自噬在肥胖型哮喘中的研究進展

楊璐 袁雨來 敖素華 熊霞

支氣管哮喘(簡稱哮喘)是由多種細胞以及細胞組分共同參與的慢性氣道炎癥性疾病,臨床表現為反復發作的喘息、氣急,伴或不伴胸悶或咳嗽等癥狀,同時伴有氣道高反應性和可變的氣流受限[1]。近年來,隨著肥胖人口的不斷增加,肥胖成年人哮喘患病率達11.1%,較正常體重的成年人患病率7.1%顯著增高[2],2014年全球哮喘防治倡議(GINA)指南已將肥胖型哮喘作為一種新的哮喘表型[3]。有研究證實,肥胖不僅是哮喘的獨立危險因素[4],影響哮喘患者的疾病嚴重程度、治療反應和哮喘未來急性發作風險[5],但二者的確切關聯機制尚未完全闡明。目前對肥胖相關性疾病的研究主要集中在代謝性疾病及心血管系統疾病,關于肥胖影響哮喘的相關機制研究相對較少。近年來有研究表明自噬在肥胖與多種肺部疾病的發生中起著重要作用[6],迄今為止已經描述了三種主要的自噬：巨自噬,微自噬和分子伴侶介導的自噬[7],本文主要從巨自噬(以下簡稱自噬)的概述、自噬與肥胖的相互關系、自噬與哮喘的相關機制研究、自噬影響肥胖型哮喘、藥物調節自噬治療肥胖型哮喘五個方面綜述自噬在肥胖型哮喘中的研究進展。

一、自噬概述

自噬是發生在所有真核生物細胞中高度保守的降解系統,其主要功能是清除過量的營養物質、有毒的蛋白質聚集物、受損的細胞器和入侵微生物,對維持細胞穩態起著重要作用[8]。自噬分為自噬誘導、自噬體形成、自噬溶酶體形成及內容物降解4個階段[9],是一個動態的過程,始于細胞內吞噬泡的形成,在細胞內自噬相關蛋白的作用下膨脹延伸,包裹自噬底物如錯誤折疊的蛋白、脂質、受損的細胞器、大分子物質等,形成獨特的具有雙層膜結構的自噬小體,自噬小體與溶酶體結合,利用溶酶體相關降解酶對吞噬的物質進行降解后再利用[8]。其在生理上的重要性已被小鼠遺傳學研究證明[10],而自噬缺陷在肝臟、脂肪組織、骨骼肌和胰腺等代謝器官中也產生顯著的影響[11]。這些研究表明,自噬在分解代謝方面發揮著重要作用,而肥胖即是一種代謝失衡,對自噬的適當調控對肥胖相關的諸多疾病如肥胖型哮喘的研究與治療具有重要意義。

二、自噬與肥胖的相互關系

肥胖作為一種慢性低度炎癥狀態,常由脂質代謝異常所致,肥胖狀態下營養過剩抑制自噬的啟動,過量的游離脂肪酸還可通過抑制自噬小體的成熟及抑制自噬流來抑制自噬[12]。有研究證實,在肥胖模型中肝細胞的自噬標記物下調,阻斷肝細胞的自噬可導致代謝性疾病如胰島素抵抗、肝脂肪變性的惡化,而激活肝細胞中的自噬可以防止肥胖相關的代謝紊亂[13]。因此,肥胖與自噬相互影響,共同作用。

另外,與肥胖相關的應激損傷可以誘導線粒體和內質網應激上調脂肪細胞的自噬,這種異常的自噬激活導致脂肪組織的褐變減少,降低其產熱能力和損害其代謝功能[14]。在伴有2型糖尿病或胰島素抵抗的肥胖患者中,其脂肪細胞的自噬水平上調,自噬標志物、相關轉錄因子以及自噬體中脂噬與微管相關蛋白輕鏈3(LC3)的共定位增加都證明了這一點[15,16]。因此,自噬缺陷通常會破壞代謝穩態,但在某些特定的病理生理學背景下,自噬抑制可能會上調代償通路,這可能有利于抵御肥胖帶來的相關不良后果。

三、自噬與哮喘的相關機制研究

目前哮喘的發病機制尚不完全明確,可概括為氣道-免疫炎癥機制、神經調節機制及其相互作用,其中氣道-免疫炎癥機制被廣泛認可,而輔助性T細胞1(Th1)/輔助性T細胞2(Th2)介導的免疫失衡是當前研究較多的機制之一[17]。哮喘患者受到變應原刺激后,氣道上皮細胞產生白介素(interleukin,IL)如IL-25、IL-33等細胞因子,使Th2介導的免疫反應得以啟動,同時分泌的細胞因子會導致氣道IgE產生和黏液生成增加,活化的Th2產生IL-4、IL-5和IL-13等促炎因子導致氣道高反應性、黏液高分泌、組織損傷[18]。

氣道慢性炎癥是哮喘的基本特征,表現為炎癥細胞的增多與浸潤,可引起氣道高反應性致哮喘反復發作。有研究提出自噬可以通過調節相關免疫細胞的抗原呈遞功能來調控炎癥反應[19],影響哮喘的發生發展過程。IL-4可通過啟動B細胞的自噬而增強其抗原呈遞反應,Xia F.等的研究顯示,在B細胞自噬不足的哮喘小鼠模型中,IL-4介導的抗原呈遞能力下降,哮喘小鼠的免疫病理癥狀減弱[20]。另外,激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的自噬抑制因子也可以減輕哮喘小鼠的氣道炎癥[21]。mTOR是自噬的主要調控因子,是磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)通路的下游靶點,激活PI3K/AKT可直接磷酸化mTOR的Ser2448位點,抑制自噬,促進細胞存活[22],有研究表明,在過敏性哮喘中,激活PI3K/AKT/mTOR信號通路可通過抑制肺自噬有效減弱氣道炎癥,而抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路則會加重氣道炎癥[23]。另外,有體內實驗研究抑制小鼠的自噬通路可降低黏蛋白5AC(MUC5AC)和轉化生長因子β3(TGF-β3)的表達[24],抑制自噬可能成為改善哮喘患者黏液高分泌的有效機制。

綜上,自噬在哮喘發生發展的各環節中起著不容忽視的作用,調節自噬水平可能為哮喘的治療提供新思路。

四、自噬影響肥胖型哮喘

肥胖個體脂肪組織產生促炎細胞因子和激素,可加重氣道炎癥,對哮喘產生直接影響。肥胖中的幾種信號分子,包括IL-17、NLRP3炎性小體、瘦素、脂聯素與肥胖型哮喘的發病密切相關,自噬可通過多種機制調節炎癥,影響肥胖型哮喘的發生發展。

1. 自噬負向調控IL-17的生成

哮喘患者多存在氣道中性粒細胞炎癥,而IL-17是中性粒細胞炎癥的重要介質。有研究表明,肥胖型哮喘患者比沒有肥胖型哮喘患者有更高的IL-17A mRNA表達[22],IL-17A是肥胖型哮喘小鼠模型發生氣道高反應性所必需的,在疾病嚴重程度中起著至關重要的作用[25],因此,IL-17缺乏的小鼠在高脂飲食喂養下可能并不會發展為哮喘。IL-1β是CD4+T細胞產生IL-17A的重要的促炎因子,而自噬可通過隔離IL-1β前體降低IL-1β水平[26],從而下調IL-17A的生成。而IL-17A也被證明可以調節自噬水平,抑制肺纖維化中IL-17的生成可激活自噬,促進肺上皮細胞膠原的降解[27]。自噬調節的IL-17在肥胖狀態下可能發生變化,導致支氣管哮喘的病理改變,可能成為肥胖型哮喘防治的新方向。

2. 自噬抑制NLRP3炎性小體激活

NLRP3炎性小體是由受體蛋白NLRP3、接頭蛋白ASC、效應蛋白caspase-1三者相互結合形成的多蛋白復合物,發揮激活機體免疫炎癥的關鍵作用。NLRP3一旦激活,caspase-1就會通過蛋白水解方式裂解細胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18的成熟,導致IL-1β和IL-18的成熟和釋放[28]。在高脂飲食狀態下,飽和脂肪酸如棕櫚酸酯可誘導巨噬細胞中NLRP3炎性小體的活化并參與脂肪組織中T細胞的調節,導致促炎細胞因子IL-1β和IL-18的分泌以及自噬的下調[29]。而自噬可以調節NLRP3炎性小體相關的炎癥應答,靶向降解泛素化的炎性小體,從而抑制炎癥[30]。因此,自噬可能通過抑制NLRP3炎性小體介導的IL-1β和IL-18的生成和釋放控制肥胖型哮喘。

3. 自噬與相關脂肪因子相互調控

脂肪因子參與肥胖型哮喘的發生發展,其中關于瘦素及脂聯素的研究較多。氣道上皮細胞表達瘦素和脂聯素的受體,可刺激固有免疫及獲得性免疫細胞生成TNF-α、IL-1β、IL-6等[31],普遍認為它們是一種促炎因子。有研究發現,肥胖哮喘小鼠模型較單純肥胖或單純哮喘小鼠模型的支氣管肺泡灌洗液及外周血清呈現明顯的瘦素高表達,誘導氧化應激而發揮促炎作用[32],是肥胖型哮喘患者的危險因素之一。而在系統性紅斑狼瘡小鼠模型中,瘦素可抑制CD4+T淋巴細胞的自噬[33],抑制自噬也可導致瘦素水平增高[34],提示在肥胖型哮喘中,瘦素與自噬之間也可能存在互相調控,但其具體機制還需進一步探討及相關實驗驗證。

脂聯素是新陳代謝中另一種關鍵的脂肪因子,在肥胖中通常下調,可調節機體的氧化應激和抵抗炎癥,抑制TNF-α、IL-6和NF-κB以及上調IL-10等[35]。脂聯素誘導的自噬在心血管疾病中被發現具有抗炎作用[36],但目前還沒有研究探索其對肺部自噬的影響。有研究證實,脂聯素可以遏制哮喘模型小鼠的氣道高反應性[37],脂聯素缺陷的小鼠肺部以IL-17A介導的中性粒細胞炎癥最為顯著[38]。故推測其可能在平衡自噬介導的免疫調節和減輕肥胖相關炎癥細胞因子釋放中發揮作用,從而影響肥胖型哮喘的發生發展。

五、藥物調節自噬治療肥胖型哮喘

目前哮喘的治療以糖皮質激素和支氣管擴張劑為主,與其他哮喘患者相比,肥胖型哮喘患者對糖皮質激素表現出“激素不敏感”現象,其分子機制尚未完全闡明,也未探索到更有效的補充或替代方案,臨床常采用大劑量或全身使用糖皮質激素治療[39]。布地奈德是一種合成糖皮質激素類固醇,常用于哮喘的控制治療,過度自噬參與卵清蛋白(OVA)誘導的哮喘模型,氣霧劑布地奈德可抑制哮喘誘導的自噬,減少自噬體的形成[40]。有研究顯示布地奈德可抑制氣道巨噬細胞Beclin-1、LC3的表達,且與痰液IL-10增加和IL-4濃度降低相關,在巨噬細胞體外,布地奈德也可抑制雷帕霉素誘導的自噬,降低Beclin-1和LC3的表達[41]。國內的一項研究表明,使用霧化布地奈德可以減輕肥胖型哮喘模型小鼠的局部氣道炎癥,但并未降低血清IL-17水平,全身應用糖皮質激素雖能降低血清IL-17,但小鼠的死亡率增加[39],關于布地奈德干預自噬調節肥胖型哮喘的具體機制尚需進一步探討。

針對肥胖的一些藥物對于肥胖型哮喘也具有一定療效,相關研究發現他汀類藥物可改善哮喘患者的氣道炎癥和重塑[42]。辛伐他汀可通過阻斷mTOR信號通路進一步提高LC3、Atg5 mRNA、Beclin1 mRNA水平,緩解氣道炎癥[43]。此外,Lee H.Y.等人使用普伐他汀治療肥胖型哮喘小鼠,發現其可通過抑制Th2和Th17相關的信號通路來抑制過敏性氣道浸潤和氣道高反應性,降低瘦素表達和調控p38 MAPK信號通路[44]。

此外,中醫中藥可以調節哮喘模型的自噬狀態發揮作用。有研究以溫陽化飲方干預可能通過提高細胞自噬水平以清除痰飲,從而減輕氣道炎癥[45]。體外實驗發現平喘顆粒含藥血清可以抑制AKT、mTOR的磷酸化,從而抑制自噬的發生,其作用機制可能與其調控PI3K/AKT/mTOR信號通路有關[46]。但目前仍缺乏中醫藥在肥胖型哮喘方面的相關研究。

自噬在肥胖型哮喘的發生發展過程中起著重要作用,調節自噬狀態有望改善患者臨床結局,但目前關于自噬與肥胖型哮喘關系的臨床研究不多。隨著大劑量或全身性使用糖皮質激素引發的激素副反應問題在肥胖患者中日漸顯著,尋找針對肥胖型哮喘更有效且安全的治療方案迫在眉睫。從自噬參與肥胖型哮喘相關機制出發討論調節自噬改善肥胖型哮喘患者臨床癥狀與預后的可能途徑,有望為探索肥胖型哮喘的發病機制和治療方案提供新的思路。