Wnt/β-catenin信號通路調控慢性阻塞性肺疾病肺部修復的研究進展

鐘玉蘭 淦鑫 李思云 劉吉祥 彭林鳳

(南昌大學第一附屬醫院呼吸內科，江西 南昌 330006)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種常見的、可預防和可治療的疾病，其特征在于呼吸道癥狀持續存在，氣道和(或)肺泡異常引起的氣流受限，通常是由于長期暴露于有毒顆粒或氣體造成的〔1〕。研究顯示2014～2015年中國COPD總體患病率估計為13.6%，表明該病已成為一個重大的公共衛生問題〔2〕。除了終末期疾病的高發病率外，COPD嚴重限制了患者的生活質量，帶來巨大的醫療、經濟和社會負擔〔3〕。氣道持續暴露于香煙煙霧和(或)尼古丁氣體等有毒試劑中啟動炎性氧化應激，最終導致肺實質和肺泡壁的不可逆損傷〔4〕。COPD的主要病理特征是肺氣腫和慢性支氣管炎，兩者都可能導致氣道腔徑減小，造成氣流受限。肺氣腫即由于終末細支氣管遠端氣腔出現異常持久的擴張導致的肺換氣面積減小〔5〕，慢性支氣管炎表現為支氣管上皮細胞變性、壞死、脫落，后期出現鱗狀細胞和杯狀細胞化生，支氣管周圍纖維化和新生血管形成。肺結構細胞的凋亡，蛋白酶-抗蛋白酶假說，氧化劑-抗氧化劑失衡，炎癥和免疫被認為有助于COPD肺損傷和重塑過程，慢性炎癥和細胞外基質的持續蛋白水解，以及結構細胞死亡，已被證明有助于疾病的起始和進展〔6〕。此外，肺不能激活COPD中的自我修復機制被認為是肺氣腫功能組織逐漸破壞的重要原因〔7〕。迄今為止，沒有治療COPD的方法可以穩定或逆轉疾病的進展，因此，確定誘導肺修復的新型靶點是重要的。30多年前發現的Wnt依賴性效應主要是在果蠅和非洲爪蟾等生物胚胎發育過程中描述的〔8,9〕，對于COPD來說，現在清楚的是，Wnt通路不僅參與發育過程〔10〕，而且還在修復過程和免疫應答的調節中具有重要作用,該通路代表了肺修復和再生的首要目標。現就目前有關Wnt通路調控慢性阻塞性肺疾病肺部修復的研究進展進行綜述。

1 Wnt信號通路概述

Wnt信號通路根據是否依賴β-catenin分為經典通路(現稱為Wnt/β-catenin途徑)與非經典通路(Wnt-PCP途徑和Wnt-Ca2+途徑)。Wnt配體家族由多種富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白組成，并作為短程信號分子與各種膜受體結合后可激活Wnt信號通路，產生不同的生物學效應。到目前為止，已有19種Wnt配體在哺乳動物中被發現，通常，Wnt1,2,3和3a，8和8b被認為是經典Wnt/β-catenin途徑的激活劑，Wnt4,5a，5b，6,7a和11則激活非經典Wnt信號通路〔11〕。Wnt配體可與細胞膜上多種受體結合，包括10種卷曲蛋白(FZD)受體和共受體低密度脂蛋白受體相關蛋白5和6(LRP5/6)，以及越來越多的替代受體和共受體〔包括酪氨酸激酶相關受體(RYK)，酷氨酸激酶孤獨受體(ROR)1/2，酪氨酸激酶(PTK)7和G蛋白耦聯受體(GPR)124〕以觸發下游信號傳導途徑〔12〕。三聚體(Wnt蛋白/FZD/LRP5/6)復合物的連接導致細胞信號傳導，β-catenin則由腺瘤性結腸息肉蛋白(APC)和AXIN、酪蛋白激酶(CKI)α和糖原合成酶激酶(GSK)3β結合成的降解復合體(即APC-Axin-CKIα-GSK3β復合體)降解〔13〕。在Wnt信號存在時，Wnt蛋白與細胞膜上的FZD受體和LRP5/6結合，激活細胞內的信號級聯反應，CKIα和GSK3β將LRP磷酸化，AXIN被募集到質膜上，該降解復合體失活，導致β-catenin在細胞質中積聚并進入細胞核與T細胞因子(TCF)/淋巴增強因子(LEF)(一種轉錄復合物)結合在一起,特異性的調控下游Wnt靶基因的表達；在Wnt信號不存在的情況下，該降解復合體促進CKIα和GSK3β對β-catenin的磷酸化，隨后β-catenin被E3泛素連接酶識別并經蛋白/蛋白酶體途徑降解，使胞質中的β-catenin保持在較低的水平〔11〕。β-catenin是經典Wnt信號傳導的關鍵組成部分,而GSK3β是該途徑的負調節劑。此外，經典Wnt信號也可以由分泌型卷曲相關蛋白(SFRP)、Wnt抑制因子(WIF)1和DKK家族分泌蛋白來調節〔14〕，DKK家族由4種蛋白質(DKK1,DKK2,DKK3和DKK4)組成，DKK1和DKK3蛋白是家族中研究最多的成員，這些可以通過結合并降解輔助受體LRP5/6抑制Wnt信號傳導。在Wnt/Ca2+途徑中，Wnt與FZD和ROR-2受體結合并導致G蛋白活化，導致細胞內鈣水平增加或環鳥苷酸(cGMP)水平降低;最終是Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ或蛋白激酶(PK)C被激活。在Wnt/PCP途徑的情況下，Wnt蛋白與細胞表面上的FZD受體和ROR-2/RYK/PTK7受體結合，導致鳥苷三磷酸(GTP)酶(RhoA/Rac)和Jun-N端激酶(JNK) 激活成觸發所需的基因表達〔15〕。目前研究較多的是經典Wnt信號通路，因此本文主要講述Wnt /β-catenin信號通路在COPD中的調控作用。

Wnt通路不僅在決定細胞命運、細胞遷移和極性，器官發育，干細胞自我更新及生理條件下的組織穩態中發揮重要作用，而且是組織損傷后修復中發揮關鍵作用的發育信號通路〔16〕。許多Wnt配體和受體已被確定為對各個發育階段至關重要，例如，Wnt2/2b和Wnt2/7b 雙敲除小鼠分別顯示肺發育不良〔17〕和更嚴重的肺形態發生缺陷〔18〕，而氣道上皮細胞和肺泡上皮Ⅱ型細胞中觀察到Wnt3a表達〔19〕，新生小鼠中LRP5的基因缺失抑制了肺泡形成〔20〕，而FZD2的上皮特異性缺失表現出分支形態發生缺陷和遠端氣道囊腫形成。由于β-catenin主要在發育中的上皮細胞中被發現，這可能對肺修復具有重要的臨床意義〔21〕。未來的潛在選擇可能是肺發育過程中活化的信號通路的再激活，以誘導COPD中受損上皮修復，因此Wnt信號可能是COPD肺部修復的潛在途徑。

2 Wnt /β-catenin信號傳導促進肺泡上皮細胞增殖及轉分化

肺泡負責氣體交換，香煙煙霧(CS)或空氣中的有害顆粒可通過氣道進入肺泡，這些顆粒可能會導致Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮細胞(ATⅠ和ATⅡ)的損傷，造成COPD的肺氣腫改變。當ATⅠ細胞受損時，相鄰的ATⅡ細胞被刺激增殖并轉分化為ATⅠ細胞。因此，在肺泡上皮細胞中ATⅡ細胞一直被認為是祖細胞〔22〕。Desai等〔23〕發現ATⅡ細胞能夠自我更新并在肺泡上皮損傷時發揮ATⅠ細胞的祖細胞功能，并證實該過程依賴于Wnt/β-catenin信號通路的激活。在體外ATⅡ至ATⅠ細胞轉分化過程中也觀察到Wnt/β-catenin信號傳導途徑的活化。Flozak等〔24〕通過Wnt/β-catenin信號通路的內源性抑制劑DKK1過表達，DKK1減弱了β-catenin驅動的靶基因(即AXIN2)在ATⅡ細胞轉分化中的表達。Mutze等〔25〕用小分子化合物PKF115-584抑制Wnt/β-catenin信號通路及用Wnt/β-catenin SiRNA轉染ATⅡ后均減弱ATⅠ細胞標記物(T1α)的表達，表明ATⅡ向ATⅠ轉分化減少。總之，這些數據顯示經典Wnt/β-catenin信號傳導調節肺泡上皮細胞轉分化和修復過程。在生理條件下，FZD4受體表達于肺泡上皮細胞，然而Skronska-Wasek等〔26〕對COPD患者中FZD受體的表達進行了廣泛分析，發現FZD4的表達在中度和極重度COPD的個體中減少并伴隨著β-catenin表達的減少,作者還證實FZD4促進細胞增殖，遷移和ATⅡ向ATⅠ細胞轉分化，表明FZD4受體對于肺泡上皮細胞修復至關重要。綜上所述，這些發現表明Wnt/β-catenin信號激活可能是誘導COPD肺組織修復的途徑。

3 Wnt/β-catenin信號修復損傷的氣道上皮

在COPD患者中，氣道上皮不斷暴露于諸如香煙煙霧、細菌、病毒或其他環境因素的炎癥刺激物，這導致上皮-間質轉化(EMT)的持續存在，基底細胞的數量減少和(或)遷移和增殖導致重建的氣道上皮的異常分化。上皮屏障功能通過上皮細胞形成緊密連接和粘連連接來維持，這些連接結構限制了氣道上皮對吸入性病原體和環境應激物的滲透性，上皮屏障的破壞不僅使上皮層暴露于空氣中的有害物質，而且改變了上皮細胞的正常功能，這可能最終導致COPD的發生和發展〔27〕。損傷后氣道上皮的屏障功能受損、抗微生物防御失調和黏液纖毛清除缺陷或不完全恢復都可能增加COPD感染復發的風險。氣道上皮損傷在氣道疾病如COPD 的發病機制中扮演著至關重要的角色，因此修復氣道上皮是解決COPD的重要步驟。Zhu等〔28〕研究中將培養的單層支氣管上皮細胞(BECS)刮擦來建立一個體外損傷模型，發現BECS細胞遷移和增殖可修復損傷，并且進一步證明GSK3β的過表達抑制Wnt/β-catenin信號通路導致損傷修復延遲，而下調GSK3β后促進了支氣管上皮細胞的損傷修復。Lynch等〔29〕用Wnt3a重組腺病毒和空載體陰性腺病毒感染轉基因小鼠，在轉染后5 d取氣管進行組織免疫染色發現腺病毒介導的Wnt3a的過表達激活Wnt/β-catenin信號通路促進體內氣道上皮祖細胞擴增，作者還發現幾個Wnt通路基因Wnt3a和蓬亂蛋白(DVL1)的RNA表達在近端氣道損傷后上調，而Wnt2，Wnt5a和Wnt6在遠端氣管中的上調幅度大于近端氣道，因此，Wnt/β-catenin信號通路可能在從COPD氣道上皮損傷修復中具有促進作用。

4 Wnt/β-catenin信號通路調控外源性骨髓間充質干細胞(MSCs)分化成肺泡上皮細胞

GOLD指南(2018年)根據患者前一年中中重度急性加重發生的頻率及癥狀分為A～D組來指導治療〔1〕。目前包括皮質類固醇和抗炎劑在內的治療雖然暫時緩解了呼吸系統癥狀，并且延緩疾病的進展，但是他們似乎并未抑制這些患者的氣道重塑。另一種治療COPD氣道上皮修復的有效治療策略是干細胞治療。除了位于肺內的干細胞外，MSCs在許多實驗環境中也被證明有助于再生，即移植后招募至肺損傷部位，并分化成肺泡上皮細胞〔30〕。白沖等〔31〕研究證實MSCs移植后在COPD中能定植并分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞、氣道黏膜上皮和平滑肌細胞，并能改善COPD氣道重塑的程度。研究表明Wnt/β-catenin信號通路可調控MSCs向肺上皮細胞的定向分化，然而細胞類型或刺激條件不同，其調控效應也有所不同。Cai等〔32〕使用過表達β-catenin的慢病毒載體轉染MSCs發現經典的Wnt /β-catenin通路的激活促進了MSCs在體內向ATⅡ細胞的分化，改善了肺泡上皮滲透性和肺組織的病理表現，該團隊另一研究〔33〕還發現，經Wnt3a或氯化鋰(LiCl)激活Wnt/β-catenin信號時促進MSCs向Ⅱ型肺泡上皮細胞的分化，賦予MSCs對氧化應激的抗性并促進其遷移，表明Wnt/β-catenin通路的活化可能是MSCs向肺泡上皮細胞分化而修復損傷的肺部組織機制之一。而Wang等〔34〕研究表明在MSCs與正常氣道上皮細胞共培養分化為上皮細胞的過程中，Wnt經典途徑相關分子(即β-catenin)表達下調，而抑制該通路則促進MSCs向肺泡上皮細胞的分化。Sun等〔35〕用DKK1抑制Wnt/β-catenin信號促進MSCs向肺泡上皮細胞分化，從而有利于受損的肺上皮細胞的修復。這些研究均表明Wnt/β-catenin信號通路在MSCs向肺泡上皮細胞定向分化過程中起著重要的調節作用，為MSCs作為治療COPD的靶點提供了理論依據。

5 小 結

綜上，對COPD而言,Wnt/β-catenin信號通路的調節可能作為未來合適且有希望的治療策略。然而，成功實施Wnt/β-catenin信號通路的治療性作用，一個需解決的重要問題是確定與COPD發病機制中涉及的關鍵分子途徑相互作用的新藥物。由于在過去的十年，我們對慢性阻塞性肺疾病Wnt信號的知識繼續增長，靶向Wnt信號通路的能力為慢性阻塞性肺疾病提供了巨大的潛力;然而，針對這種關鍵的信號傳導途徑仍存在重大風險和擔憂。未來的挑戰將是確定Wnt信號的哪個時間點及如何專門針對這些通路中的主要信號中樞。Wnt信號通路在COPD中具有治療潛力，并且可以通過各種分子機制來實現，然而存在潛在的不良反應如上皮-間質轉化(EMT)、組織重塑或腫瘤發生的風險，與COPD相反，增加的Wnt/β-catenin信號傳導是肺纖維化(IPF)的標志，并且抑制這種轉錄激活劑具有重大的治療意義，建議謹慎使用人工激活肺中的Wnt/β-catenin信號，不應過度激活。總而言之，目前存在或正在開發的幾種有價值的Wnt通路的方法，為未來治療慢性阻塞性肺疾病提供了新途徑。