慢性阻塞性肺疾病與自噬相關(guān)性研究進(jìn)展

高璇 徐菲 鄭繼生 許先榮

[摘要] 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種慢性進(jìn)展性的肺部疾病，其發(fā)病機(jī)制包括氣道慢性炎癥、肺組織的破壞、肺重塑等。自噬是細(xì)胞內(nèi)的一種分解代謝過程，大量研究提示，自噬與COPD的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，而這一具體機(jī)制尚未得到闡明。本文將對COPD與自噬的相關(guān)性研究進(jìn)展作一綜述。

[關(guān)鍵詞] 慢性阻塞性肺疾病;自噬;氣道慢性炎癥;肺重塑

[中圖分類號] R563.9? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2019）18-0164-05

[Abstract] Chronic obstructive pulmonary disease （COPD） is a chronic progressive lung disease， of which the pathogenesis includes chronic inflammation of the airways， destruction of lung tissue， and lung remodeling. Autophagy is a catabolic process in cells. A large number of studies suggest that autophagy is closely related to the occurrence and development of COPD， and this specific mechanism has not been elucidated. This article will review the research progress of the correlation between COPD and autophagy.

[Key words] Chronic obstructive pulmonary disease; Autophagy; Chronic inflammation of the airways; Lung remodeling

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種慢性進(jìn)展性疾病，主要特征為慢性氣道炎癥所導(dǎo)致的不完全可逆的持續(xù)氣流受限[1]。其典型的臨床表現(xiàn)包括慢性支氣管炎及肺氣腫，且隨著病情的進(jìn)展，COPD初期所表現(xiàn)的氣急、呼吸困難及咳嗽、咳痰等癥狀可逐漸發(fā)展為慢性低氧血癥和（或）低氧性呼吸衰竭[2]。此外，COPD還會導(dǎo)致一系列肺外臨床表現(xiàn)，包括全身性炎癥、心血管合并癥、腫瘤、惡病質(zhì)及肌肉功能障礙、骨質(zhì)疏松癥等[2]。目前已知，在發(fā)達(dá)國家中吸煙是導(dǎo)致COPD的主要原因，而空氣污染則是發(fā)展中國家中COPD的主要發(fā)病誘因[3]。而在世界范圍內(nèi)，隨著吸煙人數(shù)的增加、空氣污染的加重及人口老齡化的加劇，近年來，COPD的發(fā)病率逐年明顯增長。根據(jù)WHO的統(tǒng)計結(jié)果，在2015年，因COPD死亡的人數(shù)已高達(dá)317萬[3]。另有流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，在40歲以上人群中，COPD的發(fā)病率在5%～19%之間，在導(dǎo)致死亡的疾病原因中已經(jīng)上升至第3位[4]。因此，對COPD發(fā)病機(jī)制及臨床診治的研究迫在眉睫。近年來，研究人員針對COPD的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了大量研究，研究表明，小氣道的炎癥和纖維化、肺組織的破壞、肺泡壁的增厚以及肺重塑對COPD的發(fā)生發(fā)展起到了重要作用[5]。

自噬是細(xì)胞內(nèi)一種高度保守的分解代謝過程[6]，其通過對細(xì)胞內(nèi)受損的蛋白質(zhì)及細(xì)胞器進(jìn)行降解，產(chǎn)生氨基酸、游離脂肪酸、葡萄糖等，轉(zhuǎn)而為細(xì)胞的合成過程提供原料，并為其他代謝過程提供能量[7]。業(yè)已證實，細(xì)胞內(nèi)自噬過程發(fā)生失衡是導(dǎo)致癌癥、神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柶澓Ｄ习Y及帕金森病）、感染和炎癥性疾?。ㄈ缈肆_恩?。?、糖尿病、肥胖以及心血管和肌肉疾病等多種疾病的根本原因[8]。近年來，隨著對自噬研究的逐步深入，研究人員發(fā)現(xiàn)自噬與COPD的發(fā)生發(fā)展也有著千絲萬縷的聯(lián)系。比如，在細(xì)胞發(fā)生自噬的過程中產(chǎn)生的一系列標(biāo)志性產(chǎn)物，如LC3-Ⅰ、ATG4、ATG5、ATG7等，相較于正常的肺組織，均在COPD患者的肺組織中有較高水平的表達(dá)[9]。因此，著眼于COPD與自噬之間相關(guān)性的研究，也許對闡明COPD發(fā)病機(jī)制以及發(fā)現(xiàn)新的更有效的治療手段具有重大意義。本文將對COPD與自噬的相關(guān)性研究進(jìn)展綜述如下。

1 自噬與肺組織內(nèi)環(huán)境的變化

1.1 自噬與慢性炎癥

業(yè)已明確，呼吸系統(tǒng)的慢性炎癥是COPD的病理生理基礎(chǔ)[10]。研究發(fā)現(xiàn)，在COPD患者的痰液、肺泡灌洗液中存在大量的中性粒細(xì)胞，而在COPD患者的肺組織中亦存在大量的巨噬細(xì)胞[11，12]。這些炎癥細(xì)胞可以釋放大量的炎癥介質(zhì)，如相關(guān)細(xì)胞因子、氧自由基以及酶類，比如蛋白酶等，這些炎癥介質(zhì)及酶類作用于肺組織，將導(dǎo)致肺泡結(jié)構(gòu)的破壞和氣流受限[13，14]。而實驗研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過香煙煙霧暴露建立的小鼠COPD模型中，肺組織中的炎癥水平與自噬水平呈一定的相關(guān)性。這一相關(guān)性通過何種方式來實現(xiàn)，尚需闡明。Li Y等[15]進(jìn)行實驗研究后認(rèn)為，在受到煙霧暴露時，花生四烯酸的衍生物氧二十碳三烯酸（epoxyeicosatrienoic acids，EETs）能夠通過降低自噬水平起到一定的抵抗炎癥的保護(hù)作用。他們利用EET抑制基因敲除小鼠Ephx2-/-小鼠進(jìn)行煙霧暴露，發(fā)現(xiàn)肺組織中的炎癥水平有一定程度的降低，同時自噬水平也發(fā)生了相同水平的降低，提示自噬可能與EET途徑相互作用，從而影響COPD患者體內(nèi)的炎癥水平[15]。在細(xì)胞內(nèi)自噬的發(fā)生過程中，雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，MTOR）是一種具有重要抑制作用的蛋白[16，17]。Wang Y等[18]通過對TSC2-MTOR-NF-κB信號通路研究發(fā)現(xiàn)，煙霧暴露時，氣道及肺泡上皮細(xì)胞內(nèi)自噬受到TCS2-MTOR-NF-κB信號通路的調(diào)節(jié)明顯增加，并能進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)炎癥因子如IL-6、IL-8的大量釋放，導(dǎo)致肺內(nèi)炎癥的發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明自噬具有促進(jìn)COPD患者肺組織內(nèi)炎癥水平的作用。

1.2 自噬與細(xì)菌感染

COPD患者更容易合并下呼吸道感染，以細(xì)菌感染及病毒感染多見，常見的易感細(xì)菌包括肺炎鏈球菌、非典型流感嗜血桿菌、綠膿桿菌等[19]。下呼吸道感染能夠顯著增加COPD患者的炎癥水平、氣流受限程度以及肺功能受損的程度，導(dǎo)致COPD患者的急性加重，進(jìn)一步使COPD患者的住院率和死亡率明顯升高[20]。肺組織抵御細(xì)菌感染的過程主要通過巨噬細(xì)胞的吞噬作用來實現(xiàn)[21]。Pehote G等[22]認(rèn)為COPD患者下呼吸道存在的慢性感染可能與肺泡巨噬細(xì)胞的吞噬功能失調(diào)相關(guān)，而內(nèi)在機(jī)制可能是煙霧暴露導(dǎo)致了肺泡巨噬細(xì)胞自噬作用受損。體外實驗發(fā)現(xiàn)，煙霧暴露通過影響自噬上游基因的轉(zhuǎn)錄因子EB（Transcription factor EB，TFEB）的表達(dá)，進(jìn)而阻礙了細(xì)胞中的自噬過程，使細(xì)胞不能通過吞噬作用清除侵襲肺內(nèi)細(xì)胞的細(xì)菌，最終導(dǎo)致肺組織更容易被感染[22]。這一研究證實，在抵抗外界致病細(xì)菌的侵襲過程中，自噬具有屏障保護(hù)作用，能夠?qū)⒊醪饺肭旨?xì)胞的細(xì)菌吞噬、降解，阻止細(xì)菌進(jìn)一步的侵襲和擴(kuò)散，那么，通過增強(qiáng)COPD患者自噬上游基因表達(dá)，促進(jìn)其肺細(xì)胞的自噬水平，將為COPD患者預(yù)防下呼吸道感染提供可能。

1.3自噬與黏液分泌

COPD患者長期、反復(fù)的咳嗽咳痰與其氣道的黏液高分泌密切相關(guān)。作為COPD的重要的病理特征之一，氣道內(nèi)黏液分泌的明顯增多將導(dǎo)致氣道阻塞、COPD患者的急性加重，明顯降低COPD患者的生活質(zhì)量，是增加COPD患病率和死亡率的重要原因[23]。已有研究證實，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）能夠在氣道上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)黏液基因MUC5AC的表達(dá)[24]。Zhou JS等[25]研究發(fā)現(xiàn)，以不同方式誘導(dǎo)自噬后，MUC5AC同樣也被誘導(dǎo)表達(dá)，而抑制了自噬后，MUC5AC的表達(dá)亦發(fā)生了衰減。經(jīng)過進(jìn)一步研究，Zhou JS等[25]認(rèn)為香煙煙霧暴露刺激機(jī)體產(chǎn)生了線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygenmito，mitoROS），而mitoROS 提高了氣道上皮細(xì)胞的自噬水平，高水平的自噬通過調(diào)節(jié)JNK信號-轉(zhuǎn)錄因子AP-1通路誘導(dǎo)了MUC5AC的表達(dá)，最終導(dǎo)致氣道黏液的高分泌。

2 自噬與肺組織結(jié)構(gòu)的改變

2.1 自噬與肺氣腫

肺氣腫是COPD患者的重要體征之一，目前認(rèn)為，COPD患者出現(xiàn)肺氣腫的主要機(jī)制為中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞向肺組織中的滲出，以及蛋白酶等酶類向肺組織釋放對肺泡結(jié)構(gòu)的破壞[26，27]。而前文中Li Y等[15]亦發(fā)現(xiàn)Ephx2-/-小鼠經(jīng)過煙霧暴露后肺組織中的中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞與普通小鼠相比有一定程度的減少，免疫組化結(jié)果進(jìn)一步提示Ephx2-/-小鼠的肺氣腫也得到了改善，提示自噬通過EET途徑不僅降低了COPD患者肺內(nèi)炎癥水平，亦能延緩COPD患者肺氣腫的發(fā)生發(fā)展。Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）是對機(jī)體的固有免疫應(yīng)答以及隨之產(chǎn)生的適應(yīng)性免疫應(yīng)答具有重要的調(diào)節(jié)作用的一類受體[28]，最近，隨著對TLR研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)TLR4在自噬的調(diào)節(jié)過程中具有抑制作用[29]，同時亦具有保持肺組織結(jié)構(gòu)、延緩肺氣腫發(fā)生發(fā)展的作用[30]。An CH等[31]進(jìn)行實驗發(fā)現(xiàn)，相較于野生型小鼠，TLR4基因缺陷的小鼠在進(jìn)行煙霧暴露后其肺組織表現(xiàn)出了更為嚴(yán)重的肺氣腫表現(xiàn)，并且自噬水平明顯升高，結(jié)合進(jìn)一步實驗，認(rèn)為TLR4對自噬具有抑制作用，而自噬產(chǎn)物L(fēng)C3-Ⅰ則能夠提高煙霧暴露時肺組織發(fā)生肺氣腫的易感性，那么TLR4可能是通過抑制自噬的發(fā)生水平，進(jìn)一步減少肺氣腫的發(fā)生，起到保護(hù)肺組織的作用。不過，另有研究認(rèn)為，細(xì)胞是通過自噬過程來降解發(fā)生了折疊錯誤的蛋白質(zhì)以及多泛素化蛋白，以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，而觀察煙霧暴露后的肺組織細(xì)胞，可見其中存在大量錯誤折疊或者多泛素化蛋白聚集體，這些聚集體引起細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，細(xì)胞發(fā)生裂解、死亡，最終導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)的破壞，肺氣腫形成并發(fā)展，那么，COPD患者肺氣腫形成的機(jī)制亦可能是煙霧暴露引起細(xì)胞內(nèi)自噬功能失調(diào)，自噬過程中斷、停止，導(dǎo)致自噬中間產(chǎn)物堆積以及細(xì)胞內(nèi)錯誤折疊或者多泛素化蛋白體不能被有效清除[32-34]。Bodas M等[35]的研究則支持這一觀點，他們研究發(fā)現(xiàn)煙霧暴露可能通過神經(jīng)酰胺-乳糖神經(jīng)酰胺（lactose ceramides，LacCer）通路，引起細(xì)胞膜上LacCer 的聚集，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)自噬功能的缺失，加重肺氣腫。

2.2 自噬與纖毛結(jié)構(gòu)及功能

COPD患者氣道中存在的異常的炎癥反應(yīng)、更容易發(fā)生病原體感染的特征亦與氣道上皮細(xì)胞上的纖毛縮短、氣道黏膜纖毛清除功能受損相關(guān)[36]。煙霧暴露能夠縮短氣道上皮細(xì)胞的纖毛長度甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡，而后由杯狀細(xì)胞取而代之，過多的杯狀細(xì)胞分泌過多的氣道黏液，使氣道黏膜纖毛的清除功能受損，最終導(dǎo)致病原體、有害顆粒等在呼吸道的堆積，發(fā)生感染[37]。Cloonan SM等[38]通過體內(nèi)及體外實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過煙霧暴露后，氣道上皮細(xì)胞及肺組織中纖毛的縮短程度與自噬增加的水平相一致。進(jìn)一步的體內(nèi)及體外實驗證明，當(dāng)自噬基因發(fā)生缺失，氣道上皮細(xì)胞及肺組織中的纖毛在經(jīng)過煙霧暴露后也不會發(fā)生縮短，并且煙霧暴露后，研究人員在增加的自噬體/自噬溶酶體中發(fā)現(xiàn)了大量的纖毛成分及纖毛蛋白[38]。由此，Cloonan SM等[38]認(rèn)為煙霧暴露通過上調(diào)氣道上皮細(xì)胞的自噬水平引起細(xì)胞纖毛成分及纖毛蛋白的降解，致使細(xì)胞纖毛縮短，甚至進(jìn)一步導(dǎo)致纖毛細(xì)胞的缺失及死亡，破壞COPD患者氣道黏膜纖毛的清除功能，加重其炎癥反應(yīng)、增加感染幾率及急性發(fā)作發(fā)生率。

3 自噬與氧化應(yīng)激

香煙煙霧中含有大量的自由基和氧化劑，能夠誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)[39]。而氧化應(yīng)激反應(yīng)能夠快速增強(qiáng)機(jī)體的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致黏液過度分泌、氣道上皮細(xì)胞凋亡以及細(xì)胞外基質(zhì)的重塑，從而促進(jìn)COPD的發(fā)生發(fā)展[40]。叉頭框O3a（The fork frame O3a，F(xiàn)oxO3a）是屬于FoxO家族的一類轉(zhuǎn)錄因子，其參與調(diào)節(jié)的基因表達(dá)涉及多種生物過程，包括氧化應(yīng)激抵抗[41]。在正常狀態(tài)下，F(xiàn)oxO3a存在于細(xì)胞質(zhì)中，而當(dāng)細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)下時，F(xiàn)oxO3a則會轉(zhuǎn)移至核周[42]。亦有研究發(fā)現(xiàn)FoxO3a也參與了自噬過程的調(diào)節(jié)，自噬產(chǎn)物L(fēng)C3亦是FoxO3a的直接作用靶點[43]。Shi J等[44]研究發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧暴露能夠降低FoxO3a的水平并且促進(jìn)其向核周的移位，導(dǎo)致LC3生成、自噬水平增加，而這一過程受到白藜蘆醇二聚體Vam3的負(fù)向調(diào)節(jié)。由此，Shi J等[44]認(rèn)為，香煙煙霧刺激機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，而氧化應(yīng)激通過FoxO3a-LC3通路導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生異常升高的自噬水平，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、組織結(jié)構(gòu)破壞，促進(jìn)COPD的進(jìn)展，Vam3則通過提高氧化應(yīng)激狀態(tài)下FoxO3a的水平并且抑制其向核周的移位的作用抑制自噬的發(fā)生，減少細(xì)胞的凋亡、維持肺組織結(jié)構(gòu)，延緩COPD的進(jìn)展。

4 結(jié)語

COPD是一種慢性疾病，是世界范圍內(nèi)公認(rèn)的致死疾病之一。近年來，隨著對自噬的研究日趨熱門，自噬在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用研究也越來越受到關(guān)注。目前多數(shù)觀點認(rèn)為在COPD的發(fā)病機(jī)制中異常增高的自噬水平起到了促進(jìn)作用，如前文所述，眾多研究者認(rèn)為在實驗研究過程中觀察到的自噬相關(guān)標(biāo)記物的增加、自噬產(chǎn)物的高表達(dá)證明了自噬水平的增加。自噬的增加將導(dǎo)致肺細(xì)胞大量凋亡，同時炎癥介質(zhì)水平、肺組織結(jié)構(gòu)破壞程度也出現(xiàn)同樣水平的增加。但亦有觀點認(rèn)為，自噬是一個動態(tài)的生物過程，在過程中某些產(chǎn)物的增多并不夠證明整個自噬過程是高水平進(jìn)行的，在COPD患者及模型中觀察到的自噬標(biāo)記物的過表達(dá)正是自噬這一動態(tài)過程在某一節(jié)點被阻斷，從而造成自噬中間產(chǎn)物堆積的表現(xiàn)，而延緩COPD的進(jìn)展需要將被阻斷的自噬過程繼續(xù)進(jìn)行，以清除侵入肺細(xì)胞的病原體、代謝廢物及被破壞的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)等，維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。盡管對自噬與COPD發(fā)病的具體機(jī)制觀點不同，但自噬與COPD 的發(fā)病機(jī)制是高度相關(guān)的已得到公認(rèn)，通過調(diào)節(jié)自噬的水平，從肺氣腫、炎癥反應(yīng)、感染、氧化應(yīng)激、黏液分泌及氣道黏膜清除等病理特征的上游通路進(jìn)行阻斷，或?qū)⒊蔀橹委烠OPD的關(guān)鍵，為COPD的治療提供新思路、新方法。

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