調節失敗，最終促成BPD的發生。

2.1 IL-10與BPD

IL-10是輔助型T細胞2(T helper 2 cell，Th2)、巨噬細胞等產生的抗炎細胞因子，具有很強的抗炎功能，可清除炎癥中的病原體，抑制肺部炎癥反應[28]。越來越多的證據表明IL-10在BPD的發生中具有重要的保護作用。IL-10在BPD中的作用主要體現在以下三方面。

第一方面，IL-10可減少IL-6、IL-8、TNF-α等促炎細胞因子的釋放，從而終止BPD肺部炎癥反應[29]。IL-10通過與IL-10受體(IL-10 receptor，IL-10R)特異結合，激活信號轉導和轉錄激活因子(signal transducers and activators of transcription，STAT)，啟動JAK/STAT信號通路來發揮其強大的抗炎功能[30]。首先IL-10與IL-10R1的特異性結合使IL-10R2暴露其結合位點。隨后，IL-10R2與IL-10/IL-10R1結合形成三元復合體，該復合體會激活蛋白激酶JAK，JAK會磷酸化STAT3。最后，激活的STAT3同源二聚體進入胞核內調控IL-10靶基因啟動子內的SBE區域。

第二方面，高氧環境下，誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)作為NF-κB信號的重要下游蛋白在肺組織中被激活，iNOS產生過量的一氧化氮(nitric oxide，NO)直接對細胞產生毒性，引起彌漫性的肺泡損傷。IL-10可抑制NF-κB的活化，進而抑制iNOS的活性來保護肺組織[31]。

第三方面，IL-10通過減少組織蛋白酶B的釋放來減輕BPD的肺部炎癥。高氧環境下IL-8特異結合胎兒肺泡Ⅱ型細胞(fetal alveolar type Ⅱ cell，FAT Ⅱ Cs)表面受體，導致細胞內氧自由基積累，引起溶酶體膜損傷，并釋放出組織蛋白酶B來誘導肺泡細胞的死亡[32-33]。IL-10可能通過抑制IL-8來減少組織蛋白酶B的激活，IL-10也可能通過抑制NF-κB導致人巨噬細胞釋放的組織蛋白酶B減少。

足月兒的肺巨噬細胞能產生充足的IL-10來調節炎癥，早產兒的肺巨噬細胞卻不能產生足量的IL-10[34]。這可能是早產兒比足月兒更容易發生BPD的一個原因。最近也有研究發現，在BPD早產兒生后24h靜脈血中IL-10水平明顯下降，而且在中度BPD早產兒中IL-10缺乏更嚴重[35]。該研究進一步提示IL-10缺乏與BPD疾病嚴重程度有關，足量的IL-10是防止早產兒患BPD的保護因素。外源性補充重組IL-10可能是治療BPD的一種新策略[33，36]。

2.2 IL-4與BPD

IL-4是Th2細胞和肺泡巨噬細胞產生的具有多種生物學功能的抗炎細胞因子。它不僅是CD4+T細胞分化的關鍵調節因子，也是B細胞同型轉換的關鍵因素[37]。IL-4主要通過兩種途徑參與BPD肺組織的抗炎反應。①IL-4和IL-4受體(IL-4 receptor，IL-4R)特異結合能抑制中性粒細胞脫顆粒，阻止一些與BPD發生發展相關的促炎細胞因子(如TNF-α、IL-6、IL-8和IL-1β)的產生，從而抑制肺部炎癥反應[38-39]。②單核巨噬細胞有M1和M2兩種類型，M2型能有效地抑制M1型引發的炎癥反應[40]。IL-4是決定單核巨噬細胞向M2型極化的一個關鍵因素，當IL-4/IL-4R結合時會激活下游的JAK/STAT6和PI3K/AKT通路，誘導大量的M2型巨噬細胞產生[41]。增加的M2型巨噬細胞不僅會抑制M1的促炎表型，還會導致具有抗炎作用的IL-10大量分泌，從而改善肺組織的炎癥[42-43]。綜上，IL-4可能直接參與了BPD肺組織的抗炎活動，也可能借助IL-10間接地參與了抗炎活動。

3促纖維化細胞因子與早產兒BPD

炎癥造成的BPD肺損傷在各種促纖維化細胞因子的作用下會進一步發展為肺間質纖維化。肺損傷后，肺泡巨噬細胞等趨化因子被活化并釋放出促纖維化細胞因子，導致許多肌成纖維細胞增殖分裂，產生大量的細胞外基質蛋白，如結構蛋白、粘連糖蛋白等沉積于肺，造成肺部不可逆的損傷。

3.1轉化生長因子-β1與BPD

轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)來源于上皮細胞、內皮細胞及肺泡巨噬細胞等。正常量的TGF-β1能誘導肺血管內皮生長因子有關基因的表達，促進肺血管的正常發育，對肺組織是有利的。但是當TGF-β1過量表達就會抑制肺泡發育，誘導肺纖維化[44]。

肺纖維化是BPD患兒的晚期肺部并發癥之一。TGF-β1作為促纖維化細胞因子通過TGF-β1/Smad信號通路調控肌成纖維細胞的增殖與分化，與BPD患兒晚期肺纖維化的發生發展密切相關。高氧是誘發BPD的主要因素，隨著持續高氧，TNF-α等促炎細胞因子會促進TGF-β1的合成。過量的TGF-β1與Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸激酶受體(TGFβRⅡ)結合，轉化生長因子β受體Ⅱ(transforming growth factor β receptor Ⅱ，TβRⅡ)招募并磷酸化Ⅰ型絲氨酸/蘇氨酸激酶受體(TGFβRⅠ)，磷酸化的TGFβRⅠ再募集并磷酸化Smad2/Smad3，Smad2/Smad3再與Smad4蛋白結合[45]。Smad2/3-Smad4復合體作為轉錄因子進入細胞核中，誘導肌成纖維細胞合成大量的彈性蛋白等細胞外基質成分[46]，異常積累的細胞外基質就會阻礙正常的肺泡發育，誘發BPD晚期的肺纖維化。

越來越多的證據也支持TGF-β1參與了BPD的形成。在一項回顧性研究中發現，BPD患兒在出生后7d、14d、21d，其外周血中的TGF-β1水平逐漸升高[47]。除了外周血，在氣管抽吸液中TGF-β1也有變化。Aly等[48]研究發現，BPD組患兒氣管抽吸液中的TGF-β1水平比非BPD組顯著升高。綜上，早產兒外周血和氣管抽吸液中升高的TGF-β1水平可能具有預測BPD的臨床價值。抗TGF-β1的治療可能成為預防早產兒BPD的有效療法。

3.2血小板衍生生長因子與BPD

血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)主要由骨髓巨核細胞和上皮細胞產生，是胎肺間充質細胞的促分裂原[49]。PDGF受體有PDGFR-α、PDGFR-β兩種類型，PDGFR-α可促進肺泡的發育，PDGFR-β可促進肺血管的形成[50]。所以PDGF信號對肺泡和肺血管的發育極為重要。

PDGF信號的缺失會導致早產兒發生BPD[51]。在肺組織發育的肺泡期(孕周37周～生后3歲)，從支氣管上皮釋放出的PDGF-A與肺間充質細胞(肌纖維母細胞)表達的PDGFR-α結合后，會磷酸化細胞內酪氨酸激酶結構域中的酪氨酸殘基，從而激活下游的信號通路(如：PI3K/Akt通路、MAPK通路)來誘導肺間充質細胞沿上皮基底膜轉移到次級肺泡隔的頂端，肺間充質細胞進一步分化為能產生α平滑肌肌動蛋白和彈性蛋白的肺泡肌成纖維細胞，這些是參與肺泡形成所必需的細胞[52-53]。早產兒(孕周<37周)未經歷這個時期，所以早產兒不能形成正常的次級肺泡隔，阻礙了肺泡的正常發育，當受高氧等有害刺激時就容易發生BPD。

PDGF信號的過表達會促使BPD患兒發生肺纖維化。BPD患兒的肺組織在受到持續感染時，Ⅱ型肺泡上皮細胞受損會釋放出大量的PDGF[54]。PDGF/PDGFR信號會激活下游的p38 MAPK和p42/p44 MAPK通路，促進肺纖維細胞向受損的肺部遷移，加速細胞外基質蛋白如膠原蛋白、纖維連接蛋白和層粘連蛋白等在肺泡和肺間質中異常積累，引起肺纖維化[55]。

4總結與展望

綜上所述，各種促炎、抗炎及促纖維化細胞因子都在BPD的發病過程起著重要作用。肺發育不成熟、肺部炎癥反應、肺纖維化是BPD的3個病理基礎階段，每個階段有不同的細胞因子參與，而且各細胞因子之間還存在相互作用。從血清、氣管抽吸物或支氣管肺泡灌洗液等多方面來檢測患兒機體內細胞因子的動態變化對臨床及早進行BPD干預很有價值。目前為止，BPD的發病機制還未完全闡明，更無特別有效的預防和診療措施，從細胞因子方面進一步探討BPD的發病機制，對臨床早期預防和診療BPD具有重大意義。細胞因子有望在臨床上用于治療BPD，從而為BPD開辟一種新的治療途徑。