气道上皮细胞及相关细胞因子在哮喘中作用研究进展

来源：《临床儿科杂志》

赵宇, 邹文静, 符州. 气道上皮细胞及相关细胞因子在哮喘中作用研究进展 [J]. 临床儿科杂志, 2025, 43(8): 635-642 DOI:10.12372/jcp.2025.24e1083

ZHAO Yu, ZOU Wenjing, FU Zhou. Research progress on the role of airway epithelial cells and related cytokines in asthma[J]. Journal of Clinical Pediatrics, 2025, 43(8): 635-642 DOI:10.12372/jcp.2025.24e1083

本文作者：赵 宇 邹文静 符 州

作者单位：重庆医科大学附属儿童医院呼吸科 国家儿童健康与疾病临床医学研究中心 儿童发育疾病研究教育部重点实验室（重庆 400014）

摘要： 哮喘是一种常见的慢性气道炎症性疾病，其主要特点是气道的非特异性炎症、气道结构重塑及气道高反应性。多年来关于哮喘的发病机制主要集中于过敏反应导致的免疫失衡，而近年来针对气道上皮损伤在哮喘发生发展中的作用及机制受到重视，认为它可能是哮喘发病与控制的关键因素。气道上皮是人体呼吸系统抵御外界环境有害刺激的第一道屏障，也是气道最为重要的结构细胞。当哮喘患者吸入外界有害物质及过敏原时，气道上皮细胞首先受到侵犯并出现损伤，合成和释放多种炎性介质和细胞因子激活免疫细胞，诱导哮喘发生发展。本文旨在对目前有关哮喘气道上皮损伤的发生机制以及哮喘患者气道上皮的病理变化及其关键细胞因子进行综述，以发现潜在的生物标记物与治疗靶点，为哮喘的早期预测和精准防治提供依据。

关键词：哮喘；气道上皮细胞；细胞因子

哮喘作为一种影响人类健康的全球性难题，其患者已超过 3 亿人口，并呈现逐年增长的发病趋势 [1-3]。该疾病的主要临床表现涉及间歇性呼吸受限、咳嗽、喘息和胸闷。气道上皮细胞作为呼吸系统与外界环境交互的首要环节，其正常与否和众多慢性呼吸道疾病息息相关，一旦受损将触发炎症级联反应，继而引发一系列病理变化。因此，深入研究气道上皮损伤在哮喘发生发展中的作用，对于探索哮喘发病的深层机制、研究创新诊疗策略具有重要临床价值。

1 气道上皮病理变化

气道上皮细胞（airway epithelial cells，AEC）结构复杂，其由多种类型细胞构成，这些细胞各司其职，提供物理屏障、先天免疫防御和黏液纤毛清除功能，以维护气道的正常生理功能，从而保护宿主免受吸入环境颗粒的潜在危害。临床研究与哮喘小鼠模型均揭示各型哮喘均存在 AEC 损伤，表现为气道上皮紧密连接的破坏、通透性增加、AEC 脱落、纤毛细胞减少及杯状细胞的过度增殖 [4]。这一系列变化不仅触发急性炎症反应，还对气道的长期状态产生深远影响 [5]。通过深化对 AEC 病理机制的认知，有望开辟哮喘防治的新策略。

1.1 基底细胞

基底细胞（basal cells，BC）具备增殖及分化的双重能力，受 Notch 信号通路的调控，在组织损伤时可发挥修复作用 [6]。为确定 Notch 信号在调节人气道 BC 分化过程中的作用，Gomi 等 [7] 将 BC 置于气-液界面培养物体系中以诱导其分化。阿尔新蓝染色提示，与未接受任何处理的细胞相比，加入γ-分泌酶抑制剂抑制 Notch 信号通路的 BC，其向杯状细胞分化的过程被完全抑制，免疫荧光染色也提示杯状细胞标记物黏液蛋白 MUC5AC 呈阴性表达。此外，形态学观察还揭示 BC 向纤毛细胞的分化过程也受到了部分阻碍，这一发现与纤毛细胞标志物 DNAI1 蛋白表达水平的显著降低相一致，表明 Notch 信号通路对于 BC 向杯状细胞及纤毛细胞的正常分化是不可或缺的 [7]。

1.2 纤毛细胞

AEC 中的纤毛细胞发挥着至关重要的作用，它占据 AEC 总数的一半，发挥清除功能。Raby 等 [8] 在数字高速视频显微镜系统测量下发现：与轻度哮喘、正常者相比，中重度哮喘患者的纤毛摆动频率降低，纤毛运动障碍比例较高；通过透射电镜也观察到重度哮喘患者存在纤毛缺失、微管缺陷、线粒体损伤和细胞质起泡增加以及上皮完整性丧失等，提示纤毛功能障碍和超微结构异常与哮喘严重程度密切相关。

1.3 杯状细胞

杯状细胞负责产生黏蛋白构成黏液层，与纤毛系统协同形成一道有效的屏障，抵御病原体、毒素和外界物质的入侵。在呼吸道环境中，MUC5AC 和 MUC5B 是两种主要的黏液蛋白，分别来自杯状细胞和黏膜下腺体 [9]。MUC5AC 可增加黏液的黏稠度，形成黏液栓，引发气道阻塞并妨碍纤毛清除作用，进而加剧 AEC 的损伤 [10]。在生理状态下，MUC5AC 和 MUC5B 之间维持着一种动态平衡。而哮喘患者的这种平衡被打破，表现为杯状细胞过度增殖伴随 MU5AC 过量分泌，而 MUC5B 的分泌相对不足，导致黏液的黏稠度增加、支气管阻塞以及气道壁增厚等一系列病理改变 [5]。

1.4 肺神经内分泌细胞

肺神经内分泌细胞（pulmonary neuroendocrine cells，PNEC）位于气道分叉处第 2 组先天淋巴样细胞（innate lymphocyte cell，ILC2）附近，兼具神经感觉与内分泌特性。近期在哮喘患者及小鼠模型中观察到，PNEC 的数量显著增加并释放降钙素基因相关肽（CGRP）刺激 ILC2 引发下游免疫反应，释放γ-氨基丁酸（GABA）促进杯状细胞的增殖 [11]。Sui 等 [12] 使用抗蛙皮素抗体对哮喘患者及健康对照组患者的肺切片进行染色分析，结果显示哮喘患者气道中 PNEC 数量增加；随后构建了 PNEC 基因敲除的小鼠模型，采用过碘酸雪夫染色（PAS）法及 MUC5AC-PCR 检测发现，与野生型小鼠相比，突变小鼠中杯状细胞增生反应降低、免疫细胞浸润减少；为进一步探究 PNEC 的作用机制，研究团队在每次过敏原刺激后，立即向这小鼠气管内灌注 CGRP 和 GABA 混合物，发现可以恢复小鼠体内免疫应答和杯状细胞反应，提示 PNEC 可能通过产生不同分泌物来调控机体对过敏原的反应。

1.5 棒状细胞

棒状细胞负责生成表面活性物质及多种蛋白质组分，其中包括一种具有抗炎特性的蛋白质——SCGB1A1。Zhu 等 [13] 通过分析哮喘基因表达数据库发现，哮喘患者上皮细胞中的 SCGB1A1 基因表达水平较正常受试者显著降低；同时构建了 SCGB1A1 基因敲除的卵清蛋白（OVA）致敏小鼠模型，发现与野生型致敏小鼠相比，基因敲除小鼠吸入甲胆碱后肺阻力明显增加，更易发生气道炎症和气道高反应（airway hyperresponsiveness，AHR）；提示棒状细胞分泌的蛋白质在哮喘病理过程中具有抗炎作用。

2  气道上皮与气道炎症

气道炎症是哮喘发病机理的基础，过度的气道炎症是触发哮喘症状发作及肺功能变异的根本原因，其出现甚至早于症状的显露与肺功能的变化。因此，预先识别气道炎症的生物标志物对于预判哮喘的发展趋势及设计个体化治疗策略具有重要价值。近 10 年越来越多的证据提示，气道上皮扮演着气道炎症调控的先驱角色 [12]。依据驱动炎症的不同免疫机制，哮喘被划分为两类：Ⅱ型炎症性哮喘与非Ⅱ型炎症性哮喘。

2.1 Ⅱ型炎症性哮喘

在哮喘中约有 50%～70% 的患者属于Ⅱ型炎症性哮喘，辅助型 T 细胞（Th）2 分化增多是其显著标志 [14]。这些炎症细胞积聚于气道上皮层及下层黏膜区，分泌大量的白细胞介素（IL）-4、IL-5、IL-13 和 IL-9 等 [15]。此外，AEC 在损伤或受到刺激时，会释放一组被定义为「警报因子」的上皮源性细胞因子，主要有胸腺基质淋巴生成素（TSLP）、IL-33 和 IL-25。这些警报因子能激活并吸引 ILC2，促进其分泌 IL-5、IL-13 和 IL-9，进一步扩大 Th2 细胞介导的免疫应答效应 [16]。此过程对于增强并维持机体对特异性过敏原的免疫反应至关重要。

2.1.1 白细胞介素-4 IL-4 在Ⅱ型免疫应答中发挥着重要作用，其受体分布广泛，覆盖了嗜酸性粒细胞（EOS）、肥大细胞（MC）、AEC、气道平滑肌细胞等多种细胞类型，保证了 IL-4 能够广泛调节免疫与非免疫细胞的功能 [17]。

2.1.2 白细胞介素-13 IL-13 可与 3 种不同受体链结合，分别是 IL-13Rα1、IL-13Rα2 和 IL-4Rα链。当 IL-4、IL-13 与 IL-4Rα链和 IL-13α1 链形成复合物，可激活 Janus 激酶（JAK）-转录激活因子（STAT）途径，产生重叠反应，如破坏气道上皮屏障并增加其通透性、促进杯状细胞增殖和黏液分泌等 [18]。此外，在过敏性炎症中，IL-13 还促进免疫球蛋白向 IgE 转换及募集嗜酸性粒细胞到炎症区域 [19]。与 IL-4 不同的是，IL-13 不干预 Th2 细胞的分化过程，而是通过活化成纤维细胞，引起上皮下纤维化、基底膜增厚、气道重塑及 AHR[20]。

2.1.3 白细胞介素-5 IL-5 与其受体α链以及 IL-3 和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子共享的β链结合后，会通过 JAK-2/STAT-5 信号通路动员并激活气道组织中的 EOS，继而释放主要碱性蛋白、EOS 过氧化物酶、EOS 衍生的神经毒素等物质，这些均为Ⅱ型炎症性哮喘的关键效应分子 [17]。

2.1.4 胸腺基质淋巴生成素、白介素-33 和白细胞介素-25 TSLP、IL-33 和 IL-25 作为气道上皮的报警信号分子，能被过敏原、病原体及多种环境刺激因素激活，继而诱导 ILC2 产生。一项研究揭示 [21]，IL-33 展现出双重功能特性：在细胞内环境中，它扮演调节基因转录活动的核因子角色；而当被分泌至细胞外部时，则转变为一种典型的细胞因子。IL-25，亦称 IL-17 E，属于 IL-17 细胞因子家族，但其生物活性显著区别于该家族内的其他成员。多数 IL-17 家族细胞因子促使中性粒细胞浸润，并诱导 Th1 型免疫反应；而 IL-25 则引发 EOS 数量增多，驱动 Th2 型免疫应答，并促使 IL-4、IL-5 及 IL-13 的过量释放 [22]。Porsbjerg 等 [23] 发现与健康对照组相比，哮喘患者支气管肺泡灌洗液（BALF）及活检组织样本中 TSLP、IL-33 及其受体 ST2 水平显著升高，且含量与疾病严重程度呈正相关。这意味着这些警报信号分子和受体可作为评估哮喘病情以及预测治疗效果的生物标志物。

针对这些靶点的治疗策略正在积极研发中。例如，接受 TSLP 抗体 tezepelumab 治疗的哮喘患者，不仅气道内的炎症反应和支气管痉挛程度显著下降，而且肺功能测试指标呈现好转趋势 [24]。以 IL-33 为靶点的新型单克隆抗体 itepekimab，成功改善了哮喘患者的肺功能水平 [25]，提示针对气道上皮的靶向治疗逐渐显现出其临床治疗价值。

2.2 非Ⅱ型炎症性哮喘

不同于传统的Ⅱ型炎症性哮喘，非Ⅱ型炎症性哮喘缺乏显著升高的Ⅱ型炎症生物标志物 [26]，而是更多涉及到其他免疫细胞群及炎症途径的激活，特别是由 Th7 和 Th17 细胞介导的中性粒细胞性哮喘，此表型在成人患者和难治性哮喘患者中尤为突出 [27]。其中，Th17 细胞的分化受到多种细胞因子的调控，如转化生长因子-β（TGF-β）和 IL- 6 的初始诱导，后续依靠 IL-23 来维持其活性，并产生 IL-17、IL-21、IL-22 等细胞因子 [20]。这些细胞因子与 AEC 表面的受体结合，触发 AEC 释放促炎介质，如 IL-1、IL-6、IL-8、白三烯 B 4（LTB4）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等 [28]，可加剧气道内的炎症反应，并招募更多的免疫细胞到炎症区域。此外，在损伤情况下，AEC 能加速 Th1 细胞的成熟与活化进程，继而增加 IL-2、TNF-α、干扰素-γ（IFN-γ）等细胞因子的分泌。其中，TNF-α通过上调内皮细胞表面 IL-17 受体的表达水平，从而增强 IL-17 的生物效应 ；而 IL-17 又可刺激 TNF-α的生成，这种双向增强作用有效促进了中性粒细胞的招募及功能激活 [29]。

3  气道上皮与气道重塑

哮喘患者呼吸道功能受限，这是支气管收缩、气道水肿加剧、黏液过度分泌、AHR 和气道重塑的复合效应所致。其中，气道重塑作为核心机制，涉及气道壁细胞构成、结构与功能的持久性转变。作为人体呼吸系统抵御外界侵害的首道防线，气道上皮的完整性与正常功能状态在哮喘免疫稳态与病理进程中扮演着核心角色 [4]。

AEC 在多种炎症刺激下可迅速释放 TSLP。Cao 等 [30] 研究发现，相较于健康受试者，哮喘患者 AEC 中高度表达 TSLP，HE 染色提示其支气管标本中基底膜更厚且上皮完整性受损。在体外实验中，使用人重组 TSLP 刺激人肺成纤维细胞（HLF）后，蛋白质印迹分析显示磷酸化 STAT3 以及磷酸化丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）表达增强。此外，共培养实验检测到 HLF 中Ⅰ型胶原、α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、基质金属蛋白酶-1（MMP1）[31] 的表达上升；对 OVA 致敏的小鼠腹腔注射 p-38 抑制剂后，免疫组化检测发现与单纯致敏小鼠相比，干预组 HLF 中 p38 的活化下降，STAT3 的磷酸化程度减弱，同时Ⅰ型胶原、α-SMA 和 MMP1 的表达也下降。这些结果提示：AEC 分泌的 TSLP 通过激活 p38 MAPK-STAT 3 轴，促进 HLF 中Ⅰ型胶原、α-SMA 和 MMP1 的表达，进而促进气道重塑。Braile 等 [32] 对肺癌患者肺组织中纯化提取的巨噬细胞以及正常对照组外周血单核细胞进行免疫组化检测，提示均表达 TSLP 受体；进一步将 TSLP 与人肺巨噬细胞一起孵育，发现可诱导血管生成因子（VEGF）和淋巴管生成因子的释放，提示 TSLP 促进人肺巨噬细胞释放 VEGF 和淋巴生成因子。研究发现哮喘患者的外周血 EOS 水平在没有刺激的情况下较正常对照组表现出略高的激活水平，加入 VEGF 后用流式细胞术检测发现，与未受刺激的样本相比，刺激组外周血 EOS 活性增强，并且激活的 EOS 可循环到气道内皮，释放 EOS 阳离子蛋白造成组织损伤，从而导致气道狭窄与重塑，提示 VEGF 与哮喘患者的气道重塑有关 [33]。

AEC 分泌的 IL-25 与气道重塑有密切关系。Xu 等 [34] 通过鼻腔滴注方式给予小鼠 IL-25 处理，免疫组化检测发现，与对照组小鼠相比，接受 IL-25 刺激的小鼠 AEC 中结缔组织生长因子（CTGF）表达显著增强，且支气管周围出现成纤维细胞的聚集，并产生Ⅰ、Ⅲ型胶原和纤连蛋白（Fn），提示肺部胶原沉积增加。为进一步探讨 AEC 分泌的 IL-33 在哮喘气道重塑中的作用，有研究通过免疫组化方法对支气管组织进行检测，发现哮喘患者体内 IL-33 水平以及网状基底膜厚度均有所增加，且 IL-33 的水平与基底膜厚度呈正相关；同时体外实验也表明，用 IL-33 刺激气道平滑肌细胞，与正常对照组相比，干预组 HLF 中 Fn 和Ⅰ型胶原的表达均增加 [35]。

在气道重塑的过程中，AEC 还会发生上皮-间质转化，其特征是上皮细胞生物标志物如 E 钙黏蛋白（E-cad）、角蛋白的丢失，同时间充质细胞生物标志物，包括α-SMA、Fn、波形蛋白等表达上调。为探讨 AEC 分泌的 TGF-β1 及 IL- 33 在上皮-间质转化中的作用，有研究发现，与对照组相比，添加 IL-33 组的Ⅱ型肺泡上皮细胞中 IL-33 特异性受体 T1/ST2 的表达显著上调，TGF-β1 与α-SMA 水平显著提高，而 E-cad 水平则降低。进一步的研究发现，在添加 TGF-β1 受体抑制剂的情况下，IL-33 的作用被显著抑制，这表明 TGF-β1 参与了 IL-33 诱导的Ⅱ型肺泡上皮细胞向间质的转化过程 [36]。

4 气道上皮与气道高反应性

AHR 是指气道平滑肌在遭遇外源性刺激（如冷空气、烟尘、致敏原等）后，出现过早或过强的收缩反应。这一现象的核心机制在于哮喘患者的气道长期处于炎症状态，这不仅破坏了气道上皮的完整性，还加剧了其通透性，为刺激物和过敏原提供了便利通道，使其能轻易穿透气道屏障，直接侵袭气道平滑肌。因此，即便是对健康个体没有反应或仅有轻微反应的刺激，也能引起哮喘患者气道强烈收缩，引发咳嗽、喘息、胸闷和呼吸急促等一系列症状。

多项实验揭示了 AHR 与气道上皮之间的密切联系。哮喘患者的血清神经肽 Y（NPY）水平升高，Oda 等 [37] 构建了 NPY 缺陷的突变小鼠致敏模型，动物呼吸机测量肺功能显示，与野生型致敏小鼠相比，突变小鼠肺阻力在吸入甲胆碱后增加幅度显著减小；对小鼠 BALF 行细胞分析，提示突变小鼠体内 EOS 数量显著降低。此外，ELISA 分析提示突变小鼠 IL-4、IL-5 和 IL-13 的表达水平显著低于野生型小鼠，这些发现共同提示 AEC 分泌的 NPY 参与诱导气道炎症与 AHR。此外，对 OVA 致敏的小鼠模型鼻内给予三磷酸腺苷（ATP）释放通道抑制剂可显著降低细胞外 ATP 水平，并减弱过敏小鼠对甲胆碱所诱发的支气管收缩反应。同时肺中树突状细胞和巨噬细胞数量也有所下降 [38]，这些观察结果共同提示在过敏状态下，气道上皮的 ATP 释放通道通过释放过量的 ATP 来促进气道炎症与 AHR。哮喘患者气道上皮中整合素 4（ITGB4）表达下降被视为哮喘病理改变之一。有研究构建了气道上皮 ITGB4 缺失的小鼠致敏模型，并通过与野生型小鼠致敏模型组的对比，观察到 ITGB4 缺失小鼠的气道上皮屏障功能受损更为严重；流式细胞仪检测到 Th1、Th2、Th17 水平显著增高，细胞计数提示 EOS 与淋巴细胞的浸润增加，表明气道炎症反应显著增强，同时这些小鼠对雾化甲胆碱的敏感性也显著增加 [39]。提示 AEC 上表达的 ITGB4 对气道炎症和 AHR 起重要调控作用 [40]。

近年来，神经生长因子（NGF）在过敏性疾病中的作用受到广泛关注，特别是哮喘患者的 AEC 被证实会产生更多 NGF[41]。Ogawa 等 [42] 经鼻给予屋尘螨与螨混合致敏小鼠抗 NGF 抗体，免疫组化检测显示，与未接受抗 NGF 抗体干预的哮喘模型组小鼠相比，实验组小鼠支气管周围组织中的神经纤维数量表达水平显著下降；对 BALF 行细胞分析，显示支气管周围 EOS 和中性粒细胞数量无明显变化。此外，无创气压计分析表明实验组小鼠对乙酰甲胆碱的反应也明显降低，这些发现提示，NGF 通过促进肺部神经纤维的增加进而加剧 AHR。正常生理条件下，AEC 可产生降解缓激肽、神经激肽和 P 物质等生物活性肽的酶，但哮喘患者 AEC 受损，对此类炎症介质的降解作用减弱，导致其在气道中表达增加。为探究其影响，王植嘉等 [43] 采用神经激肽-1 受体（P 物质受体之一）拮抗剂对 OVA 致敏的小鼠进行干预处理，通过无创肺功能仪的检测发现，与未经干预的野生型致敏小鼠相比，接受神经激肽- 1 受体拮抗剂干预的小鼠在乙酰胆碱激发后的气道阻力显著降低；肺组织 HE 染色结果显示，干预组小鼠的肺组织病理改变明显减轻，具体表现为 AEC 脱落减少、黏膜水肿减轻、平滑肌增生及炎性细胞浸润程度降低，提示 P 物质在变应原激发后可诱导支气管收缩和 AHR。

尽管气道上皮来源的 TGF-β在气道重塑方面的一些机制已得到阐释，但为了明确其在 AHR 中的具体作用，Hur 等 [44] 向 OVA 致敏小鼠体内引入微小 RNA-21 抑制剂从而降低肺组织中 TGF-β的表达，随后评估了气道阻力及组织弹性的变化，观察到与未接受抑制剂处理的单纯 OVA 致敏对照组相比，实验组小鼠对甲胆碱的反应性显著降低。此外，组织学分析显示，接受微小 RNA-21 抑制剂治疗的小鼠支气管及血管周围胶原Ⅲ和Ⅴ的免疫染色强度明显减弱，表明降低 TGF-β的表达可能有利于减轻气道重塑与 AHR。另有研究指出 [45]，哮喘时 AEC 破坏增加，可通过释放 TSLP 和 IL-33 等细胞因子来上调Ⅱ型细胞因子，促进气道 EOS 增多，并诱导 MC 细胞释放如组胺、前列腺素 D2 和白三烯等支气管收缩介质驱动 AHR。

Temann 等 [46] 构建了在气道上皮选择性过表达 IL-9 的转基因小鼠模型，甲苯胺蓝染色检测发现，相较于转基因阴性对照小鼠，模型小鼠气道上皮及上皮下层存在明显的 MC 浸润，而且模型小鼠 BALF 中的 EOS 数量显著增加。此外，模型组小鼠还表现出对甲胆碱的气道高反应性，提示 IL-9 参与了气道炎症和 AHR 的形成过程。McKnight 及其团队 [47] 构建了 AEC 中选择性缺乏 IL-4Rα的哮喘小鼠模型，发现与正常哮喘小鼠相比，模型小鼠的 AHR 显著减弱，证实了气道上皮 IL-4Rα对 AHR 发展的重要性。

5 结语

综上所述，气道上皮在哮喘病理生理进程中扮演着核心角色，其多环节参与构成了疾病发展的重要机制。靶向哮喘气道上皮源性因子，修复上皮屏障功能并阻断异常信号转导途径，已成为当前哮喘治疗的关键靶点与研发的主要方向。然而，鉴于气道上皮在哮喘病理生理过程中的复杂性及其相互作用机制的多样性，该领域仍需要更为广泛且深入的研究。此外，当前针对非Ⅱ型炎症性哮喘的研究尚显不足，传统上用于Ⅱ型炎症性哮喘的治疗方法对于非Ⅱ型炎症性哮喘的疗效欠佳。期待随着生物技术的不断发展以及哮喘研究的日益深化，更多的分子靶点和信号通路逐一被探明，为个性化、精准化的哮喘靶向疗法提供更多的诊治方案。