神经生长因子在支气管哮喘中的作用

2013-04-16 15:49 来源:国际呼吸杂志 作者:戴 小勇 等
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支气管哮喘(简称哮喘)是由多种细胞包括气道炎性细胞和结构细胞(如嗜酸粒细胞、肥大细胞、T 细胞、中性粒细胞、平滑肌细胞、气道上皮细胞等)和细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病。目前普遍认为它以不同程度的气道慢性炎症和气道结构改变为特征。神经生长因子(nerve growth factor NGF )是一种对在神经细胞生长、分化和存活中起营养作用的神经肽类,是神经营养因子家族中的一员。研究NGF 通过何种途径介导了哮喘的发生、发展,有助于为哮喘的治疗提供新的靶点。本文就NGF 介导哮喘的可能机制作一综述。

1 NGF 的结构与功能

50 年前,Levi-Montalcini 首次发现第一个NGF 。后Bonini 等首次发现,哮喘患者的血清NGF 蛋白水平明显高于正常对照组;且与血清总IgE ,值呈正相关。Olgart Hoglund 等首次以免疫组织化学发现哮喘患者支气管肺泡灌洗液(BALF )中升高的NGF 可能源于气道结构细胞以及源于支气管黏膜下层浸润的炎性细胞在慢性炎症条件下分泌产生。经典的NGF 是从小鼠颌F 腺中分离所得的相对分子质量为140 000 的糖蛋白,它是由α β γ3 种肽链,按α2β3γ2 的比例构成的以共价键结合的多聚体以及2 个锌指结构。β 哑单位是由2 条由118 个氨基酸组成的单链通过非共价键结合的- 二聚体;α 亚单位为非匀质性酸性蛋白可以阻止γ 亚单位对β 哑单位的水解。γ 亚单位由233 个氨基酸组成,有脂酶活性,可将无活性的β 亚单位转化为有活性的β 亚单位。亚单位间通过“半胱氨酸结点”连接,可以维持β-NGF 生物学活性。

正常情况下,NGF 主要是神经细胞,如神经胶质细胞、施旺细胞及神经元本身产。但在炎症条件下,支气管肺组织炎症细胞,如淋巴细胞、肥大细胞、嗜酸粒细胞及巨噬细胞等,及气道结构细胞,如成纤维细胞、上皮细胞或平滑肌细胞也可产生。NGF 可通过调控细胞表面的两类受体,即trkA tyrosine kinase receptorA frkA )和 p75 panneurotrophin receptor p75 )的活性来对神经细胞和非神经细胞产生乍物学作用。在哮喘中,NGF 可能通过某种机制促进其受体trkA p75 mRNA 表达,并与之相互结合,由此增强NGF 的生物学活性,共同调控哮喘的发乍、发展。

2 NGF 参与哮喘免疫源性炎症的可能机制

哮喘是一种免疫失衡性疾病。IL-4/IFN-γ 的比例失衡,是哮喘发生、发展的主要机制之一。Th1 细胞主要分泌IFN-γ Th2 细胞主要分泌IL-4 ,正常情况下Th1/Th2 处于一种平衡状态,哮喘发病时存在Th2 细胞异常增加,产生IL-4 等细胞因子增加。IL-4 可以刺激B 淋巴细胞的增殖和分化,诱导IgE 的产生;促进肥犬细胞的生长;提高血管内皮细胞表面黏附分子1 的表达,诱导淋巴细胞及嗜酸粒细胞对内皮细胞的黏附作用。IFN-γ 具有抑制Th2 细胞分泌IL-4 IL-5 等,降低气道反应性等作用。

有研究认为:NGF 能在一定程度上提高哮喘小鼠体内的IL-4 含量,增强Th2 反应;降低哮喘小鼠体内IFN-γ 含量,即可使哮喘小鼠Th1 反应减弱,进一步使Th1/Th2 比例失衡扩大,从而参与哮喘的发病。同时,哮喘局部炎症所产生的炎症细胞如:支气管上皮细胞、巨噬细胞、肥大细胞、T B 淋巴细胞及嗜酸粒细胞等可以导致BALF NGF 表达的升高。NGF 主要通过以下几个途径参与哮喘免疫源性炎症,即:①NGF 与活化的T 淋巴细胞表面的TrkA 受体结合,促进BALF IL-4 IL-5 Th2 型细胞因子增合成分泌,并诱导T 淋巴细胞增殖。②NGF 与活化的B 淋巴细胞表面的TrkA p75 受体结合,可促进B 淋巴细胞产生IgG4 IgA IgM ,将NGF 抗体注射在活体内,叮发现IgG 抗体生成减少。由此可以认为,NGF 对体液免疫和细胞免疫具有重要的调节作用。③NGF 间接或直接作用于嗜酸粒细胞,影响其功能而介导气道炎症的发生。Path 等用卵蛋白致敏的高度表达NGF 的转基因小鼠,发现其肺泡灌洗液中,嗜酸粒细胞和淋巴细胞的浸润程度多于对照组,用抗-NGF 处理高度表达NGF 的转基因小鼠,嗜酸粒细胞的增加明显减少。Quarcoo 等认为,使用速激肽受体(neurokinin 1/2 NK1/2 )的对抗物处理高度表达NGF 的转基因小鼠后,嗜酸粒细胞数量明显减少,说明NGF 可能是间接通过诱导速激肽的释放影响嗜酸粒细胞的浸润。另外,Noga 等的研究发现:从哮喘患者肺泡灌洗液中提取出的嗜酸粒细胞内,可以检测到神经营养因子 mRNA 的表达,在嗜酸粒细胞的溶解产物中,可检测到神经营养因子蛋白质表达,并用血小板活化因子刺激该嗜酸粒细胞,可以检测到NGF BDNF NT 3 的表达。

由此叮见,NGF 不但可作用于嗜酸粒细胞,诱导嗜酸粒细胞的产生,嗜酸粒细胞也可产生NGF ,两者相互促进哮喘的发生、发展。NGF 通过诱导肥大细胞增殖分化,促进炎性介质释放,对肥大细胞产生的过敏反应起放大作用。Kassel 等用变应原反复刺激哮喘患者后,发现肥大细胞的数量随着NGF 的增加而不断增加。进一步研究发现,肺组织的肥大细胞能分泌NGF NGF 又反作用于肥大细胞,从而形成正反馈。Sawada 等进行的体外实验发现,NGF 可促进白细胞的迁移和聚集。他们把小鼠腹膜肥大细胞和成纤维细胞的共同培养基中加入NGF ,可见到肥大细胞和成纤维细胞发生定向迁移,若加入抗-NGF 抗体,可发现肥大细胞的定向迁移受到抑制。综上,可见NGF 可以通过调节T B 细胞、嗜酸粒细胞、中性粒细胞、肥大细胞的聚集、活化、存活,促进炎性介质的释放,并以恶性循环的方式扩大炎症效应,来参与哮喘气道急慢性炎症过程。由此可以认为NGF 和免疫炎症细胞相互作用,形成一个不断扩大的正反馈,加重哮喘的发生、发展。在气道变应性炎症中,p75 受体可介导嗜酸粒细胞向炎症组织中募集,p75 受体缺失时,变应刺激则不能增加气道中NGF 的表达、嗜酸粒细胞浸润和炎症介质IL-4 IL-5 等的释放。Nassenstein 等研究表明,变应原刺激后,哮喘息气道嗜酸粒细胞中p75 表达增加,哮喘患者嗜酸粒细胞与NGF 共同培养后能够使细胞的存活力增强、活性增加,从而提示NGF 能够增强变原激发的气道嗜酸粒细胞炎症4 。这此资料提示,NGF 可能通过诱导嗜酸粒细胞、刺激Th2 胞因子等作用达到激活炎症网络的病理生理效应。

3 NGF 参与哮喘神经源性炎症的可能机制

调节气道的非肾上腺素能非胆碱能神经(NANC 神经,即感觉神经),成为当前研究的热点。NANC 神经可分为兴奋性NANC eNANC )神经和抑制性NANC iNANC )神经。eNANC 的递质有P 物质(SP ),神经激肽A NKA )及降钙素基因相关肽(CGRP )等;iNANC 的递质有血管活性肠肽、. 氧化氮等。哮喘神经源性炎症即是指当气管感觉神经末梢受到物理或者组胺、缓激肽等炎性介质的刺激后,神经冲动通过轴索传递至侧枝,引起感觉神经末梢释放SP NKA CGRP eNANC 神经肽,这种感觉神经未梢逆行性释放神经肽的过程称为轴反射,然后支气管上皮表达神经激酶1 受体(NK-1R )显著增加,而eNANC 肽作用于支气管上皮细胞的NK-1R ,结果导致血管扩张、通透性增加、炎性渗出及气道黏液分泌增加。亦即由e-NANC 神经释放的感觉神经肽所引起的炎症,称为神经源性炎症。气道感觉神经元可通过以下两种途径介导哮喘气道神经源性炎症:即①外周刺激感觉神经元兴奋产生神经冲动,然后传人中枢系统,经中枢分析综合后增强或减弱气道效应细胞的胆碱能神经作用;②轴反射。产生的生物学作用,如:SP 可使嗜酸粒细胞增殖和活化,激活肥大细胞释放组胺、白三烯、IL-6 TNF-α 及前列腺素D2 等。CGRP 可诱导嗜酸粒细胞浸润,增加淋巴细胞的趋化性和黏附力,打破Th1/Th2 细胞间的平衡。还可使气道平滑肌收缩、血管扩张、增加血管通透性及气道黏液分泌,加重气道炎症发生、发展。

NGF 可通过以下途径参与神经肽的调节及合成。即哮喘时炎症细胞产生的神经生长因子通过轴突逆行转运至背根神经节细胞,刺激神经递质(SP 等)分泌合成。合成的NKA 一方面经由感觉神经末梢分泌至下呼吸道,加重下呼吸道内的炎症反应;另一方面沿感觉神经节的中枢突进人C7 T5 段脊髓后角和孤束核区,使这些内脏传入二级站的中枢部位的NKA 含量升高,参与哮喘发病的中枢调节。Hoyle 等发现,过度表达NGF 的转基因小鼠肺泡灌洗液中SP 表达明显升高,用免疫组织化学及逆行追踪技术发现:局部气道给予NGF 后,可是产生SP 的神经无数量增加,引起肺内神经分布解剖和功能变化,增加神经兴奋性递质合成。Dinh 等指出NGF 可通过TrkA 介导感觉神经元SP 的合成,过度表达NGF 的转基因小鼠,气道内可出现交感神经纤维和含速激肽的感觉神经纤维,吸入辣椒素后气道痉挛较野生型小鼠加重。

综上,可以认为NGF 可以导致肺内神经分布解剖和功能上的变化,增加神经兴奋性和兴奋性递质合成,参与哮喘气道神经源性炎症的发生、发展。

4 NGF 参与哮喘发病中肾上腺内分泌功能的可能机制

近几年来有人提出细胞“冗余性和抗冗余性”的概念,并认为哮喘启动肾上腺髓质冗余性致哮喘加重。在疾病或认为干扰的情况下,可能会激发细胞的冗余性,使其细胞表型发生改变,同时细胞原有的功能减弱或消失,其兼职功能增强。肾上腺髓质细胞和NGF 共同起源于外胚层的神经嵴,细胞冗余性概念认为:肾上腺髓质细胞除了具有内分泌功能外,还具有潜在的向神经细胞转化的功能。有研究表明:NGF 可致体外培养的肾上腺嗜铬细胞向神经细胞方向转化,外源性糖皮质激素可以抑制这一转化。由于哮喘可抑制体内下丘脑- 垂体- 肾上腺皮质轴,外周血中皮质激素水平下降,抑制作用下降,可以表现为肾上腺嗜铬细胞向神经细胞方向转化受到抑制。汪俊、胡成平等进行的动物实验研究发现:哮喘大鼠血清肾上腺素水平明显低于正常组,但未见到肾上腺髓质细胞明显细胞膜突起生长,抗NGF 抗体干预组哮喘大鼠,未能完伞逆转NGF 所致的肾卜腺髓质细胞功能冗余性。他们认为:NGF 可以通过启动肾上腺髓质细胞的功能冗余性使其表型和功能发生转化,致肾上腺髓质细胞PNMT 表达降低,影响去甲肾卜腺素转化为肾上腺素而引起循环血中肾上腺素水平降低,最终导致哮喘的发生与发展,NGF 对哮喘发病中肾上腺内分泌功能的影响,尚有待于我们进一步探讨。

NGF 由气道炎症及结构细胞产生后,被神经轴突末稍摄取并逆行转运至胞体,参与神经递质传递及突触可塑性的调节,NGF 能够使SP 等神经递质合成、释放增加。有研究发现,在正常肾上腺皮质及髓质均可以发现含SP 的神经纤维的分布,Zhou 等用逆行示踪法显示这些神经纤维来自脊髓背根神经节,他们采用不同浓度的SP 对大鼠肾上腺进行灌注,发现低浓度的SP 能够促进烟碱及电刺激作用下肾上腺素释放,而较高浓度的SP 则抑制肾上腺素分泌。哮喘中气道结构细胞及免疫炎症细胞等均可产生NGF NGF 被神经轴突未稍摄取逆行转运到背根节,从而使背根节合成、释放SP 增加,从而导致肾上腺素合成、释放障碍。

综上,我们认为NGF 可通过以下途径致哮喘肾上腺素释放障碍:①NGF 启动肾上腺髓质细胞冗余性,致动肾上腺髓质细胞的表型和功能发生转化,致肾上腺髓质细胞向神经元转变,导致其内分泌功能减弱;②NGF 通过脊髓背根神经节调控SP 等神经肽,进而对肾上腺髓质细胞的生理、生化功能产生影响,致肾上腺素合成、释放及再摄取障碍,导致哮喘气道舒张功能障碍。

5 NGF 参与哮喘气道重塑的可能机制

哮喘气道重塑是指:支气管肺组织上皮细胞的损伤和修复,杯状细胞增生,上皮下纤维化,气道平滑肌增殖、肥大,气道平滑肌细胞迁移,以及炎症细胞浸润和支气管新生血管形成。有报道认为皮摩尔浓聚物NGF TrkA 受体结合后,活化PKC ,然后通过激活p38 ras/raf 两条通路有选择的活化ERK1/2 ,诱导气道平滑肌细胞增殖,导致气道重塑。Hoyle 等发现在过度表达NGF 的转基因小鼠肺组织,可见有气道卜皮增厚及感觉神经过度表达,从而说明了气道神经解剖和功能的改变可促进气道重塑。通过细胞培养发现,NGF 可以通过诱导前纤维化因子如转化生长因子β 、纤维母细胞生长因子,或通过IL-4 IL-13 ,诱导怖成纤维细胞的收缩及迁移,并分化为肌纤维母细胞。体外研究表明,NGF 与肽能感觉神经元的TrkA 受体结合后,可激活丝裂原活化蛋白激酶信号转导途径,参与细胞分化的生理变化,介导人气道平滑肌细胞的增殖,肺部成纤维细胞的收缩、移行以及向肌成纤维细胞的分化,影响修复过程中上皮化进程,促进成纤维化因子的释放,如TGFβ1 ,刺激1 型胶原的合成。既往研究发现NGF 可直接或通过上调TNF-α mRNA 的表达,间接上调基质金属蛋白酶2 MMP 2 )、MMP-9 的基因表达,抗溶解的保护性反应诱导组织基质金属蛋白酶抑制剂-1 TIMP-1 )、TIMP-2 的大量产生,引起MMP/TIMP 失调,从而导致ECM 在气道沉积,各种ECM 的比例发生改变,进而气道平滑肌细胞、成纤维细胞等的表型、增殖及功能,导致ECM 的进一步沉积,形成恶性循环。另一方面,MMP-2 表达增加可促进肌成纤维细胞的增殖,后者合成ECM 能力进一步增强。 这表明NGF 可能通过促进ECM 的沉积参与气道重塑。NGF 还可诱导血管内皮细胞增殖与移行,促进血管内皮生长困子的合成与释放,参与血管新生。此外,NGF 也可刺激与气道重塑有关的炎性细胞,如嗜酸粒细胞释放炎性因子(如IL-4 IL-13 )间接诱导气道结构的改变而参与气道重塑。另外,Micera 等发现,将肺成纤维细胞和NGF 共同培养,NGF 可以通过诱导TGF-β 的释放,使纤维细胞表达α- 平滑肌蛋白增加,从而使成纤维细胞的表型转变为肌成纤维细胞,来间接影响成纤维细胞的功能而引起气道重塑。

6 结语和展望

综上,NGF 通过直接及间接作用于肺部组织及气道上皮,导致众多的细胞内信号级联通路的活化,进而调节神经肽的分泌及T 细胞、嗜酸粒细胞、肥大细胞等气道炎症细胞的浸润、发育、活化、增殖及分化和炎性介质的分泌,导致气道结构细胞增殖及气道结构的改变。深入研究NGF 参与哮喘发生、发展的机制有助于对哮喘的炎症反应及气道重塑进行有效控制,为哮喘治疗寻找新的治疗靶点。但NGF 参与哮喘发生、发展的机制复杂多样,有许多问题还需进一步进行深入的研究,从细胞分子生物学水平探讨哮喘发病机制及治疗,具有广阔前景。

编辑: tianyusheng

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