嘌呤受体信号通路在肺部疾病中的作用

黄麒，胡庆华

(中国药科大学药学院，江苏 南京 211198)

腺苷三磷酸(ATP)最初一直被认为是机体内能量货币，直到1972年 Burnstock提出了“嘌呤能神经学说”[1],人们才逐步认识到ATP作为一种神经递质，可以在体内传递危险信号，是炎症和免疫的关键中介。然而，直到20世纪90年代嘌呤和嘧啶的受体亚型被克隆和鉴定后，嘌呤能神经学说这一概念才被广泛接受，根据内源性激动剂的不同，嘌呤受体家族包括P1受体的4个亚型、P2X离子通道受体的7个亚型和P2Y G蛋白偶联受体的8个亚型。嘌呤能受体在心肺系统所涉及的多种实质和间质细胞中均广泛分布并调节机体的炎症和免疫反应且嘌呤信号通路在几乎所有主要肺部疾病中均有报道。随着研究的深入，越来越多的证据表明嘌呤能信号通路在维持肺泡内稳态及相关疾病发生发展中发挥重要作用[2]，但是针对肺部疾病中的靶向性药物开发还处于起步阶段。因此，通过对嘌呤受体信号通路在肺部疾病发生发展中的深入研究，有助于为相关疾病提供安全性和有效性的治疗。本文就近年来嘌呤受体信号通路在肺部相关疾病主要包括哮喘、急性肺损伤、囊性肺纤维化、远端肺动脉高压中的调节作用进行研究与讨论，为针对嘌呤能受体药物开发提供思路。

1 嘌呤信号通路

核苷/核苷酸通过膜离子通道、转运蛋白、通道蛋白、胞吐作用、膜破裂等会释放到胞外结合到目标细胞膜表面的特异性受体上而启动嘌呤信号传递[3]。由腺苷触发的信号是由腺苷受体P1所介导的，这类G蛋白偶联受体包括已经被克隆出来的4种嘌呤受体亚型(A1、A2A、A2B、A3)，由核苷酸及其衍生物(ATP、ADP、UTP、UDP 和UDPG)所触发的信号是由P2受体亚型所参与介导的，包括P2X离子通道受体的7个亚型(P2X1-P2X7)和P2Y G蛋白偶联受体的8个亚型(P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11、P2Y12、P2Y13、P2Y14)[4]。

2 嘌呤受体在肺细胞中的表达

肺泡是哺乳动物肺内气体交换的功能单位，人类的肺中约4亿个肺泡为有效的气体交换提供了广阔的表面，而分别由肺泡上皮细胞和微血管内皮细胞构成的肺泡屏障及成纤维细胞构成的肺间质将血液和空气分开，利于气体交换且对肺起到保护作用[5]。此外，肺中还含有各种免疫细胞，用于吞噬和清除各类来源的病原体，在健康和患病的肺泡中，虽然它们的数量和组成各不相同，但是共同维持了生理病理条件下肺部功能。嘌呤受体几乎在上述所有肺部细胞中均有表达(见表1)且越来越多的证据表明，生理或病理状态下的肺功能的维持离不开这些细胞的重要调控作用[2]。

表1 嘌呤能受体在肺组织主要细胞中的分布

2.1 肺泡上皮细胞 肺泡上存在着两种上皮细胞，一种是约占肺泡上皮90%的Ⅰ型肺泡细胞(ATⅠ)，另一种II型肺泡细胞(ATⅡ)约占肺泡上皮的7%，其中，ATⅠ型细胞是肺组织终末分化细胞，主要负责介导气体交换以及水和离子的转运，同时还兼具一定的免疫调节作用[6]。ATⅡ型细胞主要负责分泌表面活性物质，同时在免疫防御、免疫调节、氧化代谢和肺泡内外液体平衡中发挥重要作用，此外，ATⅡ可以维持肺稳态并自我更新和自主分化成ATⅠ型细胞[7]，总之，ATⅠ型细胞和ATⅡ型细胞用于保持肺上皮的完整性，有利于维持气体交换和防止感染。

2.2 肺血管内皮细胞 肺血管内皮是单层内皮细胞连续分布而成，与富含胶原的基底膜一起将血液与肺组织微环境分隔开，从而有助于维持内环境的稳定。由于其特殊的结构和处于循环血液和肺微环境交界处这种特殊的位置，肺血管内皮细胞在参与调节血管紧张性、内皮屏障的通透及白细胞渗出等局部甚至全身性炎症中都发挥了关键作用[8]。

2.3 成纤维细胞 生理条件下，成纤维细胞分泌细胞外基质成分，提供肺实质的弹性和结构特性。病理条件下，各种炎症会引起肺部组织损伤、坏死，后期细胞增生和细胞间基质的形成则用来修复组织损伤。成纤维细胞在此期间进入肺泡腔及间质，通过分泌胶原蛋白参与修复过程，成纤维细胞病灶则是特发性肺纤维化的标志特征[9]。

2.4 肺泡巨噬细胞 肺泡巨噬细胞是肺泡中最为丰富的天然免疫细胞，其紧紧贴附于肺上皮细胞一同构成接触外界抗原刺激物等的第一道防线，作为协调肺部免疫反应起始和终止的核心，其不但参与肺脏的免疫防御，吞噬侵入肺脏的细菌颗粒，还可分泌大量生物活性物质，维持肺脏和机体正常的生理功能[10]。

2.5 中性粒细胞 中性粒细胞是也是肺中最为常见的免疫细胞，在感染或损伤的情况下，它们被迅速激活紧紧黏附于炎症处毛细血管壁内皮上，随后扁平化并随趋化因子浓度梯度渗出血管，趋化到肺泡腔室及气道中。在炎症部位，中性粒细胞以各种方式[吞噬作用、形成中性粒细胞胞外陷阱(NETS)或脱颗粒]对抗病原体感染[11]。

3 嘌呤信号通路与肺部疾病的关系

3.1 哮喘 支气管哮喘简称哮喘是一种气道慢性肺部疾病，其主要特征包括气道高反应性、气道炎症及呼吸道黏液分泌增多导致肺组织重塑并引起肺部结构异常改变。哮喘是肺慢性炎症疾病之一，哮喘患者BALF及呼出气体的冷凝液中腺苷水平均上升，在哮喘中，腺苷可通过炎症、支气管收缩导致气道阻塞而且通过腺苷受体释放促炎性因子可以引起气道重塑[24]。由于腺苷具有强大的支气管收缩作用，腺苷受体在炎症中也发挥了重要作用，因此其在哮喘中的作用已被深入探究[25]。

通过研究腺苷受体在单核细胞中的表达，研究人员发现，在过敏性哮喘患者外周血单核细胞中A2受体表达量上调，其中A2A受体涉及调节气道Treg/Th17细胞平衡作用[26]，A2B受体的高表达则与IL-6的表达密切相关，可能涉及加重哮喘症状[27]。柠檬烯诱导A2A受体的激活可以显著降低气道炎症和反应性[28]。另外，A3受体的激活在重症哮喘激活的肥大细胞中上调了与血管生成(IL-6、IL-8和 VEGF)和肺纤维化(SPP1 和APEG)相关的基因表达，表明其在组织重塑和血管生成中发挥了重要作用[29]。另外，阿司匹林不耐性哮喘是成人哮喘患者中常见综合征之一，通过对181位相关患者和183位健康受试者基因进行对比后发现，A1和A2A受体基因与阿司匹林不耐受性哮喘相关，说明腺苷通过A1和A2A受体在阿司匹林不耐受哮喘中，发挥了重要作用[30]。此外，P2型受体在调节哮喘气道炎症及高反应性中也发挥了重要作用。有研究显示，肌酸可能通过激活气道上皮细胞和支气管周围白细胞中P2X7R的表达进而加剧了促炎因子IL-5、IL-6、IL-8和IL-13从而加重哮喘进程[31]。此外，在HDM诱导的慢性哮喘模型中，P2Y6R前体激动剂药物GC021109抑制了过敏原引起的肺功能、炎症反应、气道和血管平滑肌质量的变化，提示持续性激动P2Y6或许是有效的哮喘维持治疗策略[32]。Nagai等[33]同样发现，P2Y6信号通路可以驱动内源性的巨噬细胞-IL12-NK细胞-IFN-γ来保护过敏原刺激后产生的二型过敏反应并且抵消一型半胱氨酸白三烯受体信号致敏Th2启动效应，提示靶向P2Y6信号通路可能是有效的治疗策略。在OVA诱导支气管哮喘豚鼠模型中，α防御素会被释放到气道中，其中P2Y2受体可能通过调节α防御素参与气道反应[34]，另有研究显示P2Y2受体激动剂可以抑制Na+的吸收、Cl-的分泌、纤毛的摆动以及黏蛋白的分泌等于哮喘发生发展的生理活动[35]，这些都提示P2Y2受体可能在控制哮喘加重中发挥作用。

3.2 急性肺损伤/急性呼吸窘迫症 急性肺损伤及其更严重形式急性呼吸窘迫症(ARDS)所导致的呼吸衰竭通常表现为低氧性的呼吸衰竭及急性肺部炎症，临床上具有较高的发病率及致死率。各种体内外因素如脓毒症、肺炎、外伤、吸入性肺炎、胰腺炎等均是ALI/ARDS的常见病因。目前，嘌呤能系统参与ALI/ARDS发病机制已被逐步证实，细胞外腺苷的升高可以促进组织对缺氧的保护反应，包括抑制炎症，增加组织对缺血的耐受性，重建正常的氧合[36]。

大量的研究证明了腺苷在急性肺损伤中发挥了保护作用[37]。在LPS诱导的小鼠急性肺损伤模型中，通过注射腺苷/腺苷受体激动剂NECA可以显著抑制伊文思蓝染色蛋白(EBDA)外渗，降低蛋白渗出和促炎性细胞因子水平及减少中性粒细胞浸润[38]。给予过氧化物酶体增殖活化受体(PPAR)和A2A受体激动剂还可产生协同作用，减轻肺部炎症和水肿，改善气体交换和肺功能[39]。Schingnitz等[36]发现，给予A2B受体的特异性激动剂BAY60-6583可显著减少肺部炎症和肺水肿。同样，Koscsó等[40]研究表明，A2B受体的激活对创伤出血休克致肺损伤也具有保护作用。此外，腺苷还可以剂量依赖性的提高肺内皮屏障作用，而给予腺苷转运蛋白抑制剂(NBTI)或A2A受体和A2B受体拮抗剂(DPMX和MRS1754)减弱了屏障作用，RNA沉默A2AAR和A2BAR后屏障作用亦减弱，而给予NECA治疗后会屏障作用又有所增强[41]。另外，T细胞是急性肺损伤后期主要的效应细胞，研究发现，CD4+T细胞中腺苷的大量增加和A2B受体上调可能控制急性损伤后的修复过程[42]。Mulloy等[43]则证明了选择性激动剂激活A3受体后显著减少缺血再灌注肺损伤中肺部炎症和水肿、细胞因子升高和中性粒细胞趋化。这些都表明了受体A2A、A2B和A3在急性肺损伤中发挥的保护作用。但通过A1受体发出的信号却可能是有害的。Woods等[44]发现，A1受体的激活加重了肺中先天免疫细胞的募集和炎症程度，拮抗A1受体可减轻流感感染引起的小鼠肺损伤。此外，核苷酸在ALI/ARDS中的作用也得到了大量的关注。胞外ATP水平的变化在急性肺部疾病炎症进程中发挥了重要作用，但目前的研究还具有争议。研究人员发现在LPS诱导的小鼠急性肺损伤模型中，ATP具有减轻肺部炎症和增强内皮细胞屏障功能方面的作用[45]。而且，LPS激活肺泡巨噬细胞上P2X7R的活化导致胞内ATP的耗竭，最终引起细胞坏死。随后，坏死的肺泡巨噬细胞释放大量的白介素1α(IL-1α)，后者进一步激活内皮细胞并减少血管内皮钙黏着蛋白而增强血管通透性，而 P2X7R的敲除则显著减轻内皮损伤[46]。另一项研究同样表明给予P2X7R抑制剂通过部分调节circRNA和mRNA 的表达异常，可减轻脓毒症诱导的急性肺损伤[47]。然而，有研究表示给予ATP诱导的P2X7R信号可以促进iNKT细胞死亡，进而减轻高氧肺部炎症[48]。这可能与研究人员选择的造模方式和细胞类型的不同有关。此外，P2X7R在调节肺泡表面活性物质的分泌介导肺生理中也发挥了重要作用，Mishra等[49]发现，P2X7KO小鼠抑制了机械通气诱导的表面活性物质的分泌，ATⅠ细胞P2X7R的激活促进了ATP的释放，随后激活了ATⅡ细胞上P2Y2R介导表面活性物质的分泌。此外，LPS刺激血管内皮P2Y6R的激活并且增加了血管炎症[50]。另外有研究证实了给予P2Y12R抑制剂或敲除P2Y12受体对于鼠肺部损伤均起到保护作用，这可能与血小板的激活有关[51]。

3.3 囊性纤维化 囊性纤维化(CF)，又称粘胶病，是一种致死率较高的隐性遗传疾病，表现为CFTR基因突变导致其编码的cAMP介导的氯离子通道异常，进而导致多器官的离子和液体转运异常，通常主要影响肺部，但也影响其他器官，包括肠、胰腺等。在气道中，通常表现的特征为支气管上皮的异常运输导致黏性分泌物增加，气道表面脱水，进而导致黏液纤毛清除减少，从而引起呼吸道持续的细菌感染和炎症。

有关囊性纤维化中嘌呤受体通路的报道已有许多。CF患者的BALF中，腺苷浓度异常高，ATP和UTP调控人正常和纤维化气道上皮离子转运的证据也早已被报道[52]。腺苷及其受体在其中发挥了重要作用，尤其是A2B受体。研究人员发现，A2B受体可维持肺上皮屏障的完整性[53]，且A2B受体是气道ASL体积调节的核心部分，这可能与CFTR及A2B受体间密切联系有关[54]，腺苷可能通过A2B受体和类前列腺素调节CFTR[55]，而CFTR的存在还增强了腺苷诱导的纤毛搏动和IL-8的分泌[56]。有研究表示，A2A受体通过Ca2+依赖信号通路参与了气道上皮细胞的氯离子的分泌[57]。嘌呤受体在上皮离子通道的调节及气道表面AST维持中及发挥了重要作用这一作用与P2Y受体介导的信号传递最为密切，且P2Y2R激动剂也已经用于CF临床试验中[58]。Higgins等[59]研究表明，胞囊性纤维化中P2Y11R的激活和ATP的释放可恢复气道表面液层和上皮修复。另有研究表明，在CF患者痰样中，UDPG水平显著升高，在CF动物模型中，UDPG释放到气道中，通过调节P2Y14R起到促炎介质的作用，而给予P2Y14R受体拮抗剂PPTN不仅显著抑制了UDPG促进的中性粒细胞趋化，而且同时也抑制了自发性中性粒细胞炎症，提示PPTN可能对CF气道炎症起到缓解作用[60]。

3.4 肺动脉高压 肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension,PAH)是一种威胁生命的疾病，以肺内皮功能障碍、肺血管张力增加和肺血管重构为特征，所引起的肺动脉压力升高，肺血管阻力增大伴随肺(微)血管的肌肉化、增厚和闭塞会导致右心室的后负荷增加，最终导致右心衰竭并引起死亡。

肺血管重构包括肺动脉内皮细胞(PAECs)和微血管内皮细胞(ECs)、肺动脉平滑肌细胞(PASMCs)和成纤维细胞的异常增殖、增生和肥厚。最近的研究发现，肺血管多种细胞类型如ECs、免疫细胞和红细胞，可以产生核苷酸(如ATP和UTP)和核苷(如腺苷)，它们可以激活嘌呤能受体(PRs)发挥生物学功能[61]。越来越多的证据也表明，嘌呤能信号通路也可能通过调节血管张力、重塑、通透性和炎症在PAH中发挥重要作用[62]。PAH患者血浆中腺苷浓度远远低于健康受试者[63]，研究报道给予非选择性腺苷受体拮抗剂氨茶碱治疗后减弱了腺苷对缺氧诱导羊肺血管扩张的作用，提示肺血管舒张作用是通过腺苷受体介导的[64]。其中，A2A受体KO小鼠在低氧条件下导致右心室压力进一步升高及右心室肥大，可能涉及与RhoA/ROCK信号通路的偶联[65]。但是A2B受体的激活在PAH患者则可能会导致肺血管重塑，Karmouty-Quintana等[66]发现，使用A2B受体拮抗剂GS-6201或者敲除A2B受体均可以显著抑制博来霉素诱导的小鼠肺动脉高压，提示A2B受体可以通过改善肺血管异常重构为肺动脉高压的治疗提供新的策略。在不同的PAH模型中，嘌呤受体的活化在肺血管中的作用也已被逐步阐明。在缺氧和ADP灌注诱导的PAH中，给予P2Y1和P2Y12受体抑制剂后均可改善猪肺动脉血压[67]。在野百合碱诱导的PAH模型中，长期给予P2X7受体拮抗剂A-740003则显著逆转了肺动脉血管的重塑[68]。此外，给予P2X1受体拮抗剂NF297也可以降低肺动脉血压[62]，这都提示了嘌呤能受体与PAH的发生发展有密切联系。

4 讨论与展望

嘌呤受体在肺细胞上广泛表达已经被证实，嘌呤受体信号通路在维持肺内基本稳态，特别是表面活性物质分泌和肺泡宿主防御的作用被深入挖掘。因此，近年来嘌呤受体及其介导的信号通路在肺部疾病的病理生理学中得到了广泛的关注。目前，在肺部疾病中，靶向嘌呤受体的药物制剂大都处在临床开发阶段。但是，其他嘌呤受体激动剂和拮抗剂已被批准用于多种疾病的治疗，例如长效P2Y2受体激动剂地夸磷索已被批准用于治疗干眼症，其中一些可能在未来用于肺部疾病的治疗。随着对于嘌呤受体信号通路在肺部生理中理解的深入，更多靶向性的药物会出现，这还需要我们更深入的探索和挖掘。