高原肺水肿中的炎症与巨噬细胞免疫作用

Inflammation and Macrophage Immunity in High Altitude Pulmonary Edema

摘要: 高原肺水肿(High Altitude Pulmonary Edema, HAPE)是机体对低氧环境不同程度适应性导致肺液稳态调节不平衡而引起的高原危重症。目前已有的发生机制主要为血流动力学、渗液机制、肺水清除障碍、炎症反应等。缺氧诱导的炎症机制参与了HAPE，肺泡和肺血管壁中最突出的炎症细胞类型是巨噬细胞。本研究拟通过综述类形式从炎症与巨噬细胞免疫作用角度谈HAPE的发病机制及研究进展，以期对HAPE的研究及临床预防和(或)治疗具有一定推动作用。

Abstract: High Altitude Pulmonary Edema (HAPE) is a critical illness caused by imbalance of lung fluid ho-meostasis regulation due to different degrees of adaptation to low oxygen environment. Currently, the main mechanisms of HAPE are hemodynamics, exudate mechanism, impaired lung water clear-ance, and inflammatory response. Hypoxia-induced inflammatory mechanisms are involved in HAPE, and the most prominent inflammatory cell type in the alveolar and pulmonary vascular walls are macrophages. This study intends to discuss the pathogenesis and research progress of HAPE from the perspective of inflammation and macrophage immune action in the form of a review class, in order to have a promotion effect on the research and clinical prevention and/or treatment of HAPE.

1. 引言

高原肺水肿(High altitude pulmonary edema, HAPE)多发生于初次或再次急进海拔 > 2500 m地区的人群，是机体对低氧环境不同程度适应性导致肺液稳态调节不平衡而引起的高原危重症。目前对于高原肺水肿的发病机制尚不清楚，已有的发病机制包括：血流动力学、渗液机制、炎症反应、肺泡清除能力下降、氧化应激、遗传因素等 [1] 。本研究拟通过综述类形式从炎症与巨噬细胞免疫作用角度谈HAPE的发病机制及研究进展，以期对HAPE的研究及临床预防和(或)治疗具有一定推动作用。

2. 在HAPE中存在炎症浸润的证据

缺氧和炎症之间的相互作用已经在包括肺动脉高压在内的一系列疾病中得到了广泛的记录 [2] 。严重缺氧条件下，通常低于3%的O₂，会导致血管内皮细胞和循环髓系细胞释放促炎细胞因子。细胞因子释放的缺氧刺激是相当迅速的，且发生在数小时内，因此可能是HAPE的早期事件 [3] 。支持人体肺部在缺氧状态下存在炎症，有学者对对至少持续1-2天的HAPE患者进行两项不同的肺泡灌洗研究并通过支气管镜收集的肺泡液，发现相当高的IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和IL-Rra，以及中性粒细胞浸润 [4] [5] 。越来越多的证据表明，缺氧改变了肺非血管细胞中各种血管活性和炎症因子的表达，如巨噬细胞、淋巴细胞和树突状细胞 [6] 。研究发现不同时间(2~28 d)模拟高原低氧均可诱导小鼠肺组织中内皮细胞中CAMs基因的转录激活，增强免疫细胞和血管上皮细胞的炎症反应，肺部渗出液增多而促进HAPE发生 [7] 。在高海拔环境中还未发生HAPE的登山者IL-1、IL-6、TNF-α等炎症标志物水平升高。呼吸道感染细菌、病毒及其毒素、炎性代谢产物等均可直接损害肺组织毛细血管，使其通透性增高，在高原低氧状况下这种损害更显剧烈 [8] 。另有研究发现 [9] ，肺肥大细胞(Mast cells, MCs)在急性低氧条件下快速发生募集，在肺微小血管旁快速增多、活性增强，脱颗粒释放IL-6增多，与类胰蛋白酶参与了肺MC活化的瀑布效应，直接或间接释放缩血管物质增多，参与促进了低氧PAP增高的过程，进一步促进HAPE的发生。此外，最近的一项研究表明，炎症相关基因(MMP8、MMP9、IL-17β和Timp1)的表达在暴露于相同缺氧条件(急性低压缺氧)的大鼠肺部上调 [10] 。综上认为缺氧诱发的肺部和/或全身炎症可能是HAPE的一个病因。

3. 在HAPE中肺巨噬细胞的时空特异性激活

在缺氧PH小鼠模型中，在不同时间点从肺泡和间质/血管周围腔室分离巨噬细胞为，间质巨噬细胞(interstitial macrophages, IMs)，将他们称为CD11bhi巨噬细胞。肺泡巨噬细胞(alveolar macrophage, AMs)，将他们称为CD11chi巨噬细胞。AMs由一个单一的驻留细胞群组成，这些细胞在整个缺氧过程中在数量上保持稳定，没有巨噬细胞募集到肺泡腔室。IMs由基线时的单一驻留细胞群，缺氧4天后的驻留细胞和招募细胞混合群，以及缺氧14天后更同质的重编程巨噬细胞群组成。缺氧早期，肺泡和间质室的肺巨噬细胞显示出保守的“缺氧程序”，其特征是细胞代谢的变化，包括氧化磷酸化、线粒体功能障碍和糖酵解，EIF2、RhoA、肌动蛋白细胞和mTORC1信号通路的增加致促炎基因激活和代谢的改变，而后来在缺氧过程中，AMs继续保持这种激活状态，IMs存在编程向表达抗炎和促修复基因和通路的独特表型转移，这种编程变化伴随着血管周围巨噬细胞数量的显著减少 [11] 。由此可见，缺氧导致巨噬细胞向间质/血管周围空间的早期积累 [12] 。研究挑战了目前的一个假设，即肺泡巨噬细胞数量的增加是由于循环细胞的募集 [12] [13] 。

急性低氧应激可刺激肺血管发生低氧性肺血管收缩(hypoxic pulmonary vasoconstriction, HPV)，是血流从低氧肺泡区转移到通气较好的肺泡区，发生肺内血流重新分配，使肺部整体的通气/血流比值维持在最佳比值，以保证肺换气的完成，维持较高的血氧分压 [14] 。缺氧导致肺泡炎症，主要由巨噬细胞组成。IMs容易被招募到低氧张力下血管供应不足的区域 [15] 。被招募的巨噬细胞可以通过极化激活来适应其免疫微环境，大致可以分为两种类型：经典型巨噬细胞(M1)和替代性活化巨噬细胞(M2)和抗炎(调节)巨噬细胞 [16] [17] [18] 。M1是“效应”吞噬细胞，由干扰素-γ (INF-γ)和肿瘤坏死因子(TNF-α)激活。它们产生诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和IL-12，通过鼓励促炎分子的释放，增强了炎症反应，并表现出增强的杀微生物或杀瘤能力 [16] 。M2通过其促进营养、促纤维化、刺激细胞增殖和血管生成，参与了肺和其他疾病的发病机制 [19] [20] 。研究首次检测小鼠HPH发育过程中M1和M2巨噬细胞比例的动态变化。作者发现M1巨噬细胞浸润在炎症急性期(始于缺氧第4天)占主导地位，随后向抗炎M2表型的转变可能会过度的组织损伤 [21] 。另有研究发现体内和体外的缺氧使肺泡巨噬细胞的数量向M2表型极化。初级肺泡在缺氧条件下体外培养的巨噬细胞(0.5% O₂)也表现出M2表型，Fizz1和Ym1水平增加，而不是IL-12和TNF-α，表明缺氧诱导的M2极化是一种细胞自主现象 [22] 。在体内，最近发现的两种M2极化的非典型诱导剂CCL2和IL-6的mRNA水平的上调 [23] ，以及缺氧小鼠BALF中IL-13和IL-4细胞因子水平的升高，支持了我们的缺氧模型中的M2样激活 [24] 。

4. 在HAPE中肺巨噬细胞与炎症级联反应

缺氧诱导AMs释放单核细胞趋化转录蛋白-1 (MCP-1) [25] ，一种具有肥大细胞促分泌特性的趋化因子，该介质被循环转移并激活肥大细胞，活化的MCs导致微血管炎症，其中白细胞–内皮细胞粘附相互作用增加，白细胞迁移和血管通透性增加 [26] 。局部肾素-血管紧张素系统(RAS)被肥大细胞脱颗粒激活，参与炎症级联反应，Ang I的缩血管作用很微弱，ACE在肺毛细血管内皮细胞上活性表达最高，但当其进入到肺循环后会在ACE的作用下转变为具有强烈收缩血管作用的活性物质Ang II，肺循环是体内唯一不使Ang II灭活的血管床，Ang II是重要的血管损伤因子，能引起内皮细胞肿胀、呈上皮细胞凋亡。研究发现Ang II可激发炎症反应及细胞氧化应激，诱导肺组织损伤 [27] 。由于全身炎症仅发生在肺泡PO₂减少时，肺泡巨噬细胞由于其位置和全身作用，被认为可能是肺泡缺氧全身炎症的循环介质的来源。AMs在这一现象中的作用被三条证据证明 [28] ：首先，通过气管灌注含氯膦酸脂质体消耗AMs阻断肥大细胞脱颗粒、白细胞–内皮细胞粘附增加和肺泡缺氧后白蛋白外渗。第二，从缺氧、AMs衰竭的大鼠获得的血浆应用于正常氧嵴时没有引起炎症；第三，AMs原代培养上清液暴露于10% O₂诱导肥大细胞脱颗粒和白细胞内皮粘附，观察常氧培养的肺泡巨噬细胞上清液无炎症作用，排除了非特异性效应。总之，强有力的证据支持关于AMs激活的系统性影响。

5. 在HAPE中肺巨噬细胞与肺循环结构重构

缺氧状态下血流动力学的改变会导致肺内皮细胞(Epithelial Cells, ECs)功能障碍，表现为增加其通透性和炎症细胞标记物的表达，并干扰多种细胞质膜依赖的受体、代谢和转运功能，进而导致免疫细胞的粘附和炎症介质的释放，而由此产生的血管周围炎症 [29] [30] 。越来越多的证据，已经证明外膜的变化是血管壁炎症性病变发展的直接驱动力 [31] - [36] 。在ECs损伤时，外膜除成纤维细胞本身表现出促炎表型(包括外膜巨噬细胞的募集、激活和促炎标志物的产生)外，还包含白细胞、祖细胞、神经(交感神经和副交感神经)、淋巴管和血管(额外的血液供应)，这些已被证明在ECs损伤时被集体激活，并释放多种因子，驱动先天免疫细胞的募集 [37] [38] [39] [40] [41] 。炎细胞如活化的巨噬细胞分泌MMPs，特别是MMP-2 [42] [43] 、MMP-9 [43] [44] 、MMP-10 [45] 和MMP-19 [42] [44] ，而金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)出现下调 [37] [43] 。MMPs，降解弹性蛋白，促进外膜成纤维细胞和其转化来的肌成纤维细胞向中膜和内膜的迁移 [37] [42] ，促进平滑肌细胞(Smooth Muscle Cells, SMCs)从中膜迁移到动脉壁内膜区域形成新生内膜 [46] [47] 。被招募IMs可能表达细胞外基质(ExtraCellularr Matrix, ECM)蛋白，如I型胶原 [48] 。炎症介质刺激成纤维细胞 [42] 可增加胶原蛋白 [49] 、纤维连接蛋白或基质细胞tenascin-C的表达 [50] 。最终，血管壁弹性蛋白纤维成分逐渐不平衡，ECM重构，降低血管顺应性。

肺血管床的ECs可以感知到由血管顺应性降低引起的压力升高和高搏动血流，触发炎症细胞因子IL-6和TNF，趋化因子(C-C motif)配体2 (CCL2)、基质金属蛋白酶(MMP)-9、血小板衍生生长因子B和白三烯B4 (LTB4)，并表达水平升高的免疫细胞粘附分子，包括血管细胞粘附分子1 (VCAM-1)、细胞间粘附分子1 (ICAM-1)和P-选择素 [51] [52] ，这些已知炎症介质的积累可能产生促炎微环境，不利于肺血管床的完整性，从而进一步恶化血管重构，从肺泡毛细血管屏障压力梯度及通透性和淋巴通量的动态变化到流体静力平衡的破坏所有这些元素都有助于血管外肺水的增加 [3] 。

6. 在HAPE中肺巨噬细胞与HIF信号的相互作用

缺氧驱动免疫/炎症介导复杂的血管稳态，转录反应的关键调控因子分别是缺氧诱导因子(Hypoxia inducible factor, HIF)和核因子-κB (NF-κB) [53] 。缺氧通过TNF-α/NF-kB/HIF信号级联通路与免疫细胞的代谢重构和炎症控制相互作用。Jin [54] 等人发现，在应对缺氧时，内皮细胞可以有效分泌TNF-α，进而通过NF-κB通路激活HIF。一方面，HIF通过与NF-κB信号通路的串扰驱动细胞因子的释放，这增强了巨噬细胞的募集、趋化性和极化性(促进免疫细胞的激活、代谢重编程和炎症介质的释放)。另一方面，暴露于缺氧环境中的免疫细胞，会激活和稳定HIF。在缺氧条件下，抑制线粒体氧化磷酸化和电子传递链被抑制，而糖酵解被增强，导致巨噬细胞活性氧(ROS)和琥珀酸和富马酸等代谢物的产生增加，从而激活和稳定HIF-1α [55] 。HIF-1α还通过抑制细胞凋亡和触发核因子NF-κB信号通路来增加中性粒细胞胞外陷阱(NETs)的形成和中性粒细胞的存活。活化的中性粒细胞刺激HIF-1α和HIF-2α的表达 [56] [57] 。因此，HIF介导的免疫细胞失调和HIF/NF-κB串扰共同参与了HAPE的病理。

7. 结论

综上所述，缺氧诱导的炎症机制参与了HAPE。肺巨噬细胞向保守的缺氧程序的早期腔室独立激活，与TNF-α/NF-κB/HIF信号级联通路串扰促进微循环炎症反应，直接或通过血管壁其他成分间接参与肺循环结构重构，在不同水平的炎症级联的体循环中发挥重要作用，共同参与了HAPE的病理。因此，肺巨噬细胞在缺氧诱导的肺损伤中观察到的炎症反应中具有突出的作用。但可以肯定的是，肺巨噬细胞与HAPE之间的联系远不止目前这些，其分子机制有待进一步去探索，以期未来为更多系统疾病提供新的参考。由于高原地区的特殊性，该方面疾病研究相对偏少，以期学者们未来更多领域、更深层次的探讨。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。