Wnt/β-catenin信号通路调控慢性阻塞性肺疾病肺部修复的研究进展

钟玉兰 淦鑫 李思云 刘吉祥 彭林凤

(南昌大学第一附属医院呼吸内科，江西 南昌 330006)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的、可预防和可治疗的疾病，其特征在于呼吸道症状持续存在，气道和(或)肺泡异常引起的气流受限，通常是由于长期暴露于有毒颗粒或气体造成的〔1〕。研究显示2014～2015年中国COPD总体患病率估计为13.6%，表明该病已成为一个重大的公共卫生问题〔2〕。除了终末期疾病的高发病率外，COPD严重限制了患者的生活质量，带来巨大的医疗、经济和社会负担〔3〕。气道持续暴露于香烟烟雾和(或)尼古丁气体等有毒试剂中启动炎性氧化应激，最终导致肺实质和肺泡壁的不可逆损伤〔4〕。COPD的主要病理特征是肺气肿和慢性支气管炎，两者都可能导致气道腔径减小，造成气流受限。肺气肿即由于终末细支气管远端气腔出现异常持久的扩张导致的肺换气面积减小〔5〕，慢性支气管炎表现为支气管上皮细胞变性、坏死、脱落，后期出现鳞状细胞和杯状细胞化生，支气管周围纤维化和新生血管形成。肺结构细胞的凋亡，蛋白酶-抗蛋白酶假说，氧化剂-抗氧化剂失衡，炎症和免疫被认为有助于COPD肺损伤和重塑过程，慢性炎症和细胞外基质的持续蛋白水解，以及结构细胞死亡，已被证明有助于疾病的起始和进展〔6〕。此外，肺不能激活COPD中的自我修复机制被认为是肺气肿功能组织逐渐破坏的重要原因〔7〕。迄今为止，没有治疗COPD的方法可以稳定或逆转疾病的进展，因此，确定诱导肺修复的新型靶点是重要的。30多年前发现的Wnt依赖性效应主要是在果蝇和非洲爪蟾等生物胚胎发育过程中描述的〔8,9〕，对于COPD来说，现在清楚的是，Wnt通路不仅参与发育过程〔10〕，而且还在修复过程和免疫应答的调节中具有重要作用,该通路代表了肺修复和再生的首要目标。现就目前有关Wnt通路调控慢性阻塞性肺疾病肺部修复的研究进展进行综述。

1 Wnt信号通路概述

Wnt信号通路根据是否依赖β-catenin分为经典通路(现称为Wnt/β-catenin途径)与非经典通路(Wnt-PCP途径和Wnt-Ca2+途径)。Wnt配体家族由多种富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白组成，并作为短程信号分子与各种膜受体结合后可激活Wnt信号通路，产生不同的生物学效应。到目前为止，已有19种Wnt配体在哺乳动物中被发现，通常，Wnt1,2,3和3a，8和8b被认为是经典Wnt/β-catenin途径的激活剂，Wnt4,5a，5b，6,7a和11则激活非经典Wnt信号通路〔11〕。Wnt配体可与细胞膜上多种受体结合，包括10种卷曲蛋白(FZD)受体和共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5和6(LRP5/6)，以及越来越多的替代受体和共受体〔包括酪氨酸激酶相关受体(RYK)，酷氨酸激酶孤独受体(ROR)1/2，酪氨酸激酶(PTK)7和G蛋白耦联受体(GPR)124〕以触发下游信号传导途径〔12〕。三聚体(Wnt蛋白/FZD/LRP5/6)复合物的连接导致细胞信号传导，β-catenin则由腺瘤性结肠息肉蛋白(APC)和AXIN、酪蛋白激酶(CKI)α和糖原合成酶激酶(GSK)3β结合成的降解复合体(即APC-Axin-CKIα-GSK3β复合体)降解〔13〕。在Wnt信号存在时，Wnt蛋白与细胞膜上的FZD受体和LRP5/6结合，激活细胞内的信号级联反应，CKIα和GSK3β将LRP磷酸化，AXIN被募集到质膜上，该降解复合体失活，导致β-catenin在细胞质中积聚并进入细胞核与T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)(一种转录复合物)结合在一起,特异性的调控下游Wnt靶基因的表达；在Wnt信号不存在的情况下，该降解复合体促进CKIα和GSK3β对β-catenin的磷酸化，随后β-catenin被E3泛素连接酶识别并经蛋白/蛋白酶体途径降解，使胞质中的β-catenin保持在较低的水平〔11〕。β-catenin是经典Wnt信号传导的关键组成部分,而GSK3β是该途径的负调节剂。此外，经典Wnt信号也可以由分泌型卷曲相关蛋白(SFRP)、Wnt抑制因子(WIF)1和DKK家族分泌蛋白来调节〔14〕，DKK家族由4种蛋白质(DKK1,DKK2,DKK3和DKK4)组成，DKK1和DKK3蛋白是家族中研究最多的成员，这些可以通过结合并降解辅助受体LRP5/6抑制Wnt信号传导。在Wnt/Ca2+途径中，Wnt与FZD和ROR-2受体结合并导致G蛋白活化，导致细胞内钙水平增加或环鸟苷酸(cGMP)水平降低;最终是Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ或蛋白激酶(PK)C被激活。在Wnt/PCP途径的情况下，Wnt蛋白与细胞表面上的FZD受体和ROR-2/RYK/PTK7受体结合，导致鸟苷三磷酸(GTP)酶(RhoA/Rac)和Jun-N端激酶(JNK) 激活成触发所需的基因表达〔15〕。目前研究较多的是经典Wnt信号通路，因此本文主要讲述Wnt /β-catenin信号通路在COPD中的调控作用。

Wnt通路不仅在决定细胞命运、细胞迁移和极性，器官发育，干细胞自我更新及生理条件下的组织稳态中发挥重要作用，而且是组织损伤后修复中发挥关键作用的发育信号通路〔16〕。许多Wnt配体和受体已被确定为对各个发育阶段至关重要，例如，Wnt2/2b和Wnt2/7b 双敲除小鼠分别显示肺发育不良〔17〕和更严重的肺形态发生缺陷〔18〕，而气道上皮细胞和肺泡上皮Ⅱ型细胞中观察到Wnt3a表达〔19〕，新生小鼠中LRP5的基因缺失抑制了肺泡形成〔20〕，而FZD2的上皮特异性缺失表现出分支形态发生缺陷和远端气道囊肿形成。由于β-catenin主要在发育中的上皮细胞中被发现，这可能对肺修复具有重要的临床意义〔21〕。未来的潜在选择可能是肺发育过程中活化的信号通路的再激活，以诱导COPD中受损上皮修复，因此Wnt信号可能是COPD肺部修复的潜在途径。

2 Wnt /β-catenin信号传导促进肺泡上皮细胞增殖及转分化

肺泡负责气体交换，香烟烟雾(CS)或空气中的有害颗粒可通过气道进入肺泡，这些颗粒可能会导致Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮细胞(ATⅠ和ATⅡ)的损伤，造成COPD的肺气肿改变。当ATⅠ细胞受损时，相邻的ATⅡ细胞被刺激增殖并转分化为ATⅠ细胞。因此，在肺泡上皮细胞中ATⅡ细胞一直被认为是祖细胞〔22〕。Desai等〔23〕发现ATⅡ细胞能够自我更新并在肺泡上皮损伤时发挥ATⅠ细胞的祖细胞功能，并证实该过程依赖于Wnt/β-catenin信号通路的激活。在体外ATⅡ至ATⅠ细胞转分化过程中也观察到Wnt/β-catenin信号传导途径的活化。Flozak等〔24〕通过Wnt/β-catenin信号通路的内源性抑制剂DKK1过表达，DKK1减弱了β-catenin驱动的靶基因(即AXIN2)在ATⅡ细胞转分化中的表达。Mutze等〔25〕用小分子化合物PKF115-584抑制Wnt/β-catenin信号通路及用Wnt/β-catenin SiRNA转染ATⅡ后均减弱ATⅠ细胞标记物(T1α)的表达，表明ATⅡ向ATⅠ转分化减少。总之，这些数据显示经典Wnt/β-catenin信号传导调节肺泡上皮细胞转分化和修复过程。在生理条件下，FZD4受体表达于肺泡上皮细胞，然而Skronska-Wasek等〔26〕对COPD患者中FZD受体的表达进行了广泛分析，发现FZD4的表达在中度和极重度COPD的个体中减少并伴随着β-catenin表达的减少,作者还证实FZD4促进细胞增殖，迁移和ATⅡ向ATⅠ细胞转分化，表明FZD4受体对于肺泡上皮细胞修复至关重要。综上所述，这些发现表明Wnt/β-catenin信号激活可能是诱导COPD肺组织修复的途径。

3 Wnt/β-catenin信号修复损伤的气道上皮

在COPD患者中，气道上皮不断暴露于诸如香烟烟雾、细菌、病毒或其他环境因素的炎症刺激物，这导致上皮-间质转化(EMT)的持续存在，基底细胞的数量减少和(或)迁移和增殖导致重建的气道上皮的异常分化。上皮屏障功能通过上皮细胞形成紧密连接和粘连连接来维持，这些连接结构限制了气道上皮对吸入性病原体和环境应激物的渗透性，上皮屏障的破坏不仅使上皮层暴露于空气中的有害物质，而且改变了上皮细胞的正常功能，这可能最终导致COPD的发生和发展〔27〕。损伤后气道上皮的屏障功能受损、抗微生物防御失调和黏液纤毛清除缺陷或不完全恢复都可能增加COPD感染复发的风险。气道上皮损伤在气道疾病如COPD 的发病机制中扮演着至关重要的角色，因此修复气道上皮是解决COPD的重要步骤。Zhu等〔28〕研究中将培养的单层支气管上皮细胞(BECS)刮擦来建立一个体外损伤模型，发现BECS细胞迁移和增殖可修复损伤，并且进一步证明GSK3β的过表达抑制Wnt/β-catenin信号通路导致损伤修复延迟，而下调GSK3β后促进了支气管上皮细胞的损伤修复。Lynch等〔29〕用Wnt3a重组腺病毒和空载体阴性腺病毒感染转基因小鼠，在转染后5 d取气管进行组织免疫染色发现腺病毒介导的Wnt3a的过表达激活Wnt/β-catenin信号通路促进体内气道上皮祖细胞扩增，作者还发现几个Wnt通路基因Wnt3a和蓬乱蛋白(DVL1)的RNA表达在近端气道损伤后上调，而Wnt2，Wnt5a和Wnt6在远端气管中的上调幅度大于近端气道，因此，Wnt/β-catenin信号通路可能在从COPD气道上皮损伤修复中具有促进作用。

4 Wnt/β-catenin信号通路调控外源性骨髓间充质干细胞(MSCs)分化成肺泡上皮细胞

GOLD指南(2018年)根据患者前一年中中重度急性加重发生的频率及症状分为A～D组来指导治疗〔1〕。目前包括皮质类固醇和抗炎剂在内的治疗虽然暂时缓解了呼吸系统症状，并且延缓疾病的进展，但是他们似乎并未抑制这些患者的气道重塑。另一种治疗COPD气道上皮修复的有效治疗策略是干细胞治疗。除了位于肺内的干细胞外，MSCs在许多实验环境中也被证明有助于再生，即移植后招募至肺损伤部位，并分化成肺泡上皮细胞〔30〕。白冲等〔31〕研究证实MSCs移植后在COPD中能定植并分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞、气道黏膜上皮和平滑肌细胞，并能改善COPD气道重塑的程度。研究表明Wnt/β-catenin信号通路可调控MSCs向肺上皮细胞的定向分化，然而细胞类型或刺激条件不同，其调控效应也有所不同。Cai等〔32〕使用过表达β-catenin的慢病毒载体转染MSCs发现经典的Wnt /β-catenin通路的激活促进了MSCs在体内向ATⅡ细胞的分化，改善了肺泡上皮渗透性和肺组织的病理表现，该团队另一研究〔33〕还发现，经Wnt3a或氯化锂(LiCl)激活Wnt/β-catenin信号时促进MSCs向Ⅱ型肺泡上皮细胞的分化，赋予MSCs对氧化应激的抗性并促进其迁移，表明Wnt/β-catenin通路的活化可能是MSCs向肺泡上皮细胞分化而修复损伤的肺部组织机制之一。而Wang等〔34〕研究表明在MSCs与正常气道上皮细胞共培养分化为上皮细胞的过程中，Wnt经典途径相关分子(即β-catenin)表达下调，而抑制该通路则促进MSCs向肺泡上皮细胞的分化。Sun等〔35〕用DKK1抑制Wnt/β-catenin信号促进MSCs向肺泡上皮细胞分化，从而有利于受损的肺上皮细胞的修复。这些研究均表明Wnt/β-catenin信号通路在MSCs向肺泡上皮细胞定向分化过程中起着重要的调节作用，为MSCs作为治疗COPD的靶点提供了理论依据。

5 小 结

综上，对COPD而言,Wnt/β-catenin信号通路的调节可能作为未来合适且有希望的治疗策略。然而，成功实施Wnt/β-catenin信号通路的治疗性作用，一个需解决的重要问题是确定与COPD发病机制中涉及的关键分子途径相互作用的新药物。由于在过去的十年，我们对慢性阻塞性肺疾病Wnt信号的知识继续增长，靶向Wnt信号通路的能力为慢性阻塞性肺疾病提供了巨大的潜力;然而，针对这种关键的信号传导途径仍存在重大风险和担忧。未来的挑战将是确定Wnt信号的哪个时间点及如何专门针对这些通路中的主要信号中枢。Wnt信号通路在COPD中具有治疗潜力，并且可以通过各种分子机制来实现，然而存在潜在的不良反应如上皮-间质转化(EMT)、组织重塑或肿瘤发生的风险，与COPD相反，增加的Wnt/β-catenin信号传导是肺纤维化(IPF)的标志，并且抑制这种转录激活剂具有重大的治疗意义，建议谨慎使用人工激活肺中的Wnt/β-catenin信号，不应过度激活。总而言之，目前存在或正在开发的几种有价值的Wnt通路的方法，为未来治疗慢性阻塞性肺疾病提供了新途径。