第17章 晕厥的诊断流程 第19章 栓塞与肺动脉高压

第18章 慢性阻塞性肺病发病机制研究进展

慢性阻塞性肺疾病(COpD)是具有气流阻塞性特征的慢性支气管炎和(或)肺气肿,气流阻塞进行性发展,可伴有气道高反应性。近年来,由于工业的发展,环境的污染,COpD在全球发病率呈明显上升趋势,统计发现,在西方国家成年人中,发病率达10%,并且90%病例与吸烟有关,这表明COpD发病与长期吸烟及吸入颗粒物质密切相关。COpD发病机制复杂,临床上要将与哮喘鉴别有时存在一定困难,因为两者都是气道疾病,都是以气流阻塞为特征,且都存在不同程度的气道高反应性及不同程度的可逆性,但两者在病理改变及炎症细胞、炎症介质和酶的数量、种类等方面有很大区别,正确认识COpD的发病机制对其防治至关重要。COpD的发病机制十分复杂,至今未完全阐明,现就发病过程中有关炎性细胞、炎症介质、酶蛋白及分子遗传学等机制作一阐述。

一、COpD的分子遗传学

COpD是一种具有多基因遗传倾向的复杂疾病,其发病的确切遗传机制亟待阐明,对易感基因的筛查有助于确定易感人群,对疾病的早期预防具有重要价值。

1.α1抗胰蛋白酶(α1-AT)

这是迄今为止唯一研究较为清楚的COpD相关基因,由染色体14q32.1隐性基因控制,正常人为M型,如果α1抗胰蛋白酶第342位的赖氨酸(1ys)被谷氨酰胺(G1n)取代,则α1-AT基因由M变为Z型,等位基因ZZ纯合子(piZZ)个体血清中α1-AT水平严重降低,仅为piMM型个体中10%左右,肺实质中抗胰蛋白酶活性的削弱加速了第一秒用力呼气容积(FEV1)的降低,如合并有家族史则肺功能的损害更为严重。将携有α1-AT基因的脂质体复合物转入COpD患者鼻黏膜上皮细胞,选择性地高表达α1-AT,但α1-AT基因的ZZ纯子在人群中的概率极低,尤其在中国人群。

2.肿瘤坏死因子α(TNF-α)

诱导炎症反应,促进中性粒细胞黏附,增强对细胞外弹性蛋白的溶解活性,在COpD气道慢性炎症的发生,发展中起重要作用。吸烟伴COpD的患者与健康吸烟者气道中性粒细胞数目及白细胞介素8(I1-8)水平均增高,但前者的TNF-α浓度升高较显著,而后者的TNF浓度无变化,提示TNF可以区分吸烟的COpD和非吸烟COpD患者的炎症过程。TNF基因位于染色体6上的主要组织相容性复合物区域,其异常与COpD密切相关,但相关性有显著的种族差异:如由308位A/G多态性引起的AA纯合子和GA杂合子都增加了发展为COpD的危险性,但该相关性在白种人群中不存在,TNF基因的489位G/A多态性则可能与白种人COpD易感性有关。

呼吸系统3.维生素D结合蛋白(VDBp)

VDBp可直接与中性粒细胞相互作用。增加中性粒细胞对活化的补体成分C5a的趋化作用,且还能转化为潜在巨噬细胞活化因子(MAF)进一步破坏肺实质。由于编码VDBp基因外显子11的多态性,VDBp存在3种主要的异构体,分别为1S、1F和2,等位基因2的携带者发生COpD的危险性较低,而等位基因1F的纯合子发生COpD的危险性较高。但Sche11enberg等研究未发现VDBp各亚型中肺弹性回缩和气道阻力以及中性粒细胞对C5a的趋化作用等相关性。

4.微粒体环氧化物水解酶(mEphX)

mEphX是在支气管上皮细胞表达的一种异物代谢酶,可对多种外源性氧化剂和脂氧化物进行水解,形成水溶性二氢化合物,从而产生保护作用。现已知mEphX基因外显子3酪氨酸(Tyr)113-组氨酸(his)和外显子4his139-精氨酸(Arg)多态性和活性水平有关。Tyr113/Arg139的酶活性最高。his113/his139的酶活性最低,mEphX的低活性与肺气肿及COpD相关联,但mEphX基因多态性与COpD的相关性具有种族差异,白种人群肺功能快速减退者中his113/his139单倍型明显增多,而在亚洲人群中未发现该相关性。

5.β2肾上腺素能受体(ADRβ2)

ADRβ2是β2受体激动剂的作用靶点。编码ADRβ2的基因位于染色体5q31~33有9个不同的多态位点,某些错义突变,如Arg16甘氨酸(G1y)G1n27谷氨酸(G1u)和苏氨酸(Thr)64异亮氨酸(I1e)等,可改变受体功能。Arg16G1y和G1n27G1u在支气管哮喘和健康人群中相对普遍,体内外研究显示这两种多态性与肺功能存在相关性。在中国人群中发现,G1y16的多态性可能增加患者发展成COpD的易感性,G1n27可增加气道对炎症刺激的反应性,导致气道炎症程度增加,继之肺功能损害程度亦加重。

6.微卫星不稳定性(MSI)

微卫星在DNA复制以后出现长度的变化,这是由于细胞分裂时DNA复制过程中新合成的链在模板上沿复制方向向前或向后滑动所致,许多肿瘤都有MSI。Siafakas等研究了吸烟伴COpD患者和健康吸烟者的痰液白细胞中的现象,在7个微卫星位点中发现有24%(14/59)COpD患者的痰液中存在MSI最常见的是位于17染色体上的ThRAI(43%),而非COpD患者中未见类似现象。

二、蛋白酶/抗蛋白酶失衡的分子机制

肺气肿是由于蛋白酶-抗蛋白酶系统失衡所致。蛋白酶可以消化弹性蛋白和肺泡壁上的其他蛋白结构,包括中性粒细胞弹性酶(NE)、组织蛋白酶、基质金属蛋白酶(MMp)、颗粒酶和穿透因子等。抗蛋白酶系统能对抗蛋白酶作用,其中最重要有α1-AT,分泌型白细胞蛋白酶抑制剂及MMpS组织抑制剂等。

NE是一种中性丝氨酸蛋白酶,是肺内促弹性组织离解活动的主要成分,可消化连接组织和蛋白聚糖,从而导致肺气肿的产生。NE除能使肺组织基质分解外,还可以造成气道扩张,纤毛上皮变形和黏液腺增生以及纤毛摆动消失。NE也有潜在的刺激黏液分泌的功能。并能从上皮细胞内诱发释放I1-8,可促使气道炎症的发生,形成慢性支气管炎。在α1-AT缺乏的患者中,NE在调节弹性组织离解中起主要作用,但是在吸烟所致的COpD患者中,NE并不起主要的弹性作用。与吸烟相关的COpD中,吸烟所产生的氧化剂则起了重要作用。吸烟可造成AM(巨噬细胞)激活和N(中性粒细胞)的募集,同时释放出中性粒细胞趋化因子,产生更多的炎症介质,并分解弹性蛋白和胶原。此外,吸烟也通过α1-AT的氧化失活与NE的结合率的降低而造成肺组织的损害。

蛋白酶3为另一种N中的中性丝氨酸蛋白酶,可能参与这些细胞的弹性组织离解活动。组织蛋白酶G为N的半胱氨酸蛋白酶,也参与弹性组织离解活动,组织蛋白酶B、1和S由巨噬细胞释放。MMpS是一组20个相似的肽链内切酶。能降解肺实质所有细胞外基质成分,包括弹性蛋白,胶原,蛋白多糖,层粘素和纤维结合素。MMpS是由N、AM和气道上皮细胞所组成。肺气肿时BA1F中的胶原酶和明胶酶的水平增加。肺气肿患者肺泡灌洗液中,巨噬细胞内MMp-9和MMp-1的表达也高于正常人,AM也能表达特有的MMp,即巨噬细胞金属-弹性酶。

对抗和平衡这些蛋白酶的物质是一组抗蛋白酶。其中较为重要的有α1-AT,是一种肺实质内的主要抗蛋白酶,在肝脏合成,再从血浆内分泌出去。遗传性的纯合子α1-AT缺乏可能产生严重肺气肿,尤其是吸烟者,但在COpD病例中这种基因性疾病少于1%,α1-AT是对抗NE的主要成分,但不是唯一的抗蛋白酶成分。此外还有α1-抗糜蛋白酶,该酶主要存在肺内,纯合子个体其水平较低,患COpD的危险性也增加,分泌型白细胞蛋白酶抑制剂是气道中最重要的保护物质,来自气道上皮细胞,为气道提供局部防御机制,MMpS组织抑制剂具有对抗MMpS的效应。

三、炎症反应的分子机制

1.炎症细胞

COpD是以气道中炎症细胞数量增多为特征的慢性气道炎症,这些炎症包括中性粒细胞,T淋巴细胞(CD4+),和巨噬细胞。细胞对COpD病理生理的影响尚不清楚,与健康吸烟者相比,吸烟伴COpD患者小气道中增加的淋巴细胞主要为CD4+型,而且其增加量与气流受限程度显著正相关。

(1)巨噬细胞

在细菌产物、香烟烟雾有害成分如甲醛、NO2及其他一些氧化产物刺激下,巨噬细胞向肺组织迁移并释放TNF-α、I1-8、I1-6、I1-1等,这些细胞因子一方面可趋化中性粒细胞、T细胞、嗜酸粒细胞等向肺组织迁移;另一方面也使这些迁移到肺组织的细胞活性增高,分泌包括上述细胞因子在内的炎性细胞因子,进一步趋化巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸粒细胞等炎性细胞,这就形成了炎性细胞与细胞因子之间的恶性循环,共同参与肺组织损伤。巨噬细胞产生的基质金属酶类(MMps)均含有Zn2+的催化基团,根据其结构特性可分为6大类,其中第2类中明胶酶(MMp-2、MMp-9)以及间质溶解素(MMp-3、MMp-10、MMp-12)为破坏细胞外基质的主要蛋白溶解酶。MMps的主要功能为降解组织连接蛋白、细胞外基质、弹性蛋白及纤连蛋白等。越来越多的试验表明巨噬细胞中的MMps参与了COpD肺组织慢性炎症反应及小气道结构重构过程。

(2)中性粒细胞

中性粒细胞通常能够正常地通过肺毛细血管,当肺组织受到毒素、细菌等有害物质侵犯时,由于发生炎性反应中性粒细胞便被扣押在肺毛细血管,被激活并脱颗粒释放出各种炎性因子及中性粒细胞弹性蛋白酶。TNF-α,1pS等可刺激中性粒细胞释放弹性蛋白酶(NE),至于中性粒细胞内NE释放机制目前尚不清楚。NE最适合分解底物是弹性蛋白。正常机体存在足够的抗蛋白酶来对抗NE的活性,防止正常组织受到的过度破坏,其中最主要的是α-抗胰蛋白酶(α-AT),因此机体内NE与抗蛋白酶平衡对维护肺组织的稳定性起重要作用。当NE分泌过多时正常的肺泡结构被破坏,形成肺气肿。中性粒细胞也可以产生活性氧代谢产物,如超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢等,直接或间接地损伤内皮细胞和间质细胞。

(3)淋巴细胞

淋巴细胞在COpD患者气道炎症进展过程中起着重要作用,目前的研究认为COpD的气道壁炎症细胞浸润主要是淋巴细胞,而不是管腔内的主要炎症细胞中性粒细胞,且T淋巴细胞浸润随着慢性支气管炎及COpD病情发展而加重,T淋巴细胞可通过释放多种淋巴因子参与炎症反应,淋巴细胞在COpD发病中的作用机制尚有待进一步阐明。

2.细胞因子

细胞因子是一类由免疫细胞(淋巴细胞,单核巨噬细胞等)和相关细胞(成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞)产生的调节细胞功能的高活性多功能低分子蛋白质,在机体炎症反应过程中发挥极其重要的作用。实验证明:在烟雾等致病因素刺激下,炎症细胞在管壁、气道内和肺泡内大量聚集,而这些炎症细胞趋化聚集至气管腔和炎症部位,即是通过细胞因子的作用而实现。香烟烟雾中的颗粒物质被巨噬细胞吞噬后,巨噬细胞产生肿瘤坏死因子TNF-α,白介素-1β,又可刺激气道上皮细胞、中性粒细胞、成纤维细胞,血管内皮细胞,单核细胞等释放白介素-8。研究证实,TNF在炎症过程中起重要作用,尤其在急性加重期,其在气道内增加和诱导痰液中增加,可激活核因子,增加I1-8的基因表达。

I1-8是选择性中性粒细胞趋化因子,可活化上皮细胞,I1-8在COpD诱导痰中有较高的浓度,而且I1-8浓度和诱导痰中的中性粒细胞有明显的相关性。体外实验证实I1-8是黏附相关的中性粒细胞特异性刺激物,起炎症促进作用,并释放蛋白酶。

白三烯B4(1TB4)也是气道中性粒细胞强趋化因子,在中性粒细胞活化过程中起重要作用。hubbard等研究发现1TB4在COpD的诱导痰中增高,且α1-AT缺乏患者的肺泡巨噬细胞可以分泌较大量的1TB4。

3.黏附分子

中性粒细胞在气道的聚集首先取决于通过血管内细胞的迁移,这一级联过程需要在流动状态下启动黏附的选择素,介导白细胞和内皮牢固黏附的整合素以及整合素细胞黏附分子,中性粒细胞一旦通过内皮屏障,化学驱动信号逐渐导致中性粒细胞在黏膜上皮细胞和气道管腔中聚集,已证实气道上皮细胞在适宜的刺激下可释放大量细胞因子趋化中性粒细胞和嗜酸粒细胞。而且,这些上皮细胞也表达细胞内黏附分子-1(ICAM-1),进而通过黏附机制在白细胞滞留和中性粒细胞活化过程中起重要作用。因此,活化的上皮细胞表达的ICAM-1在指导迁移的中性粒细胞定位及炎症发生等方面起作用。

4.其他促炎因素

吸烟是COpD发病的主要因素,但只有10%~20%的吸烟者发展成较重的COpD,使得人们在关注中性粒细胞炎症过程的同时,探讨COpD的易感性问题。新近有人提出腺病毒与COpD发病有关,它可以放大炎症反应,促进这一部分病原体病情进一步加重,可能是易感因素之一,20世纪90年代起人们开始研究腺病毒与COpD的相关性,认为41种亚型可致细支气管炎,而C组受到极大重视,经常感染儿童呼吸道,且已证实感染后DNA寄居于扁桃体,外周血淋巴细胞及成人肺内,且可大量复制,腺病毒E1A蛋白可在肺组织中发现,尤其气道上皮细胞,肺泡和黏膜下腺体中,贺蓓等检测COpD缓解期患者与慢性支气管炎患者的腺病毒,发现慢性支气管炎和COpD都存在隐性的或潜在的腺病毒感染,但COpD阳性率明显高于慢性支气管炎。

总之,COpD气道炎症是由诸多因素参与的过程,且这些因素彼此形成复杂的网络关系。