引用本文： 李锋, 周新. 慢性阻塞性肺疾病的发病机制研究进展. 中国呼吸与危重监护杂志, 2019, 18(1): 88-92. doi: 10.7507/1671-6205.201803050 复制
慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是一种常见的可以预防和治疗的疾病，特点为持续性呼吸道症状和气流受限，由有毒颗粒或气体导致的气道和/或肺泡异常引起。据报道，全球 40 岁以上成年人的慢阻肺患病率在 5%～19%[1]。据估计，到 2030 年，慢阻肺将由全球第四位死亡原因上升到第三位死亡原因[2]。香烟烟雾是慢阻肺的主要致病因素，空气污染、生物燃料等也是慢阻肺重要的致病因素。与其他气道炎症疾病如哮喘不同的是，慢阻肺发展过程中炎症不能被现今的抗炎药物有效中断。因此，迫切需要对慢阻肺的发病机制进行深入研究。本文拟总结近年来慢阻肺发病机制研究的新进展。
1 炎症细胞机制
慢阻肺气道炎症的特点是气道内中性粒细胞、巨噬细胞、T 淋巴细胞、B 淋巴细胞增加，其炎症机制涉及固有免疫与适应性免疫。香烟烟雾中的有害成分进入肺组织后可通过触发模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）活化各种固有免疫细胞（中性粒细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞等），同时，气道内结构细胞（气道上皮细胞、肺泡上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞）也相继活化，直接或间接的激活炎症相关的损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMP），导致各种细胞因子、趋化因子、生长因子、急性期反应蛋白和抗菌肽的释放。活化的树突状细胞可诱导适应性免疫应答，包括辅助性（Th1 和 Th17）CD4 + T 细胞、CD8+ T 细胞和 B 细胞的免疫应答，导致淋巴滤泡增生，诱发持续性的肺组织慢性炎症[3-4]。
慢阻肺患者的痰液和支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）内活化的中性粒细胞数量增加，并与病情的严重程度相关。活化的中性粒细胞释放丝氨酸蛋白酶，如中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）、组织蛋白酶 G、蛋白酶 3、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-8、MMP-9、半胱氨酸蛋白酶和各种氧化性物质等，这些酶类促成黏液高分泌、肺泡间质及肺实质破坏，导致肺组织出现肺气肿性改变[5]。慢阻肺患者的气道、肺间质、BALF、痰液内的巨噬细胞数量增加，一般是 M1 型巨噬细胞，对病原菌和凋亡细胞的吞噬和清除能力较低，而促炎作用较强。巨噬细胞可释放炎症介质和趋化因子，如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、CXCL1、CXCL8、CCL2、LTB4、活性氧（reactive oxygen species，ROS）等，驱使中性粒细胞和单核细胞等炎症细胞募集到肺部并促进巨噬细胞的成熟，肺泡巨噬细胞还可分泌弹性蛋白分解酶，如 MMP-2、MMP-9、MMP-12、组织蛋白酶 K、组织蛋白酶 L、组织蛋白酶 S 等促进疾病进展[6-7]。临床研究表明，许多慢阻肺患者的痰液含有嗜酸性粒细胞，其在慢阻肺中的发病机制尚不明确。嗜酸性粒细胞数量的升高与慢阻肺患者肺功能下降及急性加重有一定的相关性，同时还预示对支气管舒张剂和糖皮质激素治疗的反应良好，也可能提示同时存在哮喘或哮喘-慢阻肺重叠综合征[8]。慢阻肺患者的肺间质、中央气道、外周气道的 T 淋巴细胞数量增加，其增加的程度与肺泡破坏及气流受限的程度正相关，其中 CD8+ T 细胞（TC1 细胞）高于 CD4+ T 细胞（TH1 细胞）[9]。在气道出现感染时，TC1 细胞增多，其可释放穿孔素、颗粒酶 B，引起肺泡上皮细胞吞噬、凋亡，促进肺气肿的形成。CD4+ TH17 细胞可分泌白细胞介素（interleukin，IL）-17A 和 IL-22 介导中性粒细胞炎症[3，10]。B 淋巴细胞也参与慢阻肺的发病，但是相关研究不多。此外，慢阻肺患者的树突状细胞数量增加、活性增加，并与疾病严重程度相关。树突状细胞是天然免疫和适应性免疫的重要连接点，可激活一系列炎症细胞和免疫细胞，在肺部对烟草、有毒颗粒或气体的免疫应答中具有重要的作用[11]。
小气道上皮细胞还可表达转化生长因子-β（transforming growth factor β，TGF-β），后者可促进局部纤维化。血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）在保持肺泡结构的完整性方面发挥了重要的作用。而在慢阻肺患者的气道上皮中，VEGF 和 HGF 均表达下降，可能促进肺气肿的形成[12]。慢阻肺患者气道上皮细胞的表皮生长因子受体表达增加，促进鳞状上皮增生，也可能促进黏液高分泌[13]。
2 氧化应激
与健康对照者、吸烟者相比，慢阻肺患者体内存在氧化-抗氧化失衡，即氧化应激损伤。产生氧化应激损伤的外源性因素包括吸烟、生物燃料、有毒气体、颗粒物，内源性因素包括炎症细胞（尤其是中性粒细胞、巨噬细胞）、结构细胞（气道上皮细胞和平滑肌细胞）通过线粒体呼吸、NADPH 氧化酶（NADPH oxidase 2，NOX2）、黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶和血红素过氧化物酶等引起氧化应激损伤[14]。常见的 ROS 包括含有未成对电子的羟自由基（·OH）、超氧阴离子（O2·-），极易和体内的蛋白、脂质和 DNA 等发生过氧化反应，诱导组织损伤，或诱导生成更多的损伤性氧化产物，如过氧化氢、丙二醛、8 羟基鸟苷、4-羟基壬烯醛等。肺组织氧含量较高，且直接暴露于环境病原体、污染性气体和毒素，更易受到氧化应激损伤，进而产生大量的 ROS 诱导慢阻肺的发生[15]。比如，ROS 能够激活核因子-κB 等转录因子和 p38 MAPK 信号通路，导致炎症基因和蛋白酶表达增加；抑制内源性抗蛋白酶［如 α1 抗胰蛋白酶（α1-antitrypsin，AAT）］，导致肺泡弹性成分分解增加；介导 DNA 损伤，影响其修复功能，增大并发肺癌的风险；介导蛋白羰基化，导致体内自身抗体增加，诱导肺组织炎症和损伤持续存在并加重；激活 TGF-β，介导纤维化；此外，ROS 还可降低组蛋白去乙酰化酶-2（histone deacetylase-2, HDAC2）的活性和表达，进而促进炎症基因的活化；另外，HDAC2 活性的降低使得核因子 E2 相关因子 2（nuclear erythroid-2-related factor 2, Nrf2）乙酰化水平增高，导致 Nrf2 稳定性降低甚至失活[14]。现有的各类抗氧化药物在动物模型中显示出一定的抗炎效应，但是在临床实践中的疗效尚不稳定。
3 线粒体功能异常
线粒体是大多数真核细胞的细胞浆内具有独特特性的细胞器，其内膜折叠形成线粒体嵴，内含氧化磷酸化酶复合体（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和电子呼吸链参与能量调控和生物合成。线粒体不仅是细胞内三磷酸腺苷的主要来源，还能通过自身的生物合成、自噬、分裂融合等过程参与钙离子平衡、免疫反应、炎症反应、细胞增殖分化、细胞修复和细胞衰老死亡等诸多过程。多项临床研究表明，慢阻肺患者的呼吸肌、骨骼肌、气道平滑肌、气道上皮、肺组织存在氧化应激、线粒体功能异常。有研究表明，慢阻肺的发生发展与线粒体活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）产生增加、抗氧化能力下降、OXPHOS 异常、以及线粒体数量减少有关，还与 mtROS 激活的炎症小体（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）活化有关[16]。作为慢阻肺的重要诱因，烟草可以通过诱导线粒体结构和功能的损伤而介导氧化应激；烟草可以通过诱导线粒体自噬功能异常，通过 PINK1/Parkin 途径介导支气管上皮细胞 mtROS 的产生，并可增强线粒体分裂活动而介导细胞衰老[17-18]；烟草还可以通过诱导线粒体片段化而介导细胞凋亡或焦亡[19]。此外，与健康成人相比，慢阻肺吸烟者的白细胞线粒体 DNA 复制率较低，这与血清还原型谷胱甘肽水平降低有关[20]。针对线粒体机制障碍的研究可能为慢阻肺治疗性干预提供新思路。
4 衰老机制
衰老是很多慢性疾病最重要的危险因素之一。衰老的九大特征包括：基因组不稳定性、端粒缩短、细胞衰老、表观遗传改变、蛋白内稳态失衡、营养感应失调、线粒体功能异常、干细胞耗竭、细胞间信息交换改变。正常肺的老化表现在肺功能下降、气体陷闭增加、肺弹性回缩力消失、远端气道腔隙扩大，这些同样出现在慢阻肺的病理生理过程之中。慢阻肺被认为是使肺老化进程加快，衰老的多个机制同样适用于慢阻肺患者的肺老化[21]。随着机体的衰老，非吸烟者也可因肺泡空间扩大而导致肺功能降低，但是一般不出现大面积的肺泡结构破坏和炎症。长期吸烟会加快衰老的进程，导致肺泡破坏加重、气流受限严重、肺功能下降明显[22]。肺气肿的肺组织由于炎症和氧化应激损伤的持续存在，细胞的端粒缩短加快，活化衰老相关的 β-半乳糖苷酶和 p21 蛋白，加快细胞衰老和促炎基因的表达[23]。同时衰老相关的 DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNAs 调控可诱导染色体重塑和相关抗衰老蛋白（如 HDAC2 和 Sirt1）的表达下降，加快衰老进程[24]。伴随着年龄的增加，基线状态时的炎症和氧化应激也相应加重，即所谓的炎症性衰老或应激相关性早衰；同时出现固有免疫和适应性免疫的改变，即免疫衰老。这些改变与慢阻肺患者所具有的改变非常相似，可能会加重疾病的严重程度、增加患者出现急性加重的风险。
5 上皮-间充质转化
上皮-间充质转化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）是指上皮细胞失去极性和细胞黏附，获得移行性和侵袭性，成为间充质样细胞。EMT 可出现在胚胎发育期（1 型 EMT）；可出现于持续性炎症和损伤期（2 型 EMT），诱导炎症加重和纤维化；也可出现于网状基底膜和上皮的血管新生期，使血管生成增多，诱导形成肿瘤前的基质（3 型 EMT）。慢阻肺可以增加发生肺癌的风险，而 70% 的肺癌伴有轻中度慢阻肺，EMT 是两者共有的病理生理机制之一[25]。不少研究表明，在吸烟者，尤其是吸烟的慢阻肺患者的气道存在着 EMT 标志物（如 Vimentin、S100A4、N-Cadherin）表达增加、网状基底膜破裂、上皮连接分子表达减少，这些表明 EMT 可能促进慢阻肺患者的小气道重塑和纤维化[26]。其中 S100A4 是 EMT 活化的关键蛋白，可以诱导网状基底膜新生血管增多、固有层减少及血管重塑，同时还能激活内皮-间充质转化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT），使内皮细胞也失去黏附性和极性，迁移性增强，促进慢阻肺患者的肺血管重塑和肺动脉高压的形成[27-28]。
6 中性粒细胞的胞外诱捕网
中性粒细胞是宿主针对外来病原菌的主要防御细胞之一，中性粒细胞通过移行、聚集、结合、包绕病原菌，并通过吞噬、脱颗粒、释放中性粒细胞的胞外诱捕网（neutrophilextracellular traps，NET）使之失活。当有细菌、病毒或寄生虫等侵入机体时，中性粒细胞可释放 NET，主要由组蛋白、DNA、NE、髓过氧化物酶、组织蛋白酶 G、胶原酶、溶菌酶、防御素等构成，发挥诱捕杀伤病原微生物的作用，增强机体对细菌、病毒等微生物的清除能力[29]。但 NET 所含成分在抗感染的同时也会导致炎症加重和组织损害，如组蛋白作为 NET 的成分之一，可以诱导肺泡内皮及上皮细胞衰亡，使肺泡破坏空间扩大，还会促进凝血，加重肺泡微循环障碍[30]。在慢阻肺患者，气道内微生物和病原体合成、释放一系列毒素、细胞因子和炎症介质，如 IL-8、TNF-α、血小板活化因子、脂多糖、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子等，激活中性粒细胞并释放 NET，促进炎症的效应。在这个过程中，还涉及到 Raf/MAPK 通路活化、Toll 样受体 4（Toll-like receptor 4，TLR4）活化、NOX2 活化、ROS 产生增加、肽基精氨酸脱亚氨酶 4 活化，共同促进 NET 的形成，损伤气道上皮，触发炎症反应，诱导黏液高分泌和气道重塑，导致肺泡破坏、肺功能受损和慢阻肺进展甚至加重[31-32]。
7 细胞外囊泡
细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是指多种与膜相关的微小囊泡，包括外泌体、微泡和凋亡小体，直径介于 30 nm 和数微米，可被各种细胞所产生，并释放到细胞外的微环境中。作为新型细胞之间信息传递的工具，EVs 的具体成分包括蛋白、mRNA、miRNA、DNA、脂质、代谢产物[33]。最近研究表明，香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）能够诱导支气管上皮细胞（bronchial epithelial cells，BECs）生成 EVs 并上调 miR-210 促进肺成纤维细胞生成，导致慢阻肺患者的小气道纤维化。CSE 还可诱导 BECs 产生、释放含有富半胱氨酸血管生成诱导因子 61（CYR61/CCN1）的 EVs，参与细胞增殖、黏附、迁移、分化和凋亡，通过调节 IL-8 水平，介导中性粒细胞聚集[34]。长期的香烟暴露激活 CYR61/CCN1，和整合素 α7 相互作用可进一步激活 MMP-1，促进肺气肿的形成。CSE 活化单个核细胞，促进巨噬细胞产生、释放含有促凝因子和促炎介质（包括 IL-8、细胞间黏附分子 1、单核细胞趋化蛋白 1）的 EVs[35]。CSE 可诱导巨噬细胞产生、释放含有 MMP-14（具有分解胶原的活性）的 EVs，促进肺气肿的形成[36]。CSE 还可诱导内皮细胞产生、释放的内皮细胞微囊泡（endothelial microparicles，EMP），内含内皮细胞相关的蛋白如 CD31、CD144、CD62E，在炎症、内皮功能失调、内皮细胞凋亡和血管新生等方面发挥作用。吸烟者、慢阻肺患者的血液中 EMP 数量增加，且 EMP 与肺气肿的严重程度呈正相关[37]。另外，所有的革兰阳性菌和部分革兰阴性菌可产生 EVs。吸入金黄色葡萄球菌产生的 EVs 在 TLR2 信号通路的调控下可介导 Th1 和 Th17 中性粒细胞为主的肺部炎症；吸入大肠杆菌产生的 EVs 也可介导中性粒细胞炎症，导致肺气肿[38]。
8 铁离子代谢异常
铁离子是重要的微量金属元素，参与许多重要的生命活动，比如 DNA/RNA 合成、氧气运输、细胞呼吸、酶活动、免疫功能和机体代谢等。但铁离子过多可诱导氧化应激、脂质过氧化及 DNA 损伤。肺内铁离子的含量约为 0.4～0.9 mg/g[39]。肺内的铁离子受到铁蛋白、转铁蛋白、乳铁蛋白、转铁蛋白受体、乳铁蛋白受体、膜转运铁蛋白、二价金属离子转运蛋白、十二指肠细胞色素 C 等的影响，这些调节因子可由肺内不同的细胞（如上皮细胞、巨噬细胞、中性粒细胞）分泌，以保护肺部不受铁离子介导的氧化应激损伤和感染。其中巨噬细胞处理和存储大量的不同来源的铁离子，以保护肺免受铁诱导的氧化应激损伤。烟草介导细胞（如巨噬细胞）内铁离子和铁蛋白含量增加，气道内铁离子增加，体内铁离子调节异常。这些铁离子调节异常，进而介导氧化应激、气道感染、线粒体功能障碍、巨噬细胞功能异常、免疫异常、炎症反应等，从而导致慢阻肺的发生、发展[40]。另外，全基因组关联研究已经显示慢阻肺易感性与某些铁调节相关基因（铁调节蛋白 IRP2）的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）有明显的相关性[41]。如烟草可介导 IRP2 基因表达相关的 SNPs，诱导肺气肿的出现，增加吸烟人群慢阻肺的易感性。
9 基因多态性
全基因组关联研究针对肺气肿的基因分析表明基因多态性与慢阻肺易感性明显相关，并参与慢阻肺发病的多个方面[42-43]。在蛋白酶-抗蛋白酶体系，包括丝氨酸蛋白酶抑制剂（SerpinA1、SerpinE2 和 SerpinA3）、MMP 基因多态性等；在氧化应激体系，包括谷胱甘肽 S-转移酶、微粒体环氧化物酶、血红素加氧酶-1 和超氧化物歧化酶等基因多态性；以及炎症相关基因多态性，如维生素 D 结合蛋白、TGF-β1 和 TNF-α 等。AAT 是一种能够抑制 NE 活性的急性期分泌糖蛋白，由 SerpinA1 基因编码，能够保护肺泡免受 NE 酶解破坏。AAT 缺陷人群多由于蛋白酶-抗蛋白酶失衡，而自发性进展为肺气肿和慢阻肺[44]。晚期糖基化终末产物特异性受体（advanced glycosylation end product-specific receptor，AGER）作为一种编码变异体，在慢阻肺患者肺组织表达升高，与肺功能降低及肺气肿变化相关。同时，AGER 缺陷可明显抑制香烟暴露所引起的肺气肿[45]。因此，AGER 可作为评估慢阻肺患者肺气肿严重性的一种基因学标志物。弹性蛋白作为肺弹性纤维的关键成分，其基因（ELN）的缺陷明显增高了人类和小鼠肺气肿的易感性，而与弹性纤维合成相关的其他基因（如 LTBP4）的缺陷同样使机体更易出现肺气肿表型。相似的与慢阻肺相关的编码变异体还有肺表面活性蛋白-D、端粒酶反转录酶及核组装因子 1 等，其基因的缺陷或突变同样可诱导慢阻肺的发展[46]。
10 总结
慢阻肺的发病机制复杂，以气道炎症为核心，涉及到氧化应激、线粒体功能障碍、衰老、EMT、NET、EVs、铁离子代谢和基因多态性等。深入探讨慢阻肺的发病机制，对其中的关键靶点进行干预，可能为慢阻肺防治提供新的办法。
慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是一种常见的可以预防和治疗的疾病，特点为持续性呼吸道症状和气流受限，由有毒颗粒或气体导致的气道和/或肺泡异常引起。据报道，全球 40 岁以上成年人的慢阻肺患病率在 5%～19%[1]。据估计，到 2030 年，慢阻肺将由全球第四位死亡原因上升到第三位死亡原因[2]。香烟烟雾是慢阻肺的主要致病因素，空气污染、生物燃料等也是慢阻肺重要的致病因素。与其他气道炎症疾病如哮喘不同的是，慢阻肺发展过程中炎症不能被现今的抗炎药物有效中断。因此，迫切需要对慢阻肺的发病机制进行深入研究。本文拟总结近年来慢阻肺发病机制研究的新进展。
1 炎症细胞机制
慢阻肺气道炎症的特点是气道内中性粒细胞、巨噬细胞、T 淋巴细胞、B 淋巴细胞增加，其炎症机制涉及固有免疫与适应性免疫。香烟烟雾中的有害成分进入肺组织后可通过触发模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）活化各种固有免疫细胞（中性粒细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞等），同时，气道内结构细胞（气道上皮细胞、肺泡上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞）也相继活化，直接或间接的激活炎症相关的损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMP），导致各种细胞因子、趋化因子、生长因子、急性期反应蛋白和抗菌肽的释放。活化的树突状细胞可诱导适应性免疫应答，包括辅助性（Th1 和 Th17）CD4 + T 细胞、CD8+ T 细胞和 B 细胞的免疫应答，导致淋巴滤泡增生，诱发持续性的肺组织慢性炎症[3-4]。
慢阻肺患者的痰液和支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）内活化的中性粒细胞数量增加，并与病情的严重程度相关。活化的中性粒细胞释放丝氨酸蛋白酶，如中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）、组织蛋白酶 G、蛋白酶 3、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-8、MMP-9、半胱氨酸蛋白酶和各种氧化性物质等，这些酶类促成黏液高分泌、肺泡间质及肺实质破坏，导致肺组织出现肺气肿性改变[5]。慢阻肺患者的气道、肺间质、BALF、痰液内的巨噬细胞数量增加，一般是 M1 型巨噬细胞，对病原菌和凋亡细胞的吞噬和清除能力较低，而促炎作用较强。巨噬细胞可释放炎症介质和趋化因子，如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、CXCL1、CXCL8、CCL2、LTB4、活性氧（reactive oxygen species，ROS）等，驱使中性粒细胞和单核细胞等炎症细胞募集到肺部并促进巨噬细胞的成熟，肺泡巨噬细胞还可分泌弹性蛋白分解酶，如 MMP-2、MMP-9、MMP-12、组织蛋白酶 K、组织蛋白酶 L、组织蛋白酶 S 等促进疾病进展[6-7]。临床研究表明，许多慢阻肺患者的痰液含有嗜酸性粒细胞，其在慢阻肺中的发病机制尚不明确。嗜酸性粒细胞数量的升高与慢阻肺患者肺功能下降及急性加重有一定的相关性，同时还预示对支气管舒张剂和糖皮质激素治疗的反应良好，也可能提示同时存在哮喘或哮喘-慢阻肺重叠综合征[8]。慢阻肺患者的肺间质、中央气道、外周气道的 T 淋巴细胞数量增加，其增加的程度与肺泡破坏及气流受限的程度正相关，其中 CD8+ T 细胞（TC1 细胞）高于 CD4+ T 细胞（TH1 细胞）[9]。在气道出现感染时，TC1 细胞增多，其可释放穿孔素、颗粒酶 B，引起肺泡上皮细胞吞噬、凋亡，促进肺气肿的形成。CD4+ TH17 细胞可分泌白细胞介素（interleukin，IL）-17A 和 IL-22 介导中性粒细胞炎症[3，10]。B 淋巴细胞也参与慢阻肺的发病，但是相关研究不多。此外，慢阻肺患者的树突状细胞数量增加、活性增加，并与疾病严重程度相关。树突状细胞是天然免疫和适应性免疫的重要连接点，可激活一系列炎症细胞和免疫细胞，在肺部对烟草、有毒颗粒或气体的免疫应答中具有重要的作用[11]。
小气道上皮细胞还可表达转化生长因子-β（transforming growth factor β，TGF-β），后者可促进局部纤维化。血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）在保持肺泡结构的完整性方面发挥了重要的作用。而在慢阻肺患者的气道上皮中，VEGF 和 HGF 均表达下降，可能促进肺气肿的形成[12]。慢阻肺患者气道上皮细胞的表皮生长因子受体表达增加，促进鳞状上皮增生，也可能促进黏液高分泌[13]。
2 氧化应激
与健康对照者、吸烟者相比，慢阻肺患者体内存在氧化-抗氧化失衡，即氧化应激损伤。产生氧化应激损伤的外源性因素包括吸烟、生物燃料、有毒气体、颗粒物，内源性因素包括炎症细胞（尤其是中性粒细胞、巨噬细胞）、结构细胞（气道上皮细胞和平滑肌细胞）通过线粒体呼吸、NADPH 氧化酶（NADPH oxidase 2，NOX2）、黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶和血红素过氧化物酶等引起氧化应激损伤[14]。常见的 ROS 包括含有未成对电子的羟自由基（·OH）、超氧阴离子（O2·-），极易和体内的蛋白、脂质和 DNA 等发生过氧化反应，诱导组织损伤，或诱导生成更多的损伤性氧化产物，如过氧化氢、丙二醛、8 羟基鸟苷、4-羟基壬烯醛等。肺组织氧含量较高，且直接暴露于环境病原体、污染性气体和毒素，更易受到氧化应激损伤，进而产生大量的 ROS 诱导慢阻肺的发生[15]。比如，ROS 能够激活核因子-κB 等转录因子和 p38 MAPK 信号通路，导致炎症基因和蛋白酶表达增加；抑制内源性抗蛋白酶［如 α1 抗胰蛋白酶（α1-antitrypsin，AAT）］，导致肺泡弹性成分分解增加；介导 DNA 损伤，影响其修复功能，增大并发肺癌的风险；介导蛋白羰基化，导致体内自身抗体增加，诱导肺组织炎症和损伤持续存在并加重；激活 TGF-β，介导纤维化；此外，ROS 还可降低组蛋白去乙酰化酶-2（histone deacetylase-2, HDAC2）的活性和表达，进而促进炎症基因的活化；另外，HDAC2 活性的降低使得核因子 E2 相关因子 2（nuclear erythroid-2-related factor 2, Nrf2）乙酰化水平增高，导致 Nrf2 稳定性降低甚至失活[14]。现有的各类抗氧化药物在动物模型中显示出一定的抗炎效应，但是在临床实践中的疗效尚不稳定。
3 线粒体功能异常
线粒体是大多数真核细胞的细胞浆内具有独特特性的细胞器，其内膜折叠形成线粒体嵴，内含氧化磷酸化酶复合体（oxidative phosphorylation，OXPHOS）和电子呼吸链参与能量调控和生物合成。线粒体不仅是细胞内三磷酸腺苷的主要来源，还能通过自身的生物合成、自噬、分裂融合等过程参与钙离子平衡、免疫反应、炎症反应、细胞增殖分化、细胞修复和细胞衰老死亡等诸多过程。多项临床研究表明，慢阻肺患者的呼吸肌、骨骼肌、气道平滑肌、气道上皮、肺组织存在氧化应激、线粒体功能异常。有研究表明，慢阻肺的发生发展与线粒体活性氧（mitochondrial ROS，mtROS）产生增加、抗氧化能力下降、OXPHOS 异常、以及线粒体数量减少有关，还与 mtROS 激活的炎症小体（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）活化有关[16]。作为慢阻肺的重要诱因，烟草可以通过诱导线粒体结构和功能的损伤而介导氧化应激；烟草可以通过诱导线粒体自噬功能异常，通过 PINK1/Parkin 途径介导支气管上皮细胞 mtROS 的产生，并可增强线粒体分裂活动而介导细胞衰老[17-18]；烟草还可以通过诱导线粒体片段化而介导细胞凋亡或焦亡[19]。此外，与健康成人相比，慢阻肺吸烟者的白细胞线粒体 DNA 复制率较低，这与血清还原型谷胱甘肽水平降低有关[20]。针对线粒体机制障碍的研究可能为慢阻肺治疗性干预提供新思路。
4 衰老机制
衰老是很多慢性疾病最重要的危险因素之一。衰老的九大特征包括：基因组不稳定性、端粒缩短、细胞衰老、表观遗传改变、蛋白内稳态失衡、营养感应失调、线粒体功能异常、干细胞耗竭、细胞间信息交换改变。正常肺的老化表现在肺功能下降、气体陷闭增加、肺弹性回缩力消失、远端气道腔隙扩大，这些同样出现在慢阻肺的病理生理过程之中。慢阻肺被认为是使肺老化进程加快，衰老的多个机制同样适用于慢阻肺患者的肺老化[21]。随着机体的衰老，非吸烟者也可因肺泡空间扩大而导致肺功能降低，但是一般不出现大面积的肺泡结构破坏和炎症。长期吸烟会加快衰老的进程，导致肺泡破坏加重、气流受限严重、肺功能下降明显[22]。肺气肿的肺组织由于炎症和氧化应激损伤的持续存在，细胞的端粒缩短加快，活化衰老相关的 β-半乳糖苷酶和 p21 蛋白，加快细胞衰老和促炎基因的表达[23]。同时衰老相关的 DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNAs 调控可诱导染色体重塑和相关抗衰老蛋白（如 HDAC2 和 Sirt1）的表达下降，加快衰老进程[24]。伴随着年龄的增加，基线状态时的炎症和氧化应激也相应加重，即所谓的炎症性衰老或应激相关性早衰；同时出现固有免疫和适应性免疫的改变，即免疫衰老。这些改变与慢阻肺患者所具有的改变非常相似，可能会加重疾病的严重程度、增加患者出现急性加重的风险。
5 上皮-间充质转化
上皮-间充质转化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）是指上皮细胞失去极性和细胞黏附，获得移行性和侵袭性，成为间充质样细胞。EMT 可出现在胚胎发育期（1 型 EMT）；可出现于持续性炎症和损伤期（2 型 EMT），诱导炎症加重和纤维化；也可出现于网状基底膜和上皮的血管新生期，使血管生成增多，诱导形成肿瘤前的基质（3 型 EMT）。慢阻肺可以增加发生肺癌的风险，而 70% 的肺癌伴有轻中度慢阻肺，EMT 是两者共有的病理生理机制之一[25]。不少研究表明，在吸烟者，尤其是吸烟的慢阻肺患者的气道存在着 EMT 标志物（如 Vimentin、S100A4、N-Cadherin）表达增加、网状基底膜破裂、上皮连接分子表达减少，这些表明 EMT 可能促进慢阻肺患者的小气道重塑和纤维化[26]。其中 S100A4 是 EMT 活化的关键蛋白，可以诱导网状基底膜新生血管增多、固有层减少及血管重塑，同时还能激活内皮-间充质转化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT），使内皮细胞也失去黏附性和极性，迁移性增强，促进慢阻肺患者的肺血管重塑和肺动脉高压的形成[27-28]。
6 中性粒细胞的胞外诱捕网
中性粒细胞是宿主针对外来病原菌的主要防御细胞之一，中性粒细胞通过移行、聚集、结合、包绕病原菌，并通过吞噬、脱颗粒、释放中性粒细胞的胞外诱捕网（neutrophilextracellular traps，NET）使之失活。当有细菌、病毒或寄生虫等侵入机体时，中性粒细胞可释放 NET，主要由组蛋白、DNA、NE、髓过氧化物酶、组织蛋白酶 G、胶原酶、溶菌酶、防御素等构成，发挥诱捕杀伤病原微生物的作用，增强机体对细菌、病毒等微生物的清除能力[29]。但 NET 所含成分在抗感染的同时也会导致炎症加重和组织损害，如组蛋白作为 NET 的成分之一，可以诱导肺泡内皮及上皮细胞衰亡，使肺泡破坏空间扩大，还会促进凝血，加重肺泡微循环障碍[30]。在慢阻肺患者，气道内微生物和病原体合成、释放一系列毒素、细胞因子和炎症介质，如 IL-8、TNF-α、血小板活化因子、脂多糖、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子等，激活中性粒细胞并释放 NET，促进炎症的效应。在这个过程中，还涉及到 Raf/MAPK 通路活化、Toll 样受体 4（Toll-like receptor 4，TLR4）活化、NOX2 活化、ROS 产生增加、肽基精氨酸脱亚氨酶 4 活化，共同促进 NET 的形成，损伤气道上皮，触发炎症反应，诱导黏液高分泌和气道重塑，导致肺泡破坏、肺功能受损和慢阻肺进展甚至加重[31-32]。
7 细胞外囊泡
细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是指多种与膜相关的微小囊泡，包括外泌体、微泡和凋亡小体，直径介于 30 nm 和数微米，可被各种细胞所产生，并释放到细胞外的微环境中。作为新型细胞之间信息传递的工具，EVs 的具体成分包括蛋白、mRNA、miRNA、DNA、脂质、代谢产物[33]。最近研究表明，香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）能够诱导支气管上皮细胞（bronchial epithelial cells，BECs）生成 EVs 并上调 miR-210 促进肺成纤维细胞生成，导致慢阻肺患者的小气道纤维化。CSE 还可诱导 BECs 产生、释放含有富半胱氨酸血管生成诱导因子 61（CYR61/CCN1）的 EVs，参与细胞增殖、黏附、迁移、分化和凋亡，通过调节 IL-8 水平，介导中性粒细胞聚集[34]。长期的香烟暴露激活 CYR61/CCN1，和整合素 α7 相互作用可进一步激活 MMP-1，促进肺气肿的形成。CSE 活化单个核细胞，促进巨噬细胞产生、释放含有促凝因子和促炎介质（包括 IL-8、细胞间黏附分子 1、单核细胞趋化蛋白 1）的 EVs[35]。CSE 可诱导巨噬细胞产生、释放含有 MMP-14（具有分解胶原的活性）的 EVs，促进肺气肿的形成[36]。CSE 还可诱导内皮细胞产生、释放的内皮细胞微囊泡（endothelial microparicles，EMP），内含内皮细胞相关的蛋白如 CD31、CD144、CD62E，在炎症、内皮功能失调、内皮细胞凋亡和血管新生等方面发挥作用。吸烟者、慢阻肺患者的血液中 EMP 数量增加，且 EMP 与肺气肿的严重程度呈正相关[37]。另外，所有的革兰阳性菌和部分革兰阴性菌可产生 EVs。吸入金黄色葡萄球菌产生的 EVs 在 TLR2 信号通路的调控下可介导 Th1 和 Th17 中性粒细胞为主的肺部炎症；吸入大肠杆菌产生的 EVs 也可介导中性粒细胞炎症，导致肺气肿[38]。
8 铁离子代谢异常
铁离子是重要的微量金属元素，参与许多重要的生命活动，比如 DNA/RNA 合成、氧气运输、细胞呼吸、酶活动、免疫功能和机体代谢等。但铁离子过多可诱导氧化应激、脂质过氧化及 DNA 损伤。肺内铁离子的含量约为 0.4～0.9 mg/g[39]。肺内的铁离子受到铁蛋白、转铁蛋白、乳铁蛋白、转铁蛋白受体、乳铁蛋白受体、膜转运铁蛋白、二价金属离子转运蛋白、十二指肠细胞色素 C 等的影响，这些调节因子可由肺内不同的细胞（如上皮细胞、巨噬细胞、中性粒细胞）分泌，以保护肺部不受铁离子介导的氧化应激损伤和感染。其中巨噬细胞处理和存储大量的不同来源的铁离子，以保护肺免受铁诱导的氧化应激损伤。烟草介导细胞（如巨噬细胞）内铁离子和铁蛋白含量增加，气道内铁离子增加，体内铁离子调节异常。这些铁离子调节异常，进而介导氧化应激、气道感染、线粒体功能障碍、巨噬细胞功能异常、免疫异常、炎症反应等，从而导致慢阻肺的发生、发展[40]。另外，全基因组关联研究已经显示慢阻肺易感性与某些铁调节相关基因（铁调节蛋白 IRP2）的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）有明显的相关性[41]。如烟草可介导 IRP2 基因表达相关的 SNPs，诱导肺气肿的出现，增加吸烟人群慢阻肺的易感性。
9 基因多态性
全基因组关联研究针对肺气肿的基因分析表明基因多态性与慢阻肺易感性明显相关，并参与慢阻肺发病的多个方面[42-43]。在蛋白酶-抗蛋白酶体系，包括丝氨酸蛋白酶抑制剂（SerpinA1、SerpinE2 和 SerpinA3）、MMP 基因多态性等；在氧化应激体系，包括谷胱甘肽 S-转移酶、微粒体环氧化物酶、血红素加氧酶-1 和超氧化物歧化酶等基因多态性；以及炎症相关基因多态性，如维生素 D 结合蛋白、TGF-β1 和 TNF-α 等。AAT 是一种能够抑制 NE 活性的急性期分泌糖蛋白，由 SerpinA1 基因编码，能够保护肺泡免受 NE 酶解破坏。AAT 缺陷人群多由于蛋白酶-抗蛋白酶失衡，而自发性进展为肺气肿和慢阻肺[44]。晚期糖基化终末产物特异性受体（advanced glycosylation end product-specific receptor，AGER）作为一种编码变异体，在慢阻肺患者肺组织表达升高，与肺功能降低及肺气肿变化相关。同时，AGER 缺陷可明显抑制香烟暴露所引起的肺气肿[45]。因此，AGER 可作为评估慢阻肺患者肺气肿严重性的一种基因学标志物。弹性蛋白作为肺弹性纤维的关键成分，其基因（ELN）的缺陷明显增高了人类和小鼠肺气肿的易感性，而与弹性纤维合成相关的其他基因（如 LTBP4）的缺陷同样使机体更易出现肺气肿表型。相似的与慢阻肺相关的编码变异体还有肺表面活性蛋白-D、端粒酶反转录酶及核组装因子 1 等，其基因的缺陷或突变同样可诱导慢阻肺的发展[46]。
10 总结
慢阻肺的发病机制复杂，以气道炎症为核心，涉及到氧化应激、线粒体功能障碍、衰老、EMT、NET、EVs、铁离子代谢和基因多态性等。深入探讨慢阻肺的发病机制，对其中的关键靶点进行干预，可能为慢阻肺防治提供新的办法。