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主要任职:教师
所在学院:基础医学院
办公地点:湘雅医学院2号办公楼307
电子信箱:
联系方式:Liu.chi@csu.edu.cn
毕业院校:中南大学
个人简介
刘持,副教授,硕士生导师,中南大学基础医学院生理学教研室。主要专业领域为肺脏和呼吸生理学。现主持国家自然科学基金课题、中国科协青年人才托举工程、湖南省自然科学基金、中国博士后科学基金和中央高校青年教师扶持基金等多项课题。在国内外重要杂志发表论文20 余篇,先后获得中国生理学会张锡钧青年优秀论文奖、中南大学优秀博士论文、湖南省生理学会青年优秀论文一等奖和中国生理药理论坛青年优秀论文一等奖等奖项。2011年通过中德科学中心考核作为中国优秀青年科研工作者参加由国家自然科学基金委资助的在德国林岛举行的2011诺贝尔奖得主大会,全国仅选拔25人。2013年通过中国生理学会遴选作为中国优秀青年科研工作者代表参加由中国生理学会资助的在英国伯明翰举行的第37届国际生理学大会,全国仅选拔20人。2015年入选中国科协青年人才托举计划,生命科学领域全国仅选拔45人。
研究概况

肺和气道是外部环境与机体内环境相互作用的第一道界面,经常遭受来自内外环境的应激刺激或损伤,构成许多肺部疾病和全身性疾病的启动基础。气道高反应(airway hyperresponsiveness,AHR)是哮喘、慢性阻塞性肺病等常见呼吸道疾病的共同临床特征,表现为呼吸道对环境中一般强度的刺激甚至内源性活性物质的过度反应,导致气道反复炎症、粘液高分泌、气道壁重构增厚,气道阻力增加。反复发作,可使肺功能进行性受损,发生不可逆转的并发症和劳动力丧失。目前临床上对气道高反应和炎症的药物治疗虽可缓解症状,但难以纠正其反复发作的病情进展趋势,更难以找到预防方法。因此,急需解决气道炎症和高反应发生机制基础研究的方法和理论问题。

目前对于气道高反应机制存在“免疫反应失平衡学说”、“神经源炎症学说”、“ 气道感染与炎症学说”、“上皮缺陷失稳态学说”等主流观点[1],分别从不同的角度阐述气道高反应机制和病理特征,但难以解释全部的临床表现,在这些理论指导下尚未形成有效的治疗和预防策略。总体上,气道慢性炎症和免疫失平衡已成为气道高反应发生机制的基本共识。气道高反应慢性炎症时常见大量的中性粒细胞(PMN)、嗜酸性粒细胞(EOS)等炎症细胞在气道周围募集并激活。那么,炎症细胞过度激活或大量炎症因子产生是否因为细胞或炎症因子本身的基因异常所致?曾有人将集中成簇分布于5q31-33 并编码白细胞释放的炎症因子的基因称为“哮喘基因”。显然,如果是炎症细胞、炎症因子本身过度活跃,应产生全身性的炎症反应。而气道疾病所存在的慢性气道炎症则应由局部的微环境因素构成,或气道局部细胞的结构功能紊乱,或局部具有外部病原生物入侵的易感性。如气道上皮细胞表达的细胞间粘附分子ICAM-1,既是粘附募集、激活炎症细胞的介质,又因为与多数呼吸道病毒具有亲和性而招致感染。

“免疫失平衡”学说认为,Th1途径相对低下而Th2途径过度亢进,导致细胞因子、炎症因子、抗体水平等异常,是气道高反应疾病变应性哮喘的主要原因。然而,近年来观察到,气道高反应时Th1和Th2类型的炎症都可以存在[2,3],因而有学者认为Th1/Th2失衡学说过度简化其发病机制,临床上单纯纠正Th1/Th2 失调对哮喘的疗效不能令人满意[4],近年的免疫学研究进展发现机体还存在不同于Th1 和Th2 的第三种辅助性T细胞亚群Th17,这种新的CD4+细胞亚群能特征性地分泌IL-17,而一些严重的哮喘病人体内IL-17增高,可能加重了哮喘免疫调节的紊乱[5];此外,调节性T 细胞(Treg cell)在哮喘免疫紊乱中的作用也日益受到重视[6]。但是,就大多数实验室工作和临床检测指标的支持度而言,“免疫失平衡”仍然是目前解释气道高反应疾病最为经典、影响最为深广的主流观点。不过,单纯的“免疫失平衡学说”也不能解释,如果整个免疫系统功能失衡,则应表现出全身性的、广泛的多器官多部位的变应性疾病,然而大多数气道高反应患者并未表现全身性的免疫失衡,而是反复发作于呼吸道局部。由此推理,哮喘等气道高反应疾病确实存在免疫失衡现象,但并非全身性的免疫系统功能失衡,更有可能也是气道局部微环境的免疫失平衡。

前述炎症细胞过度募集激活、免疫失平衡两方面都指向气道局部微环境,那么构成气道微环境主要细胞成分的上皮细胞是否参与气道炎症、免疫反应的启动或调控?大量的研究报道及申请者的前期研究均显示,气道上皮细胞具有内分泌和旁分泌、炎症细胞募集粘附激活、抗原摄取提呈和免疫激活等作用。如果将气道上皮缺陷考虑作为慢性炎症的始动因素,最合符逻辑的方面则可能来自于粘附分子表达失平衡。如结构性粘附分子钙依赖性粘附素(E-Cadherin)、整合素(integrins)等表达降低,上皮细胞则易脱落,上皮完整性破坏,上皮本身的生理功能也将发生紊乱,同时上皮下感觉肽神经暴露而增敏;如果应激性粘附分子ICAM-1 表达增多,则可导致炎症细胞大量锚定于气道并被激活,同时提高呼吸道病毒易感性。因此,气道上皮细胞、炎症细胞激活、局部免疫失衡可能构成气道慢性炎症的相互作用网络。由此进一步产生以下问题:

第一,局部炎症和免疫失衡涉及哪些细胞成分或信号网络?参与气道高反应中炎症和免疫反应网络的细胞成分可能包括嗜酸性粒细胞(EOS)、中性粒细胞(PMN)、抗原提呈作用的树突状细胞(DC)和淋巴细胞等。EOS、PMN、DC 等细胞既可作为免疫淋巴细胞激活后的效应细胞,也可能对淋巴细胞的免疫学行为产生调节性影响,有可能通过分泌不同的炎症因子选择性调节T 淋巴细胞的亚群分化。2008 年研究报导[7],T 淋巴细胞不仅拥有多种亚型,在一定条件下亚群之间还可以相互转化而发生亚群漂移。炎症细胞的不同种类激活,可能引起不同亚群的T 淋巴细胞分化,改变炎症细胞激活组成,有可能导致T 淋巴细胞的亚群漂移。以上炎症细胞和免疫淋巴细胞均属全身游走性细胞,如果仅是这些细胞发生缺陷,尚不能解释哮喘时的局部免疫失衡现象。那么,作为构成气道局部微环境主体成分的气道上皮细胞的作用不可忽视。国内外及本团队的大量研究均提示,气道上皮细胞具有旁分泌、抗原提呈、传递炎症和应激信号等多种生理功能,曾提出“气道上皮结构完整性缺陷或功能失稳态是气道高反应的始动环节”[1]

气道上皮细胞表面表达多种Toll 样受体(Toll-like receptor, TLR),它们是识别外界刺激物如细菌、病毒的重要介质,激活后可能引起一系列信号级联反应影响气道上皮免疫炎症相关分子的表达,与肺内最重要的抗原提呈细胞DC 相互作用触发后续的T 细胞分化,导致免疫失衡最终诱发气道高反应[8,9]。由此相信,当气道上皮失去对TLR 及其下游分子的正常调控,将很有可能无法抵御外界刺激物的侵害而启动气道炎症的发生发展。与此同时,支气管上皮细胞表达主要组织相容性抗原(MHC II 类)分子和协同刺激分子,可摄取处理卵蛋白抗原,释放Th1途径细胞因子INFγ 激活T 淋巴细胞,具有非专职抗原提呈细胞的功能[10]。抗原提呈细胞为Th1/Th2 选择性激活提供重要信号:一是基于T 细胞受体(TCR) 对抗原提呈细胞表面MHC II 类分子-抗原肽复合物的特异性识别, 不同类型抗原、抗原剂量和抗原进入途径也可产生不同的Th 选择性活化结果;二是依赖抗原提呈细胞表面的协同刺激分子。1989 年Freaman 先后克隆出最重要的两类协同刺激分子B7-1 ( CD80) 和B7-2(CD86)分子, 其配体包括CD28 和CTLA-4。现已初步证实B7/CD28 作用是促进Th0 朝Th2 方向分化, 而B7/CTLA-4 作用则限制Th2 分化。支气管上皮细胞表达不同的协同刺激分子,逻辑上应对Th 细胞有选择性亚群激活作用。但是气道上皮细胞不能像树突状细胞那样迁移进入局部淋巴结,那么它如何实现对T 细胞亚群分化的调节?可能的途径有二:一是通过粘附激活DC、PMN、EOS 等炎症细胞,后者刺激T 淋巴细胞亚群分化并募集到气道,二是直接向募集到局部的T 淋巴细胞提呈抗原并使其激活。因此,气道上皮细胞有可能通过抗原提呈作用参与局部的免疫和炎症反应。

第二,如何解释气道高反应时普遍存在的免疫定式切换?如前所述,Th2 途径优势是气道高反应免疫失衡的主要事件,也是各类临床检测的主要指标。然而,我们先前的研究显示,人气道上皮细胞经臭氧应激后可表达 MHCⅡ类分子和协同刺激分子B7-1 (CD80)和B7-2 (CD86),吞噬摄取OVA 抗原,并可共培养激活T 淋巴细胞,分泌干扰素γ[10],主要显示Th1 优势。另有报导则显示原代支气管上皮细胞不表达B7-1 和B7-2,而表达B7 家族的另一名成员诱导性协同刺激因子(inducible costimulator,ICOS)的配体B7-H2[11]。推测,在一般情况下气道上皮细胞通过抗原提呈引起以Th1 为优势的、相对固定的气道免疫应答方式,即呈一定的免疫应答定式;在某些外源性(环境)或内源性(遗传)因素作用下,气道上皮细胞的协同刺激分子表达格局改变[12],通过引起T 淋巴细胞亚群漂移和亚群的选择性激活,使得免疫反应定式由Th1 优势切换到Th2 优势。那么,导致哮喘时气道上皮细胞免疫反应定式切换的内在因素又是什么?本团队对哮喘患者基因差异表达的芯片筛查、离体细胞水平、气道高反应动物模型研究均表明,支气管上皮细胞表达的粘附分子谱在不同的刺激条件下发生改变,生理条件下以整合素类和钙粘附素类结构性粘附分子表达为主,维持上皮的结构完整,并维持细胞的抗氧化、增殖迁移和损伤修复功能,对上皮功能稳态有重要意义[13,14];在臭氧等应激刺激作用下,支气管上皮细胞表达的整合素下调而ICAM-1 类分子上调,后者可增加上皮细胞对中性粒细胞(PMN)或嗜酸性粒细胞(EOS)的粘附激活、增加细胞分泌释放IL-1、IL-5 和IL-8,传递炎症反应[15,16]。在哮喘患者常见上皮结构性粘附丢失和凋亡[17]。用基因表达谱芯片及实时定量PCR 在临床哮喘患者外周血细胞上发现整合素β4 表达下调,且在该基因转录调控区发现固定位点的碱基变异与表达下调有关[18]。哮喘患者气道粘膜免疫组化也显示整合素β4 表达降低[19]。本室前期工作显示,气道炎症和高反应与整合素β4 表达降低相关[20],体外干扰哮喘特异性下调基因整合素β4 后,发现β4 下调后人支气管上皮细胞的抗氧化、修复能力降低[21],同时抗原提呈能力降低,Th1 通路被抑制[22]。为获取整合素β4 表达缺陷与哮喘的直接因果关系的实验室证据,本研究组采用条件性基因打靶研究策略,成功地建立了由多西环素诱导的组织定位于气道上皮的整合素β4 条件性剔除小鼠模型,并初步观察到气道高反应易感性增加及气道炎症和气道重构。因此,气道上皮细胞由于先天的原因或后天的气道损伤所致的粘附分子表达失衡,有可能导致炎症细胞激活谱及炎症因子谱改变、T 淋巴细胞亚群漂移、上皮细胞协同刺激分子表达格局变化及T 淋巴细胞亚群选择性激活,从而发生免疫反应定式切换,增加气道高反应的易感性[23-25]

第三,导致上皮细胞粘附分子失衡进而引起免疫反应定式切换的信号机制是什么?粘附分子既可以作为募集、激活炎症细胞的介质,又可以作为上皮细胞“感受”局部微环境的装置,通过细胞内信号转导通路调控协同刺激分子表达格局,实现免疫定式切换机制。目前研究细胞内信号通路较为注重单个信号分子的生物学效应,如PI3、Akt、MAPK、NFкB等等,但常常见到单一信号分子在不同的细胞或功能状态下呈现不同的甚至相反的生物学效应,如NFкB途径对于促炎和抗炎的效应都有大量报道,这用细胞内呈游离状态的单体信号分子的效应是难以解释的。逻辑上,细胞的功能应答方式并不取决于单个信号分子,而决定于若干信号分子在细胞内膜相成分上组合成有固定空间上下游关系的蛋白质分子复合物,即信号超分子组装。这样,才使得同一种刺激在不同的细胞或同一细胞不同的生理状态下引起不同的功能反应;同样,不同性质的刺激却可以由于信号超分子组装对信号的简并而引起相同的细胞功能反应,也可以解释为什么同一种信号分子单体会出现不同的效应。在气道上皮细胞,信号超分子组装种类可能决定免疫应答定式,免疫应答定式的切换可能是传递免疫信号的超分子组装发生了重组。

基于以上讨论和分析,形成本项目的科学假设:气道上皮细胞因为先天因素或环境因素应激,其粘附分子表达发生失衡,表现为应激性粘附分子ICAM-1 表达增高而结构性粘附分子钙粘附素、整合素β4 等表达降低,导致上皮细胞对炎症反应细胞的选择性黏附激活改变,炎症细胞和炎症因子谱变化诱导淋巴细胞亚群漂移;与此同时,黏附分子表达的改变促使上皮细胞本身表达的协同刺激分子谱变化,从另一条途径选择性激活不同的T 淋巴细胞亚群。两者共同作用将导致免疫定式切换,从Th1 优势切换至Th2 优势,形成气道高反应特征性慢性气道炎症。而气道上皮细胞粘附分子表达失衡致免疫定式切换的细胞内信号机制,则可能是因为细胞内与免疫信号相关的协同刺激分子表达调控的上游信号超分子组装发生了改变。

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社会兼职
  • 社会兼职内容:开始时间:2014-09-01   结束时间: 2017-09-01

  •         中南大学基础医学院青年科协外联部部长
  • 社会兼职内容:开始时间:2015-04-01   结束时间: 2017-04-01

  •         《现代生物医学进展》编委
团队成员
团队名称: 刘持副教授研究团队
秦晓群
教授,博导,著名专家
向阳
教授,博导
刘惠君
高级实验员
瞿湘萍
副教授,硕导
在研人员合影
在研人员
刘持教授的研究团队现有正教授1人,副教授3人,实验师1人。在研博士后2人,在读博士生4人,硕士生7人。
其他联系方式
教育经历
2005.9-2010.6
中南大学 | 基础医学呼吸生理
博士学位 | 博士研究生毕业
工作经历
2014.12-至今
 生理学系 |  基础医学院
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