PI3K/Akt-FoxO1在COPD炎癥機(jī)制中的作用及大環(huán)內(nèi)酯類藥物的重要作用

張桂新 唐君媛 孫雪皎

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種慢性的炎性疾病,其特點(diǎn)是持續(xù)的氣流受限,吸煙則是其最主要的危險(xiǎn)因素[1]。香煙中的煙草煙霧會(huì)使炎癥細(xì)胞,如中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞活化,釋放出各種前體炎癥因子,從而造成慢性全身炎癥反應(yīng),而慢性炎癥反應(yīng)則是 COPD發(fā)展的重要因素[2]。持續(xù)的炎癥反應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)了COPD的發(fā)展,且累及全身多個(gè)器官[3]。然而,COPD炎癥機(jī)制較為復(fù)雜,目前尚不完全明確。因此,深入探討COPD炎癥發(fā)生與發(fā)展的機(jī)制,對(duì)防治COPD、改善患者預(yù)后至關(guān)重要。

一、煙草煙霧暴露與COPD炎癥

COPD的慢性炎癥包括氧化應(yīng)激、氣道中性粒細(xì)胞炎癥、肺組織T淋巴細(xì)胞的浸潤(rùn)及反復(fù)感染等,吸煙及有害顆粒在COPD炎癥的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。吸煙可刺激肺泡巨噬細(xì)胞分泌IL-8及TNF-α等多種細(xì)胞因子[4],導(dǎo)致COPD氣道炎癥及肺組織的損傷,這進(jìn)一步使中性粒細(xì)胞滯留、活化,使細(xì)胞脫顆粒、呼吸爆發(fā)、溶酶體釋放以及產(chǎn)生超氧化物,使炎癥因子的釋放明顯增加,形成瀑布級(jí)聯(lián)效應(yīng),進(jìn)一步加重了氣道、肺部及全身的炎癥反應(yīng)。

二、PI3K/Akt通路與COPD的發(fā)病和發(fā)展

COPD肺中有較強(qiáng)的慢性炎癥反應(yīng),其中以吸煙和有害微粒所致的氧化應(yīng)激最為顯著,并且與PI3K/Akt信號(hào)通路的活性有關(guān)[5]。PI3K產(chǎn)生脂類第二信使負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞,并參與細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖和周期活動(dòng)的調(diào)節(jié),其在呼吸爆發(fā)、細(xì)胞遷移和細(xì)胞信號(hào)傳遞等炎癥反應(yīng)中扮演著重要角色。Akt也被稱為蛋白激酶B(PKB),是PI3K下游的重要效應(yīng)物,被激活的 Akt (PAkt)可以通過使物質(zhì)磷酸化來調(diào)控多種酶、激酶和轉(zhuǎn)錄因子等下游因子,從而調(diào)控細(xì)胞的功能。研究結(jié)果表明,氧化應(yīng)激能激活PI3K,抑制HDAC2的表達(dá)和活性[6],PI3K抑制劑能提升HDAC2的活性,并能恢復(fù)糖皮質(zhì)激素在吸煙誘導(dǎo)的大鼠氣道炎癥中的抗炎作用從而有效地抑制大鼠氣道炎癥[7]。我們最近的一項(xiàng)研究也顯示,煙草煙霧暴露能夠?qū)е聠魏思?xì)胞PAkt表達(dá)升高[8-9],增加煙草煙霧暴露下單核細(xì)胞的炎癥反應(yīng);PI3K抑制劑能夠減輕煙草煙霧暴露下人單核細(xì)胞的糖皮質(zhì)激素抵抗[8]。因此,PI3K/Akt通路在COPD炎癥的發(fā)生與發(fā)展中至關(guān)重要。

PI3K信號(hào)通路是通過其下游的某些關(guān)鍵因子而起作用,例如與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,然而,COPD肺部及全身炎癥的發(fā)生機(jī)制較為復(fù)雜,除NF-κB之外,PI3K/Akt通路是否通過其他關(guān)鍵因子起作用,目前國內(nèi)外尚無相關(guān)研究。進(jìn)一步探討PI3K/Akt通路的作用對(duì)防治COPD至關(guān)重要。

三、PI3K/Akt-FoxO1與COPD炎癥的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)

FoxO是叉頭蛋白的一個(gè)亞群,它在維持器官發(fā)育、調(diào)節(jié)免疫、細(xì)胞凋亡、糖和脂肪代謝,抑制腫瘤、氧化應(yīng)激以及器官的老化過程中均扮演重要角色[10-14]。FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6四個(gè)基因已被人們所知,其中關(guān)于FoxO1及FoxO3的研究較多。

FoxO3是由 FoxO3 基因編碼的人類蛋白質(zhì),也稱Forkhead box O3或 FoxO3a。FoxO3屬于叉形頭轉(zhuǎn)錄因子的O亞型,這一類轉(zhuǎn)錄因子的特點(diǎn)是鮮明的叉頭 DNA 結(jié)合域。FoxO3a 的異常表達(dá),可能與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān),例如繼發(fā)性急性白血病的MLL 基因與此基因的易位相關(guān)聯(lián)。癌癥中常見的是FoxO3a基因的下調(diào),FoxO3 也被稱為腫瘤抑制器[15]。

FoxO1是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的 FoxO家族成員,近年來,因其參與調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng),越來越受到重視,尤其是在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生與發(fā)展中的作用,是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。近年來的研究表明,FoxO1在心血管疾病、糖尿病及腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色,國內(nèi)已有研究顯示,將小鼠心肌細(xì)胞中FoxO1特異性去除后,心肌在缺血再灌注或心肌梗死時(shí)損害范圍顯著增加[16]。

PI3K/Akt信號(hào)途徑可誘導(dǎo)FoxO1的磷酸化,使其從細(xì)胞核向細(xì)胞漿中運(yùn)輸,從而降低轉(zhuǎn)錄活性,進(jìn)而抑制FoxO1控制的下游基因的表達(dá)。另外,PI3K信號(hào)通路與代謝、衰老、抗癌等細(xì)胞生理活動(dòng)密切相關(guān),也間接證明了FoxO1在細(xì)胞凋亡、DNA損傷/修復(fù)、應(yīng)激、血管生成、糖代謝及腫瘤發(fā)生等方面也扮演著重要角色,尤其是氧化應(yīng)激,是近年來的研究重點(diǎn)[17]。研究表明,在胰島素抵抗的肝細(xì)胞中,FoxO1蛋白表達(dá)水平及核轉(zhuǎn)錄活性增加,增強(qiáng)了TNF-α對(duì)MCP-1、IL-1β、IL-6等多種促炎細(xì)胞因子及趨化因子CCL-20的表達(dá),并可能通過其他信號(hào)通路影響了NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性[18]。以上研究表明,FoxO1可能在炎癥發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。此外,FoxO1參與了調(diào)控免疫細(xì)胞的免疫應(yīng)答,也就是其在人體免疫系統(tǒng)中起著重要的調(diào)控作用[19]。有報(bào)道認(rèn)為FoxO1是能誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)源性抗氧化分子的轉(zhuǎn)錄因子,可能是潛在的抗氧化應(yīng)激的靶點(diǎn)[20]。然而,FoxO1在肺部疾病中的相關(guān)研究較少,尤其是在COPD的治療方面,為國內(nèi)外空白。

據(jù)此,FoxO1可能是COPD肺部及全身炎癥反應(yīng)的重要作用點(diǎn),可能促進(jìn)了炎癥的發(fā)生與發(fā)展。對(duì)此進(jìn)一步研究與探討將對(duì)COPD的防治工作具有關(guān)鍵作用。

四、大環(huán)內(nèi)酯類藥物對(duì)COPD的抗炎作用

大環(huán)內(nèi)酯類藥物的抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用是目前臨床上研究的熱點(diǎn)之一[21],長(zhǎng)期使用低劑量的大環(huán)內(nèi)酯類藥物(主要是14環(huán)的紅霉素,羅紅霉素,克拉霉素,15環(huán)的阿奇霉素)對(duì)彌漫性泛細(xì)支氣管炎(diffuse panbronchiolitis,DPB)和囊性肺纖維化的治療具有明顯的效果,其降低了DPB患者支氣管肺泡灌洗液中的炎癥因子和中性粒細(xì)胞水平,改善了DPB患者的肺功能[22-24];由于其可以降低肺和全身的炎癥因子的表達(dá)[21],因此對(duì) COPD和哮喘的治療也獲得了很好的療效[24-26],研究顯示,長(zhǎng)期使用低劑量的紅霉素可以降低 COPD病人痰中的IL-8水平,并顯著降低急性發(fā)作的次數(shù)[27];體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,紅霉素能提高HDAC2的活力,降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性和IL-8的合成[24]。有體外研究顯示阿奇霉素降低了人囊性纖維化細(xì)胞系中的TNF-α的mRNA表達(dá)率,降低了TNF-α蛋白水平和NF-κB DNA結(jié)合活性,進(jìn)而降低了隨后的 IL-6 和 IL-8 等炎癥因子的產(chǎn)生[28]。另外,也有實(shí)驗(yàn)證明阿奇霉素的抗炎作用與氣道中幾種人類白細(xì)胞抗原(HLA-A,HLA-B,HLA-DPA1,HLA-DRA和HLA-DRB4)的下調(diào)有關(guān)。HLA-A 和 HLA-B 是主要組織相容性復(fù)合體 (MHC) Ⅰ類表面受體的亞型,而 HLA-DPA1、HLA-DRA 和 HLA-DRB4 是 MHC Ⅱ 類表面受體的亞型。MHC Ⅰ類和Ⅱ類受體分別參與CD4+和CD8+T細(xì)胞抗原的呈遞。TAP-1表達(dá)對(duì)于MHC-I肽復(fù)合物的形成至關(guān)重要,因此阿奇霉素可能通過破壞抗原呈遞來抑制氣道中的炎癥反應(yīng)[29]。也有臨床實(shí)驗(yàn)證明低劑量阿奇霉素對(duì)減少COPD患者急性加重次數(shù)有益,長(zhǎng)期給予低劑量阿奇霉素可抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,增強(qiáng)巨噬細(xì)胞吞噬作用和抗炎細(xì)胞因子表達(dá)[30]。另外,一種新的大環(huán)內(nèi)酯類藥物索利霉素(CEM101)能降低在氧化應(yīng)激作用下的PI3K信號(hào)途徑的表達(dá),從而減少糖皮質(zhì)激素抵抗[31]。因此,COPD患者可以從大環(huán)內(nèi)酯類藥物抗炎和減少激素的抵抗作用中獲益。在我們既往的研究表明,紅霉素通過減弱PI3K/Akt通路的活性,上調(diào)組蛋白去乙酰化酶2表達(dá)減輕氧化應(yīng)激下單核細(xì)胞的糖皮質(zhì)激素抵抗,降低NF-κB的活性及炎癥因子的表達(dá),減輕炎癥反應(yīng);小劑量紅霉素可減輕COPD患者外周血PAkt蛋白及炎癥因子IL-8的水平,且聯(lián)合小劑量茶堿后,較單獨(dú)口服小劑量紅霉素的抗炎作用更加顯著。由此可見,紅霉素能夠明顯的減弱COPD及煙草煙霧暴露的單核細(xì)胞炎癥反應(yīng),并且與控制PI3K/Akt信號(hào)通路的活性有關(guān)。

五、總結(jié)與展望

COPD的特征是肺實(shí)質(zhì)和外周氣道的慢性炎癥,伴有肺泡巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、T 細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的增加。這些細(xì)胞以及結(jié)構(gòu)細(xì)胞,如上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞,分泌多種促炎細(xì)胞因子,在慢性阻塞性肺疾病患者中,血液中的IL-1β、IL-4、IL-8和TNF-α濃度升高。氧化應(yīng)激在COPD中起關(guān)鍵作用,并可導(dǎo)致NF-κB的激活。此外,COPD 與氣道細(xì)胞凋亡增加和吞噬功能缺陷有關(guān)[32]。COPD炎癥機(jī)制及治療是近年來的研究熱點(diǎn),目前 COPD的主要預(yù)防措施是戒煙和抗炎,但目前大部分 COPD患者無法戒煙,并且戒煙后的炎癥反應(yīng)也沒有得到顯著的改善,所以抗炎治療成為控制COPD的一個(gè)重要手段。紅霉素對(duì)COPD的抗炎作用及療效已得到證實(shí),且與PI3K/Akt通路的活性有關(guān),然而,COPD炎癥及紅霉素抗炎機(jī)制復(fù)雜,是否通過其他機(jī)制減輕COPD炎癥,比如增加FoxO1蛋白的表達(dá),值得我們進(jìn)一步探討及研究,將進(jìn)一步明確大環(huán)內(nèi)酯類藥物的抗炎作用及分子機(jī)制,為COPD 的診治提供新的思路和方法。