氧化應(yīng)激機(jī)制在支氣管哮喘中的研究進(jìn)展

王斐 車春莉

支氣管哮喘是一種以氣道高反應(yīng)性(AHR) 、黏液高分泌、氣道重塑為特征的慢性氣道疾病,受環(huán)境和遺傳因素的復(fù)雜影響,其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，包含:免疫-炎癥反應(yīng)機(jī)制、神經(jīng)機(jī)制、氣道高反應(yīng)機(jī)制等[1]。其中，氣道慢性炎癥是支氣管哮喘的本質(zhì)，并且已有充分文獻(xiàn)記載Th2細(xì)胞在哮喘發(fā)病機(jī)制中的核心作用[2]。近年來，隨著對(duì)于氧化應(yīng)激機(jī)制的深入研究，發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激是支氣管哮喘慢性氣道炎癥的一個(gè)重要組成部分，與疾病嚴(yán)重程度有關(guān)，并且在激素不敏感的哮喘患者中，起著至關(guān)重要的作用[3]。在支氣管哮喘中，慢性炎癥和活化的氣道上皮細(xì)胞的氧化損傷等來源，增加了氧化劑的生成，同時(shí)抗氧化防御能力降低，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和過氧化氫酶等，造成呼吸系統(tǒng)氧化和抗氧化的不平衡，這種氧化應(yīng)激失衡，可導(dǎo)致組織損傷、氣道炎癥加重、氣道高反應(yīng)增強(qiáng)等一系列病理生理改變[4]。綜合大量文獻(xiàn)，我們將氧化應(yīng)激機(jī)制及在支氣管哮喘中的研究進(jìn)展做一綜述，以期能夠闡明支氣管哮喘與氧化應(yīng)激的關(guān)系，及當(dāng)前的研究進(jìn)展，為后續(xù)可能的哮喘抗氧化治療提供理論基礎(chǔ)。

氧化應(yīng)激機(jī)制的介紹

氧化應(yīng)激是由于活性氧(ROS)，如超氧自由基、過氧化氫、次氯酸和羥基自由基的增加而導(dǎo)致體內(nèi)氧化水平超過抗氧化防御而發(fā)生的損害[5]。是一種活性氧和抗氧化劑之間不平衡的狀態(tài)。

一、活性氧的生成

細(xì)胞內(nèi)ROS生成的三個(gè)主要來源是氧化代謝、氧化爆發(fā)(或呼吸爆發(fā))和暴露于多種環(huán)境因素，如臭氧、PM2.5及香煙煙霧等。其中，線粒體氧化代謝是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要來源，而在先天性免疫系統(tǒng)激活過程中，氧化爆發(fā)成為了形成ROS的主要來源[6]。不管哪種方式下形成的ROS，都可能與細(xì)胞內(nèi)的幾個(gè)生物分子發(fā)生反應(yīng)，誘導(dǎo)ROS依賴的表觀遺傳修飾和翻譯后修飾，從而對(duì)細(xì)胞功能產(chǎn)生影響或觸發(fā)免疫反應(yīng)。翻譯后修飾的分子可以激活toll樣受體(TLR)信號(hào)通路和NLRP-3炎癥小體，從而增加IL-1、IL-6、TNF 和IL-18等的表達(dá)，這些細(xì)胞因子和趨化因子，反過來激活先天免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)ROS的產(chǎn)生[7]，形成了一個(gè)正反饋系統(tǒng)。

二、抗氧化防御

在ROS不斷生成的情況下，對(duì)抗ROS的第一道防線的抗氧化劑的作用就顯得尤為重要，抗氧化劑可以對(duì)抗氧化應(yīng)激的破壞作用，進(jìn)而維持機(jī)體氧化抗氧化系統(tǒng)的平衡，主要通過分解或清除活性氧來防止氧化應(yīng)激，分為兩大類:酶類和非酶類。酶類抗氧化劑主要包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶。其中過氧化氫酶存在于肺泡和肺間質(zhì)，也存在于血管和氣道中，幫助將強(qiáng)氧化劑過氧化氫(H2O2)轉(zhuǎn)化為H2O，從而幫助降低系統(tǒng)氧化水平[6]。近年來，也發(fā)現(xiàn)血紅素氧合酶-1、硫氧還蛋白、過氧化物酶和谷氧還蛋白參與了抗氧化防御機(jī)制。非酶類抗氧化劑在對(duì)機(jī)體的抗氧化中亦起著重要作用，主要包括維生素C和E、β胡蘿卜素、尿酸、谷胱甘肽、白蛋白和三肽L- 3 -谷氨酰-L-胱氨酸-L-甘氨酸等[8]。除此之外，近年來的文獻(xiàn)中指出銅藍(lán)蛋白(CP)是在肝臟合成，屬急性時(shí)相反應(yīng)蛋白，在支氣管哮喘患者中是升高的[9]。一方面CP自身可調(diào)節(jié)機(jī)體免疫，且具備抗氧化作用，另一方面可與髓過氧化物酶(MPO)結(jié)合形成復(fù)合物進(jìn)而改變 MPO 構(gòu)象，間接抑制活性氧形成，兩方面共同作用起到抗氧化作用。H2S是一種有毒氣體，最近的研究發(fā)現(xiàn)H2S通過增加谷胱甘肽的生成、維持抗氧化劑CuZnSOD構(gòu)象的穩(wěn)定性、抑制 NADPH氧化酶活性減少ROS的產(chǎn)生參與氧化應(yīng)激[10]，是一種有潛力的抗氧化劑。

一旦這種氧化與抗氧化的平衡被打破，氧化應(yīng)激產(chǎn)物增加，這些被激活的介質(zhì)均可導(dǎo)致支氣管上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變，增加組織破壞和炎癥表達(dá)，增加黏液分泌，增加氣道高反應(yīng)性及誘導(dǎo)氣道平滑肌收縮[11]，加劇哮喘的惡化，影響患者的生活質(zhì)量。

支氣管哮喘與氧化應(yīng)激機(jī)制

一、支氣管哮喘中ROS的來源

ROS的產(chǎn)生是線粒體、細(xì)胞色素P450系統(tǒng)、過氧化物酶體和炎癥細(xì)胞內(nèi)正常細(xì)胞代謝的結(jié)果[12]，在正常條件下，ROS作為信號(hào)分子來調(diào)節(jié)生理過程。然而，在支氣管哮喘中，ROS的過量產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、修飾蛋白和氧化性DNA損傷，損害多個(gè)細(xì)胞器并影響其功能，加重患者的嚴(yán)重程度，這可能與哮喘患者的過敏反應(yīng)和炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)有關(guān)。支氣管哮喘中ROS的主要外部來源包括空氣污染、花粉、香煙煙霧和過敏原暴露后進(jìn)入氣道的炎癥細(xì)胞。而內(nèi)部來源包括線粒體功能障礙和代謝因素，如肥胖/代謝綜合征等[13]。一方面內(nèi)源性和外源性活性氧(包括超氧、活性氮和氫)均會(huì)增加氣道炎癥，是哮喘嚴(yán)重程度的關(guān)鍵決定因素[14]。另一方面氣道中活化的炎癥細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，反過來干擾體內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA的表達(dá)，從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激，且通過引起氣道平滑肌細(xì)胞損傷，導(dǎo)致其過度收縮及降低氣道上皮細(xì)胞修復(fù)氧化應(yīng)激損傷的能力，導(dǎo)致哮喘控制不良[15]。

二、支氣管哮喘與氧化應(yīng)激

支氣管哮喘是多種細(xì)胞成分參與的慢性炎癥性疾病，特別是嗜酸性粒細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞通過不同的機(jī)制參與到氧化應(yīng)激中。其中，嗜酸性粒細(xì)胞在接觸病毒和過敏原時(shí)產(chǎn)生ROS，同時(shí)釋放出嗜酸性粒細(xì)胞過氧化物酶(EPO)參與氧化應(yīng)激[16]；而研究發(fā)現(xiàn)在人類中性粒細(xì)胞性哮喘中，NOX4(NADPH氧化酶4)過表達(dá)能夠促進(jìn)氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致哮喘患者氣道平滑肌過度收縮[17]；CaMKII(鈣調(diào)蛋白激酶II )是一種廣泛表達(dá)的多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶，在哮喘患者的支氣管上皮中存在氧化性活化的CaMKII，可通過促進(jìn)肥大細(xì)胞聚集和炎癥導(dǎo)致哮喘[18]。

眾所周知，在支氣管哮喘中，機(jī)體缺氧是最重要的一個(gè)表現(xiàn)，由于氧的缺乏，黃嘌呤氧化還原酶(XOR)的表達(dá)、蛋白質(zhì)豐度和酶活性上調(diào)，隨著XOR的升高，可導(dǎo)致活性物質(zhì)形成速率顯著提高，特別是過氧化氫和超氧化物。這些活性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致氣道平滑肌收縮，在正常情況下完整的氣道上皮抗氧化防御系統(tǒng)會(huì)對(duì)抵抗氣道的過度收縮，而在氧化抗氧化系統(tǒng)失衡的情況下，就會(huì)出現(xiàn)氣道的結(jié)構(gòu)和功能上的損傷[19]。

肥胖被認(rèn)為是哮喘病控制不良的因素之一，與肺功能下降相比，肥胖哮喘患者的全身氧化應(yīng)激是更強(qiáng)的急性加重因子。肥胖引起的全身氧化應(yīng)激升高會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的氣道炎癥和對(duì)類固醇治療的抵抗[20]。Hartmut Grasemann認(rèn)為NOS2(一氧化氮合成酶2)解偶聯(lián)和線粒體功能障礙增加了氣道上皮細(xì)胞氧化產(chǎn)物從而加重肥胖患者體內(nèi)氧化應(yīng)激水平[4]。血清中丙二醛(MDA)濃度是評(píng)估哮喘患者氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化的重要生物標(biāo)記物，Elalameey等人的研究顯示，肥胖哮喘患者血清MDA濃度顯著升高，且重癥哮喘患者血清MDA濃度與中度和輕度哮喘患者相比明顯升高[21]。我國的一項(xiàng)研究表明白藜蘆醇RSV通過激活肥胖哮喘大鼠的Nrf2抗氧化防御系統(tǒng)，對(duì)肥胖哮喘相關(guān)氧化應(yīng)激具有保護(hù)作用[22]。

哮喘的發(fā)病率隨著環(huán)境因素，特別是PM2.5及臭氧濃度增加而增加，PM2.5是外源性氧化劑，高濃度的暴露可激活 jak2 /STAT3信號(hào)通路從而引起或加重哮喘患者的氧化應(yīng)激[23]。同時(shí)在Bao Aihua的研究中發(fā)現(xiàn)，抑制ROS的生成，可以改善在哮喘模型中臭氧誘導(dǎo)的氣道高反應(yīng)性及慢性氣道炎癥[24]。

支氣管哮喘與氧化應(yīng)激相關(guān)進(jìn)展

一、支氣管哮喘相關(guān)氧化應(yīng)激標(biāo)志物

哮喘患者體內(nèi)的氧化應(yīng)激標(biāo)志物一直是研究熱點(diǎn)，ROS與細(xì)胞膜上的脂質(zhì)，特別是花生四烯酸相互作用，釋放8-異前列腺素，這是脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物，是一種屬于F2異前列腺素類的前列腺素(PG)-F2樣化合物，是氧化應(yīng)激最穩(wěn)定的生物標(biāo)志物，在健康人的呼吸中可以檢測(cè)到8-異前列腺素，而在哮喘病例中其水平明顯升高[25]。氧化應(yīng)激指標(biāo)還包括丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽(GSH)、髓過氧化物酶(MPO)和8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)等。除了這些常見的指標(biāo)，還有許多新指標(biāo)的出現(xiàn)，豐富了這一群體。Angelo Zinellu等人的研究表明蛋白巰基(PSH)濃度與哮喘獨(dú)立相關(guān)，且首次發(fā)現(xiàn)SH組蛋白是哮喘中氧化應(yīng)激的敏感和早期標(biāo)記[26]。間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞在哮喘小鼠模型中發(fā)揮著氧化劑/抗氧化平衡的作用，通過定量肺組織中的硝基酪氨酸可評(píng)估人類骨髓間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞(HMSC)在過敏性哮喘實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芯S持氧化平衡的效果，可以作為組織氧化應(yīng)激的標(biāo)記物[27]。

二、支氣管哮喘的抗氧化治療及進(jìn)展

在諸多支氣管哮喘氧化應(yīng)激標(biāo)志物的基礎(chǔ)上，許多研究團(tuán)隊(duì)開始對(duì)哮喘的抗氧化治療進(jìn)行更深一步的探索。在哮喘的抗氧化治療中，保持了低水平活性氧對(duì)機(jī)體的有利作用，同時(shí)，抗氧化針對(duì)的是過量活性氧所產(chǎn)生的氧化應(yīng)激損傷，而非針對(duì)活性氧本身[3]。維生素E是一種常見的抗氧化劑，可逆轉(zhuǎn)被nAI2O3(納米氧化鋁)誘導(dǎo)的過敏性哮喘小鼠肺組織的氣道高反應(yīng)性和氣道炎癥[28]。抗壞血酸和骨化三醇亦具有抗氧化、抗炎及免疫調(diào)節(jié)作用，研究表明，單獨(dú)使用抗壞血酸和骨化三醇，對(duì)哮喘沒有任何保護(hù)作用，只有當(dāng)聯(lián)合使用這兩種維生素才能夠降低氧化損傷和炎癥水平[29]。LPS(脂多糖)是一種存在于革蘭氏陰性菌外膜的糖脂類物質(zhì)，是通過toll樣受體4介導(dǎo)的先天性免疫應(yīng)答的重要激活因子，Leandro do Nascimento Camargo等人的研究證實(shí)抑制IL-17有助于控制LPS加重的哮喘模型中Th1/Th2/Th17介導(dǎo)的炎癥、趨化因子表達(dá)和肺實(shí)質(zhì)的氧化應(yīng)激[30]，IL-17抑制劑也就成為哮喘治療的一個(gè)新的研究方向。在哮喘的神經(jīng)保護(hù)方面，Géssica Luana Antunes的研究結(jié)果首次表明，使用新斯的明治療哮喘小鼠，能夠減少ROS的生成并增強(qiáng)大腦皮層中的抗氧化酶、過氧化氫酶活性，這也證實(shí)了外周免疫系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間是存在相互溝通的，提示了乙酰膽堿酯酶抑制劑，如新斯的明，應(yīng)作為可能的治療策略，在哮喘的神經(jīng)保護(hù)方面進(jìn)一步研究[31]。在支氣管哮喘中，氧化應(yīng)激可通過激活PI3K(肌醇磷脂‐3‐激酶)誘導(dǎo)的促炎狀態(tài)和糖皮質(zhì)激素不敏感[32]。通過Bi Jing等人的實(shí)驗(yàn)，我們得知PI3K抑制劑加地塞米松聯(lián)合治療可以通過恢復(fù)HDAC2(組蛋白去乙酰化酶2)活性和抑制核信號(hào)轉(zhuǎn)錄因子磷酸化的機(jī)制改善重癥哮喘的糖皮質(zhì)激素敏感性[33]。在Kim Hyun-Kyoung的實(shí)驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)PI3K抑制劑顯著降低了炎癥和氣道重構(gòu)的嚴(yán)重程度[34]。這是一種很有前途的治療策略，還需要進(jìn)一步的研究。在哮喘小鼠中，HMGB1(高遷移率族蛋白B1)通過上調(diào)Th2反應(yīng)促進(jìn)了IL-4的分泌和嗜酸性炎癥，增加氣道高反應(yīng)性及氣道炎癥，并且該通路與氧化應(yīng)激之間存在一定關(guān)聯(lián)，所以HMGB1可能是一個(gè)重要的調(diào)節(jié)點(diǎn)和有前景的治療哮喘的靶點(diǎn)[35]。盡管靶向代謝組學(xué)研究存在局限性，但我們相信這項(xiàng)技術(shù)在研究哮喘可能的候選標(biāo)記物和潛在的病理生理學(xué)方面具有巨大的潛力。氧化應(yīng)激作為支氣管哮喘的一個(gè)新特征，我們也發(fā)現(xiàn)了在諸多研究中特別強(qiáng)調(diào)各種新型藥物載體的最新發(fā)展趨勢(shì)，這些載體包括微粒子、微乳液、微球、納米顆粒、脂質(zhì)體、樹狀大分子、固態(tài)脂質(zhì)納米載體等，有助于對(duì)抗哮喘中的氧化應(yīng)激，最終減輕疾病負(fù)擔(dān)，改善哮喘患者的生活質(zhì)量[15]。早在2014年楊碩等人的研究中，哮喘治療組在治療基礎(chǔ)上加用輔酶Q10片，每日3次，1次1片，連用5～10天，對(duì)照組加用同等劑量的維生素C片，結(jié)果顯示，治療組的癥狀緩解有效率優(yōu)于對(duì)照組，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[36]。這項(xiàng)研究中未提及藥物的不良反應(yīng)，但我們知道當(dāng)輔酶Q10作為心血管疾病的輔助治療措施，其不良反應(yīng)有胃部不適、食欲減退、惡心、腹瀉、心悸，偶見皮疹[37]。然而其在支氣管哮喘方面的不良反應(yīng)仍需待進(jìn)一步臨床試驗(yàn)的結(jié)果而視。目前亦有正在進(jìn)行的針對(duì)氧化應(yīng)激的藥物的研發(fā)，根據(jù)查找的文獻(xiàn)[4]得知：(1)、有一項(xiàng)二期隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)，評(píng)估輔酶 Q10 是否能改善肥胖哮喘患者的臨床結(jié)局。(2)、MitoQ是一種線粒體靶向抗氧化劑，可以通過抑制線粒體來源的活性氧的作用來改善哮喘。此項(xiàng)研究(NCT 04026711)將在成年肥胖患者中進(jìn)行。(3)、美國肺科協(xié)會(huì)-氣道臨床研究中心(NCT 03532490)正在進(jìn)行Roflumilast在哮喘管理試驗(yàn)(TRIM)與安慰劑對(duì)照的試驗(yàn)，以評(píng)估哮喘控制的情況。(4)、L-瓜氨酸含豐富的抗氧化劑，能吸收有害的自由基。一項(xiàng)關(guān)于L-瓜氨酸的初步研究(15g/d 連續(xù)2周)顯著的改善了哮喘的癥狀控制，特別是遲發(fā)性哮喘的肥胖女性在FEV1方面的改善最顯著。一項(xiàng)大規(guī)模的二期臨床研究正在進(jìn)行(NCT 03885245)，以用來確定大劑量 L-瓜氨酸作為哮喘患者輔助治療的長(zhǎng)期療效和安全性。但是這幾種正在研發(fā)藥物的具體用藥方式及藥物的不良反應(yīng)尚無從得知，相信在后續(xù)的研究成果中會(huì)體現(xiàn)出來。

展望與總結(jié)

綜上所述，氧化應(yīng)激是支氣管哮喘的一個(gè)重要機(jī)制。目前，全世界有3億多人患有哮喘，預(yù)計(jì)到2025年，這一數(shù)字將再增加1億人。哮喘患者的臨床癥狀嚴(yán)重程度不同，對(duì)常用治療方法的反應(yīng)不同，炎癥過程的特點(diǎn)也不同。在支氣管哮喘中，感染、暴露于污染物和過敏原，會(huì)放大氧化還原異常，高水平的氧化應(yīng)激產(chǎn)物對(duì)支氣管上皮及蛋白質(zhì)等的破壞增強(qiáng)，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)的缺陷也是哮喘發(fā)展的關(guān)鍵因素。糖皮質(zhì)激素作為目前哮喘治療的主要方法，并不能有效的減少氧化應(yīng)激損害，因此，未來的研究將進(jìn)一步開發(fā)氧化途徑的非侵入性特征生化標(biāo)志物，和設(shè)計(jì)針對(duì)氧化還原機(jī)制的療法，以限制破壞性氧化物種的形成，增加機(jī)體抗氧化能力，確定該疾病的最佳控制方法，提高患者的生活質(zhì)量。