二甲雙胍干預哮喘作用機制的研究進展*

于海洋，陳云志，劉懷全，趙 潔，張旭飛，李 文

（貴州中醫藥大學，貴州貴陽 550025）

支氣管哮喘是由過敏原、刺激性暴露等多種因素觸發，以氣道慢性炎癥、氣道高反應性和氣道重塑為主要特征的慢性氣道疾病，多伴有喘息、氣短、胸悶、咳嗽和呼氣氣流受限等癥狀［1］。國內外流行病學顯示，支氣管哮喘作為嚴重降低人們生活質量的健康問題，其患病率呈明顯的上升趨勢，預計2025年可能到達十億人［2］。有報道指出，肥胖、2 型糖尿病等糖脂代謝異常的人群更易患哮喘等疾病［3-4］。目前哮喘的治療以注射免疫抑制劑、霧化吸入激素等手段為主，雖可改善一般患者的臨床癥狀，但對伴糖脂代謝異常的哮喘患者治療作用并不理想。二甲雙胍（metformin）是臨床中的常用藥物，主要用于糖尿病的治療。近年來，研究人員發現二甲雙胍對哮喘的預后有一定積極作用。基于此，本文擬對二甲雙胍干預哮喘的作用機制進行綜述。

1 二甲雙胍與哮喘的關系

二甲雙胍是我國目前應用最為廣泛的降糖藥物之一，能調節糖尿病患者血糖、血漿內胰島素、脂蛋白水平進而預防高脂血癥等并發癥，且對非糖尿病患者的血糖水平影響較小，故常用于控制2 型糖尿病患者的日常血糖。有學者指出，哮喘的發病與遺傳、炎癥、激素、肥胖等原因有關，但確切病因尚未明確。重度哮喘患者體內血糖和胰島素水平出現異常增高，這表明機體內的胰島素與糖代謝紊亂可能是導致哮喘患者病情惡化的因素之一［5］。有meta 分析顯示哮喘人群的血脂水平也有明顯區別，如哮喘組患兒與非哮喘組體內的高密度脂蛋白膽固醇（highdensity lipoprotein cholesterol，HDL-C）存在明顯差異［6］。此外，血清中高水平的總膽固醇（total choles?terol，TC）、甘油三酯（triglycerides，TG）和低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDLC）也與哮喘患者的嚴重程度相關［7］。二甲雙胍可調節機體TC、TG、HDL-C 和LDL-C 的合成，減少脂質代謝紊亂對哮喘患者的不良影響［8］。一項回顧性分析也表明，哮喘兼糖尿病患者使用二甲雙胍后，可明顯降低哮喘的發作頻率［9］。

2 二甲雙胍干預哮喘的作用機制

目前，二甲雙胍干預哮喘的作用機制尚未明確。據報道，二甲雙胍可通過改善免疫、增強抗氧化能力、調節蛋白激酶活性、糾正腸道菌群紊亂等途徑抑制哮喘的發展。

2.1 改善免疫系統 人體內適應性免疫是由細胞免疫與體液免疫構成，分別由Th1細胞與Th2細胞介導。Th1 細胞能通過激活巨噬細胞來清除體內的各種致病因素（如細菌、病毒、微生物等）［10］。Th2 細胞通過合成白細胞介素4（interleukin-4，IL-4）、激活嗜酸性粒細胞等途徑參與變態反應。Th1和Th2細胞之間的動態平衡是維持機體免疫系統正常運行的重要條件，傳統觀念認為兩者之間的失衡是導致哮喘發病的因素之一［11］。但若僅從恢復Th1/Th2 細胞平衡的角度入手進行治療，哮喘的恢復似乎并未達到預期的效果［12］。最新研究發現，Th17/Treg 細胞在哮喘等疾病發展中同樣具有重要調控作用［13］。動物實驗表明，哮喘小鼠的肺組織顯示出Treg細胞比例降低和Th17細胞比例升高，Th17/Treg 細胞失調會導致浸潤性中性粒細胞和嗜酸性粒細胞數量增加，進而加大哮喘的患病風險［14］。而經外源功能性Treg 細胞替換內源性缺陷Treg 細胞后可減輕哮喘氣道重塑，故高水平的Treg 細胞在預防哮喘的發生有重要意義［15］。綜合來看，哮喘是由各種因素引起機體內Th17/Treg 與Th1/Th2 細胞失衡導致的。值得注意的是，Th17/Treg 與Th1/Th2細胞均由CD4+T細胞分化而來，且這一過程受磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamy?cin，mTOR）信號通路的調節［16］。PI3K/Akt/mTOR 的激活與Th17/Treg、Th1/Th2細胞平衡喪失之間有緊密聯系。PI3K/Akt/mTOR 信號通路的激活使葡萄糖轉運蛋白轉運到細胞膜上，促進糖酵解及脂肪代謝，擾亂CD4+T 細胞分化［17］。使用mTOR 抑制劑治療不僅可以有效改善小鼠氣道重塑的嚴重程度，而且可以在分子水平上抑制與哮喘發作相關的免疫細胞失衡［18］。因此mTOR 抑制劑可作為新型治療方法應用于哮喘的臨床治療。二甲雙胍不僅能抑制T 細胞的增殖與分化，促進Treg細胞的發育，維系Th17/Treg、Th1/Th2細胞之間的平衡，還可制約mTOR 介導的信號通路，減輕患者的變態反應，進而改善患者的預后［19-20］。動物實驗也表明，二甲雙胍可減輕肥胖小鼠的變應性嗜酸性粒細胞氣道炎癥，使支氣管肺泡灌洗液中的趨化因子和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）正常化，并改善哮喘模型中杯狀細胞增生及膠原沉積等氣道病理改變［19，21］。

2.2 增強機體抗氧化能力 生理狀態下，氧化反應會控制在合理的范圍以保持機體內部的穩態，而外界環境的改變及疾病自身的進展均會導致氧化反應的增強。活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）、丙二醛（malondialdehyde，MDA）等氧化物水平不僅決定機體氧化應激損傷的程度，還與哮喘的發生發展密切相關［22-23］。哮喘患者的氧化物水平受外界環境變化的影響，如PM2.5 可刺激氣道上皮細胞及肺泡巨噬細胞生成ROS，而細胞內ROS的過量產生會引起炎性細胞因子釋放和DNA 損傷，從而導致肺損傷［24］。細胞實驗表明，二甲雙胍可顯著降低PM2.5 誘導的細胞凋亡和氧化應激損傷［25］。再者，亞洲人群的飲食習慣大多以攝入碳水化合物為主，大量碳水化合物進入體內不僅能快速升高空腹血糖和甘油三酯水平，還可直接導致氧化應激反應的增強［26］。此外，高水平的空腹血糖和甘油三酯使脂肪細胞更容易合成，而脂肪細胞會促進ROS 等氧化物的產生，加劇機體的氧化應激損傷［27］。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）是人體內主要的抗氧化酶之一，可清除人體內的氧化物降低體內氧化應激水平。哮喘患者體內的SOD 水平與疾病的狀態相關，緩解期的哮喘患者的SOD水平較發作期存在明顯升高，這提示SOD對哮喘患者的預后有積極作用［28］。二甲雙胍可下調ROS、MDA等氧化物的水平，糾正異常的糖脂水平，促進機體SOD 等抗氧化酶的生成，進而提升機體的抗氧化能力，減輕哮喘患者體內的氧化應激損傷［29-30］。

2.3 調節蛋白激酶活性 AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）及絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）參與哮喘患者的發病過程。其中AMPK 在細胞能量穩態調節及哮喘的發病中起關鍵作用［21］。二甲雙胍可通過激活AMPK 改善氣道上皮細胞培養物中鈉和水的運輸，減緩呼吸道內痰液的生成［31］。AMPK激活后可以降低哮喘小鼠肺組織缺氧誘導因子（hypoxia-in?ducible factor，HIF）、血管內皮生長因子（vascular en?dothelial growth factor，VEGF）、ROS 和炎性因子水平，還能通過抑制轉化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）的合成改善哮喘患者氣道重塑［32］。TGF-β1 在哮喘患者氣道、外周血和支氣管肺泡灌洗液的水平顯著升高，其在體內的表達水平與氣道基底膜厚度、肌成纖維細胞數目、哮喘發作的嚴重程度呈正相關［33-34］。TGF-β1 還可促進組蛋白脫乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）的分泌［35］。HDAC4與TGF-β1 均具有促進細胞自噬的作用，會加速氣道重塑的進程［36］。此外HDAC4也會促進細胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）和p38 MAPK 的表達［37］。ERK、JNK 和p38 MAPK 均屬MAPK家族，這些蛋白激酶的表達在哮喘模型均存在異常表達，并各自發揮不同的作用推動哮喘的進展。有研究認為ERK、p38 MAPK 和JNK 蛋白的上調會打破Th1、Th2 細胞及其細胞因子之間的相互平衡進而加劇哮喘患者的氣道炎癥及氧化應激損傷［38-39］。ERK 與HDAC4 能上調細胞周期蛋白D1（cyclin D1）的水平［40-41］；cyclin D1的高表達會驅動細胞從G1期過渡到S期，進而促進細胞增殖，加劇氣道重塑［42］。JNK蛋白的過量表達極易引起氣道上皮細胞的損傷［43］。二甲雙胍能通過調節AMPK、JNK、p38 MAPK、ERK等蛋白激酶及TGF-β1、HDAC4、cyclin D1等相關因子的表達進而改善氣道重塑［44-45］。

2.4 糾正腸道菌群紊亂 龐大腸道菌群構成了人體的微生態系統，雖其種類繁雜但以有益菌、無益菌條件致病菌為主。其中，有益菌為正常人體內占據優勢的菌群，可改善多種疾病預后，如雙岐桿菌、乳酸桿菌等。恰恰相反，無益菌如金黃色葡萄菌卻可加速疾病的惡化，延緩機體痊愈。條件致病菌主要有腸桿菌、腸球菌等，其對人體的作用取決于有益菌與無益菌之間的動態平衡。腸道菌群的失衡在肥胖型哮喘的人群中尤為常見，并且腸道菌群的結構及代謝功能的失常會加重哮喘患者的臨床癥狀并影響其預后［46］。二甲雙胍能夠改善腸道菌群的結構及代謝功能，提高雙歧桿菌、乳酸桿菌等益生菌的豐富度，抑制腸球菌、大腸桿菌等致病菌的繁殖，并增加腸道黏膜屏障厚度，有效改善腸道黏膜屏障功能［47-48］。哮喘等過敏性疾病患者的糞便中的丁酸等短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）顯著低于正常嬰兒［49］。這些SC?FAs可通過增加調節性T細胞的數量和增強其功能，顯著抑制過敏性氣道疾病［50］。人體內高水平的SC?FAs 對哮喘病人的預后有一定的改善作用。SCFAs能夠不僅能激活G蛋白偶聯受體發揮免疫抑制功能，還能通過抑制HDACs 并調控Treg 細胞，抑制哮喘氣道炎癥。而腸道菌群的紊亂會大幅降低SCFAs 生成速率。二甲雙胍可調節腸道菌群的結構進而加快腸道內丁酸、丙酸及SCFA等代謝產物的合成［51-52］。

3 小結與展望

隨著保健意識的增強、醫療及營養條件的改善人類的平均壽命已經得到了大幅提高。盡管人類對哮喘的發病機制理解的越來越深刻，但仍缺乏有效簡便治療手段。二甲雙胍作為傳統價廉的降糖藥物可通過改善免疫、增強抗氧化能力、調節蛋白激酶活性、糾正腸道菌群紊亂等方式緩解哮喘患者的臨床表現。值得注意的是，人體中免疫系統、氧化物、蛋白激酶、腸道菌群對哮喘的發展呈現出相互交疊的網狀聯系。四者中任何一個因素的改變均會導致其他三條途徑的變化，進而加重哮喘患者的組織損傷或臨床表現。如Th17/Treg細胞可調節AMPK的表達及腸道菌群的結構；AMPK又可調節CD4+T細胞的分化趨勢、機體ROS水平及腸道菌群的紊亂；腸道菌群的改變又會影響人體正常的免疫功能及蛋白激酶的合成。二甲雙胍在維系四者之間的良性運轉、調節上述機制之間的關系等方面有不容忽視的作用，這對改善哮喘患者的臨床癥狀及預后是積極且有益的。

雖然觀察性實驗及動物實驗已經印證了二甲雙胍在哮喘的治療效果及作用，但仍缺乏嚴謹的臨床隨機試驗來確保哮喘患者服用二甲雙胍后不會出現嚴重的胃腸道反應、乳酸酸中毒等副作用。今后的研究工作應結合分子生物學、代謝組學設計系統嚴謹的相關試驗，明確二甲雙胍治療哮喘的作用機制及臨床使用劑量，為一線用藥提供新的思路與方法。