磷脂酰肌醇3—激酶在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

金泽宇，汪元浚通信作者)

(1. 青海大学，青海 西宁 810000 ；2. 青海大学附属医院，青海 西宁 810000)

0 引言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)是一种常见的、可以预防和治疗的疾病，以进行性的气流受限为特征，患病率高、死亡率高、致残率高、疾病负担重，已成为严重危害公众健康的重大慢性疾病。全球COPD 患病率约为11.7%[1]。COPD 其特征是持续的和破坏性的气道炎症，并伴有和持久的呼吸道感染，COPD 是全球最流行的慢性呼吸系统疾病之一，吸入的氧气通过分支气道分布到整个肺部，环境毒素和病原体也进入肺部，潜在地激发炎症反应或建立肺内感染。患者经历渐进性、不可逆转的气流受限，反复出现感染，由此导致的肺防御功能受损、气道定植、慢性痰液产生和反复的下呼吸道感染。慢阻肺的发病机制尚未完全明了，肺内氧化应激、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、气道重塑及肺部炎性反应等多种机制参与COPD 发生。磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol—3—kinase，PI3K) 参 与COPD 肺 部炎性反应、气道重塑等一系列发病机制，在COPD 发病机制中起重要作用[2]，选择性抑制PI3K 可明显减轻肺部炎症反应、抑制炎症细胞活化，在很多种免疫炎性疾病中表现保护作用。近年来， PI3K 在COPD 发病机制及治疗中的作用受到广泛关注，通过干预PI3K 进而防治COPD 发生发展已成为研究热点。

1 磷脂酰肌醇3—激酶的特点

Ⅰ类PI3K 是研究最广泛的一类脂激酶，它以异二聚体形式存在，由p110α，β，δ 或γ 催化亚基组成，每个亚型根据催化亚基的不同而命名，其活性受几个调节亚基控制(P85、P55和P50 调节p110α，β 和δ，而p110γ 分别受P101 或P84 调节)。它们都有能力磷酸化位于膜上的磷脂酰肌醇的第三个羟基，产生一个由第二信使组成的网络。特性最佳的磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸和磷脂酰肌醇-3-磷酸可促进几种下游效应蛋白的招募和激活，从而协调众多信号通路并调节细胞内小泡的运输过程，从而控制细胞的生长、迁移和存活等功能。四种I 类PI3K 亚型在气道和其他地方发挥着不同的作用，它们的组织分布也相应地不同。PI3Kα 和PI3Kβ 分布广泛，而PI3Kγ 和PI3Kδ 主要但非特异性表达于白细胞，在先天免疫和获得性免疫中发挥重要作用[3]。

2 不同细胞因子异常激活磷脂酰肌醇3—激酶参与慢性阻塞性肺疾病发生发展

2.1 缺氧诱导因子-1α

缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)是介导机体缺氧反应的重要转录因子。慢性阻塞性肺疾病导致细胞缺氧，从而上调缺氧诱导因子-1α 的表达，缺氧诱导因子-1(HIF-1)是调节缺氧反应的重要转录因子[4]。研究表明[5]HIF-1α 在慢性阻塞性肺疾病中过表达，通过激活表皮生长因子受体/磷脂酰肌醇3—激酶/丝氨酸—苏氨酸蛋白激酶(EGFR/PI3K/AKT)途径上调炎症因子的表达。肺部炎症诱导的EGFR/PI3K/AKT通路激活，进一步反馈上调HIF-1α 的表达，从而在恶性循环中加重慢性阻塞性肺疾病的病理改变。缺氧处理后，血清白介素13(IL-13)、血清白介素19(IL-9)、血清白介素1(IL-1)、肿瘤坏死因子α(TNF-α) 水平明显升高，HIF-1α 通过激活EGFR-PI3K-AKT 途径促进慢性阻塞性肺疾病炎症反应。

2.2 第10 号染色体缺失性磷酸酶-张力蛋白同源等位基因

第10 号染色体缺失性磷酸酶- 张力蛋白同源等位基因(phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN)是人类中最常见的突变抑癌基因之一，具有双重特异性磷酸酶活性，对细胞生长、迁移、死亡和分化表现出多种影响[6]。Shen Wen Hong 等[7]研究发现PTEN 是PI3K 途径的负调控因子，其作为一种PI3K 抑制剂，对细胞生长具有负调控作用。PTEN 的主要功能是启动磷脂酰肌醇-3- 磷酸酯(PIP3)去磷酸化，并拮抗PI3K/Akt 信号通路，Yanagisawa S等[8]发现COPD 患者外周肺组织中PTEN 蛋白水平明显降低。PTEN 蛋白水平与气流阻塞程度呈正相关，与Akt 磷酸化呈显著负相关，提示PI3K 信号通路激活。氧化应激抑制了COPD患者PTEN 的蛋白水平，导致PI3K/Akt 通路的持续激活和由此产生的促炎介质的释放，包括白细胞介素-6(IL-6)，C-X-C趋化因子配体8(CXCL8)，C-X-C 趋化因子配体10(CXCL10)和血清趋化因子5(CCL5)。外周肺组织中，慢性阻塞性肺疾病患者外周肺组织中PTEN 蛋白的表达明显低于非慢性阻塞性肺病患者，且与气流阻塞程度呈正相关，相反，磷酸化Akt 作为PI3K 激活的标志，与PTEN 蛋白水平呈负相关，在原代支气管上皮细胞中，香烟烟雾提取物(CSE)降低PTEN 蛋白的表达，N-乙酰半胱氨酸可逆转该作用。氧化应激降低了PTEN蛋白水平，这可能导致COPD 患者PI3K 信号的增加和炎症的放大。

2.3 细胞外基质

COPD 患者气道壁增厚，主要是由于气道平滑肌细胞(ASMC) 的增生和肥大以及细胞外基质(ECM) 成分的积聚[9]。研究发现[10]细胞外基质沉积的改变是慢性阻塞性肺疾病的一个特征，为气道壁重塑，特别是气道壁增厚提供了适宜的环境。Wang Zhengyan 等[11]研究表明与正常ASMC 相比，ECM 组分对COPD 大鼠ASMC 细胞周期进程的促进作用更为明显。ASMC 中ECM 成分对COPD 模型大鼠的作用是通过PI3K/AKT 信号通路介导的。经ECM 成分处理后，ASMC 中C-X-C 基序趋化因子配体1(CXCL1)、C-X-C 基序趋化因子配体8(CXCL8)和白细胞介素-6(IL-6)的水平升高。经细胞外基质成分处理后，细胞转化生长因子β-1(TGFβ1)、成纤维细胞生长因子-1(FGF-1)和金属蛋白酶组织抑制因子-1(TIMP1)的表达增加，基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的表达降低。ECM 组分促进了ASMC 的迁移和粘附，经ECM 分子处理后，ASMC 的促炎趋化因子CXCL1 和CXCL8，细胞因子IL-6 和FGF-1 均增加。细胞外基质动态平衡的失衡导致ASMC 的过度增殖和迁移表型。与正常ASMC 相比，ECM 组分对COPD 大鼠ASMC 细胞周期进程的促进作用更为明显。ECM 可能促进ASMC 的炎症、增殖和迁移能力。进一步证明细胞外基质成分对ASMC 的作用与激活PI3K 信号通路有关。

2.4 双向调节蛋白

环境颗粒物(PM) 通过增加炎症和粘液高分泌，促进COPD 发展和恶化。炎症和粘液高分泌是PM 引起的气道损伤最常见的两种生物学反应。城市PM 暴露增加了人支气管上皮细胞和急性PM 暴露小鼠模型中促炎细胞因子(IL-1β、IL-6 和IL-8) 的表达[12]。双向调节蛋白(AREG) 是表皮生长因子受体(EGFR)的重要配体，参与多种生物学功能的调节[13]。AREG 是表皮生长因子(EGF) 家族的成员。其前体PRO-AREG 被表达并结合到膜上，并可通过肿瘤坏死因子-α转换酶(TACE)介导的蛋白水解过程释放为可溶性AREG[14]。在PM 暴露的人支气管上皮细胞(HBEC)中AREG 的表达显著增加，AREG 表达上调可促进粘液高分泌[15]。Wang Jian等[16]研究发现在PM 暴露下，外源AREG 显著增强PM 诱导的炎症和粘液高分泌，并激活EGFR-PI3K-AKT 通路。TACE和EGFR 特异性抑制剂预处理表明，AREG 通过TACE 介导的裂解而分泌，通过与EGFR 结合来调节PM 诱导的炎症和粘液高分泌。根据Ⅰ类PI3K 亚型特异性抑制剂的抑制作用，PM 诱导的炎症和粘液高分泌受PI3K 活化及其下游AKT 途径的调节。提示AREG 通过EGFR-PI3K-AKT 通路在PM 诱导的炎症和粘液高分泌中的作用。

2.5 microRNA-34a

Baker J R 等[17]研究发现细胞衰老是由于复制性衰老和应激相关衰老，衰老细胞分泌多种被称为衰老相关分泌表型(SASP)的炎性蛋白，导致轻度慢性炎症，从而进一步推动衰老。关键的抗衰老分子sirtuin-1 和sirtuin-6 的丢失可能是加速衰老的重要原因，其原因是氧化应激降低磷酸酶PTEN，从而激活PI3K 和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mallalian target of rapamycin，mTOR)。Barnes Peter J 等[18]研究表明microRNA-34a能够直接、特异地调节支气管上皮细胞sirtuin-1 和sirtuin-6 的表达，microRNA-34a 受PI3K-mTOR 信号调控，在降低sirtuin-1和sirtuin-6 中起关键作用，可以减少衰老标志物，减少SASP，逆转COPD 患者外周气道上皮细胞的细胞周期阻滞。异常激活的磷脂酰肌醇3—激酶通过多种机制参与慢性阻塞性肺疾病，在各种气道反应中起重要作用，协调免疫细胞效应器功能和气道上皮应激反应，增强炎症，调节上皮细胞和炎性细胞(先天和获得性)功能，增加对病毒和细菌呼吸道感染的易感性等。目前在破译PI3K 在肺部疾病中的多重作用方面已经取得了相当大的进展。

3 磷脂酰肌醇3—激酶抑制剂在COPD 治疗方面的研究

COPD 是一种性难治肺部疾病，可引起广泛的不可逆转的肺泡塌陷。Mirshahi M 等[19]发现磷酸二酯酶抑制剂(PDE4)和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)δ 抑制剂(IC87114)联合应用可以减轻慢性阻塞性肺疾病相关炎症。PDE4 和PI3Kδ 抑制剂联合应用可以抑制CSE 刺激分化的巨噬细胞产生肿瘤坏死因子α、MMP9。通过调节弹性蛋白酶活性来评估中性粒细胞的功能，测定联合用药对CSE 诱导的肺上皮细胞凋亡的保护作用。对CSE 诱导的肺泡上皮细胞凋亡有较好的保护作用，从而为COPD 患者评价其疗效提供了依据。PDE4 和PI3Kδ 抑制剂联合应用于慢性阻塞性肺疾病患者的治疗。除了提高现有药物的疗效外，这种组合还允许减少剂量，从而将任何不良反应的风险降至最低。研究发现[20]磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)是位于许多细胞受体下游的信号级联中的关键元件。PI3Kγ/δ 亚型有助于炎症细胞的募集和随后的激活。PI3Kγ/δ 亚型的小分子抑制剂TG100-115，作为哮喘和慢性阻塞性肺疾病等呼吸系统疾病抗炎治疗的潜力。模拟慢性阻塞性肺疾病(COPD)的肺中性粒细胞增多的特征，将小鼠暴露在鼻腔内脂多糖或吸入烟雾中。雾化TG100-115 再次抑制了这些炎症模式，最明显的是在烟雾模型中，克服了肺部炎症的类固醇抗药性。雾化TG100-115 显示出药代动力学、安全性和生物活性特征，有利于进一步发展成为哮喘和慢性阻塞性肺病的治疗药物。这些研究支持PI3Kγ/δ 亚型是治疗这些疾病的合适分子靶点。Fujita Akitaka 等[21]进行研究发现选择性的PI3Kδ 抑制剂IC87114 可以减轻PolyI：C 诱导的支气管肺泡灌洗液中细胞总数、巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量的增加，以及IL-6 和MIP1β 水平的升高，并能减轻Poly I：C 诱导的支气管肺泡灌洗液中细胞总数、巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞数量的增加。IC87114 可降低PolyI：C 诱导的原代支气管上皮细胞(PBECs)中IL-6、IL-8 的分泌。肺部病毒感染的PBEC 中，IC87114 可以通过增强抗病毒干扰素反应来促进病毒的清除和清除，从而防止长期的肺部炎症。

4 总结与展望

COPD 是一种持续气流受限的疾病，气流限制是完全不可逆的，并且显示出逐渐发展，这与肺部对有害气体的异常炎症反应有关。急性加重和合并症影响患者总体疾病的严重程度。病情恶化导致患者生活质量下降，并最终发展为呼吸衰竭和肺源性心脏病。如果能及早预防和控制，则完全有可能有效控制疾病，改善生活质量并延长生存期。PI3K 抑制剂能够保护毛细血管的内皮屏障、抑制炎症细胞的浸润和黏附、抑制上皮细胞的活化以及减少炎症因子的释放等。不同PI3K抑制剂的保护作用也有差异，这可能和药物的化学结构、靶向部位以及药动学特点有关，提示PI3K 抑制剂可能成为慢性气道疾病的一个治疗的新靶点。一方面进一步寻找不同PI3K抑制剂在COPD 治疗中的作用及效果，为临床治疗提供指导，另一方面尝试通过对PI3K 在COPD 发生发展中的作用机制归纳分析，为临床上预测COPD 发展方向提供指导，从而及早干预达到预防COPD 发生的可能。