Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)控慢性阻塞性肺疾病肺部修復(fù)的研究進(jìn)展

鐘玉蘭 淦鑫 李思云 劉吉祥 彭林鳳

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，江西 南昌 330006)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種常見(jiàn)的、可預(yù)防和可治療的疾病，其特征在于呼吸道癥狀持續(xù)存在，氣道和(或)肺泡異常引起的氣流受限，通常是由于長(zhǎng)期暴露于有毒顆?；驓怏w造成的〔1〕。研究顯示2014～2015年中國(guó)COPD總體患病率估計(jì)為13.6%，表明該病已成為一個(gè)重大的公共衛(wèi)生問(wèn)題〔2〕。除了終末期疾病的高發(fā)病率外，COPD嚴(yán)重限制了患者的生活質(zhì)量，帶來(lái)巨大的醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)〔3〕。氣道持續(xù)暴露于香煙煙霧和(或)尼古丁氣體等有毒試劑中啟動(dòng)炎性氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)和肺泡壁的不可逆損傷〔4〕。COPD的主要病理特征是肺氣腫和慢性支氣管炎，兩者都可能導(dǎo)致氣道腔徑減小，造成氣流受限。肺氣腫即由于終末細(xì)支氣管遠(yuǎn)端氣腔出現(xiàn)異常持久的擴(kuò)張導(dǎo)致的肺換氣面積減小〔5〕，慢性支氣管炎表現(xiàn)為支氣管上皮細(xì)胞變性、壞死、脫落，后期出現(xiàn)鱗狀細(xì)胞和杯狀細(xì)胞化生，支氣管周圍纖維化和新生血管形成。肺結(jié)構(gòu)細(xì)胞的凋亡，蛋白酶-抗蛋白酶假說(shuō)，氧化劑-抗氧化劑失衡，炎癥和免疫被認(rèn)為有助于COPD肺損傷和重塑過(guò)程，慢性炎癥和細(xì)胞外基質(zhì)的持續(xù)蛋白水解，以及結(jié)構(gòu)細(xì)胞死亡，已被證明有助于疾病的起始和進(jìn)展〔6〕。此外，肺不能激活COPD中的自我修復(fù)機(jī)制被認(rèn)為是肺氣腫功能組織逐漸破壞的重要原因〔7〕。迄今為止，沒(méi)有治療COPD的方法可以穩(wěn)定或逆轉(zhuǎn)疾病的進(jìn)展，因此，確定誘導(dǎo)肺修復(fù)的新型靶點(diǎn)是重要的。30多年前發(fā)現(xiàn)的Wnt依賴性效應(yīng)主要是在果蠅和非洲爪蟾等生物胚胎發(fā)育過(guò)程中描述的〔8,9〕，對(duì)于COPD來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在清楚的是，Wnt通路不僅參與發(fā)育過(guò)程〔10〕，而且還在修復(fù)過(guò)程和免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)中具有重要作用,該通路代表了肺修復(fù)和再生的首要目標(biāo)?，F(xiàn)就目前有關(guān)Wnt通路調(diào)控慢性阻塞性肺疾病肺部修復(fù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Wnt信號(hào)通路概述

Wnt信號(hào)通路根據(jù)是否依賴β-catenin分為經(jīng)典通路(現(xiàn)稱為Wnt/β-catenin途徑)與非經(jīng)典通路(Wnt-PCP途徑和Wnt-Ca2+途徑)。Wnt配體家族由多種富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白組成，并作為短程信號(hào)分子與各種膜受體結(jié)合后可激活Wnt信號(hào)通路，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。到目前為止，已有19種Wnt配體在哺乳動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，通常，Wnt1,2,3和3a，8和8b被認(rèn)為是經(jīng)典Wnt/β-catenin途徑的激活劑，Wnt4,5a，5b，6,7a和11則激活非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路〔11〕。Wnt配體可與細(xì)胞膜上多種受體結(jié)合，包括10種卷曲蛋白(FZD)受體和共受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5和6(LRP5/6)，以及越來(lái)越多的替代受體和共受體〔包括酪氨酸激酶相關(guān)受體(RYK)，酷氨酸激酶孤獨(dú)受體(ROR)1/2，酪氨酸激酶(PTK)7和G蛋白耦聯(lián)受體(GPR)124〕以觸發(fā)下游信號(hào)傳導(dǎo)途徑〔12〕。三聚體(Wnt蛋白/FZD/LRP5/6)復(fù)合物的連接導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)，β-catenin則由腺瘤性結(jié)腸息肉蛋白(APC)和AXIN、酪蛋白激酶(CKI)α和糖原合成酶激酶(GSK)3β結(jié)合成的降解復(fù)合體(即APC-Axin-CKIα-GSK3β復(fù)合體)降解〔13〕。在Wnt信號(hào)存在時(shí)，Wnt蛋白與細(xì)胞膜上的FZD受體和LRP5/6結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，CKIα和GSK3β將LRP磷酸化，AXIN被募集到質(zhì)膜上，該降解復(fù)合體失活，導(dǎo)致β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中積聚并進(jìn)入細(xì)胞核與T細(xì)胞因子(TCF)/淋巴增強(qiáng)因子(LEF)(一種轉(zhuǎn)錄復(fù)合物)結(jié)合在一起,特異性的調(diào)控下游Wnt靶基因的表達(dá)；在Wnt信號(hào)不存在的情況下，該降解復(fù)合體促進(jìn)CKIα和GSK3β對(duì)β-catenin的磷酸化，隨后β-catenin被E3泛素連接酶識(shí)別并經(jīng)蛋白/蛋白酶體途徑降解，使胞質(zhì)中的β-catenin保持在較低的水平〔11〕。β-catenin是經(jīng)典Wnt信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵組成部分,而GSK3β是該途徑的負(fù)調(diào)節(jié)劑。此外，經(jīng)典Wnt信號(hào)也可以由分泌型卷曲相關(guān)蛋白(SFRP)、Wnt抑制因子(WIF)1和DKK家族分泌蛋白來(lái)調(diào)節(jié)〔14〕，DKK家族由4種蛋白質(zhì)(DKK1,DKK2,DKK3和DKK4)組成，DKK1和DKK3蛋白是家族中研究最多的成員，這些可以通過(guò)結(jié)合并降解輔助受體LRP5/6抑制Wnt信號(hào)傳導(dǎo)。在Wnt/Ca2+途徑中，Wnt與FZD和ROR-2受體結(jié)合并導(dǎo)致G蛋白活化，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣水平增加或環(huán)鳥苷酸(cGMP)水平降低;最終是Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ或蛋白激酶(PK)C被激活。在Wnt/PCP途徑的情況下，Wnt蛋白與細(xì)胞表面上的FZD受體和ROR-2/RYK/PTK7受體結(jié)合，導(dǎo)致鳥苷三磷酸(GTP)酶(RhoA/Rac)和Jun-N端激酶(JNK) 激活成觸發(fā)所需的基因表達(dá)〔15〕。目前研究較多的是經(jīng)典Wnt信號(hào)通路，因此本文主要講述Wnt /β-catenin信號(hào)通路在COPD中的調(diào)控作用。

Wnt通路不僅在決定細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞遷移和極性，器官發(fā)育，干細(xì)胞自我更新及生理?xiàng)l件下的組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，而且是組織損傷后修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的發(fā)育信號(hào)通路〔16〕。許多Wnt配體和受體已被確定為對(duì)各個(gè)發(fā)育階段至關(guān)重要，例如，Wnt2/2b和Wnt2/7b 雙敲除小鼠分別顯示肺發(fā)育不良〔17〕和更嚴(yán)重的肺形態(tài)發(fā)生缺陷〔18〕，而氣道上皮細(xì)胞和肺泡上皮Ⅱ型細(xì)胞中觀察到Wnt3a表達(dá)〔19〕，新生小鼠中LRP5的基因缺失抑制了肺泡形成〔20〕，而FZD2的上皮特異性缺失表現(xiàn)出分支形態(tài)發(fā)生缺陷和遠(yuǎn)端氣道囊腫形成。由于β-catenin主要在發(fā)育中的上皮細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，這可能對(duì)肺修復(fù)具有重要的臨床意義〔21〕。未來(lái)的潛在選擇可能是肺發(fā)育過(guò)程中活化的信號(hào)通路的再激活，以誘導(dǎo)COPD中受損上皮修復(fù)，因此Wnt信號(hào)可能是COPD肺部修復(fù)的潛在途徑。

2 Wnt /β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)肺泡上皮細(xì)胞增殖及轉(zhuǎn)分化

肺泡負(fù)責(zé)氣體交換，香煙煙霧(CS)或空氣中的有害顆?？赏ㄟ^(guò)氣道進(jìn)入肺泡，這些顆?？赡軙?huì)導(dǎo)致Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(ATⅠ和ATⅡ)的損傷，造成COPD的肺氣腫改變。當(dāng)ATⅠ細(xì)胞受損時(shí)，相鄰的ATⅡ細(xì)胞被刺激增殖并轉(zhuǎn)分化為ATⅠ細(xì)胞。因此，在肺泡上皮細(xì)胞中ATⅡ細(xì)胞一直被認(rèn)為是祖細(xì)胞〔22〕。Desai等〔23〕發(fā)現(xiàn)ATⅡ細(xì)胞能夠自我更新并在肺泡上皮損傷時(shí)發(fā)揮ATⅠ細(xì)胞的祖細(xì)胞功能，并證實(shí)該過(guò)程依賴于Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活。在體外ATⅡ至ATⅠ細(xì)胞轉(zhuǎn)分化過(guò)程中也觀察到Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)途徑的活化。Flozak等〔24〕通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的內(nèi)源性抑制劑DKK1過(guò)表達(dá)，DKK1減弱了β-catenin驅(qū)動(dòng)的靶基因(即AXIN2)在ATⅡ細(xì)胞轉(zhuǎn)分化中的表達(dá)。Mutze等〔25〕用小分子化合物PKF115-584抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路及用Wnt/β-catenin SiRNA轉(zhuǎn)染ATⅡ后均減弱ATⅠ細(xì)胞標(biāo)記物(T1α)的表達(dá)，表明ATⅡ向ATⅠ轉(zhuǎn)分化減少?？傊?，這些數(shù)據(jù)顯示經(jīng)典Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)肺泡上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化和修復(fù)過(guò)程。在生理?xiàng)l件下，F(xiàn)ZD4受體表達(dá)于肺泡上皮細(xì)胞，然而Skronska-Wasek等〔26〕對(duì)COPD患者中FZD受體的表達(dá)進(jìn)行了廣泛分析，發(fā)現(xiàn)FZD4的表達(dá)在中度和極重度COPD的個(gè)體中減少并伴隨著β-catenin表達(dá)的減少,作者還證實(shí)FZD4促進(jìn)細(xì)胞增殖，遷移和ATⅡ向ATⅠ細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，表明FZD4受體對(duì)于肺泡上皮細(xì)胞修復(fù)至關(guān)重要。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明Wnt/β-catenin信號(hào)激活可能是誘導(dǎo)COPD肺組織修復(fù)的途徑。

3 Wnt/β-catenin信號(hào)修復(fù)損傷的氣道上皮

在COPD患者中，氣道上皮不斷暴露于諸如香煙煙霧、細(xì)菌、病毒或其他環(huán)境因素的炎癥刺激物，這導(dǎo)致上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的持續(xù)存在，基底細(xì)胞的數(shù)量減少和(或)遷移和增殖導(dǎo)致重建的氣道上皮的異常分化。上皮屏障功能通過(guò)上皮細(xì)胞形成緊密連接和粘連連接來(lái)維持，這些連接結(jié)構(gòu)限制了氣道上皮對(duì)吸入性病原體和環(huán)境應(yīng)激物的滲透性，上皮屏障的破壞不僅使上皮層暴露于空氣中的有害物質(zhì)，而且改變了上皮細(xì)胞的正常功能，這可能最終導(dǎo)致COPD的發(fā)生和發(fā)展〔27〕。損傷后氣道上皮的屏障功能受損、抗微生物防御失調(diào)和黏液纖毛清除缺陷或不完全恢復(fù)都可能增加COPD感染復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。氣道上皮損傷在氣道疾病如COPD 的發(fā)病機(jī)制中扮演著至關(guān)重要的角色，因此修復(fù)氣道上皮是解決COPD的重要步驟。Zhu等〔28〕研究中將培養(yǎng)的單層支氣管上皮細(xì)胞(BECS)刮擦來(lái)建立一個(gè)體外損傷模型，發(fā)現(xiàn)BECS細(xì)胞遷移和增殖可修復(fù)損傷，并且進(jìn)一步證明GSK3β的過(guò)表達(dá)抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路導(dǎo)致?lián)p傷修復(fù)延遲，而下調(diào)GSK3β后促進(jìn)了支氣管上皮細(xì)胞的損傷修復(fù)。Lynch等〔29〕用Wnt3a重組腺病毒和空載體陰性腺病毒感染轉(zhuǎn)基因小鼠，在轉(zhuǎn)染后5 d取氣管進(jìn)行組織免疫染色發(fā)現(xiàn)腺病毒介導(dǎo)的Wnt3a的過(guò)表達(dá)激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)體內(nèi)氣道上皮祖細(xì)胞擴(kuò)增，作者還發(fā)現(xiàn)幾個(gè)Wnt通路基因Wnt3a和蓬亂蛋白(DVL1)的RNA表達(dá)在近端氣道損傷后上調(diào)，而Wnt2，Wnt5a和Wnt6在遠(yuǎn)端氣管中的上調(diào)幅度大于近端氣道，因此，Wnt/β-catenin信號(hào)通路可能在從COPD氣道上皮損傷修復(fù)中具有促進(jìn)作用。

4 Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)控外源性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)分化成肺泡上皮細(xì)胞

GOLD指南(2018年)根據(jù)患者前一年中中重度急性加重發(fā)生的頻率及癥狀分為A～D組來(lái)指導(dǎo)治療〔1〕。目前包括皮質(zhì)類固醇和抗炎劑在內(nèi)的治療雖然暫時(shí)緩解了呼吸系統(tǒng)癥狀，并且延緩疾病的進(jìn)展，但是他們似乎并未抑制這些患者的氣道重塑。另一種治療COPD氣道上皮修復(fù)的有效治療策略是干細(xì)胞治療。除了位于肺內(nèi)的干細(xì)胞外，MSCs在許多實(shí)驗(yàn)環(huán)境中也被證明有助于再生，即移植后招募至肺損傷部位，并分化成肺泡上皮細(xì)胞〔30〕。白沖等〔31〕研究證實(shí)MSCs移植后在COPD中能定植并分化為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞、氣道黏膜上皮和平滑肌細(xì)胞，并能改善COPD氣道重塑的程度。研究表明Wnt/β-catenin信號(hào)通路可調(diào)控MSCs向肺上皮細(xì)胞的定向分化，然而細(xì)胞類型或刺激條件不同，其調(diào)控效應(yīng)也有所不同。Cai等〔32〕使用過(guò)表達(dá)β-catenin的慢病毒載體轉(zhuǎn)染MSCs發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的Wnt /β-catenin通路的激活促進(jìn)了MSCs在體內(nèi)向ATⅡ細(xì)胞的分化，改善了肺泡上皮滲透性和肺組織的病理表現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)另一研究〔33〕還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Wnt3a或氯化鋰(LiCl)激活Wnt/β-catenin信號(hào)時(shí)促進(jìn)MSCs向Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的分化，賦予MSCs對(duì)氧化應(yīng)激的抗性并促進(jìn)其遷移，表明Wnt/β-catenin通路的活化可能是MSCs向肺泡上皮細(xì)胞分化而修復(fù)損傷的肺部組織機(jī)制之一。而Wang等〔34〕研究表明在MSCs與正常氣道上皮細(xì)胞共培養(yǎng)分化為上皮細(xì)胞的過(guò)程中，Wnt經(jīng)典途徑相關(guān)分子(即β-catenin)表達(dá)下調(diào)，而抑制該通路則促進(jìn)MSCs向肺泡上皮細(xì)胞的分化。Sun等〔35〕用DKK1抑制Wnt/β-catenin信號(hào)促進(jìn)MSCs向肺泡上皮細(xì)胞分化，從而有利于受損的肺上皮細(xì)胞的修復(fù)。這些研究均表明Wnt/β-catenin信號(hào)通路在MSCs向肺泡上皮細(xì)胞定向分化過(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，為MSCs作為治療COPD的靶點(diǎn)提供了理論依據(jù)。

5 小 結(jié)

綜上，對(duì)COPD而言,Wnt/β-catenin信號(hào)通路的調(diào)節(jié)可能作為未來(lái)合適且有希望的治療策略。然而，成功實(shí)施Wnt/β-catenin信號(hào)通路的治療性作用，一個(gè)需解決的重要問(wèn)題是確定與COPD發(fā)病機(jī)制中涉及的關(guān)鍵分子途徑相互作用的新藥物。由于在過(guò)去的十年，我們對(duì)慢性阻塞性肺疾病Wnt信號(hào)的知識(shí)繼續(xù)增長(zhǎng)，靶向Wnt信號(hào)通路的能力為慢性阻塞性肺疾病提供了巨大的潛力;然而，針對(duì)這種關(guān)鍵的信號(hào)傳導(dǎo)途徑仍存在重大風(fēng)險(xiǎn)和擔(dān)憂。未來(lái)的挑戰(zhàn)將是確定Wnt信號(hào)的哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)及如何專門針對(duì)這些通路中的主要信號(hào)中樞。Wnt信號(hào)通路在COPD中具有治療潛力，并且可以通過(guò)各種分子機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而存在潛在的不良反應(yīng)如上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)、組織重塑或腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，與COPD相反，增加的Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)是肺纖維化(IPF)的標(biāo)志，并且抑制這種轉(zhuǎn)錄激活劑具有重大的治療意義，建議謹(jǐn)慎使用人工激活肺中的Wnt/β-catenin信號(hào)，不應(yīng)過(guò)度激活。總而言之，目前存在或正在開發(fā)的幾種有價(jià)值的Wnt通路的方法，為未來(lái)治療慢性阻塞性肺疾病提供了新途徑。