PGE2/EP信号通路在肺部疾病中作用的研究进展

2020-03-03陈建安李德富袁良易高

国际呼吸杂志 2020年12期

陈建安李德富袁良易高

1广州医科大学附属第五医院呼吸内科510700；2广州医科大学附属第一医院呼吸内科510120

前列腺素E2 (prostaglandin E2,PGE2)作为花生四烯酸代谢产物,通过与不同类型的前列环素受体(prostacyclin receptor,EP)结合,介导不同的生物学效应。近年来,越来越多的研究表明PGE2/EP 信号通路与肺部疾病的发生发展密切相关,其主要包括COPD、支气管哮喘 (哮喘)、肺炎、肺癌等。基于此,本文将对PGE2/EP信号通路在各种肺部疾病中的作用进行综述。

1 PGE2及其受体

环氧合酶是PGE2合成的限速酶,花生四烯酸在环氧合酶的帮助下氧化成不稳定的过氧化物前列腺素G2 和前列腺素H2,前列腺素H2再在前列腺素合酶的作用下合成PGE2[1]。

PGE2通过与EP 结合发挥作用,EP 为细胞膜上的跨膜蛋白,属于G 蛋白受体超家族,分为4个亚型,分别为EP1、EP2、EP3、EP4[2]。每个EP 亚型具有不同的信号转导特性。其中,EP1通过Gq蛋白与细胞内Ca2+动员偶联,并通过激活磷酸肌酸激酶C 介导信号传导。EP2 和EP4 通过G 蛋白激活腺苷酸环化酶,增加环磷酸腺苷(cyclic adenosine phosphate,c AMP)的含量,进而激活c AMP依赖的蛋白激酶A。EP3可与多种G 蛋白结合,其主要通过Gi抑制腺苷酸环化酶。此外,EP 受体之间也存在相互干扰,有大量研究表明EP1、EP2与EP4可与表皮生长因子之间相互作用,这增加了EP 受体信号传导通路的复杂性[3]。PGE2通过与不同亚型的EP受体结合发挥出不同的作用[4]。PGE2与EP1结合,主要产生平滑肌收缩作用;与EP2/4结合主要产生抑制性作用,如气道平滑肌松弛、细胞分泌以及抑制细胞增殖等生物学功能;而与EP3结合,则能够在血小板积聚和血栓形成过程中控制血管调节及改造血管壁,并可抑制神经信号传导、平滑肌收缩、脂解作用和水分重吸收等[5]。

2 PGE2/EP与COPD

COPD 是一种以持续气流受限为特征的可以预防和治疗的慢性肺部疾病,其气流受限多呈进行性发展,目前认为其主要与炎症、氧化应激以及蛋白酶-抗蛋白酶等机制失衡导致的气道壁和肺泡间隔重构、肺组织结构破坏有关[6]。

肺毛细血管的数量减少是COPD 特征性的病理生理变化。成纤维细胞是血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)的主要来源,其通过调节肺微血管系统促进肺泡内皮细胞的血管生成。有实验表明PGE2能激活人肺成纤维细胞中Gs偶联的EP2受体来刺激VEGF的产生[7-8],进而促进内皮细胞的增殖和分化并诱导血管通透性的增加,这有助于肺血管的重塑[9]。然而,PGE2 激活不同类型的EP 受体对VEGF 的作用存在着差异,激动EP2受体能显著增加VEGF的产生,而激动EP1、EP3受体则不影响其释放[10]。

PGE2是重要炎症介质,在炎症的发生与进展中发挥着重要的作用。有研究表明,COPD 患者诱导痰中的PGE2含量明显高于正常对照,且COPD 急性加重患者诱导痰中的PGE2含量高于COPD 稳定期患者,且其含量与中性粒细胞数目呈正相关,这提示PGE2可能通过与其受体结合参与COPD 的发生与进展。COPD 患者气道中β2-肾上腺素能受体活性较正常人下降,激活β2-肾上腺素能受体能够扩张气道,缓解COPD 患者气促的症状。一项关于人体气道平滑肌的体外试验证实,阻断EP2 活化能有效地恢复β2-肾上腺素能受体功能,减少PGE2在慢性肺部疾病中的负面影响[11]。此外,有动物实验表明,在COPD 模型小鼠中功能缺失性EP4受体的水平较高,而PGE2可以与EP4结合,通过腺苷酸环化酶/c AMP/c AMP依赖性蛋白质通路调控细胞因子基因转录,从而发挥抗炎作用[12]。

吸烟是COPD 发病的首要危险因素,其能使支气管上皮纤毛活动障碍及异物清除能力减弱,引起气道痉挛进而增加气道阻力,也可以使吞噬细胞的吞噬能力减弱[13]。有研究表明,在由吸烟诱发的COPD 发病早期,PGE2 信号通路主要通过诱导肺血管内皮细胞凋亡启动COPD 的发生[14]。但同时也有研究表明,PGE2信号转导系统能够抑制气道平滑肌细胞 (airway smooth muscle cells,ASMC)迁移性生长以及转化生长因子β1 介导的气道成纤维细胞增生,因而可能有局部保护作用[15]。

晚期的COPD 患者常常出现全身系统的受损,表现为动脉粥样硬化、骨质疏松症、肌肉萎缩和脂肪消耗[16]。有动物实验表明,PGE2能通过与EP2结合刺激脂肪血管生成,从而刺激脂肪形成[17]。这对COPD 患者体质量减轻的干预给出了重要提示,但仍需要进一步研究PGE2/EP2信号通路在调节脂肪血管生成和脂肪生成中的作用及其机制。

3 PGE2/EP与过敏性哮喘

过敏性哮喘是一种复杂的、具有多基因遗传倾向的疾病,是哮喘中最容易识别的类型,它的发生可能与气道免疫-炎症、神经调节等机制失衡有关[18]。

哮喘可由多种因素引发或者诱发发作,如过敏原、运动、冷空气暴露、化学致敏物质、空气污染物和呼吸道病毒感染[19],主要表现为咳嗽、喘息和呼吸困难等[20]。研究发现,哮喘患者有显著的ASMC 增生和气道结构改变。在正常气道中,平滑肌细胞位于气道黏膜固有层内,而在哮喘患者中,ASMC数量增多、体积增大,且在多种因素的影响下向平滑肌内膜迁徙,导致气道结构改变及气道高反应性[21],而这可能与PGE2/EP 信号通路有关。PGE2 可以通过与EP4 结合抑制支气管平滑肌细胞的增殖和迁移[22],同时增加EP4受体表达,从而发挥对支气管的保护作用。然而,不同的EP亚型对PGE2的亲和力不同,其中EP3＞EP4＞EP2＞EP1[23]。在大鼠过敏性哮喘模型中发现,EP2、EP4表达下降,从而产生了EP1受体介导的效果,促进了平滑肌细胞内的Ca2+内流,进而引起平滑肌收缩。此外,EP1受体介导的作用增强,能够使ASMC 迁移能力增强,从而导致气道结构改变和重塑[24]。因此,增加EP4受体表达或增强其活性,可能成为治疗过敏性哮喘的新方向。但有关离体的人类小气道的研究表明,与临床使用的支气管扩张剂福莫特罗相比,EP4受体激活的支气管舒张作用似乎不具有治疗气道疾病的巨大潜力。低浓度的PGE2通过结合EP2 受体能抑制肥大细胞释放炎性介质,从而消除肥大细胞介导的支气管收缩,这更值得关注[25]。

目前较为公认的关于哮喘的学说认为,哮喘的过敏性气道炎症是由气道内Th1/Th2 细胞因子失衡所致,而PGE2能调控ASMC分泌IL-4、IL-10和干扰素γ等细胞因子,进而调节Th1/Th2细胞因子的平衡,从而对哮喘的气道炎症发挥重要作用[19,26]。另一方面,PGE2 能够通过刺激EP3受体导致小鼠气道的过敏性炎症加重,表现为气道中嗜酸粒细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量增加[27]。

此外,PGE2/EP4可刺激气道黏蛋白产生,这可能与严重哮喘中出现的黏液分泌过多有关[28]。

4 PGE2/EP与肺癌

EP在肺癌细胞中异常表达,其可能参与肿瘤血管生成、诱导肺癌细胞增殖、免疫抑制及抑制细胞凋亡的过程。在许多癌症中,PGE2 的浓度升高不仅有利于肿瘤的发生发展,还可能通过影响肿瘤微环境而导致治疗抵抗[29]。

PGE2与EP1结合可激活介导细胞迁移和侵袭的信号通路,从而产生肺癌促进作用[30]。黏着斑激酶 (focal adhesion kinase,FAK)是一种非受体细胞质酪氨酸激酶,且磷酸化的FAK 能通过激活PKC/c-Src和表皮生长因子受体 (epidermal growth factor receptor,EGFR)信号通路调节癌细胞增殖和迁移[31],而PGE2与EP1受体结合能增强整联蛋白的表达并诱导癌细胞中FAK 的磷酸化和活化[30-31]。β1-整合素可以通过多种方式促进肺癌的发生发展。有研究表明,PGE2能通过与EP1相结合上调β1-整合素蛋白的表达水平,从而增强肿瘤细胞向远处迁移的能力。此外,EP1能与Gq亚基相耦合,激活磷酸肌酸激酶C,进而通过活化T 细胞核因子、丝裂原活化蛋白激酶等影响c-Myc等癌基因转录[2]。以上表明,PGE2/EP1可能通过调节肺癌细胞的增殖和迁移能力促进肺癌的发生发展。

PGE2与EP2结合能促进血管内皮细胞产生VEGF,从而促进血管生成及肿瘤细胞的迁移[32]。此外,PGE2在调节肿瘤免疫应答中起重要作用[33]。肿瘤细胞产生的PGE2能与EP2受体结合抑制辅助性T 细胞的活化与增殖,并能调控T 细胞分泌细胞因子以及调节Th1、Th2与Th17细胞的数量与平衡,最终影响机体的肿瘤免疫应答,如PGE2能抑制Th1 细胞产生IL-2、干扰素γ,而促进Th2细胞产生IL-4、IL-5等。树突状细胞在肿瘤免疫应答的起始中起重要作用,肿瘤中树突状细胞的存在与其预后改善相关[34]。而PGE2通过与EP2和EP4受体结合,不仅能够扰乱树突状细胞早期分化、成熟、迁移并抑制树突状细胞功能,还能促进调节性T 细胞和骨髓来源的抑制性细胞的作用[35]。相反,也有研究表明PGE2能促进树突状细胞的成熟并增强其T 细胞刺激能力[36]。此外,PGE2能够直接抑制自然杀伤细胞的毒性作用。因此,PGE2/EP2 可能在肺癌的发生发展中起重要作用。

有实验研究表明在非小细胞肺癌中,PGE2 通过与EP3结合使整合素-金属蛋白酶活化、EGFR 配体脱落以及最终磷酸化,从而诱导非小细胞肺癌细胞增殖[37]。

在4种EP 受体中,EP4受体所介导的信号通路可能是PGE2参与肺癌发生发展的最佳通路。PGE2 与EP4 受体结合,不仅能够抑制机体的肿瘤免疫应答,还在肿瘤细胞的侵袭和转移中起重要作用[38]。有动物实验证明,在许多肿瘤类型中,敲除EP4受体或选择性拮抗EP4受体可以抑制肿瘤的进展[39-40]。如solamargine(一种天然植物化学物质)能通过减少EP4表达来抑制人肺癌细胞的生长[41]。此外,PGE2与EP4结合可以通过激活c AMP 反应原件结合蛋白显著上调癌细胞中的c-Myc表达水平[42],或促进VEGF产生,激活m TORC1 充当信号传导介质[43],或激活PI3K/Akt信号通路,从而促进癌细胞的侵袭和转移[44]。此外,PGE2与EP4受体结合还能够促使癌细胞利用脂肪酸满足自身的生长和生物合成需求[45]。以上研究表明,阻断EP4受体,可能能够有效地抑制肺癌的发生与发展。

越来越多的实验研究表明,PGE2/EP信号通路在肺癌的发生及发展中发挥着重要的作用,科研工作者应当深入研究其发挥作用的具体机制以发现新的肺癌治疗靶点。

5 PGE2/EP与急性肺损伤 (acute lung injury,ALI)

ALI是指严重感染、大量输血、休克等各种直接或间接因素导致肺泡上皮和肺微血管内皮损伤,进而导致富含蛋白质的液体渗入肺泡腔,最终造成急性低氧性呼吸功能不全,其可发展为急性呼吸衰竭,并称之为ARDS[46]。它是临床上常见的致死率较高的危重症,最常见的诱因是局部或全身性炎症,包括肺炎和败血症等[47]。ALI发病机制复杂,临床上表现为肺容量减少、肺顺应性减低和通气血流比例失衡导致的进行性低氧血症及呼吸窘迫。

在ALI的发生及发展中,PGE2 的表达水平增高,且PGE2/EP信号通路发挥着重要的保护作用。这可能是由于PGE2可以通过与EP结合调节细胞因子水平,如GM-CSF、IL-6和IL-13等,从而达到改善ALI的效果[48]。七氟醚是一种吸入性麻醉剂,已被证明对炎症性损伤具有抗炎和保护作用[49]。用七氟醚来处理ALI模型小鼠,发现其能促进巨噬细胞中的PGE2增加,从而调节细胞因子的水平以减轻ALI[50]。此外,在ALI中,PGE2可能通过激活EP4受体调节肺微血管内皮的完整性和减少IL-10的分泌[51],而与EP2和EP3受体结合则促进IL-10的分泌[52]。以上研究表明,PGE2-EP4信号通路可能对ALL 发挥着保护作用,而PGE2/EP2-3信号通路可能加重ALL的损伤。

总之,PGE2在ALI发生时表达水平增高,但其作用于ALI的具体机制仍需要进一步的研究。鉴于EP 受体的不同作用,阻断或者兴奋某一种EP 受体可能成为治疗ALI的新方向。