PGE2/EP信號通路在肺部疾病中作用的研究進展

陳建安 李德富 袁良 易高

1廣州醫(yī)科大學附屬第五醫(yī)院呼吸內(nèi)科510700；2廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科510120

前列腺素E2 (prostaglandin E2,PGE2)作為花生四烯酸代謝產(chǎn)物,通過與不同類型的前列環(huán)素受體(prostacyclin receptor,EP)結(jié)合,介導不同的生物學效應。近年來,越來越多的研究表明PGE2/EP 信號通路與肺部疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關,其主要包括COPD、支氣管哮喘 (哮喘)、肺炎、肺癌等。基于此,本文將對PGE2/EP信號通路在各種肺部疾病中的作用進行綜述。

1 PGE2及其受體

環(huán)氧合酶是PGE2合成的限速酶,花生四烯酸在環(huán)氧合酶的幫助下氧化成不穩(wěn)定的過氧化物前列腺素G2 和前列腺素H2,前列腺素H2再在前列腺素合酶的作用下合成PGE2[1]。

PGE2通過與EP 結(jié)合發(fā)揮作用,EP 為細胞膜上的跨膜蛋白,屬于G 蛋白受體超家族,分為4個亞型,分別為EP1、EP2、EP3、EP4[2]。每個EP 亞型具有不同的信號轉(zhuǎn)導特性。其中,EP1通過Gq蛋白與細胞內(nèi)Ca2+動員偶聯(lián),并通過激活磷酸肌酸激酶C 介導信號傳導。EP2 和EP4 通過G 蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶,增加環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine phosphate,c AMP)的含量,進而激活c AMP依賴的蛋白激酶A。EP3可與多種G 蛋白結(jié)合,其主要通過Gi抑制腺苷酸環(huán)化酶。此外,EP 受體之間也存在相互干擾,有大量研究表明EP1、EP2與EP4可與表皮生長因子之間相互作用,這增加了EP 受體信號傳導通路的復雜性[3]。PGE2通過與不同亞型的EP受體結(jié)合發(fā)揮出不同的作用[4]。PGE2與EP1結(jié)合,主要產(chǎn)生平滑肌收縮作用;與EP2/4結(jié)合主要產(chǎn)生抑制性作用,如氣道平滑肌松弛、細胞分泌以及抑制細胞增殖等生物學功能;而與EP3結(jié)合,則能夠在血小板積聚和血栓形成過程中控制血管調(diào)節(jié)及改造血管壁,并可抑制神經(jīng)信號傳導、平滑肌收縮、脂解作用和水分重吸收等[5]。

2 PGE2/EP與COPD

COPD 是一種以持續(xù)氣流受限為特征的可以預防和治療的慢性肺部疾病,其氣流受限多呈進行性發(fā)展,目前認為其主要與炎癥、氧化應激以及蛋白酶-抗蛋白酶等機制失衡導致的氣道壁和肺泡間隔重構(gòu)、肺組織結(jié)構(gòu)破壞有關[6]。

肺毛細血管的數(shù)量減少是COPD 特征性的病理生理變化。成纖維細胞是血管內(nèi)皮生長因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)的主要來源,其通過調(diào)節(jié)肺微血管系統(tǒng)促進肺泡內(nèi)皮細胞的血管生成。有實驗表明PGE2能激活人肺成纖維細胞中Gs偶聯(lián)的EP2受體來刺激VEGF的產(chǎn)生[7-8],進而促進內(nèi)皮細胞的增殖和分化并誘導血管通透性的增加,這有助于肺血管的重塑[9]。然而,PGE2 激活不同類型的EP 受體對VEGF 的作用存在著差異,激動EP2受體能顯著增加VEGF的產(chǎn)生,而激動EP1、EP3受體則不影響其釋放[10]。

PGE2是重要炎癥介質(zhì),在炎癥的發(fā)生與進展中發(fā)揮著重要的作用。有研究表明,COPD 患者誘導痰中的PGE2含量明顯高于正常對照,且COPD 急性加重患者誘導痰中的PGE2含量高于COPD 穩(wěn)定期患者,且其含量與中性粒細胞數(shù)目呈正相關,這提示PGE2可能通過與其受體結(jié)合參與COPD 的發(fā)生與進展。COPD 患者氣道中β2-腎上腺素能受體活性較正常人下降,激活β2-腎上腺素能受體能夠擴張氣道,緩解COPD 患者氣促的癥狀。一項關于人體氣道平滑肌的體外試驗證實,阻斷EP2 活化能有效地恢復β2-腎上腺素能受體功能,減少PGE2在慢性肺部疾病中的負面影響[11]。此外,有動物實驗表明,在COPD 模型小鼠中功能缺失性EP4受體的水平較高,而PGE2可以與EP4結(jié)合,通過腺苷酸環(huán)化酶/c AMP/c AMP依賴性蛋白質(zhì)通路調(diào)控細胞因子基因轉(zhuǎn)錄,從而發(fā)揮抗炎作用[12]。

吸煙是COPD 發(fā)病的首要危險因素,其能使支氣管上皮纖毛活動障礙及異物清除能力減弱,引起氣道痙攣進而增加氣道阻力,也可以使吞噬細胞的吞噬能力減弱[13]。有研究表明,在由吸煙誘發(fā)的COPD 發(fā)病早期,PGE2 信號通路主要通過誘導肺血管內(nèi)皮細胞凋亡啟動COPD 的發(fā)生[14]。但同時也有研究表明,PGE2信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)能夠抑制氣道平滑肌細胞 (airway smooth muscle cells,ASMC)遷移性生長以及轉(zhuǎn)化生長因子β1 介導的氣道成纖維細胞增生,因而可能有局部保護作用[15]。

晚期的COPD 患者常常出現(xiàn)全身系統(tǒng)的受損,表現(xiàn)為動脈粥樣硬化、骨質(zhì)疏松癥、肌肉萎縮和脂肪消耗[16]。有動物實驗表明,PGE2能通過與EP2結(jié)合刺激脂肪血管生成,從而刺激脂肪形成[17]。這對COPD 患者體質(zhì)量減輕的干預給出了重要提示,但仍需要進一步研究PGE2/EP2信號通路在調(diào)節(jié)脂肪血管生成和脂肪生成中的作用及其機制。

3 PGE2/EP與過敏性哮喘

過敏性哮喘是一種復雜的、具有多基因遺傳傾向的疾病,是哮喘中最容易識別的類型,它的發(fā)生可能與氣道免疫-炎癥、神經(jīng)調(diào)節(jié)等機制失衡有關[18]。

哮喘可由多種因素引發(fā)或者誘發(fā)發(fā)作,如過敏原、運動、冷空氣暴露、化學致敏物質(zhì)、空氣污染物和呼吸道病毒感染[19],主要表現(xiàn)為咳嗽、喘息和呼吸困難等[20]。研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者有顯著的ASMC 增生和氣道結(jié)構(gòu)改變。在正常氣道中,平滑肌細胞位于氣道黏膜固有層內(nèi),而在哮喘患者中,ASMC數(shù)量增多、體積增大,且在多種因素的影響下向平滑肌內(nèi)膜遷徙,導致氣道結(jié)構(gòu)改變及氣道高反應性[21],而這可能與PGE2/EP 信號通路有關。PGE2 可以通過與EP4 結(jié)合抑制支氣管平滑肌細胞的增殖和遷移[22],同時增加EP4受體表達,從而發(fā)揮對支氣管的保護作用。然而,不同的EP亞型對PGE2的親和力不同,其中EP3＞EP4＞EP2＞EP1[23]。在大鼠過敏性哮喘模型中發(fā)現(xiàn),EP2、EP4表達下降,從而產(chǎn)生了EP1受體介導的效果,促進了平滑肌細胞內(nèi)的Ca2+內(nèi)流,進而引起平滑肌收縮。此外,EP1受體介導的作用增強,能夠使ASMC 遷移能力增強,從而導致氣道結(jié)構(gòu)改變和重塑[24]。因此,增加EP4受體表達或增強其活性,可能成為治療過敏性哮喘的新方向。但有關離體的人類小氣道的研究表明,與臨床使用的支氣管擴張劑福莫特羅相比,EP4受體激活的支氣管舒張作用似乎不具有治療氣道疾病的巨大潛力。低濃度的PGE2通過結(jié)合EP2 受體能抑制肥大細胞釋放炎性介質(zhì),從而消除肥大細胞介導的支氣管收縮,這更值得關注[25]。

目前較為公認的關于哮喘的學說認為,哮喘的過敏性氣道炎癥是由氣道內(nèi)Th1/Th2 細胞因子失衡所致,而PGE2能調(diào)控ASMC分泌IL-4、IL-10和干擾素γ等細胞因子,進而調(diào)節(jié)Th1/Th2細胞因子的平衡,從而對哮喘的氣道炎癥發(fā)揮重要作用[19,26]。另一方面,PGE2 能夠通過刺激EP3受體導致小鼠氣道的過敏性炎癥加重,表現(xiàn)為氣道中嗜酸粒細胞、中性粒細胞和淋巴細胞數(shù)量增加[27]。

此外,PGE2/EP4可刺激氣道黏蛋白產(chǎn)生,這可能與嚴重哮喘中出現(xiàn)的黏液分泌過多有關[28]。

4 PGE2/EP與肺癌

EP在肺癌細胞中異常表達,其可能參與腫瘤血管生成、誘導肺癌細胞增殖、免疫抑制及抑制細胞凋亡的過程。在許多癌癥中,PGE2 的濃度升高不僅有利于腫瘤的發(fā)生發(fā)展,還可能通過影響腫瘤微環(huán)境而導致治療抵抗[29]。

PGE2與EP1結(jié)合可激活介導細胞遷移和侵襲的信號通路,從而產(chǎn)生肺癌促進作用[30]。黏著斑激酶 (focal adhesion kinase,FAK)是一種非受體細胞質(zhì)酪氨酸激酶,且磷酸化的FAK 能通過激活PKC/c-Src和表皮生長因子受體 (epidermal growth factor receptor,EGFR)信號通路調(diào)節(jié)癌細胞增殖和遷移[31],而PGE2與EP1受體結(jié)合能增強整聯(lián)蛋白的表達并誘導癌細胞中FAK 的磷酸化和活化[30-31]。β1-整合素可以通過多種方式促進肺癌的發(fā)生發(fā)展。有研究表明,PGE2能通過與EP1相結(jié)合上調(diào)β1-整合素蛋白的表達水平,從而增強腫瘤細胞向遠處遷移的能力。此外,EP1能與Gq亞基相耦合,激活磷酸肌酸激酶C,進而通過活化T 細胞核因子、絲裂原活化蛋白激酶等影響c-Myc等癌基因轉(zhuǎn)錄[2]。以上表明,PGE2/EP1可能通過調(diào)節(jié)肺癌細胞的增殖和遷移能力促進肺癌的發(fā)生發(fā)展。

PGE2與EP2結(jié)合能促進血管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生VEGF,從而促進血管生成及腫瘤細胞的遷移[32]。此外,PGE2在調(diào)節(jié)腫瘤免疫應答中起重要作用[33]。腫瘤細胞產(chǎn)生的PGE2能與EP2受體結(jié)合抑制輔助性T 細胞的活化與增殖,并能調(diào)控T 細胞分泌細胞因子以及調(diào)節(jié)Th1、Th2與Th17細胞的數(shù)量與平衡,最終影響機體的腫瘤免疫應答,如PGE2能抑制Th1 細胞產(chǎn)生IL-2、干擾素γ,而促進Th2細胞產(chǎn)生IL-4、IL-5等。樹突狀細胞在腫瘤免疫應答的起始中起重要作用,腫瘤中樹突狀細胞的存在與其預后改善相關[34]。而PGE2通過與EP2和EP4受體結(jié)合,不僅能夠擾亂樹突狀細胞早期分化、成熟、遷移并抑制樹突狀細胞功能,還能促進調(diào)節(jié)性T 細胞和骨髓來源的抑制性細胞的作用[35]。相反,也有研究表明PGE2能促進樹突狀細胞的成熟并增強其T 細胞刺激能力[36]。此外,PGE2能夠直接抑制自然殺傷細胞的毒性作用。因此,PGE2/EP2 可能在肺癌的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

有實驗研究表明在非小細胞肺癌中,PGE2 通過與EP3結(jié)合使整合素-金屬蛋白酶活化、EGFR 配體脫落以及最終磷酸化,從而誘導非小細胞肺癌細胞增殖[37]。

在4種EP 受體中,EP4受體所介導的信號通路可能是PGE2參與肺癌發(fā)生發(fā)展的最佳通路。PGE2 與EP4 受體結(jié)合,不僅能夠抑制機體的腫瘤免疫應答,還在腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移中起重要作用[38]。有動物實驗證明,在許多腫瘤類型中,敲除EP4受體或選擇性拮抗EP4受體可以抑制腫瘤的進展[39-40]。如solamargine(一種天然植物化學物質(zhì))能通過減少EP4表達來抑制人肺癌細胞的生長[41]。此外,PGE2與EP4結(jié)合可以通過激活c AMP 反應原件結(jié)合蛋白顯著上調(diào)癌細胞中的c-Myc表達水平[42],或促進VEGF產(chǎn)生,激活m TORC1 充當信號傳導介質(zhì)[43],或激活PI3K/Akt信號通路,從而促進癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移[44]。此外,PGE2與EP4受體結(jié)合還能夠促使癌細胞利用脂肪酸滿足自身的生長和生物合成需求[45]。以上研究表明,阻斷EP4受體,可能能夠有效地抑制肺癌的發(fā)生與發(fā)展。

越來越多的實驗研究表明,PGE2/EP信號通路在肺癌的發(fā)生及發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用,科研工作者應當深入研究其發(fā)揮作用的具體機制以發(fā)現(xiàn)新的肺癌治療靶點。

5 PGE2/EP與急性肺損傷 (acute lung injury,ALI)

ALI是指嚴重感染、大量輸血、休克等各種直接或間接因素導致肺泡上皮和肺微血管內(nèi)皮損傷,進而導致富含蛋白質(zhì)的液體滲入肺泡腔,最終造成急性低氧性呼吸功能不全,其可發(fā)展為急性呼吸衰竭,并稱之為ARDS[46]。它是臨床上常見的致死率較高的危重癥,最常見的誘因是局部或全身性炎癥,包括肺炎和敗血癥等[47]。ALI發(fā)病機制復雜,臨床上表現(xiàn)為肺容量減少、肺順應性減低和通氣血流比例失衡導致的進行性低氧血癥及呼吸窘迫。

在ALI的發(fā)生及發(fā)展中,PGE2 的表達水平增高,且PGE2/EP信號通路發(fā)揮著重要的保護作用。這可能是由于PGE2可以通過與EP結(jié)合調(diào)節(jié)細胞因子水平,如GM-CSF、IL-6和IL-13等,從而達到改善ALI的效果[48]。七氟醚是一種吸入性麻醉劑,已被證明對炎癥性損傷具有抗炎和保護作用[49]。用七氟醚來處理ALI模型小鼠,發(fā)現(xiàn)其能促進巨噬細胞中的PGE2增加,從而調(diào)節(jié)細胞因子的水平以減輕ALI[50]。此外,在ALI中,PGE2可能通過激活EP4受體調(diào)節(jié)肺微血管內(nèi)皮的完整性和減少IL-10的分泌[51],而與EP2和EP3受體結(jié)合則促進IL-10的分泌[52]。以上研究表明,PGE2-EP4信號通路可能對ALL 發(fā)揮著保護作用,而PGE2/EP2-3信號通路可能加重ALL的損傷。

總之,PGE2在ALI發(fā)生時表達水平增高,但其作用于ALI的具體機制仍需要進一步的研究。鑒于EP 受體的不同作用,阻斷或者興奮某一種EP 受體可能成為治療ALI的新方向。

6 展望

目前,許多研究都證實PGE2/EP 信號通路與肺部疾病密切相關,但是其能否成為一種新的治療靶點仍需要進一步研究。此外,EP受體之間存在著復雜的相互作用。如果能研發(fā)出特異性的EP受體激動劑或阻斷劑以凸顯PGE2的有益作用并最小化其可能帶來的不良反應,這將對肺部疾病的治療產(chǎn)生巨大的積極作用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突