自噬在支氣管哮喘發(fā)病中的作用及其相關(guān)治療藥物研究進(jìn)展

陳銀慧，毛曉寧，吳銳劍，張星亮,

(1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，廣東湛江524001；2深圳市兒童醫(yī)院)

支氣管哮喘是一種受遺傳和環(huán)境因素影響的氣道炎癥性疾病，伴有以嗜酸性粒細(xì)胞為主的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)、明顯支氣管收縮和可變的氣流阻塞。自噬又稱(chēng)“自我消化”，是除泛素-蛋白酶體系統(tǒng)之外，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)清除衰老、受損細(xì)胞器和蛋白以及有害大分子物質(zhì)的一種自我調(diào)控機(jī)制[1]。研究發(fā)現(xiàn)，自噬在嗜酸性粒細(xì)胞性氣道炎癥如支氣管哮喘的發(fā)病中發(fā)揮重要作用[2]。本研究就自噬在支氣管哮喘發(fā)病中的作用及其相關(guān)治療藥物作一綜述。

1 自噬概述及其調(diào)控相關(guān)機(jī)制

1.1 自噬概述 在自噬過(guò)程中，錯(cuò)誤折疊、受損及不必要的蛋白質(zhì)或細(xì)胞器會(huì)被包裹至雙膜結(jié)構(gòu)的囊泡中，形成自噬泡或自噬體，隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體[1]，被包裹的組分被溶酶體中水解酶降解，產(chǎn)生再生代謝前體釋放到細(xì)胞質(zhì)中，被再循環(huán)用于生物大分子、ATP等物質(zhì)的合成。自噬在肺部應(yīng)對(duì)感染或相關(guān)炎癥的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。研究表明，自噬可通過(guò)去除產(chǎn)生活性氧的線(xiàn)粒體、減輕促炎反應(yīng)、介導(dǎo)抗原加工和呈遞、增強(qiáng)免疫反應(yīng)等抑制自發(fā)性肺部炎癥反應(yīng)；但當(dāng)自噬體在體內(nèi)過(guò)度積累時(shí)，可能參與發(fā)病機(jī)制，導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生[3]。因此，自噬是一把“雙刃劍”，對(duì)人類(lèi)的健康和疾病發(fā)揮雙重作用。

1.2 自噬調(diào)控相關(guān)機(jī)制 自噬作為一種維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制和生存機(jī)制，受細(xì)胞內(nèi)外多種信號(hào)和分子調(diào)控，而這些調(diào)控通路的改變可導(dǎo)致自噬功能異常。自噬的起始受雷帕霉素靶蛋白(mTOR)復(fù)合物、ULK復(fù)合物及Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K class Ⅲ，又稱(chēng)PtdIns3K)復(fù)合體等信號(hào)通路的調(diào)節(jié)[4]。細(xì)胞可以通過(guò)以下方式誘導(dǎo)自噬：①饑餓是誘導(dǎo)自噬的最佳刺激物，當(dāng)機(jī)體能量不足時(shí)，mTORC1受到抑制，激活ULK1介導(dǎo)的Beclin-1磷酸化，從而激活PI3K class Ⅲ-Vps34復(fù)合物，促進(jìn)自噬體的誘導(dǎo)和成熟[5]。②ULK1/2是mTORC1抑制下游自噬誘導(dǎo)的關(guān)鍵因子，當(dāng)細(xì)胞饑餓時(shí)mTORC1與ULK1/2復(fù)合物解離，導(dǎo)致ULK1/2活化和FIP200、Atg13磷酸化，從而啟動(dòng)自噬[6]。③腺苷酸活化的蛋白激酶(AMPK)是細(xì)胞中的主要能量傳感器，其通過(guò)AMP/ATP比例升高而被激活。當(dāng)機(jī)體處于低能量狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞ATP水平降低、AMP水平增加，AMPK被激活，從而直接通過(guò)激活ULK1復(fù)合物來(lái)啟動(dòng)自噬；或者通過(guò)抑制mTOR，減弱mTOR復(fù)合物對(duì)ULK1的抑制，間接激活自噬[7]。泛素化修飾涉及自噬體形成有兩個(gè)關(guān)鍵途徑：①第一個(gè)泛素樣反應(yīng)中形成Atg12-Atg5-Atg16復(fù)合體，其由E1樣酶Atg7和E2樣酶Atg10調(diào)節(jié)，該復(fù)合物與自噬體延伸相關(guān)，并且是自噬體形成的必要條件。②第二個(gè)泛素樣反應(yīng)將Atg8(也稱(chēng)為L(zhǎng)C3)綴合至由E1樣酶Atg7和E2樣酶Atg3介導(dǎo)的自噬體膜上的脂質(zhì)磷脂酰乙醇胺(PE)。微管相關(guān)蛋白輕鏈3(LC3)被廣泛作為自噬體標(biāo)記物，PE共軛的LC3(LC3-Ⅱ)/未結(jié)合的LC3(LC3-Ⅰ)可反映自噬活動(dòng)程度[8]。

2 自噬在支氣管哮喘發(fā)病中的作用

2.1 參與氣道炎癥 支氣管哮喘以慢性非特異性炎癥反應(yīng)為病理基礎(chǔ)，上皮細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生多種炎癥介質(zhì)介導(dǎo)氣道的炎癥反應(yīng)。支氣管上皮細(xì)胞暴露于環(huán)境過(guò)敏原中，可導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激，大量激活的活性氧(ROS)引發(fā)氣道炎癥反應(yīng)，促使支氣管哮喘的發(fā)生。ROS和自噬相互調(diào)控以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，炎癥反應(yīng)時(shí)機(jī)體分泌大量的細(xì)胞因子、ROS和活性氮(RNS)，可加重細(xì)胞氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬。反之，自噬可以通過(guò)吞噬和降解氧化物質(zhì)以減少對(duì)細(xì)胞的氧化損害。Dickinson等[9]分別通過(guò)白介素(IL)-13處理人氣道上皮細(xì)胞、IL-33處理小鼠，結(jié)果顯示細(xì)胞及小鼠均出現(xiàn)氣道黏液蛋白表達(dá)增高；當(dāng)敲除小鼠Atg16基因或者沉默人氣道上皮細(xì)胞Atg5、Atg14基因表達(dá)時(shí)，可抑制IL-13誘導(dǎo)氣道黏液分泌，表明自噬能促進(jìn)IL-13誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞分泌黏液。Dickinson等[10]研究發(fā)現(xiàn)，采用IL-13或IL-4處理人氣管支氣管上皮細(xì)胞后，細(xì)胞ROS及自噬體水平均升高；而沉默Atg5基因則可明顯降低ROS表達(dá)，提示自噬可促進(jìn)支氣管上皮細(xì)胞ROS表達(dá)。Ban等[11]研究發(fā)現(xiàn)，IL-5可提高中重度支氣管哮喘患者外周血細(xì)胞、外周血嗜酸性粒細(xì)胞的自噬水平，并導(dǎo)致氣道炎癥反應(yīng)加重。Liu等[12]發(fā)現(xiàn)，在哮喘小鼠模型中升高激發(fā)用卵清蛋白(OVA)濃度可促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞LC3表達(dá)，導(dǎo)致自噬體增多；而抑制自噬水平后，小鼠IL-5和炎癥因子水平均升高，加入IL-5抗體，則LC3表達(dá)下降。因此，自噬在感染或應(yīng)激引起的炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，調(diào)控細(xì)胞自噬水平有望改善支氣管哮喘的炎癥反應(yīng)。

2.2 參與免疫反應(yīng) 支氣管哮喘主要是由IgE介導(dǎo)的Ⅰ型超敏反應(yīng)，該反應(yīng)涉及肥大細(xì)胞活化、嗜酸性粒細(xì)胞增多和2型輔助性T細(xì)胞(Th2)激活。吸入過(guò)敏原使樹(shù)突狀細(xì)胞(DC)致敏，DC作為連接先天和適應(yīng)性免疫的抗原呈遞細(xì)胞，可通過(guò)吞噬微生物并遷移到區(qū)域淋巴結(jié)，以激活包括T細(xì)胞和B細(xì)胞在內(nèi)的淋巴細(xì)胞。活化的Th1細(xì)胞產(chǎn)生促炎性細(xì)胞因子(TNF、IFN-γ)，而活化的Th2細(xì)胞則釋放Th2型細(xì)胞因子，包括IL-4、IL-5和IL-13等[13]。Suzuki等[14]研究發(fā)現(xiàn)，敲除CD11c特異性小鼠模型Atg5基因可導(dǎo)致CD11c+DC細(xì)胞中自噬水平降低，并導(dǎo)致嚴(yán)重的中性粒細(xì)胞性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性，表明自噬在支氣管哮喘發(fā)病機(jī)制中具有保護(hù)作用，特別是對(duì)IL-17A介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞性支氣管哮喘患者。Xia等[15]研究發(fā)現(xiàn)，哮喘小鼠肺組織B淋巴細(xì)胞自噬水平升高，缺乏自噬將導(dǎo)致肺B淋巴細(xì)胞數(shù)量降低；該研究采用IL-4特異性誘導(dǎo)小鼠脾臟原代B細(xì)胞發(fā)生自噬，結(jié)果顯示小鼠維持B淋巴細(xì)胞存活并促進(jìn)B淋巴細(xì)胞抗原呈遞。但是Liu等[16]研究發(fā)現(xiàn)，哮喘小鼠經(jīng)咖啡因刺激后自噬蛋白表達(dá)升高，胸腺CD4+T細(xì)胞生成受到抑制，給予自噬抑制劑巴伐洛霉素A1后可消除咖啡因的上述抑制作用，表明咖啡因可通過(guò)增強(qiáng)胸腺細(xì)胞自噬而減少胸腺中CD4+T細(xì)胞生成，并抑制肺部CD4+T細(xì)胞發(fā)育。Jiang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，野生型小鼠感染OVA后PI3K表達(dá)明顯升高，并伴隨p-Akt、Beclin-1、LC3-Ⅱ表達(dá)增加，肺組織炎性細(xì)胞浸潤(rùn)增強(qiáng)和IL-13/IFN-γ細(xì)胞因子失衡；相反，Toll 樣受體2(TLR2)-/-小鼠氣道炎癥反應(yīng)減弱，自噬蛋白質(zhì)表達(dá)降低，表明TLR2參與激活PI3K/Akt信號(hào)通路介導(dǎo)的自噬反應(yīng)，從而促進(jìn)支氣管哮喘的病理進(jìn)程。

2.3 參與氣道重塑 氣道重塑是支氣管哮喘的病理機(jī)制之一，主要特征包括氣道平滑肌細(xì)胞增生和肥大、氣道上皮細(xì)胞增厚(黏液腺肥大、黏液分泌過(guò)多)、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)變(EMT)、新生血管化、纖維化、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)沉積和杯狀細(xì)胞化生等[18,19]。Cho等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在OVA誘導(dǎo)的小鼠哮喘模型中，氣道上皮細(xì)胞平滑肌蛋白(α-SMA)和自噬蛋白LC3-Ⅱ/Ⅰ表達(dá)升高，提示上皮細(xì)胞自噬可能參與氣道上皮細(xì)胞EMT過(guò)程，并可促進(jìn)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化。Liu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，抑制哮喘小鼠的自噬過(guò)程可以減少卵泡抑素樣蛋白1(FSTL1)誘導(dǎo)的EMT，表明降低自噬能夠改善支氣管哮喘小鼠的EMT過(guò)程。Gu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，用辛伐他汀處理支氣管哮喘模型小鼠能夠促進(jìn)支氣管平滑肌細(xì)胞中自噬相關(guān)蛋白表達(dá)增加，減少I(mǎi)L-4、IL-5和IL-13等細(xì)胞因子表達(dá)及逆轉(zhuǎn)ECM沉積，表明辛伐他汀可通過(guò)激活自噬，改善支氣管哮喘小鼠的氣道炎癥及氣道重塑。

支氣管哮喘受轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)調(diào)節(jié)，過(guò)量的TGF-β可導(dǎo)致氣道重塑并損傷肺功能[23]。TGF-β通過(guò)以下方式誘導(dǎo)氣道重塑：①促進(jìn)EMT，刺激上皮細(xì)胞分化成肌成纖維細(xì)胞，促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞遷移到上皮下組織及ECM沉積，而上皮下細(xì)胞增殖可促使上皮下基質(zhì)增厚，導(dǎo)致支氣管壁纖維化；②參與微血管改變和黏液產(chǎn)生；③TGF-β作為先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，過(guò)量TGF-β可抑制免疫反應(yīng)，從而使患者病情惡化[23,24]。自噬可以控制支氣管哮喘患者的慢性氧化應(yīng)激水平和TGF-β介導(dǎo)的氣道重塑。TGF-β可調(diào)節(jié)自噬并參與與纖維化、損傷反應(yīng)相關(guān)疾病的發(fā)生與發(fā)展。McAlinden等[25]研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1以時(shí)間依賴(lài)性方式促進(jìn)膠原蛋白A表達(dá)及TGF-β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路下游信號(hào)分子Smad2/3磷酸化，并誘導(dǎo)氣道平滑肌細(xì)胞自噬水平升高。因此，靶向自噬可以減輕氣道中TGF-β誘導(dǎo)的纖維化反應(yīng)，是治療支氣管哮喘的相關(guān)靶點(diǎn)之一。

3 支氣管哮喘治療中的自噬相關(guān)藥物

Kim等[26]采用人鼻病毒(HRV1B)感染小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自噬抑制劑氯喹和巴弗洛霉素A1可顯著減弱布地奈德對(duì)感染小鼠的保護(hù)作用，表明激活自噬可促進(jìn)布地奈德的抗病毒活性。因此，從自噬角度深入研究影響支氣管哮喘的各個(gè)因素，對(duì)支氣管哮喘的個(gè)體化治療至關(guān)重要。根據(jù)自噬的不同階段，針對(duì)自噬關(guān)鍵蛋白或配體研發(fā)自噬水平調(diào)控的小分子藥物，對(duì)于哮喘的治療具有廣闊前景，該類(lèi)藥物主要有3-甲基腺嘌呤(3-MA)、巴伐洛霉素A1、羥氯喹(HCQ)。

3.1 3-MA 3-MA可抑制Ⅰ類(lèi)PI3K及PtdIns3K的活性，特異性阻斷自噬體形成，被廣泛用作自噬抑制劑。Ran等[27]采用3-MA治療支氣管哮喘小鼠，結(jié)果顯示3-MA可抑制小鼠氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性和黏液分泌，其機(jī)制可能與抑制自噬有關(guān)。Silveira等[28]研究發(fā)現(xiàn)，3-MA可以減輕哮喘小鼠肺部嗜酸性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、嗜酸性粒細(xì)胞過(guò)氧化物酶活性，從而減輕肺部炎癥、氧化應(yīng)激及線(xiàn)粒體損傷，可能成為治療支氣管哮喘新的替代藥物。

3.2 巴伐洛霉素A1 巴伐洛霉素A1是空泡型H+-ATP酶的特異性抑制劑，靶向自噬途徑的早期和晚期階段，通過(guò)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素信號(hào)靶標(biāo)、解離Beclin 1-Vps34復(fù)合物以及阻斷自噬溶酶體的方式，減弱功能性自噬[29]。目前，巴伐洛霉素A1治療支氣管哮喘的相關(guān)研究較少，不過(guò)其作為抗癌療法的潛在靶標(biāo)而逐漸被關(guān)注。巴伐洛毒素A1可抑制癌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，Lu等[29]研究發(fā)現(xiàn)，巴伐洛霉素A1可抑制BEL-7402肝癌細(xì)胞系和HO-8910卵巢癌細(xì)胞系增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并減弱細(xì)胞侵襲能力。Yuan等[30]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度巴伐洛毒素A1能夠有效抑制并殺死B淋巴細(xì)胞白血病細(xì)胞。哮喘患者支氣管壁最顯著的結(jié)構(gòu)變化是氣道平滑肌細(xì)胞增生和肥大，成纖維細(xì)胞大量增殖，巴伐洛毒素A1是否對(duì)哮喘支氣管壁組成細(xì)胞增殖有抑制效果有待深入研究。

3.3 HCQ HCQ被認(rèn)為是自噬通量抑制劑，通過(guò)增加溶酶體pH并阻斷自噬溶酶體融合，導(dǎo)致自噬體的積累。Ban等[11]分離嚴(yán)重支氣管哮喘患者外周血嗜酸性粒細(xì)胞，并采用雷帕霉素及IL-5誘導(dǎo)該細(xì)胞自噬，發(fā)現(xiàn)HCQ能降低細(xì)胞自噬、減輕炎癥反應(yīng)；該研究表明，HCQ可作為嚴(yán)重支氣管哮喘的自噬抑制劑，但是該研究未能體現(xiàn)HCQ對(duì)重癥支氣管哮喘患者的有效性。McAlinden等[25]研究發(fā)現(xiàn)，氯喹(CQ)可顯著降低支氣管哮喘小鼠自噬蛋白Beclin-1、LC3、TGF-β1及膠原蛋白1A表達(dá)，表明CQ可通過(guò)抑制自噬的方式，減輕TGF-β1誘導(dǎo)的氣道重塑，證明靶向自噬途徑有望成為一種有效治療支氣管哮喘的新方法。

綜上所述，自噬在哮喘的發(fā)病過(guò)程中可能既有保護(hù)作用，又有損害作用。但目前研究多傾向于自噬通過(guò)促進(jìn)氣道炎癥、免疫反應(yīng)以及氣道重塑等機(jī)制參與支氣管哮喘的發(fā)病。在支氣管哮喘的治療方面，部分自噬抑制劑可通過(guò)調(diào)節(jié)自噬通路來(lái)抑制氣道炎癥、氣道重塑等減緩支氣管哮喘的疾病進(jìn)展。目前，靶向自噬過(guò)程的支氣管哮喘藥物研究仍以細(xì)胞及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，臨床實(shí)驗(yàn)相對(duì)欠缺。因此，針對(duì)自噬開(kāi)展支氣管哮喘的靶向治療藥物開(kāi)發(fā)還需投入更多的研究。