内质网应激在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

2020-03-03郝赫莉孟爱宏何文曼

国际呼吸杂志 2020年2期

郝赫莉孟爱宏何文曼

河北医科大学第二医院呼吸与危重症三科,石家庄050000

COPD已经成为影响公共健康的重大问题。但是COPD发病机制并不完全清楚,目前的研究认为,在COPD发病中,炎症、氧化应激、蛋白酶-抗蛋白酶失衡以及黏液高分泌、结构细胞凋亡、香烟烟雾、环境雾霾颗粒刺激等与内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)存在密切的关系。ERS会导致细胞内信号分子活化,启动未折叠蛋白反应(unfolded protein reaction,UPR),细胞最终得以适应性存活或者启动凋亡。肺脏较容易出现ERS。本文即对ERS与COPD的相关研究作一综述。

1 ERS

内质网是调节跨膜蛋白和分泌蛋白的合成与翻译后修饰、多肽链正确折叠、转运及信号肽识别和糖基化修饰的场所[1]。细胞维系内质网的功能稳态的能力极强,但是当低糖饥饿、糖蛋白的糖基化不足、蛋白合成与分泌负荷的升高等情况下,蛋白质合成步骤中的折叠修饰步骤或细胞的钙稳态受到影响。细胞错误折叠的蛋白质积累,导致细胞启动一系列信号转导途径对其进行应答会造成ERS[2]。根据诱发的原因,分为3种[3]:未折叠或错误折叠蛋白质在内质网聚集引发UPR;正确折叠的蛋白质在内质网过度积聚可激活细胞核因子κB(nuclear factorκB,NF-κB)启动内质网过度负荷反应;胆固醇缺乏诱发的固醇调节元件结合蛋白通道调节的固醇调节级联反应。

UPR是目前研究较深的细胞器之间的信号转导通路,UPR通过膜上的蛋白激酶样内质网激酶(typeⅠtransmembrane ER-resident protein kinase,PERK)、肌醇酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)、活化转录因子6(activating transcription factor,ATF6)3个跨膜蛋白传达应激信号而发生反应。UPR启动是由3个跨膜蛋白与葡萄糖调节蛋白78/免疫球蛋白结合蛋白的解离激活的。PERK、IRE1、ATF6这3种膜蛋白被激活,产生PERK-eIF2α、IRE1-XBP1s、ATF6-ERSE 3条信号通路,发挥减轻ERS、保护细胞的作用。与此同时,未能及时处理的聚集在细胞内的蛋白将通过另一种途径启动泛素-蛋白酶体通道进行清除,即ERS相关性降解途径进行蛋白的重新处理,从而降低内质网的工作负荷,使细胞不断适应外界不利环境。但是,内质网刺激过强或功能紊乱持续,这些反应不足以恢复和维持稳态,最终,细胞将启动凋亡途径。

2 ERS在COPD中的作用

COPD的主要病理改变包括肺气肿、气道及肺实质的慢性炎症及全身的炎症反应,生物燃料、香烟烟雾及空气污染是COPD发生、发展的主要原因,近年来国内外一些研究发现ERS诱导的细胞凋亡在COPD的发病机制中同样饰演着重要的角色。研究证实COPD发生、发展及肺气肿患者激素抵抗均与ERS有关[4]。

2.1 ERS在COPD治疗中的作用通过抑制ERS可起到对抗COPD的作用。姜黄素干预可通过抑制肺泡上皮细胞ERS而发挥对COPD的保护作用[5]。研究证实腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)在缓解COPD的ERS中具有重要的保护作用。这种抗细胞凋亡作用可以通过激活叉头转录因子1来上调相对分子质量为150 000的氧调节蛋白(ORP150)转录来实现。未来的研究应探索可使用AMPK作为COPD治疗靶点的潜在方法[6]。依达拉奉可以减轻COPD大鼠氧化应激和ERS,可能通过其抗氧化、抑制炎症细胞聚集和炎症因子释放、平衡蛋白酶/抗蛋白酶表达发挥抗COPD作用[7]。铜绿假单胞菌感染在COPD等慢性肺部疾病中具有很大危害。研究发现铜绿假单胞菌分泌的毒力因子通过引起ERS而触发人细胞中蛋白折叠反应,分泌的毒力可诱导GADD34蛋白,它选择性地使eIF2α去磷酸化,完成负反馈环并使UPR的其他靶标能够翻译。该蛋白可保护机体免受所分泌的毒力因子的毒性作用[8]。甲型流感病毒是一种影响人类的高度感染性细胞溶解病毒。流感感染诱导ERS、Caspase-12介导的细胞凋亡和c-Jun N末端激酶介导的转化生长因子-β释放。在未来的流感感染引发COPD急性加重方面,这些分子特异性抑制剂的开发可能具有一定的治疗价值[9]。

2.2 ERS与COPD的炎症反应炎症是COPD的中心环节,ERS在机体的炎症反应中也起重要作用,ERS与炎症反应通路之间通过多种机制相互作用,包括NF-κB、转录因子活化蛋白1、活性氧及ERS内钙释放等,它参与包括COPD在内的多种炎症性疾病的发生发展。一方面ERS参与了炎症的形成和发展,另一方面炎症因子又进一步促进了ERS。正常情况下,NF-κB在胞质中,没有活性。当在应激、病毒感染、细菌脂多糖、氧自由基和细胞因子等刺激下,NF-κB活化后游离并进入细胞核,参与炎症反应基因的转录调控。UPR的3条信号通路均能激活NF-κB[10]。大量未折叠蛋白聚集引起的ERS导致的钙离子释放可能也是ERS激活NF-κB的机制之一。ERS与炎症的作用并不是单方面的,多种炎性因子也可激活UPR及引发ERS。Z基因变异引起严重α1-抗胰蛋白酶缺乏症(ZZ-AT),细胞内突变ZZ-AT的聚集在内质网中激活一种特定的有害细胞炎症表型。ZZ-AT通过内质网腔内稳态的扰动和聚合物在循环、肺腔或组织内的聚集导致毒性,从而导致炎症细胞趋化和/或激活。血浆纯化的α1-抗胰蛋白酶和重组α1-抗胰蛋白酶雾化吸入能有效地输送到肺泡表面和肺泡间质,但α1-抗胰蛋白酶的含量是否足以达到临床疗效还没有评估[11]。而氧化诱导上皮细胞内Z-AT聚合引起ERS,促进细胞因子过多和细胞炎症。这一途径可能有助于COPD在ZZ-AT纯合子中的发展[12]。

2.3 ERS与肺结构细胞凋亡 COPD大鼠支气管肺组织发生了ERS,有研究证实通过药物及分子途径等抑制ERS可减少肺结构细胞凋亡。白葵芦醇是Sirtl的天然激动剂,能减轻COPD大鼠肺部组织ERS,对COPD大鼠肺部组织具有明显的保护作用[13]。其中Derlinl上调以及涉及SIRT1和ORP150的分子途径可能与白葵芦醇对肺细胞凋亡保护作用有关[14]。硫化氢、脂联素可通过抑制ERS减少肺动脉内皮细胞、支气管上皮细胞、肺泡上皮细胞凋亡而有效改善COPD的进展[15-17]。COPD肺组织自噬激活与香烟烟雾暴露后上皮细胞凋亡增加有关,3-甲基腺嘌呤和氯喹二磷酸盐都抑制自噬过程。抑制自噬本身可以减轻ERS诱导的COPD大鼠肺泡上皮细胞(alveolar epithelial cells,AECs)凋亡,其可能通过调节凋亡因子Caspase-12而抑制ERS诱导的COPD大鼠AECs凋亡。长期3-甲基腺嘌呤治疗可能是COPD的一种新的治疗策略[18]。

COPD是一个不断加速和过早老化的疾病,表现在肺部和全身循环中增强的氧化应激和细胞衰老。中南大学一项研究证实衰老可加剧ERS反应,ERS与衰老之间相互促进共同参与COPD的发生、发展。蛋白酶体可通过快速破坏由氧化和ERS等产生的错误折叠和变性蛋白质,在蛋白稳定中起关键作用。蛋白酶体活性随着器官的老化而降低,并且蛋白酶体功能的年龄相关性下降与各种年龄相关的病理相关。香烟烟雾暴露和蛋白酶体活性受损协同增强肺泡壁中的凋亡细胞死亡,这可能与老年等易感个体肺气肿的发展和进展有关[19]。阻塞性肺病的患者的肺中提取的人支气管上皮细胞,具有过量的饱和膜磷脂,显示出特征性的脂毒性中毒特征,脂质中毒激活UPR。脂质样分子,已被证明具有 “膜整形剂”的作用,可以对抗所有测试的脂毒性中毒标志。因此膜特性的调节作为治愈和预防COPD的新潜在目标[20]。

3 吸烟在COPD中对ERS的作用

吸烟是COPD发病的一个重要的危险因素,ERS在香烟诱发COPD中的作用机制目前并不清楚。气道上皮细胞颗粒蛋白前体抗原(progranulin,PGRN)可调节香烟烟雾诱导的AECs细胞凋亡,可能参与COPD的发生、发展。COPD患者血清PGRN水平降低,外周血单核细胞内PGRN水平升高[21]。CSE诱导ERS增加肺上皮细胞中CCN1进而通过激活Wnt通路增强IL-8释放[22]。镉(香烟的主要成分)诱导的ERS和炎症是通过CCAAT增强子结合蛋白(CCAAT/enhancer binding protein,C/EBP)-DNA损伤诱导转录本3信号转导介导的,C/EBP信号在镉暴露引起的ERS和炎症反应的早期诱导中可能起关键作用,并且可能是镉诱导的肺病的分子靶点[23]。COPD患者的成纤维细胞内质网结构是紊乱的,给予诱导ERS的化学物质刺激后COPD患者成纤维细胞内膜间隔表型的变化。成纤维细胞在体外培养数周,无法恢复正常的内质网结构,这表明内膜系统的内部变化在吸烟者中是永久性的。这种细胞应激的脆弱性可能是导致一些吸烟者患COPD的原因[24]。在COPD中,香烟烟雾等有害物质暴露诱导肺组织炎性细胞浸润及释放TNF-α、IL-1、IL-6、INF-γ等炎症因子增多,而这些细胞因子又可激活ERS及UPR。ERS导致的细胞凋亡与活性氧有关,通过谷胱甘肽过氧化物酶1的缺失增强了香烟烟雾诱导的ERS和细胞凋亡。因此认为ERS可能是COPD的抗氧化相关病理生理事件[25]。香烟提取物引起气管上皮细胞株发生ERS并通过PERK-eIF2-ATF4-CHOP通路诱导细胞凋亡,应用乙酰半胱氨酸、过氧化物酶等处理可逆转或减轻ERS所致凋亡[26]。吸烟诱导COPD患者肺ERS时核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)信号通路受损,Nrf2通路受损可能降低了肺的抗氧化能力。轻度中度COPD戒烟者可以通过增加Nrf2/抗氧化反应元件的表达来对抗氧化应激[27]。氧化应激是吸烟、呼吸系统上皮细胞反应和COPD的一个关键连接点,香烟导致的氧化应激与ERS有一定相关性。

ERS对香烟烟雾诱导的炎症和肺气肿至关重要,靶向抑制ERS可能代表治疗COPD的新方法。4-PBA抑制CSE诱导的ERS,可能是通过下调转化生长因子-β水平进而减少了趋化性细胞因子8的分泌、NF-κB活化和肺泡细胞凋亡有关[28-29]。有研究报道香烟烟雾早期诱导CHOP可能在肺病中起关键作用,然而体内长期香烟烟雾暴露表现出ERS反应的减少。严重COPD时观察到香烟烟雾诱导的ERS,COPD晚期具有更高水平的ERS,细胞凋亡和Nrf2表达缺失[30]。ERS可诱导HRD1保护肺泡Ⅱ型上皮细胞免受CSE诱导的凋亡[31]。蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase,PDI)在吸烟者体内水平升高。体内急性香烟烟雾暴露改变了PDI,影响了内质网中氧化蛋白的折叠并导致ERS[32]。接触香烟烟雾干扰内质网的功能,并引发UPR。谷胱甘肽的加入阻止了UPR的诱导。香烟烟雾暴露和由此产生的氧化应激是COPD发生的主要危险因素。目前尚无阻止疾病进展的治疗方法,因此了解导致COPD发病的途径将具有治疗意义。调节PDI可能成为治疗COPD的靶点。红曲霉添加剂可通过保护抗氧化防御机制,降低氧化应激和抑制ERS从而显著抑制香烟烟雾诱导的肺损伤[33],因此其可能对COPD患者有益。

4 细颗粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)与ERS

空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物PM2.5,是近年来空气污染物有关健康问题研究最多的。而呼吸系统是空气污染物对健康产生负面影响的首要目标,PM2.5直径小,可随呼吸进入到远端细小支气管甚至肺泡。城市颗粒物可能引起人支气管上皮细胞发生ERS及UPR[34]。Velasco[35]的研究结果表明PM2.5暴露可有差异的激活UPR通路,其中PERK介导的UPR信号通路诱导CHOP表达可能与PM2.5诱导细胞凋亡有关。太原市一项研究报道,PM2.5亚慢性染毒可诱导大鼠肺ERS相关基因GRP78/ATF6/CHOP/HO-1表达,肺ERS反应加强;CHOP和Caspase-12上调,与细胞凋亡关联的内质网相关性死亡途径被激活。冬季和夏季PM2.5引起ERS相关因子表达上调的效应没有显著差别[36]。吸烟被认为是大多数COPD的主要病理学驱动者,然而,其他越来越多的暴露来源,如用来取暖和烹饪的生物质燃烧、在污染的室内和室外环境中工作以及从发动机和工业等排放的颗粒物,均同样被认为在COPD的发生、发展与急性加重过程中具有重要作用。