白詩瑤 任媛 李孟露 蘇新明

中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸疾病研究所,沈陽110001

支氣管哮喘 (簡稱哮喘)是最常見的慢性非傳染性疾病之一,常導(dǎo)致喘息、呼吸急促、胸悶和咳嗽等呼吸系統(tǒng)癥狀,并伴有可變性氣流受限。目前全世界哮喘患者總數(shù)約為3.34億,我國約達4 570萬,且呈逐年上升趨勢。現(xiàn)階段,哮喘的治療仍以緩解癥狀和控制炎癥為主[1-2]。但即使在沒有癥狀的情況下,哮喘氣道重塑等病理變化 (特別是結(jié)構(gòu)變化)在氣道中仍持續(xù)存在。血管再生與重塑是氣道重塑的重要因素之一,包括血管表型改變,血管數(shù)目/單位面積的增加和血管活性的增加,即血管擴張、滲漏和細胞向靶組織遷移等。近年來,越來越多的研究表明,氣道血管再生與重塑在哮喘的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

1 哮喘

哮喘是一種復(fù)雜的異質(zhì)性炎癥性疾病,其主要的病理變化為氣道炎癥、氣道重塑及氣道高反應(yīng)。根據(jù)參與反應(yīng)的炎癥細胞和免疫細胞的不同,可以將哮喘分為不同的表型,包括過敏性/嗜酸粒細胞哮喘、中性粒細胞哮喘、混合嗜酸粒細胞/中性粒細胞哮喘和少粒細胞哮喘,其中以嗜酸粒細胞哮喘最常見。已有研究表明,Th2細胞在過敏原刺激下分泌IL-5、IL-4和IL-13等細胞因子,這些細胞因子與嗜酸粒細胞特異性趨化因子CCL11共同調(diào)節(jié)嗜酸粒細胞聚集、過敏性炎癥反應(yīng)及氣道高反應(yīng)。同時Ig E 可以通過調(diào)節(jié)Th2細胞的功能,從而在調(diào)節(jié)嗜酸粒細胞介導(dǎo)的氣道高反應(yīng)中發(fā)揮作用[3-4]。除嗜酸粒細胞外,中性粒細胞也被證實與哮喘嚴重程度密切相關(guān),它通過產(chǎn)生趨化因子和蛋白酶積極參與到哮喘氣道炎癥和氣道重塑的過程中,且受到肺上皮細胞和其他免疫細胞的調(diào)節(jié)[5]。氣道重塑往往被認為是哮喘患者氣道炎癥加重的結(jié)果,但是二者之間的聯(lián)系一直存在爭議。有研究表明氣道重塑在一定程度上依賴于氣道炎癥,但又部分獨立[6-7]。目前認為氣道上皮細胞和氣道平滑肌細胞等結(jié)構(gòu)細胞在重塑過程中起重要作用,包括氣道平滑肌細胞的肥大和增生、血管生成、上皮杯狀細胞的增加以及基底膜下細胞外基質(zhì)的沉積等在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)改變均可導(dǎo)致氣道壁增厚,進而導(dǎo)致氣道重塑。其中氣道平滑肌細胞的積聚和細胞外基質(zhì)的沉積都可能與持續(xù)的氣道高反應(yīng)性有關(guān),特別是氣道平滑肌層厚度已被證明與氣道高反應(yīng)性呈正相關(guān)[8-11]。此外,支氣管血管滲漏引起的血管充血和氣道水腫也會導(dǎo)致哮喘的氣道狹窄和氣道高反應(yīng)[12-13]。這種血管通透性增加和水腫是支氣管血管重塑的共同特征,微血管重塑是氣道重塑的表現(xiàn)之一,是涉及小動脈、毛細血管以及小靜脈的結(jié)構(gòu)改變 (通常是增大)。而新生血管的形成和微血管重塑均可導(dǎo)致哮喘患者的氣道壁增厚。盡管目前對哮喘病理生理的研究仍集中在氣道炎癥和氣道平滑肌的重塑改變,但是支氣管血管的再生與重塑在哮喘氣道中的作用越來越受到關(guān)注。

2 哮喘氣道血管再生與重塑的影響因素

氣道血管由支氣管平滑肌層的血管和固有層的上皮下毛細血管網(wǎng)組成,在提供氧氣和營養(yǎng)、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中具有重要作用。大量對哮喘病理生理的研究表明[12,14-15],哮喘時氣道血管發(fā)生了再生和重塑等一系列的病理改變,其中血管密度和血管面積的增加是哮喘氣道血管重塑的重要特征。與血管重塑不同,血管生成是指通過現(xiàn)有的血管來擴大血管網(wǎng)絡(luò)的過程,主要有2種機制:發(fā)芽血管生成和易損性血管生成 (又稱不發(fā)芽的血管生成),其過程涉及內(nèi)皮祖細胞、間充質(zhì)前體細胞以及纖維細胞的分化。隨著新生血管的生成,微血管通透性增加,更有利于炎細胞的聚集。正常氣道血管是炎細胞向管腔和上皮運輸?shù)闹匾緩?在哮喘氣道中,血管數(shù)量的增加、血管擴張和充血都可能導(dǎo)致氣道保持炎癥狀態(tài),進一步降低氣道順應(yīng)性,增加管腔狹窄,降低肺功能。在氣道血管中存在多種血管調(diào)節(jié)因子如炎性介質(zhì)、生長因子等,它們驅(qū)動哮喘氣道新生血管形成,促進微血管通透性的增加,與哮喘的發(fā)生發(fā)展及嚴重程度相關(guān)[15-16]。

2.1 血管內(nèi)皮生長因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF) VEGF 是血管生成正向調(diào)節(jié)因子之一,它可以誘導(dǎo)許多早期即可觀察到的血管生成功能變化,包括內(nèi)皮細胞發(fā)芽[17]。VEGF 家族成員主要有VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E (病毒編碼)和胎盤生長因子,其中VEGF-A 和VEGF-B主要調(diào)節(jié)血管生成,VEGF-C和VEGF-D 主要調(diào)節(jié)淋巴管生成,而胎盤生長因子則直接或間接刺激血管生長和成熟,并在缺血時的血管生成和動脈生成中發(fā)揮重要作用。VEGF-A 是VEGF家族中最具特征性且最受關(guān)注的成員,在血管生成的調(diào)節(jié)中起主導(dǎo)作用,通常被稱為VEGF。VEGF 經(jīng)過選擇性外顯子剪接后產(chǎn)生多種異構(gòu)體,包括VEGF121、VEGF165、VEGF189、 VEGF206 等, 其 中 VEGF165 (小 鼠VEGF164)是組織中表達頻率最高且最有效的促血管生成因子[15]。已有研究證明VEGF 酪氨酸激酶受體主要有3種,分別為VEGFR-1、VEGFR-2和VEGFR-3,它們在不同細胞的表達不同,并與不同的VEGF家族成員特異性結(jié)合。VEGFR-2具有低親和力、高同源性的特點,是VEGF主要的信號受體,能夠調(diào)節(jié)血管生成和血管通透性[18]。VEGF在哮喘氣道重塑的血管改變中主要發(fā)揮其血管生成的作用,而非擴大原有的血管。已有研究表明[19],輕、中度哮喘患者支氣管黏膜中VEGF表達上調(diào)且與氣道血管增多顯著相關(guān)。除了參與氣道血管改變外,VEGF 還能刺激氣道上皮下纖維化,促進基底膜的增厚,進而參與哮喘氣道壁的重塑過程。研究發(fā)現(xiàn)在卵清蛋白激發(fā)的哮喘小鼠肺組織中,VEGF 及VEGFR-2 的表達上調(diào)[20],并且VEGF可以促進血管平滑肌細胞通透性,增加纖維蛋白沉積,其獨特的異構(gòu)體基因表達在氣道的結(jié)構(gòu)改變中起關(guān)鍵作用。在哮喘小鼠病理性血管再生與重塑過程中,不同的VEGF亞型在功能上存在不同,其中VEGF164 在氣道血管中起主要作用,而VEGF188 則在肺組織血管中起重要作用[14-15]。

氣道中VEGF的主要來源是肺泡上皮細胞、支氣管上皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞以及肺泡巨噬細胞。早已有研究表明,哮喘患者肺組織內(nèi)VEGF、VEGFR 和Ang-1的表達增加,并且痰VEGF水平與哮喘嚴重程度和氣流阻塞有關(guān)。此外,哮喘患者的組蛋白甲基化異常導(dǎo)致VEGF啟動子缺乏抑制復(fù)合體,進而導(dǎo)致氣道平滑肌VEGF高分泌并調(diào)節(jié)哮喘氣道血管生成[21]。缺氧誘導(dǎo)因子是編碼VEGF基因的最重要的激活因子之一,它與表皮生長因子、血小板衍生生長因子以及突變的癌基因共同協(xié)調(diào)VEGF的表達[18]。氣道平滑肌細胞還能夠分泌Th2細胞因子 (如IL-4、IL-5和IL-13),促進VEGF的產(chǎn)生,而IL-32可以顯著抑制VEGF的產(chǎn)生和血管生成[21-22]。最新研究發(fā)現(xiàn),信號蛋白3E (Sema3E)可顯著降低屋塵螨誘導(dǎo)的小鼠VEGF及其受體VEGFR-2的表達,并能增強負調(diào)控因子VEGFR-1的表達[23]。

因此,VEGF是哮喘患者氣道血管生長的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,主要通過VEGFR-2 信號通路來指導(dǎo)血管生成和血管生成過程中細胞的增殖、遷移、存活及血管通透性,并在Th2型炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用。抑制VEGF 及其受體可能有助于控制哮喘氣道炎癥和氣道血管再生與重塑,這將成為哮喘的一種新的治療途徑。

2.2 IL 氣道炎癥一直以來在哮喘的發(fā)生發(fā)展中受到極大的關(guān)注,已有報告表明血管生成可能是哮喘過敏性炎癥發(fā)展的重要一步。哮喘發(fā)生時,IL-6、IL-8、IL-17、腫瘤壞死因子α和轉(zhuǎn)化生長因子β等細胞因子的分泌增加,這些炎性因子具有促血管生成的特性,能夠刺激血管內(nèi)皮細胞通透性或血管擴張。

IL-17是由Th17細胞產(chǎn)生的細胞因子,對于過敏性哮喘患者,其外周血單個核細胞中Th17 細胞的百分比及血漿中IL-17的濃度與疾病嚴重程度呈正相關(guān),并且IL-17還參與了系統(tǒng)性紅斑狼瘡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等慢性炎癥性疾病的血管再生。研究發(fā)現(xiàn),IL-17A 能夠促進卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠支氣管周圍血管的形成,并通過誘導(dǎo)促炎細胞因子和包括CXCR2相關(guān)配體在內(nèi)的趨化因子的釋放來增強過敏性炎癥,但是IL-17A 對鼠肺微血管內(nèi)皮細胞的增殖沒有直接影響[24]。另有研究發(fā)現(xiàn),支氣管上皮細胞和氣道平滑肌細胞在IL-17A 的作用下,分泌多種血管生成因子如VEGF、內(nèi)皮素1、胎盤生長因子、CXCL-8和粒細胞集落刺激因子,間接影響內(nèi)皮功能,導(dǎo)致肺血管重塑。內(nèi)皮素1是一種強有力的支氣管收縮劑,CXCL-8和粒細胞集落刺激因子不僅能夠促進血管生成,還在中性粒細胞向肺部募集的過程中發(fā)揮主要作用。因此,靶向干預(yù)IL-17A 對氣道上皮和平滑肌細胞的影響可能會預(yù)防哮喘氣道血管重構(gòu)[25]。

IL-13在誘導(dǎo)氣道上皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞和內(nèi)皮細胞所致的氣道重塑中起關(guān)鍵作用,但在血管生成中的作用尚不清楚。IL-25由上皮細胞分泌,可以通過上調(diào)VEGF及其受體的表達促進血管內(nèi)皮細胞增殖和體內(nèi)血管生成,并且還可以增強Th2 應(yīng)答的作用。聯(lián)合阻斷IL-13和IL-25可以有效減輕過敏原誘導(dǎo)的氣道炎癥、氣道高反應(yīng)和氣道重塑 (包括黏液生成、細胞外膠原沉積、支氣管周圍平滑肌增生和血管生成)[26]。

IL-32 是一種新的促炎細胞因子,最初被稱為NK4,參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展,包括變態(tài)反應(yīng)性疾病、炎癥性疾病和癌癥。已有研究表明,IL-32不僅在腫瘤發(fā)生、侵襲轉(zhuǎn)移、血管生成中起作用,它還能通過調(diào)節(jié)抗腫瘤免疫反應(yīng),從而影響腫瘤進展[27-28]。近年來,IL-32 在哮喘發(fā)病機制中的作用越來越受到重視。IL-32由多種免疫細胞 (如自然殺傷細胞、T 細胞、外周血單個核細胞和單核細胞)和非免疫細胞 (如內(nèi)皮細胞、成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞)產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者氣道IL-32γ與第1秒用力呼氣容積呈負相關(guān),與年加重率呈正相關(guān)[29]。此外,IL-32 還具有抗炎和抗免疫反應(yīng)的功能,IL-32 能顯著抑制VEGF的產(chǎn)生和哮喘患者氣道血管生成[30]。因此,IL-32 是一種參與抑制哮喘血管生成的細胞因子,可能應(yīng)用于預(yù)防氣道血管改變的治療,并作為治療有效的指標。

2.3 激活素A 激活素A 是一種多效性細胞因子,屬于轉(zhuǎn)化生長因子β超家族,與其他轉(zhuǎn)化生長因子相似,激活素信號是通過與絲氨酸/蘇氨酸激酶家族特定受體 (Ⅰ型受體和Ⅱ型受體)順序相互作用和胞內(nèi)Smad蛋白的激活來啟動的。激活素A 能夠調(diào)節(jié)基本的生物過程,如造血、胚胎發(fā)育、組織修復(fù)和纖維化等,并在先天和獲得性免疫反應(yīng)以及相關(guān)疾病的病理生理中起關(guān)鍵作用。近年來,越來越多的研究證明,激活素A 在Th2細胞介導(dǎo)的過敏反應(yīng)和氣道重塑的過程中發(fā)揮重要作用[31-32]。卵泡抑素是激活素A 的拮抗劑,它可以抑制激活素A 的生物活性,從而抑制哮喘氣道重塑[33-34]。在暴露于屋塵螨且過度表達轉(zhuǎn)化生長因子β信號分子Smad2的小鼠氣道上皮細胞中,激活素A與IL-25水平顯著上調(diào),而在體內(nèi)激活素A 的中和作用抑制了IL-25 的增加并減少膠原沉積和氣道高反應(yīng)性[35]。Samitas等[36]通過檢測激活素A 及其信號分子在不同嚴重程度的哮喘患者中的表達和來源發(fā)現(xiàn),激活素A 由多種結(jié)構(gòu)細胞和炎癥細胞產(chǎn)生,在哮喘患者的血清、支氣管肺泡灌洗液和支氣管組織中升高,并在哮喘發(fā)作時進一步升高,在重癥哮喘患者的支氣管黏膜上皮下的表達更為突出。Samitas等[36]還發(fā)現(xiàn)激活素A 在體外還具有抑制人肺內(nèi)皮細胞增殖和血管生成的能力,這可能是由于激活素A 通過調(diào)節(jié)VEGF信號,增加抗血管生成的VEGFR-1和IL-18分泌并減少促血管生成的VEGFR-2和IL-17分泌而導(dǎo)致的。盡管目前已經(jīng)證明激活素A 對調(diào)節(jié)哮喘氣道炎癥和氣道重塑存在潛在影響,但是其具體的效應(yīng)還存在矛盾,仍然有待研究。

氣道細胞外基質(zhì)成分改變是氣道壁重構(gòu)的特征之一,與血管生成和炎癥相關(guān)。Tumstatin作為一種基質(zhì)因子,通過調(diào)節(jié)氣道平滑肌來源的細胞外基質(zhì),從而促使抗炎、抗血管生成微環(huán)境的形成[37]。除去上述血管調(diào)節(jié)因子外,還有其他能夠影響氣道血管再生與重塑的因素,如血管生成素[38-39]、肥大細胞[40]、血小板[17,41]等。

3 哮喘氣道血管再生與重塑的治療

目前,針對哮喘發(fā)生時氣道血管改變的治療的關(guān)注越來越多。已有研究發(fā)現(xiàn)抗血管生成治療可以抑制氣道重塑和氣道高反應(yīng),甚至可以產(chǎn)生抗炎效果[42]。筆者所在課題組的前期研究發(fā)現(xiàn)在卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠中,胸腺醌除了可以拮抗IL-4/IL-5來減輕炎癥反應(yīng)外,還可以顯著降低VEGF及VEGFR-2的高表達水平,從而發(fā)揮抗血管生成的作用[20]。最近的研究表明,Sema3A 可以通過抑制VEGF活性和NO 的表達減少血管生成,同時它還能減少中性粒細胞和嗜酸粒細胞在卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠肺組織和支氣管肺泡灌洗液中的浸潤[43]。現(xiàn)在主要使用的哮喘治療藥物,如吸入性皮質(zhì)類固醇、長效β2受體激動劑及抗白三烯類藥物可以抑制哮喘患者的血管擴張、血管生成和血管通透性升高等氣道血管改變[44]。在哮喘患者的氣道中,吸入性皮質(zhì)類固醇可以通過作用于促血管生成因子來下調(diào)哮喘氣道血管的再生和重塑,而長效β2 受體激動劑則在降低血管通透性方面更有效,二者的聯(lián)合治療能夠協(xié)同作用于哮喘氣道的血管改變。盡管在傳統(tǒng)的哮喘治療中,皮質(zhì)類固醇能夠積極地作用于氣道血管的再生與重塑,但是與發(fā)揮其抗炎效果相比,需要增加吸入皮質(zhì)類固醇的劑量和持續(xù)時間才能更好地發(fā)揮其抗氣道重塑的作用;然而增加吸入劑量和持續(xù)時間不利于藥物的長期使用。目前針對哮喘的治療仍然以緩解癥狀和控制炎癥為主,臨床上仍沒有特別針對氣道重塑 (特別是氣道血管生成和重塑)的方法,而哮喘長期反復(fù)發(fā)作,導(dǎo)致氣道重塑進展,氣道持續(xù)阻塞,最終將出現(xiàn)不可逆性改變。因此,尋找能夠緩解哮喘氣道血管再生與重塑的抗血管生成藥物很可能有利于哮喘控制,為哮喘的治療提供新的靶點。

組蛋白去乙?；?(histone deacetylase,HDAC)是調(diào)節(jié)組蛋白和非組蛋白去乙?；揎椀年P(guān)鍵酶,它能夠調(diào)節(jié)核小體的空間重構(gòu)、抑制轉(zhuǎn)錄因子及各種信號分子的功能,并且能夠應(yīng)用于腫瘤[45]、炎癥性疾病[46]以及纖維化相關(guān)疾病[47]的治療。越來越多的研究表明HDAC 能調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細胞功能,在包括動脈粥樣硬化在內(nèi)的血管疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用[48]。HDAC 在肺組織中廣泛表達,與哮喘、COPD、肺間質(zhì)纖維化及肺動脈高壓等慢性呼吸系統(tǒng)疾病密切相關(guān)[49]。在哺乳動物細胞中,HDAC 被分為四類,共有18種HDAC 亞型 (HDAC1-18),在不同的疾病中有不同的HDAC亞型表達。HDAC8是Ⅰ類HDAC 家族的重要成員,主要存在于細胞核中,參與并調(diào)控細胞凋亡與增殖、平滑肌細胞分化和收縮等細胞過程[50]。最新研究表明,HDAC8能與α平滑肌肌動蛋白結(jié)合,調(diào)節(jié)血管平滑肌細胞的收縮性,并且在肺纖維化的過程中表達增加[51]。此外,HDAC8 還能通過其去乙?；饔?調(diào)控p53活性,使長期造血干細胞在應(yīng)激條件下存活,在維持長期造血重建中起關(guān)鍵作用[52]。

筆者所在課題組的前期研究發(fā)現(xiàn),HDAC8 特異性抑制劑 (PCI-34051)能夠顯著緩解哮喘小鼠氣道炎癥、氣道高反應(yīng)和氣道重塑,且HDAC8特異性抑制劑的治療效果明顯優(yōu)于其他HDAC 抑制劑[53-55]。HDAC8在哮喘小鼠的氣道上皮細胞、氣道血管周圍及肺泡腔炎癥細胞和血管平滑肌細胞 (特別是在新生血管的平滑肌細胞)中高表達[56],并且血管平滑肌細胞在哮喘致病過程中發(fā)生病理改變,參與哮喘血管再生和重塑的發(fā)生[15]。因此,HDAC8特異性抑制劑可能在哮喘血管再生與重塑的治療中起作用。

4 總結(jié)與展望

血管再生與重塑是哮喘氣道重塑的重要特征之一,其主要過程包括血管壁結(jié)構(gòu)改變、血管生成、血管通透性增加和內(nèi)皮細胞活化,其中血管生成在哮喘相關(guān)的氣道重塑改變的病理生理學(xué)中發(fā)揮更重要的作用。血管生成是一個復(fù)雜的多因素的過程,依賴于眾多促血管生成因子和抗血管生成因子之間的平衡調(diào)節(jié)。盡管研究證明抗血管生成治療對哮喘癥狀的緩解有效,但是目前抗血管生成藥物在哮喘治療中的應(yīng)用仍存在很大障礙。因此,進一步明確哮喘血管再生和重塑的發(fā)病機制,有望為哮喘抗血管生成治療提供理論依據(jù)。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突