维甲酸治疗肺气肿的研究进展

沈亚伟 郝建

维甲酸治疗肺气肿的研究进展

沈亚伟 郝建

维甲酸通过拮抗蛋白酶来治疗肺气肿是目前临床上最有希望治疗药物。近年来的研究表明，各种因素致气道、肺组织的损害导致慢性阻塞性肺气肿形成，使得肺功能下降或障碍是不可逆损害，但应用维甲酸治疗可以改变肺气肿恢复的可逆性。本文主要介绍维甲酸治疗作用机制及其一些最新的研究进展，并重点探讨了与其抑制肺气肿形成的相互关系。

慢性阻塞性肺气肿;全反式维甲酸;炎性细胞;炎性介质;细胞因子

目前临床上治疗COPD的方法有很多，但都只能是对症治疗，仅起到改善症状的作用，不能逆转肺气肿肺组织的病理改变。随着对肺气肿治疗的深入研究，越来越多的研究发现全反式维甲酸可以逆转肺气肿动物的病理改变，为治疗人类肺气肿提供了新的方法和思路。因此，本文就全反式维甲酸治疗肺气肿的研究进展综述如下。

1 常规治疗方法

包括内科疗法和外科疗法。内科疗法多只能改善症状，减轻气流受限，缓解气喘症状，提高患者血氧含量。如氧疗可以改善缺氧造成的胸闷和呼吸困难，减轻因慢性缺氧对重要的组织气管造成的损害。支气管舒张剂可以减轻平滑肌痉挛，扩张支气管减慢疾病发展。必要时加用糖皮质激素控制病情提高患者耐受。急性加重期时还须应用抗生素类药物治疗感染，防止肺气肿的进一步恶化。外科疗法多用于终末期肺气肿患者，切除部分过度膨胀肺组织，增加细小支气管壁弹性回缩力，改善呼吸泵功能，恢复肺血流和换气比值，减低右心室负荷。但其局限性在于对慢性缺氧呼吸功能衰竭的患者手术本身就有很大风险，且术后并不能组织剩余肺组织的病理进展。

2 全反式维甲酸(ATRA)治疗肺气肿

长期以来人们已经知道ATRA有着广泛的生物学作用，例如参与调节炎症细胞、免疫细胞的激活，促进发育组织上皮细胞的增殖、分化等。临床上通常用于治疗皮肤病和血液系统肿瘤［1］。

1997年，Massaro GD和Massaro D首次报道ATRA不仅能促进发育期大鼠肺泡形成，还能促进成熟肺组织损伤后的修复过程.并可部分逆转弹性蛋白诱导的肺气肿［2］。他们对猪胰蛋白酶造成的肺气肿大鼠模型应用ATRA14 d后比较各cytokines处理组之间肺泡容积和肺泡数，发现未接受ATRA治疗的肺气肿大鼠的肺泡容积较正常对照组增加了18%，而肺泡数则减少了45%。接受ATRA治疗的肺气肿大鼠则与正常对照组数据接近。说明ATRA逆转了由胰蛋白酶导致的肺气肿肺组织的破坏，新的肺泡得到再生。由此引起学术界的普遍关注，掀起了对ATRA治疗肺气肿研究的热潮。目前认为ATRA可调节肺形态发生相关基因的开放或关闭，在肺脏发育、细胞分化、基因表达等方面有重要调控作用。可使肺气肿患者肺泡上皮重新修复和气道重建，逐步恢复肺泡功能，因此为治疗肺气肿等严重肺部疾病提供了希望。

ATRA是维生素A(VitA)的一类活性最强的衍生物，它在人体细胞内的转化受到严格的代谢通路调控［3］。人从食物中摄取的视黄苷酸酯和β胡萝卜素，在小肠中转化为VitA，进入肝脏后恢复为视黄苷酸酯并储存于肝脏中。经肝脏代谢以视黄醇的形式释放入血并被运送到含有视黄基结合蛋白的靶组织，视黄醇在这里以脂质形式储存。此后视黄醇在视黄醇脱氢酶氧化作用下转化为尚未活化的终产物视黄醛，再通过乙醛脱氢酶氧化为活化的配位体ATRA。代谢过程中，视黄醛代谢物和ATRA维持视黄醛结合蛋白的形式，ATRA自我调控其局部浓度。

ATRA实际上是一种细胞核内基因表达的调节因子，作用主要体现在一方面可以调控靶基因转录活性，另一方面可以参与其他转录因子的调节。而ATRA的生物学作用的发挥则有赖于ATRA与其受体的特异性结合，进而结合相应的DNA区域调节临近的靶基因的表达。这些特异性受体存在于靶细胞核内，一般称之为维甲酸受体。受体根据其化学结构和结合配体的特异性分为两类，ATRA A受体(RARs)和ATRA X受体(RXRs)。RARs与ATRA及9-顺式维甲酸结合，RXRs只能与9-顺式维甲酸结合。RARs和RXRs都包括三个亚型αβγ，他们是配位活性转录因子。基因分析已证实RAR-α存在于所有细胞，表达微量，主要负责影响大鼠肺泡形成的前50 d以内，维持肺泡正常体积，数量及表面积［4］;RAR-β是出生后早期肺泡形成的内源性抑制物，在胚胎期可能有抑制肺泡过度分化的作用;RAR-γ是出生28 d后肺泡形成所必须的，与配体结合后减小肺泡壁厚度，减少肺泡的破坏。研究表明RAR-γ可能是RXR-α的异构体，是RA诱导肺泡形成的关键受体。ATRA与相应受体结合后，再与核内DNA的具体序列(通常称之为激素应答元件，视黄酸反应元件RARE是其中的典型代表)相互作用，便可以调节靶细胞分化和基质的代谢。故ATRA与核内DNA的直接接触是他们发挥生物活性的分子基础.研究证明肺组织内存在ATRA受体，在肺泡上皮细胞和成纤维细胞中都有此类受体表达。这就为ATRA促进和修复肺泡，治疗肺气肿提供了有力的理论依据。

实践方面，目前多项试验已证实ATRA可逆转肺气肿大鼠模型的肺部病理改变，促进肺组织分化形成。其机制可能有以下几方面:

2.1 ATRA与肺脏发育 肺脏发育过程中肺泡隔的形成和肺泡上皮的完整发育是两个关键条件，没有肺泡隔的形成，肺脏就无法形成有效肺泡，导致肺泡增大而肺泡的数目明显减少，形成肺大泡，肺内表面积的急剧减少，通气/血流比值大幅下降，从而出现肺气肿样改变;没有完整的肺泡上皮细胞，就不能实现肺脏正常的换气功能。ATRA对肺泡隔和肺泡上皮的形成都有促进作用。研究发现在肺泡周围的间质细胞内含有丰富的ATRA颗粒，其含量随着肺泡隔的形成数量正相关。在给予幼年大鼠无VitA饮食饲养，大鼠肺泡隔的形成明显减少;而给予大鼠ATRA饮食饲养则可以增加肺泡的形成。相关流行病学调查提示支气管肺发育不良的极低出生体重患儿体内大都存在VitA的缺乏，且缺乏程度与病变严重程度密切相关。对他们肌内注射VitA可使这些患儿的发病率降低40%。推测外源性的ATRA可以上调肺泡隔成纤维细胞中弹性蛋白的表达。ATRA可以促进上皮细胞生成［5］。给予受损的皮肤ATRA可以促进上皮再生，创面胶原合成速度加快以及血管生成。ATRA对肺脏也有类似作用，促进受损肺泡上皮修复，加速肺泡形成。据报道，对高氧环境下造成肺损伤的大鼠应用ATRA可增加大鼠的新生肺泡数量，并且在脱离高氧环境后继续应用ATRA几周后其肺泡化进程还可明显加速［6］。Massaro GD和Massaro D对地塞米松处理过后的刚出生大鼠(已知地塞米松通过抑制细胞分裂减少肺泡的细胞的增殖并使肺泡壁变薄而更容易破坏从而阻碍正常的肺泡发育)应用ATRA后可以逆转地塞米松的抑制作用，促进肺泡形成。推测适当剂量的ATRA可能是通过刺激细胞外信号通路ERK1活化诱导细胞增殖，从而促进肺泡的形成［7］。另外ATRA在早期肺脏发育过程中调节众多细胞生长因子的表达也是重要原因。

2.2 ATRA与蛋白酶/抗蛋白酶 目前认为蛋白酶/抗蛋白酶失衡是肺气肿发生的主要机制。蛋白酶包括嗜中性蛋白酶、组织蛋白酶、丝氨酸蛋白酶和金属蛋白酶(MMPs);抗蛋白酶包括抗胰蛋白酶-α1，金属蛋白酶组织抑制物等(TIMPs)。实验表明 ATRA主要通过下调 MMPs，上调TIMPs，减少蛋白酶的破坏作用，减少细胞外基质胶原沉积，阻碍异常胶原重塑，提高组织抗蛋白酶分解能力，从而起到保护肺组织作用。MMP-1、2、9、12具有弹性纤维降解活性，大量存在于转基因和基因敲除鼠、肺气肿患者支气管肺泡灌洗液中，提示与肺气肿的形成和病情进展密切相关，直接参与肺泡间隔弹性纤维的破坏直接相关［8］。其中MMP-9活性可以作为判定肺气肿发展的一个有用指标，TIMP-1则是拮抗MMP-9的组织抑制物。Jenny等［9］将ATRA临床用于肺气肿患者12周后，发现较对照组血液中MMP-9明显降低，TIMP-1含量显著增加，MMP-9/TIMP-1比例接近于正常人。Frankenberger等［10］发现ATRA可以下调人类支气管肺泡灌洗液中MMP-9水平，上调TIMP-1水平，平衡MMP-9/TIMP-1的表达。我国学者安立等［11］也发现在对烟熏造成的肺气肿大鼠应用ATRA后可降低MMP-2、MMP-9的表达，使肺脏基质降解减少。王舒［12］等在胚肺成纤维三维立体培养过程中加入细胞因子诱导MMPs表达，同时加入ATRA发现抑制了MMP-1的表达及MMP-3和MMP-9的活化，并且削弱了中性粒细胞弹性蛋白酶对TIMP-1、2的清除作用，进而抑制了胶原的降解，保护了肺组织。MMP-12在肺组织多种细胞内均有微量表达，是破坏细胞外基质的重要因素之一。TIMP-2则是与之相对应的拮抗物质，可随着MMP-12的上调而上调，以平衡蛋白的分解过程。ATRA可以上调TIMP-2，特异性拮抗MMP-12蛋白分解作用，减轻肺脏破坏［13］。众多国内外研究都表明ATRA可以有效的协调MMPs/TIMPs平衡，保护肺脏避免被蛋白酶降解。

2.3 ATRA与炎症反应 炎症反应过程复杂，涉及多种炎症细胞、炎症介质和细胞因子的参与。当某种有害因素导致肺组织中的炎症细胞活化和聚集时，一方面释放破坏肺组织的炎症介质、细胞因子增多，使细胞外基质降解过度，肺泡和气道受损;另一方面又可释放细胞因子启动局部组织修复，若修复异常则可引起纤维组织的增生和无效气道的重建。参与肺组织分解破坏的炎症因素包括淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、白介素、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、肿瘤坏死因子TNF-α、转化生长因子-β。ATRA对炎症细胞、炎症介质和细胞因子都有不同程度的调控作用，从而减轻肺组织内的炎症反应。

ATRA在分子水平调节T细胞的分化。实时PCR分析表明，ATRA刺激后的细胞表达Th1相关基因T-bet下降，而Th2相关基因如GATA-3、c-MAF和STAT6 mRNA表达呈时间依赖性升高。说明ATRA可以抑制人类T细胞和外周血单核细胞中的Thl反应，增强Th2应答。Dawson［14］等利用抗CD3抗体标记的外周血单核细胞培养，培养液中加入不同浓度的ATRA，发现IL-4、IL-5及IL-13 mRNA表达能力提高，蛋白合成增加;γ干扰素、IL-2、IL-12和肿瘤坏死因子α水平减低，所有效应呈剂量依赖性变化。

TGF-β存在于所有组织中，尤其在骨、肺、肾及胎盘组织中含量丰富，可以抑制肺泡上皮细胞、内皮细胞增殖，有报道认为TGF-β1对肺泡Ⅱ型上皮AECⅡ的增生修复有明显的抑制作用。相关实验结果也证实了高氧暴露14天时大鼠肺组织明显纤维化同时，TGF-β1 mRNA及蛋白表达明显增加，提示TGF-β1与高氧肺纤维化的发生密切相关。单核细胞趋化蛋白l(MCP-1)特异性趋化单核细胞，对T淋巴细胞、嗜碱粒细胞，自然杀伤细胞亦有作用。在用香烟诱导发生肺气肿的模型鼠气管内滴注MCP-1可诱导巨噬细胞在肺内聚集，并进一步加强了肺气肿的病理改变［15］。辛建保［16］等对烟雾暴露造模后的肺气肿大鼠给ATRA20 mg/kg每日灌胃30 d后，发现肺组织MCP-1和TGF-β较单纯烟雾暴露组明显降低。提示ATRA可以降低上述两种细胞因子在肺内的表达。

TNF-α是单核巨噬细胞在内毒素(LPS)、炎症介质、IL-1等细胞因子作用下生成的一种多肽，以自分泌的方式促进自身的合成，其生成受转录及转录后机制的严密调控［17］。TNF-α对肺气肿的发生和发展有促进作用，可以促进炎症反应、血管生成和组织纤维化。如趋化白细胞，导致白细胞外渗，并向炎症部位迁移，启动炎症反应的发生;刺激内皮细胞表达血管细胞黏附因子(VCAM-1)，促进上皮细胞IL21、IL28等受体的表达;诱导气道上皮细胞和中性粒细胞生成IL28，增强中性粒细胞在细胞外的蛋白分解作用;还可直接作用于气道上皮，诱导气道黏液细胞化生和高分泌，阻碍了纤毛上皮的廓清运动。TNF-α还可刺激巨噬细胞合成并释放MMPs［18］。ATRA则可以降低组织中 TNF-α的表达，减轻组织炎症反应和破坏。

另外陈明［19］等发现ATRA可以降低肺气肿患者外周血中性粒细胞明胶酶相关载脂蛋白NGAL含量，上调TIMP-1的表达，NGAL是一种具有保护、调节MMP-9的活性细胞因子，参与免疫炎症反应。

2.4 ATRA与抗氧化 由于炎症、理化因素引起的细胞内氧自由基增加，将对细胞造成损伤甚至凋亡。ATRA是公认的抗氧化剂，它本身就可以促进氧自由基清除酶超氧化物歧化酶(SOD)的生成，清除细胞内部分氧自由基，从而降低机体氧化应激水平，减少细胞凋亡。

ATRA还可以通过阻断细胞凋亡信号的转导途径保护肺组织免遭破坏。氧自由基是诱导丝裂原活化蛋白激酶(MAPKsmitogen-activated protein kinases)信号转导途径磷酸化的重要因素。而磷酸化的MAPKs是细胞增殖、分化、凋亡等信息传递途径的交汇点和共同通路，在介导氧化应激过程中扮演重要角色［20］，可以诱导细胞程序性死亡，破坏肺泡。Palm LA［21］等研究表明，ATRA 能上调 MAPKs磷酸酶-1、-2 表达，抑制磷酸化，从而阻碍MAPKs活化。李文斌［22］等发现氧化应激条件下，早产大鼠MAPKs磷酸化水平明显增高，同时肺细胞凋亡增加、增殖受抑，ATRA治疗后明显下调高氧暴露后MAPKs磷酸化表达，同时肺泡细胞凋亡减少、增殖增加。提示MAPKs通路在介导高氧诱导的肺细胞凋亡方面发挥重要作用，而ATRA则阻碍了MAPKs通路，起到抗氧化损伤作用，保护了肺泡细胞。Ozer［23］等也发现，高氧条件下致新生大鼠肺损伤后给予外源性ATRA可改善肺泡结构、降低肺纤维化程度。

目前的研究也遇到一些问题尚难以解答，例如ATRA可能对某些物种并没有治疗效果，Edgar［24］等报道在对48只成年肺气肿模型大鼠应用ATRA(12.5ug)腹腔注射后，各组间未发现蛋白酶的表达有变化，肺泡大小也没有显著差异，未能逆转肺气肿。这个实验与Massro的实验唯一不同之处在于老鼠的种系不同。提示ATRA的在治疗作用存在物种选择性，可能与不同物种肺组织内ATRA受体种类和含量不同有关。但也有部分报道指出并非是物种决定作用而是给药剂量决定作用。Sian V.Stinchcombe和Malcolm Maden对两个种系的ICR和NIHS大鼠先用地塞米松处理造成肺气肿样改变，接着对两组大鼠给予相同剂量2 mg/kgATRA治疗，发现NIHS大鼠肺泡再生，而ICR大鼠并没有任何反应。紧接着对ICR大鼠加大剂量到10 mg/kgATRA治疗发现肺泡再生。提示ATRA的治疗剂量还有待进一步的研究。另有实验表明RAR-γ基因缺乏大鼠不能形成正常的肺泡结构，而RAR-β基因缺乏的大鼠则仍旧能形成大量肺泡结构［25］。表明ATRA受体在ATRA治疗过程中发挥了重要作用，但具体机制还不明了。此外Roth MD［26］等对5所大学附院148例肺气肿患者应用低剂量1 mg/kg/d和高剂量2 mg/kg/dATRA六个月。并未观察到患者肺气肿症状有明显的改善，只是在肺弥散量、CT密度值等发现有剂量和时间相关性。说明即使ATRA能够促进肺泡再生，逆转肺气肿，但是否能够促进肺功能的提高，改善患者症状仍有待进一步的证实。

综上所述，有关ATRA在治疗肺气肿，逆转病理变化方面的研究尚处在摸索阶段，但仍旧显示了诱人的前景，为最终攻克肺气肿提供了希望。

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That retinoic acid is treated emphysema by antiprotease，which ismost promising clinical treatment of emphysema's drugs.Recent research shows that the various factors that cause the airway，lung tissue damage cause chronic obstructive pulmonary emphysema formation，which causes lung function decline or obstacle is irreversible damage，but the application of retinoid acid treatment can change emphysema reversibility of treatment.This papermainly introduces retinoic acid treatmentmechanism and some latest research progress，and probes into its suppression of relationship formed emphysema．

COPD;RA;Inflammatory cells;Inflammatory mediators;

310007安徽医科大学杭州解放军临床学院/杭州128医院心肺康复中心

郝建 E-mail:jianhao105@163.com