葡萄糖穩態在下呼吸道感染中的研究進展

劉麗紅 王紅虹 孫瑞琳

下呼吸道感染是一個廣受關注的公共安全問題,在世界范圍內造成嚴重疾病和經濟負擔[1-2]。盡管由于醫療保健的進步及抗生素的使用,下呼吸道感染死亡率明顯下降[3],但年齡標化后其死亡率和傷殘調整壽命年齡在70歲以上的老年患者中改善并不顯著,下呼吸道感染仍是導致死亡的主要感染性原因[2],部分要歸因于抗生素耐藥及新型抗菌藥物研發陷入瓶頸。眾所周知,血糖控制不佳會增加包括肺炎在內的各種感染風險[4],已有不少研究證實血糖、氣道葡萄糖及炎癥之間存在密切關系[5-6],為下呼吸道感染的治療提供了一種新的思路。本文就葡萄糖穩態在下呼吸道感染中的研究進展進行綜述。

一、葡萄糖穩態與炎癥的關系

1 氣道葡萄糖與炎癥

在動物實驗和體外模型中,均發現氣道表面液體(airway surface liquid,ASL)葡萄糖濃度的升高會增加細菌負荷,使炎癥指標顯著升高[7-8]。在H441上皮細胞共培養模型中發現果糖也會促進氣道表面細菌生長,而對果糖吸收和代謝障礙的突變株而言,葡萄糖促進其生長,在添加果糖的模型中則生長受抑制[9],證明了細菌可以直接利用氣道中存在的糖來促進生長。對慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases ,COPD)患者進行實驗性鼻病毒感染后,鼻灌洗液葡萄糖濃度與基線值相比顯著增加,痰液葡萄糖濃度與炎癥細胞計數、IL-1、IL-8、TNF之間存在顯著相關性,而肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中葡萄糖濃度卻無明顯增加[10],感染引起葡萄糖濃度升高是否為局部作用尚需進一步探討,這為局部用藥來預防和治療呼吸系統感染提供一種可能。

2 血糖與氣道葡萄糖

在生理情況下,人體ASL中葡萄糖濃度為0.40 mmol/L,遠低于正常人血液當中的葡萄糖濃度(約12倍)[11]。在動物實驗中,無論是db/db小鼠還是四氧嘧啶或鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠的血糖濃度均明顯升高,其ASL中葡萄糖濃度也相應升高[7-8,12-13];在H441或原代上皮細胞體外共培養模型中,隨基底側葡萄糖濃度升高,ASL中的葡萄糖濃度也發生同步變化[11];同樣的現象在人類的鼻腔分泌物、BALF當中也能觀察到[10]。

3 高血糖與炎癥

在動物實驗中,糖尿病小鼠(db/db小鼠)鼻腔接種金黃色葡萄球菌[8]或銅綠假單胞菌[7]后,呼吸道細菌數量明顯多于野生型(wt小鼠);先前也有研究證明高血糖會抑制氣道祖細胞的增殖,從而不利于氣道炎癥修復[14]。在氣道上皮-細菌共培養模型中,模擬機體高血糖狀態,發現基底側葡萄糖濃度以劑量依賴的方式促進金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌的頂端生長[8]。在燒傷領域有研究發現[15],全身血糖水平升高超過150mg/dL與燒傷后肺炎的發生率顯著相關,且炎癥指標C-反應蛋白(C-reactive protein,CRP)顯著升高。一項多中心前瞻性隊列研究[16]發現在社區獲得性肺炎(community-acquired pneumonia,CAP)中未確診糖尿病(diabetes mellitus,DM)和糖尿病前期患者的比例分別為5.0%和37.5%,并建議臨床醫生將CAP作為檢測DM/DM前期的一個時機,可見高血糖是呼吸道感染的一個重要危險因素。

綜上所述,血糖升高可引起氣道葡萄糖增加,當血糖和ASL葡萄糖濃度增加先于感染發生時,可觀察到細菌負荷、血象、炎癥指標(CRP、IL-1、IL-8等)升高的現象,先前已經證實培養基中葡萄糖可以作為碳源為病原菌提供生長所需的營養物質,這就可以解釋為什么高血糖患者感染易感性增加;在既往無糖尿病的人群中,當感染發生時如普通感冒及實驗性鼻病毒誘導COPD加重等,可以認為炎癥出現在血糖升高之前,排除血糖影響,發現ASL葡萄糖濃度竟然也升高了。由此可見高血糖增加感染風險,感染再次引起ASL葡萄糖濃度升高,為細菌生長提供營養,最終形成惡性循環。

二、氣道葡萄糖的轉運和代謝機制

生理情況下氣道表面與血液中葡萄糖濃度相差較大,血液、間質液中的葡萄糖通過滲透作用進入氣道表面,同時通過葡萄糖轉運蛋白實現葡萄糖的清除,任何破壞這種動態平衡的因素均會導致ASL葡萄糖濃度升高,增加感染風險。

1 緊密連接與滲透作用

L-葡萄糖是一種代謝惰性的、不可轉運的D-葡萄糖立體異構體,Kalsi K. K.等人利用L-葡萄糖來研究葡萄糖的跨膜作用發現[17]H441單層上皮頂端[14C]-L-葡萄糖出現率與未標記L-葡萄糖出現率在各時間點均無顯著差異,并且隨著跨上皮細胞電阻(transepithelial electrical resistance,TEER)增加,頂端L-葡萄糖呈指數衰減趨勢,而TEER與孔徑的大小相關。在后續研究中,Garnett J.P .[9]等人發現高血糖對TEER無明顯影響,而金黃色葡萄球菌則會使TEER顯著降低,從而使氣道葡萄糖濃度增加。在較大的跨膜濃度梯度的驅動下,似乎可以認為葡萄糖是通過H441上皮細胞之間緊密連接的孔隙進行細胞旁擴散。

實現物質的被動擴散需要滿足通透性和驅動力兩個條件。氣道上皮中的緊密連接由包括連接粘附分子、claudins和occludins在內的蛋白質組成[11],在塵螨引起的過敏性鼻炎患者中發現上皮屏障功能受損與occludin的表達降低有關[18],因此我們可以認為炎癥可以下調包括occludins等蛋白的表達,而影響上皮間緊密連接,使膜通透性增加。ASL與血液中葡萄糖濃度相差較大,在如此大的驅動力之下,生理狀態下ASL中幾乎測不到葡萄糖,一方面由于本身氣道上皮對葡萄糖的通透性較小,另一方面存在葡萄糖轉運體[19],將ASL中葡萄糖重吸收,從而保持氣管腔和肺泡內“低糖狀態”。

2 呼吸道葡萄糖轉運和代謝

氣道和肺上皮通過轉運蛋白重吸收葡萄糖,達到清除ASL中葡萄糖的目的,這些轉運蛋白主要分為兩類:一是促進性葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter,GLUT),二是鈉偶聯葡萄糖轉運蛋白(sodium-glucose co-transporters,SGLT),而它們各自又存在不同的亞型。Deborah L. Baines[20]等人對于各轉運蛋白的亞型進行分析總結,結合它們在肺中的分布表明,GLUT在近端氣道(氣管、支氣管、細支氣管)中占主導地位,而SGLT在遠端肺組織中占主導地位,這與Baker E.H.[11]和 Garnett J.P.[19]等人的觀點一致。Astrand A.[7]等人發現介導大鼠肺中葡萄糖轉運的蛋白為SGLT1,而不是SGLT2。后續研究發現[13]SGLT1介導的葡萄糖轉運部分是通過cAMP-PKA途徑實現的,并證明了與SGLT1從細胞內到肺泡細胞的管腔膜上的轉移相關。

過量葡萄糖及炎癥刺激會促進氣道上皮GLUT1蛋白表達上調,一方面通過糖酵解途徑將葡萄糖迅速代謝為乳酸,減少ASL中葡萄糖濃度,另一方面乳酸增加及GLUT1蛋白參與TH17細胞等介導的炎癥反應在一定程度上促進炎癥的發生發展[21-25]。

三、氣道葡萄糖穩態的調節

在了解影響葡萄糖穩態的相關因素及其轉運和代謝機制后,我們就可以針對性的從以下幾個方面來調節呼吸道葡萄糖穩態。

1 控制血糖

血糖升高會引起ASL中葡萄糖濃度升高,為細菌滋生提供營養物質,感染風險增加;同時通過糖酵解產生乳酸及上調GLUT1蛋白參與炎癥細胞激活,進一步促進炎癥的發生發展,因此嚴格控制血糖對于下呼吸道感染預防和控制極其重要。

2 降低上皮細胞通透性

在動物實驗中,糖尿病小鼠經腹腔注射二甲雙胍預處理后,BALF中的葡萄糖濃度降低,細菌負荷減少,但其血糖卻未明顯降低,且葡萄糖攝取實驗證明D-葡萄糖的攝取與二甲雙胍無關[8],那么此時二甲雙胍降低BALF中葡萄糖濃度就可能存在另外的機制。目前有兩項研究均證實二甲雙胍會增加occludin和claudin-1的豐度,使跨上皮電阻增加,AMPK激動劑和二甲雙胍會減弱銅綠假單胞菌誘導的TEER的降低,并且對細菌生長的限制也有類似的減弱作用,但在AMPK抑制劑化合物C的存在下,未能顯著改變細菌誘導的TEER下降[8,26],由此可見二甲雙胍可以降低上皮細胞通透性,至少部分是通過激活AMPK來減少葡萄糖滲漏入氣道。遺憾的是,在一項多中心、隨機、雙盲試驗[27]中發現,二甲雙胍并不能改善因COPD急性加重而住院的非糖尿病患者的血糖濃度升高,并且對CRP和臨床結果無影響。有人對二甲雙胍在COPD中的應用進行了系統評價[28],其中有5項研究均顯示二甲雙胍對于合并糖尿病的COPD治療有效,能減少呼吸困難、改善預后,僅1項RCT研究顯示二甲雙胍對不合并糖尿病的COPD無明顯效果。二甲雙胍用于下呼吸道感染的臨床研究目前尚欠缺,后續有待進一步探究。二甲雙胍能增加上皮細胞間緊密連接蛋白的表達,這為二甲雙胍能否局部用藥控制呼吸道的葡萄糖濃度來減少細菌增殖提供一個設想,將有利于控制和預防非糖尿病患者的呼吸道感染。

另外,糖皮質激素[29]、1,25-(OH)2- VitD3[30]、過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)γ激動劑(羅格列酮)[11]以及阿奇霉素[31]均會增加TEER,減少細菌引起的緊密連接蛋白表達的下降,從而降低葡萄糖通透性。但是目前很多研究已經證明糖皮質激素會增加感染易感性,減少葡萄糖的滲透作用將不足以抵消糖皮質激素引起的免疫力降低對機體的影響,因此對于已存在感染患者應慎用糖皮質激素。

3 促進葡萄糖轉運

到目前為止,關于通過促進GLUT介導的葡萄糖轉運來減少ASL中葡萄糖濃度的相關研究較少,最近一項研究發現正常大鼠BALF中存在基線胰島素水平,胰島素可以通過PKB/Akt信號通路刺激氣道上皮中GLUT4的活性,增加葡萄糖的轉運[32]。而對于SGLT已有不少研究,異丙腎上腺素是一種非選擇性的β腎上腺素能激動劑,能誘導 SGLT1從肺泡細胞內遷移到肺泡細胞腔膜,增加SGLT1介導的肺泡葡萄糖轉運;相反使用非選擇性SGLT1、SGLT2抑制劑根皮苷則會減少BALF中葡萄糖的清除,使銅綠假單胞菌負荷增加[13]。達格列凈是選擇性SGLT2抑制劑,目前已作為一種新型降糖藥廣泛應用于臨床。SGLT2主要在腎臟中表達,而肺泡上皮細胞僅存在SGLT1,故選擇性SGLT2抑制劑對肺泡中葡萄糖吸收轉運無影響,在動物模型中也證實這一結論[8],因此,抑制SGLT2而非SGLT1對呼吸道感染治療至關重要,選擇性SGLT2抑制劑達格列凈具有很好的應用前景。

4 開發以參與葡萄糖攝取或代謝的細菌蛋白為靶點的藥物

在體外共培養模型中,發現影響果糖吸收和代謝的金黃色葡萄球菌突變株在僅添加果糖的培養基上生長明顯受限[7],可見抑制細菌對糖的利用直接影響細菌的生長繁殖,因果糖在體內濃度很低,研究針對果糖攝取和利用的細菌蛋白為靶點的藥物,其臨床意義有限,但該研究也為我們提供了一個思路,即開發以參與葡萄糖攝取或代謝的細菌蛋白為靶點的藥物在呼吸道感染性疾病的治療中可能有重大潛力。因為抑制細菌生長所需的營養物質,對幾乎所有病原菌都適用,不存在特異性,也就不存在產生類似抗生素耐藥的問題了。

四、結語與展望

綜上所述,葡萄糖穩態對于呼吸道和肺部保持一個相對無菌的狀態至關重要。無論是糖尿病控制不佳還是急性應激性血糖升高均會增加呼吸道感染的機會,并且與疾病嚴重程度、并發癥及死亡風險增加相關。血糖升高或是急慢性肺部炎癥均會引起氣道葡萄糖濃度升高,引起感染的發生或加重,減少氣道葡萄糖滲漏及促進葡萄糖轉運和代謝以維持氣道低葡萄糖狀態是控制感染發生發展的有效措施。此外,在后抗生素時代,迫切需要開發可替代或聯合用藥的新的治療方案,調節氣道葡萄糖的穩態,從源頭控制細菌生長所需要的營養物質,有望成為新的治療靶點。