慢性阻塞性肺疾病与自噬相关性研究进展

高璇 徐菲 郑继生 许先荣

[摘要] 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种慢性进展性的肺部疾病，其发病机制包括气道慢性炎症、肺组织的破坏、肺重塑等。自噬是细胞内的一种分解代谢过程，大量研究提示，自噬与COPD的发生发展关系密切，而这一具体机制尚未得到阐明。本文将对COPD与自噬的相关性研究进展作一综述。

[关键词] 慢性阻塞性肺疾病;自噬;气道慢性炎症;肺重塑

[中图分类号] R563.9          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2019）18-0164-05

[Abstract] Chronic obstructive pulmonary disease （COPD） is a chronic progressive lung disease， of which the pathogenesis includes chronic inflammation of the airways， destruction of lung tissue， and lung remodeling. Autophagy is a catabolic process in cells. A large number of studies suggest that autophagy is closely related to the occurrence and development of COPD， and this specific mechanism has not been elucidated. This article will review the research progress of the correlation between COPD and autophagy.

[Key words] Chronic obstructive pulmonary disease; Autophagy; Chronic inflammation of the airways; Lung remodeling

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種慢性进展性疾病，主要特征为慢性气道炎症所导致的不完全可逆的持续气流受限[1]。其典型的临床表现包括慢性支气管炎及肺气肿，且随着病情的进展，COPD初期所表现的气急、呼吸困难及咳嗽、咳痰等症状可逐渐发展为慢性低氧血症和（或）低氧性呼吸衰竭[2]。此外，COPD还会导致一系列肺外临床表现，包括全身性炎症、心血管合并症、肿瘤、恶病质及肌肉功能障碍、骨质疏松症等[2]。目前已知，在发达国家中吸烟是导致COPD的主要原因，而空气污染则是发展中国家中COPD的主要发病诱因[3]。而在世界范围内，随着吸烟人数的增加、空气污染的加重及人口老龄化的加剧，近年来，COPD的发病率逐年明显增长。根据WHO的统计结果，在2015年，因COPD死亡的人数已高达317万[3]。另有流行病学调查结果显示，在40岁以上人群中，COPD的发病率在5%～19%之间，在导致死亡的疾病原因中已经上升至第3位[4]。因此，对COPD发病机制及临床诊治的研究迫在眉睫。近年来，研究人员针对COPD的发病机制进行了大量研究，研究表明，小气道的炎症和纤维化、肺组织的破坏、肺泡壁的增厚以及肺重塑对COPD的发生发展起到了重要作用[5]。

自噬是细胞内一种高度保守的分解代谢过程[6]，其通过对细胞内受损的蛋白质及细胞器进行降解，产生氨基酸、游离脂肪酸、葡萄糖等，转而为细胞的合成过程提供原料，并为其他代谢过程提供能量[7]。业已证实，细胞内自噬过程发生失衡是导致癌症、神经退行性疾病（如阿尔兹海默氏症及帕金森病）、感染和炎症性疾病（如克罗恩病）、糖尿病、肥胖以及心血管和肌肉疾病等多种疾病的根本原因[8]。近年来，随着对自噬研究的逐步深入，研究人员发现自噬与COPD的发生发展也有着千丝万缕的联系。比如，在细胞发生自噬的过程中产生的一系列标志性产物，如LC3-Ⅰ、ATG4、ATG5、ATG7等，相较于正常的肺组织，均在COPD患者的肺组织中有较高水平的表达[9]。因此，着眼于COPD与自噬之间相关性的研究，也许对阐明COPD发病机制以及发现新的更有效的治疗手段具有重大意义。本文将对COPD与自噬的相关性研究进展综述如下。

1 自噬与肺组织内环境的变化

1.1 自噬与慢性炎症

业已明确，呼吸系统的慢性炎症是COPD的病理生理基础[10]。研究发现，在COPD患者的痰液、肺泡灌洗液中存在大量的中性粒细胞，而在COPD患者的肺组织中亦存在大量的巨噬细胞[11，12]。这些炎症细胞可以释放大量的炎症介质，如相关细胞因子、氧自由基以及酶类，比如蛋白酶等，这些炎症介质及酶类作用于肺组织，将导致肺泡结构的破坏和气流受限[13，14]。而实验研究发现经过香烟烟雾暴露建立的小鼠COPD模型中，肺组织中的炎症水平与自噬水平呈一定的相关性。这一相关性通过何种方式来实现，尚需阐明。Li Y等[15]进行实验研究后认为，在受到烟雾暴露时，花生四烯酸的衍生物氧二十碳三烯酸（epoxyeicosatrienoic acids，EETs）能够通过降低自噬水平起到一定的抵抗炎症的保护作用。他们利用EET抑制基因敲除小鼠Ephx2-/-小鼠进行烟雾暴露，发现肺组织中的炎症水平有一定程度的降低，同时自噬水平也发生了相同水平的降低，提示自噬可能与EET途径相互作用，从而影响COPD患者体内的炎症水平[15]。在细胞内自噬的发生过程中，雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）是一种具有重要抑制作用的蛋白[16，17]。Wang Y等[18]通过对TSC2-MTOR-NF-κB信号通路研究发现，烟雾暴露时，气道及肺泡上皮细胞内自噬受到TCS2-MTOR-NF-κB信号通路的调节明显增加，并能进一步诱导细胞内炎症因子如IL-6、IL-8的大量释放，导致肺内炎症的发生。这一发现进一步证明自噬具有促进COPD患者肺组织内炎症水平的作用。

1.2 自噬与细菌感染

COPD患者更容易合并下呼吸道感染，以细菌感染及病毒感染多见，常见的易感细菌包括肺炎链球菌、非典型流感嗜血杆菌、绿脓杆菌等[19]。下呼吸道感染能够显著增加COPD患者的炎症水平、气流受限程度以及肺功能受损的程度，导致COPD患者的急性加重，进一步使COPD患者的住院率和死亡率明显升高[20]。肺组织抵御细菌感染的过程主要通过巨噬细胞的吞噬作用来实现[21]。Pehote G等[22]认为COPD患者下呼吸道存在的慢性感染可能与肺泡巨噬细胞的吞噬功能失调相关，而内在机制可能是烟雾暴露导致了肺泡巨噬细胞自噬作用受损。体外实验发现，烟雾暴露通过影响自噬上游基因的转录因子EB（Transcription factor EB，TFEB）的表達，进而阻碍了细胞中的自噬过程，使细胞不能通过吞噬作用清除侵袭肺内细胞的细菌，最终导致肺组织更容易被感染[22]。这一研究证实，在抵抗外界致病细菌的侵袭过程中，自噬具有屏障保护作用，能够将初步入侵细胞的细菌吞噬、降解，阻止细菌进一步的侵袭和扩散，那么，通过增强COPD患者自噬上游基因表达，促进其肺细胞的自噬水平，将为COPD患者预防下呼吸道感染提供可能。

1.3自噬与黏液分泌

COPD患者长期、反复的咳嗽咳痰与其气道的黏液高分泌密切相关。作为COPD的重要的病理特征之一，气道内黏液分泌的明显增多将导致气道阻塞、COPD患者的急性加重，明显降低COPD患者的生活质量，是增加COPD患病率和死亡率的重要原因[23]。已有研究证实，香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）能够在气道上皮细胞中诱导黏液基因MUC5AC的表达[24]。Zhou JS等[25]研究发现，以不同方式诱导自噬后，MUC5AC同样也被诱导表达，而抑制了自噬后，MUC5AC的表达亦发生了衰减。经过进一步研究，Zhou JS等[25]认为香烟烟雾暴露刺激机体产生了线粒体活性氧（mitochondrial reactive oxygenmito，mitoROS），而mitoROS 提高了气道上皮细胞的自噬水平，高水平的自噬通过调节JNK信号-转录因子AP-1通路诱导了MUC5AC的表达，最终导致气道黏液的高分泌。

2 自噬与肺组织结构的改变

2.1 自噬与肺气肿

肺气肿是COPD患者的重要体征之一，目前认为，COPD患者出现肺气肿的主要机制为中性粒细胞、巨噬细胞向肺组织中的渗出，以及蛋白酶等酶类向肺组织释放对肺泡结构的破坏[26，27]。而前文中Li Y等[15]亦发现Ephx2-/-小鼠经过烟雾暴露后肺组织中的中性粒细胞、巨噬细胞与普通小鼠相比有一定程度的减少，免疫组化结果进一步提示Ephx2-/-小鼠的肺气肿也得到了改善，提示自噬通过EET途径不仅降低了COPD患者肺内炎症水平，亦能延缓COPD患者肺气肿的发生发展。Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）是对机体的固有免疫应答以及随之产生的适应性免疫应答具有重要的调节作用的一类受体[28]，最近，随着对TLR研究的深入，研究人员发现TLR4在自噬的调节过程中具有抑制作用[29]，同时亦具有保持肺组织结构、延缓肺气肿发生发展的作用[30]。An CH等[31]进行实验发现，相较于野生型小鼠，TLR4基因缺陷的小鼠在进行烟雾暴露后其肺组织表现出了更为严重的肺气肿表现，并且自噬水平明显升高，结合进一步实验，认为TLR4对自噬具有抑制作用，而自噬产物LC3-Ⅰ则能够提高烟雾暴露时肺组织发生肺气肿的易感性，那么TLR4可能是通过抑制自噬的发生水平，进一步减少肺气肿的发生，起到保护肺组织的作用。不过，另有研究认为，细胞是通过自噬过程来降解发生了折叠错误的蛋白质以及多泛素化蛋白，以维持细胞内稳态，而观察烟雾暴露后的肺组织细胞，可见其中存在大量错误折叠或者多泛素化蛋白聚集体，这些聚集体引起细胞内稳态失衡，细胞发生裂解、死亡，最终导致肺组织结构的破坏，肺气肿形成并发展，那么，COPD患者肺气肿形成的机制亦可能是烟雾暴露引起细胞内自噬功能失调，自噬过程中断、停止，导致自噬中间产物堆积以及细胞内错误折叠或者多泛素化蛋白体不能被有效清除[32-34]。Bodas M等[35]的研究则支持这一观点，他们研究发现烟雾暴露可能通过神经酰胺-乳糖神经酰胺（lactose ceramides，LacCer）通路，引起细胞膜上LacCer 的聚集，进而导致细胞内自噬功能的缺失，加重肺气肿。

2.2 自噬与纤毛结构及功能

COPD患者气道中存在的异常的炎症反应、更容易发生病原体感染的特征亦与气道上皮细胞上的纤毛缩短、气道黏膜纤毛清除功能受损相关[36]。烟雾暴露能够缩短气道上皮细胞的纤毛长度甚至导致细胞死亡，而后由杯状细胞取而代之，过多的杯状细胞分泌过多的气道黏液，使气道黏膜纤毛的清除功能受损，最终导致病原体、有害颗粒等在呼吸道的堆积，发生感染[37]。Cloonan SM等[38]通过体内及体外实验发现，经过烟雾暴露后，气道上皮细胞及肺组织中纤毛的缩短程度与自噬增加的水平相一致。进一步的体内及体外实验证明，当自噬基因发生缺失，气道上皮细胞及肺组织中的纤毛在经过烟雾暴露后也不会发生缩短，并且烟雾暴露后，研究人员在增加的自噬体/自噬溶酶体中发现了大量的纤毛成分及纤毛蛋白[38]。由此，Cloonan SM等[38]认为烟雾暴露通过上调气道上皮细胞的自噬水平引起细胞纤毛成分及纤毛蛋白的降解，致使细胞纤毛缩短，甚至进一步导致纤毛细胞的缺失及死亡，破坏COPD患者气道黏膜纤毛的清除功能，加重其炎症反应、增加感染几率及急性发作发生率。

3 自噬与氧化应激

香烟烟雾中含有大量的自由基和氧化剂，能够诱导机体产生氧化应激反应[39]。而氧化应激反应能够快速增强机体的炎症反应，导致黏液过度分泌、气道上皮细胞凋亡以及细胞外基质的重塑，从而促进COPD的发生发展[40]。叉头框O3a（The fork frame O3a，FoxO3a）是属于FoxO家族的一类转录因子，其参与调节的基因表达涉及多种生物过程，包括氧化应激抵抗[41]。在正常状态下，FoxO3a存在于细胞质中，而当细胞处于氧化应激状态下时，FoxO3a则会转移至核周[42]。亦有研究发现FoxO3a也参与了自噬过程的调节，自噬产物LC3亦是FoxO3a的直接作用靶点[43]。Shi J等[44]研究发现，香烟烟雾暴露能够降低FoxO3a的水平并且促进其向核周的移位，导致LC3生成、自噬水平增加，而这一过程受到白藜芦醇二聚体Vam3的负向调节。由此，Shi J等[44]认为，香烟烟雾刺激机体产生氧化应激反应，而氧化应激通过FoxO3a-LC3通路导致细胞发生异常升高的自噬水平，最终导致细胞凋亡、组织结构破坏，促进COPD的进展，Vam3则通过提高氧化应激状态下FoxO3a的水平并且抑制其向核周的移位的作用抑制自噬的发生，减少细胞的凋亡、维持肺组织结构，延缓COPD的进展。

4 结语

COPD是一种慢性疾病，是世界范围内公认的致死疾病之一。近年来，随着对自噬的研究日趋热门，自噬在COPD发病机制中的作用研究也越来越受到关注。目前多数观点认为在COPD的发病机制中异常增高的自噬水平起到了促进作用，如前文所述，众多研究者认为在实验研究过程中观察到的自噬相关标记物的增加、自噬产物的高表达证明了自噬水平的增加。自噬的增加将导致肺细胞大量凋亡，同时炎症介质水平、肺组织结构破坏程度也出现同样水平的增加。但亦有观点认为，自噬是一个动态的生物过程，在过程中某些产物的增多并不够证明整个自噬过程是高水平进行的，在COPD患者及模型中觀察到的自噬标记物的过表达正是自噬这一动态过程在某一节点被阻断，从而造成自噬中间产物堆积的表现，而延缓COPD的进展需要将被阻断的自噬过程继续进行，以清除侵入肺细胞的病原体、代谢废物及被破坏的细胞内结构等，维持细胞内稳态。尽管对自噬与COPD发病的具体机制观点不同，但自噬与COPD 的发病机制是高度相关的已得到公认，通过调节自噬的水平，从肺气肿、炎症反应、感染、氧化应激、黏液分泌及气道黏膜清除等病理特征的上游通路进行阻断，或将成为治疗COPD的关键，为COPD的治疗提供新思路、新方法。

[参考文献]

[1] Sehl J，O'Doherty J，O'Connor R，et al. Adherence to COPD management guidelines in general practice？ A review of the literature[J]. Ir J Med Sci，2018，187（2）：403-407.

[2] Paliogiannis P，Fois AG，Sotgia S，et al. Neutrophil to lymphocyte ratio and clinical outcomes in COPD：Recent evidence and future perspectives[J]. Eur Respir Rev，2018， 27（147）：170113.

[3] Yamasaki K，Eeden SFV. Lung macrophage phenotypes and functional responses：Role in the pathogenesis of COPD[J]. Int J Mol Sci，2018，19（2）：E582.

[4] Heinrich J，Schikowski T. COPD patients as vulnerable subpopulation for exposure to ambient air pollution[J]. Curr Environ Health Rep，2018，5（1）：70-76.

[5] Reséndiz-Hernández JM，Falfán-Valencia R. Genetic polymorphisms and their involvement in the regulation of the inflammatory response in asthma and COPD[J]. Adv Clin Exp Med，2018，27（1）：125-133.

[6] Nakamura S，Yoshimori T. Autophagy and longevity[J]. Mol Cells，2018，41（1）：65-72.

[7] Moreno-Blas D，Gorostieta-Salas E，Castro-Obregón S. Connecting chaperone-mediated autophagy dysfunction to cellular senescence[J]. Ageing Res Rev，2018，41：34-41.

[8] Marinkovi prung M，Buljuba ，et al. Autophagy modulation in cancer：current knowledge on action and therapy[J]. Oxid Med Cell Longev，2018，2018：8023821.

[9] Li Y，Cho MH，Zhou X. What do polymorphisms tell us about the mechanisms of COPD[J]. Clin Sci（Lond），2017， 131（24）：2847-2863.

[10] Sun Z，Li F，Zhou X，et al. Stem cell therapies for chronic obstructive pulmonary disease：Current status of preclinical studies and clinical trials[J]. J Thorac Dis，2018，10（2）：1084-1098.

[11] Moodley YP，Krishnan V，Lalloo UG. Neutrophils in induced sputum arise from central airways[J]. Eur Respir J，2000，15（1）：36-40.

[12] Finkelstein R，Fraser RS，Ghezzo H，et al. Alveolar inflammation and its relation to emphysema in smokers[J]. Am J Respir Crit Care Med，1995，152：1666-1672.