α-1抗胰蛋白酶的研究進(jìn)展及與心血管疾病的關(guān)系

黃達(dá) 劉燕 黃照河

【關(guān)鍵詞】 α1-抗胰蛋白酶;COPD;心血管疾病

中圖分類號：R543 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2021.05.013

α1-抗胰蛋白酶（alpha1-antitrypsin，A1AT）是一種絲氨酸蛋白酶及中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶抑制劑，具有很強(qiáng)的蛋白酶抑制能力，幾乎占據(jù)了血漿總蛋白酶抑制能力的90%以上，最初研究發(fā)現(xiàn)A1AT缺乏主要與慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）有關(guān)，隨著研究的進(jìn)展，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)A1AT與肺炎、肝臟疾病及心血管疾病的發(fā)生具有密切關(guān)系。本文對A1AT的研究發(fā)展史和最新研究進(jìn)展及其與心血管疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述，闡述A1AT的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及生理功能，對A1AT與肺炎、肝臟疾病發(fā)生發(fā)展關(guān)系及其與心血管疾病的關(guān)系展開探討。

1 A1AT的發(fā)展史與流行病學(xué)

人血漿抗蛋白酶最早是在19世紀(jì)末由FERMI 和PERNOSSI發(fā)現(xiàn)的。直到1955年，SCHULTZE才從血液中分離出具有抗胰蛋白酶活性的蛋白質(zhì)，并將其命名為α1-抗胰蛋白酶，其具有抑制胰蛋白酶的能力[1～2]。1963年，LAURELL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)肺氣腫患者具有肺氣腫家族史，并發(fā)現(xiàn)α1抗胰蛋白酶缺乏。隨著研究的進(jìn)展，20世紀(jì)80年代，人們合成了人類A1AT，其基因被測序和克隆，并定位于14號染色體的長臂上[3]。隨著基因技術(shù)的不斷深入研究，人們也開啟了A1AT與人類疾病的進(jìn)一步相關(guān)性研究[4]。這些聚合物在肝細(xì)胞中積累并造成肝臟損傷，以及循環(huán)缺乏A1AT，導(dǎo)致中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶肺破壞和肺氣腫[5～6]。

A1AT缺乏分布于世界各地，但其發(fā)病率與人種分布有很大關(guān)系。以歐洲人為主，每1500～3500個(gè)人中就有1人患有A1AT缺乏[7]，亞洲人后裔不常見。在美國有8萬到10萬人嚴(yán)重缺乏A1AT，這表明該疾病沒有得到充分的認(rèn)識。據(jù)估計(jì)，全世界有300多萬人擁有A1AT嚴(yán)重缺乏[8]。A1AT缺乏是唯一已知的COPD的遺傳危險(xiǎn)因素[9]，在所有COPD病例中，A1AT缺乏引起的肺部疾病在成年后任何年齡段都可以出現(xiàn)[10]。隨著對A1AT研究的深入，復(fù)發(fā)的神經(jīng)炎和系統(tǒng)血管炎也被發(fā)現(xiàn)與A1AT缺乏有關(guān)[8，11]。

2 A1AT的結(jié)構(gòu)功能與疾病的關(guān)系

A1AT缺陷是一種單基因疾病，由位于14號染色體上的SERPINA基因突變引起。A1AT有418個(gè)氨基酸，該SERPINA基因編碼A1AT，也稱為α1-蛋白酶抑制劑（alpha1-proteinase inhibitor 1-PI，α1-PI），分子量為52 kDa，它通過抑制蛋白水解酶，特別是中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）在肺中起保護(hù)作用，這種酶是在炎癥反應(yīng)中釋放的。在缺乏足夠水平的α1-PI的情況下，蛋白酶-抗蛋白酶平衡被打破，不受抑制的NE可能導(dǎo)致進(jìn)行性肺氣腫[12]。SERPINA基因極易發(fā)生突變，產(chǎn)生正常水平的α1-PI的個(gè)體是（正常水平的）M等位基因的PI*MM純合子。大多數(shù)嚴(yán)重A1AT缺乏的人的Z等位基因（PI*ZZ）是純合子的，并且α1-PI水平不足，而導(dǎo)致S等位基因的突變也很常見，導(dǎo)致α1-PI[12～13]水平較低。超過100個(gè)等位基因已經(jīng)被鑒定出來，但并不是所有的等位基因都與該疾病有關(guān)。α1-PI水平降低，但可增加疾病的風(fēng)險(xiǎn)，特別是吸煙者[14]。在PI*ZZ個(gè)體中，異常α1-PI在肝細(xì)胞中積累并在肝臟長期存在，這可能導(dǎo)致肝損傷、肝硬化和與A1AT缺乏相關(guān)的肝疾病[15]?；加小翱铡蓖蛔兊膫€(gè)體不產(chǎn)生α1-PI[16]，空等位基因不會(huì)引起肝病，但可能導(dǎo)致肺疾病。A1AT基因是高度多態(tài)性的，存在各種突變，其中大多數(shù)都是點(diǎn)突變。已知的A1AT突變有Z突變、Siiyama（Si）突變、I突變、S突變、Brescia（Br）突變和King（K）突變。A1AT缺乏由腺嘌呤取代鳥嘌呤（Glu342 GAG → ΔLys AAG）導(dǎo)致反應(yīng)中心環(huán)和β片A之間的失真。它將一個(gè)A1AT分子的反應(yīng)環(huán)與另一個(gè)分子的β-A連接起來形成β-A折疊（圖1）[17]。這個(gè)過程延伸形成環(huán)狀板聚合物鏈。這些聚合物形成包涵體，并保留在肝細(xì)胞中，從而導(dǎo)致個(gè)體之間廣泛不同的各種臨床表現(xiàn)，從無癥狀直至致命的肝或肺疾病。肺臟疾病表現(xiàn)為肺氣腫、慢性支氣管炎、支氣管擴(kuò)張、支氣管哮喘等。肝臟疾病主要表現(xiàn)為肝炎、肝硬化、肝癌、肝衰竭等。肝臟疾病的主要特點(diǎn)是炎癥、輕度壞死、脂肪變性以及纖維化改變。

3 A1AT生物學(xué)效應(yīng)與疾病發(fā)生的關(guān)系

超過80%的A1AT是由肝細(xì)胞合成和分泌的，其他則由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、胰腺、肺泡細(xì)胞、腸細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及一些癌癥合成和分泌的，人類每天產(chǎn)生34 mg/kg。在急性期反應(yīng)中，A1AT水平增加了4倍，80%從血漿中擴(kuò)散到間質(zhì)組織，0.5%～10%到達(dá)生物液，包括肺泡液、唾液、眼淚、牛奶、精液、膽汁、尿和腦脊液[18～19]。除了抑制中性粒細(xì)胞、胰腺或細(xì)菌過量的游離彈性酶外，A1AT還抑制蛋白酶-3、中性粒細(xì)胞過氧化物酶G和α防御蛋白、肥大細(xì)胞胰蛋白酶和胰蛋白酶、胰腺胰蛋白酶、T淋巴細(xì)胞粒酶B、循環(huán)激蛋白、凝血級聯(lián)絲氨酸蛋白酶漿蛋白、凝血酶、尿激酶和因子Xa[20～21]。A1AT已從一種簡單的急性反應(yīng)蛋白進(jìn)化為一種多功能抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抗感染和組織修復(fù)分子[22]，這些新的活性促進(jìn)越來越多的臨床研究和新的藥理制劑發(fā)展，同時(shí)人們尋找A1AT的替代來源（包括轉(zhuǎn)基因和重組A1AT）以滿足對這種蛋白質(zhì)日益增長的需求，并且在A1AT缺乏的情況下治療大量疾病。A1AT的潛在新應(yīng)用正在取得重大進(jìn)展。例如，霧化吸入A1AT（霧化或干粉吸入）臨床可用于治療α和非α患者COPD、囊性纖維化、支氣管擴(kuò)張或支氣管哮喘[23]。此外，靜脈注射A1AT在自身免疫性糖尿病1型、克羅恩病、移植物抗宿主病、移植排斥反應(yīng)、多發(fā)性硬化癥、系統(tǒng)性血管炎、纖維肌痛、慢性疲勞綜合征、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、人類免疫缺陷病毒（HIV）、流感病毒和其他類型的感染、復(fù)發(fā)泛性炎、心肌梗死和可能的其他炎癥、免疫學(xué)和感染性疾病中也顯示出療效[24～25]。

4 A1AT與心血管疾病的關(guān)系

動(dòng)脈粥樣硬化是一個(gè)多因素慢性炎癥過程，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是內(nèi)皮細(xì)胞分泌炎癥因子，后者通過炎癥反應(yīng)、增生等形成過程涉及巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）、脂質(zhì)和膠原等作用。而A1AT在動(dòng)脈粥樣硬化的形成過程中起著關(guān)鍵的作用。冠心病是炎癥性疾病，尤其以急性冠脈綜合征（ACS）為典型代表，其發(fā)病基礎(chǔ)是動(dòng)脈粥樣硬化，我們收集的臨床資料發(fā)現(xiàn)，A1AT缺乏與ACS呈正相關(guān)[26]，A1AT缺乏所致的COPD與心血管疾病存在密切關(guān)系，但這一問題仍有爭議[27]。有研究認(rèn)為A1AT屬于急性期反應(yīng)蛋白，炎癥性疾病受外界多種細(xì)胞因子刺激可迅速增高。1983年，GILUTZ等人[28]在急性心肌梗死患者首次證實(shí)血漿中A1AT水平升高。隨后，A1AT與心血管疾病的研究越來越多，BRUNETTI等[29]發(fā)現(xiàn)在不穩(wěn)定型心絞痛患者血漿中A1AT水平明顯升高。ZHAO等[30]在2015年首次發(fā)現(xiàn)A1AT與冠狀動(dòng)脈狹窄程度呈正相關(guān)。因此，A1AT水平很可能是冠心病的一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素。其機(jī)理可能是A1AT通過抑制TNF-α等炎癥信號通路抑制炎癥反應(yīng)[31]。研究表明[32]，A1AT可通過抑制彈性蛋白酶及膠原酶，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)及膠原的降解，促進(jìn)纖維化的形成而穩(wěn)定斑塊;另一方面，其通過抑制彈性蛋白酶作用，減輕炎癥反應(yīng)從而抗動(dòng)脈粥樣硬化。基于A1AT的特性中具有抑制炎癥因子的作用，近些年也開啟了A1AT用于冠心病的治療探索。冠心病的發(fā)生發(fā)展與炎癥因子密切相關(guān)，國外最新研究發(fā)現(xiàn)A1AT可以抑制IL-1的產(chǎn)生，從而影響ACS的預(yù)后[33]。FENG等[34]研究發(fā)現(xiàn)缺血再灌注損傷過表達(dá)A1AT或利用外源性A1AT診療可增加SOD活性，進(jìn)而減少心肌缺血再灌注損傷;而SOD是炎癥氧化應(yīng)激的重要產(chǎn)物，這充分說明A1AT在心肌缺血再灌注損傷時(shí)通過抑制炎癥反應(yīng)抗氧化應(yīng)激而起到保護(hù)心肌的作用。隨著研究的進(jìn)展，A1AT在心血管疾病的診治范圍不斷拓展，2019年LUBRANO等人[35]研究發(fā)現(xiàn)A1AT在心力衰竭的治療中起至關(guān)重要的作用，A1AT過表達(dá)或外源性A1AT治療具有抗氧化應(yīng)激作用，減少心肌細(xì)胞凋亡，通過上調(diào)eNOS及下調(diào)MMP9而參與心力衰竭的發(fā)生。而且，近期研究發(fā)現(xiàn)A1AT rs1303 （PiM3M3）突變可能與房間隔瘤有關(guān)[36]。

5 小結(jié)與展望

A1AT作為一種絲氨酸蛋白酶及中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶抑制劑，具有抑制炎癥反應(yīng)的作用，其可能通過抑制炎癥反應(yīng)起到抗心肌損傷的作用。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)A1AT與心血管疾病發(fā)病關(guān)系密切，因此其對心血管疾病的影響具有兩面性，可見仍需要深入研究其機(jī)理，可能會(huì)為心血管疾病的防治提供新的方向。然而，目前關(guān)于A1AT在心血管疾病中的作用機(jī)制研究甚少，而且作用機(jī)制尚不明確，因此我們需要更加深入的研究來探究A1AT的作用機(jī)理，以為臨床防治心血管疾病開辟新的思路。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]SCHULZE A J， HUBER R， DEGRYSE E， et al. Inhibitory activity and conformational transition of alpha 1-proteinase inhibitor variants[J]. Eur J Biochem，1991，202（3）：1147-1455.

[2]AN C， RAGAN E J， KANOST M R. Serpin-1 splicing isoform J inhibits the proSptzle-activating proteinase HP8 to regulate expression of antimicrobial hemolymph proteins in Manduca sexta[J]. Dev Comp Immunol，2011，35（1）：135-141.

[3]LONG G L，CHANDRA T，WOO S L，et al.Complete sequence of the cDNA for human alpha 1-antitrypsin and the gene for the S variant[J].Biochemistry，1984，23（21）：4828-4837.

[4]TRINH H N，JANG S H，LEE C.Functional characterization of a SNP （F51S） found in human alpha 1-antitrypsin[J].Mol Genet Genomic Med，2019，7（8）：e819.

[5]DAMIA??SKI P，KUNA P，PANEK M.Generalized emphysema and chronic obstructive pulmonary disease in a farmer，non-smoker - the more we seek，the more we find[J].Pol Merkur Lekarski，2019，47（278）：70-71.

[6]HUNT A M D，GLASGOW A M A，HUMPHREYS H，et al.Alpha-1 antitrypsin-A target for MicroRNA-based therapeutic development for cystic fibrosis[J].Int J Mol Sci，2020，21（3）：E836.

[7]MESEEHA M， ATTIA M. Alpha 1 Antitrypsin Deficiency[M]. In： StatPearls [Internet]. Treasure Island （FL）：StatPearls Publishing，2021： 28723059.

[8]CURJURIC I，IMBODEN M，BETTSCHART R，et al.Alpha-1 antitrypsin deficiency：From the lung to the heart？[J].Atherosclerosis，2018，270：166-172.

[9]PERVAKOVA M Y，MAZING A V，LAPIN S V，et al.High serum level of IL-17 in patients with chronic obstructive pulmonary disease and the alpha-1 antitrypsin PiZ allele[J].Pulm Med，2020，2020：9738032.

[10]TOPIC A，MILOVANOVIC V，LAZIC Z，et al.Oxidized alpha-1-antitrypsin as a potential biomarker associated with onset and severity of chronic obstructive pulmonary disease in adult population[J].COPD，2018，15（5）：472-478.

[11]HADZIK-BLASZCZYK M， ZDRAL A， ZIELONKA T M， et al. SERPINA1 Gene Variants in Granulomatosis with Polyangiitis[J]. Adv Exp Med Biol，2018，1070：9-18.

[12]CROSSLEY D，STOCKLEY R，SAPEY E.Alpha-1 antitrypsin deficiency and accelerated aging：a new model for an old disease？[J].Drugs Aging，2019，36（9）：823-840.

[13]PERCIACCANTE A，CHARLIER P，NEGRI C，et al.Lessons from the past：some histories of alpha-1 antitrypsin deficiency before its discovery[J].COPD，2018，15（1）：1-3.

[14]MOLLOY K，HERSH C P，MORRIS V B，et al.Clarification of the risk of chronic obstructive pulmonary disease in α1-antitrypsin deficiency PiMZ heterozygotes[J].Am J Respir Crit Care Med，2014，189（4）：419-427.

[15]BRANTLY M，CAMPOS M，DAVIS A M，et al.Detection of alpha-1 antitrypsin deficiency：the past，present and future[J].Orphanet J Rare Dis，2020，15（1）：96.

[16]PAVI ELAP I，NJEGOVAN M，et al.Α-1 antitrypsin genotype-phenotype discrepancy in a 42-year-old man who carries the null-allele[J].Lab Med，2020，51（3）：301-305.

[17]HIRAI T. [α1-Antitrypsin deficiency][J]. Nihon Rinsho， 2016，74（5）：869-873.

[18]GUILLAUD O，DUMORTIER J，TRACLET J，et al.Assessment of liver fibrosis by transient elastography （Fibroscan） in patients with A1AT deficiency[J].Clin Res Hepatol Gastroenterol，2019，43（1）：77-81.

[19]MCNULTY M J，SILBERSTEIN D Z，KUHN B T，et al.Alpha-1 antitrypsin deficiency and recombinant protein sources with focus on plant sources：Updates，challenges and perspectives[J].Free Radic Biol Med，2021，163：10-30.

[20]DE LOYOLA M B，DOS REIS T T A，DE OLIVEIRA G X L M，et al.Alpha-1-antitrypsin：a possible host protective factor against Covid-19[J].Rev Med Virol，2021，31（2）：e2157.

[21]AZOUZ N P，KLINGLER A M，CALLAHAN V，et al.Alpha 1 antitrypsin is an inhibitor of the SARS-CoV-2-priming protease TMPRSS2[J].bioRxiv，2020：2020.05.04.077826.

[22]GOLIZEH M，WINTER K，ROUSSEL L，et al.Fecal host biomarkers predicting severity of Clostridioides difficile infection[J].JCI Insight，2021，6（1）：142976.

[23]LIN H，CHEN M，TIAN F，et al.α1-Anti-trypsin improves function of porcine donor lungs during ex-vivo lung perfusion[J].J Heart Lung Transplant，2018，37（5）：656-666.

[24]趙燕，曹盛楠，孫國棟，等.干擾小RNA沉默α1抗胰蛋白酶對類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎成纖維細(xì)胞的作用探討[J].中華風(fēng)濕病學(xué)雜志，2019，23（9）：617-622，插頁9-2.

[25]OH JAEYEONG.α1抗胰蛋白酶對糖尿病鼠創(chuàng)面愈合的影響及其機(jī)制研究[D].長春：吉林大學(xué)，2019.

[26]LIU Y，HUANG D，LI B L，et al.Association between α1-antitrypsin and acute coronary syndrome[J].Exp Ther Med，2020，20（5）：119.

[27]蔣偉，王妍.人α1-抗胰蛋白酶與慢性阻塞性肺病的相關(guān)性及其作用機(jī)制的研究進(jìn)展[J].中國生物制品學(xué)雜志，2020，33（11）：1317-1320.

[28]GILUTZ H， SIEGEL Y， PARAN E， et al. Alpha 1-antitrypsin in acute myocardial infarction[J]. Br Heart J， 1983，49（1）：26-29.

[29]BRUNETTI N D， CORREALE M， PELLEGRINO PL， et al. Acute phase proteins in patients with acute coronary syndrome： Correlations with diagnosis， clinical features， and angiographic findings[J]. Eur J Intern Med， 2007，18（2）：109-117.

[30]ZHAO H，LIU H，CHAI L，et al.Plasma α1-antitrypsin[J].Chin Med J，2015，128（6）：755-761.

[31]ZHU X，CHEN C，ZHANG B，et al.Acute effects of personal exposure to fine particulate matter on salivary and urinary biomarkers of inflammation and oxidative stress in healthy adults[J].Chemosphere，2021，272：129906.

[32]MAHTA A，YAGHI S，REZNIK ME，et al.Serum alpha-1 antitrypsin in acute ischemic stroke：a prospective pilot study[J].J Clin Neurosci，2020，76：20-24.

[33]MELANDER O，MODREGO J，ZAMORANO-LE N J J，et al.New circulating biomarkers for predicting cardiovascular death in healthy population[J].J Cell Mol Med，2015，19（10）：2489-2499.

[34]FENG Y L，HU L Q，XU Q，et al.Cytoprotective role of alpha-1 antitrypsin in vascular endothelial cell under hypoxia/reoxygenation condition[J].J Cardiovasc Pharmacol，2015，66（1）：96-107.

[35]LUBRANO V，BALZAN S.Role of oxidative stress-related biomarkers in heart failure：galectin 3，α1-antitrypsin and LOX-1：new therapeutic perspective？[J].Mol Cell Biochem，2020，464（1/2）：143-152.

[36]CAGLAR F N T，ISIKSACAN N，BIYIK I，et al.Is there any association between rs1303 （Pi*M3） variant of alpha-1 antitrypsin gene and atrial septal aneurysm development？[J].J Card Surg，2019，34（11）：1215-1219.

（收稿日期：2021-03-30 修回日期：2021-04-21）

（編輯：潘明志）