炎癥反應在囊性纖維化性肺病的作用機制及治療策略

牛慧 張典 李晨 程靜 楊海龍 張雅青 謝建軍 李全民

作者單位：1. 065201 河北 三河，三河市燕郊人民醫院內科 2. 075000 河北 張家口，張家口市肺科醫院 3. 100056 北京，中國人民解放軍火箭軍特色醫學中心臨床部

囊性纖維化(Cystic fibrosis,CF)是一種常染色體隱性遺傳性疾病，由囊性纖維化跨膜轉導調節因子(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)基因突變引起。CF在不同國家的患病率差異很大。據報道，美國白種人的患病率約為1：2500；太平洋島民為1：100000。CF患者的中位預測生存期為47.7歲[1]。目前國內尚無CF患病率的調查。CF可造成全身多系統功能障礙，最常累及呼吸系統，導致囊性纖維化性肺病(Cystic Fibrosis Lung Disease，CFLD)，是CF最常見的死亡原因。CFLD的病理生理特征是氣道中持續的免疫細胞聚集引起的慢性非特異性炎癥[2]。本文就近年來炎癥反應在CFLD的作用機制及治療策略的研究進展予以綜述。

CFLD簡介

CFLD的臨床特征是氣道內早期的細菌定殖和感染。金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和其他病原體引起持續的氣管及支氣管感染，持續存在的慢性氣道和全身性炎癥反應，導致肺組織結構破壞，最終引起支氣管擴張及呼吸功能不全[5]。CFLD患者出現的全身性炎癥反應，包括急性期血清炎癥標志物水平增加，對多種外源性和內源性抗原的高效價抗體，Th2細胞誘發的細胞因子過度表達等。CFLD早期出現的持續而強烈的氣道炎癥反應可與其他肺部疾病相區別。通過檢測氣道中性粒細胞彈性酶水平，有助于預測病程后期支氣管擴張的發生風險[6]。

炎癥反應在CFLD的作用機制

一、氣道表面黏膜纖毛清除功能受損

氣道表面液體和粘液層結構復雜，可隨著內外環境的變化進行適應性的動態改變。黏膜纖毛清除病原體需要氣道表面有流動狀態的粘液，以促進顆粒狀物質和病原體及時排出；氣道粘液層也提供對內源性和外源性有害物質的保護性屏障。氣道上皮細胞分泌的粘蛋白形成網狀結構，粘蛋白MUC5AC、MUC5B和MUC2吸收并儲存水份，使纖毛間的水份含量在大多數情況下保持恒定。以確保氣道表面液體和粘液層穩定的水合作用，使纖毛能及時清除病原體及其他有害物質[7]。研究發現，CFTR對于調節氣道表面液體和粘液層的性狀變化非常重要。通過分泌Cl-并直接或間接調節Na+的重吸收，CFTR在平衡氣道表面液體和粘液層正常的水合作用發揮重要作用。由于CFTR基因突變導致Cl-分泌減少，使粘液層的滲透壓發生改變，引起過量Na+和水份重吸收。氣道表面液體和粘液層的水合作用出現異常后，黏膜纖毛不能正常清除病原體，易引起氣道持續的炎癥反應[8]。

CFTR基因突變可引起氣道表面粘液層缺氧。對CFLD動物模型研究發現，氣道上皮杯狀細胞分泌稠厚粘液，呈多層狀粘附在氣道表面。終末期CFLD患者肺組織中有大量膿性粘液堵塞小氣道，影響正常肺組織的氣體交換。CFLD患者并發銅綠假單胞菌感染后，覆蓋膿性粘液氣道的氧張力顯著降低，降低氣道正常的防御功能并促進細菌生長。粘液層缺氧也可引起一系列的細胞因子級聯反應。其中，低氧誘導因子-1是一種影響血管生成、炎癥反應和纖維化的轉錄因子。CFTR基因突變可能會改變低氧誘導因子-1的穩定性，進一步加重氣道的炎癥反應[9]。

三、脂代謝異常與氣道炎癥反應

CFTR基因突變可引起氣道上皮細胞的脂質代謝異常。神經酰胺是鞘磷脂的代謝產物，通過酸性神經酰胺酶作用后轉化為鞘氨醇。有研究發現，CFTR基因突變后，CFLD氣道上皮細胞的酸性神經酰胺酶活性受到抑制，使氣道上皮細胞神經酰胺積聚，高濃度神經酰胺易引起上皮細胞凋亡，激活IL-1β和趨化因子，引起氣道上皮炎癥反應[12]。另有研究則發現，部分CFLD患者氣道上皮細胞中缺乏神經酰胺，并與強烈的氣道上皮炎癥反應有關。通過提高CFLD氣道上皮細胞神經酰胺水平，可明顯降低CFLD氣道上皮炎癥反應[13]。不同研究中截然相反的結果可能與神經酰胺的測定方法不同有關。另外，神經酰胺對于宿主氣道上皮的防御功能具有雙重屬性，這可能取決于不同部位氣道上皮細胞神經酰胺的含量。而保持一定水平的神經酰胺對于清除氣道內細菌和控制炎癥反應至關重要[14]。因此，氣道上皮細胞中神經酰胺水平不能降低到臨界水平以下，否則可能影響宿主氣道上皮基本的防御功能。此外，與CFTR相關的其他脂質代謝異常包括CFLD氣道上皮細胞膜中花生四烯酸與二十二碳六烯酸的比值異常增高，與氣道炎癥反應增強有關。二十二碳六烯酸是幾種抗炎脂質前體，包括溶解酶等。在氣道高反應性動物模型中，恢復細胞膜中兩者的正常比值，可以明顯降低氣道的炎癥反應[15]。

四、其他與氣道炎癥反應有關的免疫途徑失調

其他與氣道炎癥反應有關的免疫途徑失調，也直接或間接與CFTR基因突變有關。例如，CFLD患者氣道上皮細胞NO合成減少，STAT1信號改變導致NOS2失活，使T淋巴細胞向Th17表型分化；異常Nrf2信號阻止適當的抗炎和抗氧化反應，增加了MAPK和NF-kB依賴性炎癥因子激活等[16]。另外，CFLD患者全身和肺上皮細胞內谷胱甘肽含量降低，盡管CFTR對谷胱甘肽的選擇性較差，推測可能與缺乏CFTR介導的谷胱甘肽轉運異常有關。谷胱甘肽缺乏，促進NF-kB依賴性炎癥因子轉錄，并可能與CFLD肺部的炎癥反應有關[17]。

研究發現，CFTR基因突變與氣道炎癥細胞中關鍵免疫途徑的功能障礙有關。吞噬溶酶體氧化殺傷時，缺乏CFTR的中性粒細胞分泌Cl-出現異常；巨噬細胞在攝入洋蔥伯克霍爾德菌后顯示吞噬溶酶體融合延遲，細菌不能被及時清除；同時，微囊蛋白-1表達水平降低及Toll樣受體-4依賴性反應增強；誘導幼稚T淋巴細胞向Th17表型分化等[18]。因此，在CFLD肺部病變觀察到的強烈炎癥反應是多因素的，與CFTR基因突變相關的多種免疫細胞出現功能障礙，并涉及氣道上皮細胞和炎性細胞固有的多種免疫途徑異常。

CFLD抗炎治療策略

一、抗生素的抗炎作用

細菌感染是引起CFLD氣道炎癥反應的主要因素，抗感染治療具有減輕氣道炎癥反應的作用。根據呼吸道分泌物培養及藥敏實驗結果，選擇敏感抗生素靜脈注射是減少CFLD氣道炎癥反應的最佳短期治療策略[19]。由于靜脈內抗生素并不適合長期使用，因此，探索非靜脈途徑應用抗生素成為有效減少CFLD氣道炎癥反應的長期治療策略之一。研究發現，吸入妥布霉素可降低外周血，中性粒細胞百分數，顯著降低氣道炎癥反應，但其抗炎效果低于靜脈內使用抗生素[20]。

大環內酯類抗生素阿奇霉素具有抗炎作用。在一項為期6個月的臨床研究中，口服阿奇霉素(0.5g 每周3次)可顯著改善肺功能和生活質量，促進體重增加；亞組分析發現，在感染銅綠假單胞菌的輕中度CFLD患者中，出現肺部病變急性加重次數明顯減少，痰液中彈性蛋白酶的穩定性降低，痰液易于分解[21]。另外，對未感染銅綠假單胞菌的CFLD受試者，阿奇霉素可降低外周血中性粒細胞百分數和血清炎性標志物，明顯減輕肺部病變急性加重的嚴重程度，但對肺功能無明顯影響。阿奇霉素對CFLD的作用機理尚不清楚，可能與阿奇霉素的抑菌和抗炎癥反應，改善小支氣管擴張等多種作用有關。CF基金會建議，對6歲及以上感染銅綠假單胞菌的CFLD患者可長期口服阿奇霉素，未感染銅綠假單胞菌的CFLD患者建議權衡利弊后使用[22]。

二、糖皮質激素的抗炎治療

糖皮質激素是最早作為抗炎治療使用的藥物。在一項為期4年共納入45例輕中度CFLD患兒的單中心臨床試驗中，與安慰劑相比，隔天使用潑尼松(2mg/kg)與肺功能改善、體重增加和住院次數減少相關[23]。在另一項為期4年的多中心研究中，將285名6～14歲輕中度CFLD患兒隨機分組接受隔日潑尼松(1 mg/kg或2 mg/kg)及安慰劑治療。結果發現，隔日1mg/kg潑尼松治療的患兒肺功能恢復更好，存在銅綠假單胞菌感染時差異更明顯。但潑尼松治療的患兒呼吸道銅綠假單胞菌檢出率顯著增加，組間急性肺部感染的發生率相似。經六年的后續隨訪觀察，1mg/kg潑尼松治療患兒存在持續的生長發育異常，但肺功能監測顯示第一秒用力呼氣量百分比與安慰劑組相同；潑尼松停藥后，前期治療對肺功能的改善作用消失。考慮潑尼松治療可能使肺部有效氣體交換面積減少，因此，維持CFLD患兒正常肺功能，需要持續給予潑尼松治療[24]。也有研究發現，持續給予糖皮質激素吸入可以減緩CFLD患兒肺功能下降，隨著年齡增加，患兒體重和身高增長放緩，并發糖尿病患兒的胰島素或口服降糖藥用量增大。經規律吸入糖皮質激素治療后，停用吸入糖皮質激素與CFLD臨床癥狀惡化無顯著相關[25]。有關糖皮質激素在CFLD的實驗表明，通過抑制氣道炎癥反應可以維持CFLD患者肺功能，而不增加肺部感染的發生率。因此，由于長期服用糖皮質激素有較多的副作用，不推薦全身性糖皮質激素用于CFLD治療。吸入糖皮質激素用于CFLD治療需要更多的隨機對照實驗以明確臨床獲益。

三、非甾體類藥物的抗炎作用

非甾體類藥物具有廣泛的抗炎作用，在對CFLD治療中，布洛芬的研究證據最多，也是唯一推薦用于CFLD的非甾體類藥物。CFLD患兒接受布洛芬治療，可減緩肺功能下降，住院次數明顯減少，身高、體重增長正常，而不良事件的發生率無顯著增加。布洛芬對維持肺功能具有有益作用，可使每年第一秒用力呼氣量百分比的降低率減少29%[26]。因此，CFLD使用布洛芬治療的臨床獲益較大。布洛芬通過調節氣道炎癥反應，可減緩CFLD患者(尤其兒童)肺部病變的進展。布洛芬長期治療使胃腸道出血的風險增加，聯合使用抗酸劑、質子泵抑制劑有助于降低胃腸道出血。目前，布洛芬尚未在CFLD臨床治療中得到廣泛使用，可能與維持治療合理劑量的選擇及長期治療的不良反應有關。

四、細胞內信號傳導調節劑

通過調節氣道上皮細胞與炎癥反應有關的轉錄因子，成為CFLD治療干預的新靶點。白介素-1及白介素-10水平降低與氣道炎癥反應增加相關，通過調節白介素-1及白介素-10的表達可抑制核因子-κB(nuclear factor -κB，NF-κB)及促炎性細胞因子的產生，對減輕氣道炎癥反應有益[27]。CFLD氣道上皮細胞缺乏過氧化物酶體增殖物激活受體，導致NF-κB及其抑制劑IκB水平失衡。噻唑烷二酮類通過上調相應受體表達，抑制NF-κB的激活，可能影響CF氣道的炎癥反應。研究發現，給予吡格列酮干預28天后，痰液中炎癥介質的表達并無明顯變化。分析可能與吡格列酮劑量不足、干預時間太短及受試者人數較少(n=20)有關[28]。應進一步對吡格列酮治療CFLD的可行性進行深入研究。

有學者發現，CFLD患者呼出氣中NO水平降低，可能導致氣道內細菌感染和炎癥反應增加。由于Jak-Stat信號通路與NO的正常表達有關，CFLD患者Jak-Stat信號轉導異常，降低了一氧化氮合酶-2 mRNA生成[16]。體外實驗顯示，γ-干擾素可影響Jak-Stat信號轉導通路，恢復一氧化氮合酶-2 mRNA的正常表達。但臨床觀察，給予吸入γ-干擾素(500μg和1000μg)干預后，CFLD患者肺功能并無顯著改善，痰液中細菌密度及炎癥標志物也無明顯變化。而接受1000μg吸入干擾素-γ治療的受試者因肺部惡化而住院的比例更高[29]。因此，γ-干擾素對CFLD患者肺部病變無明顯改善作用。另外，上調氣道上皮細胞RhoGTPase表達可能導致NO水平降低，而RhoGTPase可被他汀類藥物所抑制。辛伐他汀可增加呼出氣NO含量，但對痰液中炎癥標記物無明顯影響[30]。CFLD患者給予他汀類藥物治療對氣道炎癥反應的作用需進一步研究明確。

五、抑制中性粒細胞內流和中性粒細胞產物

中性粒細胞參與CFLD氣道的炎癥損傷，通過限制中性粒細胞內流或抑制中性粒細胞產物可能影響氣道的炎癥反應。CXCR2是一種表達于中性粒細胞表面的受體，能夠識別中性粒細胞趨化因子白介素-8。研究發現，CXCR2拮抗劑用于治療CFLD，可減少痰液中炎癥標志物，但對肺功能并無明顯影響[31]。LTB4是花生四烯酸代謝產物，是存在于CFLD氣道中的一種強效中性粒細胞趨化因子。在銅綠假單胞菌肺部感染的小鼠模型中，作為一種特異性LTB4受體拮抗劑，BIIL 284 BS干預對氣道的炎癥反應并無顯著影響。在CFLD預實驗研究中，BIIL 284 BS治療后出現與肺功能損傷有關的嚴重不良事件。研究認為，BIIL 284 BS可能對LTB4通路的抑制作用太強，導致宿主抗微生物防御能力受損，反而導致氣道的炎癥反應進一步加重[32]。此外，通過抑制中性粒細胞產物可減輕CFLD肺部病變的嚴重程度。蛋白酶和氧化劑可分別靶向作用于中性粒細胞產物。CFLD肺中的游離蛋白酶比抗蛋白酶抑制物水平顯著增高。給予抗蛋白酶治療對肺部病變具有積極的改善作用。在一項多中心、隨機、開放標簽的多中心實驗中，吸入α1-抗胰蛋白酶4周與中性粒細胞、促炎細胞因子和彈性蛋白酶活性的顯著降低有關[33]。

除蛋白酶外，中性粒細胞還釋放大量的氧自由基，導致組織細胞損傷。給予抗氧化劑可減輕CFLD氣道的炎癥反應。進一步研究發現，CFLD肺組織中抗氧化劑谷胱甘肽水平顯著降低，補充谷胱甘肽可以減少炎癥細胞中超氧化物產生，但未檢測到氧化應激標記物BAL的明顯變化，對CFLD肺功能及臨床結局無顯著影響[34]。此外，N-乙酰半胱氨酸是一種粘液溶解劑及抗氧化劑，可抑制H2O2并增加谷胱甘肽水平，是合成谷胱甘肽的必需前體。研究發現，口服N-乙酰半胱氨酸與全血谷胱甘肽水平升高以及痰液中性粒細胞、白介素-8和彈性蛋白酶活性降低相關。N-乙酰基半胱氨酸可穩定肺功能，但對中性粒細胞彈性蛋白酶活性或其他炎癥生物標志物沒有影響[35]。中性粒細胞是參與氣道炎癥反應的主要炎性細胞，因此，調整中性粒細胞在炎癥反應的作用有助于控制CFLD氣道的炎癥損傷。

六、脂質調節劑的抗炎作用

氣道上皮細胞膜中某些脂質異常可能引起CFLD氣道的炎癥反應。例如，CFLD氣道上皮細胞膜中花生四烯酸水平增加，而二十二碳六烯酸水平降低。對CFLD患者補充二十二碳六烯酸，有利于CFLD氣道炎癥的改善，但對肺功能監測的結果差異很大，這與二十二碳六烯酸的給藥劑量、研究人數、治療時間不同有關[36]。Lipoxin A4是一種來自花生四烯酸代謝的omega-6多不飽和脂肪酸，通過抑制NF-κB及促炎細胞因子的產生和中性粒白細胞的遷移促進炎癥消退。CFLD患者和肺部感染銅綠假單胞菌小鼠模型的支氣管肺泡灌洗液中LXA4含量降低。銅綠假單胞菌感染小鼠給予Lipoxin A4干預時，中性粒細胞計數、細菌負荷和氣道炎癥水平均顯著降低[16]。Lipoxin A4對促炎細胞因子的抑制作用可能成為炎癥反應治療的新途徑。

小 結