病毒感染相關慢性阻塞性肺病急性加重的免疫機制及潛在靶點研究進展

張東艷，張 森，劉 華

（甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院/甘肅省人民醫院呼吸與危重癥醫學科，甘肅 蘭州 730030）

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種因吸入煙草煙霧等有害顆粒或氣體引起氣道氧化應激、炎癥反應以及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等多種途徑參與發病的慢性氣道炎癥及系統性炎癥的異質性疾病[1]。據報道[2]，40 歲以上人群COPD 患病率為13.7%，估算我國COPD 患病人數高達9900 萬，其預防、治療和費用仍然是一個挑戰。COPD 患者因氣道感染或非感染因素引起呼吸癥狀急性惡化，導致需要加強治療甚至就診的程度即為慢性阻塞性肺疾病急性加重（acute exacerbation of chronicobstructive pulmonary disease，AECOPD）[3]。有研究報道[4]，每年有22%～40%的COPD 患者經歷至少一次中度或嚴重的惡化，因急性加重而住院的COPD 患者3 個月的死亡率超過15%。觸發和促進AECOPD 發生和發展的最常見因素是呼吸道感染。近年來，AECOPD的異質性逐步得到重視和初步探索，急性加重有可能是“細菌感染、毒感染、嗜酸粒細胞增高或寡細胞”的內因型[5]，其防治策略也有所不同，然而目前多采取呼吸支持、營養支持治療及適當應用糖皮質激素以改善肺功能，使患者度過病情危險期，但其實質上仍將急性加重視作“同質性事件”。而抗病毒治療在AECOPD的治療中存在較大爭議。病毒所致AECOPD 可能與病毒感染所致免疫炎癥因子過度表達有關。病毒誘發AECOPD的具體途徑仍需進一步明確。本文對呼吸道病毒感染相關AECOPD 患者免疫機制及潛在靶點進行綜述。

1 病毒相關AECOPD的先天性固有免疫機制

1.1 TLR 信號通路介導的先天性免疫識別 Toll 樣受體（Toll-like receptor，TLR）是非克隆性表達于多種先天性免疫細胞包括上皮細胞表面，其作為受體分子的一類Ⅰ型膜糖蛋白[6]。先天免疫系統通過模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）與入侵病原體和組織細胞溶解過程中釋放的病原相關分子 模 式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）和損傷相關的分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）相應結合，激活多種免疫途徑，識別“自己”與“非己”。TLRs 為膜型PRR的代表成員[7]。TLRs 可啟動激活信號轉導途徑，并誘發炎性細胞因子和共刺激因子的表達，包括核因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）和干擾素（interferon，IFN）調節因子（interferon regulatory factors，IRFs）等[8]。香煙 煙 霧（cigarette smoke，CS）可 以 直 接 觸 發PAMPs，導致TLR2、3、4、9 等多種TLRs 表達升高，與痰中性粒細胞數量、促炎細胞因子的分泌和肺功能損害有關[9]。CS 被認為是宿主暴露于病毒后先天免疫應答的抑制劑，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）抑制了甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）感染的人和小鼠肺內視黃酸誘導基因-Ⅰ樣解旋酶受體（retinoid acid-inducible gene-Ⅰ-like receptors，RLRs）（胞內型TLR）介導的的抗病毒先天免疫反應[10]。有研究發現[11]，在AECOPD 中呼吸道合胞病毒的感染可導致TLR3的表達增高。白芹等[12]使用流感病毒菌株H3N2感染人的原代氣道上皮細胞，結果發現流感病毒通過激活TLR7/NF-κB信號通路，可激活NF-κB，使氣道炎癥反應級聯放大，而siRNA 沉默TLR7 表達促炎作用減弱，說明流感病毒通過激活TLR7/NF-κB 信號通路參與AECOPD 病理生理過程。Carvalho JL 等[13]研究發現，鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus，LR）通過減少TLRs 受體的表達，恢復轉錄因子NF-κB/信號傳導與轉錄激活因子-3（signal transducer and activator of transcription-3，STAT-3）和細胞因子信號轉導抑制物-3（suppressors-of-cytokine-signaling 3，SOCS3）之間的平衡來調節人氣道上皮細胞分泌促炎和抗炎分子。以上研究提示，TLRS 是識別病原體和產生持續性全身炎癥“瀑布效應”的中間環節，通過TLRs調控促炎反應，可能為免疫調節劑和抗病毒藥物的開發提供新思路。

1.2 NLRP3 炎癥體與自噬途徑 NLRP3 炎癥體是由胞質型PRRs 核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）參與組裝的多蛋白復合物，介導病毒核酸的細胞質識別并招募和激活促炎癥蛋白酶Caspase-1，活化的Caspase-1 切割白細胞介素-1β（interleukin-1 β，IL-1β）和IL-18的前體，產生相應的成熟細胞因子[14]。近年研究表明[15]，異常的NLRP3 激活與導致癌癥、衰老和退行性疾病發展的慢性炎癥有關。王海濱等[16]研究發現，COPD 急性期組血清NLRP3 炎癥體水平高于穩定期組，與肺功能指標明顯相關。

自噬是一種通過溶酶體途徑發生的降解過程，具有重要的免疫功能協調作用，包括免疫系統發育、調節先天和獲得性免疫和炎癥反應、細胞內微生物的選擇性降解以及宿主對感染性疾病的保護。Dong X等[17]研究證實，病毒感染過程中啟動依賴于SNX5（sorting nexin 5）的自噬相關的PI3KC3-C1/PtdIns(3)P 信號通路活化，以細胞自主的方式限制病毒復制，表明易感性差異與病毒侵入細胞能力或病毒感染后干擾素相關通路的激活無關，其主要發揮先天性抗病毒免疫作用。

Cheng Y 等[18]研究發現，核因子NF-E2 相關因子（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）可與線粒體自噬受體蛋白（optineurin，OPTN）結合，啟動線粒體自噬體形成，進而清除功能受損的線粒體，從上游阻斷NLRP3 炎性小體活化。IL-1β 是COPD 發展過程中具有代表性的衰老相關分泌表型因子。Shen Y 等[19]研究表明，自噬缺失的細胞在IL-1β/腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）聯合處理下因ATP 缺失引起溶酶體透化作用，水解酶如組織蛋白酶釋放導致組織壞死。綜上所述，線粒體自噬功能不足參與COPD 發病機制，并在COPD 中具有一定的保護作用。然而，高璇[20]研究表明，相比單純CSE 刺激，經過CSE 刺激及腺病毒感染的3LL 細胞系增加了腺病毒感染后自噬水平，腺病毒感染通過影響自噬水平參與了促進COPD 發生發展的過程中。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）通路可抑制自噬，Deretic V[21]研究表明，抑制劑雷帕霉素的短期給藥可提高小鼠CD8+T 記憶細胞對病毒感染反應的質量和幅度。以上結果表明，特異性的活化自噬被認為是一種誘導廣泛抗病毒免疫力的新策略，可以減少炎癥同時提高免疫反應的靈敏度，可能是病毒誘導的AECOPD的治療靶點。

1.3 IL-33-ST2 通路 IL-33 是IL-1 家族的一種細胞因子，可在屏障組織中表達，具有多效性功能[22]。一方面在穩態條件下，IL-33 主要以核蛋白的形式存在于非造血細胞中，在組織損傷、感染或壞死時，IL-33 以活性形式迅速釋放到細胞外環境中，并以表達IL-33 受體生長刺激表達基因2 蛋白（growth ST imulation expressed gene 2，ST2）的細胞為靶標，通過在多個靶細胞中誘導各種促炎癥細胞因子、趨化因子、和粘附分子來加重肺部炎癥。另一方面，IL-33增強轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）介導的叉頭狀家族轉錄因子Foxp3 驅動Treg 細胞（regulatory T-cells）的擴增及其自身受體ST2的表達，促進炎癥的緩解。

2 型固有淋巴細胞（type 2 innate lymphoid cells，ILC2）屬于先天淋巴細胞。ILC2 主要作用于介導Th2（T helper cell 2，Th2）細胞應答增強和組織修復。Monticelli LA 等[23]研究表明，流感病毒感染肺部后，ILC2 敲除鼠顯示出增生性上皮細胞再生能力受損和大量上皮細胞壞死。IL-33 是促使ILC2 分化的關鍵細胞因子。有研究發現[24]，與健康人相比，COPD患者血清IL-33、可溶性ST2（sST2）水平明顯高于健康人，外周血單核細胞ST2mRNA的表達及ILC2s水平顯著升高，而ILC2的增殖分化依賴于轉錄因子RAR 相關孤立受體A（RAR-related orphan receptor A，RORA），因此RORAmRNA 表達水平也明顯升高，表明IL-33 促進COPD 患者外周血單核細胞分化為ILC2 可能在COPD的發生發展中起重要作用。IL-33 也與病毒誘導哮喘惡化期間中性粒細胞細胞外陷阱的形成有關。Ravanetti L 等[25]研究表明，在流感病毒誘發哮喘加重的小鼠模型中抗ST2 抗體的治療顯著降低了氣道高反應性和肺部炎癥細胞數量，消除氣道腔內的中性粒細胞細胞外陷阱，降低了病毒載量。Aizawa H 等[26]研究發現，氧化應激通過絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路參與了IL-33 在氣道上皮細胞中的表達，在鼻病毒感染過程中增加了IL-33的表達；該研究同時比較了健康受試者和COPD 患者血清中抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine，NAC）對IL-33 表達的影響，結果發現H2O2增強的IL-33 表達及其被NAC 逆轉也被證實，說明氧化應激機制可能參與COPD 氣道上皮細胞中IL-33表達的調節和病毒誘導的惡化。該途徑的調節可能成為病毒誘導的COPD 惡化的治療靶點。

1.4 HIF-1α 與糖酵解重編程 COPD 患者的氣道以慢性炎癥、結構重塑和纖維化為特征。Mall MA 等[27]用特異性缺氧探針鹽酸匹莫硝唑證實了炎癥氣道上皮存在組織缺氧。為了使寄主能夠在低氧條件下對病原體做出有效和高效的反應，一定的低氧調節機制是必不可少的，其中缺氧誘導因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）是主要調節因子之一[28]。在缺氧條件下，HIF-1α 蛋白積累并與缺氧響應元件（hypoxia response elements，HREs）結合，從而激活其靶基因的轉錄，重新編程宿主細胞的葡萄糖代謝，將細胞代謝切換到無氧糖酵解途徑，對ATP的需求降低，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NAPDH）活性增加[29]。Gualdoni GA 等[30]研究證明，鼻病毒感染通過增加葡萄糖轉運體-1（glucose tansporter-1，GLUT-1）的表達，誘導宿主細胞的代謝改變使其朝著增強糖酵解的方向發展，從而實現有效的病毒復制。To EE 等[31]研究發現，多種呼吸道病毒通過內體NADPH 氧化酶2（NOX2）的激活，促進活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生，在核內體中ROS通過修飾Toll 樣受體7 來抑制抗病毒信號網絡，以防止過度抗病毒反應。相反，COPD 中存在氣道和全身炎癥，氧化應激和炎癥介質循環水平增加，過量的ROS 產生有可能損害基本的抗病毒免疫反應[32]。Oostwoud LC 等[33]研究表明使用谷胱甘肽過氧化物酶（Gpx）模擬物依布硒（ebselen）和NOX2 氧化酶抑制劑羅布麻寧（apocynin）可顯著降低暴露于CS 小鼠模型IAV 引起的肺部炎癥、超氧化物生成和病毒滴度。apocynin 吸入可降低COPD 患者氣道中亞硝酸鹽的濃度，提示Gpx 通路作為一個新的治療靶點來治療病毒引起的AECPOD。Semba H 等[34]研究證明，HIF-1α 誘導的丙酮酸脫氫酶同工酶1（pyruvate dehydrogenase kinase isozyme 1，PDK1）促進了輕度缺氧時巨噬細胞的糖酵解，PDK的化學抑制劑二氯乙酸（DCA）體外強烈抑制原代巨噬細胞的遷移，DCA 顯著抑制了巨噬細胞中IL-1β 等炎癥基因的表達。因此，HIF-1α-PDK1 軸誘導的活性糖酵解是發生在全身炎癥過程中巨噬細胞遷移和激活過程的基礎，表明抑制巨噬細胞HIF-1α-PDK1 軸可以抑制炎癥反應，可能成為一種潛在的調節炎癥過程的治療方案。

2 病毒相關AECOPD的特異性免疫反應失衡機制

2.1 Th1、Th17、Treg 失衡 調節性T 細胞（regulatory T-cells，Treg）和輔助性T 細胞（T helper cells，Th）包括Thl、Th2、Thl7、Th22，屬于CD4+T 淋巴細胞的不同亞群。相較健康人群，COPD 患者抑制了T 細胞分化，以此作為免疫反應的特征。對AECOPD 患者的免疫功能研究發現[35]，AECOPD 患者的免疫功能偏向免疫抑制表型。COPD 患者最常見的表型為嗜中性粒細胞表型，其主要與炎性小體激活、T1 和T17介導的免疫反應有關[1]。基質金屬肽酶12（matrix metallopeptidase 12，MMP12）、中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）等產生的彈性蛋白片段作為一種自身抗原，可誘導IL17A 驅動的特異性T細胞反應，COPD 患者外周血中Th1、Th17 和Tc17水平顯著升高。Th17 介導的自身免疫可導致支氣管炎樣和肺氣腫表型[36]。有研究發現[37]，在COPD 相關Th1/17 偏置炎癥環境中，polyI:C（聚胞苷酸，雙鏈RNA的類似物）誘導病毒模式識別受體（TLR3、TLR7、IFIH1 和DDX58）表達增加，IL-6、CXCL-8、TNF 和IL-1βmRNA的表達在polyI:C 應答中顯著上調，IL-1βmRNA 表達的增加無顯著差異，這表明Th1/17 偏置的細胞因子環境本身并不會導致與COPD 相關的抗病毒應答受損，模式識別受體增強的信號轉導可能有助于病毒誘導的AECOPD的炎癥反應。Chiappori A 等[38]研究將CD4+Treg 定義為CD4+CD25 高表達CD127 低表達CD4+T 細胞群體，Treg 通過免疫抑制因子介導細胞在外周免疫耐受。人類白細胞抗原-DR（HLA-DR）是一種人類Ⅱ類主要組織相容性復合體（MHC）抗原，表達于CD4+T 淋巴細胞表面，特別是CD4+Treg 細胞，可作為活化T細胞的標記物[39]。Zhang L 等[40]通過流式細胞術分析外周血T 細胞的免疫表型，并與非病毒誘導的AECOPD 組進行比較，結果發現病毒誘導的AECOPD患者外周血中CD4+HLA-DR+的頻率更低，提示病毒組的CD4+Tregs 在體內對效應T 細胞的抑制作用較弱、時間較長，這與病毒誘導的AECOPD 患者臨床癥狀較嚴重相一致。與以上研究結果不同，常芬[41]研究發現，Treg 通過表達細胞毒T 淋巴細胞相關抗原4（cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4）來抑制免疫應答，在AECOPD 患者中CTLA-4 表達高于穩定期COPD 患者和健康的非吸煙受試者，導致Th1 細胞對病原菌的清除能力減弱，阻斷CTLA-4 可恢復Th1 細胞功能。

2.2 PD-1/PD-L1 與CD8+T 淋巴細胞 研究發現[42]，AECOPD 患者的肺部中CD8+T 細胞數量增多，但這些患者仍然面臨呼吸道病毒感染的巨大風險，且AECOPD 患者抗病毒功能紊亂與程序性死亡受體（programmed death 1，PD-1）/程序性死亡受體-配體1（programmed cell death-ligand 1，PD-L1）軸有關。PD-1 是T 細胞受體CD28 家族的成員，近年研究發現PD-1 是傳統T 淋巴細胞細胞的負性調節因子。Mckendry RT 等[43]研究發現，COPD 患者肺移植體中CD8+T 細胞表達PD-1的比例明顯高于健康對照組。病毒感染顯著上調了CD4+和CD8+T 細胞PD-1的表達，同時流感顯著上調健康對照組CD8+T 細胞的細胞毒性脫顆粒標志物CD107a，而COPD 患者的CD107a 無明顯上調，說明COPD 患者CD8+T 細胞利用顆粒酶B 和穿孔素等誘導病毒感染細胞凋亡，導致抗病毒細胞毒功能存在缺陷，病毒脫落時間延長；此外，病毒誘導COPD 組巨噬細胞PD-L1的表達減少，而IFN-γ的釋放相應增加，以上研究表明COPD 患者不能通過降低PD-L1的表達來阻止細胞因子的釋放共同參與COPD 急性加重。Huang J等[44]研究發現，胰高血糖素樣肽-1 受體（glucagonlike peptide-1 receptor，GLP-1R）在COPD 患者外周血單個核細胞中的表達水平低于健康受試者，并與IFN-γ的表達有關，且經特異性GLP-1R 激動劑利拉魯肽治療顯著恢復了外周血單個核細胞的IFN-γ產生，并下調了表達PD-1的T 細胞比例。這表明GLP-1R 信號傳導的損害也發生在COPD 患者的循環外周血單個核細胞中，GLP-1R 信號的恢復可以改善COPD 患者的T 細胞功能缺陷。

3 總結

免疫功能障礙和炎癥反應是COPD 發生的驅動機制。大量研究提示病毒感染通過影響機體免疫系統，導致免疫系統功能失調，從而誘發COPD 發生或者加重。在AECOPD 中必須在清除病原體，但損害肺組織的促炎反應和具有抗炎作用但阻礙抗菌免疫的免疫抑制網絡之間取得微妙的平衡，在免疫抑制反饋環扎找到一個平衡點可能是AECOPD 治療中的重要靶點。COPD 是一種與皮質類固醇不敏感相關的疾病，存在COPD 相關糖皮質激素抵抗，且使用皮質類固醇抗炎治療時可能會損害先天抗病毒免疫反應。研發新的針對AECOPD 相關炎癥級聯反應中不同潛在靶點的藥物，促進免疫功能的恢復可以潛在地防止病原體介導的疾病惡化，還可以減輕病毒感染誘導的炎癥和組織破壞，或將成為真正治療病毒感染相關AECOPD 最直接的方法。