获得性免疫在人和动物模型慢性阻塞性肺疾病发展中的作用

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背景介绍

据报道,慢性阻塞性肺疾病(COPD)是全球发病率和死亡率的主要原因,被定义为一种常见的可预防和治疗性疾病。其特点是持续性气流受限,且不完全可逆。气流受限通常是渐进性的,与气道和肺部对有害颗粒或气体的慢性异常炎症反应增强相关(Rabe et al., 2007)。COPD的病因由环境因素(特别是吸烟)与遗传因素之间复杂的相互作用决定,其通常发生在中年长期吸烟者中,患者通常患有与吸烟或衰老有关的各种其他疾病。有证据表明,长期吸烟是导致90%以上COPD的原因(图1)。

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图1 长期吸烟是90%以上COPD的病因(Caramori et al., 2016)。

据世界卫生组织(WHO)估计,如果当前吸烟趋势继续下去,到21世纪末,将有超过10亿人过早死亡(Kheradmand et al., 2022)。值得注意的是,虽然吸烟是COPD最常见的危险因素,使得戒烟计划成为预防COPD的关键因素,但吸烟也并不是唯一的危险因素,流行病学研究的一致证据表明,不吸烟的人也可能会发展为COPD,其他因素包括:室内或室外超细颗粒、职业接触某些化学品、吸入臭氧以及慢性呼吸道感染等等(图2)。

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图2 COPD风险与吸入颗粒物的总负荷有关(Rabe et al., 2007)。

COPD发病机制

COPD的发生发展是一个复杂的病理过程,涉及多种炎症细胞、炎症介质及相关的细胞信号通路,并调节杯状细胞增殖、粘蛋白(MUC)合成和粘液分泌。近年来,分子生物学对COPD的发病机制有了新的认识(图3)。

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图3 复杂多样的COPD发病机制(Wang et al., 2020)。

COPD与免疫

研究发现,自身免疫在COPD中也发挥重要作用,来自活检材料的研究证明,每个吸烟者的肺组织都发炎了,并且其肺中炎性细胞浸润和各种促炎分子水平均增加(Shao et al., 2004)。在COPD中,炎症组织损伤是无穷无尽的,为对抗这些炎症,机体先天与后天免疫系统的众多细胞均参与其中,包括嗜中性粒细胞、巨噬细胞、T淋巴细胞等等(图4)。

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图4 COPD发展机制与免疫(Bagdonas et al., 2015)。

COPD的病理特征是气道重塑和中性粒细胞、CD8 T淋巴细胞和活化巨噬细胞的炎症细胞浸润。中性粒细胞在肺组织中的浸润程度与COPD的严重程度相关。在过去二十年中,对吸烟者肺组织的研究一直支持适应性免疫在病理生理学中的作用,例如气道和肺气肿变异型COPD,其在COPD和肺气肿发病机制中的重要性,首先是在针对人类肺组织的研究中提出的,随后在慢性烟雾暴露动物模型中进行了验证。

适应性免疫细胞如何对抗自身蛋白,一直是一个活跃的研究领域。在胸腺选择过程中,对自身蛋白反应强烈的T淋巴细胞被清除,而那些亲和力低的T淋巴细胞发展成为CD4+T细胞的一个特殊亚群,称为T调节细胞(Tregs),这些细胞表达典型转录因子Foxp3,并具有抑制T淋巴细胞活化的功能(图5)。

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图5 外周免疫耐受丧失与自身反应性T淋巴细胞分化介导物(Kheradmand et al., 2022)。

依据CD4+T淋巴细胞分泌不同的细胞因子,可将其区分为Th1、Th2、Th17亚型,其中,Th2亚群已被证明在肺部过敏性炎症中起关键作用(图6)。Th1和Th17细胞及下游效应趋化因子可上调MMP12和MMP9,支持了诱导Th1和Th17适应性免疫应答烟雾暴露的作用,与肺气肿病理生理学相关(图6)。

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图6 肺部环境暴露与适应性免疫细胞的诱导有关(Kheradmand et al., 2022)。

COPD早期适应性免疫标志物

评估吸烟者肺部免疫细胞的初步组织学研究发现,其气道壁内有大量活化的CD4+和CD8+T淋巴细胞。最近研究发现,外周血中抗原特异性CD4+T淋巴细胞与肺气肿严重程度显著相关,除自身免疫介导的炎症细胞向肺部募集的进展之外,已有研究表明,基质分子的蛋白水解切割提供了COPD相关的必要环境因素,特别是,胶原蛋白降解可以释放PGP三肽,在体内充当有效的中性粒细胞趋化剂。动物实验研究表明,暴露于VGVAPG的小鼠会产生更多的Th1和Th17细胞,进一步突出了它们在肺气肿发展中的关键作用(图7)。活化的嗜中性粒细胞来源的外泌体在小鼠中引起肺气肿,并且类似的囊泡存在于人类COPD肺样本中。

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图7 先天免疫和适应性免疫证实肺气肿的发病机制(Kheradmand et al., 2022)。

在淋巴结外和炎症条件下,B淋巴细胞可存在于肺中形成的三级淋巴聚集体中,其在吸烟者肺中的存在与COPD患者疾病严重程度分类呈正相关。并且,血清IgG浓度降低也与COPD急性加重有关。

针对患有或不患有COPD的吸烟者和对照组(从不吸烟者)分离的BAL细胞的分析显示,在COPD患者中,髓样细胞的主要亚群表达调节蛋白水平降低,这可能导致慢性炎症。并且患有COPD的活跃吸烟者与前吸烟者的肺泡巨噬细胞及组织巨噬细胞的丰度较高,表现出不同的表型,表明激活巨噬细胞具有促炎特征(Savage et al., 2020)。体外功能研究表明, COPD患者肺部Tfh细胞极化能力增强。

先天性免疫细胞源性蛋白酶可在COPD发病机制中降解ECM,促进肺结构细胞不稳定,单核细胞亚群在小鼠和人类之间是保守的,而巨噬细胞亚群则表现出物种特异性。iNOS是一种炎性巨噬细胞标志物,已被用于逆转COPD。

参考文献

Bagdonas E, Raudoniute J, Bruzauskaite I, Aldonyte R. Novel aspects of pathogenesis and regeneration mechanisms in COPD. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis. 2015;10:995-1013.

Caramori G, Casolari P, Barczyk A, Durham AL, Di Stefano A, Adcock I. COPD immunopathology. Semin Immunopathol. 2016;38(4):497-515.

Institute for Health Metrics and Evaluation (IHME). Findings from the Global Burden of Disease Study 2017. Seattle, WA: IHME, 2018.

Kheradmand F, Zhang Y, Corry DB. Contributions of acquired immunity to the development of COPD in humans and animal models. Physiol Rev. 2022;10.1152/physrev.00036.2021.

Rabe KF, Hurd S, Anzueto A, et al. Global strategy for the diagnosis, management, and prevention of chronic obstructive pulmonary disease: GOLD executive summary. Am J Respir Crit Care Med. 2007;176(6):532-555.

Savage PA, Klawon DEJ, Miller CH. Regulatory T Cell Development. Annu Rev Immunol. 2020;38:421-453.

Shao MX, Nakanaga T, Nadel JA. Cigarette smoke induces MUC5AC mucin overproduction via tumor necrosis factor-alpha-converting enzyme in human airway epithelial (NCI-H292) cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2004;287(2):L420-L427.

Wang C, Zhou J, Wang J, et al. Progress in the mechanism and targeted drug therapy for COPD. Signal Transduct Target Ther. 2020;5(1):248.

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