第一章 胆道闭锁病因及发病机制
胆道闭锁(biliary atresia,BA)是一种肝内外胆道进行性发展的闭锁纤维化病变,该病进展迅速,很快引起肝纤维化,最终进展为肝硬化,如不进行有效治疗,患儿将在1岁左右死亡。目前国内外对胆道闭锁患儿肝内外胆管损伤机制进行了大量研究,提出的可能因素有:先天性发育异常、围生期病毒感染、免疫反应异常、微嵌合体等,先天性发育异常学说在BA发病中的作用越来越重要。针对这一学说,全基因组关联分析等研究近年来已经广泛开展起来。
一、先天性发育异常
(一)全基因组关联分析(GWAS)
ADD3(adducin3,ADD3)是在全基因组关联研究中发现的与BA发病相关的基因,无论是以白种人还是以中国人为人群的定位研究都表明位于10q24.2上的ADD3基因相关SNP(single nucleotide polymorphism,单核苷酸多态性)与BA发病相关。ADD3影响胆管发育的具体机制尚不清楚,还需要进一步研究。GPC1是新发现的与BA发病相关的基因,位于2q37区域,GWAS研究显示,部分BA患儿在该区域存在基因拷贝数异常缺失。最近国内研究发现GPC1两个SNP(rs2292832、rs3828336)的变异与胆道闭锁的发病风险相关,生物学分析表明rs2292832通过影响上游转录因子的结合改变GPC1的表达。具体机制可能与GPC1参与调控hedgehog及Wnt等信号通路有关,它们共同促进胚胎期组织结构的形成和发育。位于14q21.3的ARF6基因也是最近通过GWAS发现的与BA发病相关的基因。国内有学者使用基因芯片技术也同样筛选并验证了ARF6在胆道闭锁发病中的重要作用。其可能机制是ARF6抑制ERK/MAPK和CREB信号通路,而ERK/MAPK和CREB信号通路激活可以活化ARF6,活化的ARF6可以促进胆道上皮细胞的增殖和发育。
(二)胚胎胆道发育基因
Notch信号通路可调节细胞增殖、分化、凋亡和器官发育等过程。Notch信号通路中配体Jag1或者受体Notch2的突变是Alagille综合征的发病原因,小鼠Jag1和Notch2双杂合子突变可使小鼠出现Alagille综合征的临床表现,同时发现胆管稀疏。
通过动物模型的研究发现,肝外胆道系统的发育异常可能与Sox17、Hes1、HNF6、HNF1β、Hhex等转录因子的活性及表达水平有关。小鼠肝外胆道系统和胰腺均来源于Pdx1+细胞,Sox17转录因子可能是决定Pdx1+细胞不同分化的重要决定因素;如果Sox17在前肠中失活,就会导致肝外胆道缺失,Sox17在Pdx1+细胞不表达,肝外胆道上皮细胞就不会发育。肝外胆道及胰腺的分化还受到Hes1的调控,缺少Hes1的小鼠,肝外胆道发育朝向胰腺表型,这种现象与敲除Sox17基因的小鼠相似。HNF6基因在胚胎发育早期表达,与肝内外胆道系统的建立相关,HNF6敲除的小鼠胆囊缺失、肝内胆汁淤积及肝外胆道畸形,其机制可能是阻碍了HNF6通过激活HNF1β启动子调控肝祖细胞向成熟胆管上皮细胞分化的过程。HNF1β失活可导致肝外胆管系统发育不全,同时Hex在前肠中失活,肝外胆管向十二指肠样组织转变。
Sox17的异常表达可引起HNF6、HNF1β和Hex的表达上调,表明HNF6、HNF1β和Hex是Sox17的下游效应转录因子。尽管肝内外胆管来源于不同的胚胎组织,但它们最终要连在一起形成一个完整的胆道系统,如果肝外胆管的形成早于肝内胆管,且肝内胆管的成熟是从中心到周围的方式,那么肝外胆管则有可能参与到肝内胆管系统的形成中。
(三)位置决定基因
INV(Inversion,INV)基因在哺乳动物胚胎发育期内脏器官左-右位置的定位中起重要作用。INV基因突变小鼠出现内脏转位和肝胆系统发育异常,与胚胎型胆道闭锁有着很多相似之处。然而人的INV基因突变仅出现内脏转位,而不发展成BA,并且胆道闭锁伴多脾综合征的患儿也没有发现有INV基因的突变。出现此结果的原因可能是小鼠与人肝内外胆管发育的机制不同,但此模型说明了胚胎期发育异常可导致肝外胆管的梗阻。INV基因突变引起小鼠肝内外胆管发育异常的机制可能是INV于胚胎发育早期表达的串联锚蛋白在肝脏中异常表达能够影响原始胆管板重建,造成胆管板畸形,最终引起肝内外胆管发育异常。另外CFC1基因和ZIC3基因也是位置决定基因,有研究发现内脏易位的患儿中可发现CFC1基因或ZIC3基因突变和缺失,部分伴有BA。CFC1基因和ZIC3基因在胆管发育过程中的作用需进一步的探索和研究。
(四)DNA甲基化
DNA甲基化是哺乳动物的一种遗传上的程序化DNA修饰过程,与基因的转录、X-染色体的失活等一系列生理过程有关。胆道闭锁肝脏局部CD4+T淋巴细胞中存在甲基化敏感免疫相关基因ITGAL高表达,这种现象与该基因启动子区甲基化状态的改变有关,并且可能造成宿主对病毒易感性增加,最终导致BA患儿的胆管损伤。猕猴轮状病毒(RRV)诱导的小鼠胆道闭锁模型中,Foxp3基因持续保持高DNA甲基化水平,应用DNA甲基化抑制剂(Aza)可下调Foxp3基因甲基化水平,减少IL-17+Foxp3+Treg细胞产生,抑制炎性因子(IL-17A)的产生,从而减轻BA胆管损伤。
(五)微小核糖核酸(miRNA)
miRNA是一类单链非编码RNA,以RNA酶的形式下调目标基因的表达,在细胞生长发育过程中起调节作用。在肝脏发育期间多种miRNA参与调控,其中miR-30a、miR-30c在胆管细胞中表达异常明显,敲除miR-30a的斑马鱼会出现胆管发育异常。miR-30a可能的靶基因包括表皮生长因子受体和激活蛋白A,表皮生长因子受体参与调节胆管细胞的增殖,激活蛋白A可能与胆管的分化有关。而在感染RRV的动物模型中,miR-29a/29b-1的表达明显增高,但也有学者认为这是一种继发改变。类似的还包括miR-19b、miR-155、miR-124、miR-200、miR-4429/4689、miR-21、miR-222等miRNA水平的升高或降低,但这一现象是否为继发改变以及与BA的关联还属未知。
二、围生期病毒感染
(一)巨细胞病毒(cytomegalovirus,CMV)
CMV是疱疹病毒属的双链DNA病毒,多年前人们在BA患儿的肝脏中检测到CMV,说明CMV与BA的发病有一定的关系。豚鼠注射CMV后,肝脏病检表现出和类似BA患儿的胆管上皮细胞炎性损害。BA患儿CMV感染率高达62%(13/21),CMV感染者IgG和IgM的沉积明显增加,CMV可能触发免疫反应而引起胆管损伤。感染CMV的BA患儿肝脏病理检查发现更多表现出炎症和纤维化,Kasai术后黄疸清除率低,2年自体肝生存率仅为10%,死亡率更高。
(二)轮状病毒(rotavirus,RV)
生后24小时感染猕猴RV(RRV)的新生小鼠,生后第一周末可出现黄疸、白色大便和高胆红素血症。2周龄时并不能在肝脏中检测到RRV,但此时肝胆病变非常明显,可观察到进行性炎性病变和肝外胆管梗阻,这类似于人类BA的临床表现。体外试验表明小鼠胆管上皮细胞(biliary epithelial cell,BEC)对RV易感并抑制了丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)家族的信号通路,减少了病毒复制。体外培养亦发现人胆管上皮细胞株(H69)对RV易感,该细胞暴露在RRV条件下时,IL-6和IL-8的分泌减少。抑制MAPK家族信号通路可以显著减低这些细胞因子的分泌。MAPK活性增加,感染RV的小鼠胆管上皮细胞产生的炎性因子增加。
BALB/c(巴比赛)系小鼠在生命第3天感染RRV,可在95%的新生小鼠中诱导出症状,其死亡率为80%,与之对照的是,滞后感染(生后第7天)仅能在50%的小鼠中诱发症状,且100%存活。因此,在新生期必定有一个诱导BA形成的窗口期。对新生鼠NK细胞功能与胆道闭锁关系的研究发现RRV感染BEC后释放HMGB1,而HMGB1通过TLR2和TLR4受体继而通过MAPK信号通路活化NK细胞。但与7天小鼠及成年鼠相比,新生鼠NK细胞的TLR2和TLR4表达明显下调,HMGB1作用于新生鼠NK细胞后产生IFN-γ的能力下降、对感染RRV的BEC的杀伤作用减弱。新生鼠NK细胞不能有效清除被RRV感染的BEC,从而形成RRV的慢性感染;但待小鼠生长到7天左右时,NK细胞的功能(分泌细胞因子和杀伤感染细胞)增强,从而引起剧烈的炎症反应,最终形成胆道闭锁。给新生鼠腹腔注射成年鼠NK细胞后再注射RRV并不能形成胆道闭锁,而且给7天小鼠及成年鼠注射RRV也不能形成胆道闭锁,在RRV诱导BA形成的窗口期,新生鼠NK细胞功能不足是产生胆道闭锁的重要原因。
研究发现RRV基因片段4可编码病毒突起蛋白VP4,其在感染BEC中起着重要作用。用VP4源性的肽预处理小鼠和人类BEC后,显著降低了RRV结合并感染BEC的能力。该肽不能抑制BEC和TUCH、Ro1845的结合,而这两种病毒株不能诱发小鼠BA。RRV VP4上面的一个三肽特异性序列(SRL)是RRV和BEC结合以及RRV复制的关键点,SRL和BEC膜蛋白Hsc70结合,通过siRNAs抑制Hsc70后,可降低RRV感染BEC的能力。现在认为SRL和BEC膜蛋白Hsc70的结合,在RRV诱导的BA发病机制中起着关键性作用。此外,BEC在体外培养及在体实验均发现可表达α2β1,而整联蛋白-α2β1在BEC对RRV的易感性上起着重要作用。轮状病毒与胆管上皮细胞整联蛋白α2β1结合后进入BEC,而NSP4、VP2和VP4与轮状病毒引起胆管损伤密切相关,尤其是NSP4的作用最为明显;NSP4(157-170)和NSP4(144-152)可能是轮状病毒NSP4的CTL表位肽。与此同时,NF-κB在轮状病毒引起的胆管损伤中起重要作用。
(三)呼肠孤病毒(reovirus,Reo)
呼肠孤病毒是呼肠病毒科家族双链RNA病毒。幼年小鼠感染该病毒后,即便病毒被清除,感染后在肝内、肝外胆管和肝脏实质所形成的病理学变化仍近似于婴儿BA的病变。所有感染Reo3型的小鼠最终都形成肝脏和胆道的炎症并出现淤胆、肝纤维化。但也有文献表明Reo3与BA发病是否存在相关性存在争议,一些研究利用同样的方法检测BA患儿石蜡包埋保存的肝组织切片,并未检测到Reo RNA的存在。Reo3致BA的机制可能是BEC表达的TLR3可以识别病毒的双链RNA,当BEC被双链RNA刺激后,其可产生IFN-β1和MxA,上调TNF-α相关凋亡诱导配体蛋白的表达,引致BEC凋亡。
(四)其他病毒
1998年有学者报道了BA肝脏组织中发现人类乳头瘤病毒(human papilloma virus,HPV),但随后在2000年有作者对此提出质疑,他们采用巢式PCR的方式并未检测出HPV,但在19例BA中证实有6例检测出人类疱疹病毒6型(HHV6),认为是人疱疹病毒6与BA的发病相关,并非HPV。
三、免疫炎症异常
免疫反应介导的胆道炎症损伤具体机制目前仍未明确,而免疫反应的始动因素也存在争议。目前认为,某种始动因素如病毒感染、毒素等造成胆道上皮损伤,胆管上皮细胞表达出某种新抗原或改变的抗原,经由抗原递呈细胞或胆道上皮自身呈递给初始T淋巴细胞Th0。Th0接受抗原刺激后分化途径有两条:由Th1引起破坏性免疫炎症反应,释放白细胞介素(interleukin,IL)-2、干扰素(interferon,INF)-γ,募集细胞毒T细胞(cytotoxic T Lymphocyte,CTL),INF-γ可激活肝巨噬细胞分泌TNF-α、IL-1等细胞因子,造成胆管上皮损伤、纤维化,以致最终闭塞;Th2细胞则释放IL-4、IL-10、IL-13,激活B淋巴细胞产生抗体,经体液免疫反应损伤胆道上皮细胞。有研究显示在BA患儿肝脏,Th1类促炎细胞因子表达水平增高,而Th2类细胞因子表达水平下调。IL-2、IL-12、INF-γ、TNF-α、趋化因子受体CXCR3+的CD3+CD8+T淋巴细胞、骨桥蛋白(osteopontin)水平的增高,均提示Th1途径的细胞免疫反应在BA疾病过程中起到重要作用。而免疫球蛋白在肝脏的沉积则是Th2途径体液免疫过程的证据。
许多学者赞同病毒感染作为始动因素激发免疫反应,这一假说提出围生期肝胆系统受到嗜胆道病毒感染,造成胆道上皮损伤、凋亡、坏死,即使病毒清除,胆道上皮的炎症和免疫损伤也会持续;受损的胆管上皮会表达“自身”抗原,造成T细胞介导的自身免疫反应;另外,病毒蛋白与胆道上皮蛋白有分子相似性,导致T细胞介导交叉免疫反应;以上结果造成病毒感染激发持续的炎症和自身免疫损伤。
近年来研究发现Treg细胞在胆道闭锁的发病中发挥重要的作用。Treg细胞是体内唯一具有免疫负调节功能的T细胞亚群,通过分泌细胞因子如IL-10、TGF-P等抑制效应性T细胞,发挥免疫抑制功能。胆道闭锁患儿Treg细胞的减少会减弱对炎症和自身免疫的抑制作用,从而导致胆管损伤更容易发生,缺乏Treg细胞会导致胆道闭锁患儿肝脏T淋巴细胞异常激活。通过研究发现在注射轮状病毒前过量输注总CD4细胞,能减少CD8细胞产生、血清胆红素水平、胆管炎症以及胆管上皮细胞损伤,而Treg细胞缺乏的小鼠,肝胆管损伤更易发生。
近年来非特异性免疫反应在BA中所起的作用已逐渐引起人们注意,非特异性免疫反应不仅启动了BA的发生,而且介导调节特异性免疫反应。表达于各种免疫细胞表面的天然免疫受体,通过识别不同的病原体相关分子介导免疫应答。Toll样受体(toll like receptor,TLR)可以识别病原相关分子模式(pathogen associated molecular pattern,PAMP),引起下游细胞内级联反应,保护细胞,对抗病原。不同类型的TRL识别不同类型的PAMP;胆道上皮可表达TLR,并且常常接触PAMP,由此引起天然免疫反应,在天然免疫反应失调的情况下,可导致胆道上皮炎症、破坏、纤维化。孕烷受体(pregnane X receptor,PXP)、雄甾烷受体(constitutive androstane receptor,CAR)和法尼酯受体(faniester X receptor,FXR),广泛参与了胆汁代谢、毒素清除等病理生理过程,在胆管细胞保护、胆汁分泌及细胞增殖中起着重要作用。有研究发现在TLR基因未敲除的小鼠中用受体激动剂显著抑制了炎症因子的表达,而这种抑制作用在敲除的小鼠中没有发现。
胆管上皮细胞、巨噬细胞、树突状细胞及自然杀伤细胞等非特异性免疫细胞也参与BA的形成。小鼠胆管上皮细胞可表达抗原递呈细胞表面分子MHCⅠ类、MHCⅡ类分子及CD40分子,在与病毒或其产物共培养后表达共刺激分子B7-1和B7-2。Kasai术后恢复良好的患儿手术时汇管区只有少量巨噬细胞浸润,但预后不良的患儿术中汇管区却有大量巨噬细胞浸润。BA患儿及BA小鼠模型肝脏中均发现存在大量的浆细胞样树突状细胞,并且清除小鼠体内浆细胞样树突状细胞可阻止小鼠胆管的进一步损伤。BA患儿肝内、外胆管周围组织中也有NK细胞浸润,NK细胞在BA损伤中所起的作用也受到广泛重视。在给新生小鼠腹腔注射RRV后肝内外胆管周围组织有大量NK细胞聚集,同时是肝外胆管周围浸润最多的炎症细胞。这些NK细胞可通过NKG2D信号通路杀伤胆管上皮细胞,最终导致BA,阻断NKG2D信号通路或抑制NK细胞活化,可降低轮状病毒感染肝内、外胆管上皮细胞引起的胆管上皮细胞损伤、坏死,保持胆管管腔通畅。
四、微嵌合体(Microchimerism)
母源性微嵌合状态可能是BA发病机制之一,微嵌合体是指一小部分来自另一个人,遗传上与宿主不同的细胞在宿主体内存留,可能是自身免疫性疾病的病因。有研究发现XX染色体母体细胞存在于男性BA患儿体内,这些来自母体的含XX染色体的细胞可表达CD45+、CD8+或者细胞角蛋白,因此认为具有组织学特异性的微嵌合体以靶体的身份触发慢性炎症反应,类似于宿主抗移植物反应。所以微嵌合体可能作为效应T淋巴细胞参与自身免疫反应,但其激活途径不明确。
BA的确切病因及发病机制目前仍未完全明确,但免疫炎症机制已得到大多数学者的认可,肝脏病理的回顾性研究结果为这一学说提供了大量的支持证据,近年来胆管发育异常学说在胆道闭锁发病中作用越来越大,因此胆道闭锁可能是多种因素相互作用的结果。但是BA的相关理论仍需不断完善和改进,才能为今后BA的治疗提供良好的靶点,为BA的治愈带来曙光。
(冯杰雄 李丹丹 杨继鑫)
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