慢性阻塞性肺疾病與自噬相關性研究進展

高璇 徐菲 鄭繼生 許先榮

[摘要] 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種慢性進展性的肺部疾病，其發病機制包括氣道慢性炎癥、肺組織的破壞、肺重塑等。自噬是細胞內的一種分解代謝過程，大量研究提示，自噬與COPD的發生發展關系密切，而這一具體機制尚未得到闡明。本文將對COPD與自噬的相關性研究進展作一綜述。

[關鍵詞] 慢性阻塞性肺疾病;自噬;氣道慢性炎癥;肺重塑

[中圖分類號] R563.9? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2019）18-0164-05

[Abstract] Chronic obstructive pulmonary disease （COPD） is a chronic progressive lung disease， of which the pathogenesis includes chronic inflammation of the airways， destruction of lung tissue， and lung remodeling. Autophagy is a catabolic process in cells. A large number of studies suggest that autophagy is closely related to the occurrence and development of COPD， and this specific mechanism has not been elucidated. This article will review the research progress of the correlation between COPD and autophagy.

[Key words] Chronic obstructive pulmonary disease; Autophagy; Chronic inflammation of the airways; Lung remodeling

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種慢性進展性疾病，主要特征為慢性氣道炎癥所導致的不完全可逆的持續氣流受限[1]。其典型的臨床表現包括慢性支氣管炎及肺氣腫，且隨著病情的進展，COPD初期所表現的氣急、呼吸困難及咳嗽、咳痰等癥狀可逐漸發展為慢性低氧血癥和（或）低氧性呼吸衰竭[2]。此外，COPD還會導致一系列肺外臨床表現，包括全身性炎癥、心血管合并癥、腫瘤、惡病質及肌肉功能障礙、骨質疏松癥等[2]。目前已知，在發達國家中吸煙是導致COPD的主要原因，而空氣污染則是發展中國家中COPD的主要發病誘因[3]。而在世界范圍內，隨著吸煙人數的增加、空氣污染的加重及人口老齡化的加劇，近年來，COPD的發病率逐年明顯增長。根據WHO的統計結果，在2015年，因COPD死亡的人數已高達317萬[3]。另有流行病學調查結果顯示，在40歲以上人群中，COPD的發病率在5%～19%之間，在導致死亡的疾病原因中已經上升至第3位[4]。因此，對COPD發病機制及臨床診治的研究迫在眉睫。近年來，研究人員針對COPD的發病機制進行了大量研究，研究表明，小氣道的炎癥和纖維化、肺組織的破壞、肺泡壁的增厚以及肺重塑對COPD的發生發展起到了重要作用[5]。

自噬是細胞內一種高度保守的分解代謝過程[6]，其通過對細胞內受損的蛋白質及細胞器進行降解，產生氨基酸、游離脂肪酸、葡萄糖等，轉而為細胞的合成過程提供原料，并為其他代謝過程提供能量[7]。業已證實，細胞內自噬過程發生失衡是導致癌癥、神經退行性疾病（如阿爾茲海默氏癥及帕金森病）、感染和炎癥性疾病（如克羅恩病）、糖尿病、肥胖以及心血管和肌肉疾病等多種疾病的根本原因[8]。近年來，隨著對自噬研究的逐步深入，研究人員發現自噬與COPD的發生發展也有著千絲萬縷的聯系。比如，在細胞發生自噬的過程中產生的一系列標志性產物，如LC3-Ⅰ、ATG4、ATG5、ATG7等，相較于正常的肺組織，均在COPD患者的肺組織中有較高水平的表達[9]。因此，著眼于COPD與自噬之間相關性的研究，也許對闡明COPD發病機制以及發現新的更有效的治療手段具有重大意義。本文將對COPD與自噬的相關性研究進展綜述如下。

1 自噬與肺組織內環境的變化

1.1 自噬與慢性炎癥

業已明確，呼吸系統的慢性炎癥是COPD的病理生理基礎[10]。研究發現，在COPD患者的痰液、肺泡灌洗液中存在大量的中性粒細胞，而在COPD患者的肺組織中亦存在大量的巨噬細胞[11，12]。這些炎癥細胞可以釋放大量的炎癥介質，如相關細胞因子、氧自由基以及酶類，比如蛋白酶等，這些炎癥介質及酶類作用于肺組織，將導致肺泡結構的破壞和氣流受限[13，14]。而實驗研究發現經過香煙煙霧暴露建立的小鼠COPD模型中，肺組織中的炎癥水平與自噬水平呈一定的相關性。這一相關性通過何種方式來實現，尚需闡明。Li Y等[15]進行實驗研究后認為，在受到煙霧暴露時，花生四烯酸的衍生物氧二十碳三烯酸（epoxyeicosatrienoic acids，EETs）能夠通過降低自噬水平起到一定的抵抗炎癥的保護作用。他們利用EET抑制基因敲除小鼠Ephx2-/-小鼠進行煙霧暴露，發現肺組織中的炎癥水平有一定程度的降低，同時自噬水平也發生了相同水平的降低，提示自噬可能與EET途徑相互作用，從而影響COPD患者體內的炎癥水平[15]。在細胞內自噬的發生過程中，雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）是一種具有重要抑制作用的蛋白[16，17]。Wang Y等[18]通過對TSC2-MTOR-NF-κB信號通路研究發現，煙霧暴露時，氣道及肺泡上皮細胞內自噬受到TCS2-MTOR-NF-κB信號通路的調節明顯增加，并能進一步誘導細胞內炎癥因子如IL-6、IL-8的大量釋放，導致肺內炎癥的發生。這一發現進一步證明自噬具有促進COPD患者肺組織內炎癥水平的作用。

1.2 自噬與細菌感染

COPD患者更容易合并下呼吸道感染，以細菌感染及病毒感染多見，常見的易感細菌包括肺炎鏈球菌、非典型流感嗜血桿菌、綠膿桿菌等[19]。下呼吸道感染能夠顯著增加COPD患者的炎癥水平、氣流受限程度以及肺功能受損的程度，導致COPD患者的急性加重，進一步使COPD患者的住院率和死亡率明顯升高[20]。肺組織抵御細菌感染的過程主要通過巨噬細胞的吞噬作用來實現[21]。Pehote G等[22]認為COPD患者下呼吸道存在的慢性感染可能與肺泡巨噬細胞的吞噬功能失調相關，而內在機制可能是煙霧暴露導致了肺泡巨噬細胞自噬作用受損。體外實驗發現，煙霧暴露通過影響自噬上游基因的轉錄因子EB（Transcription factor EB，TFEB）的表達，進而阻礙了細胞中的自噬過程，使細胞不能通過吞噬作用清除侵襲肺內細胞的細菌，最終導致肺組織更容易被感染[22]。這一研究證實，在抵抗外界致病細菌的侵襲過程中，自噬具有屏障保護作用，能夠將初步入侵細胞的細菌吞噬、降解，阻止細菌進一步的侵襲和擴散，那么，通過增強COPD患者自噬上游基因表達，促進其肺細胞的自噬水平，將為COPD患者預防下呼吸道感染提供可能。

1.3自噬與黏液分泌

COPD患者長期、反復的咳嗽咳痰與其氣道的黏液高分泌密切相關。作為COPD的重要的病理特征之一，氣道內黏液分泌的明顯增多將導致氣道阻塞、COPD患者的急性加重，明顯降低COPD患者的生活質量，是增加COPD患病率和死亡率的重要原因[23]。已有研究證實，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）能夠在氣道上皮細胞中誘導黏液基因MUC5AC的表達[24]。Zhou JS等[25]研究發現，以不同方式誘導自噬后，MUC5AC同樣也被誘導表達，而抑制了自噬后，MUC5AC的表達亦發生了衰減。經過進一步研究，Zhou JS等[25]認為香煙煙霧暴露刺激機體產生了線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygenmito，mitoROS），而mitoROS 提高了氣道上皮細胞的自噬水平，高水平的自噬通過調節JNK信號-轉錄因子AP-1通路誘導了MUC5AC的表達，最終導致氣道黏液的高分泌。

2 自噬與肺組織結構的改變

2.1 自噬與肺氣腫

肺氣腫是COPD患者的重要體征之一，目前認為，COPD患者出現肺氣腫的主要機制為中性粒細胞、巨噬細胞向肺組織中的滲出，以及蛋白酶等酶類向肺組織釋放對肺泡結構的破壞[26，27]。而前文中Li Y等[15]亦發現Ephx2-/-小鼠經過煙霧暴露后肺組織中的中性粒細胞、巨噬細胞與普通小鼠相比有一定程度的減少，免疫組化結果進一步提示Ephx2-/-小鼠的肺氣腫也得到了改善，提示自噬通過EET途徑不僅降低了COPD患者肺內炎癥水平，亦能延緩COPD患者肺氣腫的發生發展。Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）是對機體的固有免疫應答以及隨之產生的適應性免疫應答具有重要的調節作用的一類受體[28]，最近，隨著對TLR研究的深入，研究人員發現TLR4在自噬的調節過程中具有抑制作用[29]，同時亦具有保持肺組織結構、延緩肺氣腫發生發展的作用[30]。An CH等[31]進行實驗發現，相較于野生型小鼠，TLR4基因缺陷的小鼠在進行煙霧暴露后其肺組織表現出了更為嚴重的肺氣腫表現，并且自噬水平明顯升高，結合進一步實驗，認為TLR4對自噬具有抑制作用，而自噬產物LC3-Ⅰ則能夠提高煙霧暴露時肺組織發生肺氣腫的易感性，那么TLR4可能是通過抑制自噬的發生水平，進一步減少肺氣腫的發生，起到保護肺組織的作用。不過，另有研究認為，細胞是通過自噬過程來降解發生了折疊錯誤的蛋白質以及多泛素化蛋白，以維持細胞內穩態，而觀察煙霧暴露后的肺組織細胞，可見其中存在大量錯誤折疊或者多泛素化蛋白聚集體，這些聚集體引起細胞內穩態失衡，細胞發生裂解、死亡，最終導致肺組織結構的破壞，肺氣腫形成并發展，那么，COPD患者肺氣腫形成的機制亦可能是煙霧暴露引起細胞內自噬功能失調，自噬過程中斷、停止，導致自噬中間產物堆積以及細胞內錯誤折疊或者多泛素化蛋白體不能被有效清除[32-34]。Bodas M等[35]的研究則支持這一觀點，他們研究發現煙霧暴露可能通過神經酰胺-乳糖神經酰胺（lactose ceramides，LacCer）通路，引起細胞膜上LacCer 的聚集，進而導致細胞內自噬功能的缺失，加重肺氣腫。

2.2 自噬與纖毛結構及功能

COPD患者氣道中存在的異常的炎癥反應、更容易發生病原體感染的特征亦與氣道上皮細胞上的纖毛縮短、氣道黏膜纖毛清除功能受損相關[36]。煙霧暴露能夠縮短氣道上皮細胞的纖毛長度甚至導致細胞死亡，而后由杯狀細胞取而代之，過多的杯狀細胞分泌過多的氣道黏液，使氣道黏膜纖毛的清除功能受損，最終導致病原體、有害顆粒等在呼吸道的堆積，發生感染[37]。Cloonan SM等[38]通過體內及體外實驗發現，經過煙霧暴露后，氣道上皮細胞及肺組織中纖毛的縮短程度與自噬增加的水平相一致。進一步的體內及體外實驗證明，當自噬基因發生缺失，氣道上皮細胞及肺組織中的纖毛在經過煙霧暴露后也不會發生縮短，并且煙霧暴露后，研究人員在增加的自噬體/自噬溶酶體中發現了大量的纖毛成分及纖毛蛋白[38]。由此，Cloonan SM等[38]認為煙霧暴露通過上調氣道上皮細胞的自噬水平引起細胞纖毛成分及纖毛蛋白的降解，致使細胞纖毛縮短，甚至進一步導致纖毛細胞的缺失及死亡，破壞COPD患者氣道黏膜纖毛的清除功能，加重其炎癥反應、增加感染幾率及急性發作發生率。

3 自噬與氧化應激

香煙煙霧中含有大量的自由基和氧化劑，能夠誘導機體產生氧化應激反應[39]。而氧化應激反應能夠快速增強機體的炎癥反應，導致黏液過度分泌、氣道上皮細胞凋亡以及細胞外基質的重塑，從而促進COPD的發生發展[40]。叉頭框O3a（The fork frame O3a，FoxO3a）是屬于FoxO家族的一類轉錄因子，其參與調節的基因表達涉及多種生物過程，包括氧化應激抵抗[41]。在正常狀態下，FoxO3a存在于細胞質中，而當細胞處于氧化應激狀態下時，FoxO3a則會轉移至核周[42]。亦有研究發現FoxO3a也參與了自噬過程的調節，自噬產物LC3亦是FoxO3a的直接作用靶點[43]。Shi J等[44]研究發現，香煙煙霧暴露能夠降低FoxO3a的水平并且促進其向核周的移位，導致LC3生成、自噬水平增加，而這一過程受到白藜蘆醇二聚體Vam3的負向調節。由此，Shi J等[44]認為，香煙煙霧刺激機體產生氧化應激反應，而氧化應激通過FoxO3a-LC3通路導致細胞發生異常升高的自噬水平，最終導致細胞凋亡、組織結構破壞，促進COPD的進展，Vam3則通過提高氧化應激狀態下FoxO3a的水平并且抑制其向核周的移位的作用抑制自噬的發生，減少細胞的凋亡、維持肺組織結構，延緩COPD的進展。

4 結語

COPD是一種慢性疾病，是世界范圍內公認的致死疾病之一。近年來，隨著對自噬的研究日趨熱門，自噬在COPD發病機制中的作用研究也越來越受到關注。目前多數觀點認為在COPD的發病機制中異常增高的自噬水平起到了促進作用，如前文所述，眾多研究者認為在實驗研究過程中觀察到的自噬相關標記物的增加、自噬產物的高表達證明了自噬水平的增加。自噬的增加將導致肺細胞大量凋亡，同時炎癥介質水平、肺組織結構破壞程度也出現同樣水平的增加。但亦有觀點認為，自噬是一個動態的生物過程，在過程中某些產物的增多并不夠證明整個自噬過程是高水平進行的，在COPD患者及模型中觀察到的自噬標記物的過表達正是自噬這一動態過程在某一節點被阻斷，從而造成自噬中間產物堆積的表現，而延緩COPD的進展需要將被阻斷的自噬過程繼續進行，以清除侵入肺細胞的病原體、代謝廢物及被破壞的細胞內結構等，維持細胞內穩態。盡管對自噬與COPD發病的具體機制觀點不同，但自噬與COPD 的發病機制是高度相關的已得到公認，通過調節自噬的水平，從肺氣腫、炎癥反應、感染、氧化應激、黏液分泌及氣道黏膜清除等病理特征的上游通路進行阻斷，或將成為治療COPD的關鍵，為COPD的治療提供新思路、新方法。

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