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支气管哮喘气道重塑的研究进展

2018/12/24

朱曼旎  吉宁飞  黄茂
江苏省人民医院(南京医科大学第一附属医院) 210029
 
 
   1922年,Huber和Koessler首次描述了支气管哮喘(哮喘)气道重塑现象[1]。早前认为哮喘是由气道平滑肌异常痉挛引起,在经过对哮喘患者支气管活检标本的研究后,提出了炎症细胞和介质对哮喘发病的作用[2]。然而,直到近年来才陆续有研究揭示了气道结构改变对哮喘的重要影响[3]

   1  哮喘气道重塑的概念

   哮喘气道重塑是指由于哮喘反复发作,气道壁出现损伤和修复的的重复循环,致使气道壁结构改变。除哮喘外,其他肺部疾病也可能发生气道重塑,但不同疾病形成气道重塑的病理特征不尽相同[4]。哮喘主要表现为上皮损伤、上皮下纤维化、平滑肌增生、杯状细胞增生、黏液腺肥大和黏液性化生、基底膜增厚、细胞外基质沉积、气道微血管新生等病理特征[5]。气道重塑在炎症早期即可发生,是一个缓慢而持续的过程。研究显示,在过敏原刺激机体的24小时后,气道重塑和气道炎症将同时发生[6]。轻度哮喘患儿即可存在气道基底膜的增厚[7]

   2  哮喘气道重塑的发病机制

   炎症被认为是大多数气道重塑的主要动力。多种细胞因子、趋化因子和生长因子从气道炎症细胞和组织细胞中释出并形成复杂的信号环境,驱动气道重塑。与气道重塑相关的细胞和介质包括:①嗜酸性粒细胞:释放颗粒蛋白、白三烯(LT)及血小板激活因子等导致气道收缩、黏液分泌及血管通透性增加。同时,嗜酸性粒细胞是转化生长因子-β(TGF-β)的主要来源,诱导上皮下纤维化、气道平滑肌肥大、杯状细胞增殖[8]。②气道上皮细胞:是表皮生长因子(EGF)的重要来源,驱动气道纤维化和平滑肌细胞、神经营养因子和血管生成因子(VEGF)增殖[9],促进神经元和微血管增生。③气道平滑肌(ASM)细胞:ASM细胞是支气管内的主要结构细胞,在哮喘气道中,ASM细胞不断增殖肥大,伴随细胞外基质(ECM)沉积、杯状细胞分化[10]。在结构变化的基础上,ASM细胞还通过表达细胞黏附因子(CAMs)、细胞因子受体、趋化因子和Toll样受体参与炎症和重塑过程[11]。④Th2细胞:介导白介素-4(IL-4)、IL-5、IL-9、IL-13的合成,促使上皮下纤维化和平滑肌增生[12]。⑤Th17细胞:一项动物研究表明,气道炎症程度相同时,缺乏Th17细胞的小鼠气道重塑程度较对照组轻[13]。Al-Ramli等人[14]的研究显示,与健康对照组相比,哮喘小鼠气道中IL-17的mRNA表达水平显著提高。与Th17相关的细胞因子的作用机制,可能与其和结构细胞间相互作用有关,有待进一步研究证实。

   3  气道重塑与气道炎症、气道高反应性(AHR)

   哮喘以气道慢性炎症、AHR和气道重塑为主要特征。气道炎症的病理结果是气道狭窄和AHR,而气道重塑引起的气流受限与炎症相互影响,加重哮喘症状,使病情恶化。哮喘气道的结构改变,特别是平滑肌增殖,血管新生,上皮下纤维化,均与气流受限有关[15]。一项针对哮喘儿童的研究表明,早期AHR和气道重塑的程度可预示以后肺功能的下降[16]。但是,气道重塑与AHR之间的关系仍不明确。有研究显示,重症哮喘患者的AHR与气道壁增厚呈负相关[17]。而Siddiqui等人[18]的研究则表明AHR与气管重塑无关,而与ASM肌束中的肥大细胞有关。因此,气道重塑与AHR之间的关系及相互作用需要更多的研究。

   4  哮喘气道重塑的治疗

   气道重塑作为近年来的研究热点,治疗干预方法及效果仍为其关键问题。目前为止,抗炎药物仍在哮喘治疗中处于重要地位,尚无气道重塑的针对性药物。但是,近年来对气道重塑的治疗靶点的研究取得了诸多进展,为哮喘治疗提供了新的思路和方向。

   4.1  吸入性糖皮质激素(ICS)  由于具有强大的抗炎作用,ICS被认为可延缓甚至改善气道重塑。不同ICS治疗方案在气道重塑中作用的临床研究结果并不一致,这可能与ICS使用的剂量和疗程不同有关[19]。多数高剂量、长疗程的研究显示ICS可减少上皮下胶原厚度、血管重塑等,对气道重塑有一定缓解作用,而低剂量或短期治疗并不能有效减少上皮下纤维化[5、20]。然而,在实际临床工作中,长时间使用大剂量糖皮质激素可能引起的不良反应多,风险大,因此,糖皮质激素在气道重塑中的作用及临床应用仍存在争议。

   4.2  白三烯受体拮抗剂(LTRA) 体外试验发现,在LTD4、LTE4作用下,气道上皮细胞表达黏蛋白、层黏连蛋白β2亚基的水平上调,引起气道收缩、顺应性降低,气道平滑肌增厚[21]。Henderson等人[22]研究了LT在小鼠变应性气道重塑中的作用,形态学分析显示,卵清蛋白(OVA)致敏的小鼠气道平滑肌厚度是盐水对照组的2.1倍,而孟鲁司特治疗组小鼠和未治疗组相比,气道平滑肌厚度减少了80.1%。另一研究对比了激素和孟鲁司特治疗对变应原诱导的气道重塑的影响,结果提示激素治疗对气道平滑肌增殖无明显抑制作用,而孟鲁司特可逆转这一重塑过程[23]。孟鲁司特对气道重塑的作用机制可能与下调I型溶胶原蛋白羧基末端肽( PICP )水平及嗜酸粒细胞计数,减少气道中胶原沉积等有关[24]

   4.3  支气管热成形术(BT)  BT是唯一一种经FDA批准的,针对气道重塑的非药物疗法[25],主要针对在接受最全面的药物治疗后,仍无法获得有效控制的严重持续性哮喘患者。温控射频能量可作用于局部气道,通过减少ASM数量,产生临床效应、缓解患者症状。BT对气道结构的其他影响以及它如何导致临床获益尚不明确,其中可能的机制包括下调TGF-β、IL-5、IL-17等细胞因子表达,抑制ECM沉积,影响神经分布及血管新生等[26],但仍需要进一步研究加以证实。

   4.4  气道重塑治疗新靶点的相关研究  β-catenin是一种膜结合蛋白,这种蛋白在细胞核内充当转录因子,启动促使细胞分裂的基因表达[27]。除具备与细胞骨架相连、稳定细胞连接的功能外,还是WNT信号通路的主要介质。在胚胎发育中,WNT基因调控的重要信号传导系统即为WNT通路。哮喘发生时,可通过WNT依赖性/非依赖性方式激活气道中的β-catenin信号通路。异常激活的β-catenin信号通路可形成支气管收缩的动力传导通道,促使细胞增殖、修复和化生,从而导致哮喘气道重塑。β-catenin信号的小分子抑制剂可能成为哮喘气道重塑的治疗靶点,包括端锚聚合酶抑制剂(XAV939)、GSK-3抑制剂(SB216763、CT/CHIR99021、氯化锂和TDZD-8),抑制β-catenin与辅因子相互作用。Agrawal等人[28]发现,维生素D缺乏的OVA致敏小鼠较维生素D充足小鼠存在更严重的气道重塑表现。在体外,维生素D被证明可通过抑制CHEK-1和视网膜母细胞瘤蛋白239的磷酸化,抑制血小板源性生长因子介导的ASM细胞的增殖[29]。维生素D对ASM增殖的影响也可能来自于对NF-κB信号的抑制[30]。另一研究证明,维生素D可减少细胞外基质分泌,提高调节性T(T-reg)细胞活性,减少Th2型细胞因子产生,抑制纤维增殖,抑制细胞外基质蛋白和MMPs产生[31]。而维生素D缺乏会导致上述干预机制缺失,加重气道重塑。

   5  哮喘气道重塑的评估进展

   迄今为止,越来越多的侵入性/非侵入性检查手段被用于评估气道重塑。侵入性检查直接从组织标本中获取炎症细胞和介质,评估气道结构改变程度。而非侵入性检查的标本来源于痰液、呼出气、支气管肺泡灌洗液或其他体液,由于其无创性的优势,逐步在临床实践中广泛应用。

   5.1  肺组织活检  目前,评估气道重塑最精准的方法就是肺组织活检。通过支气管镜活检可以判断网状基底膜增厚、成肌纤维细胞增殖等改变[25]。同时,通过特殊染色方法,经过有经验的病理学专家协助,可确定组织切片中炎症细胞的亚型[32]。但由于支气管镜检查的有创性,限制了其广泛开展和应用。

   5.2  诱导痰  诱导痰检查可作为评估气道炎症及气道重塑的重要手段。现认为炎症细胞可浸润至气道管腔,因此痰液及组织中的炎症细胞相符合。测定诱导痰中的EOS和NEU,有助于鉴别哮喘亚群,如中性粒细胞(NEU)性哮喘和嗜酸粒细胞(EOS)性哮喘,并可评估激素的治疗反应。尽管诱导痰检查较准确,但临床检测较为费时,也需要一定的操作技术,且由于患者的配合度问题等,有时结果难以复制。

   5.3  呼出气一氧化氮(FeNO)  FeNO是使用最为广泛的反映哮喘气道炎症的呼出气生物标记物。尽管费用较高,但FeNO可在临床快速检测,有助于合理选择哮喘治疗方案及预测急性加重可能。现认为FeNO是EOS炎症的生物学标记物,当哮喘控制不佳和(或)哮喘急性加重时,FeNO水平可显著升高,此时应给予糖皮质激素治疗。而一项2014年的研究显示,重症哮喘患者的FeNO水平并不高,说明重症哮喘可能是以非EOS性炎症为主[33]

   5.4  呼出气冷凝物(EBC)  与正常人比较,EOS性哮喘患者EBC的pH值明显降低,病情越重者,其EBC的pH值降低越明显。有学者认为EBC的低pH值是严重哮喘或者哮喘控制不佳的标志物。此外,Caffarelli等人[34]发现,急性哮喘发作患儿的EBC中,H2O2浓度显著增高,即使在经过有效治疗、症状缓解后,短期内仍维持较高水平。

   5.5  支气管超声检查(EBUS)  2004年,EBUS首次被用于评估支气管壁厚度[35]。EBUS测定的上皮下组织厚度(包括平滑肌)与组织切片显示的气道平滑肌面积较一致[36]。Soja等[37]发现,运用EBUS测量支气管壁面积和管壁面积/总直径比,与HRCT呈现的结果相符,证实了EBUS在测量哮喘患者支气管壁厚度中的作用。研究表明,超声探针的导入对支气管管径和气道壁厚度没有任何影响[35]。同时,其无辐射伤害的优势也促使EBUS成为评估哮喘患者气道重塑的重要手段。

   5.6  其他  支气管肺泡灌洗液、肺功能、高分辨率CT、AHR等也可被来评估患者的气道重塑情况,但研究结论尚未统一,需更多研究加以验证。

   6  总结与展望

   现有证据表明,哮喘气道重塑是由多种细胞和介质参与的复杂的病理过程,是评价哮喘严重程度、治疗效果及肺功能下降情况的重要途径。气道重塑在哮喘早期即可出现,并且在病程中持续存在、不断进展。我们可以通过多种侵入性/非侵入性检查方法对其进行评估。虽然目前尚无特异性抗气道重塑的药物,但有证据表明予ICS、LTRA联合LABA、LAMA等治疗后,气道重塑可有不同程度的改善。然而,目前仍存在诸多问题,例如,对于哮喘气道重塑的确切病因和发病机制尚未完全清楚,气道重塑中的哪些成分对哮喘的临床表现影响最大?有无特异性的生物学标记?何时为干预治疗气道重塑的最佳时机?有效的治疗靶点是什么?(气道平滑肌/上皮细胞/免疫细胞)。气道重塑研究任重道远。
 

参考文献
[1] Huber HL, Koessler KK. The pathology of bronchial asthma[J]. Arch Intern Med Exp 1922; 30: 689-760.
[2] Minshall EM, Leung DY, Martin RJ, et al. Eosinophil-associated TGF-beta1 mRNA expression and airways fibrosis in bronchial asthma[J]. Am J Respir Cell Mol Biol,1997,17(3):326-333.DOI:10.1165/ajrcmb.17.3.2733.k
[3] Bergeron C, Tulic MK, Hamid Q. Airway remodelling in asthma: from benchside to clinical practice[J]. Can Respir J,2010,17(4):e85-93.
[4] Jones RL, Noble PB, Elliot JG, et al. Airway remodelling in COPD: It's not asthma![J]. Respirology,2016,21(8):1347-1356.
[5] Durrani SR, Viswanathan RK, Busse WW. What effect does asthma treatment have on airway remodeling? Current perspectives[J]. J Allergy Clin Immunol,2011,128(3):439-48;quiz 449-50.
[6] Kariyawasam HH, Aizen M, Barkans J, et al. Remodeling and airway hyperresponsiveness but not cellular inflammation persist after allergen challenge in asthma[J]. Am J Respir Crit Care Med,2007,175(9):896-904.DOI:10.1164/rccm.200609-1260OC.
[7] Barbato A, Turato G, Baraldo S, et al. Airway inflammation in childhood asthma[J]. Am J Respir Crit Care Med,2003,168(7):798-803.DOI:10.1164/rccm.200305-650OC.
[8] Halwani R, Al-Muhsen S, Al-Jahdali H, et al. Role of transforminggrowth factor-beta in airway remodeling in asthma[J]. Am J Respir Cell Mol Biol,2011,44(2):127-133.DOI:10.1165/rcmb.2010-0027TR.
[9] Lopez-Guisa JM, Powers C, File D, et al. Airway epithelial cells from asthmatic children differentially express proremodeling factors[J]. J Allergy Clin Immunol,2012,129(4):990-997.DOI:10.1016/j.jaci.2011.11.035.
[10] Gosens R, Grainge C. Bronchoconstriction and airway biology: potential impact and therapeutic opportunities[J]. Chest,2015,147(3):798-803.DOI:10.1378/chest.14-1142.
[11] Joubert P, Hamid Q. Role of airway smooth muscle in airway remodeling[J]. J Allergy Clin Immunol,2005,116(3):713-716.DOI:10.1016/j.jaci.2005.05.042.
[12] Holgate ST, Polosa R. Treatment strategies for allergy and asthma[J]. Nat Rev Immunol,2008,8(3):218-230.DOI:10.1038/nri2262.
[13] Zhao J, Lloyd CM, Noble A. Th17 responses in chronic allergic airway inflammation abrogate regulatory T-cell-mediated tolerance and contribute to airway remodeling[J]. Mucosal Immunol,2013,6(2):335-346.DOI:10.1038/mi.2012.76.
[14] Al-Ramli W, Prefontaine D, Chouiali F, et al. T(H)17-associated cytokines (IL-17A and IL-17F) in severe asthma[J]. J Allergy Clin Immunol,2009,123(5):1185-1187.DOI:10.1016/j.jaci.2009.02.024.
[15] Siddiqui S, Sutcliffe A, Shikotra A, et al. Vascular remodeling is a feature of asthma and nonasthmatic eosinophilic bronchitis[J]. J Allergy Clin Immunol,2007,120(4):813-819.DOI:10.1016/j.jaci.2007.05.028.
[16] Delacourt C, Benoist MR, Le Bourgeois M, et al. Relationship between bronchial hyperresponsiveness and impaired lung function after infantile asthma[J]. Plos One,2007,2(11):e1180.DOI:10.1371/journal.pone.0001180.
[17] Niimi A, Matsumoto H, Takemura M, et al. Relationship of airway wall thickness to airway sensitivity and airway reactivity in asthma[J]. Am J Respir Crit Care Med,2003,168(8):983-988.DOI:10.1164/rccm.200211-1268OC.
[18] Siddiqui S, Mistry V, Doe C, et al. Airway hyperresponsiveness is dissociated from airway wall structural remodeling[J]. J Allergy Clin Immunol,2008,122(2):335-341, 341.e1-3.DOI:10.1016/j.jaci.2008.05.020.
[19] Manuyakorn W, Howarth PH, Holgate ST. Airway remodelling in asthma and novel therapy[J]. Asian Pac J Allergy Immunol,2013,31(1):3-10.
[20] Chetta A, Zanini A, Foresi A, et al. Vascular endothelial growth factor up-regulation and bronchial wall remodelling in asthma[J]. Clin Exp Allergy,2005,35(11):1437-1442.DOI:10.1111/j.1365-2222.2005.02360.x.
[21] Altraja S, Kadai M, Rekker E, et al. Synthesis of tenascin and laminin beta2 chain in human bronchial epithelial cells is enhanced by cysteinyl leukotrienes via CysLT1 receptor[J]. Respir Res,2008,9:44.DOI:10.1186/1465-9921-9-44.
[22] Henderson WJ, Tang LO, Chu SJ, et al. A role for cysteinyl leukotrienes in airway remodeling in a mouse asthma model[J]. Am J Respir Crit Care Med,2002,165(1):108-116.DOI:10.1164/ajrccm.165.1.2105051.
[23] Henderson WJ, Chiang GK, Tien YT, et al. Reversal of allergen-induced airway remodeling by CysLT1 receptor blockade[J]. Am J Respir Crit Care Med,2006,173(7):718-728.DOI:10.1164/rccm.200501-088OC.
[24] Tenero L, Piazza M, Sandri M, et al. Effect of montelukast on markers of airway remodeling in children with asthma[J]. Allergy Asthma Proc,2016,37(5):77-83.DOI:10.2500/aap.2016.37.3978.
[25] Berair R, Brightling CE. Asthma therapy and its effect on airway remodelling[J]. Drugs,2014,74(12):1345-1369.DOI:10.1007/s40265-014-0250-4.
[26] D'Hooghe J, Ten HN, Weersink E, et al. Emerging understanding of the mechanism of action of Bronchial Thermoplasty in asthma[J]. Pharmacol Ther,2017.DOI:10.1016/j.pharmthera.2017.07.015.
[27] Kumawat K, Koopmans T, Gosens R. beta-catenin as a regulator and therapeutic target for asthmatic airway remodeling[J]. Expert Opin Ther Targets,2014,18(9):1023-1034.DOI:10.1517/14728222.2014.934813.
[28] Agrawal T, Gupta GK, Agrawal DK. Vitamin D supplementation reduces airway hyperresponsiveness and allergic airway  inflammation in a murine model[J]. Clin Exp Allergy,2013,43(6):672-683.DOI:10.1111/cea.12102.
[29] Damera G, Fogle HW, Lim P, et al. Vitamin D inhibits growth of human airway smooth muscle cells through growth factor-induced phosphorylation of retinoblastoma protein and checkpoint kinase 1[J]. Br J Pharmacol,2009,158(6):1429-1441.DOI:10.1111/j.1476-5381.2009.00428.x.
[30] Song Y, Hong J, Liu D, et al. 1,25-dihydroxyvitamin D3 inhibits nuclear factor kappa B activation by stabilizing inhibitor IkappaBalpha via mRNA stability and reduced phosphorylation in passively sensitized human airway smooth muscle cells[J]. Scand J Immunol,2013,77(2):109-116.DOI:10.1111/sji.12006.
[31] Berraies A, Hamzaoui K, Hamzaoui A. Link between vitamin D and airway remodeling[J]. J Asthma Allergy,2014,7:23-30.DOI:10.2147/JAA.S46944.
[32] Ji NF, Xie YC, Zhang MS, et al. Ligustrazine corrects Th1/Th2 and Treg/Th17 imbalance in a mouse asthma model[J]. Int Immunopharmacol,2014,21(1):76-81.DOI:10.1016/j.intimp.2014.04.015.
[33] Zhang L, Gang J, Zhigang C, et al. Irreversible airway obstruction assessed by high-resolution computed tomography (HRCT), exhaled nitric oxide (FENO), and biological markers in induced sputum in  patients with asthma[J]. Wien Klin Wochenschr,2014,126(17-18):515-523.DOI:10.1007/s00508-014-0568-7.
[34] Caffarelli C, Calcinai E, Rinaldi L, et al. Hydrogen peroxide in exhaled breath condensate in asthmatic children during acute exacerbation and after treatment[J]. Respiration,2012,84(4):291-298.DOI:10.1159/000341969.
[35] Shaw TJ, Wakely SL, Peebles CR, et al. Endobronchial ultrasound to assess airway wall thickening: validation in vitro and in vivo[J]. Eur Respir J,2004,23(6):813-817.
[36] Bullone M, Beauchamp G, Godbout M, et al. Endobronchial Ultrasound Reliably Quantifies Airway Smooth Muscle Remodeling in an Equine Asthma Model[J]. Plos One,2015,10(9):e136284.DOI:10.1371/journal.pone.0136284.
[37] Soja J, Grzanka P, Sladek K, et al. The use of endobronchial ultrasonography in assessment of bronchial wall remodeling in patients with asthma[J]. Chest,2009,136(3):797-804.DOI:10.1378/chest.08-2759.





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