磷脂酰肌醇3—激酶在慢性阻塞性肺疾病中的研究進(jìn)展

金澤宇，汪元浚通信作者)

(1. 青海大學(xué)，青海 西寧 810000 ；2. 青海大學(xué)附屬醫(yī)院，青海 西寧 810000)

0 引言

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)是一種常見(jiàn)的、可以預(yù)防和治療的疾病，以進(jìn)行性的氣流受限為特征，患病率高、死亡率高、致殘率高、疾病負(fù)擔(dān)重，已成為嚴(yán)重危害公眾健康的重大慢性疾病。全球COPD 患病率約為11.7%[1]。COPD 其特征是持續(xù)的和破壞性的氣道炎癥，并伴有和持久的呼吸道感染，COPD 是全球最流行的慢性呼吸系統(tǒng)疾病之一，吸入的氧氣通過(guò)分支氣道分布到整個(gè)肺部，環(huán)境毒素和病原體也進(jìn)入肺部，潛在地激發(fā)炎癥反應(yīng)或建立肺內(nèi)感染?；颊呓?jīng)歷漸進(jìn)性、不可逆轉(zhuǎn)的氣流受限，反復(fù)出現(xiàn)感染，由此導(dǎo)致的肺防御功能受損、氣道定植、慢性痰液產(chǎn)生和反復(fù)的下呼吸道感染。慢阻肺的發(fā)病機(jī)制尚未完全明了，肺內(nèi)氧化應(yīng)激、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、氣道重塑及肺部炎性反應(yīng)等多種機(jī)制參與COPD 發(fā)生。磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol—3—kinase，PI3K) 參 與COPD 肺 部炎性反應(yīng)、氣道重塑等一系列發(fā)病機(jī)制，在COPD 發(fā)病機(jī)制中起重要作用[2]，選擇性抑制PI3K 可明顯減輕肺部炎癥反應(yīng)、抑制炎癥細(xì)胞活化，在很多種免疫炎性疾病中表現(xiàn)保護(hù)作用。近年來(lái)， PI3K 在COPD 發(fā)病機(jī)制及治療中的作用受到廣泛關(guān)注，通過(guò)干預(yù)PI3K 進(jìn)而防治COPD 發(fā)生發(fā)展已成為研究熱點(diǎn)。

1 磷脂酰肌醇3—激酶的特點(diǎn)

Ⅰ類(lèi)PI3K 是研究最廣泛的一類(lèi)脂激酶，它以異二聚體形式存在，由p110α，β，δ 或γ 催化亞基組成，每個(gè)亞型根據(jù)催化亞基的不同而命名，其活性受幾個(gè)調(diào)節(jié)亞基控制(P85、P55和P50 調(diào)節(jié)p110α，β 和δ，而p110γ 分別受P101 或P84 調(diào)節(jié))。它們都有能力磷酸化位于膜上的磷脂酰肌醇的第三個(gè)羥基，產(chǎn)生一個(gè)由第二信使組成的網(wǎng)絡(luò)。特性最佳的磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸和磷脂酰肌醇-3-磷酸可促進(jìn)幾種下游效應(yīng)蛋白的招募和激活，從而協(xié)調(diào)眾多信號(hào)通路并調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)小泡的運(yùn)輸過(guò)程，從而控制細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移和存活等功能。四種I 類(lèi)PI3K 亞型在氣道和其他地方發(fā)揮著不同的作用，它們的組織分布也相應(yīng)地不同。PI3Kα 和PI3Kβ 分布廣泛，而PI3Kγ 和PI3Kδ 主要但非特異性表達(dá)于白細(xì)胞，在先天免疫和獲得性免疫中發(fā)揮重要作用[3]。

2 不同細(xì)胞因子異常激活磷脂酰肌醇3—激酶參與慢性阻塞性肺疾病發(fā)生發(fā)展

2.1 缺氧誘導(dǎo)因子-1α

缺氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)是介導(dǎo)機(jī)體缺氧反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子。慢性阻塞性肺疾病導(dǎo)致細(xì)胞缺氧，從而上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子-1α 的表達(dá)，缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)是調(diào)節(jié)缺氧反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子[4]。研究表明[5]HIF-1α 在慢性阻塞性肺疾病中過(guò)表達(dá)，通過(guò)激活表皮生長(zhǎng)因子受體/磷脂酰肌醇3—激酶/絲氨酸—蘇氨酸蛋白激酶(EGFR/PI3K/AKT)途徑上調(diào)炎癥因子的表達(dá)。肺部炎癥誘導(dǎo)的EGFR/PI3K/AKT通路激活，進(jìn)一步反饋上調(diào)HIF-1α 的表達(dá)，從而在惡性循環(huán)中加重慢性阻塞性肺疾病的病理改變。缺氧處理后，血清白介素13(IL-13)、血清白介素19(IL-9)、血清白介素1(IL-1)、腫瘤壞死因子α(TNF-α) 水平明顯升高，HIF-1α 通過(guò)激活EGFR-PI3K-AKT 途徑促進(jìn)慢性阻塞性肺疾病炎癥反應(yīng)。

2.2 第10 號(hào)染色體缺失性磷酸酶-張力蛋白同源等位基因

第10 號(hào)染色體缺失性磷酸酶- 張力蛋白同源等位基因(phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN)是人類(lèi)中最常見(jiàn)的突變抑癌基因之一，具有雙重特異性磷酸酶活性，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、遷移、死亡和分化表現(xiàn)出多種影響[6]。Shen Wen Hong 等[7]研究發(fā)現(xiàn)PTEN 是PI3K 途徑的負(fù)調(diào)控因子，其作為一種PI3K 抑制劑，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)具有負(fù)調(diào)控作用。PTEN 的主要功能是啟動(dòng)磷脂酰肌醇-3- 磷酸酯(PIP3)去磷酸化，并拮抗PI3K/Akt 信號(hào)通路，Yanagisawa S等[8]發(fā)現(xiàn)COPD 患者外周肺組織中PTEN 蛋白水平明顯降低。PTEN 蛋白水平與氣流阻塞程度呈正相關(guān)，與Akt 磷酸化呈顯著負(fù)相關(guān)，提示PI3K 信號(hào)通路激活。氧化應(yīng)激抑制了COPD患者PTEN 的蛋白水平，導(dǎo)致PI3K/Akt 通路的持續(xù)激活和由此產(chǎn)生的促炎介質(zhì)的釋放，包括白細(xì)胞介素-6(IL-6)，C-X-C趨化因子配體8(CXCL8)，C-X-C 趨化因子配體10(CXCL10)和血清趨化因子5(CCL5)。外周肺組織中，慢性阻塞性肺疾病患者外周肺組織中PTEN 蛋白的表達(dá)明顯低于非慢性阻塞性肺病患者，且與氣流阻塞程度呈正相關(guān)，相反，磷酸化Akt 作為PI3K 激活的標(biāo)志，與PTEN 蛋白水平呈負(fù)相關(guān)，在原代支氣管上皮細(xì)胞中，香煙煙霧提取物(CSE)降低PTEN 蛋白的表達(dá)，N-乙酰半胱氨酸可逆轉(zhuǎn)該作用。氧化應(yīng)激降低了PTEN蛋白水平，這可能導(dǎo)致COPD 患者PI3K 信號(hào)的增加和炎癥的放大。

2.3 細(xì)胞外基質(zhì)

COPD 患者氣道壁增厚，主要是由于氣道平滑肌細(xì)胞(ASMC) 的增生和肥大以及細(xì)胞外基質(zhì)(ECM) 成分的積聚[9]。研究發(fā)現(xiàn)[10]細(xì)胞外基質(zhì)沉積的改變是慢性阻塞性肺疾病的一個(gè)特征，為氣道壁重塑，特別是氣道壁增厚提供了適宜的環(huán)境。Wang Zhengyan 等[11]研究表明與正常ASMC 相比，ECM 組分對(duì)COPD 大鼠ASMC 細(xì)胞周期進(jìn)程的促進(jìn)作用更為明顯。ASMC 中ECM 成分對(duì)COPD 模型大鼠的作用是通過(guò)PI3K/AKT 信號(hào)通路介導(dǎo)的。經(jīng)ECM 成分處理后，ASMC 中C-X-C 基序趨化因子配體1(CXCL1)、C-X-C 基序趨化因子配體8(CXCL8)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)的水平升高。經(jīng)細(xì)胞外基質(zhì)成分處理后，細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β-1(TGFβ1)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子-1(FGF-1)和金屬蛋白酶組織抑制因子-1(TIMP1)的表達(dá)增加，基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)的表達(dá)降低。ECM 組分促進(jìn)了ASMC 的遷移和粘附，經(jīng)ECM 分子處理后，ASMC 的促炎趨化因子CXCL1 和CXCL8，細(xì)胞因子IL-6 和FGF-1 均增加。細(xì)胞外基質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡的失衡導(dǎo)致ASMC 的過(guò)度增殖和遷移表型。與正常ASMC 相比，ECM 組分對(duì)COPD 大鼠ASMC 細(xì)胞周期進(jìn)程的促進(jìn)作用更為明顯。ECM 可能促進(jìn)ASMC 的炎癥、增殖和遷移能力。進(jìn)一步證明細(xì)胞外基質(zhì)成分對(duì)ASMC 的作用與激活PI3K 信號(hào)通路有關(guān)。

2.4 雙向調(diào)節(jié)蛋白

環(huán)境顆粒物(PM) 通過(guò)增加炎癥和粘液高分泌，促進(jìn)COPD 發(fā)展和惡化。炎癥和粘液高分泌是PM 引起的氣道損傷最常見(jiàn)的兩種生物學(xué)反應(yīng)。城市PM 暴露增加了人支氣管上皮細(xì)胞和急性PM 暴露小鼠模型中促炎細(xì)胞因子(IL-1β、IL-6 和IL-8) 的表達(dá)[12]。雙向調(diào)節(jié)蛋白(AREG) 是表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)的重要配體，參與多種生物學(xué)功能的調(diào)節(jié)[13]。AREG 是表皮生長(zhǎng)因子(EGF) 家族的成員。其前體PRO-AREG 被表達(dá)并結(jié)合到膜上，并可通過(guò)腫瘤壞死因子-α轉(zhuǎn)換酶(TACE)介導(dǎo)的蛋白水解過(guò)程釋放為可溶性AREG[14]。在PM 暴露的人支氣管上皮細(xì)胞(HBEC)中AREG 的表達(dá)顯著增加，AREG 表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)粘液高分泌[15]。Wang Jian等[16]研究發(fā)現(xiàn)在PM 暴露下，外源AREG 顯著增強(qiáng)PM 誘導(dǎo)的炎癥和粘液高分泌，并激活EGFR-PI3K-AKT 通路。TACE和EGFR 特異性抑制劑預(yù)處理表明，AREG 通過(guò)TACE 介導(dǎo)的裂解而分泌，通過(guò)與EGFR 結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)PM 誘導(dǎo)的炎癥和粘液高分泌。根據(jù)Ⅰ類(lèi)PI3K 亞型特異性抑制劑的抑制作用，PM 誘導(dǎo)的炎癥和粘液高分泌受PI3K 活化及其下游AKT 途徑的調(diào)節(jié)。提示AREG 通過(guò)EGFR-PI3K-AKT 通路在PM 誘導(dǎo)的炎癥和粘液高分泌中的作用。

2.5 microRNA-34a

Baker J R 等[17]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞衰老是由于復(fù)制性衰老和應(yīng)激相關(guān)衰老，衰老細(xì)胞分泌多種被稱(chēng)為衰老相關(guān)分泌表型(SASP)的炎性蛋白，導(dǎo)致輕度慢性炎癥，從而進(jìn)一步推動(dòng)衰老。關(guān)鍵的抗衰老分子sirtuin-1 和sirtuin-6 的丟失可能是加速衰老的重要原因，其原因是氧化應(yīng)激降低磷酸酶PTEN，從而激活PI3K 和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mallalian target of rapamycin，mTOR)。Barnes Peter J 等[18]研究表明microRNA-34a能夠直接、特異地調(diào)節(jié)支氣管上皮細(xì)胞sirtuin-1 和sirtuin-6 的表達(dá)，microRNA-34a 受PI3K-mTOR 信號(hào)調(diào)控，在降低sirtuin-1和sirtuin-6 中起關(guān)鍵作用，可以減少衰老標(biāo)志物，減少SASP，逆轉(zhuǎn)COPD 患者外周氣道上皮細(xì)胞的細(xì)胞周期阻滯。異常激活的磷脂酰肌醇3—激酶通過(guò)多種機(jī)制參與慢性阻塞性肺疾病，在各種氣道反應(yīng)中起重要作用，協(xié)調(diào)免疫細(xì)胞效應(yīng)器功能和氣道上皮應(yīng)激反應(yīng)，增強(qiáng)炎癥，調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞和炎性細(xì)胞(先天和獲得性)功能，增加對(duì)病毒和細(xì)菌呼吸道感染的易感性等。目前在破譯PI3K 在肺部疾病中的多重作用方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

3 磷脂酰肌醇3—激酶抑制劑在COPD 治療方面的研究

COPD 是一種性難治肺部疾病，可引起廣泛的不可逆轉(zhuǎn)的肺泡塌陷。Mirshahi M 等[19]發(fā)現(xiàn)磷酸二酯酶抑制劑(PDE4)和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)δ 抑制劑(IC87114)聯(lián)合應(yīng)用可以減輕慢性阻塞性肺疾病相關(guān)炎癥。PDE4 和PI3Kδ 抑制劑聯(lián)合應(yīng)用可以抑制CSE 刺激分化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤壞死因子α、MMP9。通過(guò)調(diào)節(jié)彈性蛋白酶活性來(lái)評(píng)估中性粒細(xì)胞的功能，測(cè)定聯(lián)合用藥對(duì)CSE 誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞凋亡的保護(hù)作用。對(duì)CSE 誘導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞凋亡有較好的保護(hù)作用，從而為COPD 患者評(píng)價(jià)其療效提供了依據(jù)。PDE4 和PI3Kδ 抑制劑聯(lián)合應(yīng)用于慢性阻塞性肺疾病患者的治療。除了提高現(xiàn)有藥物的療效外，這種組合還允許減少劑量，從而將任何不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。研究發(fā)現(xiàn)[20]磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)是位于許多細(xì)胞受體下游的信號(hào)級(jí)聯(lián)中的關(guān)鍵元件。PI3Kγ/δ 亞型有助于炎癥細(xì)胞的募集和隨后的激活。PI3Kγ/δ 亞型的小分子抑制劑TG100-115，作為哮喘和慢性阻塞性肺疾病等呼吸系統(tǒng)疾病抗炎治療的潛力。模擬慢性阻塞性肺疾病(COPD)的肺中性粒細(xì)胞增多的特征，將小鼠暴露在鼻腔內(nèi)脂多糖或吸入煙霧中。霧化TG100-115 再次抑制了這些炎癥模式，最明顯的是在煙霧模型中，克服了肺部炎癥的類(lèi)固醇抗藥性。霧化TG100-115 顯示出藥代動(dòng)力學(xué)、安全性和生物活性特征，有利于進(jìn)一步發(fā)展成為哮喘和慢性阻塞性肺病的治療藥物。這些研究支持PI3Kγ/δ 亞型是治療這些疾病的合適分子靶點(diǎn)。Fujita Akitaka 等[21]進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)選擇性的PI3Kδ 抑制劑IC87114 可以減輕PolyI：C 誘導(dǎo)的支氣管肺泡灌洗液中細(xì)胞總數(shù)、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞數(shù)量的增加，以及IL-6 和MIP1β 水平的升高，并能減輕Poly I：C 誘導(dǎo)的支氣管肺泡灌洗液中細(xì)胞總數(shù)、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞數(shù)量的增加。IC87114 可降低PolyI：C 誘導(dǎo)的原代支氣管上皮細(xì)胞(PBECs)中IL-6、IL-8 的分泌。肺部病毒感染的PBEC 中，IC87114 可以通過(guò)增強(qiáng)抗病毒干擾素反應(yīng)來(lái)促進(jìn)病毒的清除和清除，從而防止長(zhǎng)期的肺部炎癥。

4 總結(jié)與展望

COPD 是一種持續(xù)氣流受限的疾病，氣流限制是完全不可逆的，并且顯示出逐漸發(fā)展，這與肺部對(duì)有害氣體的異常炎癥反應(yīng)有關(guān)。急性加重和合并癥影響患者總體疾病的嚴(yán)重程度。病情惡化導(dǎo)致患者生活質(zhì)量下降，并最終發(fā)展為呼吸衰竭和肺源性心臟病。如果能及早預(yù)防和控制，則完全有可能有效控制疾病，改善生活質(zhì)量并延長(zhǎng)生存期。PI3K 抑制劑能夠保護(hù)毛細(xì)血管的內(nèi)皮屏障、抑制炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)和黏附、抑制上皮細(xì)胞的活化以及減少炎癥因子的釋放等。不同PI3K抑制劑的保護(hù)作用也有差異，這可能和藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、靶向部位以及藥動(dòng)學(xué)特點(diǎn)有關(guān)，提示PI3K 抑制劑可能成為慢性氣道疾病的一個(gè)治療的新靶點(diǎn)。一方面進(jìn)一步尋找不同PI3K抑制劑在COPD 治療中的作用及效果，為臨床治療提供指導(dǎo)，另一方面嘗試通過(guò)對(duì)PI3K 在COPD 發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制歸納分析，為臨床上預(yù)測(cè)COPD 發(fā)展方向提供指導(dǎo)，從而及早干預(yù)達(dá)到預(yù)防COPD 發(fā)生的可能。