NADPH氧化酶在呼吸道黏膜炎性疾病中的研究進(jìn)展

鄭凱莉 王向東 張 羅，2*

(1. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科 北京市耳鼻咽喉科研究所 教育部耳鼻咽喉頭頸科學(xué)重點實驗室 鼻病研究北京市重點實驗室,北京 100730；2. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院鼻過敏科，北京 100730)

煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nico-tinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶是機體產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要酶體，催化氧化還原反應(yīng)，參與氧化應(yīng)激及信號傳導(dǎo)，并與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近年研究[1-6]顯示NADPH氧化酶及其產(chǎn)物ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激在多種呼吸道黏膜疾病中發(fā)揮重要作用。

1 NADPH氧化酶概述

NADPH氧化酶是一種過氧化物酶，是機體產(chǎn)生ROS的主要酶類，最早發(fā)現(xiàn)于吞噬細(xì)胞中，該酶由5種亞基組成：1個催化亞基gp91phox，4個調(diào)節(jié)亞基p22phox、p47phox、p40phox和p67phox，此外還有2個三磷酸鳥嘌呤核苷(guanosine triphosphate, GTP)結(jié)合蛋白Rac1或Rac2(單核細(xì)胞為Rac1，中性粒細(xì)胞為Rac2)，并帶有細(xì)胞色素C和黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)基團，gp91phox和p22phox亞單位位于細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)囊上，構(gòu)成細(xì)胞色素b558(Cyto b558)的膜復(fù)合體，當(dāng)胞質(zhì)中的另外幾種亞基與Cyto b558結(jié)合時，NADPH氧化酶被激活，形成有活性的NADPH氧化酶復(fù)合體[7-8]。活化后的NADPH氧化酶以NADPH為遞氫體，啟動呼吸鏈，爆發(fā)級聯(lián)反應(yīng)，催化反應(yīng)：NADPH+2O2→NADP++H++2O2-。O2-在超氧化物歧化酶(supemxide dismutase，SOD)催化下生成H2O2。O2-和H2O2都具有較強的氧化性，被稱為活性氧，參與機體防御反應(yīng)、炎性反應(yīng)、細(xì)胞間信號傳導(dǎo)以及細(xì)胞的增生與凋亡等過程[9]。

近年來在不同種類的細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、呼吸上皮細(xì)胞等)中發(fā)現(xiàn)了一系列NADPH氧化酶催化亞基gp91phox的同源物，由7種不同的基因編碼，分別稱其為Nox1、Nox2(gp91phox)、Nox3、Nox4、Nox5、Duox1、Duox2，結(jié)合調(diào)節(jié)亞基后的完整結(jié)構(gòu)為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1、DUOX2，后來被命名為NOX蛋白家族[10-11]。NOX1-5主要通過分子氧氧化結(jié)合NADPH產(chǎn)生超氧陰離子，而DUOX1-2主要釋放過氧化氫，而不形成可檢測的超氧陰離子[7，9-12]。NOX蛋白家族存在于不同的細(xì)胞質(zhì)膜上，組織表達(dá)具有一定的特異性，正常時即保持一定的活性，產(chǎn)生一定生理濃度的ROS并作為信號分子參與細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，如細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄激活、細(xì)胞增生、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡等[12]。

2 NADPH氧化酶與氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激(oxidative stress)作為生物醫(yī)學(xué)概念早在1985年就被提出[13]，指機體暴露于有害物質(zhì)刺激或處于疾病狀態(tài)時，高活性分子如ROS和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)產(chǎn)生增多，人體通過SOD和其他內(nèi)源性抗氧化蛋白維持氧化還原平衡，當(dāng)ROS或RNS產(chǎn)生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，從而導(dǎo)致細(xì)胞和組織損傷[14]。氧化應(yīng)激是多種疾病及其合并癥的基本病理機制。體內(nèi)有多種酶參與了活性氧的生成，NADPH氧化酶目前被認(rèn)為是生成活性氧的主要酶體。在機體受到環(huán)境中的病原微生物、細(xì)胞因子、炎性反應(yīng)介質(zhì)等刺激時，NOX蛋白家族能夠迅速催化生成高濃度的ROS，當(dāng)ROS產(chǎn)生的能力大于機體清除氧自由基的能力時，即產(chǎn)生氧化應(yīng)激。過多的ROS能氧化蛋白質(zhì)、脂類和DNA，對機體造成損傷，誘導(dǎo)動脈粥樣硬化、高血壓、肺部疾病、腫瘤、炎性反應(yīng)等疾病的發(fā)生和發(fā)展[7，15]。因此，NADPH氧化酶在體內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)中起著重要作用。

3 NADPH氧化酶在呼吸道慢性炎性疾病中的作用

3.1 NADPH氧化酶與變應(yīng)性鼻炎

變應(yīng)性鼻炎(allergic rhinitis， AR)是變應(yīng)原作用于特異性個體而激發(fā)的IgE介導(dǎo)的鼻黏膜炎性疾病[16-17]，植物花粉是常見的變應(yīng)原之一。Dharajiya等[18]發(fā)現(xiàn)花粉中含有NADPH氧化酶，產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)抗原引起的變應(yīng)性炎性反應(yīng)，并提出了變應(yīng)性炎性反應(yīng)的兩個信號假說：即信號1(ROS)和信號2(抗原呈遞)在引起全面的變應(yīng)性炎性反應(yīng)中的作用缺一不可。矯健等[19]通過檢測AR患者外周血血清中氧化應(yīng)激標(biāo)志物一氧化氮及其合成酶以及脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛等，提出氧化應(yīng)激反應(yīng)參與AR病理生理過程。NADPH氧化酶和NOX蛋白家族與氣道變應(yīng)性炎性反應(yīng)和氣道高反應(yīng)密切相關(guān)，可能在變應(yīng)性鼻炎的病情進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。 Moon等[20]通過檢測健康成年人、變應(yīng)性鼻炎患者以及鼻息肉患者鼻黏膜的超氧陰離子和NADPH氧化酶亞型NOX1、NOX4，提出超氧陰離子和NOX1、NOX4的mRNA和蛋白在變應(yīng)性鼻炎患者的鼻黏膜中表達(dá)上調(diào)，過量產(chǎn)生的活性氧(超氧陰離子)導(dǎo)致的氧化應(yīng)激可能在變應(yīng)性鼻炎的促發(fā)和病情進(jìn)展中起重要作用。盡管有證據(jù)[18，20]表明NADPH氧化酶與變應(yīng)性鼻炎的發(fā)病相關(guān)，但目前國內(nèi)外相關(guān)的研究并不很多，具體的發(fā)病機制和作用尚有待進(jìn)一步闡明。

3.2 NADPH氧化酶與慢性鼻-鼻竇炎

慢性鼻-鼻竇炎(chronic rhinosinusitis，CRS)分為不伴有鼻息肉的慢性鼻-鼻竇炎(chronic rhinosinusitis without nasal polyps，CRSsNP)和伴有鼻息肉的慢性鼻竇炎(chronic rhinosinusitis with nasal polyps，CRSwNP)兩種，前者是以一種非感染性、非變應(yīng)性的炎性反應(yīng)過程形式存在，后者則多與變應(yīng)性因素有關(guān)。鼻黏膜是呼吸道抵御吸入刺激的第一道防線，如病原微生物、化學(xué)污染物和過敏原。最近的研究[20-25]表明，鼻黏膜慢性炎性反應(yīng)性病變(如過敏性鼻炎和鼻息肉)的發(fā)病機制與氧化應(yīng)激相關(guān)。內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)抵御鼻黏膜ROS反應(yīng)，以維持細(xì)胞的正常氧化還原電位并保證其功能，當(dāng)過量產(chǎn)生的ROS超過了抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，則導(dǎo)致鼻黏膜慢性炎性反應(yīng)，自由基介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛在鼻息肉組織中表達(dá)升高[21-22]。有研究[23-24]顯示，DUOX1和DUOX2是NADPH氧化酶家族在氣道上皮細(xì)胞產(chǎn)生H2O2的主要亞型，與對照組相比，DUOX1的mRNA在CRSsNP患者的鼻黏膜組織中表達(dá)明顯上調(diào)，而DUOX2的mRNA則在CRSsNP和CRSwNP患者的鼻黏膜組織中表達(dá)均明顯上調(diào)。馬英民等[25]通過檢測慢性鼻竇炎病變黏膜和鼻息肉組織中SOD活性和丙二醛含量的變化指出，自由基損傷程度與慢性鼻竇炎的病變嚴(yán)重性密切相關(guān)，自由基代謝紊亂可能在慢性鼻竇炎的發(fā)病機制中起重要作用。Moon等[20]同樣也檢測到NOX1和NOX4的mRNA和蛋白在鼻息肉黏膜的表達(dá)上調(diào)，過量產(chǎn)生的活性氧(超氧陰離子)導(dǎo)致的氧化應(yīng)激在鼻息肉的發(fā)病中起重要作用。

3.3 NADPH氧化酶與哮喘

哮喘(asthma)是一種以支氣管收縮可逆性、肺部炎性反應(yīng)及氣道重塑為主要特點的慢性炎性反應(yīng)氣道疾病[26]。盡管多數(shù)哮喘患者都能通過應(yīng)用糖皮質(zhì)激素及支氣管舒張劑有效控制癥狀，但仍有部分患者因為激素抵抗而導(dǎo)致病情惡化，因此對哮喘發(fā)病機制及病理生理的深入研究以及新的藥物開發(fā)就顯得尤為重要。隨著NADPH氧化酶在呼吸系統(tǒng)疾病中作用的日益關(guān)注，近些年不斷有文獻(xiàn)[26-28]報道NADPH氧化酶來源的ROS引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)在哮喘的發(fā)病及病程進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，如氣道“自由基損傷”“氧化/抗氧化失衡”學(xué)說，氧化應(yīng)激是一種有害的過程，誘導(dǎo)多種炎性反應(yīng)介質(zhì)，導(dǎo)致氣道和肺損傷，并增強氣道高反應(yīng)性，刺激支氣管痙攣和黏液分泌增加。減輕氧化應(yīng)激或增強抗氧化反應(yīng)能夠減輕氣道嗜酸性粒細(xì)胞浸潤，減少黏液分泌，減輕氣道高反應(yīng)性。然而，目前這種現(xiàn)象的潛在機制尚不完全清楚，但可能的解釋是過度產(chǎn)生的活性氧造成氣道炎性反應(yīng)、氣道高反應(yīng)、氣道微血管高通透性和氣道黏液高分泌，以及組織損傷和組織形態(tài)改變，最終導(dǎo)致了支氣管哮喘的病理生理改變。氣道上皮細(xì)胞內(nèi)的Duox1在白介素的誘導(dǎo)下過表達(dá)，可能促進(jìn)了變應(yīng)性哮喘的發(fā)生[26，29-30]。Nagaraj等[31]在哮喘患者肺組織的活檢中觀察到p22phox表達(dá)增加，并證實了在屋塵螨誘導(dǎo)的哮喘模型中，p22phox依賴的NADPH氧化酶在黏液高分泌以及氣道高反應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)及其配體表達(dá)增加是哮喘患者氣道上皮改變的另一特征，氣道上皮的EGFR激活與氣道重塑、黏液細(xì)胞化生以及中性粒細(xì)胞性炎性反應(yīng)有關(guān)。Habibovic等[32]提出了DUOX1介導(dǎo)了變應(yīng)性哮喘患者體內(nèi)持續(xù)的上皮EGFR活化、黏液細(xì)胞化生以及氣道重塑。

3.4 NADPH氧化酶與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種常見的以持續(xù)氣流受限為特征，伴隨氧化應(yīng)激和氣道炎性反應(yīng)的疾病，其發(fā)病率和病死率逐年升高，但卻是一種可以預(yù)防和治療的疾病，即可逆性肺部疾病[33]。雖然環(huán)境暴露以及吸煙被認(rèn)為是COPD發(fā)病的主要危險因子，但其具體發(fā)病機制卻仍未闡明，相關(guān)的發(fā)病機制包括氣道慢性炎性反應(yīng)、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、氣道重塑以及氧化和抗氧化失衡引起的氧化應(yīng)激。COPD患者體內(nèi)的氧化應(yīng)激加重，NADPH氧化酶及其產(chǎn)生的ROS在COPD的發(fā)病機制中起著至關(guān)重要的作用[34-36]。氣道平滑肌重塑是COPD的一個標(biāo)志，Liu等[37]發(fā)現(xiàn)，在COPD患者的小氣道中，隨著氣道平滑肌的體積增加(增生或肥大)，NOX4及轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達(dá)升高，此外，隨著病情加重，NOX4蛋白在COPD患者氣道平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)增加，并且與患者的肺功能水平呈負(fù)相關(guān)。Hollins等[38]發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，不管是在活體內(nèi)還是在離體實驗中，NOX4在COPD氣道平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)均上調(diào)，并且產(chǎn)生ROS的量可以被NOX4抑制劑顯著減少。這些證據(jù)表明NOX4可能是COPD發(fā)病中的一個重要的調(diào)節(jié)性因子，但具體的作用機制有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)與展望

隨著工業(yè)化發(fā)展和空氣污染問題加劇，以AR、CRS、哮喘和COPD為代表的發(fā)病率越來越高，已成為全球性健康問題。盡管諸多文獻(xiàn)[20，24，29]表明NADPH氧化酶與呼吸道黏膜慢性炎性反應(yīng)性疾病的發(fā)病相關(guān)，但具體的發(fā)病機制尚有待闡明。明確NADPH氧化酶在患者體內(nèi)及呼吸道黏膜局部結(jié)構(gòu)和功能的改變，調(diào)節(jié)NADPH氧化酶表達(dá)及活性將成為改善患者體內(nèi)及呼吸道黏膜局部氧化應(yīng)激狀態(tài)，防護(hù)和治療NADPH氧化酶誘導(dǎo)及促進(jìn)的呼吸道黏膜慢性炎性疾病的途徑之一，也將為藥物選擇和開發(fā)提供新的思路[39]。

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