自噬在肥胖型哮喘中的研究进展

杨璐 袁雨来 敖素华 熊霞

支气管哮喘(简称哮喘)是由多种细胞以及细胞组分共同参与的慢性气道炎症性疾病,临床表现为反复发作的喘息、气急,伴或不伴胸闷或咳嗽等症状,同时伴有气道高反应性和可变的气流受限[1]。近年来,随着肥胖人口的不断增加,肥胖成年人哮喘患病率达11.1%,较正常体重的成年人患病率7.1%显著增高[2],2014年全球哮喘防治倡议(GINA)指南已将肥胖型哮喘作为一种新的哮喘表型[3]。有研究证实,肥胖不仅是哮喘的独立危险因素[4],影响哮喘患者的疾病严重程度、治疗反应和哮喘未来急性发作风险[5],但二者的确切关联机制尚未完全阐明。目前对肥胖相关性疾病的研究主要集中在代谢性疾病及心血管系统疾病,关于肥胖影响哮喘的相关机制研究相对较少。近年来有研究表明自噬在肥胖与多种肺部疾病的发生中起着重要作用[6],迄今为止已经描述了三种主要的自噬：巨自噬,微自噬和分子伴侣介导的自噬[7],本文主要从巨自噬(以下简称自噬)的概述、自噬与肥胖的相互关系、自噬与哮喘的相关机制研究、自噬影响肥胖型哮喘、药物调节自噬治疗肥胖型哮喘五个方面综述自噬在肥胖型哮喘中的研究进展。

一、自噬概述

自噬是发生在所有真核生物细胞中高度保守的降解系统,其主要功能是清除过量的营养物质、有毒的蛋白质聚集物、受损的细胞器和入侵微生物,对维持细胞稳态起着重要作用[8]。自噬分为自噬诱导、自噬体形成、自噬溶酶体形成及内容物降解4个阶段[9],是一个动态的过程,始于细胞内吞噬泡的形成,在细胞内自噬相关蛋白的作用下膨胀延伸,包裹自噬底物如错误折叠的蛋白、脂质、受损的细胞器、大分子物质等,形成独特的具有双层膜结构的自噬小体,自噬小体与溶酶体结合,利用溶酶体相关降解酶对吞噬的物质进行降解后再利用[8]。其在生理上的重要性已被小鼠遗传学研究证明[10],而自噬缺陷在肝脏、脂肪组织、骨骼肌和胰腺等代谢器官中也产生显著的影响[11]。这些研究表明,自噬在分解代谢方面发挥着重要作用,而肥胖即是一种代谢失衡,对自噬的适当调控对肥胖相关的诸多疾病如肥胖型哮喘的研究与治疗具有重要意义。

二、自噬与肥胖的相互关系

肥胖作为一种慢性低度炎症状态,常由脂质代谢异常所致,肥胖状态下营养过剩抑制自噬的启动,过量的游离脂肪酸还可通过抑制自噬小体的成熟及抑制自噬流来抑制自噬[12]。有研究证实,在肥胖模型中肝细胞的自噬标记物下调,阻断肝细胞的自噬可导致代谢性疾病如胰岛素抵抗、肝脂肪变性的恶化,而激活肝细胞中的自噬可以防止肥胖相关的代谢紊乱[13]。因此,肥胖与自噬相互影响,共同作用。

另外,与肥胖相关的应激损伤可以诱导线粒体和内质网应激上调脂肪细胞的自噬,这种异常的自噬激活导致脂肪组织的褐变减少,降低其产热能力和损害其代谢功能[14]。在伴有2型糖尿病或胰岛素抵抗的肥胖患者中,其脂肪细胞的自噬水平上调,自噬标志物、相关转录因子以及自噬体中脂噬与微管相关蛋白轻链3(LC3)的共定位增加都证明了这一点[15,16]。因此,自噬缺陷通常会破坏代谢稳态,但在某些特定的病理生理学背景下,自噬抑制可能会上调代偿通路,这可能有利于抵御肥胖带来的相关不良后果。

三、自噬与哮喘的相关机制研究

目前哮喘的发病机制尚不完全明确,可概括为气道-免疫炎症机制、神经调节机制及其相互作用,其中气道-免疫炎症机制被广泛认可,而辅助性T细胞1(Th1)/辅助性T细胞2(Th2)介导的免疫失衡是当前研究较多的机制之一[17]。哮喘患者受到变应原刺激后,气道上皮细胞产生白介素(interleukin,IL)如IL-25、IL-33等细胞因子,使Th2介导的免疫反应得以启动,同时分泌的细胞因子会导致气道IgE产生和黏液生成增加,活化的Th2产生IL-4、IL-5和IL-13等促炎因子导致气道高反应性、黏液高分泌、组织损伤[18]。

气道慢性炎症是哮喘的基本特征,表现为炎症细胞的增多与浸润,可引起气道高反应性致哮喘反复发作。有研究提出自噬可以通过调节相关免疫细胞的抗原呈递功能来调控炎症反应[19],影响哮喘的发生发展过程。IL-4可通过启动B细胞的自噬而增强其抗原呈递反应,Xia F.等的研究显示,在B细胞自噬不足的哮喘小鼠模型中,IL-4介导的抗原呈递能力下降,哮喘小鼠的免疫病理症状减弱[20]。另外,激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的自噬抑制因子也可以减轻哮喘小鼠的气道炎症[21]。mTOR是自噬的主要调控因子,是磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)通路的下游靶点,激活PI3K/AKT可直接磷酸化mTOR的Ser2448位点,抑制自噬,促进细胞存活[22],有研究表明,在过敏性哮喘中,激活PI3K/AKT/mTOR信号通路可通过抑制肺自噬有效减弱气道炎症,而抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路则会加重气道炎症[23]。另外,有体内实验研究抑制小鼠的自噬通路可降低黏蛋白5AC(MUC5AC)和转化生长因子β3(TGF-β3)的表达[24],抑制自噬可能成为改善哮喘患者黏液高分泌的有效机制。

综上,自噬在哮喘发生发展的各环节中起着不容忽视的作用,调节自噬水平可能为哮喘的治疗提供新思路。

四、自噬影响肥胖型哮喘

肥胖个体脂肪组织产生促炎细胞因子和激素,可加重气道炎症,对哮喘产生直接影响。肥胖中的几种信号分子,包括IL-17、NLRP3炎性小体、瘦素、脂联素与肥胖型哮喘的发病密切相关,自噬可通过多种机制调节炎症,影响肥胖型哮喘的发生发展。

1. 自噬负向调控IL-17的生成

哮喘患者多存在气道中性粒细胞炎症,而IL-17是中性粒细胞炎症的重要介质。有研究表明,肥胖型哮喘患者比没有肥胖型哮喘患者有更高的IL-17A mRNA表达[22],IL-17A是肥胖型哮喘小鼠模型发生气道高反应性所必需的,在疾病严重程度中起着至关重要的作用[25],因此,IL-17缺乏的小鼠在高脂饮食喂养下可能并不会发展为哮喘。IL-1β是CD4+T细胞产生IL-17A的重要的促炎因子,而自噬可通过隔离IL-1β前体降低IL-1β水平[26],从而下调IL-17A的生成。而IL-17A也被证明可以调节自噬水平,抑制肺纤维化中IL-17的生成可激活自噬,促进肺上皮细胞胶原的降解[27]。自噬调节的IL-17在肥胖状态下可能发生变化,导致支气管哮喘的病理改变,可能成为肥胖型哮喘防治的新方向。

2. 自噬抑制NLRP3炎性小体激活

NLRP3炎性小体是由受体蛋白NLRP3、接头蛋白ASC、效应蛋白caspase-1三者相互结合形成的多蛋白复合物,发挥激活机体免疫炎症的关键作用。NLRP3一旦激活,caspase-1就会通过蛋白水解方式裂解细胞因子pro-IL-1β和pro-IL-18的成熟,导致IL-1β和IL-18的成熟和释放[28]。在高脂饮食状态下,饱和脂肪酸如棕榈酸酯可诱导巨噬细胞中NLRP3炎性小体的活化并参与脂肪组织中T细胞的调节,导致促炎细胞因子IL-1β和IL-18的分泌以及自噬的下调[29]。而自噬可以调节NLRP3炎性小体相关的炎症应答,靶向降解泛素化的炎性小体,从而抑制炎症[30]。因此,自噬可能通过抑制NLRP3炎性小体介导的IL-1β和IL-18的生成和释放控制肥胖型哮喘。

3. 自噬与相关脂肪因子相互调控

脂肪因子参与肥胖型哮喘的发生发展,其中关于瘦素及脂联素的研究较多。气道上皮细胞表达瘦素和脂联素的受体,可刺激固有免疫及获得性免疫细胞生成TNF-α、IL-1β、IL-6等[31],普遍认为它们是一种促炎因子。有研究发现,肥胖哮喘小鼠模型较单纯肥胖或单纯哮喘小鼠模型的支气管肺泡灌洗液及外周血清呈现明显的瘦素高表达,诱导氧化应激而发挥促炎作用[32],是肥胖型哮喘患者的危险因素之一。而在系统性红斑狼疮小鼠模型中,瘦素可抑制CD4+T淋巴细胞的自噬[33],抑制自噬也可导致瘦素水平增高[34],提示在肥胖型哮喘中,瘦素与自噬之间也可能存在互相调控,但其具体机制还需进一步探讨及相关实验验证。

脂联素是新陈代谢中另一种关键的脂肪因子,在肥胖中通常下调,可调节机体的氧化应激和抵抗炎症,抑制TNF-α、IL-6和NF-κB以及上调IL-10等[35]。脂联素诱导的自噬在心血管疾病中被发现具有抗炎作用[36],但目前还没有研究探索其对肺部自噬的影响。有研究证实,脂联素可以遏制哮喘模型小鼠的气道高反应性[37],脂联素缺陷的小鼠肺部以IL-17A介导的中性粒细胞炎症最为显著[38]。故推测其可能在平衡自噬介导的免疫调节和减轻肥胖相关炎症细胞因子释放中发挥作用,从而影响肥胖型哮喘的发生发展。

五、药物调节自噬治疗肥胖型哮喘

目前哮喘的治疗以糖皮质激素和支气管扩张剂为主,与其他哮喘患者相比,肥胖型哮喘患者对糖皮质激素表现出“激素不敏感”现象,其分子机制尚未完全阐明,也未探索到更有效的补充或替代方案,临床常采用大剂量或全身使用糖皮质激素治疗[39]。布地奈德是一种合成糖皮质激素类固醇,常用于哮喘的控制治疗,过度自噬参与卵清蛋白(OVA)诱导的哮喘模型,气雾剂布地奈德可抑制哮喘诱导的自噬,减少自噬体的形成[40]。有研究显示布地奈德可抑制气道巨噬细胞Beclin-1、LC3的表达,且与痰液IL-10增加和IL-4浓度降低相关,在巨噬细胞体外,布地奈德也可抑制雷帕霉素诱导的自噬,降低Beclin-1和LC3的表达[41]。国内的一项研究表明,使用雾化布地奈德可以减轻肥胖型哮喘模型小鼠的局部气道炎症,但并未降低血清IL-17水平,全身应用糖皮质激素虽能降低血清IL-17,但小鼠的死亡率增加[39],关于布地奈德干预自噬调节肥胖型哮喘的具体机制尚需进一步探讨。

针对肥胖的一些药物对于肥胖型哮喘也具有一定疗效,相关研究发现他汀类药物可改善哮喘患者的气道炎症和重塑[42]。辛伐他汀可通过阻断mTOR信号通路进一步提高LC3、Atg5 mRNA、Beclin1 mRNA水平,缓解气道炎症[43]。此外,Lee H.Y.等人使用普伐他汀治疗肥胖型哮喘小鼠,发现其可通过抑制Th2和Th17相关的信号通路来抑制过敏性气道浸润和气道高反应性,降低瘦素表达和调控p38 MAPK信号通路[44]。

此外,中医中药可以调节哮喘模型的自噬状态发挥作用。有研究以温阳化饮方干预可能通过提高细胞自噬水平以清除痰饮,从而减轻气道炎症[45]。体外实验发现平喘颗粒含药血清可以抑制AKT、mTOR的磷酸化,从而抑制自噬的发生,其作用机制可能与其调控PI3K/AKT/mTOR信号通路有关[46]。但目前仍缺乏中医药在肥胖型哮喘方面的相关研究。

自噬在肥胖型哮喘的发生发展过程中起着重要作用,调节自噬状态有望改善患者临床结局,但目前关于自噬与肥胖型哮喘关系的临床研究不多。随着大剂量或全身性使用糖皮质激素引发的激素副反应问题在肥胖患者中日渐显著,寻找针对肥胖型哮喘更有效且安全的治疗方案迫在眉睫。从自噬参与肥胖型哮喘相关机制出发讨论调节自噬改善肥胖型哮喘患者临床症状与预后的可能途径,有望为探索肥胖型哮喘的发病机制和治疗方案提供新的思路。