PI3K/Akt-FoxO1在COPD炎症机制中的作用及大环内酯类药物的重要作用

张桂新 唐君媛 孙雪皎

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种慢性的炎性疾病,其特点是持续的气流受限,吸烟则是其最主要的危险因素[1]。香烟中的烟草烟雾会使炎症细胞,如中性粒细胞、巨噬细胞、CD8+T细胞活化,释放出各种前体炎症因子,从而造成慢性全身炎症反应,而慢性炎症反应则是 COPD发展的重要因素[2]。持续的炎症反应进一步促进了COPD的发展,且累及全身多个器官[3]。然而,COPD炎症机制较为复杂,目前尚不完全明确。因此,深入探讨COPD炎症发生与发展的机制,对防治COPD、改善患者预后至关重要。

一、烟草烟雾暴露与COPD炎症

COPD的慢性炎症包括氧化应激、气道中性粒细胞炎症、肺组织T淋巴细胞的浸润及反复感染等,吸烟及有害颗粒在COPD炎症的发生发展中至关重要。吸烟可刺激肺泡巨噬细胞分泌IL-8及TNF-α等多种细胞因子[4],导致COPD气道炎症及肺组织的损伤,这进一步使中性粒细胞滞留、活化,使细胞脱颗粒、呼吸爆发、溶酶体释放以及产生超氧化物,使炎症因子的释放明显增加,形成瀑布级联效应,进一步加重了气道、肺部及全身的炎症反应。

二、PI3K/Akt通路与COPD的发病和发展

COPD肺中有较强的慢性炎症反应,其中以吸烟和有害微粒所致的氧化应激最为显著,并且与PI3K/Akt信号通路的活性有关[5]。PI3K产生脂类第二信使负责细胞内的信号传递,并参与细胞的生长、增殖和周期活动的调节,其在呼吸爆发、细胞迁移和细胞信号传递等炎症反应中扮演着重要角色。Akt也被称为蛋白激酶B(PKB),是PI3K下游的重要效应物,被激活的 Akt (PAkt)可以通过使物质磷酸化来调控多种酶、激酶和转录因子等下游因子,从而调控细胞的功能。研究结果表明,氧化应激能激活PI3K,抑制HDAC2的表达和活性[6],PI3K抑制剂能提升HDAC2的活性,并能恢复糖皮质激素在吸烟诱导的大鼠气道炎症中的抗炎作用从而有效地抑制大鼠气道炎症[7]。我们最近的一项研究也显示,烟草烟雾暴露能够导致单核细胞PAkt表达升高[8-9],增加烟草烟雾暴露下单核细胞的炎症反应;PI3K抑制剂能够减轻烟草烟雾暴露下人单核细胞的糖皮质激素抵抗[8]。因此,PI3K/Akt通路在COPD炎症的发生与发展中至关重要。

PI3K信号通路是通过其下游的某些关键因子而起作用,例如与炎症反应密切相关的转录因子NF-κB,然而,COPD肺部及全身炎症的发生机制较为复杂,除NF-κB之外,PI3K/Akt通路是否通过其他关键因子起作用,目前国内外尚无相关研究。进一步探讨PI3K/Akt通路的作用对防治COPD至关重要。

三、PI3K/Akt-FoxO1与COPD炎症的发生与发展密切相关

FoxO是叉头蛋白的一个亚群,它在维持器官发育、调节免疫、细胞凋亡、糖和脂肪代谢,抑制肿瘤、氧化应激以及器官的老化过程中均扮演重要角色[10-14]。FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6四个基因已被人们所知,其中关于FoxO1及FoxO3的研究较多。

FoxO3是由 FoxO3 基因编码的人类蛋白质,也称Forkhead box O3或 FoxO3a。FoxO3属于叉形头转录因子的O亚型,这一类转录因子的特点是鲜明的叉头 DNA 结合域。FoxO3a 的异常表达,可能与肿瘤的发生密切相关,例如继发性急性白血病的MLL 基因与此基因的易位相关联。癌症中常见的是FoxO3a基因的下调,FoxO3 也被称为肿瘤抑制器[15]。

FoxO1是首个被发现的 FoxO家族成员,近年来,因其参与调节氧化应激及炎症反应,越来越受到重视,尤其是在糖尿病及其并发症的发生与发展中的作用,是目前国内外的研究热点。近年来的研究表明,FoxO1在心血管疾病、糖尿病及肿瘤等疾病的发生发展中扮演着重要角色,国内已有研究显示,将小鼠心肌细胞中FoxO1特异性去除后,心肌在缺血再灌注或心肌梗死时损害范围显著增加[16]。

PI3K/Akt信号途径可诱导FoxO1的磷酸化,使其从细胞核向细胞浆中运输,从而降低转录活性,进而抑制FoxO1控制的下游基因的表达。另外,PI3K信号通路与代谢、衰老、抗癌等细胞生理活动密切相关,也间接证明了FoxO1在细胞凋亡、DNA损伤/修复、应激、血管生成、糖代谢及肿瘤发生等方面也扮演着重要角色,尤其是氧化应激,是近年来的研究重点[17]。研究表明,在胰岛素抵抗的肝细胞中,FoxO1蛋白表达水平及核转录活性增加,增强了TNF-α对MCP-1、IL-1β、IL-6等多种促炎细胞因子及趋化因子CCL-20的表达,并可能通过其他信号通路影响了NF-κB的转录活性[18]。以上研究表明,FoxO1可能在炎症发生发展中起着重要的作用。此外,FoxO1参与了调控免疫细胞的免疫应答,也就是其在人体免疫系统中起着重要的调控作用[19]。有报道认为FoxO1是能诱导产生内源性抗氧化分子的转录因子,可能是潜在的抗氧化应激的靶点[20]。然而,FoxO1在肺部疾病中的相关研究较少,尤其是在COPD的治疗方面,为国内外空白。

据此,FoxO1可能是COPD肺部及全身炎症反应的重要作用点,可能促进了炎症的发生与发展。对此进一步研究与探讨将对COPD的防治工作具有关键作用。

四、大环内酯类药物对COPD的抗炎作用

大环内酯类药物的抗炎和免疫调节作用是目前临床上研究的热点之一[21],长期使用低剂量的大环内酯类药物(主要是14环的红霉素,罗红霉素,克拉霉素,15环的阿奇霉素)对弥漫性泛细支气管炎(diffuse panbronchiolitis,DPB)和囊性肺纤维化的治疗具有明显的效果,其降低了DPB患者支气管肺泡灌洗液中的炎症因子和中性粒细胞水平,改善了DPB患者的肺功能[22-24];由于其可以降低肺和全身的炎症因子的表达[21],因此对 COPD和哮喘的治疗也获得了很好的疗效[24-26],研究显示,长期使用低剂量的红霉素可以降低 COPD病人痰中的IL-8水平,并显著降低急性发作的次数[27];体外细胞实验表明,红霉素能提高HDAC2的活力,降低NF-κB的转录活性和IL-8的合成[24]。有体外研究显示阿奇霉素降低了人囊性纤维化细胞系中的TNF-α的mRNA表达率,降低了TNF-α蛋白水平和NF-κB DNA结合活性,进而降低了随后的 IL-6 和 IL-8 等炎症因子的产生[28]。另外,也有实验证明阿奇霉素的抗炎作用与气道中几种人类白细胞抗原(HLA-A,HLA-B,HLA-DPA1,HLA-DRA和HLA-DRB4)的下调有关。HLA-A 和 HLA-B 是主要组织相容性复合体 (MHC) Ⅰ类表面受体的亚型,而 HLA-DPA1、HLA-DRA 和 HLA-DRB4 是 MHC Ⅱ 类表面受体的亚型。MHC Ⅰ类和Ⅱ类受体分别参与CD4+和CD8+T细胞抗原的呈递。TAP-1表达对于MHC-I肽复合物的形成至关重要,因此阿奇霉素可能通过破坏抗原呈递来抑制气道中的炎症反应[29]。也有临床实验证明低剂量阿奇霉素对减少COPD患者急性加重次数有益,长期给予低剂量阿奇霉素可抑制促炎细胞因子的产生,增强巨噬细胞吞噬作用和抗炎细胞因子表达[30]。另外,一种新的大环内酯类药物索利霉素(CEM101)能降低在氧化应激作用下的PI3K信号途径的表达,从而减少糖皮质激素抵抗[31]。因此,COPD患者可以从大环内酯类药物抗炎和减少激素的抵抗作用中获益。在我们既往的研究表明,红霉素通过减弱PI3K/Akt通路的活性,上调组蛋白去乙酰化酶2表达减轻氧化应激下单核细胞的糖皮质激素抵抗,降低NF-κB的活性及炎症因子的表达,减轻炎症反应;小剂量红霉素可减轻COPD患者外周血PAkt蛋白及炎症因子IL-8的水平,且联合小剂量茶碱后,较单独口服小剂量红霉素的抗炎作用更加显著。由此可见,红霉素能够明显的减弱COPD及烟草烟雾暴露的单核细胞炎症反应,并且与控制PI3K/Akt信号通路的活性有关。

五、总结与展望

COPD的特征是肺实质和外周气道的慢性炎症,伴有肺泡巨噬细胞、中性粒细胞、T 细胞和淋巴细胞的增加。这些细胞以及结构细胞,如上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞,分泌多种促炎细胞因子,在慢性阻塞性肺疾病患者中,血液中的IL-1β、IL-4、IL-8和TNF-α浓度升高。氧化应激在COPD中起关键作用,并可导致NF-κB的激活。此外,COPD 与气道细胞凋亡增加和吞噬功能缺陷有关[32]。COPD炎症机制及治疗是近年来的研究热点,目前 COPD的主要预防措施是戒烟和抗炎,但目前大部分 COPD患者无法戒烟,并且戒烟后的炎症反应也没有得到显著的改善,所以抗炎治疗成为控制COPD的一个重要手段。红霉素对COPD的抗炎作用及疗效已得到证实,且与PI3K/Akt通路的活性有关,然而,COPD炎症及红霉素抗炎机制复杂,是否通过其他机制减轻COPD炎症,比如增加FoxO1蛋白的表达,值得我们进一步探讨及研究,将进一步明确大环内酯类药物的抗炎作用及分子机制,为COPD 的诊治提供新的思路和方法。