支气管哮喘气道重塑的发生机制和治疗对策
济南哮喘病医院专家指出目前全国有哮喘患者3000多万，近几十年来哮喘的发病率明显增加，成为临床上的常见病，如果不及时干预可使哮喘急性发作几率增加，长期迁延不愈可导致肺气肿、肺心病，大大降低患者生活质量，并严重危及生命健康，因此，深入了解疾病知识做好预防工作、积极进行治疗十分重要。
支气管哮喘（以下简称“哮喘”）是以可逆性气流受限及气道高反应性为特征的慢性气道炎症性疾患。慢性气道炎症可导致气道结构的改变，即气道重塑。气道重塑被认为是引起不可逆性气流受限和气道高反应性的重要病理改变。因此防止和减轻气道重塑是哮喘治疗的重要策略，也是治疗的难点。近十年来对哮喘气道重塑的发生机制进行了大量研究，取得了一些令人鼓舞的成绩，给预防和治疗带来了希望。本文对近年的相关研究进展进行综述，希望对提高气道重塑和哮喘规范化防治的认识水平有所帮助。
一、气道重塑病理特点、发生机制
1、气道重塑的病理特点
气道重塑是由于反复的损伤和修复所致的气道壁结构变化，其主要改变包括气道上皮完整性的破坏、气道上皮下纤维化导致网状基底膜增厚、细胞外基质沉积、新生血管形成、血管重构、气道平滑肌(ASM)细胞增生肥大、杯状细胞化生和粘液腺增生等（图1）[1]。其中，上皮下纤维化及基底膜增厚(reticular basement membrane, RBM)是哮喘气道重塑重要特征之一。而这些改变主要由CD4+ T细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞及肥大细胞等炎性细胞激发的进行性慢性炎症所致（图2）[2]。
图1.哮喘气道重塑的病理改变
图2.哮喘气道重塑涉及的炎性介质和炎性细胞
（1）气道上皮细胞形态及功能改变
气道上皮细胞是机体应对细菌、病毒和环境污染物发生免疫反应和再生反应的重要调节器。气道上皮的损伤在哮喘的发生和炎症的持续发展过程中具有十分重要的地位，是慢性炎症与重塑发生发展的重要病理基础。目前研究认为，气道上皮细胞的病理改变是气道重塑的主要特征[2]，在不同程度的哮喘中具有不同的形态学表现[3]。气道上皮细胞的形态改变包括：上皮细胞脱落，纤毛缺失，杯状细胞增生，生长因子、细胞因子、趋化因子表达上调。此外众多研究发现哮喘患者气道上皮的屏障功能是异常的，且存在损伤修复后细胞之间紧密连接的破坏[4,5]。细胞间紧密连接的破坏可使变应原直接作用于抗原提呈细胞，激活免疫反应，诱发过敏性哮喘(图3)[6]。
有证据表明在哮喘中气道上皮更易于受损，且存在异常的修复反应，如EGFR表达增加、表达CDK抑制物p21waf [4,7-8]。当气道上皮损伤后，气道上皮即刻启动修复程序（图3）[9]。气道上皮细胞在对损伤或炎症因子反应修复期间，失去其上皮极性、紧密连接等特点，获得游走和浸袭能力，表达间充质细胞标志，并产生致纤维性介质(如TGF-β、成纤维细胞生长因子、ET-1等)调控成纤维细胞分化和功能，使肌成纤维细胞增多并分泌胶原、弹性蛋白、蛋白多糖等，发生EMT，导致气道壁增厚。目前研究显示EMT是成纤维细胞的一个新的来源在哮喘气道重塑中发挥重要作用。损伤的气道上皮细胞分泌TGF-β，能促进EMT、和杯状细胞增生等（图4）[10，11]。研究显示哮喘患者的气道上皮在对TGF-β的反应中较非哮喘者呈现出更广泛的EMT[12]。研究还显示嗜酸性粒细胞也可通过以下机制参与气道重塑：⑴释放TGF-β； ⑵与肥大细胞相互作用使之合成和释放TGF-β， ⑶激活巨噬细胞合成和释放TGF-β（图5）[13]。
图3. 气道免疫反应的发生过程
图4. TGF-β在哮喘中的作用
图5.嗜酸性粒细胞诱导EMT体内实验结果
（2）平滑肌形态及功能改变
研究表明与非哮喘者相比，致死性哮喘患者ASM增加50%-200%，而非致死性哮喘患者则增加25%-55%，此改变主要由ASM增生或肥大所致（图6）[10]。ASM层增厚是哮喘气道重塑的重要特征，与哮喘的病情严重程度相关，是临床症状和气道高反应性形成的重要基础。哮喘中ASM获得了向气道上皮迁移的能力，是气道重塑的特征之一，它能够突破基底膜的限制，迁移至粘膜下层，导致粘膜下肌化，使得气道壁的增厚程度进一步加剧[14]。此外ASM通过释放前炎性细胞因子、趋化因子、生长因子和ECM蛋白参与气道炎症和重塑的发生和发展。
图6.哮喘气道结构的变化
研究还发现，肥大的ASM存在着收缩调节机制的异常。哮喘患者的细支气管在受到变应原刺激后，ASM的缩短速率及强度较正常明显增加。ASM收缩依赖于细胞内钙离子浓度的调节并涉及到肌球蛋白轻链激酶和其磷酸酶活性的动态平衡。 RhoA/Rho 激酶途径在调节ASM的收缩中发挥重要作用，它能抑制肌球蛋白磷酸酶活性，使肌球蛋白轻链持续磷酸化，从而引发肌肉持久强烈收缩（图7）[15]。气道高反应性动物模型中RhoA蛋白及mRNA的表达水平均明显上调， IL-13、IL-17A等炎性细胞因子可能与此相关。此外，这些细胞因子还可直接增强ASM的收缩性[16-17]。
图7. ASM收缩性的调节
（3）细胞外基质改变及其作用
研究显示，哮喘气道假复层柱状纤毛细胞脱落留下基细胞疏松地与基底膜相连，上皮下弹力纤维溶解变性和断裂，纤维短小散在，上皮下网状基底膜明显增厚（图8、9）[18,19]。基底膜增厚主要与气道上皮下过度沉积细胞外基质成分（尤其是胶原纤维）有关。真基底膜（分致密层和疏松层）主要由IV型胶原、粘蛋白和纤维连接蛋白构成，其厚度正常；而基底膜下（网状基底膜）则有III型胶原、Ⅴ型胶原、Ⅰ型胶原、纤维粘连蛋白以及IgG和IgM沉积。业已证实增厚的基底膜主要是基底膜下的增生。而细胞外基质的增加可降低气道顺应性，改变气道平滑肌收缩力方向，使得其收缩所致的气道狭窄更为明显，并与哮喘病情严重度和气道高反应性相关[20]。研究表明上皮下成纤维细和肌纤母细胞是细胞外基质的主要来源。在哮喘患者气道中肌纤维母细胞的数量显著增加，且与网状基底膜的厚度呈正相关。Ⅰ型和III型胶原在上皮下层及平滑肌束内的沉积虽然增加了气道壁厚度、降低了气道壁可扩张性，但同时又能抵抗气腔的进一步缩小，对缓和因哮喘激发因子所致的症状加重和气道反应增高有保护作用[21]。
图8.正常对照者和过敏原激发24小时后过敏性哮喘患者粘膜的透射电镜比较
图9.哮喘和正常对照气道弹力纤维系统变化示意图
2、气道重塑的发生机制
气道重塑是在气道炎症基础上的异常损伤修复过程，其发生机制复杂几乎涉及气道壁的所有元素，是多种细胞因子、炎性介质、黏附因子等共同作用的结果，参与其调控的信号转导通路极其复杂（图10）。目前证实参与哮喘气道重塑的信号转导通路有NF-κB通路、MAPK通路、PI3K-Akt通路、Rho/ROCK通路、TGF-β1/Smads通路、Wnt/β-catenin通路、Sonic Hedgehog (Shh) 通路等（图11）[22]。其中β-catenin通路在气道重塑的过程中发挥重要作用。
图10.哮喘气道重塑的发生机制
β-catenin信号转导通路的活化有Wnt依赖性和Wnt非依赖性两条途径。（1）Wnt依赖性途径：胞浆内β-catenin水平受“多蛋白破坏性复合体（由axin、GSK-3、APC蛋白和CK-1组成）”所调控。在Wnt配体不存在时，这种“复合体”使β-catenin磷酸化，导致其被蛋白酶体降解，从而保持了胞浆中低水的β-catenin。当Wnt配体与细胞表面Frizzled（FZD）受体（该受体与脂蛋白受体相关蛋白（LRP）-5/6辅受体相关连）结合，导致Dvl接头蛋白募集于LRP-5/6周围，“蛋白破坏性复合体”与LRP-5/6辅受体的胞浆域借接头蛋白相互作用使之附于胞膜上，从而使β-catenin免受“蛋白破坏复合体”的破坏，胞浆内的β-catenin水平升高。（2）非Wnt依赖途径：某些生长因子（包括血小板源性生长因子——PDGF、TGF-β）通过①PI3K/Akt或蛋白激酶C（PKC）或整合素关联激酶-1途径使“蛋白破坏复合体”磷酸化，其功能受到抑制，从而使胞浆内β-catenin免受破坏，其水平升高；②通过Akt或JUN途径使β-catenin磷酸化，使之稳定和活化。胞浆内 β-catenin进入细胞核与辅助蛋白包括：转录因子、组蛋白修饰蛋白、染色体重建复合体等相互作用，结合至Wnt反应元件，调节Wnt靶基因的转录。在哮喘中β-catenin信号存在异常激活，对气道上皮细胞、平滑肌细胞和间质细胞等的增殖和分化发挥重要的调节作用，促进了结构的重塑（图12、13）。TGF-β诱导的β-catenin激活可能完全不依赖Wnt信号[23]。
图11 EMT涉及的信号转导通路
图12 .Wnt依赖的β-catenin信号通路
图13. Wnt非依赖的β-catenin信号通路
二、气道重塑的防治对策
气道重塑与哮喘临床症状的严重程度、肺功能损害程度存在密切的关联，但目前仍尚无有效的防治措施。虽然许多药物已被证明在动物模型中抑制过敏原诱导的气道重塑，却很少有研究表明能逆转已形成的重塑。近来有研究报道避免抗原接触及糖皮质激素治疗可部分逆转马喘息病（一个自然发生的哮喘样疾病）的ASM重构[24]，该结果使我们看到有效治疗气道重塑的一线曙光。
临床试验和动物研究发现，当前用于哮喘治疗的药物如：吸入性糖皮质激素（ICS）、吸入性糖皮质激素联合长效β2受体激动剂、白三烯受体调节剂、抗胆碱能药物、奥马佐单抗等对气道重塑具有一定的抑制作用（表1）。随着研究的不断深入，潜在的治疗靶点不断被发现（表2），极大地丰富了气道重塑的治疗理论，有力的推动了气道重塑治疗药物的研发[25]。目前以β-catenin信号转导通路为靶向研发的药物有：端锚聚合酶抑制剂（Tankyrase inhibitors）、GSK-3抑制剂、核β-catenin和辅因子的相互作用抑制剂[23]。
Tankyrase1、2是一类多聚ADP核糖化酶，有降解axin2的作用，因此使β-catenin 降解复合物失活，从而提各胞浆中的β-catenin水平并，激活β-catenin 信号。其抑制物XAV939体内外证实可抑制博来霉素或TGF- β过表达的腺病毒所致的小鼠皮肤纤维化及博来霉素诱导的小鼠肺纤维化，并可体外抑制TGF- β所诱导的EMT，提示该抑制剂可能对气道重塑也有抑制作用。
GSK-3除降解β-catenin外，对转录因子、激酶和细胞周期调节蛋白等均有调节作用。其抑制剂可抑制哮喘动物模型Eos气道炎和粘液分泌；抑制TGF- β所致的豚鼠肌纤母细胞增殖和IL-1 β诱导的ASMCs 前炎性细胞因子的分泌，说明GSK-3抑制剂可抑制气道重塑。
β-catenin需与Smad2/3或CBP、P300等结合才能发挥转录调节作用。小分子ICG-001（核β-catenin和辅因子的相互作用抑制剂）可阻断β-catenin与CBP的结合，IQ-1（核β-catenin和辅因子的相互作用抑制剂）可阻断β-catenin与P300的结合。以上两种小分子化合物均能阻止核β-catenin发挥转录调节作用，进而抑制气道重塑。
表1 当前治疗方案在临床试验和动物实验中的作用
表2 气道重塑的体外研究概括--信号分子作为药物靶点
此外研究发现mTOR抑制剂雷帕霉素也可抑制气道重塑。体外实验发现雷帕霉素不仅可以减少纤维化，同时还可防止AHR和广泛的ASM增厚，尤其是在远端气道。进一步研究证明mTOR /p70S6K 信号通路在气道平滑肌的生长和增殖中起着关键作用。mTOR是TGF-α诱导的EGFR信号通路下游的一个重要分子，当缺失Egr-1时使用雷帕霉素治疗可防止严重的AHR、ASM增厚和肺纤维化的发展（图14）[26]，抑制气道重塑。
图14 TGF-α Tg/Egr-1ko/ko模型信号通路和表型示意图
综上所述，气道重塑是哮喘的重要病理特征，预防和治疗气道重塑对哮喘防治有重要意义。但目前关于气道重塑的分子机制尚不完全清楚，缺乏对气道重塑有效的治疗药物，相当一部分患者因此发展成不可逆的气流受限，失去了对现有药物治疗的反应性。因此预防和治疗气道重塑对减轻症状，改善生活质量和劳动能力有着十分重要的临床意义。
韩新朋 吴昌归
第四军医大学西京医院呼吸与危重症医学科
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