肺缺血再灌注损伤炎症与自噬相关性的研究进展

龙嘉琪 李跃兵

1浙江中医药大学第二临床医学院（杭州 310053）；2浙江中医药大学附属第二医院麻醉科（杭州 310005）

肺缺血再灌注损伤（lung ischemia reperfusion injury，LIRI）是一类具有高致死率的无菌性肺部损害疾病，主要发生在肺移植、心肺复苏、体外循环和肺栓塞等疾病。LIRI 本质上是缺血期可逆性肺损伤的进一步发展，由再灌注血流引起的炎症细胞、炎性因子、氧自由基等因素作用下转化为不可逆的肺组织损伤。LIRI 的发病机制复杂，涉及炎症损伤、细胞自噬、氧化应激损伤、钙超载、内质网应激损伤等多种途径和病理生理过程。其中，炎性相关因子和自噬相关分子等扮演着重要角色。

自噬与炎症是人体各种病理生理机制中的一个重要组成部分，二者并非独立的两个过程，而是存在着相互的关联，了解二者的关联可为临床治疗提供一定的参考。在LIRI 引起的肺组织炎症反应中，自噬活性会因为疾病特点及发展阶段的不同而发生变化。因此，深入研究自噬与炎症的关系，明确二者在LIRI 发生发展中的变化，对维持细胞自噬稳态，改善缺血再灌注所导致的肺损伤具有重要的意义。本文从炎症和自噬的角度，综述LIRI 中炎症和自噬的变化及二者交互作用的相关机制，以期为预防LIRI 寻找新靶点提供线索和思路。

1 LIRI 引起炎性反应及其炎性介质释放

肺由于其双重血液供应系统和持续的气体交换生理需求，似乎特别容易受到缺血/再灌注（ischemic reperfusion，I/R）损伤，其损伤的分子机制被认为比其他器官更复杂。从分子层面、细胞层面和临床层面来看，缺氧与炎症反应具有很大的相关性［1］。在肺组织I/R 期间，肺组织产生大量氧自由基，导致血管内皮细胞、肺泡巨噬细胞、肺间质细胞和肺泡细胞等细胞膜脂质的氧化降解，并产生许多炎症介质，导致微血管损伤及细胞的破坏，通过氧化反应与炎症反应相互作用促使LIRI 发生。

在肺损伤中许多炎性介质基因的表达和转录都有核转录因子（nuclearfactor-kappa B，NF-κB）的参与。NF-κB 在调控炎症介质中具有十分重要的作用，是众多炎症信号传导通路的关键作用靶点［2］。在彭坚等［3］建立的小鼠LIRI 模型中，通过RNA干扰技术沉默NF-κB基因，肺组织中的肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的含量明显下降，说明抑制NF-κB 的表达可以减少下游TNF-α 等炎性介质基因的表达，从而缓解LIRI。研究表明，肿瘤坏死因子受体相关因子1（Tumor necrosis factor receptor-associated factor 1，TRAF1）基因被敲除的肺损伤的小鼠，可使肺组织中性粒细胞浸润减少；同时，TRAF1的缺失显著下调了促炎细胞因子水平，NF-κB 失活，有效地减轻了肺损伤，显著地降低了小鼠的死亡率［4］。

Interleukin-6（IL-6）能够刺激参与免疫反应的细胞的增殖和分化，是组织损伤程度和炎症反应的重要指标。NAKATA 等［5］通过阻断和开放小鼠肺门建立了肺缺血再灌注模型，其肺组织中编码IL-6 的mRNA 的表达水平显著高于假手术组。IL-10 是一种在LIRI 中起保护作用的细胞因子，是体内促炎和抗炎平衡的关键参与部分，起着减弱炎症反应程度、抑制炎症反应进展的作用。研究显示，敲除了IL-10 基因的I/R 模型小鼠，促炎细胞因子和促凋亡因子的表达明显增多［6］。IL-8 是一种重要的促炎细胞因子，在LIRI 中发挥着促进炎症反应的生物学作用，其主要由单核细胞和中性粒细胞激活后分泌。通过下调IL-8 的表达，可抑制中性粒细胞的趋化性，改善小鼠肺缺血再灌注后的炎症损伤［7］。

2 LIRI 引起自噬及其作用影响

2.1 肺缺血再灌注后自噬与肺损伤的关系自噬是一种自我分解代谢的过程，是应急情况下维持细胞稳态及代谢平衡的重要机制。自噬是把“双刃剑”，LIRI 后肺泡巨噬细胞、肺泡内皮和上皮细胞等自噬可能加重肺损伤，也可能对肺组织具有保护作用。大部分研究指出，LIRI 诱导的自噬活性增加，那么这种增长趋势引出了一个关键问题：自噬增加对肺组织细胞是“有益”还是“有害”？多数研究认为在肺组织缺血阶段，诱导适度的自噬水平可能对肺组织细胞发挥保护作用，然而在再灌注期间激活过度的自噬水平可能对肺组织细胞起到有害作用［8］。

2.2 自噬对组织缺血期和再灌注期的影响自噬在肺组织I/R 的不同阶段可能发挥着不同的作用。在肺组织缺血阶段，LIU 等［9］在小鼠肺移植所致的LIRI 模型中发现，线粒体自噬抑制细胞凋亡，起到肺保护作用；相反的是，在供体肺再灌注阶段，线粒体自噬继续增加，却伴随着细胞凋亡的增加和肺功能的恶化。赫卯林等［10］在研究小鼠LIRI模型中观察到，使用自噬激活剂（rapamycin，RAPA）后会加重肺组织损害，然而使用自噬抑制剂（3-Methyladenine，3-MA）则可以显著改善小鼠肺组织的缺血再灌注损伤。类似的结果在心、脑和肾I/R 损伤中也有发现［11-13］。以上研究表明，在缺血期机体适度的自噬可能对肺组织发挥着积极的作用，而在再灌注期间过度激活的自噬则会对肺组织造成不利的影响。

有趣的是，自噬的这种双向性可能与实验动物种属差异、模型建立的不同有关，另外一些研究表明，在再灌注过程中自噬可能起到机体保护效应，在心、脑、肾脏器官中同样可以观察到。HONG等［14］发现，七氟烷预处理后的心肌I/R 的大鼠，通过激活自噬，使缺血再灌注后的自噬通量得到修复，延缓了心肌的损伤。CHEN 等［15］发现，上调Lin28a 可促进小鼠神经细胞自噬，减少神经细胞凋亡，减轻I/R 所致的脑损伤。在小鼠肾缺血再灌注模型中，诱导线粒体自噬可保护肾免受I/R 损伤［16］。因此，在自噬的不同阶段其活性可能由于实验物种来源的不同、各器官之间的差异、动物模型造模的不同以及介导的相关信号通路的差异而受到影响，使自噬的活性上调或者下调，从而对疾病的进展发生着有益或者有害的作用。

3 LIRI 中自噬与炎症的关系

自噬是一种在细胞生存进化期间较为保守的调节模式，参与众多疾病病理的发生发展。在LIRI 引起肺组织炎症反应中，其自噬活性随疾病特点及发展阶段而发生着变化。因此，深入研究自噬与炎症的关系，对维持细胞自噬稳态，改善I/R 所导致的肺损伤具有重要的意义。

3.1 LIRI 中自噬对炎症的调节自噬促进细胞存活或死亡取决于特定的刺激和环境条件。在疾病的不同发展阶段，自噬对于炎症的调节发挥着双重的作用：一方面，适度水平的自噬可以通过清除错误折叠的蛋白、抑制炎症小体的活化以及保持线粒体稳态来对抗肺组织I/R 炎症反应。JIANG等［17］发现，通过激活SIRT1-PINK1 信号通路介导的线粒体自噬可以调节炎症介质的释放，减轻2型糖尿病大鼠的I/R 肺损伤。另一方面，自噬在某些情况下也可促进炎症反应的发生。在猪的LIRI模型中，损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs）触发的自噬通过增强NFκB 等信号通路放大炎症反应，而敲除自噬相关的ATG7 基因抑制自噬，可显著减少由DAMPs 触发的炎症细胞因子的释放［18］。在肺组织缺血再灌注损伤的疾病中，自噬一方面能抑制炎症反应的进展，另一方面也会促进炎症反应的发生。适度水平的自噬可以清除病原体，维持细胞稳态。然而当机体处于平衡的自噬水平被打破时，则可能导致细胞功能发生异常。过低水平的自噬不能及时清除堆积蛋白，会导致炎症反应加重。而过度激活的自噬水平，则可能诱导许多实质细胞非程序性死亡，导致相关组织细胞病理损害甚至死亡。

3.2 LIRI 中炎症对自噬的调节近年来，研究表明：自噬和炎症有着紧密联系，自噬可以激活或抑制炎症反应；同样，炎症也可以诱导或抑制自噬。一些调控炎症的转录因子，也调控着自噬核心基因的转录。最典型的代表就是NF-κB 家族，其可以上调Beclin1 和其他自噬相关蛋白的转录，使自噬增强，加重小鼠肺组织I/R 损伤［19］。此外，自噬同样也受广泛的炎症相关因子的调节。促炎细胞因子如IL-6 与干扰素-γ 会促进自噬的发生，而抗炎细胞因子如IL-4、IL-10 则能够抑制自噬的活性［20］。因此，缺血再灌注肺损伤后细胞自噬和炎症之间的联系并不是互相独立的，而是存在着相互促进和相互制约的关系，如果两者平衡的关系被破坏则可能导致肺组织损伤。

4 相关信号调节通路

细胞自噬程度与LIRI 的发生发展密切相关，可能涉及多种信号转导通路和细胞因子的相互作用。在LIRI 疾病的炎症反应中，自噬与炎症的交互作用对其的调控起到了重要的作用。因此，深入探讨LIRI 不同发展阶段下细胞自噬的进展机制，特别是炎症反应介导的相关信号通路和分子机制，对该疾病的防治具有重要的意义。

4.1 AMPK-mTOR 信号通路哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是机体内一种与细胞的凋亡、增殖、自噬和炎症密切相关的信号传导分子；一磷酸腺苷活化蛋白激酶（Amp-activated protein kinase，AMPK）是调节代谢稳态的能量传感器，它的代谢调节作用与mTOR有着紧密的联系。赫卯林等［10］证实，在建立的缺血再灌注肺损伤的小鼠模型中AMPK/mTOR 信号通路介导了自噬的上调，促进了炎症反应，导致肺组织损伤的加重。WANG 等［21］表明，氢盐水可通过调节AMPK/mTOR 信号通路来抑制自噬过度激活，减少炎症介质释放，从而减轻小鼠的急性肺损伤。这提示AMPK-mTOR 信号通路在LIRI 中发挥着重要的作用。

4.2 PI3K/AKT/mTOR 信号通路激酶磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/mTOR 通路是在机体发生感染、氧化应激和衰老等特定状态下调节细胞自噬的关键信号转导途径。LIANG 等［22］研究发现，右美托咪定可通过在转录水平激活PI3K/AKT/mTOR 信号通路抑制自噬，减轻小鼠的肺缺血再灌注损伤。ZENG 等［23］报道，用PI3K 抑制剂LY294002 预处理LIRI 的小鼠，可下调p-AKT的表达促进自噬，激活炎症反应，使肺损伤程度增加。因此，通过作用于PI3K/AKT/mTOR 信号通路，可以抑制细胞过度自噬并减轻炎症反应，从而缓解肺损伤。

4.3 TLR4-NF-κB 信号通路Toll 样受体（TLRs）是一种高度保守的细胞表面受体，它参与了非特异性免疫系统的激活。NF-κB 的特异性靶点是多种调节因子的编码基因，如炎性因子TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8 等。LIU 等［24］研究发现，LIRI 小鼠模型中自噬水平升高，经铜绿假单胞菌外膜囊泡（OMVs）预处理后显著降低了TLR4 和p-NF-κB 的表达，炎症因子分泌减少，减轻了肺组织的损伤。进一步研究证实，采用TLR4-小干扰RNA（siRNA）干扰TLR4 表达后LIRI 大鼠肺组织细胞自噬水平下降，相关炎性因子表达减少［25-26］。由此可见，在肺组织I/R 损伤中，TLR4-NF-κB 参与了炎症反应和自噬调控，抑制该通路，可有效减轻缺血再灌注肺损伤。

4.4 miRNA 途径的调控miRNA 通过降解mRNA或抑制mRNA 翻译来调控基因表达，在肺损伤的发生、发展和转归中发挥着重要的作用。ZHANG等［27］研究表明，丙泊酚通过上调miR-144 表达水平抑制肺泡Ⅱ型上皮细胞的自噬活性，减少炎症因子的释放，减轻LIRI 小鼠模型的肺损伤。miRNA 除了对细胞自噬有抑制作用外，还可增强细胞自噬水平。DAI 等［19］发现，在建立LIRI 小鼠模型中，miR-145 在I/R 损伤小鼠和肺微血管内皮细胞中大量表达，NF-κB 转录活性增加，TNF-α、IL-6 和Beclin-1 的表达上调，表明miR-145 促进细胞自噬和炎症因子的释放，加重肺损伤。

4.5 TRAF6 泛素化途径的调控TRAF6 通过自身泛素化调控相关信号通路因子，影响着机体多种生理病理活动的发生和发展。LIU 等［18］发现，在肺泡巨噬细胞中，抑制自噬相关基因ATG7 显著减弱了I/R 损伤引发的肺组织中TRAF6 泛素化，NFκB 的激活受到明显抑制，以及炎性细胞因子显著减少。这表明TRAF6 的泛素化水平与I/R 引发的自噬密切相关，在调控炎症反应中发挥重要作用。

以上研究表明，炎性相关因子和自噬相关分子可能通过AMPK-mTOR、PI3K/AKT/mTOR、TLR4-NF-κB、miRNA 及TRAF6 泛素化等途径来影响LIRI疾病的发生与发展（图1）。进一步说明，炎症信号通路在LIRI 中受自噬调节，而自噬的活性亦受炎症相关因子的影响。由此可见，通过调控细胞自噬和炎症相关信号通路使自噬恢复到正常水平，可能对LIRI 的临床治疗起着重要的作用［8］。因此，深入研究肺缺血再灌注疾病中自噬分子与炎症因子调控的相关作用靶点，并在以后的研究中对该靶点进行干预从而维持细胞自噬稳态，将对提高LIRI 患者的治愈率以及减少其致死率具有十分积极的作用。

图1 自噬与炎症相关信号通路的示意图Fig.1 Schematic diagram of autophagy and inflammation related signaling pathways

5 结语与展望

肺组织缺血再灌注损伤后会促进炎症反应的发生，释放大量炎性介质，加剧肺组织的损伤。同时，LIRI 后细胞通过一系列信号通路启动自噬，自噬的上调或者下调对肺组织起着保护和损害的作用。炎症与自噬的关系并不是单一的，而是相互制约、相互促进的，炎症可以促进或抑制自噬的发生，自噬亦可以促进或抑制炎症反应。此外，自噬活性和炎症水平在不同疾病、疾病的不同发展阶段以及不同器官之间发挥的作用也可能不相同。这其中涉及了许多复杂的信号通路和作用机制。在LIRI 早期即可检测到肺组织自噬水平的升高，较多的研究显示，缺血期适度的自噬可以减轻肺损伤，而再灌注期过度的自噬则会加剧肺损伤。随着对自噬分子和炎性因子的作用机理的不断深入，通过调节自噬的启动来限制炎症反应的扩散，以及通过抑制自噬的过度放大来抑制细胞凋亡，已成为当前备受关注的研究领域。已有数据显示，干预自噬对于改善LIRI 损伤具有很好的治疗前景，而如何评价自噬强度和炎症反应之间的关系，以及寻找特异的干预措施也将成为当前研究的主要方向。本文围绕炎症与自噬及二者交互作用在LIRI 发生发展中的作用进行了阐述，可为预防和治疗LIRI 奠定一定的理论基础。在今后的研究中若能找到控制自噬的适宜时机和靶点将自噬恢复到生理水平，减少炎症反应对组织和细胞的功能损害，将有利于改善LIRI 患者的预后。