氧甾醇在肺部疾病中的作用及研究進展

楚師成 高學軍 薛寶函 宋云浩 吳天宇

氧甾醇是膽固醇的氧化衍生物，由細胞色素P450家族酶介導的酶促反應或涉及活性氧和氮類物質的非酶反應生成。氧化反應促進羥基、酮基、高氧基、羰基或環(huán)氧基添加到膽固醇主干上，主要是在側鏈的C4-C7位、C24、C25和C27位[1]。這一過程產生了一大類不同的氧甾醇，可以在正常的細胞過程中發(fā)揮著多種調節(jié)作用，如膽固醇穩(wěn)態(tài)，也可以參與多種病理生理過程，如炎性疾病、動脈粥樣硬化、神經疾病和癌癥。研究發(fā)現(xiàn)[2]，相同的氧甾醇對不同的細胞系具有不同的作用，而相同的細胞系對不同的氧甾醇反應也不同。現(xiàn)就氧甾醇在不同肺部疾病中的作用進行綜述。

氧甾醇對免疫反應的影響

先天淋巴細胞(Innate lymphoid cells, ILCs)是一種淋巴來源的免疫細胞，能對組織內穩(wěn)態(tài)的破壞迅速做出反應。ILCs的器官分布不同，其主要存在于過多暴露在環(huán)境中的黏膜組織(如腸、肺)[3]。在穩(wěn)態(tài)組織和炎癥組織中ILCs的豐度也不盡相同[4]，哮喘患者的肺泡腔中存在產生IL-17的ILC3s。同樣，患有特發(fā)性肺纖維化的人的支氣管肺泡灌洗液中ILC2s含量增加。而在同一器官或組織中，ILCs的分布也有差異[5]。例如，ILC2s在肺內靠近間質細胞的血管周圍有明顯的聚集性。ILCs的這種分布差異可能與它們的遷移行為有關。GPR183-氧甾醇途徑在控制炎癥組織中ILCs遷移方面起著重要作用[6]。GPR183可以識別膽固醇的羥化代謝產物，即氧甾醇，其中7α,25-二羥基膽固醇(7α,25-dihydroxycholesterol,7α,25-OHC)是GPR183的主要配體。Tim等[7]證明了通過GPR183-氧甾醇途徑可以使ILC3s定位于炎性結腸部位，這對于結腸淋巴組織的形成至關重要。類似地，ILC2s可以定位于肺的炎性部位減輕病毒對肺的損傷。由此可以合理地假設，組織損傷引起的氧甾醇合成，增加向免疫系統(tǒng)傳遞組織穩(wěn)態(tài)的擾動，啟動ILCs運動和炎癥反應。

氧甾醇與哮喘

哮喘被認為是由于免疫穩(wěn)態(tài)失衡所致[8]，而免疫穩(wěn)態(tài)的恢復可以通過IL-10的表達來定義，IL-10是一種典型的抗炎細胞因子，可以協(xié)調終止免疫反應[9]，缺乏這個調控檢查點可能會導致持續(xù)的炎癥反應。因此有學者認為IL-10在哮喘發(fā)生中起著重要作用[10]，它可以通過抑制肥大細胞分泌IL-13減少杯狀細胞增生以及減少嗜酸性粒細胞的產生控制哮喘發(fā)作。

研究表明，膽固醇生物合成途徑(cholesterol biosynthesis pathway,CBP)可以產生氧甾醇，如7-酮膽固醇(7-ketocholesterol,7-keto)，其參與了調節(jié)性T細胞中IL-10的基因表達[11]。 Esperanza等[12]通過免疫印記分析(Ingenuity pathway analysis,IPA)提出膽固醇生物合成相關的多條路徑與IL-10表達顯著相關；IPA還顯示，IL-10前體群表達的CBP基因與IFN-γ+IL-10+雙陽性群體中IL-10蛋白水平呈負相關，提示可能需要活躍的膽固醇生物合成來許可Th1細胞表達IL-10。而與IL-10-人群相比，IL-10+的人群具有更高水平的CBP相關基因。由此可以看出，Th1轉換為IL-10表達與CBP有直接聯(lián)系，也為哮喘的控制提供了新的治療思路。

氧甾醇與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全世界慢性死亡和發(fā)病的主要原因，其治療選擇有限，特點是由于長期暴露于有毒氣體和顆粒物，特別是香煙煙霧(Cigarette Smoke,CS)中，導致漸進性且不可逆的氣流受限[13]。越來越多的證據支持誘導性支氣管相關淋巴組織(inducible bronchus-associated lymphoid tissue,iBALT)在COPD發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用[14-15]。iBALT是一種三級淋巴器官，主要位于支氣管上皮旁，具有抗病毒感染的能力。然而，它們可能對COPD等慢性炎癥產生不利影響[16]。膽固醇的氧甾醇代謝最近已成為調節(jié)次級淋巴組織結構和功能的中心途徑[17]。

iBALT的大小和數量與患者COPD的嚴重程度相關[14]，膽固醇25-羥化酶(cholesterol 25-hydroxylase,CH25H)和膽固醇25α7羥化酶(25-hydroxycholesterol-7α-hydroxylase,CYP7B1)共同參與7α,25-OHC的合成。Jie等[18]通過實驗證明，在COPD患者和CS暴露的小鼠中，氣道上皮細胞CH25H和CYP7B1的表達上調，調節(jié)了CS誘導的B細胞遷移和iBALT的形成，而CH25H缺乏的小鼠在慢性CS暴露后不在肺內產生iBALT，并對COPD的發(fā)生有保護作用。有趣的是，單獨的促炎細胞因子TNF-α也能夠誘導氣道上皮細胞CH25H的表達增強，這表明除了CS暴露對氣道上皮細胞的直接影響外，促炎環(huán)境也能夠增強CH25H的表達。克霉唑通過抑制CYP7B1抑制7α,25-OHC的產生，不僅可以阻止iBALT的形成，而且能夠破壞已建立的iBALT，并減弱CS誘導的實驗性COPD。有學者觀察到COPD患者的成纖維細胞和氣道上皮細胞衰老明顯加快[19]，他們發(fā)現(xiàn)COPD患者的氣道中還存在由CYP7B1驅動合成的27-羥基膽固醇(27-hydroxycholesterol,27-OHC)，其水平是健康人的30～100倍，它可以通過PGE2-RNS途徑加速成纖維細胞及氣道上皮細胞的衰老。綜上所述，這表明COPD存在治療機會，特別是考慮到目前針對COPD的治療方案并不能逆轉肺氣腫的進展，這為COPD的治療提供了新的靶點。

氧甾醇與急性肺損傷

急性肺損傷(acute lung injury,ALI)具有相當高的死亡率，特點是難治性低氧血癥、非心源性肺水腫、肺順應性降低和彌漫性肺浸潤，常導致呼吸衰竭。重癥肺炎是它的主要原因，其治療方法極其有限，目前尚無針對性的特效藥物[20]。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是引起包括危及生命的肺炎在內的嚴重疾病的革蘭氏陰性細菌的一種成分，LPS觸發(fā)的免疫反應需要它與細胞表面的Toll樣受體4(Toll‐like receptor 4，TLR4)輔助受體髓樣分化蛋白2(myeloid differentiation protein -2， MD-2)結合。TLR4通過輔助蛋白的介導識別與MD-2相互作用的LPS的脂鏈，并與其形成LPS-TLR4-MD-2復合體，激活NF-κB的轉錄，導致IL-6、TNF-α和IL-8等促炎細胞因子的過度產生[21]。

最近的一項研究觀察到[22]，25-羥基膽固醇(25-hydroxycholesterol,25HC)減少了IL-1β的產生和炎性小體的活性，從而促進了感染性休克的恢復，Ouyang等[23]通過實驗得出25HC預處理可顯著降低LPS誘導的IL-1β、IL-6、TNF-α、KC和MIP-2等促炎細胞因子和趨化因子的產生，驗證了這一結果。他們通過熒光光譜進一步觀察到，隨著25HC濃度的增加，重組人MD-2(Recombinant human MD-2,rhMD-2)的熒光強度逐漸降低，表明25HC與MD-2具有較高的結合親和力。利用AutoDock程序對25HC的結合預測表明，在最有利的條件下，它與MD-2的Tyr-102、Tyr-65、Ile-117和Leu-71殘基接近，與Tyr-102殘基形成氫鍵。總的來說，他們揭示了25HC的抗炎機制主要是通過與MD-2的疏水結構結合，阻止LPS與TLR4-MD-2復合物結合，從而削弱下游Akt/NF-κB信號通路的激活，抑制炎性細胞因子的誘導，這預示著MD-2有可能成為治療LPS毒性作用的靶點，為ALI的治療提供了新思路。

氧甾醇的促癌作用

除了在炎癥和免疫反應中發(fā)揮作用外，氧甾醇還與腫瘤的侵襲和轉移密切相關。羥基膽固醇可以通過肝X受體(liver X receptors,LXR)依賴途徑抑制樹突細胞的抗腫瘤效應[24]，也可以通過LXR非依賴途徑招募大量具有致腫瘤作用的免疫細胞[25]。羥基膽固醇通過激活LXR顯著促進乳腺癌的轉移，但LXR的激活抑制黑色素瘤的轉移[26]。25HC還可以通過影響巨噬細胞分泌IL-1β[22]，參與多種類型腫瘤的侵襲和轉移[27]。根據這些發(fā)現(xiàn)推測氧甾醇可能參與了肺癌的侵襲和遷移。

為了驗證這一猜想，Chen等[28]對肺腺癌(Lung adenocarcinoma,ADC)細胞(A549和NCL-H1975)和THP1來源的巨噬細胞單獨或共同培養(yǎng)，通過在培養(yǎng)液中加入25HC形成對照，觀察25HC在肺癌中的作用。實驗發(fā)現(xiàn)25HC通過劑量依賴性抑制肺癌細胞的增殖，而為排除這種效應對實驗結果的影響，他們選用微摩爾濃度(0.1 μM)的25HC用于之后的實驗。通過實驗得出25HC可以提高LXR及腫瘤細胞轉移性蛋白Snail的表達，進而促進ADC細胞遷移和侵襲。在敲除LXR之后，25HC的這些效應則被阻斷。他們發(fā)現(xiàn)在含有25HC的單培養(yǎng)中THP1來源的巨噬細胞分泌IL-1β水平略有下降，這與以前的結果一致[22]。而有趣的是，在含有25HC的共培養(yǎng)體系中，IL-1β水平顯著升高，且IL-1β能模擬25HC促進ADC細胞遷移、侵襲以及上調Snail表達的效應，但對LXR的表達沒有影響。在敲除LXR后其效應也沒有明顯改變。因此，25HC可以通過提高LXR表達及誘導IL-1β分泌以非LXR依賴的方式來促進ADC細胞的遷移和浸潤，這為肺腺癌的治療提供了新思路。

氧甾醇的抑癌作用

HH-GLI通路與肺癌等眾多癌癥發(fā)生、發(fā)展和轉移密切相關[29]。雖然這一途徑是由HH配體通過自分泌信號激活的，但它也可以啟動腫瘤微環(huán)境中細胞的旁分泌。以旁分泌為橋梁，HH信號可以影響腫瘤微環(huán)境中的基質細胞，基質細胞反過來產生可能支持腫瘤生長和轉移的因子。因此，這種共振串擾可以放大HH信號并促進腫瘤進展[30]。致病的HH-GLI通路激活可能發(fā)生在HH信號轉導級聯(lián)的多個水平，包括Ptch1、Smo和Sufu的突變，以及通過產生HH蛋白和自分泌旁分泌信號，對HH信號進行無調控的刺激[30]。直接的Smo拮抗劑已經被研究用來抑制異常的HH信號以干預腫瘤的形成。不過到目前為止，Smo拮抗劑在人類癌癥的臨床試驗中幾乎沒有顯示出療效[31]。GLI轉錄因子是HH信號的效應因子，介導了HH-GLI途徑激活的轉錄效應[32]。突變的KRAS和TGF-β信號都可以以不依賴于Smo的方式誘導GLI活性[33]。實驗證據表明，GLI1與小細胞和非小細胞肺癌都有不可忽視的聯(lián)系[34]。Kasai[35]認為GLI1可以被認為是Smo下游HH-GLI途徑中的一個可用藥的治療靶點。因此，與Smo拮抗劑相比，直接靶向GLI可能是實現(xiàn)肺癌等其他癌癥精準治療的一種更有效的策略。

氧甾醇20α,22(R)-二羥基膽固醇(20α, 22(R)‐dihydroxycholesterol,Oxy16)，是類固醇激素生物合成中膽固醇的天然代謝物。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)Oxy16可以阻斷由胰腺癌細胞產生的HH蛋白激活的間質細胞中的HH信號。在熒光素酶報告實驗中，發(fā)現(xiàn)Oxy16顯著抑制了NIH3T3-E1成纖維細胞中過表達的GLI1的轉錄活性和Sufu-/-小鼠胚胎成纖維細胞(mouse embryonic fibroblasts,MEF細胞)中內源性GLI的轉錄活性。因此，我們有理由認為Oxy16和具有相似或改進特性的類似物成為肺癌等惡性腫瘤的新的候選治療藥物。基于這種設想，他們又驗證了Oxy16類似物Oxy186對HH-GLI通路的抑制作用[36]。他們發(fā)現(xiàn)Oxy186對配體誘導和非配體依賴的HH信號有強烈的抑制作用。在HH配體激活的NIH3T3-E1細胞中，Oxy186對GLI的抑制作用明顯高于Oxy16，且優(yōu)于Gant61和HPI-1(它們已被確定可以在Smo下游抑制HH-GLI的先導分子[37])。此外，Oxy186有效地抑制了Smo變構激活引起的HH信號，在Sufu-/-MEF細胞中，Oxy186顯著抑制HH靶基因的表達和GLI的內源性活性。當在人類癌細胞中檢測Oxy186時，他們觀察到PANC-1、A549和H2030細胞中內源性GLI1的表達顯著受到抑制，這與在這些細胞中檢測到的Oxy186的抗增殖作用非常一致。因此，可以推測，氧甾醇，如Oxy186，可以通過調節(jié)腫瘤細胞中配體的產生和成纖維細胞中對配體的間質反應，在腫瘤微環(huán)境中產生協(xié)同抑制效應。同樣的，他們發(fā)現(xiàn)Oxy210[38]也具有相似的作用。這為肺癌的治療提供了新靶點。

綜上所述，氧甾醇作為膽固醇的中間代謝產物，不僅參與了肺部炎性疾病的發(fā)展與轉歸，還對肺癌的發(fā)展有著不可忽視的作用。尤其是一些新靶點的發(fā)現(xiàn)，對肺部疾病的治療有著積極的推動作用。但我們仍需進一步研究氧甾醇及其對肺部疾病的影響，以制定更好的預防和治療策略。