引用本文： 李鋒, 周新. 慢性阻塞性肺疾病的發病機制研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2019, 18(1): 88-92. doi: 10.7507/1671-6205.201803050 復制
慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）是一種常見的可以預防和治療的疾病，特點為持續性呼吸道癥狀和氣流受限，由有毒顆粒或氣體導致的氣道和/或肺泡異常引起。據報道，全球 40 歲以上成年人的慢阻肺患病率在 5%～19%[1]。據估計，到 2030 年，慢阻肺將由全球第四位死亡原因上升到第三位死亡原因[2]。香煙煙霧是慢阻肺的主要致病因素，空氣污染、生物燃料等也是慢阻肺重要的致病因素。與其他氣道炎癥疾病如哮喘不同的是，慢阻肺發展過程中炎癥不能被現今的抗炎藥物有效中斷。因此，迫切需要對慢阻肺的發病機制進行深入研究。本文擬總結近年來慢阻肺發病機制研究的新進展。
1 炎癥細胞機制
慢阻肺氣道炎癥的特點是氣道內中性粒細胞、巨噬細胞、T 淋巴細胞、B 淋巴細胞增加，其炎癥機制涉及固有免疫與適應性免疫。香煙煙霧中的有害成分進入肺組織后可通過觸發模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）活化各種固有免疫細胞（中性粒細胞、巨噬細胞、嗜酸性粒細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞等），同時，氣道內結構細胞（氣道上皮細胞、肺泡上皮細胞、內皮細胞、成纖維細胞）也相繼活化，直接或間接的激活炎癥相關的損傷相關分子模式（damage associated molecular patterns，DAMP），導致各種細胞因子、趨化因子、生長因子、急性期反應蛋白和抗菌肽的釋放。活化的樹突狀細胞可誘導適應性免疫應答，包括輔助性（Th1 和 Th17）CD4 + T 細胞、CD8+ T 細胞和 B 細胞的免疫應答，導致淋巴濾泡增生，誘發持續性的肺組織慢性炎癥[3-4]。
慢阻肺患者的痰液和支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）內活化的中性粒細胞數量增加，并與病情的嚴重程度相關。活化的中性粒細胞釋放絲氨酸蛋白酶，如中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）、組織蛋白酶 G、蛋白酶 3、基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-8、MMP-9、半胱氨酸蛋白酶和各種氧化性物質等，這些酶類促成黏液高分泌、肺泡間質及肺實質破壞，導致肺組織出現肺氣腫性改變[5]。慢阻肺患者的氣道、肺間質、BALF、痰液內的巨噬細胞數量增加，一般是 M1 型巨噬細胞，對病原菌和凋亡細胞的吞噬和清除能力較低，而促炎作用較強。巨噬細胞可釋放炎癥介質和趨化因子，如腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、CXCL1、CXCL8、CCL2、LTB4、活性氧（reactive oxygen species，ROS）等，驅使中性粒細胞和單核細胞等炎癥細胞募集到肺部并促進巨噬細胞的成熟，肺泡巨噬細胞還可分泌彈性蛋白分解酶，如 MMP-2、MMP-9、MMP-12、組織蛋白酶 K、組織蛋白酶 L、組織蛋白酶 S 等促進疾病進展[6-7]。臨床研究表明，許多慢阻肺患者的痰液含有嗜酸性粒細胞，其在慢阻肺中的發病機制尚不明確。嗜酸性粒細胞數量的升高與慢阻肺患者肺功能下降及急性加重有一定的相關性，同時還預示對支氣管舒張劑和糖皮質激素治療的反應良好，也可能提示同時存在哮喘或哮喘-慢阻肺重疊綜合征[8]。慢阻肺患者的肺間質、中央氣道、外周氣道的 T 淋巴細胞數量增加，其增加的程度與肺泡破壞及氣流受限的程度正相關，其中 CD8+ T 細胞（TC1 細胞）高于 CD4+ T 細胞（TH1 細胞）[9]。在氣道出現感染時，TC1 細胞增多，其可釋放穿孔素、顆粒酶 B，引起肺泡上皮細胞吞噬、凋亡，促進肺氣腫的形成。CD4+ TH17 細胞可分泌白細胞介素（interleukin，IL）-17A 和 IL-22 介導中性粒細胞炎癥[3，10]。B 淋巴細胞也參與慢阻肺的發病，但是相關研究不多。此外，慢阻肺患者的樹突狀細胞數量增加、活性增加，并與疾病嚴重程度相關。樹突狀細胞是天然免疫和適應性免疫的重要連接點，可激活一系列炎癥細胞和免疫細胞，在肺部對煙草、有毒顆粒或氣體的免疫應答中具有重要的作用[11]。
小氣道上皮細胞還可表達轉化生長因子-β（transforming growth factor β，TGF-β），后者可促進局部纖維化。血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）在保持肺泡結構的完整性方面發揮了重要的作用。而在慢阻肺患者的氣道上皮中，VEGF 和 HGF 均表達下降，可能促進肺氣腫的形成[12]。慢阻肺患者氣道上皮細胞的表皮生長因子受體表達增加，促進鱗狀上皮增生，也可能促進黏液高分泌[13]。
2 氧化應激
與健康對照者、吸煙者相比，慢阻肺患者體內存在氧化-抗氧化失衡，即氧化應激損傷。產生氧化應激損傷的外源性因素包括吸煙、生物燃料、有毒氣體、顆粒物，內源性因素包括炎癥細胞（尤其是中性粒細胞、巨噬細胞）、結構細胞（氣道上皮細胞和平滑肌細胞）通過線粒體呼吸、NADPH 氧化酶（NADPH oxidase 2，NOX2）、黃嘌呤/黃嘌呤氧化酶和血紅素過氧化物酶等引起氧化應激損傷[14]。常見的 ROS 包括含有未成對電子的羥自由基（·OH）、超氧陰離子（O2·-），極易和體內的蛋白、脂質和 DNA 等發生過氧化反應，誘導組織損傷，或誘導生成更多的損傷性氧化產物，如過氧化氫、丙二醛、8 羥基鳥苷、4-羥基壬烯醛等。肺組織氧含量較高，且直接暴露于環境病原體、污染性氣體和毒素，更易受到氧化應激損傷，進而產生大量的 ROS 誘導慢阻肺的發生[15]。比如，ROS 能夠激活核因子-κB 等轉錄因子和 p38 MAPK 信號通路，導致炎癥基因和蛋白酶表達增加；抑制內源性抗蛋白酶［如 α1 抗胰蛋白酶（α1-antitrypsin，AAT）］，導致肺泡彈性成分分解增加；介導 DNA 損傷，影響其修復功能，增大并發肺癌的風險；介導蛋白羰基化，導致體內自身抗體增加，誘導肺組織炎癥和損傷持續存在并加重；激活 TGF-β，介導纖維化；此外，ROS 還可降低組蛋白去乙酰化酶-2（histone deacetylase-2, HDAC2）的活性和表達，進而促進炎癥基因的活化；另外，HDAC2 活性的降低使得核因子 E2 相關因子 2（nuclear erythroid-2-related factor 2, Nrf2）乙酰化水平增高，導致 Nrf2 穩定性降低甚至失活[14]。現有的各類抗氧化藥物在動物模型中顯示出一定的抗炎效應，但是在臨床實踐中的療效尚不穩定。
3 線粒體功能異常
線粒體是大多數真核細胞的細胞漿內具有獨特特性的細胞器，其內膜折疊形成線粒體嵴，內含氧化磷酸化酶復合體（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和電子呼吸鏈參與能量調控和生物合成。線粒體不僅是細胞內三磷酸腺苷的主要來源，還能通過自身的生物合成、自噬、分裂融合等過程參與鈣離子平衡、免疫反應、炎癥反應、細胞增殖分化、細胞修復和細胞衰老死亡等諸多過程。多項臨床研究表明，慢阻肺患者的呼吸肌、骨骼肌、氣道平滑肌、氣道上皮、肺組織存在氧化應激、線粒體功能異常。有研究表明，慢阻肺的發生發展與線粒體活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）產生增加、抗氧化能力下降、OXPHOS 異常、以及線粒體數量減少有關，還與 mtROS 激活的炎癥小體（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）活化有關[16]。作為慢阻肺的重要誘因，煙草可以通過誘導線粒體結構和功能的損傷而介導氧化應激；煙草可以通過誘導線粒體自噬功能異常，通過 PINK1/Parkin 途徑介導支氣管上皮細胞 mtROS 的產生，并可增強線粒體分裂活動而介導細胞衰老[17-18]；煙草還可以通過誘導線粒體片段化而介導細胞凋亡或焦亡[19]。此外，與健康成人相比，慢阻肺吸煙者的白細胞線粒體 DNA 復制率較低，這與血清還原型谷胱甘肽水平降低有關[20]。針對線粒體機制障礙的研究可能為慢阻肺治療性干預提供新思路。
4 衰老機制
衰老是很多慢性疾病最重要的危險因素之一。衰老的九大特征包括：基因組不穩定性、端粒縮短、細胞衰老、表觀遺傳改變、蛋白內穩態失衡、營養感應失調、線粒體功能異常、干細胞耗竭、細胞間信息交換改變。正常肺的老化表現在肺功能下降、氣體陷閉增加、肺彈性回縮力消失、遠端氣道腔隙擴大，這些同樣出現在慢阻肺的病理生理過程之中。慢阻肺被認為是使肺老化進程加快，衰老的多個機制同樣適用于慢阻肺患者的肺老化[21]。隨著機體的衰老，非吸煙者也可因肺泡空間擴大而導致肺功能降低，但是一般不出現大面積的肺泡結構破壞和炎癥。長期吸煙會加快衰老的進程，導致肺泡破壞加重、氣流受限嚴重、肺功能下降明顯[22]。肺氣腫的肺組織由于炎癥和氧化應激損傷的持續存在，細胞的端粒縮短加快，活化衰老相關的 β-半乳糖苷酶和 p21 蛋白，加快細胞衰老和促炎基因的表達[23]。同時衰老相關的 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNAs 調控可誘導染色體重塑和相關抗衰老蛋白（如 HDAC2 和 Sirt1）的表達下降，加快衰老進程[24]。伴隨著年齡的增加，基線狀態時的炎癥和氧化應激也相應加重，即所謂的炎癥性衰老或應激相關性早衰；同時出現固有免疫和適應性免疫的改變，即免疫衰老。這些改變與慢阻肺患者所具有的改變非常相似，可能會加重疾病的嚴重程度、增加患者出現急性加重的風險。
5 上皮-間充質轉化
上皮-間充質轉化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）是指上皮細胞失去極性和細胞黏附，獲得移行性和侵襲性，成為間充質樣細胞。EMT 可出現在胚胎發育期（1 型 EMT）；可出現于持續性炎癥和損傷期（2 型 EMT），誘導炎癥加重和纖維化；也可出現于網狀基底膜和上皮的血管新生期，使血管生成增多，誘導形成腫瘤前的基質（3 型 EMT）。慢阻肺可以增加發生肺癌的風險，而 70% 的肺癌伴有輕中度慢阻肺，EMT 是兩者共有的病理生理機制之一[25]。不少研究表明，在吸煙者，尤其是吸煙的慢阻肺患者的氣道存在著 EMT 標志物（如 Vimentin、S100A4、N-Cadherin）表達增加、網狀基底膜破裂、上皮連接分子表達減少，這些表明 EMT 可能促進慢阻肺患者的小氣道重塑和纖維化[26]。其中 S100A4 是 EMT 活化的關鍵蛋白，可以誘導網狀基底膜新生血管增多、固有層減少及血管重塑，同時還能激活內皮-間充質轉化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT），使內皮細胞也失去黏附性和極性，遷移性增強，促進慢阻肺患者的肺血管重塑和肺動脈高壓的形成[27-28]。
6 中性粒細胞的胞外誘捕網
中性粒細胞是宿主針對外來病原菌的主要防御細胞之一，中性粒細胞通過移行、聚集、結合、包繞病原菌，并通過吞噬、脫顆粒、釋放中性粒細胞的胞外誘捕網（neutrophilextracellular traps，NET）使之失活。當有細菌、病毒或寄生蟲等侵入機體時，中性粒細胞可釋放 NET，主要由組蛋白、DNA、NE、髓過氧化物酶、組織蛋白酶 G、膠原酶、溶菌酶、防御素等構成，發揮誘捕殺傷病原微生物的作用，增強機體對細菌、病毒等微生物的清除能力[29]。但 NET 所含成分在抗感染的同時也會導致炎癥加重和組織損害，如組蛋白作為 NET 的成分之一，可以誘導肺泡內皮及上皮細胞衰亡，使肺泡破壞空間擴大，還會促進凝血，加重肺泡微循環障礙[30]。在慢阻肺患者，氣道內微生物和病原體合成、釋放一系列毒素、細胞因子和炎癥介質，如 IL-8、TNF-α、血小板活化因子、脂多糖、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子等，激活中性粒細胞并釋放 NET，促進炎癥的效應。在這個過程中，還涉及到 Raf/MAPK 通路活化、Toll 樣受體 4（Toll-like receptor 4，TLR4）活化、NOX2 活化、ROS 產生增加、肽基精氨酸脫亞氨酶 4 活化，共同促進 NET 的形成，損傷氣道上皮，觸發炎癥反應，誘導黏液高分泌和氣道重塑，導致肺泡破壞、肺功能受損和慢阻肺進展甚至加重[31-32]。
7 細胞外囊泡
細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是指多種與膜相關的微小囊泡，包括外泌體、微泡和凋亡小體，直徑介于 30 nm 和數微米，可被各種細胞所產生，并釋放到細胞外的微環境中。作為新型細胞之間信息傳遞的工具，EVs 的具體成分包括蛋白、mRNA、miRNA、DNA、脂質、代謝產物[33]。最近研究表明，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）能夠誘導支氣管上皮細胞（bronchial epithelial cells，BECs）生成 EVs 并上調 miR-210 促進肺成纖維細胞生成，導致慢阻肺患者的小氣道纖維化。CSE 還可誘導 BECs 產生、釋放含有富半胱氨酸血管生成誘導因子 61（CYR61/CCN1）的 EVs，參與細胞增殖、黏附、遷移、分化和凋亡，通過調節 IL-8 水平，介導中性粒細胞聚集[34]。長期的香煙暴露激活 CYR61/CCN1，和整合素 α7 相互作用可進一步激活 MMP-1，促進肺氣腫的形成。CSE 活化單個核細胞，促進巨噬細胞產生、釋放含有促凝因子和促炎介質（包括 IL-8、細胞間黏附分子 1、單核細胞趨化蛋白 1）的 EVs[35]。CSE 可誘導巨噬細胞產生、釋放含有 MMP-14（具有分解膠原的活性）的 EVs，促進肺氣腫的形成[36]。CSE 還可誘導內皮細胞產生、釋放的內皮細胞微囊泡（endothelial microparicles，EMP），內含內皮細胞相關的蛋白如 CD31、CD144、CD62E，在炎癥、內皮功能失調、內皮細胞凋亡和血管新生等方面發揮作用。吸煙者、慢阻肺患者的血液中 EMP 數量增加，且 EMP 與肺氣腫的嚴重程度呈正相關[37]。另外，所有的革蘭陽性菌和部分革蘭陰性菌可產生 EVs。吸入金黃色葡萄球菌產生的 EVs 在 TLR2 信號通路的調控下可介導 Th1 和 Th17 中性粒細胞為主的肺部炎癥；吸入大腸桿菌產生的 EVs 也可介導中性粒細胞炎癥，導致肺氣腫[38]。
8 鐵離子代謝異常
鐵離子是重要的微量金屬元素，參與許多重要的生命活動，比如 DNA/RNA 合成、氧氣運輸、細胞呼吸、酶活動、免疫功能和機體代謝等。但鐵離子過多可誘導氧化應激、脂質過氧化及 DNA 損傷。肺內鐵離子的含量約為 0.4～0.9 mg/g[39]。肺內的鐵離子受到鐵蛋白、轉鐵蛋白、乳鐵蛋白、轉鐵蛋白受體、乳鐵蛋白受體、膜轉運鐵蛋白、二價金屬離子轉運蛋白、十二指腸細胞色素 C 等的影響，這些調節因子可由肺內不同的細胞（如上皮細胞、巨噬細胞、中性粒細胞）分泌，以保護肺部不受鐵離子介導的氧化應激損傷和感染。其中巨噬細胞處理和存儲大量的不同來源的鐵離子，以保護肺免受鐵誘導的氧化應激損傷。煙草介導細胞（如巨噬細胞）內鐵離子和鐵蛋白含量增加，氣道內鐵離子增加，體內鐵離子調節異常。這些鐵離子調節異常，進而介導氧化應激、氣道感染、線粒體功能障礙、巨噬細胞功能異常、免疫異常、炎癥反應等，從而導致慢阻肺的發生、發展[40]。另外，全基因組關聯研究已經顯示慢阻肺易感性與某些鐵調節相關基因（鐵調節蛋白 IRP2）的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）有明顯的相關性[41]。如煙草可介導 IRP2 基因表達相關的 SNPs，誘導肺氣腫的出現，增加吸煙人群慢阻肺的易感性。
9 基因多態性
全基因組關聯研究針對肺氣腫的基因分析表明基因多態性與慢阻肺易感性明顯相關，并參與慢阻肺發病的多個方面[42-43]。在蛋白酶-抗蛋白酶體系，包括絲氨酸蛋白酶抑制劑（SerpinA1、SerpinE2 和 SerpinA3）、MMP 基因多態性等；在氧化應激體系，包括谷胱甘肽 S-轉移酶、微粒體環氧化物酶、血紅素加氧酶-1 和超氧化物歧化酶等基因多態性；以及炎癥相關基因多態性，如維生素 D 結合蛋白、TGF-β1 和 TNF-α 等。AAT 是一種能夠抑制 NE 活性的急性期分泌糖蛋白，由 SerpinA1 基因編碼，能夠保護肺泡免受 NE 酶解破壞。AAT 缺陷人群多由于蛋白酶-抗蛋白酶失衡，而自發性進展為肺氣腫和慢阻肺[44]。晚期糖基化終末產物特異性受體（advanced glycosylation end product-specific receptor，AGER）作為一種編碼變異體，在慢阻肺患者肺組織表達升高，與肺功能降低及肺氣腫變化相關。同時，AGER 缺陷可明顯抑制香煙暴露所引起的肺氣腫[45]。因此，AGER 可作為評估慢阻肺患者肺氣腫嚴重性的一種基因學標志物。彈性蛋白作為肺彈性纖維的關鍵成分，其基因（ELN）的缺陷明顯增高了人類和小鼠肺氣腫的易感性，而與彈性纖維合成相關的其他基因（如 LTBP4）的缺陷同樣使機體更易出現肺氣腫表型。相似的與慢阻肺相關的編碼變異體還有肺表面活性蛋白-D、端粒酶反轉錄酶及核組裝因子 1 等，其基因的缺陷或突變同樣可誘導慢阻肺的發展[46]。
10 總結
慢阻肺的發病機制復雜，以氣道炎癥為核心，涉及到氧化應激、線粒體功能障礙、衰老、EMT、NET、EVs、鐵離子代謝和基因多態性等。深入探討慢阻肺的發病機制，對其中的關鍵靶點進行干預，可能為慢阻肺防治提供新的辦法。
慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）是一種常見的可以預防和治療的疾病，特點為持續性呼吸道癥狀和氣流受限，由有毒顆粒或氣體導致的氣道和/或肺泡異常引起。據報道，全球 40 歲以上成年人的慢阻肺患病率在 5%～19%[1]。據估計，到 2030 年，慢阻肺將由全球第四位死亡原因上升到第三位死亡原因[2]。香煙煙霧是慢阻肺的主要致病因素，空氣污染、生物燃料等也是慢阻肺重要的致病因素。與其他氣道炎癥疾病如哮喘不同的是，慢阻肺發展過程中炎癥不能被現今的抗炎藥物有效中斷。因此，迫切需要對慢阻肺的發病機制進行深入研究。本文擬總結近年來慢阻肺發病機制研究的新進展。
1 炎癥細胞機制
慢阻肺氣道炎癥的特點是氣道內中性粒細胞、巨噬細胞、T 淋巴細胞、B 淋巴細胞增加，其炎癥機制涉及固有免疫與適應性免疫。香煙煙霧中的有害成分進入肺組織后可通過觸發模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）活化各種固有免疫細胞（中性粒細胞、巨噬細胞、嗜酸性粒細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞等），同時，氣道內結構細胞（氣道上皮細胞、肺泡上皮細胞、內皮細胞、成纖維細胞）也相繼活化，直接或間接的激活炎癥相關的損傷相關分子模式（damage associated molecular patterns，DAMP），導致各種細胞因子、趨化因子、生長因子、急性期反應蛋白和抗菌肽的釋放。活化的樹突狀細胞可誘導適應性免疫應答，包括輔助性（Th1 和 Th17）CD4 + T 細胞、CD8+ T 細胞和 B 細胞的免疫應答，導致淋巴濾泡增生，誘發持續性的肺組織慢性炎癥[3-4]。
慢阻肺患者的痰液和支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）內活化的中性粒細胞數量增加，并與病情的嚴重程度相關。活化的中性粒細胞釋放絲氨酸蛋白酶，如中性粒細胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）、組織蛋白酶 G、蛋白酶 3、基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-8、MMP-9、半胱氨酸蛋白酶和各種氧化性物質等，這些酶類促成黏液高分泌、肺泡間質及肺實質破壞，導致肺組織出現肺氣腫性改變[5]。慢阻肺患者的氣道、肺間質、BALF、痰液內的巨噬細胞數量增加，一般是 M1 型巨噬細胞，對病原菌和凋亡細胞的吞噬和清除能力較低，而促炎作用較強。巨噬細胞可釋放炎癥介質和趨化因子，如腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、CXCL1、CXCL8、CCL2、LTB4、活性氧（reactive oxygen species，ROS）等，驅使中性粒細胞和單核細胞等炎癥細胞募集到肺部并促進巨噬細胞的成熟，肺泡巨噬細胞還可分泌彈性蛋白分解酶，如 MMP-2、MMP-9、MMP-12、組織蛋白酶 K、組織蛋白酶 L、組織蛋白酶 S 等促進疾病進展[6-7]。臨床研究表明，許多慢阻肺患者的痰液含有嗜酸性粒細胞，其在慢阻肺中的發病機制尚不明確。嗜酸性粒細胞數量的升高與慢阻肺患者肺功能下降及急性加重有一定的相關性，同時還預示對支氣管舒張劑和糖皮質激素治療的反應良好，也可能提示同時存在哮喘或哮喘-慢阻肺重疊綜合征[8]。慢阻肺患者的肺間質、中央氣道、外周氣道的 T 淋巴細胞數量增加，其增加的程度與肺泡破壞及氣流受限的程度正相關，其中 CD8+ T 細胞（TC1 細胞）高于 CD4+ T 細胞（TH1 細胞）[9]。在氣道出現感染時，TC1 細胞增多，其可釋放穿孔素、顆粒酶 B，引起肺泡上皮細胞吞噬、凋亡，促進肺氣腫的形成。CD4+ TH17 細胞可分泌白細胞介素（interleukin，IL）-17A 和 IL-22 介導中性粒細胞炎癥[3，10]。B 淋巴細胞也參與慢阻肺的發病，但是相關研究不多。此外，慢阻肺患者的樹突狀細胞數量增加、活性增加，并與疾病嚴重程度相關。樹突狀細胞是天然免疫和適應性免疫的重要連接點，可激活一系列炎癥細胞和免疫細胞，在肺部對煙草、有毒顆粒或氣體的免疫應答中具有重要的作用[11]。
小氣道上皮細胞還可表達轉化生長因子-β（transforming growth factor β，TGF-β），后者可促進局部纖維化。血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）在保持肺泡結構的完整性方面發揮了重要的作用。而在慢阻肺患者的氣道上皮中，VEGF 和 HGF 均表達下降，可能促進肺氣腫的形成[12]。慢阻肺患者氣道上皮細胞的表皮生長因子受體表達增加，促進鱗狀上皮增生，也可能促進黏液高分泌[13]。
2 氧化應激
與健康對照者、吸煙者相比，慢阻肺患者體內存在氧化-抗氧化失衡，即氧化應激損傷。產生氧化應激損傷的外源性因素包括吸煙、生物燃料、有毒氣體、顆粒物，內源性因素包括炎癥細胞（尤其是中性粒細胞、巨噬細胞）、結構細胞（氣道上皮細胞和平滑肌細胞）通過線粒體呼吸、NADPH 氧化酶（NADPH oxidase 2，NOX2）、黃嘌呤/黃嘌呤氧化酶和血紅素過氧化物酶等引起氧化應激損傷[14]。常見的 ROS 包括含有未成對電子的羥自由基（·OH）、超氧陰離子（O2·-），極易和體內的蛋白、脂質和 DNA 等發生過氧化反應，誘導組織損傷，或誘導生成更多的損傷性氧化產物，如過氧化氫、丙二醛、8 羥基鳥苷、4-羥基壬烯醛等。肺組織氧含量較高，且直接暴露于環境病原體、污染性氣體和毒素，更易受到氧化應激損傷，進而產生大量的 ROS 誘導慢阻肺的發生[15]。比如，ROS 能夠激活核因子-κB 等轉錄因子和 p38 MAPK 信號通路，導致炎癥基因和蛋白酶表達增加；抑制內源性抗蛋白酶［如 α1 抗胰蛋白酶（α1-antitrypsin，AAT）］，導致肺泡彈性成分分解增加；介導 DNA 損傷，影響其修復功能，增大并發肺癌的風險；介導蛋白羰基化，導致體內自身抗體增加，誘導肺組織炎癥和損傷持續存在并加重；激活 TGF-β，介導纖維化；此外，ROS 還可降低組蛋白去乙酰化酶-2（histone deacetylase-2, HDAC2）的活性和表達，進而促進炎癥基因的活化；另外，HDAC2 活性的降低使得核因子 E2 相關因子 2（nuclear erythroid-2-related factor 2, Nrf2）乙酰化水平增高，導致 Nrf2 穩定性降低甚至失活[14]。現有的各類抗氧化藥物在動物模型中顯示出一定的抗炎效應，但是在臨床實踐中的療效尚不穩定。
3 線粒體功能異常
線粒體是大多數真核細胞的細胞漿內具有獨特特性的細胞器，其內膜折疊形成線粒體嵴，內含氧化磷酸化酶復合體（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和電子呼吸鏈參與能量調控和生物合成。線粒體不僅是細胞內三磷酸腺苷的主要來源，還能通過自身的生物合成、自噬、分裂融合等過程參與鈣離子平衡、免疫反應、炎癥反應、細胞增殖分化、細胞修復和細胞衰老死亡等諸多過程。多項臨床研究表明，慢阻肺患者的呼吸肌、骨骼肌、氣道平滑肌、氣道上皮、肺組織存在氧化應激、線粒體功能異常。有研究表明，慢阻肺的發生發展與線粒體活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）產生增加、抗氧化能力下降、OXPHOS 異常、以及線粒體數量減少有關，還與 mtROS 激活的炎癥小體（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）活化有關[16]。作為慢阻肺的重要誘因，煙草可以通過誘導線粒體結構和功能的損傷而介導氧化應激；煙草可以通過誘導線粒體自噬功能異常，通過 PINK1/Parkin 途徑介導支氣管上皮細胞 mtROS 的產生，并可增強線粒體分裂活動而介導細胞衰老[17-18]；煙草還可以通過誘導線粒體片段化而介導細胞凋亡或焦亡[19]。此外，與健康成人相比，慢阻肺吸煙者的白細胞線粒體 DNA 復制率較低，這與血清還原型谷胱甘肽水平降低有關[20]。針對線粒體機制障礙的研究可能為慢阻肺治療性干預提供新思路。
4 衰老機制
衰老是很多慢性疾病最重要的危險因素之一。衰老的九大特征包括：基因組不穩定性、端粒縮短、細胞衰老、表觀遺傳改變、蛋白內穩態失衡、營養感應失調、線粒體功能異常、干細胞耗竭、細胞間信息交換改變。正常肺的老化表現在肺功能下降、氣體陷閉增加、肺彈性回縮力消失、遠端氣道腔隙擴大，這些同樣出現在慢阻肺的病理生理過程之中。慢阻肺被認為是使肺老化進程加快，衰老的多個機制同樣適用于慢阻肺患者的肺老化[21]。隨著機體的衰老，非吸煙者也可因肺泡空間擴大而導致肺功能降低，但是一般不出現大面積的肺泡結構破壞和炎癥。長期吸煙會加快衰老的進程，導致肺泡破壞加重、氣流受限嚴重、肺功能下降明顯[22]。肺氣腫的肺組織由于炎癥和氧化應激損傷的持續存在，細胞的端粒縮短加快，活化衰老相關的 β-半乳糖苷酶和 p21 蛋白，加快細胞衰老和促炎基因的表達[23]。同時衰老相關的 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNAs 調控可誘導染色體重塑和相關抗衰老蛋白（如 HDAC2 和 Sirt1）的表達下降，加快衰老進程[24]。伴隨著年齡的增加，基線狀態時的炎癥和氧化應激也相應加重，即所謂的炎癥性衰老或應激相關性早衰；同時出現固有免疫和適應性免疫的改變，即免疫衰老。這些改變與慢阻肺患者所具有的改變非常相似，可能會加重疾病的嚴重程度、增加患者出現急性加重的風險。
5 上皮-間充質轉化
上皮-間充質轉化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）是指上皮細胞失去極性和細胞黏附，獲得移行性和侵襲性，成為間充質樣細胞。EMT 可出現在胚胎發育期（1 型 EMT）；可出現于持續性炎癥和損傷期（2 型 EMT），誘導炎癥加重和纖維化；也可出現于網狀基底膜和上皮的血管新生期，使血管生成增多，誘導形成腫瘤前的基質（3 型 EMT）。慢阻肺可以增加發生肺癌的風險，而 70% 的肺癌伴有輕中度慢阻肺，EMT 是兩者共有的病理生理機制之一[25]。不少研究表明，在吸煙者，尤其是吸煙的慢阻肺患者的氣道存在著 EMT 標志物（如 Vimentin、S100A4、N-Cadherin）表達增加、網狀基底膜破裂、上皮連接分子表達減少，這些表明 EMT 可能促進慢阻肺患者的小氣道重塑和纖維化[26]。其中 S100A4 是 EMT 活化的關鍵蛋白，可以誘導網狀基底膜新生血管增多、固有層減少及血管重塑，同時還能激活內皮-間充質轉化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT），使內皮細胞也失去黏附性和極性，遷移性增強，促進慢阻肺患者的肺血管重塑和肺動脈高壓的形成[27-28]。
6 中性粒細胞的胞外誘捕網
中性粒細胞是宿主針對外來病原菌的主要防御細胞之一，中性粒細胞通過移行、聚集、結合、包繞病原菌，并通過吞噬、脫顆粒、釋放中性粒細胞的胞外誘捕網（neutrophilextracellular traps，NET）使之失活。當有細菌、病毒或寄生蟲等侵入機體時，中性粒細胞可釋放 NET，主要由組蛋白、DNA、NE、髓過氧化物酶、組織蛋白酶 G、膠原酶、溶菌酶、防御素等構成，發揮誘捕殺傷病原微生物的作用，增強機體對細菌、病毒等微生物的清除能力[29]。但 NET 所含成分在抗感染的同時也會導致炎癥加重和組織損害，如組蛋白作為 NET 的成分之一，可以誘導肺泡內皮及上皮細胞衰亡，使肺泡破壞空間擴大，還會促進凝血，加重肺泡微循環障礙[30]。在慢阻肺患者，氣道內微生物和病原體合成、釋放一系列毒素、細胞因子和炎癥介質，如 IL-8、TNF-α、血小板活化因子、脂多糖、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子等，激活中性粒細胞并釋放 NET，促進炎癥的效應。在這個過程中，還涉及到 Raf/MAPK 通路活化、Toll 樣受體 4（Toll-like receptor 4，TLR4）活化、NOX2 活化、ROS 產生增加、肽基精氨酸脫亞氨酶 4 活化，共同促進 NET 的形成，損傷氣道上皮，觸發炎癥反應，誘導黏液高分泌和氣道重塑，導致肺泡破壞、肺功能受損和慢阻肺進展甚至加重[31-32]。
7 細胞外囊泡
細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是指多種與膜相關的微小囊泡，包括外泌體、微泡和凋亡小體，直徑介于 30 nm 和數微米，可被各種細胞所產生，并釋放到細胞外的微環境中。作為新型細胞之間信息傳遞的工具，EVs 的具體成分包括蛋白、mRNA、miRNA、DNA、脂質、代謝產物[33]。最近研究表明，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）能夠誘導支氣管上皮細胞（bronchial epithelial cells，BECs）生成 EVs 并上調 miR-210 促進肺成纖維細胞生成，導致慢阻肺患者的小氣道纖維化。CSE 還可誘導 BECs 產生、釋放含有富半胱氨酸血管生成誘導因子 61（CYR61/CCN1）的 EVs，參與細胞增殖、黏附、遷移、分化和凋亡，通過調節 IL-8 水平，介導中性粒細胞聚集[34]。長期的香煙暴露激活 CYR61/CCN1，和整合素 α7 相互作用可進一步激活 MMP-1，促進肺氣腫的形成。CSE 活化單個核細胞，促進巨噬細胞產生、釋放含有促凝因子和促炎介質（包括 IL-8、細胞間黏附分子 1、單核細胞趨化蛋白 1）的 EVs[35]。CSE 可誘導巨噬細胞產生、釋放含有 MMP-14（具有分解膠原的活性）的 EVs，促進肺氣腫的形成[36]。CSE 還可誘導內皮細胞產生、釋放的內皮細胞微囊泡（endothelial microparicles，EMP），內含內皮細胞相關的蛋白如 CD31、CD144、CD62E，在炎癥、內皮功能失調、內皮細胞凋亡和血管新生等方面發揮作用。吸煙者、慢阻肺患者的血液中 EMP 數量增加，且 EMP 與肺氣腫的嚴重程度呈正相關[37]。另外，所有的革蘭陽性菌和部分革蘭陰性菌可產生 EVs。吸入金黃色葡萄球菌產生的 EVs 在 TLR2 信號通路的調控下可介導 Th1 和 Th17 中性粒細胞為主的肺部炎癥；吸入大腸桿菌產生的 EVs 也可介導中性粒細胞炎癥，導致肺氣腫[38]。
8 鐵離子代謝異常
鐵離子是重要的微量金屬元素，參與許多重要的生命活動，比如 DNA/RNA 合成、氧氣運輸、細胞呼吸、酶活動、免疫功能和機體代謝等。但鐵離子過多可誘導氧化應激、脂質過氧化及 DNA 損傷。肺內鐵離子的含量約為 0.4～0.9 mg/g[39]。肺內的鐵離子受到鐵蛋白、轉鐵蛋白、乳鐵蛋白、轉鐵蛋白受體、乳鐵蛋白受體、膜轉運鐵蛋白、二價金屬離子轉運蛋白、十二指腸細胞色素 C 等的影響，這些調節因子可由肺內不同的細胞（如上皮細胞、巨噬細胞、中性粒細胞）分泌，以保護肺部不受鐵離子介導的氧化應激損傷和感染。其中巨噬細胞處理和存儲大量的不同來源的鐵離子，以保護肺免受鐵誘導的氧化應激損傷。煙草介導細胞（如巨噬細胞）內鐵離子和鐵蛋白含量增加，氣道內鐵離子增加，體內鐵離子調節異常。這些鐵離子調節異常，進而介導氧化應激、氣道感染、線粒體功能障礙、巨噬細胞功能異常、免疫異常、炎癥反應等，從而導致慢阻肺的發生、發展[40]。另外，全基因組關聯研究已經顯示慢阻肺易感性與某些鐵調節相關基因（鐵調節蛋白 IRP2）的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）有明顯的相關性[41]。如煙草可介導 IRP2 基因表達相關的 SNPs，誘導肺氣腫的出現，增加吸煙人群慢阻肺的易感性。
9 基因多態性
全基因組關聯研究針對肺氣腫的基因分析表明基因多態性與慢阻肺易感性明顯相關，并參與慢阻肺發病的多個方面[42-43]。在蛋白酶-抗蛋白酶體系，包括絲氨酸蛋白酶抑制劑（SerpinA1、SerpinE2 和 SerpinA3）、MMP 基因多態性等；在氧化應激體系，包括谷胱甘肽 S-轉移酶、微粒體環氧化物酶、血紅素加氧酶-1 和超氧化物歧化酶等基因多態性；以及炎癥相關基因多態性，如維生素 D 結合蛋白、TGF-β1 和 TNF-α 等。AAT 是一種能夠抑制 NE 活性的急性期分泌糖蛋白，由 SerpinA1 基因編碼，能夠保護肺泡免受 NE 酶解破壞。AAT 缺陷人群多由于蛋白酶-抗蛋白酶失衡，而自發性進展為肺氣腫和慢阻肺[44]。晚期糖基化終末產物特異性受體（advanced glycosylation end product-specific receptor，AGER）作為一種編碼變異體，在慢阻肺患者肺組織表達升高，與肺功能降低及肺氣腫變化相關。同時，AGER 缺陷可明顯抑制香煙暴露所引起的肺氣腫[45]。因此，AGER 可作為評估慢阻肺患者肺氣腫嚴重性的一種基因學標志物。彈性蛋白作為肺彈性纖維的關鍵成分，其基因（ELN）的缺陷明顯增高了人類和小鼠肺氣腫的易感性，而與彈性纖維合成相關的其他基因（如 LTBP4）的缺陷同樣使機體更易出現肺氣腫表型。相似的與慢阻肺相關的編碼變異體還有肺表面活性蛋白-D、端粒酶反轉錄酶及核組裝因子 1 等，其基因的缺陷或突變同樣可誘導慢阻肺的發展[46]。
10 總結
慢阻肺的發病機制復雜，以氣道炎癥為核心，涉及到氧化應激、線粒體功能障礙、衰老、EMT、NET、EVs、鐵離子代謝和基因多態性等。深入探討慢阻肺的發病機制，對其中的關鍵靶點進行干預，可能為慢阻肺防治提供新的辦法。