COPD相關肌肉減少癥發病機制的研究進展

張煙煙 杜毓鋒

COPD是一種嚴重影響健康的呼吸道疾病,其特征是進行性發展且不可逆轉的氣流受限。除了呼吸道癥狀外,COPD還會對身體功能(身體活動水平、肌肉質量和力量)和生活質量等產生負面影響[1]。肌肉減少癥是以骨骼肌質量和力量進行性下降為特征的全身性疾病,是COPD常見的肺外合并癥,可增加骨質減少、骨質疏松癥和低骨密度的風險[2]。Benz等[3]的一項薈萃分析顯示,與同齡的對照組相比,COPD病人肌肉減少癥的患病率更高。2020年的一項Meta分析共納入了9416例COPD病人,其中肌肉減少癥的總患病率約為27.5%,且病情較重[慢性阻塞性肺疾病全球倡議(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease,GOLD)Ⅲ～Ⅳ期]的病人肌肉減少癥患病率明顯高于病情較輕(GOLD Ⅰ～Ⅱ期)的病人(37.6%比19.1%)[1]。由此可見,肌肉減少癥在COPD病人中的患病率較高,且可能與疾病的嚴重程度相關。本文擬從炎癥反應、氧化應激和線粒體功能障礙、肌肉再生能力受損、缺乏活動、低氧血癥、營養不良、糖皮質激素(glucocorticoid,GC)等方面探討COPD相關肌肉減少癥的發病機制。

1 炎癥反應

1.1 炎癥介質 COPD病人肺組織中的免疫細胞和上皮細胞可分泌和釋放促炎(proinflammatory,PI)介質,如TNF-α、IL-6等。Byun等[4]測量了80例穩定期COPD病人靜脈血中炎癥生物標志物水平,包括高敏感性腫瘤壞死因子-α(highly sensitive tumor necrosis factor-α,hsTNF-α)和IL-6,結果顯示,肌肉減少癥病人的hsTNF-α和IL-6水平顯著高于無肌肉減少癥病人。Lin等[5]的研究也顯示,COPD伴肌肉減少癥病人的血清IL-6濃度顯著高于無肌肉減少癥的COPD病人,且IL-6與骨骼肌質量指數(skeletal muscle mass inde,SMI)呈負相關。

TNF-α通過多種途徑調節肌肉質量信號傳導[6],過度表達會導致骨骼肌蛋白降解,損害肌肉再生過程和肌源性反應,引起肌肉萎縮。一方面,TNF-α可以通過抑制成肌分化因子(myogenic differentiation,MyoD)來減少肌肉再生。另一方面,TNF-α通過激活NF-κB誘導肌肉特異性環指蛋白-1(muscle-specific ring finger protein 1,MuRF-1)的表達并增加泛素-蛋白酶體系統(ubiquitin-proteasome system,UPS)的活性,導致肌肉蛋白質降解。此外,TNF-α還可與腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor,TNFR)結合,導致半胱天冬酶級聯反應的下游激活,刺激骨骼肌的細胞核凋亡[7]。總體而言,TNF-α與肌肉減少癥的發病機制有關。

IL-6作為另一種重要的PI細胞因子,對骨骼肌有雙向作用。它是骨骼肌在運動過程中釋放的重要肌肉細胞分子,可以促進肌肉纖維代謝和再生。當IL-6通過反式信號通路激活細胞時,則具有促炎作用[5]。體外研究表明,IL-6可以抑制胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)的分泌及其生物活性,對肌肉功能產生負面影響[8]。此外,IL-6還可以促進肌肉纖維中肌肉生長抑制素和半胱天冬酶-3的表達,增加肌肉蛋白質的水解[9]。

1.2 蛋白水解途徑 肺組織中的PI細胞因子“外溢”,進一步激活遠處組織中的炎癥細胞,最終導致全身炎癥[10]。各種研究表明,全身炎癥引發的蛋白質合成-分解代謝失衡是導致骨骼肌萎縮和肌肉力量下降的主要因素[9]。炎癥可以通過上調關鍵的蛋白水解途徑,例如UPS和自噬溶酶體途徑(autophagic lysosomal pathway,ALP)導致肌肉萎縮[11]。在很多情況下,肌肉質量的急性喪失主要取決于UPS介導的肌肉蛋白質分解增加,該過程的限速酶包括Ub-E3連接酶萎縮素-1(atrogin-1)和MuRF-1。在多種炎癥細胞因子的刺激下,肌肉中激活的NF-κB可增加MuRF-1的表達,進而激活UPS,增加蛋白質分解代謝,導致肌肉萎縮[12]。

人自噬啟動蛋白1(unc-51-like kinase 1,ULK1)是自噬的上游調節因子,其活性與其在哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1(mammalian target of rapamycin-1,mTORC1)催化下絲氨酸757上的磷酸化呈反比。肺部出現炎癥后,DNA損傷反應調節蛋白1(regulated in development and DNA damage responses 1,REDD1)的信使RNA(mRNA)和蛋白表達水平迅速增加,上調并通過結節性硬化癥蛋白復合體(tuberous sclerosis complex,TSC)抑制mTORC1,進而啟動骨骼肌的自噬[13],引起肌肉萎縮。自噬的另一個重要的上游調節因子是叉頭框蛋白O(FoXO),幾乎有一半的萎縮相關基因受FoXO調節。在肺部炎癥后肌肉萎縮期間,FoXO水平升高、活性增加,可調控自噬相關基因(如LC3、p62等)的轉錄,啟動骨骼肌的自噬[14]。由此可見,除了UPS,ALP介導的蛋白質水解也參與了肺部炎癥誘導的肌肉萎縮。

2 氧化應激與線粒體功能障礙

氧化應激在COPD相關肌肉減少癥的病理生理學中起著重要作用[15]。活性氧(reactive oxygen species,ROS)主要產生于線粒體呼吸鏈[16]和其他氧化系統。在正常生理狀態下,骨骼肌會激活內源性抗氧化防御程序,將ROS維持在“功能性”水平。當機體處于病理狀態時,ROS以更高的速率合成,打破機體氧化和抗氧化之間的平衡,從而導致氧化應激[15]。COPD病人中常存在氧化應激,特別是在急性加重期[17],可以釋放更多的ROS和脂質過氧化產物。Lage等[18]研究發現,血漿高水平的硫代巴比妥酸反應物(thiobarbituric acid reactants,TBARS)和過氧化氫酶(catalase,CAT)導致個體患COPD相關肌肉減少癥的概率分別增加了4.89倍和1.22倍。Sepúlveda-Loyola等[19]研究發現,在COPD病人中,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的活性與肌肉質量相關。

骨骼肌細胞暴露于各種ROS和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)中,可激活UPS并上調肌肉萎縮盒F基因(muscleatrophy F-box,MAFbx)/atrogin-1和MuRF-1,促進肌肉分解代謝。也有研究表明,氧化應激會激活p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路,活化的p38促進FoXO的核易位,進而促進與UPS和自噬相關因子的轉錄,例如MuRF-1、atrogin-1和Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(BNIP3),導致肌肉纖維類型轉移和肌肉萎縮[14]。Mano等[20]觀察到,在活動和非禁食的條件下,COPD小鼠的肌肉組織中4羥基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)水平明顯升高,且伴隨著p38 MAPK通路的激活,以及MuRF-1、atrogin-1和BNIP3蛋白表達的增加。此外,他們發現抗氧化劑和p38抑制劑可以抑制上述途徑,改善肌肉質量減輕,這些證據為治療COPD病人肌肉功能障礙提供了治療策略。

IGF-1不僅在發育時期,而且在整個生命周期中都是肌肉質量和功能的重要調節因子。IGF-1可以通過磷酸肌醇3-激酶(phosphatidylinositide 3-kinases,PI3K)/絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)途徑增加骨骼肌蛋白質合成[21]。而氧化應激可以阻斷上述通路,從而減少肌肉蛋白合成,誘導肌肉減少[22]。

氧化應激還可引起DNA損傷。Yang等[23]研究發現,在吸煙條件下,COPD病人的肺DNA中8-羥基-2′-脫氧鳥苷(8-dihydro-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)水平是健康對照組的2倍。線粒體是細胞內氧化劑的主要來源,也是氧化應激的主要靶標。由于線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)靠近電子傳遞鏈,并且缺乏保護性組蛋白,因此,mtDNA更容易受到氧化損傷。由mtDNA氧化損傷引起的線粒體功能障礙將引發惡性循環,導致ATP產生減少和ROS進一步生成,最終通過蛋白質合成減少以及ROS介導的NF-κB和FoxO的激活觸發細胞凋亡和蛋白質水解[24]。

此外,線粒體自噬可能也參與了COPD相關肌肉減少癥。在線粒體自噬機制中,PINK1-Parkin(一種E3-泛素連接酶)途徑起著至關重要的作用。Ito等[25]將Parkin敲除的COPD小鼠模型暴露于香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE)中,結果發現MuRF-1和4-HNE的表達明顯增加,同時伴隨著受損線粒體在其肢體肌肉中的積累。此外,他們還發現MuRF-1敲低顯著改善了CSE誘導的肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC)減少和肌管萎縮。這些證據表明,Parkin介導的線粒體自噬不足在CSE誘導的肌管萎縮和COPD相關肌肉減少癥機制中可能起著關鍵作用。

3 肌肉再生能力受損

衛星細胞是肌肉干細胞,在骨骼肌纖維成形、重塑、生長和修復中起著至關重要的作用。Thériault等[26]研究發現,肌肉減少性COPD病人的最小端粒長度顯著縮短,這意味著在該人群中衰老衛星細胞數目可能增加,影響了COPD病人骨骼肌再生能力,進而導致肌肉減少。

肌肉生長抑制素(myostatin,MSTN)由骨骼肌表達和分泌,可以在多個水平上抑制肌肉生長,包括抑制衛星細胞增殖和成肌細胞分化。有研究表明,與健康對照組相比,COPD病人循環中的MSTN水平升高,且與肌肉質量呈負相關[27]。而且COPD病人下肢肌肉的肌生成信號傳導發生了改變,再生分化潛力顯著降低[28]。Sancho-Muoz等[29]在營養良好、肌肉減少性COPD病人的股外側肌中觀察到,MSTN含量、混合纖維比例、肌肉損傷以及TUNEL(TdT-mediated DUTP nick end labeling)染色陽性細胞數量顯著增加。這些結果均表明,COPD病人可能存在骨骼肌再生能力受損,并導致肌肉減少。

4 缺乏活動

久坐不動的生活方式是COPD病人的顯著特征,這對骨骼肌的質量和功能有著重要影響。肌肉的廢用會引起各種類型的骨骼肌纖維萎縮,其中對Ⅰ型纖維的影響最大[30]。在肌肉廢用萎縮期間,骨骼肌中的蛋白質合成減少,蛋白質水解增加[31]。有研究表明,肌肉廢用可以通過誘導骨骼肌纖維中ROS的增加和IGF-1/Akt信號通路的減少來誘導FoXO和NF-κB的轉錄激活,從而激活蛋白水解系統,誘導肌肉萎縮[9]。

5 低氧血癥

低氧血癥引起的組織缺氧是肌肉萎縮的觸發因素。在COPD病人中,肺功能的進行性下降可能會引起血氧飽和度降低,機體組織缺氧。慢性缺氧可導致肌肉纖維尺寸減小、毛細血管和線粒體功能改變以及氧化應激增加[18]。缺氧能夠在多個水平上抑制肌肉蛋白質的合成,包括抑制mTOR的活性、調控REDD1和單磷酸腺苷依賴的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinas,AMPK]。有研究證明,缺氧可以通過UPS途徑降解MyoD來抑制肌母細胞分化,進而影響骨骼肌的再生潛力[31]。此外,缺氧也可能通過誘導炎癥反應引起肌肉萎縮,以及增加RNS影響骨骼肌收縮功能。

6 營養不良

營養不良是飲食能量攝入和消耗不平衡的結果。COPD病人的基礎代謝加快,在靜息狀態下能量消耗明顯增加,且普遍飲食質量差和營養缺乏,使得機體長期營養不良[32]。營養不良影響了約50%的老年COPD病人[33],在肌肉減少癥的發展中也起著重要作用。機體營養物質缺乏是自噬降解的有效刺激,可通過抑制mTORC1,增強ULK1活性,促進自噬體的形成[9]。同時,缺乏營養物質會激活UPS,增加蛋白質泛素化,從而導致蛋白酶水解[14]。還有證據表明,氨基酸剝奪后肌生成受損可能涉及MyoD表達降低,減弱了蛋白質合成信號[31]。

7 GC

GC具有抗炎特性,常用于COPD急性加重期。GC和IGF-I信號通路在肌肉質量維持中起拮抗作用,GC可以抑制肌肉中IGF-I的表達,加速胰島素底物-1(insulin receptor substrate,IRS-1)蛋白降解,并通過增加p85a與抑制PI3K活性,從而抑制Akt磷酸化,使肌肉蛋白質合成受阻、分解增加。GC也可以通過誘導REDD1的表達影響mTOR活性,進一步抑制IGF-1表達,并加強Akt下游信號的傳導。也有研究表明,GC受體激活可以增加FoXO的轉錄,FoXO和糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase,GSK3β)可以激活一些肌肉萎縮基因,促進肌肉蛋白降解。此外,GC還可以促進MSTN表達,抑制mTOR信號轉導途徑,從而抑制骨骼肌蛋白質合成[34]。

8 其他因素

8.1 抵抗素 抵抗素是由免疫細胞,特別是巨噬細胞表達和分泌的一種激素。最近,抵抗素被認為與許多炎癥反應相關[35],其中包括COPD伴肌肉減少癥的全身炎癥。抵抗素與Toll樣受體4(Toll like receptors 4,TLR4)結合后可激活p38 MAPK和NF-κB通路,導致肌肉萎縮和肌肉功能障礙[7]。此外,在小鼠模型中,抵抗素還可以通過微小RNA-696(miR-696)誘導C2C12細胞中的脂質異位沉積[36],而骨骼肌的異位脂肪沉積也被認為是肌肉減少癥的重要組成部分[37]。Gao等[7]也發現,肌肉減少的COPD病人的血清抵抗素水平顯著高于肌肉正常的COPD病人。這些結果表明,抵抗素可能與COPD相關肌肉減少癥的發展密切相關。

8.2 外泌體 有報道稱,外泌體是COPD中潛在的炎癥介質,其內容物(miRNA、蛋白質)可能介導細胞之間的PI信號傳導[38]。COPD病人的血漿外泌體水平較高,并且與血漿CRP、TNFR1和IL-6水平相關。鄧明明等[39]發現,血漿外泌體通過增加骨骼肌細胞的乳酸分泌量抑制ATP生成,進而影響骨骼肌的糖代謝過程。此外,他們還發現,與肌肉功能正常的COPD病人相比,肌肉減少性COPD病人體內atrogin-1和MuRF-1的表達水平顯著上調,進一步增加了蛋白質水解速度和UPS活性。遺憾的是,該研究僅證明了血漿外泌體參與了COPD相關肌肉減少癥的發生與發展,并未明確是外泌體中的何種成分發揮功能。

8.3 生長分化因子-15(growth differentiation factor-15,GDF-15) GDF-15是轉化生長因子β家族的成員,主要參與細胞生長、分化、發育和組織修復。有研究表明,GDF-15水平升高與COPD密切相關[40]。Deng等[41]研究發現,COPD病人的血清GDF-15水平與骨骼肌質量、握力以及股四頭肌肌肉力量呈明顯負相關。此外,Patel等[42]的研究表明,血漿GDF-15水平與miR-1和miR-499在肌肉中的表達呈負相關,在培養的肌管中也觀察到,GDF-15可以抑制miR-1的表達,而這些miRNA在骨骼肌的發育和維持中具有重要作用。這些研究表明,GDF-15可能在COPD病人肌肉萎縮的發展中起直接作用,但具體機制還未明確。

8.4 吸煙 吸煙是COPD的主要病因,也是肌肉減少癥的危險因素。一項針對大鼠的研究表明,長期吸煙可能導致肌肉纖維橫截面積以及纖維類型向快速糖酵解纖維的轉變顯著減少[43]。香煙煙霧(cigarette smoke,CS)一方面通過激活p38 MAPK通路并上調MAFbx/atrogin-1和MuRF-1來誘導蛋白質分解代謝。另一方面可以激活NF-κB,上調MuRF-1(但不上調MAFbx/atrogin-1)導致骨骼肌細胞損傷和肌肉蛋白質分解[44]。此外,CS中含有的大量ROS也可能通過關鍵蛋白的氧化損傷對骨骼肌產生直接的有害影響[45]。

9 小結

肌肉減少癥是COPD最常見的肺外合并癥,可以導致病人肌肉質量和力量減少、功能下降,極大地降低了病人的生存率。COPD相關肌肉減少癥的發生是一個復雜的過程,雖然可以用炎癥反應、氧化應激和線粒體功能障礙、肌肉再生能力受損、缺乏活動、低氧血癥以及其他幾個因素來解釋COPD病人肌肉萎縮的開始和進展,但具體的分子機制尚未完全闡明,未來仍需要更多的臨床試驗和基礎研究來進一步明確其發生機制。