過敏性哮喘免疫調節機制

鄭卉爽，徐迎陽，李麗莎，關凱

作者單位：100730 北京，中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院變態(過敏)反應科，過敏性疾病精準診療研究北京市重點實驗室，國家皮膚與免疫疾病臨床醫學研究中心

哮喘是一種由多種細胞和細胞組分參與的慢性氣道炎癥性疾病，伴有氣道高反應(airway hyper reactivity，AHR)可逆的氣流受限，臨床表現為反復發作的咳嗽、喘息、呼吸困難、胸悶等癥狀[1]。哮喘具有異質性，臨床表型不同。過敏性哮喘是其中重要的表型之一，是一類由變應原誘發的哮喘。常見可誘發過敏性哮喘的變應原包括塵螨、真菌、花粉、動物皮屑等。過敏性哮喘是由Th2型炎癥反應驅動，發生機制涉及適應性免疫和固有免疫。尤其是CD4+Th2細胞，可產生Th2細胞因子(IL-4、IL-5、IL-9和IL-13)，導致大量嗜酸性粒細胞(eosinophils，Eos)在氣道壁堆積，黏液過度分泌，并由過敏原特異性B細胞合成免疫球蛋白E(immunoglobulinE，IgE)，從而促進肥大細胞釋放大量炎癥介質參與疾病(圖1)。本綜述主要介紹過敏性哮喘的發病機制及研究進展，從固有免疫、適應性免疫、細胞外囊泡以及微生物組學方面展開闡述。

圖1 過敏性哮喘發病機制Fig 1 Pathogenesis of allergic asthma

1 固有免疫

1.1 上皮細胞

氣道上皮是肺內環境與外界環境之間的第一道防線，其通過物理屏障、黏液纖毛清除等功能來抵御外界過敏原和其他有害物質的侵襲[2]。上皮細胞不僅是身體和外界之間的物理屏障，而且還被認為是免疫活性細胞，可以協調由過敏原引起的炎癥反應[3]。上皮細胞表達跨膜或細胞內模式識別受體，識別入侵的過敏原并激活觸發警報素細胞因子白介素25(interleukin-25，IL-25)、白介素33(IL-33)和胸腺基質淋巴細胞生成素(thymic stromal lymphopoietin，TSLP)的釋放，這些細胞因子誘導下游Th2型細胞因子產生。IL-25、IL-33和TSLP均與過敏性哮喘的嚴重程度有關[3]。

IL-25(又稱為IL-17E)是IL-17家族中一種細胞因子，大部分的IL-25由上皮細胞產生，也可由樹突狀細胞、T細胞、2型固有淋巴細胞等免疫細胞產生。IL-25與更嚴重的哮喘表型有關。IL-25水平更高的患者，AHR更強，血中的Eos更多，血清IgE更高，氣道上皮增厚更明顯，Th2特征基因表達也更高[4]。另外，IL-25在氣道重塑中發揮作用。IL-25通過IL-13間接影響組織重塑而IL-13與病理相關的纖維化密切相關[5]。

IL-33是一種IL-1超家族的細胞因子，正常情況下，IL-33主要來源于上皮細胞、內皮細胞和成纖維細胞的細胞核內[1]。其同源受體白細胞介素-1受體樣1(IL1RL1或ST2)基因是兒童過敏性哮喘的易感基因[6]。到目前為止，至少有130個不同的IL-1RL1單核苷酸多態性位點已被確定與哮喘有關[6]。2018年Scott等[7]首次報道了外源性和內源性蛋白酶可以增強IL-33活性，進而導致巨噬細胞、2型固有淋巴細胞(ILC2)增加，Eos浸潤增加，氣道反應性增高。IL-33可增加CD146的表達，從而促進哮喘上皮-間質轉化，加快哮喘氣道重塑[8]。

TSLP屬于白介素家族，是一種造血B細胞的增殖和分化因子。過敏原刺激呼吸道之后，TSLP表達上調，同時TSLP也會促進嗜堿性粒細胞和肥大細胞活化。TSLP能明顯增強Eos的炎癥，通過延遲Eos的凋亡促進Eos的活性和趨化[9]。雖然傳統上認為TSLP是與Th2相關的細胞因子，但TSLP在支氣管肺泡灌洗液中的表達也被證明了與中性粒細胞炎癥相關[10]。兒童過敏性哮喘受TSLP風險基因型(rs2289277和rs11466750)和鼻腔上皮細胞中的表達的TSLPmRNA綜合影響[11]。在評估哮喘風險時，考慮這兩種生物標志物尤為重要。TSLP基因rs2289276(C/T)3個基因型與兒童過敏性哮喘發病相關，TSPL rs2289276 CC基因型在患有哮喘的兒童中可能導致患者Th1/Th2失衡，導致異常的炎性細胞因子的分泌[12]。

在一項臨床隨機對照試驗中，中重度哮喘控制不佳的患者經抗IL-25單克隆抗體治療12周后ACQ評分沒有改善，FEV1的改變未達統計學意義，抗IL-25單克隆抗體對受試者沒有產生治療效果[13]。目前全球有關IL-25單克隆抗體的臨床試驗均已停止?？笽L-33或TSLP可控制哮喘癥狀或改善生活質量(表1)。在小鼠模型中，聯合阻斷IL-25、IL-33和TSLP后可能會抑制炎癥細胞向氣道和肺實質浸潤、Th2細胞因子的表達，以及氣道重塑從而來改善氣道病理變化[14]?；诖隧椦芯拷Y果，聯合阻斷這些警報素比單獨阻斷任何一個更有效，這可能適用于治療嚴重的哮喘患者[14]。但是，到目前為止，尚無關于哮喘患者體內警報素之間的潛在作用和聯合阻斷IL-25、IL-33和TSLP后對哮喘患者的影響的研究。

表1 生物制劑在過敏性哮喘治療中的作用Table 1 Role of biological agents in the treatment of allergic asthma

1.2 固有淋巴細胞

固有淋巴細胞(innate lymphoid cells，ILCs)是一類非T、B細胞，與適應性免疫細胞平行的一類細胞。ILCs分為五類：自然殺傷細胞、ILC1s、ILC2s、ILC3s和淋巴組織誘導細胞。其中，ILC2s現已明確是參與過敏性哮喘中Th2型免疫應答的主要細胞[24]。ILC2s主要存在于黏膜屏障中，參與防御病原體、組織修復和維持局部平衡，被認為是第一道防線的細胞，也是固有免疫細胞(如巨噬細胞、樹突狀細胞、粒細胞)和適應性淋巴細胞(B細胞和T細胞)之間交叉影響的關鍵樞紐[25]。ILC2s是強大的細胞因子生產者，主要產生IL-4、IL-5、IL-9和IL-13。同時ILC2s還產生雙調蛋白可以促進損傷后的修復[26]。

ILC2s在解剖部位上與肺神經內分泌細胞(pulmonary neuroendocrine cells，PNECs)相毗鄰，均位于氣道交叉處，研究者發現PNECs在黏膜屏障處識別過敏原或其他信號，而后分泌γ-氨基丁酸和降鈣素基因相關肽，γ-氨基丁酸可導致杯狀細胞增生，繼而導致氣道粘液分泌增多；降鈣素基因相關肽可刺激ILC2s分泌IL-5，從而引起Eos在氣道內聚集[27]。在體外用維甲酸刺激時，人ILC2s可獲得產生IL-10的能力[28]。ILC2s產生的IL-10與過敏有關，并對慢性過敏有抑制作用[28]。IL-10可抑制CD4+T細胞和ILC2s激活[29]。在對患者進行塵螨特異性免疫治療中發現外周血中產生IL-10的ILC2s增加與過敏性鼻炎的改善有關[29]。

ILCs2的發現為過敏性哮喘的發病機制研究，提供了新思路。但是目前仍有許多問題有待解決，如調控ILC2s活化的調控因子、哮喘發生過程中ILC2與其他免疫細胞的功能是否重疊等[25]。

1.3 樹突狀細胞

樹突狀細胞(dendritic cells，DCs)是免疫系統中最有力的抗原呈遞細胞，是固有免疫和適應性免疫之間的橋梁。DCs包括常規DC(cDCs)和漿細胞DC(pDC)，其中肺部cDC是異質性的細胞群，可分為1型(cDC1s)和2型cDCs(cDC2s)[9]。與其他DC亞群相比，cDC1s吸收過敏原的能力較弱，并且與免疫耐受有關[30]。在暴露于過敏原后，Ⅰ型干擾素會誘導一個非常特殊的炎癥性cDC2s亞群，它具有cDC1s(IRF8表達)和單核細胞來源細胞(CD64表達)的混合特征[31]。在過敏性哮喘的發病和進程中，不同DC亞群的功能非常復雜，并且高度依賴于吸入過敏原的性質和量、局部微環境的組成、DC在氣道中的定位以及免疫反應的階段[30]。由于難以從哮喘發作患者身上獲取肺部組織樣本，因此難以對DC亞群進行功能研究，每個亞群在哮喘中的作用仍然需要進一步進行研究。

1.4 嗜酸性粒細胞

Eos是過敏性哮喘的主要效應細胞，它含有細胞毒性顆粒。哮喘患者外周血Eos被募集到氣道，并由IL-5活化。IL-5是介導骨髓中Eos成熟的關鍵細胞因子，參與Eos的分化、增殖、生存、激活、粘附、外滲和脫顆粒。目前已經開發出2種抗IL-5抗體(美泊利單抗和瑞利珠單抗)，抗體與IL-5結合阻止促進Eos活化。貝那利珠單抗可阻斷IL-5Rα的表達，從而使IL-5Rα的表達降低?？笽L-5治療目前已在多個國家上市，并有大量證據表明有良好的效果(表1)。Eos通過脫顆粒釋放大量有毒物質發揮效應，如嗜酸性粒細胞過氧化物酶、Eos衍生的神經毒素、Th2細胞因子、急性促炎癥細胞因子(如腫瘤壞死因子[TNF]-a、IL-1b、IL-6和IL-8)、趨化因子和脂質介質(如半胱氨酸白三烯)等，這些物質與AHR和杯狀細胞化生有關[32]?；罨腅os在氣道神經附近的定位和顆粒內容的釋放也可以改變副交感神經和感覺神經的張力來促進AHR[33]。另外，Eos相關的堿性因子(如轉化生長因子β)會導致氣道重塑[34]。

嗜酸性粒細胞胞外誘捕網(eosinophil extracellular traps，EETs)由組蛋白、DNA及Eos游離顆粒組成，在哮喘的發生發展中發揮重要的作用。外周EETs形成的Eos在嚴重的哮喘患者中升高，并能激活肺上皮細胞產生IL-33和TSLP[35]。EETs的形成也與夏科-萊登晶體(charcot-Leyden crystals，CLCs)的產生密切相關，CLCs具有免疫原性，促進Th2免疫反應[36]。在哮喘人源化小鼠模型(humanized mouse model of asthma)中發現，使用特定的抗體溶解CLCs可以防止Th2免疫反應、IgE合成和粘液分泌[36]。EET的釋放、CLCs的產生和黏稠液體的增加共同導致粘液栓形成，并導致氣道阻塞和哮喘患者的粘膜清除功能受損[37]。CLCs在過去幾年中受到越來越多的關注，但是它們具體的功能和進化發展仍不明確。CLCs在哮喘中的作用還需更多探索。

如圖1所示：(1)吸入抗原接觸氣道上皮后，引發釋放警報素IL-25、IL-33、TSLP，刺激周圍的DCs和ILC2；(2)ILC2表達IL-4、IL-5、IL-9、IL-13，并釋放雙調蛋白，促進損傷上皮的修復。其中TSLP和IL-33之間的相互正反饋回路進一步放大了炎癥。IL-33激活巖藻糖基轉移酶(Fut2)，該酶誘導BEC的巖藻糖基化，這對于持續的ILC2激活至關重要；(3)IL-5活化Eos，Eos脫顆粒釋放大量有毒物質發生作用；(4)DCs捕獲吸入過敏原，將其提呈給CD4+T細胞，誘導CD4+T細胞增殖活化為Th2細胞，Th2細胞誘導產生大量的細胞因子IL-4、IL-5、IL-13，IL-4參與B細胞的活化，產生IgE抗體；(5)IgE交聯在肥大細胞上，活化后的肥大細胞釋放大量的炎癥介質參與哮喘疾病。

2 適應性免疫

2.1 T淋巴細胞

T細胞在哮喘的發病機制中起核心作用。T細胞受體的識別對適應性免疫反應的啟動和特異性至關重要，而T細胞衍生的細胞因子則決定了免疫反應的類型[38]。CD4+T細胞在哮喘的發病機制中的作用是無可爭議的，但是有證據表明，CD8+T細胞也可能參與其中，直接介入或輔助CD4+T細胞[39]。

CD4+T細胞在IL-4的誘導下分化為Th2細胞。Th2細胞可產生多種細胞因子參與過敏性哮喘的發病機制，其中研究最多的是IL-4、IL-5和IL-13，這些細胞因子是過敏性哮喘的主要驅動因素，并與疾病的活動度、癥狀評分、氣道Eos和AHR有關[3]。IL-4可以上調在幼稚輔助T細胞中的Th2轉錄因子GATA-3，對Th0向Th2分化和IL-5、IL-9、IL-13、CCL17和Eos趨化因子的合成具有重要作用[38]。IL-5負責骨髓中Eos的成熟和釋放，促進B細胞合成IgE，促進嗜堿性粒細胞分化和組胺釋放。IL-13與IL-4有一些共同的功能，IL-13誘導產生IgE的B細胞，并促進內皮細胞增殖和黏液分泌[40]。單獨抗IL-4或IL-13生物制劑的臨床試驗結果令人失望，但IL-4和IL-13的雙重阻斷已顯示出前景(表1)。

調節性T細胞(regulatory T cells，Tregs)是CD4+T細胞的亞群，主要表達轉錄因子叉頭框蛋白3(Foxp3)、CD4和CD25。Tregs可抑制抗原呈遞細胞來激活效應性T細胞，同時增強耐受性DCs的功能，抑制效應性T細胞(包括Th1、Th2和Th17細胞)的遷移和功能。除此之外，Tregs還抑制漿細胞分泌過敏原特異性IgE[40]。Tregs在哮喘患者中的作用尚未明確。在哮喘兒童中觀察到肺Tregs數量減少，同時抑制肺Th2反應的能力降低[41]。然而一些研究表明，與輕度哮喘患者和健康人相比，中重度哮喘病人的氣道內Tregs數量增加[42]。這些發現之間的差異可能是因為研究隊列和Tregs分析方法的差異造成的。最近一項研究進一步表明，Tregs數量少和功能缺陷可能使兒童和年輕人更容易患哮喘，而老年患者的Tregs與哮喘風險或嚴重程度之間的關系相對較弱[43]。

Th9細胞、Th17細胞和濾泡輔助T細胞也在哮喘的發病機制中發揮了作用。Th9細胞是能產生大量的IL-9。IL-9能增強Th2細胞因子的產生，活化氣道中的Eos、嗜堿性粒細胞和肥大細胞，促進粘液分泌。另外，IL-9可抑制IFN-γ的產生，并協同促進IL-4誘導的IgE分泌[44]。IL-9可能與激素抵抗型哮喘有關，但目前未發現抗IL-9單克隆抗體對控制哮喘癥狀和減少哮喘加重有好處[45]。Th17細胞在過敏性哮喘中的作用尚未完全闡明。其分泌的IL-17可能發揮雙重作用：在過敏原致敏過程中，它是必不可少的，然而一旦致敏之后，IL-17就會削弱過敏反應，可能減少哮喘的發生[46]。以IL-17通路作為靶點，治療哮喘未能獲得成功。濾泡輔助T細胞(follicular helper T cells，Tfhs)是CD4+T細胞的一個獨立亞群，這種細胞具有獨特的能力，能進入B細胞濾泡中的生發中心，輔助B細胞分化產生漿細胞和記憶B細胞。起初認為IL-13不參與刺激IgE類別的轉換，但最近在小鼠和人體中發現了一個產生IL-13的Tfh亞群(Tfh13)，可以促進IgE產生[47]。在人體中，Tfh細胞的數量與血液中的總IgE水平相關，而且哮喘病人的Tfh細胞可以刺激IgE的產生，該作用在體外試驗中證實是IL-4依賴性的[48]。目前對Tfh在過敏性疾病發病機制中的作用尚未闡明，尤其是Tfh產生的IL-4和IL-21分別能促進和阻止IgE的類別轉換重組。

2.2 B淋巴細胞

在Th2型細胞因子作用下，B細胞成熟分化為漿細胞并產生IgE抗體，后者與肥大細胞和嗜堿性粒細胞上的高親和力FcεRI結合，形成致敏。當過敏原再次進入機體后，與IgE結合形成復合物，激活這些細胞表面的FcεRI，使其迅速脫顆粒釋放介質，如組胺、白三烯、前列腺素等，導致支氣管平滑肌痙攣、粘液水腫、粘液分泌增加，進而出現哮喘的急性發作。雖然IgE的產生主要發生在二級淋巴器官，但有證據表明這一事件也可能發生在哮喘患者的肺黏膜(所謂的局部IgE)[49]。局部IgE是肥大細胞激活過程中的重要媒介[49]。奧馬珠單抗可與IgE的第三恒定區結合，阻止游離IgE與高親和力和低親和力FcεR1受體相互作用。大量臨床研究表明，奧馬珠單抗可改善哮喘患者的肺功能，降低哮喘發作率等(表1)。

在小鼠過敏性氣道炎癥模型中發現B細胞也作為抗原提呈細胞發揮作用[50]。塵螨小鼠哮喘模型中，發現調節性B細胞在控制肺功能和氣道重塑方面的核心作用[51]。在過敏性哮喘患者中，IgE主要是由記憶性IgG陽性B細胞池產生，這些B細胞在Tfh細胞來源的IL-4和/或IL-13的作用下合成IgE并成為長壽的漿細胞[52]。

3 其他

3.1 細胞外囊泡

多種細胞參與了哮喘的發病機制，包括DCs、T和B淋巴細胞、單核細胞、Eos等。在這種情況下，潛在的細胞間交流是關鍵，主要由可溶性介質如細胞因子、趨化因子和其他可溶性因素來完成。近年來發現細胞外囊泡(extracellular vesicles，EVs)也參與了細胞間交流。EVs是指細胞釋放的納米級別的囊泡狀小體，其內包含了許多不同種類的生物活性分子，比如DNA、RNA、長鏈非編碼RNA和蛋白質、脂質等[53]。目前，國際細胞外囊泡協會提供了對EVs進行分類的指南，根據其特征可分為外泌體、微囊泡和凋亡小體3類[54](表2)。

表2 細胞外囊泡分類Table 2 Classification of extracellular vesicles

對于氣道上皮細胞來說，EVs攜帶生物活性物質向受體傳遞生物信息是一種重要的細胞間溝通方式。在小鼠實驗中發現肺中細胞外miRNA庫的組成與氣道上皮細胞非常相似，在支氣管肺泡灌洗液中檢測到的80%的EVs來自上皮細胞[55]。在誘導過敏性氣道炎癥后免疫細胞選擇性表達的miRNA數量(包括miR-223和miR-142a)以及造血細胞來源的EVs明顯增加，表明EV miRNA庫的改變對于過敏性炎癥的發展非常重要[55]?？乖岢始毎梢酝ㄟ^EVs與參與哮喘發展的其他類型的細胞進行交流。來自巨噬細胞和DCs的外泌體含有白三烯生物合成的酶，可通過參與白三烯生物合成和粒細胞募集而導致慢性炎癥[56]。此外，由哮喘患者的Eos分泌的外泌體可通過自分泌方式改變與哮喘發病機制有關的幾個特定的Eos功能，包括增加活性氧和一氧化氮的合成，以及Eos遷移和粘附[57]。另外，Eos分泌的外泌體可增強原發性氣道上皮細胞的凋亡、延遲上皮細胞損傷的修復，以及增加初級支氣管平滑肌細胞增殖，使氣道炎癥持續存在[55]。

EVs通過激發促炎反應在哮喘的發病中發揮重要作用。對從哮喘患者和健康對照組的肺泡灌洗液中分離出的EVs的脂質組進行表征，確定哮喘患者中獨特的脂質EV譜，發現改變脂質組可能會導致慢性炎癥[58]。除此之外，血漿Eos增多和EV顆粒計數以及IgE 滴度和顆粒計數之間存在正相關[58]。

已有研究表明，基于細胞外囊泡診斷哮喘的方法，主要針對miRNA、蛋白質或脂質，可以在不同的標本中進行，比如肺泡灌洗液、痰液、血清和洗鼻液?？紤]到標本的獲取和方法學上的合理性，miRNA分析可能成為更精確地識別哮喘表型，特別是通過非侵入性或微侵入性的診斷采樣技術[59]。

3.2 微生物組

微生物組是指細菌、真菌、病毒等微生物以及其產物和編碼基因的總和[60]。長期以來，人們認為微生物組在哮喘中發揮作用，也可能形成哮喘的異質性[61]。

生命早期暴露于微生物豐富的環境會影響兒童哮喘易感性[61]。哮喘與上下呼吸道均有關，但是大多的微生物研究只集中在上呼吸道，因為通過支氣管鏡來獲取下呼吸道的樣本較困難，尤其是對于兒童來說更是如此。研究發現下咽部的分泌物中有肺炎鏈球菌、流血嗜血桿菌、卡他莫拉菌和混合感染的嬰兒出現復發性喘息和哮喘的風險更大[62]。Howard等[63]對285名兒童進行隨訪至18歲，研究發現鼻咽部樣本中獲得的以葡萄球菌為主的微生物組與兒童復發性喘息和患哮喘的風險增加有關。

氣道微生物組學與哮喘的控制有關?？ㄋ鸀橹鞯谋乔晃⑸锝M與秋季哮喘加重有關，而那些以葡萄球菌或柯氏桿菌為主的患者則不太容易出現病情加重[64]。分析有嚴重喘息的學齡前兒童的纖維支氣管鏡和肺泡灌洗液，發現下氣道有兩組不同的微生物群：一個是與氣道中性粒細胞增多有關的莫氏菌群失調，另一個是由鏈球菌、普雷沃氏菌和奈瑟菌組成的一個類似于健康肺部的微生物集群，但是后者仍然與巨噬細胞和淋巴細胞為主的炎癥有關[65]。

綜上所述，氣道內的微生物組不是固定不變的，而且年齡和外部因素(如病毒感染)可能影響疾病的發展。肺部微生物甚至可能對哮喘有保護作用。研究證明，在農場長大并飲用生牛奶的兒童過敏性疾病的發病率比非農場長大的孩子約低2倍[66]。室內微生物也可能有保護作用，在非農場長大的孩子患哮喘的風險隨家庭微生物組成與農場家庭的相似度增加而降低[67]。農場中的過敏原主要包括細菌、酵母和真菌，它們可以激活固有免疫，其中內毒素，即脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，是一種來自革蘭陰性細菌的化合物。在一項小鼠實驗中，內毒素被證明可以減少過敏原對氣道上皮細胞和樹突狀細胞的激活，在體外也可以通過誘導泛素修飾酶A20而減少人類支氣管上皮細胞的激活[68]。

越來越多的證據表明，呼吸道免疫功能和腸道微生物群的免疫調節活動有關，被稱為“腸-肺軸”。許多研究表明，生命早期是腸道微生物群失調可能導致許多呼吸系統疾病發展的最重要時期，因為腸道微生物群對免疫細胞的成熟和對病原體的抵抗有重要影響[62]。有趣的是，新的研究證明“腸-肺軸”是雙向的，LPS刺激小鼠肺臟可以導致腸道內細菌數量顯著增多，而且肺炎會誘發腸道損傷，并減少腸道上皮細胞的增殖[69]。

肺部和腸道微生物群對哮喘的發展、表型和嚴重程度都有影響，但分子機制還沒有被完全描述清楚，這將是今后研究的熱點。此外，關于益生菌對兒童哮喘的預防和治療已經有文獻報道，但是應用益生菌進行哮喘治療的有效性仍需要深入研究。

綜上，過敏性哮喘的發病機制涉及固有免疫和適應性免疫應答機制。此外，包括細胞外囊泡和微生物組學也參與其中。過去的十幾年間，相關研究取得了很大的進步。隨著精準醫學概念的提出，越來越多的人開始關注如何做到疾病的精確診斷和治療。深入研究過敏性哮喘的發病機制，對疾病的精確診斷具有重要意義，未來有望開發出新型治療哮喘的藥物。