GM-CSF是一类可刺激不同造血干细胞形成细胞集落的因子，多种细胞被微生物产物和炎性细胞因子刺激后均可产生GM-CSF，他能刺激定向祖细胞增殖和分化为中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞，并激活中性粒细胞、嗜酸细胞或单核细胞，增强细胞效应，促进细胞成熟并延长细胞寿命。
1．GM-CSF基因与GM-CSF中和抗体在PAP发生中的作用：
对iPAP发病机制理解的重大进步源于敲除小鼠编码GM-CSF基因的研究。GM-CSF基因被敲除小鼠可产生类似人类PAP肺部疾病模型，在给予吸入外源性重组GM-CSF或者骨髓移植后，不仅可恢复其GM-CSF功能，并可使肺部病变好转消散[8,9]。敲除小鼠GM-CSF构建出PAP模型后，对人类PAP的研究发现了一系列GM-CSF受体结构或功能异常，涉及GM-CSF受体基因突变(先天性PAP)到抗GM-CSF中和抗体(iPAP)各环节。
Kitamura等[3]最先提出iPAP关键的发病机制是机体产生中和性抗GM-CSF自身免疫抗体。灵长类动物注入自iPAP患者提取的抗GM-CSF抗体后也可诱发与人类相似的PAP[10]，之后大量的研究结果均印证了这一结论(图1)。GM－/－小鼠出现的肺泡巨噬细胞功能障碍，表现为表面活性物质代谢减少，细胞黏附、吞噬、杀菌、病原识别受体表达及信号传递等功能异常。
图1 肺泡表面活性物质正常代谢途径与特发性肺泡蛋白沉积症(iPAP)异常代谢途径比较
2．PU.1造血转录因子介导GM-CSF对肺泡巨噬细胞的调控作用：
造血转录因子PU.1为ets家族成员，直接参与调控髓系、树突细胞系和B细胞成熟的相关基因，并调控多种细胞如T细胞早期祖细胞的发生和存活。缺失PU.1的动物因不能造血，于出生前即死亡；限制性敲除PU.1得到的造血干细胞(HSCs)不能分化为淋巴、髓系或者树突细胞系[11]。
正常肺泡巨噬细胞可持续表达PU.1，PU.1能够调控肺泡巨噬细胞分化、免疫和代谢等多项功能，其中包括代谢肺泡内多余的表面活性物质。而PU.1的表达水平与局部GM-CSF表达水平相关，GM-CSF基因敲除后GM－/－小鼠肺泡巨噬细胞的PU.1表达明显减少，选择性在肺部表达GM-CSF的SPC-GM＋/＋/GM－/－小鼠肺泡巨噬细胞可恢复PU.1表达水平。说明GM-CSF刺激肺泡巨噬细胞表达转录因子PU.1。另外研究发现SPC-GM＋/＋/GM－/－小鼠的肺泡巨噬细胞恢复表达PU.1的同时，细胞表面受体表达等细胞功能也得到恢复。强制GM－/－小鼠表达PU.1，不仅可以使其表面活性物质代谢功能得到恢复，肺泡巨噬细胞形态、细胞黏附、吞噬、杀菌及信号传导等功能均得到恢复[12]，说明GM-CSF是通过PU.1发挥其对肺泡巨噬细胞功能的调控作用，亦或是其极为重要的调控中枢环节之一。
正常肺泡巨噬细胞持续表达PU.1，而其他巨噬细胞不表达PU.1，因此以上机制可能局限于肺泡巨噬细胞，有助于诠释GM－/－小鼠主要发生肺部病变的病理生理过程[13]。
综上所述，iPAP患者由于产生针对GM-CSF的自身抗体，中和GM-CSF，使其功能丧失，从而阻断了PU.1介导的GM-CSF对巨噬细胞的调控，导致肺泡表面活性物质在肺泡腔内大量沉积(图1)。
3．体内GM-CSF自身抗体的产生机制及其作用：
产生GM-CSF自身抗体的确切机制和途径目前尚不明确。复习B细胞发育与分化文献，B细胞在骨髓中由干细胞逐步发育为祖B细胞(Pro B cell)、前B细胞(Pre B)和未成熟B细胞(immature B cell)，其间发生V-D-J重排。随后由骨髓迁移至外周淋巴器官，最终分化为初始B细胞(naive B cell)。外周初始B细胞可分为3类：大部分的B细胞分布在外周淋巴器官的滤泡中，称滤泡B细胞(follicular B cell, FO B cell)；分布于脾的红髓与白髓之间为边缘带B细胞(marginal zone B cell, MZ B cell)；分布于胸膜腔和腹膜腔为B1细胞(B1 cell)。
初始B细胞被抗原激活后可快速增殖和分化。结合到滤泡B细胞的BCR上的抗原会促使滤泡B细胞离开滤泡，经过滤泡外增殖，发生免疫球蛋白类型转化，分化为短寿的浆母细胞，产生可溶性抗体(主要为IgM类型)分布于血液中。激活的B细胞若是与CD4＋T滤泡辅助细胞(T follicular helper cell, Tfh cell)的同源MHC-TCR相互作用，部分B细胞将重新进入B细胞淋巴滤泡形成生发中心(germinal centre, GC)。滤泡B细胞于生发中心反应时，发生高频体突变、抗原受体亲和力成熟，有着高亲和力抗原受体的B细胞离开生发中心，分化为记忆B细胞或者能产生大量抗体的分布于骨髓的长寿浆细胞(图2)。
图2 B细胞发育途径中粒细胞-单核细胞集落刺激因子(GM-CSF)抗体可能的发生机制
针对正常情况下自身抗原不引起免疫反应的机制，Burnet最先提出获得性免疫耐受学说：在胚胎期，某些淋巴细胞克隆的受体接触相应抗原(包括自身抗原和外来抗原)时即被消除或"禁忌"。学说后来被Medawar等的实验证实[14]。依据获得性免疫耐受理论，Burnet认为自身免疫是由某个未被成功清除的"禁忌克隆"引起的[15]。
对于iPAP患者GM-CSF自身抗体的产生机制，Nei等依据患者体内存在抗GM-CSF IgM抗体，结合Burnet的假说，提出了"抗原压力"假说。他们从iPAP患者血清中检测到升高的非中和抗GM-CSF IgM(抗GM-CSF IgA含量与对照无显著差异)。由于已有研究证实成人癌症患者在外源性GM-CSF抗原刺激下先后产生抗GM-CSF IgM和IgG[16]，Nei猜想iPAP患者体内也有类似的免疫球蛋白类型转化过程，可结合自身GM-CSF的未成熟B细胞逃逸骨髓中受体编辑凋亡环节，在特定GM-CSF抗原反复持续刺激下，于次级淋巴组织反应性增殖，不断发生体细胞类别转换和高频突变，从而使B细胞有机会产生抗GM-CSF IgM，并由分泌IgM转为分泌IgG，从产生低亲和力抗GM-CSF IgG转换为产生高亲和力抗GM-CSF IgG，最终导致发生iPAP[17]。
与Nei认为有未成熟B细胞逃逸受体编辑不同，Wang等[18]从6位iPAP患者B细胞培养液中分离出抗GM-CSF 19种单克隆自身抗体，发现各抗体间IGHV基因并不一致，且同一患者体内可能同时存在多种GM-CSF自身抗体，结合GM-CSF上至少4个不相重叠的表位结构。其研究实验结果提示同一患者体内存在GM-CSF多克隆抗体，初步排除了某个未被清除的单一"禁忌克隆"产生自身免疫抗体的可能；另外，推测iPAP发病机制并非为某一特定抗原通过抗原表位模拟使B细胞产生抗体攻击表位相似的自身GM-CSF，因为经由抗体亲和力成熟过程产生的新结合表位组合将会始终包含初始结合表位，而研究中iPAP患者的自身抗体结合了GM-CSF 4个不相重叠的表位。Wang等提出T滤泡辅助性细胞在发病机制中具有重要作用，推测某病原具有可与GM-CSF交叉反应的T细胞表位，呈递至树突细胞，进而激活T细胞，破除T细胞免疫耐受；在此基础上，若病原同时刺激机体释放GM-CSF，GM-CSF特异的B细胞将内吞释放的GM-CSF，并呈递T细胞表位给激活的T细胞，导致发病。
但是为什么类风湿性关节炎患者使用GM-CSF单抗治疗后并不发生PAP？为什么正常人体内也存在低水平GM-CSF自身抗体[19]？针对这一疑问，Piccoli等对PAP患者收集到的21种GM-CSF自身抗体进行体内和体外研究，发现在体外单一克隆的抗体只能部分中和GM-CSF的活性，而将这一单抗与GM-CSF一同注入小鼠体内时，反而可以导致循环中未被中和的具有部分活性的GM-CSF浓度增加；相反，在体外3种无竞争性特异结合的单抗共同作用于GM-CSF时，则封闭GM-CSF，使之不能与受体结合，还促使该复合物以依赖Fc的途径快速降解。故此，作者提出GM-CSF单抗在部分中和GM-CSF后，可能会驱使未中和的部分GM-CSF重新分布，继续发挥其功能作用。同时推测，iPAP患者在多克隆GM-CSF抗体共同结合GM-CSF不同靶点后，可全方位封闭其与受体结合功能，促使GM-CSF及其相关抗原-抗体复合物降解，降低GM-CSF的浓度，导致发病。健康人血清中GM-CSF抗体浓度较低，难以封闭和降解血浆中的全部GM-CSF，因此不会发生为PAP。这一猜想不仅有助于解释iPAP患者体内抗体致病机制，也诠释了应用GM-CSF单抗治疗类风湿性关节炎的安全性。另外，该研究分析抗体IGHV基因和抗原-抗体亲和力的关系后发现B细胞体突变决定了抗体与GM-CSF的亲和性，提示致病的多克隆抗体并非直接来源于未成熟B细胞，与Wang等实验结果一致。Piccoli等推测患者记忆B细胞是在生发中心体突变时出于某种原因产生多克隆自身免疫的记忆B细胞和浆细胞，最终导致发病[20,21]。
回顾文献，初始B细胞中的B1细胞分布于黏膜和体腔，可能参与形成固有免疫。有研究认为B1细胞能自发产生低亲和力的抗体，也可能参与产生自身抗体。根据以上iPAP发病机制研究，结合B细胞发育分化特点，设想正常人体内的少量低亲和力GM-CSF自身抗体源于B细胞更早期阶段，如B1等特定的初始淋巴细胞亚群；而iPAP致病自身GM-CSF抗体可能与正常人产生自身抗体的淋巴细胞亚群不同，经特定亚群异常激活、分化，最终由短寿或长寿浆细胞分泌高亲和力自身GM-CSF抗体至循环，导致发病。
