第二章　慢性阻塞性肺疾病的发病机制与病理

一、发病机制

慢阻肺的发病机制较复杂，包括气道炎症损伤、氧化-抗氧化失衡、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、自主神经系统功能失调、自身免疫功能失调等。

（一）炎症损伤

气道炎症是慢阻肺气道结构重塑和肺实质破坏的病理基础。中性粒细胞、巨噬细胞和CD8＋T淋巴细胞是主要的炎症效应细胞，参与慢阻肺的炎症反应。有害气体和颗粒物质吸入气道后，导致各种炎症细胞在气道浸润和活化，激活的炎症细胞释放多种前炎因子、炎症介质和黏附分子。其中，多种前炎因子又是炎症细胞的趋化因子，炎症介质和黏附分子促使更多的中性粒细胞和巨噬细胞聚集活化，并释放大量蛋白水解酶，引起蛋白酶与抗蛋白酶的失衡，导致气道重构和肺实质破坏。

1.炎症细胞

（1）中性粒细胞：

长期以来，中性粒细胞被认为参与了吸烟所致的肺损害过程。大量研究表明，慢阻肺患者的诱导痰及支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中存在大量中性粒细胞，并且中性粒细胞数量与气道阻塞程度、痰量及吸烟史密切相关。

吸入肺内的有害物质刺激并损伤气道上皮细胞，受损伤的上皮细胞释放出白细胞介素-8（interleukin-8，IL-8）。IL-8是中性粒细胞的趋化剂，中性粒细胞在IL-8的趋化下很快积聚在炎症部位。其他中性粒细胞趋化剂还有CXC类趋化因子配体2［chemokine（C-X-C motif）ligand-2，CXCL2］、白三烯B4（leukotrienes B4，LTB4）、甲酰甲硫氨酰-亮氨酰-苯丙氨酸（formylmethionyl leucyl phenylalanine，fMLP）等。

中性粒细胞是肺泡弹性基质的主要损害者，气道中积聚的中性粒细胞活化后释放多种蛋白酶：丝氨酸蛋白酶，主要为中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）；半胱氨酸蛋白酶，即组织蛋白酶（cathepsin）；基质金属蛋白酶（MMP），如MMP-2、MMP-9、MMP-12。其中最主要的是NE。各种蛋白酶能够直接或间接降解细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的弹性蛋白、肺组织的胶原和弹性蛋白，被裂解的胶原片段又能激活炎症细胞并驱动进一步的慢性炎症，最终造成局部组织损伤，促进慢阻肺的发生、发展。

（2）巨噬细胞：

巨噬细胞在慢阻肺的炎症过程中也起重要作用。正常情况下，呼吸道存在丰富的巨噬细胞，它们是呼吸系统抵抗外来病原体的第一道防线，能直接清除肺内各种异物或通过调节多形核细胞、淋巴因子激活的杀伤细胞等功能来杀伤外来微生物和癌细胞。在单核细胞趋化因子刺激下，循环系统内的单核细胞募集于肺内。慢阻肺患者气道、肺实质、BLAF和痰中巨噬细胞数量增加，其中BALF中巨噬细胞数量比正常可增加5～10倍，而且，气道内巨噬细胞的数量与慢阻肺严重程度呈正相关。巨噬细胞主要集中在肺气肿最为显著的中心腺泡带。

巨噬细胞是肺内MMP的主要产生者，它在慢阻肺中发挥关键作用。肺泡巨噬细胞分泌的弹性蛋白酶包括MMP-2、MMP-9、MMP-12、组织蛋白酶-K、组织蛋白酶-L、组织蛋白酶-S。此外，被激活的巨噬细胞还产生肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）、IL-8、CXC趋化因子、单核细胞趋化肽-1（monocyte chemotactic peptide，MCP-1）、LTB4等。巨噬细胞在发生蛋白持续分解的过程中起重要作用，进一步造成肺实质的破坏，刺激气道内黏液的过度分泌。

有研究显示，慢阻肺患者血液循环中的肺巨噬细胞的祖细胞即外周血来源的单核细胞与健康对照者不一样，这可以部分解释为什么慢阻肺患者可以出现除肺之外的其他器官损害。

（3）T淋巴细胞：

人肺组织内含有丰富的T淋巴细胞。罹患慢阻肺的吸烟者中，各种T淋巴细胞表型均增加。吸烟者未罹患慢阻肺时，肺实质内以中性粒细胞为主，但出现肺气肿时T淋巴细胞（CD3和CD8）也明显增加。

T淋巴细胞介导肺气肿的发展，但其损伤肺实质的机制并未完全清楚。目前认为，细胞凋亡是肺组织结构破坏导致肺气肿发展的机制之一。T淋巴细胞通过释放各种溶解性酶（如粒酶）和穿孔蛋白，直接破坏肺组织。慢阻肺患者痰中穿孔蛋白浓度较正常人明显增加。穿孔蛋白可诱导肺泡上皮细胞凋亡。CD8细胞毒T细胞也可诱导肺组织的结构性细胞凋亡，其数量与肺组织损害的严重程度相关。另一种机制是Th1细胞分泌γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）等炎症因子，驱动并维持T细胞的功能，辅助中性粒细胞和巨噬细胞介导的免疫炎症反应。有研究发现，肺实质中浸润的T细胞和巨噬细胞的数量与肺损害的程度密切相关，而且T细胞的数量与巨噬细胞的数量相关联，提示二者共同发挥作用。Th1与IFN-γ参与持久的自身免疫反应，引起过度的炎症反应，导致不可控的组织损害。因此，肺气肿通常被认为是一种Th1型疾病。慢阻肺患者外周血中Th1反应相关分子水平升高。

吸烟引起的肺内炎症反应和氧化损伤导致肺组织微结构改变，形成T细胞可以识别的自身抗原，导致T细胞在肺组织内积聚并产生损害作用。此外，调节T细胞和CD8细胞之间精确的相互关系在自身免疫过程中被打乱，调节T细胞释放的因子可能不足以保持细胞毒T细胞的沉默。病情严重的慢阻肺患者体内CD56淋巴细胞释放的细胞毒素明显增加，它能够杀死自身的肺结构细胞。

2.炎症因子

参与慢阻肺发病的细胞因子和趋化因子众多，其中何者起主导作用以及它们之间的相互作用尚不甚清楚。肺组织的前炎因子不仅来自宿主细胞，也可来自进入体内的微生物。在吸入肺内的有害气体或颗粒物质的刺激下，肺上皮细胞释放肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-1β、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）、TGF-β1、MCP-1、LTB4、IL-8，巨噬细胞释放CXCL9、CXCL10、CXCL11等趋化因子，在活性氧族（reactive oxygen species，ROS）丰富的环境下还分泌MMP-2、MMP-9、MMP-12和组织蛋白酶（cathepsins）等溶蛋白酶。

IL-8对中性粒细胞有选择性吸附作用，能吸引中性粒细胞和单核细胞。慢阻肺患者的诱导痰中存在高浓度IL-8。巨噬细胞、中性粒细胞和气道上皮细胞均可分泌IL-8。在慢阻肺发病过程中，IL-8在中性粒细胞所致炎症中起着非常重要的作用。

TNF-α是一种多功能的细胞因子，主要来源于活化单核巨噬细胞、肥大细胞及活化的T淋巴细胞等。其在慢阻肺发生、发展中的作用表现为诱导内皮细胞表达黏附分子，介导白细胞黏附于血管内皮细胞，导致白细胞在炎症部位聚集，激活白细胞，尤其是巨噬细胞和中性粒细胞等，使其释放更多毒性基团和细胞因子，增强中性粒细胞的胞外蛋白分解作用，引起动物和人类气道的高反应性。

IL-1β可以由多种细胞分泌，包括单核/巨噬细胞、中性粒细胞、肝细胞等。IL-1β具有广泛的生物学作用，可以在局部或全身发挥作用，如参与炎症反应、促进免疫应答、刺激造血等。

IL-6主要由单核/巨噬细胞、T细胞（主要是Th2细胞）、血管内皮细胞、成纤维细胞等产生，当其含量升高时，可以损伤血管内皮，增强免疫黏附，并促进微血栓形成，阻碍内皮修复，使血管受损程度增加，从而引起肺损伤，最终导致气道结构重塑。

LTB4是一种重要的中性粒细胞趋化因子，能吸引中性粒细胞和T淋巴细胞。α1-抗胰蛋白酶（α1-antitrypsin，α1-AT）缺乏的患者，其肺泡巨噬细胞可分泌大量LTB4。

（二）氧化与抗氧化失衡

氧化应激是指机体内高活性分子，如活性氧族（ROS）和活性氮族（reactive nitrogen species，RNS）产生过多或消除减少，从而导致组织损伤。正常状态下，机体可产生少量ROS参与代谢，同时体内抗氧化系统是对抗ROS/RNS的第一道防线，抗氧化物效应可以是酶学或非酶学方式。抗氧化物酶包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）家族、谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽-S-转移酶及两种硫氧还原蛋白等，非酶学抗氧化剂包括低分子量的化合物，如谷胱甘肽、抗坏血酸盐、尿酸盐等，它们能清除过多氧自由基，抑制自由基反应，保持自由基的产生和清除平衡。氧化物和抗氧化物保持相对平衡对保护气道的正常功能至关重要。当气道暴露于各种烟尘、细菌和病毒污染的环境下时，会打破氧化物和抗氧化物的平衡，即氧化-抗氧化失衡。

烟草烟雾中含有6000多种化学物质，其中多为强氧化剂。大气中含有许多粉尘和有毒气体，如颗粒物（particulate matter，PM）、NO2和SO2。室内空气也被认为是环境ROS来源之一。在化学成分上，ROS与燃烧烟雾和汽车尾气污染的室外空气非常相近。吸烟或吸入污染空气可促使自由基产生，引起气道炎症反应和上皮细胞损伤，通过不同途径刺激肺内炎症反应，滞留或募集肺部多种炎症细胞（如中性粒细胞、巨噬细胞等），活化的炎症细胞释放多种内源性氧化剂。对空气污染相关的肺结构损害过程认识的增加促进了ROS诱导过程的研究。有研究显示，臭氧和汽油燃烧颗粒介导转录因子NF-κB活性和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的氧化还原敏感的炎性细胞因子的产生。肺泡上皮细胞、肺巨噬细胞和肺成纤维细胞都是ROS的重要靶标细胞，而这些细胞反过来又会成为ROS的产生源。

长期吸烟者和慢阻肺急性加重期患者血浆中抗氧化物（包括维生素C、维生素E、β-胡萝卜素和硒元素等）含量明显减少。吸烟者和慢阻肺患者体内的氧化负担加重，其肺内呼出气体、血液及尿液中氧化剂含量均明显增高，大量ROS致使血浆抗氧化能力明显下降。有研究发现，慢阻肺患者血浆中脂质过氧化物增多，急性加重时更为明显，表明慢阻肺患者存在全身性氧化应激损伤。除呼吸系统外，慢阻肺常伴严重的全身症状，如骨骼肌功能下降、体重减轻等，这些症状与氧化应激及肺部炎症反应有关。氧化损伤会减弱肌肉收缩力、增加肌肉的脆性。肌肉中收缩蛋白的巯基被ROS氧化，会损伤肌肉特异蛋白的表达，导致肌蛋白代谢负平衡，从而损伤肌肉组织。氧化损伤可诱导骨骼肌细胞的凋亡。自身免疫过程中活性抗原表位的产生可能也与ROS暴露相关。一些研究结果表明，ROS可以改变结构蛋白的构象，使它们暴露和产生免疫原性。

细胞内ROS能诱导其功能和结构改变，如膜脂质过氧化、DNA链断裂、酶活性改变、调节细胞内信号级联反应。ROS的影响依赖于它的浓度，如高浓度ROS可影响细胞自身结构变化，而低浓度ROS则可降低细胞增生、凋亡和坏死的能力。对人肺上皮细胞和大鼠巨噬细胞的研究显示，汽油燃烧颗粒对细胞活力、氧化应激、DNA损害和炎症反应产生影响。氧化应激增加，可导致抗蛋白酶失活、气道上皮损伤，刺激黏液高分泌，增加血浆渗出、中性粒细胞在肺微血管系统的聚集及前炎症介质的基因表达。这些有害反应大多数通过硝酸盐介导，通过超氧阴离子和一氧化氮的相互作用产生。一氧化氮由诱导型一氧化氮合酶产生，主要在慢阻肺患者外周气道和肺实质表达。氧化应激也能通过引起慢阻肺患者肺组织组蛋白去乙酰酶活性下降，导致炎症基因表达增加，同时糖皮质激素的抗炎活性下降。故氧化-抗氧化失衡的存在是慢阻肺的重要发病机制之一。

（三）蛋白酶-抗蛋白酶失衡

蛋白水解酶对肺组织具有损伤、破坏的作用，而抗蛋白酶对蛋白酶具有抑制效应。体内蛋白酶和抗蛋白酶保持平衡状态是保证肺组织正常结构免受破坏的重要因素，抗蛋白酶不足或蛋白酶增加均可导致肺组织结构破坏。

参与肺气肿形成的蛋白酶主要包括NE、组织蛋白酶、MMP、颗粒酶和穿透因子等。蛋白酶类的抑制物即抗蛋白酶系统，主要有α1-AT、α2-巨球蛋白（α2-macroglobulin，α2-M）、抗白细胞蛋白酶（antileukoprotease，ALP）、MMP组织抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）等，此外还有血浆蛋白酶抑制剂（serpin）、分泌型白细胞蛋白酶抑制剂（secretory leucocyte protease inhibitor，SLPI）等。弹性蛋白是肺实质结缔组织的主要成分，蛋白酶可以消化弹性蛋白和肺泡壁上的其他蛋白结构，导致肺气肿发生。

导致肺组织破坏的内源性蛋白酶主要来自中性粒细胞和巨噬细胞。烟草烟雾或污染空气来源的刺激物刺激并活化中性粒细胞和巨噬细胞，活化的中性粒细胞产生NE、蛋白酶3（protease 3，PR3）和组织蛋白酶G。NE能够降解几乎所有细胞外基质和许多重要的血浆蛋白，不仅能使肺组织基质分解，还能造成气道扩张、纤毛上皮变形、黏液腺增生和纤毛摆动消失。此外，NE还能诱导上皮细胞释放IL-8，促使气道炎症发生。在α1-AT缺乏的患者中，NE在调节弹性组织解离中起主要作用；但在吸烟所致的慢阻肺中，NE并不起主要的弹性组织离解酶的作用，而主要与吸烟所产生的过量氧化剂密切相关。

巨噬细胞活化可产生MMP。MMP可分为5类，即胶原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13、MMP-18）、明胶酶（MMP-2、MMP-9）、间质溶解素（MMP-3、MMP-10、MMP-11）、膜型基质金属蛋白酶（MT1-MMP至MT6-MMP）以及其他MMP。MMP通过酶原的激活发挥作用，降解细胞外基质的蛋白组分。MMP几乎能够降解所有ECM成分，如弹性蛋白、胶原蛋白及明胶，还与中性粒细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、T淋巴细胞、支气管上皮细胞等迁移关系密切，而且具有酶活性的MMP还能修饰许多细胞因子的活性，如IL-8、TGF-β、TNF-α、IL-1β等，因此，MMP与慢阻肺，尤其是吸烟相关的慢阻肺的关系尤其受到重视。MMP的生理抑制物主要是TIMP，TIMP-1、TIMP-2、TIMP-4是可溶性分泌蛋白，TIMP-3是不可溶性蛋白。每一种TIMP能够与多种活化的MMP结合，抑制其活性，其中，TIMP-1能够特异性抑制MMP-9活性，TIMP-2和TIMP-4能够更有效地抑制MMP-2的活性。

除宿主炎症细胞来源的蛋白水解酶和抑制剂外，细菌来源的酶和抑制剂也受到关注。越来越多的资料显示，参与肺组织炎症过程的细菌蛋白水解酶，如铜绿假单胞菌来源的弹性蛋白酶可激活表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）/细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信号旁路，通过上调肺成纤维细胞的NF-κB增加IL-8的产生。同时，炎症时氧自由基生成增多，使抗蛋白酶氧化失活，也可导致蛋白酶-抗蛋白酶失衡。

蛋白酶-抗蛋白酶失衡导致细胞外基质降解的产物和片段能够作为一种趋化剂促进局部炎症。特别是层粘连蛋白和纤维粘连蛋白片段是人中性粒细胞和单核细胞的趋化剂。蛋白溶解产生的片段通过这种方式可以使炎症持续，甚至在戒烟后仍然存在。弹性蛋白降解产物水平能够作为判断肺损伤的指数，慢阻肺患者血浆和尿液中弹性蛋白来源的多肽水平明显高于非吸烟者。然而，也有报道称弹性蛋白裂解产物在吸烟的非慢阻肺患者也升高，而且其变化不依赖吸烟或慢阻肺状态。

（四）自主神经系统功能失调

胆碱能神经在肺神经调节方面起着重要作用。胆碱能神经释放乙酰胆碱（acetylcholine，Ach），通过与气道平滑肌和腺体上的毒蕈碱受体（M受体）结合，引起气道平滑肌收缩和黏液分泌增加。

胆碱能神经张力增高在慢阻肺发病中起着重要作用。由于气道的慢性非特异性炎症，使得分布于气道上皮细胞间及上皮细胞下的刺激性受体的活性阈降低，对理化刺激的敏感性提高，通过迷走神经反射使Ach释放增加。在胆碱能神经末梢存在一些对Ach释放起负反馈抑制作用的受体，如组胺H3受体、肾上腺素能β2受体、α2受体及M2受体，慢阻肺患者的这些突触前受体功能障碍，可导致Ach的释放增加。在生理情况下，抑制性非肾上腺素能非胆碱能（inhibitory non-adrenergic non-cholinergic，iNANC）释放的血管活性肠肽（vasoactive intestinal polypeptide，VIP）不仅能拮抗Ach所致的气道平滑肌痉挛，还能抑制胆碱能神经的传递和Ach的释放。慢阻肺患者iNANC神经功能障碍，也会促进Ach释放和气道平滑肌痉挛。在慢阻肺患者，由于气道黏膜充血水肿、黏液腺肥大，黏液栓塞，导致管腔狭窄，使迷走神经的基础张力进一步加强。副交感神经节后纤维释放的Ach是通过靶细胞上的M受体而发挥作用的，慢阻肺患者存在M受体数量或功能的异常，促进了胆碱能神经张力的增高。

（五）自身免疫功能失调

自身免疫是被自身抗原促进的一种过度的免疫反应。早期曾有人提出慢阻肺也是自身免疫性疾病。自身免疫性肺气肿模型显示，弹性蛋白可能诱发天然和适应性免疫应答。

除T细胞外，中性粒细胞和巨噬细胞在导致肺组织断裂的炎症启动过程中也发挥作用。肺内存在的T细胞被激活，能够吸引和增强中性粒细胞和巨噬细胞的功能。烟草烟雾或感染等因素诱导中性粒细胞产生的弹性蛋白酶和巨噬细胞产生的MMP-9和MMP-12，在肺内形成弹性蛋白片段，抗原呈递细胞将弹性蛋白片段提呈到T细胞，使之聚集，又活化弹性蛋白特异性B细胞。肺T细胞受体缺陷可引起弹性蛋白特异性Th1细胞克隆增殖，释放细胞因子和趋化因子，如IFN-γ、IP-10（CXCL10）、MIG（CXCL9）等。Th1细胞表达的CXCR3通过活化其配体CXCL9和CXCL10促进巨噬细胞分泌MMP-12，反过来又可抑制α-AT，使中性粒细胞分泌弹性蛋白酶的作用不受影响。在Th1细胞协调下，几种弹性蛋白酶联合活化，最终导致广泛的弹性蛋白水解和肺气肿形成。仅当CD4＋、CD8＋、中性粒细胞和巨噬细胞等炎症细胞存在于肺内的时候，慢阻肺的气道重塑和实质损害的特征才相继发生。T细胞对源于肺内的抗原刺激物产生应答反应，参与肺损伤和慢阻肺的进程，因此，慢阻肺被认为是由吸烟等触发的自身免疫反应，这种自身攻击的结果诱导肺组织损害，进一步导致结构改变，产生新的抗原。

慢阻肺患者可能存在其他自身抗原的表达。慢阻肺患者普遍具有针对气道上皮和内皮细胞的IgG抗体，但尚不清楚何种抗原驱动了自身抗体产生。弹性蛋白在健康人和其他免疫性疾病患者中也存在，是否具有特异性尚待证明。烟雾中的有害物质可以通过化学作用改变体内相关蛋白和其他分子，导致新的抗原或半抗原产生，启动自身免疫应答。小鼠暴露于烟雾时其肺淋巴器官新生并持续存在，提示自身免疫过程是原因而不是简单的巧合。淋巴细胞亚群，尤其CD56淋巴细胞在严重的慢阻肺患者表达上调，它能够快速杀死自体肺细胞。慢阻肺相关的抗原表位阵列具有个体变异型，未来揭示每个患者或不同表型患者的特异性抗体可能启动不同原因所致慢阻肺亚型的诊断和治疗。