慢性阻塞性肺疾病炎症相关信号通路作用的研究进展

丛文娟,鲁　静,项水英,刘自兵

(安徽中医药大学针灸推拿学院针灸经络研究所,合肥　230038;*通讯作者,E-mail:zibingliu@163.com)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种复杂的慢性炎症性疾病,气道炎症尤其是小气道炎症和肺实质的病变是COPD的主要病变及发病原因[1]。COPD的慢性炎症涉及的炎性细胞主要为中性粒细胞、巨噬细胞、嗜酸性粒细胞、T-淋巴细胞和树突状细胞[2,3]。炎性细胞在理化因素如香烟烟雾(CS)、脂多糖(LPS)等刺激下,激活机体相关转录因子,使炎症因子的基因转录水平表达增高、大量的炎性因子释放,在肺及其他组织的炎症中发挥着主要作用。COPD的发生发展可激活多条炎症相关信号通路,如NF-κB,Notch,JAK-STAT,TGF-Smad,p38MAPK,TLRs信号通路,这些通路可能成为潜在的COPD研究及治疗的靶点。本文就COPD发病机制研究中主要炎症信号通路做相关综述,为COPD相关信号通路的探索提供理论基础。

1　NF-κB信号通路

核因子-κB(NF-κB)是一种细胞核转录因子,最初由Sen和Baltimore[4]报道提出,已有30多年的历史,由于其信号转导的普遍性与复杂性,至今仍是研究的热点。NF-κB可以被炎症因子如白细胞介素1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)、生长因子或趋化因子等激活。NF-κB由两类亚基形成同源或异源二聚体。一类亚基包括p65(也称RelA)、RelB和C-Rel;另一类亚基包括p50和p52。最常见的NF-κB亚基组成形式为p65/p50或p65/p65。NF-κB未被激活时和IκB-α形成一个复合物,分布在细胞浆中。在刺激因素存在的情况下,核因子-κB激酶抑制因子(IκB kinase,IKK)会被激活,导致IκB-α会在Ser32和Ser36位点被磷酸化,随后被泛素-蛋白酶体途径降解。NF-κB和IκB-α解聚后,其核定位序列暴露,从而被转运到细胞核内促进NF-κB依赖的基因转录。IKK复合物包括IKKα、IKKβ和IKKγ,其中IKKα和IKKβ是催化亚基,IKKγ是调节亚基。IKKβ的Ser177和Ser181和IKKα的Ser176和Ser180被磷酸化修饰后,会导致IKK的激活。

NF-κB广泛存在于多种组织细胞中,参与多种基因的表达调控,参与炎症反应、免疫反应、细胞凋亡及肿瘤发生等多种生物进程,在广泛的炎性系统中起着至关重要的作用,其信号通路在肺组织中的异常激活能导致多种肺部疾病的产生,尤其是COPD[5-7]。研究发现,NF-κB蛋白在COPD患者的支气管活检标本和患者炎症细胞中被激活,其表达水平明显升高,细胞质中IκBα的DNA水平在吸烟者和COPD患者的肺组织中较健康对照组明显降低。CS或LPS刺激细胞膜后可以增加Toll样受体4(TLR4)的表达,使IKKα/β磷酸化而激活NF-κB[8],导致炎性增强。在COPD中,NF-κB信号通路的持续激活可以生成和激活一种由巨噬细胞和调节性T细胞组成的促肿瘤的炎性环境[9],NF-κB对于气道中细胞因子的表达,以及趋化因子和细胞黏附分子有重要的调节作用[6]。在小鼠肺的肺泡和气道上皮细胞中,CS暴露增加了RelB和RelA/p65的水平,导致促炎介质的增加[10],CS和氧化剂可以激活NF-κB信号通路,增强基因转录和增加炎症介质如TNF-α,IL-1β、IL-6、IL-8、环氧化酶Cox-2等的表达和释放,参与气道炎症和慢性阻塞性肺病的发病[11]。而RelB作为促炎基因转录的抑制剂,可以有效抑制香烟引起的炎性介质等的表达[12]。而在吸烟和不吸烟的COPD患者肺成纤维细胞和血液样本中,RelB蛋白表达明显降低,减弱了对Cox-2的抑制,从而加重COPD的炎症表达[13]。气道上皮细胞中NF-κB信号通路的激活可以导致过敏性炎症,而缺乏NF-κB和IκBα的重组小鼠,其致敏性减弱[14]。因此抑制NF-κB,减少相应蛋白的生成,可以缓解COPD的炎性反应程度。

2　JAK-STAT信号通路

JAK-STAT信号通路是由酪氨酸激酶JAK(Janus kinase)家族及转录因子STAT(signal transducer and activator of transcription)家族构成的酪氨酸蛋白激酶,在COPD相关研究中,JAK-STAT信号通路在炎症反应和免疫应答中起重要的调节作用,JAK-STAT信号通路不仅参与炎症反应,同时也与细胞增殖、分化、凋亡以及免疫调节等密切相关[15]。目前发现有多种细胞因子如TNF-α、IL-6、IL-1β及趋化因子(CXCL)等通过与其受体相结合,与受体耦连的JAKs激酶聚集,导致周围的JAKs互相磷酸化后被激活,激活后的JAKs磷酸化受体上的酪氨酸位点使受体与STATs结合,从而磷酸化,磷酸化后的STATs家族成员形成二聚体进入细胞核,与核内特异的DNA序列结合参与基因转录,发挥其生物学效应[16,17]。

研究表明,在COPD急性加重期过程中JAK-STAT1/3发挥着重要作用[18],在COPD患者的肺组织中,STAT3的表达水平越高,肺部炎症及肺气肿的程度越重[19]。STAT3可在炎性介质IL-6诱导下过度表达,引起肺气肿和肺气道炎症的发生,IL-6诱导的STAT3信号通路存在于Ⅱ型肺泡上皮细胞和细支气管细胞中[20]。通过实验发现STAT6的活化促使IL-13表达水平升高,从而引起气道上皮杯状细胞增生和黏液下腺的肥大,从而认为阻断STAT6可以抑制气道黏液高分泌,有研究提出阻断STAT6的活化是治疗气道疾病的新疗法[21],减轻COPD的症状。这就提示JAK-STAT信号通路抑制剂的研究可以成为COPD新的治疗方法[22]。

3　TGF-smad信号通路

转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)自1981年被Robert发现以来,对其传导通路一直不清晰,至近年来发现细胞内信号转导蛋白Smad家族,才清楚了TGF-β信号的传导机制。TGF-β信号包括依赖Smad和非依赖Smad两条信号途径。当TGF-β1与转化生长因子β受体I(TβRI)和受体Ⅱ(TβRⅡ)结合形成异源四聚体,TβRⅡ磷酸化,而后磷酸化TβRI,导致TβRI具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性,可以磷酸化下游相关的Smad信号分子,受体激活型Smads(R-Smads)与Smad4进入细胞核与其他的转录调节分子共同调节基因转录。非依赖Smad的途径是不依赖转录因子Smad发挥作用的。TGF-β在肺组织损伤后修复中起着至关重要的作用,起着支气管重塑和诱导纤维细胞与气道平滑肌细胞增殖的作用。TGF-β/Smads信号通路为多功能性信号通路,在肺纤维化患者和肺纤维化动物模型中特异性增加[23]。TGF-β如TGF-β1/2和骨形成蛋白-6(BMP-6),在细胞外基质成分、肺泡上皮细胞和成纤维细胞中发挥重要作用[24]。其中TGF-β1对肺和免疫系统具有重要的调节作用[25,26]。

研究发现TGF-β1mRNA在COPD大鼠气道组织的表达明显增多[27],COPD患者肺内多种细胞均发现TGF-β1的表达增加,吸烟者和COPD患者中TGF-β1mRNA的水平高于非吸烟者,且TGF-β1mRNA的水平与小气道阻塞程度和吸烟史呈正相关[28]。也有研究表明TGF-β1/smad2信号通路参与COPD炎症和重构的进展,炎症和氧化应激在COPD中起重要作用,线粒体氧化应激反应在气道氧化应激中有重要作用。线粒体靶向抗氧化剂MitoQ通过抑制TGF-β诱导气道平滑肌细胞增殖并减少CXCL8的释放[29]。Li等[30]实验研究发现慢性气道炎症、重塑及肺气肿大鼠肺组织IL-1β、TNF-α、p-NF-κB、p-IκBα、TGF-β1和Smad2表达高于对照组,中医调补肺肾的方法能够降低其表达水平,其机制可能与激活NF-κB/TGF-β1/smad2信号通路相关。

4　p38 MAPK信号通路

p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)是丝裂素活化蛋白激酶(MAPK)的一个亚型,由Brewster等[31]、Han等[32]于1993年发现并命名,目前已发现p38α、p38β、p38γ和p38δ 4个亚型,其中,p38α广泛存在于各组织中,并在炎症细胞中表达丰富。在COPD患者中p38 MAPK信号通路主要介导细胞外信号转导到细胞核,在CS、LPS、氧化应激等应激条件下活化并参与细胞的生长、分化、周期、凋亡、炎症反应等过程[33],参与了中性粒细胞、肥大细胞和嗜酸性粒细胞的迁移[34],并诱导促炎因子的释放、细胞因子的转录调控,参与COPD慢性炎症及气道重塑的过程[35]。p38的活性还与肺功能损害及肺泡壁炎症程度相关[36]。小气道的炎症和重塑是决定COPD严重程度和进展的关键因素,p38 MAPK通路由细胞因子激活,并调节炎性细胞因子的表达,包括CXCL8,MMPs等[37]。在COPD患者气道及痰液中,p38 MAPK和CXCL8显著增加。p38 MAPK活化与CXCL8高水平和中性粒细胞浸润密切相关,且与疾病的严重程度相关。由此可见p38 MAPK在COPD中的病理发展过程中有重要作用[38]。在COPD患者中,CS暴露导致肺成纤维细胞Stat1-Tyr701及Ser727的磷酸化,并上调了MAPK信号通路上各基因的表达,导致肺部炎症,改变氧化还原反应,引起肺纤维化[39]。应用p38抑制剂,可抑制香烟诱导的肺内巨噬细胞及中性粒细胞的增加,有效地减少人肺泡巨噬细胞释放TNF-α[40],并减轻吸烟COPD模型小鼠的肺内炎症反应[41]。在治疗COPD时,p38 MAPK在以糖皮质激素为主要药物的治疗中起抵抗作用,而使用p38 MAPK抑制剂可通过调控基质金属蛋白酶-9(MMP-9)下调大鼠肺组织中黏蛋白(MUC5AC)的表达,减轻COPD大鼠气道黏液分泌,因而在降低肺功能损害方面更有优势[42]。另外,p38MAPK在肺血管收缩中有重要作用,血管紧张素-Ⅱ可引起包括p38MAPK在内的MAPK活化,并通过其磷酸化作用调节G蛋白,导致cAMP水平下降、血管阻力增加,造成肺动脉高压。

5　TLRs信号通路

Toll样受体(TLRs)属于Ⅰ型跨膜蛋白受体,是先天性免疫识别的受体,在各种炎症刺激的天然免疫中发挥着重要作用。TLR信号通路是由TLRs介导的信号转导通路,通过识别病原相关分子模式(PAMPs)来激活天然免疫系统,其信号转导途径中主要通过髓样分化蛋白分子88(MyD88)引起下游炎症反应。目前发现的TLR家族包括11个成员,广泛分布于多种细胞。目前TLR在免疫反应中的作用已得到充分证明,TLR基因多态性可导致呼吸道炎性疾病的严重程度和易感性发生剧烈变化。由于吸入空气的持续暴露,肺部和呼吸道特别容易受到病原体和过敏原的影响。气道上皮作为宿主防御的第一道防线,利用包括TLRs在内的多种受体来检测抗原和感染性微生物[43]。通过外源性病原体相关的分子模式(PAMPs)和宿主-衍生的损伤相关的分子模式激活TLRs,有选择性地诱导炎症、炎症细胞招募和细胞因子释放。

呼吸道上皮包含无数的TLR,参与激活免疫反应,包括TLR2、TLR4和TLR9在内的几个TLR参与了COPD的发病机制,特别是TLR2和TLR4被认为是维持COPD炎症反应的主要TLRs,也是诱导机体对呼吸系统中微生物入侵的免疫应答的主要介质[44]。吸烟暴露与TLR4和TLR9基因表达的增加以及细胞因子过度生产之间存在着高度的相关性[46],TLR4和TLR9均已被证明有助于释放CD8+T细胞的IL-8[45],通过IL-8的上调,TLR9可以通过启动中性粒细胞的招募来引起炎症反应[45,46],TLR4缺乏促进肺气肿[47],缺乏TLR4表达的小鼠更容易受到氧化应激的影响,原因是NADPH氧化酶(Nox)3的上调[48,49]。TLR4作为Nox3的抑制因子,可以调控ROS的释放,在TLR4缺失的情况下,ROS可能达到有害水平,最终导致细胞凋亡和肺气肿。TLRs与COPD的恶化相关,研究表明,MyD88与TLR4协同作用于IL激酶,并上调IL的表达[50],MyD88、TLR4和IL-1受体1(IL1R1)之间的相互作用可导致COPD患者急性肺部炎症。此外,由于吸烟导致的中性粒细胞的招募依赖于TLR4/MyD88/IL1R1信号[50,51],COPD患者在CD8+T细胞上的TLR1和TLR2表达增加,可能导致肺损伤和肺泡破坏[52]。Di Stefano等[53]研究发现,在COPD急性加重期和稳定期,TLR4和核苷酸结合寡聚域蛋白(NOD1)在支气管黏膜上表达增强,支气管上皮中CD4+和CD8+细胞中TLR4、NOD1的表达量与气道阻塞呈正相关,参与COPD气道炎症的发生发展,提示TLR可能是治疗慢阻肺的潜在治疗靶点。

6　Notch信号通路

Notch信号通路广泛存在于多种组织和免疫细胞中,是一条高度保守的信号转导途径,Notch信号通路由细胞外配体、跨膜受体、DNA结合蛋白及靶基因四部分组成。Notch信号在协调肺发育过程中表达明显,在调控肺泡上皮、肺血管的生成和发育中起关键作用[54],且Notch家族中各种不同的受体和配体以及多种调节因子的相互作用,能够在肺发育的过程中起到不同的作用[55,56]。近年来发现COPD的发生发展与免疫紊乱密切相关,且与T淋巴细胞失衡有关,而Notch信号在适应性调节及获得性免疫中发挥着主要作用[56]。最近进行的研究表明,Notch受体、配体及下游分子在成人支气管活检及肺组织活检标本上皮细胞中广泛表达,且在成人吸烟者和吸烟的COPD患者的标本中Notch受体和配体(如Notch3,DLL1,Hes)中是下调的[57]。Notch信号通路在颗粒物质的诱导下过度激活,并能加剧COPD的免疫紊乱,导致T淋巴细胞亚群(如Th1,Th17等促炎性细胞增多)失衡,Notch1信号及其下游的Hes1 mRNA和蛋白水平增加[58]。CS暴露能够启动肺淋巴组织中的Notch信号[58],CS暴露下,Notch信号在肺淋巴组织中被激活,Notch配体和受体表达水平升高,尤其是Notch3[59]。因此抑制Notch信号通路的激活可以减轻COPD的免疫紊乱[57]。

7　结语

目前,关于COPD相关信号通路的研究并未完全阐明,以信号通路为靶点的治疗方兴未艾,关于信号机制在致病因素和治疗中的研究也日益丰富。虽然人们已经认识到信号转导在COPD发病机制中起着至关重要的作用,但具体的分子机制还不是很清楚。现有研究资料表明,在COPD发病机制中,针对不同的信号通路,对细胞因子和紧密连接的网络途径进行干预和治疗,为COPD的治疗提供新的策略,很有可能为COPD的临床治疗开辟新的途径。

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