衣康酸及其衍生物在肺部疾病中的研究进展

汪新月 蒙臣 廖俊媛 杨梁 周子愉 黄贺鑫 王贤裕

肺作为气体交换的主要器官,经常暴露在各种有害环境刺激中。短期或长期接触这些有害物质往往会导致肺损伤,引起肺部疾病。急性和慢性肺部疾病因其高发病率和高死亡率而成为世界范围内主要公共卫生问题之一[1]。越来越多的研究表明,衣康酸及其衍生物可以保护肺部免受各种有害物质的损伤,减轻或减少肺部疾病。虽然衣康酸及其衍生物对急、慢性肺部疾病以及肺部肿瘤具有重要影响,但就目前研究而言,更多的集中在急性肺部疾病中,例如急性肺部感染、急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)等。并且,据已有的研究表明,衣康酸及其衍生物在急性肺部疾病中大多起保护作用,例如抑制细菌、病毒在肺组织中繁殖、缓解ARDS等。但是,在某些慢性疾病,如慢性细菌感染性肺部疾病以及肺部肿瘤中,具有两面性。其在急、慢性肺部疾病以及肺部肿瘤中的不同影响可能也是限制其临床试验以及临床应用的重要原因。因此,本文就衣康酸及其衍生物对各种肺部疾病的研究现状进行综述,以期望衣康酸及其衍生物在治疗肺部疾病中发挥越来越大的作用。

一、衣康酸及其衍生物概述

衣康酸是三羧酸循环的中间代谢产物,由免疫应答基因1 (IRG1)编码的顺乌头酸脱羧酶1 (ACOD1)催化三羧酸循环的中间产物顺乌头酸衍生而来[2]。IRG1几乎只在活化的免疫细胞中表达,尤其是活化的巨噬细胞[3-5]。衣康酸具有强大的免疫调节活性,在调节能量代谢、抗炎、抗氧化及各种免疫反应中发挥重要作用,也对几乎所有器官产生生物学效应[5-8]。除了衣康酸的天然形式外,目前常用的衍生物包括:衣康酸二甲酯(DMI)、 4-辛基衣康酸(4-OI),它们具有与衣康酸相似的生物学活性,能模仿内源性衣康酸发挥作用,而成为合适的细胞渗透性衣康酸替代品,以更好探索衣康酸的生理学功能[8]。

二、衣康酸及其衍生物对急性肺部疾病的影响

1. 衣康酸及其衍生物对细菌脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)诱导的ARDS的影响

许多研究表明,衣康酸及其衍生物可以降低各种因素引起的肺组织炎症反应以减少ARDS的发生。在LPS直接诱导的肺部损伤以及LPS诱导的脓毒症肺损伤的实验中,给予外源性的衣康酸及其衍生物能够减少肺组织中活性氧(ROS)的产生以及炎症因子如白介素-1β(IL-1β)、白介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的表达,从而抑制LPS诱导的炎症反应,减轻肺组织损伤,并延长生存期,提高生存率[9-14]。

同时,衣康酸及其衍生物还可以抑制肺泡上皮细胞凋亡,并促进损伤的肺泡修复。Shi等[15]通过体外培养肺泡Ⅱ型上皮细胞发现,DMI减少肺泡上皮细胞凋亡,且通过上调肺泡表面活性物质产生,促进肺泡Ⅱ型上皮细胞分化为肺泡Ⅰ型上皮细胞,以修复LPS诱导的受损肺泡。

另外,衣康酸及其衍生物能够减轻LPS诱导的肺上皮屏障功能障碍。谢邱梦等[11]通过体内和体外实验证明,衣康酸通过抑制线粒体分裂/融合相关蛋白表达,以维持线粒体正常功能和肺上皮细胞屏障作用,增强肺组织防御能力,减轻LPS诱导的肺部损伤。

这些研究说明衣康酸及其衍生物在ARDS的发生、发展过程中具有潜在的肺保护作用。

2. 衣康酸及其衍生物对急性细菌性肺部疾病的影响

在嗜肺军团菌、土拉弗氏菌感染肺组织的模型中研究发现,衣康酸及其衍生物通过影响细菌及宿主代谢关键酶的表达及其活性,以影响细菌能量代谢,从而限制细菌在肺组织中繁殖[16,17]。

Naujoks等[16]使用嗜肺军团菌感染肺泡巨噬细胞时,巨噬细胞中IRG1表达上调,并且衣康酸产生增加,从而直接杀伤细菌。嗜肺军团菌诱导IRG1/衣康酸途径发挥杀菌作用在动物实验也得到证实。衣康酸的杀菌作用可能与衣康酸抑制细菌异柠檬酸裂解酶或阻断丙酰辅酶 A 积累从而减少细菌能源物质的来源有关。土拉弗氏菌在感染早期抑制炎症级联反应,使其能够在宿主巨噬细胞内快速不受控制地复制。Jessop等[17]使用IRG1-/-小鼠和野生型(WT)小鼠分别感染土拉弗氏菌发现,与WT小鼠相比,IRG1-/-小鼠衣康酸的产生更少,肺组织中细菌负荷更大、炎症和组织损伤更重。这一结果可能是土拉弗氏菌感染驱动衣康酸产生,衣康酸通过抑制线粒体复合体Ⅱ,从而减少土拉弗氏菌生长所需的关键底物,例如甘油,使得土拉弗氏菌能量来源减少,而抑制其生长繁殖。衣康酸及其衍生物通过减少细菌生长所需要的能量来源发挥抑菌或杀菌作用,表现出衣康酸及其衍生物作为抗菌药物的潜力。

许多急性细菌性肺部疾病具有自限性,这可能与细菌感染后内源性保护因子产生增加有关,例如,内源性衣康酸的产生。然而外源性衣康酸及其衍生物能否在体内发挥与内源性衣康酸相似的生物学功能以对抗肺部急性细菌感染,尚需要更多的研究佐证。

3. 衣康酸及其衍生物对病毒性肺部疾病的影响

已有的研究表明,衣康酸及其衍生物能够抑制某些病毒在肺组织中复制,并且限制病毒感染引起的炎症风暴。Sohail等[18]通过实验发现甲型流感病毒(IAV)感染后,单核细胞及巨噬细胞中衣康酸含量增加;增加的衣康酸可以抑制免疫细胞中炎症因子的表达。而在使用衣康酸及其衍生物治疗IAV感染的小鼠后,有效降低外周血IAV滴度,同时减少趋化因子及炎症因子的产生,从而发挥抗病毒及减轻IAV感染引起肺部损伤的作用。

在对近年来全球肆虐的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)体外实验中也发现,衣康酸及其衍生物以剂量依赖的方式减少病毒复制,降低病毒的细胞毒性;同时抑制SARS-CoV-2感染引起的不受控制的促炎细胞因子风暴[19]。另外Song[20]等在对新型冠状病毒肺炎(COVID-19)患者的研究中发现:血浆衣康酸水平越低,其COVID-19越严重。因此,衣康酸及其衍生物可能具有潜在的抗病毒和抗炎作用,且衣康酸有望成为评估COVID-19严重程度的生物学指标。

三、衣康酸对慢性肺部疾病的影响

1. 衣康酸及其衍生物对慢性阻塞性肺部疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的影响

烟草烟雾(CS)暴露是COPD的主要风险因素之一。Titz等[21]在CS暴露的小鼠中研究发现,CS暴露后,肺泡及肺组织中巨噬细胞增加,诱发强烈的免疫反应,包括氧化应激和炎症反应;造成肺组织病理损伤,从而发生肺气肿,最终进展为COPD。与此同时,CS暴露后,机体通过上调IRG1,使得衣康酸的表达增加,衣康酸通过促进抗氧化和抗炎转录因子核因子红细胞系2相关因子2(Nrf2)激活及下游血红素加氧酶-1(HO-1)表达,诱导血红素-胆绿素-胆红素途径。这种途径通过产生抗氧化剂胆绿素和胆红素以及限制氧化剂血红素的积累来对抗氧化应激。因此,在CS暴露后,衣康酸丰度的增加不仅可以防止肺中巨噬细胞的过度激活,还可以减轻氧化应激,使得COPD的发生风险降低。

2. 衣康酸及其衍生物对哮喘的影响

抗原提呈树突状细胞(DC)能够感知抗原的背景,激发和调节不同类型的效应T细胞反应,这是机体针对吸入性变应原产生的适应性免疫反应[22]。在变应原侵袭过程中,衣康酸及其衍生物能够通过减少氧化应激,而减轻DC功能受损。Jaiswal等[23]在屋尘螨(HDM)诱导的过敏性哮喘中发现,衣康酸降低DC耗氧率及线粒体超氧化物生成,从而避免其抗原提呈能力损伤并有效减轻气道Ⅱ型炎症反应,降低气道高反应性。

通常认为,巨噬细胞M1极化引起促炎反应;而 M2极化使其更具有抗炎特性;但在某些免疫性疾病中,M2极化也促进炎症反应。例如,M2巨噬细胞和辅助性T细胞2 (Th2)细胞介导的Ⅱ型炎症反应导致肺部疾病发生,如哮喘、肺纤维化等[24]。高留闯和Marah等[25,26]研究证明,衣康酸及其衍生物通过抑制M2极化,削弱卵清蛋白诱导的呼吸道过敏性炎症,降低Ⅱ型细胞因子(IL-4、 IL-5和IL-13)水平,减少肺泡中嗜酸性粒细胞和呼吸道、血管周围炎性细胞浸润以及杯状细胞化生,从而减少哮喘发作。

另外在吸入变应原后,衣康酸及其衍生物能够调节肺组织内中性粒细胞和嗜酸性粒细胞募集之间的平衡,从而调节免疫反应。Albers等[27]对轻度哮喘患者痰液的分析发现,中性粒细胞数量与衣康酸水平呈负相关。同时,动物实验中发现,在暴露于空气变应原后,IRG1-/-小鼠肺组织中衣康酸表达减少,表现出较低的嗜酸性粒细胞-中性粒细胞比率,而WT小鼠的嗜酸性粒细胞较多;在给予外源性衣康酸后,IRG1-/-小鼠嗜酸性粒细胞-中性粒细胞比率恢复平衡。以上研究表明,衣康酸及其衍生物在治疗过敏性哮喘方面具有诱人前景。

3. 衣康酸及其衍生物对肺纤维化的影响

肺纤维化(pulmonary fibrosis,PF)是一种以肺实质中过多的细胞外基质沉积、肺组织结构破坏为主要特征的疾病[28]。其中,成纤维细胞-肌成纤维细胞分化(FMD)是PF发生和恶化过程中的一个关键细胞表型,可导致细胞外基质 (ECM) 过度分泌和积累[28,29]。衣康酸及其衍生物有效的抑制氧化应激,从而减轻肺纤维化。Han等[30]研究表明,衣康酸及其衍生物通过减少ROS产生,从而减轻转化生长因子β1(TGF-β1)诱导的FMD以及博来霉素诱导的小鼠肺纤维化。

另外,在体外用衣康酸培养原代肺成纤维细胞,其增殖和伤口愈合能力降低。同时在小鼠肺纤维化阶段使用衣康酸及其衍生物治疗可改善肺功能并降低 Ⅳ 型胶原蛋白和纤连蛋白的基因表达[31]。这些实验可能推动衣康酸及其衍生物成为PF治疗的潜在靶点和方法。

4. 衣康酸及其衍生物对慢性肺部感染的影响

细菌乙醛酸分流途径是一种替代性回补途径,它促进脂肪酸作为碳源用于生物合成和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)的产生。结核分枝杆菌(Mtb)菌株编码一种或两种异柠檬酸裂解酶(ICL1 和 ICL2),它们在乙醛酸分流中发挥重要作用[32,33]。Michelucci 等[2]研究表明,衣康酸通过抑制Mtb中异柠檬酸裂解酶进而抑制细菌的乙醛酸分流途径,从而对 Mtb 生长产生抑制作用。

与衣康酸相似,衣康酸代谢物衣康酰辅酶A(I-CoA)也具有抑菌活性。在高水平衣康酸存在下,琥珀酸辅酶A合成酶可能将衣康酸转化为Ⅰ-CoA[34]。Ruetz等[35]研究表明Ⅰ-CoA具有抑菌活性。Mtb感染宿主细胞后,在葡萄糖来源受限时,其可以利用胆固醇进行能量代谢,并产生丙酸及丙酸辅酶A。它们的积累对结核分枝杆菌具有毒性作用。维生素B12(VitB12)依赖的甲基丙二酰辅酶A(MCM)变位酶可以将丙酰辅酶A转化为甲基丙二酰辅酶A,有利于丙酸的清除。Ⅰ-CoA可以与体内VitB12形成加合物,从而抑制VitB12依赖的MCM的活性,造成毒性丙酸/丙酰辅酶A的水平升高,限制结核分枝杆菌生长。

与衣康酸及其代谢产物限制结核分枝杆菌生长不同。有研究表明,衣康酸有助于细菌耐药和慢性细菌感染的发生。Riquelme和Tomlinson等[36,37]研究发现,金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌感染肺组织后,体内衣康酸表达增加,内源性衣康酸能够使细菌转录组学和代谢组学发生变化,诱导细菌膜应激,导致脂多糖表达下调,细胞外多糖表达上调,有利于细菌生物膜形成从而逃避机体的抗体、补体和吞噬作用以及产生对抗生素的抗性,实现金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌在肺内的持续感染。

因此,虽然衣康酸具有抗菌潜力,但其对细菌免疫逃避的选择作用也为耐多药细菌清除增加了困难。

四、衣康酸及其衍生物对肺部肿瘤的影响

衣康酸及其衍生物在肺部肿瘤性疾病中研究较少,对肿瘤发生发展的作用也不尽相同。

大多数研究认为衣康酸具有促肿瘤作用。肿瘤微环境中 CD8+T 细胞能够通过诱导细胞死亡来清除肿瘤[38-41]。Wang等[42]研究表明衣康酸可以通过减少CD8+T细胞内天冬氨酸和丝氨酸/甘氨酸的生物合成,抑制其增殖和功能,从而抑制CD8+T细胞诱导的抗肿瘤免疫。Qu等[43]也发现衣康酸通过激活Nrf2限制铁死亡,发挥促肿瘤作用。

与之相反,超生理剂量的衣康酸表现出抗肿瘤活性。Qu等[43]研究发现超生理剂量的衣康酸可以通过激活核受体共激活因子4 (NCOA4)促进铁死亡,从而表现出抗肿瘤活性。但是衣康酸的过量可能会将其抗炎作用转变为促进宿主细胞死亡的作用,进而损伤组织细胞。

衣康酸及其衍生物对肿瘤的双重作用的机制尚未完全阐明,究其原因,可能与药物用量或疾病阶段以及严重程度有关。

另外,衣康酸对肿瘤患者预后和治疗效果具有指示作用。Miller等[44]在对非小细胞肺癌(NSCLC)患者短期和长期生存的研究中表明,肿瘤进展患者中,衣康酸丰度增加。因此,推断衣康酸可以用来评价肿瘤进展情况。 Zhao等[45]研究发现,衣康酸与抗PD-1治疗效果负相关,血浆中衣康酸水平可以用于判断抗PD-1治疗效果。Fan等[46]在关于免疫调节剂β-葡聚糖诱导的体外NSCLC肿瘤组织损伤的研究中发现:对于β-葡聚糖治疗效果较好的NSCLC组织中,衣康酸的积累增加,相反,则癌组织中衣康酸耗尽;同时β-葡聚糖发挥抗肿瘤免疫是通过促进肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)向M1极化实现的。而衣康酸是巨噬细胞M1极化过程中上调程度最高的代谢物[5,7,47-49]。因此,推测衣康酸可能用于评价β-葡聚糖对非小细胞肺癌的治疗效果。

这些研究表明,未来靶向衣康酸可能作为抗肿瘤治疗的潜在方法之一。同时衣康酸的表达水平可能作为肿瘤预后或治疗效果评价的标志物。

五、衣康酸及其衍生物的给药方式

衣康酸几乎对全身所有器官产生生物学效应,因此靶向目标器官治疗可能更有利于其发挥作用。目前衣康酸常用的给药方式包括:局部给药和全身给药。在局部给药方面,雾化吸入衣康酸将有效控制小鼠PF严重程度[31];鼻内给予4-OI可减轻HDM诱导的气道疾病和Th2型炎症反应[23]。另外在其他疾病,如骨修复中,在大鼠颅骨缺陷模型中使用4-OI涂覆的骨支架递送4-OI,使其在骨修复过程中准确调控巨噬细胞的表型转化,以调节早期炎症促进骨整合的能力[50]。使用DMI制备的纳米纤维材料覆盖在心肌梗死(MI)小鼠心脏表面,可维持MI初期特定的炎症反应,同时在后期增强抗炎作用,以减少小鼠心肌梗塞面积和改善心室功能,从而表现出出色的心肌保护作用[51]。此外,已合成衣康酸微凝胶,其亲水性和形成的带负电荷的微环境有利于维持心脏基质细胞(CSCs)的高活性。向MI小鼠心肌内注射衣康酸微凝胶包裹的CSCs,有利于CSCs的增殖和生长因子的大量分泌,促进CSCs活化和抑制细胞凋亡,从而促进MI小鼠的心脏修复[52]。而在全身给药方面,腹腔注射是最常用的给药方式。许多研究证明,腹腔注射衣康酸及衍生物有效减轻LPS诱导的肺损伤[6],以及脓毒症造成的包括肺组织在内的多个脏器损伤[53]。此外,在创伤性失血性休克模型中,将衣康酸制备成复苏液静脉输注用于失血性休克早期复苏,有利于提高小鼠存活率[54]。

然而,对于不同的疾病,尚未有明确的给药途径以使衣康酸及其衍生物对于治疗各种疾病达到高度定向的效果。因此期待更多的研究能够在保留衣康酸生物学活性的同时使其高效利用,靶向目标器官,这可能是未来衣康酸早日应用于临床的一个重要研究方向。

六、讨论与展望

越来越多的证据表明,衣康酸及其衍生物对急性、慢性肺部疾病以及肺部肿瘤的治疗有显著影响。在实验动物模型上的研究提示,衣康酸及其衍生物在很大程度上预防和/或减轻了肺组织损伤。这些急性和慢性肺部疾病有些共同的属性,即炎症、氧化应激。这也是衣康酸及其衍生物介导肺保护的重要治疗靶点;即其治疗作用大多通过调节炎症和氧化应激实现。尤其是在急性肺部疾病中,衣康酸及其衍生物大多可以通过激活Nrf2相关通路,以增强细胞、组织以及机体的抗炎、抗氧化防御能力,对各种急性肺部疾病起到治疗作用。但对于慢性肺部疾病而言,除了炎症、氧化应激这一主要致病原因外,衣康酸及其衍生物还可针对某一疾病特有的致病机制发挥作用。例如,在肺纤维化中,衣康酸及其衍生物除了通过抗炎抗氧化机制缓解肺纤维化外,还通过降低肺组织中肌成纤维细胞增生以及不成比例的细胞外基质沉积,改善肺组织动态顺应性以及弹性,延缓肺纤维化的发生。另外,与大多数急性疾病中衣康酸及其衍生物通过减少过度中性粒细胞活化以及促炎细胞因子IL-1β,IL-6,TNF-α产生以缓解肺部损伤不同,其在过敏性哮喘中主要减轻Ⅱ型气道炎症,包括减少气道中嗜酸性粒细胞浸润,TH2型细胞因子产生,如IL-4、IL-5、IL-13,以及杯状细胞化生进而减轻气道炎症。衣康酸及其衍生物在急慢性细菌性肺部疾病中发挥保护作用的机制也与其他疾病不同,其主要通过影响细菌和宿主能量代谢关键酶的表达以及关键酶的活性而影响细菌在宿主中的生存与繁殖;此外,衣康酸及其衍生物促进慢性肺部感染机制也与对其他疾病的影响不同。它通过对金黄色葡萄球菌以及铜绿假单胞菌基因表达的选择作用,选择代谢可塑性的细菌进行重塑代谢,将能量代谢的碳源流向细菌生物膜合成的方向,从而使细菌逃避宿主免疫以及对抗抗生素杀伤作用,以此产生持续慢性感染以及细菌耐药。与细菌感染性肺部疾病相似,衣康酸对肺部肿瘤的影响也具有两面性,且更多的研究表明,衣康酸具有促进肿瘤发展的作用。另一方面,内源性衣康酸的检测,对于肿瘤的进展以及治疗效果评估也有一定的指示作用。

虽然许多研究表明衣康酸及其衍生物对各种肺部疾病具有重要影响。但是,由于其对不同肺部疾病的作用不同,且其作用的详细分子机制仍有待确定,因此使研究主要限于动物模型。另外,如何靶向目标器官而不影响其他组织器官功能的特定给药方式尚未明确,使其对人类的适用性还有待测试。因此,更好地了解衣康酸及其衍生物的作用、作用途径以及给药方式,可能有助于其更好的应用于治疗肺部疾病。