呼吸重疊綜合征患者中性粒細胞凋亡機制的研究進展

李鑫，曹潔

(天津醫(yī)科大學總醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，天津300052)

呼吸重疊綜合征(respiratory overlap syndrome，OS)是指慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)與阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea，OSA)并存，同時存在間歇性低氧或持續(xù)性低氧。COPD與OSA均是心血管疾病的獨立危險因素。流行病學研究提示，明確診斷的OS患者占成年男性的1%［1］，但實際上無癥狀的睡眠呼吸障礙與COPD同時存在的概率更高。OS合并心血管疾病的發(fā)病機制復雜，目前尚不完全清楚。與單純患有COPD或OSA的患者相比，OS患者夜間動脈血氧飽和度降低、日間低氧血癥和高碳酸血癥更為顯著，且心血管改變更嚴重，包括肺動脈壓力升高、惡性心律失常和心功能衰竭等［1］。血管內(nèi)皮細胞功能受損是導致心血管疾病的直接原因，其中循環(huán)血白細胞與血管內(nèi)皮細胞接觸最多且最直接，而白細胞的存活情況和功能狀態(tài)是導致內(nèi)皮細胞功能障礙的主要細胞學機制［2］。多形核中性粒細胞(polymorphonuclear neutrophil，PMN)是人體主要的循環(huán)血白細胞，在宿主抵御病原體過程中起重要作用，但其存活時間延長會產(chǎn)生炎癥損傷。研究發(fā)現(xiàn)，PMN存活時間延長導致其與血管內(nèi)皮細胞間的相互作用時間增加，進而加重血管內(nèi)皮細胞損傷，出現(xiàn)心血管合并癥［3－6］?，F(xiàn)就OS患者PMN凋亡的機制予以綜述。

1 低氧條件下PMN凋亡的發(fā)生機制

PMN是一種壽命較短的效應細胞，若其存活時間延長則炎癥的消退延遲。PMN可釋放相應的酶和活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，導致周圍組織受損。為了防止衰老的PMN釋放有毒物質(zhì)，在生理條件下，活化的PMN會迅速凋亡，即出現(xiàn)細胞膜斑點化、細胞體收縮、細胞質(zhì)致密化、核染色質(zhì)凝結(jié)、基因組被內(nèi)切酶切割等一系列特征性的形態(tài)學變化;然后，凋亡的細胞被特異性的吞噬細胞(如組織巨噬細胞)識別、吞噬、清除，這種安全清除的機制可以維持PMN數(shù)量的穩(wěn)定，減少其釋放有害酶和ROS，因此PMN凋亡是調(diào)節(jié)其數(shù)量和功能的重要細胞過程，在維持PMN穩(wěn)態(tài)和減少炎癥損傷中發(fā)揮重要作用［7］。

PMN有內(nèi)源性和外源性兩條凋亡途徑，即線粒體凋亡途徑和死亡受體凋亡途徑。在內(nèi)源性凋亡途徑中，線粒體外膜通透性是凋亡的關(guān)鍵觸發(fā)因素［4］。B細胞淋巴瘤/白血?。?(B－cell lymphoma/leukemia－2，Bcl－2)家族是一組與細胞凋亡調(diào)控密切相關(guān)的基因。Bcl－2基因家族包括促凋亡基因和抗凋亡基因，而促凋亡基因與抗凋亡基因的表達水平?jīng)Q定了細胞的存活，Bcl－2家族中的兩個促凋亡蛋白Bcl－2相關(guān)X蛋白和Bcl－2同源拮抗物均可介導線粒體膜的通透性，參與凋亡小體的形成，誘導下游胱天蛋白酶(caspase)相關(guān)的級聯(lián)反應，啟動PMN內(nèi)源性凋亡程序［8］。在外源性途徑中，PMN凋亡是由細胞死亡受體復合物(包括Fas受體、腫瘤壞死因子受體Ⅰ和腫瘤壞死因子受體Ⅱ等)的交聯(lián)啟動。死亡受體與死亡相關(guān)蛋白結(jié)合后可以進一步結(jié)合初始caspase，形成凋亡信號轉(zhuǎn)導復合物;初始caspase與死亡受體結(jié)合導致caspase－8前體分子聚集水解，進一步激活下游的caspase－3，caspase－3是細胞凋亡的末端效應器，可啟動促凋亡程序;而腫瘤壞死因子受體Ⅰ可通過激活核因子κB(nuclear factor－κB，NF－κB)通路調(diào)控PMN凋亡，促進PMN存活［4］。

COPD以持續(xù)氣流受限、肺泡壁破壞、PMN浸潤和反復感染為主要特征。COPD的血管功能障礙可能是炎癥損傷、內(nèi)皮功能障礙和結(jié)締組織退化等因素共同作用的結(jié)果。有證據(jù)表明，氣道炎癥是COPD患者氣道重塑和肺泡實質(zhì)破壞的核心，PMN釋放ROS和絲氨酸蛋白酶(中性粒細胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶G以及基質(zhì)金屬蛋白酶等)導致肺泡破壞［9］。在COPD發(fā)病和全身多系統(tǒng)損傷過程中，慢性持續(xù)低氧起重要作用。在慢性缺氧情況下，NF－κB及其下游炎癥通路、免疫通路被激活，引發(fā)一系列氧化應激和炎癥反應。研究顯示，在COPD患者的外周血中，PMN、血小板、黏附分子、炎癥細胞因子和ROS的表達均顯著增加［5］。Saetta等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在COPD患者的大、小氣道和肺實質(zhì)中PMN和CD8+T淋巴細胞的表達均增加。另有研究發(fā)現(xiàn)，在COPD穩(wěn)定期和急性加重期，誘導痰液和肺泡灌洗液中的PMN計數(shù)、PMN衍生酶水平均增加，PMN自發(fā)凋亡的百分率則顯著降低;COPD癥狀的嚴重程度與肺泡灌洗液中PMN的活化直接相關(guān)，痰液中PMN的百分比與COPD呼吸困難評分及預后直接相關(guān)［7］。PMN凋亡減少和PMN功能障礙均與COPD患者預后不良相關(guān)［11］。COPD患者的PMN和相關(guān)炎癥分子表達水平升高，進一步增加了PMN與內(nèi)皮細胞的相互作用，促進血管損傷的發(fā)生［12］。

OSA是一種在睡眠過程中出現(xiàn)吸氣和呼氣容積受限并伴有間歇性低氧的睡眠呼吸障礙性疾病。OSA的血管損傷機制除交感神經(jīng)興奮、內(nèi)皮功能障礙和代謝失調(diào)外，還包括缺氧、炎癥和氧化應激［13］。OSA的缺氧模式是間歇性的，更易誘導ROS生成，進一步導致包括NF－κB在內(nèi)的多種氧化應激和炎癥反應信號通路的激活。NF－κB通路激活導致其下游產(chǎn)物(包括腫瘤壞死因子、白細胞介素、黏附因子、趨化蛋白等)在組織和細胞中的生成增加［14］。而趨化蛋白、黏附因子、選擇素和炎癥因子的過表達可引起PMN凋亡延遲，并增加PMN與內(nèi)皮細胞間的相互作用，誘發(fā)內(nèi)皮細胞凋亡和損傷［15－16］。Rubinstein［17］發(fā)現(xiàn)，OSA患者鼻黏膜中的PMN百分比增加;Salerno等［18］研究發(fā)現(xiàn)，OSA患者誘導痰液中的PMN數(shù)量增加。

OS患者同時伴有上、下呼吸道阻塞，且多發(fā)生于肥胖人群。OSA的發(fā)病機制包括解剖因素(如上氣道塌陷)和非解剖因素(上氣道肌肉反應、睡眠中呼吸相關(guān)覺醒和呼吸中樞抑制)。OS患者中，COPD可通過多種機制影響OSA的發(fā)生，導致OS患者與單純OSA、單純CPPD患者在病理生理方面存在差異。OS患者在睡眠呼吸障礙發(fā)作期間也表現(xiàn)為間歇性低氧血癥，但其夜間血氧飽和度降低更顯著［19］。COPD、OSA單獨存在均可能導致持續(xù)的炎癥狀態(tài)，而相關(guān)研究顯示，OS患者全身和肺部炎癥反應更顯著，氣道PMN數(shù)量增多，存在更嚴重的PMN凋亡延遲［19－20］。

在低氧環(huán)境下，PMN的凋亡在體內(nèi)、外均受到嚴重抑制。低氧既可激活NF－κB通路，也可活化低氧誘導因子1(hypoxia－inducible factor－1，HIF－1)通路。研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)低氧條件下，PMN凋亡主要通過HIF－1通路發(fā)揮調(diào)節(jié)細胞凋亡的作用;在間歇性低氧條件下，PMN凋亡主要通過NF－κB通路發(fā)揮抗細胞凋亡的作用;COPD與OSA患者均存在低氧，但兩者的低氧模式存在本質(zhì)區(qū)別，故導致PMN凋亡的分子機制也可能不同，與持續(xù)低氧相比，間歇性低氧對PMN凋亡的抑制作用更顯著［21］。在OS患者中，間歇性低氧血癥和持續(xù)性低氧血癥均會出現(xiàn)，因此可同時激活NF－κB和HIF－1信號通路，并通過多種機制發(fā)生相互作用，進一步激活p38促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)通路，導致抗凋亡基因(如髓細胞白血病基因－1)的活化和PMN凋亡減少［22］。OS模式下，PMN凋亡受到抑制，黏附因子釋放增加，PMN與血管內(nèi)皮細胞間的相互作用增強，氧化應激和炎癥反應加劇，進一步導致凝血因子活性增強、毛細血管阻塞，引起OS患者血管內(nèi)皮功能障礙，導致心血管合并癥加重［23－25］。因此，OS的不良影響可能是協(xié)同作用而不是疊加作用。

2 低氧條件下參與PMN凋亡調(diào)控的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

低氧誘導下，PMN凋亡與多種調(diào)控因子作用密切相關(guān)。通常情況下，PMN同時暴露于促凋亡和抗凋亡因子中，促凋亡和抗凋亡因子的平衡決定了PMN的存活。但與其他細胞不同，持續(xù)性低氧和間歇性低氧在體外和體內(nèi)均可顯著抑制PMN凋亡。在低氧條件下，多種信號通路和調(diào)控分子被激活，參與PMN凋亡過程的調(diào)控。

2.1 NF－κB NF－κB可通過調(diào)節(jié)細胞因子和黏附分子的表達參與動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展。白細胞介素－8是PMN存活蛋白，可結(jié)合PMN表面的CXC趨化因子受體1和CXC趨化因子受體2，使PMN凋亡延遲［26］。NF－κB可作為基因的調(diào)控者，控制PMN存活基因Bcl－2家族的表達和白細胞介素的合成;在靜息細胞中，NF－κB與其抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor－κB，IκB)形成復合體，以無活性形式存在于胞質(zhì)中;當細胞受到胞外信號刺激時，IκB激酶活化并將IκB磷酸化，使NF－κB暴露核定位位點，而游離的NF－κB迅速移位至細胞核與應答基因DNA的一致位點結(jié)合;PMN中的NF－κB活性調(diào)節(jié)機制與其他細胞最重要的區(qū)別為新合成的IκB可進入細胞核，從基因啟動子中轉(zhuǎn)運NF－κB至胞質(zhì)［27］。研究發(fā)現(xiàn)，NF－κB介導的炎癥反應與動脈粥樣硬化、胰島素抵抗、2型糖尿病等疾病的發(fā)生相關(guān)［28］。內(nèi)皮細胞體外模型顯示，間歇性低氧可激活NF－κB［29］。與單純肥胖者相比，OSA患者的NF－κB活性和PMN表達水平均顯著升高［30］。而持續(xù)正壓通氣可減少OSA患者腫瘤壞死因子、黏附分子、趨化蛋白等NF－κB靶基因的表達［31］。

2.2 HIF－1 HIF－1是一種由HIF－1α和HIF－1β亞基組成的異二聚體復合物，但主要通過HIF－1α亞基參與組織細胞對低氧環(huán)境的適應［32］。研究發(fā)現(xiàn)，HIF－1α在患者血清中的表達與OSA的發(fā)生、發(fā)展及其并發(fā)癥的發(fā)生均相關(guān)［33］。在低氧環(huán)境下，細胞可通過磷脂酰肌醇－3－激酶/蛋白激酶B通路和MAPK通路增加HIF－1α的生成，并與HIF－1β形成穩(wěn)定的異源二聚體結(jié)構(gòu)［34］。作為信號轉(zhuǎn)導的中樞，HIF－1α被激活后可誘導血管內(nèi)皮生長因子、內(nèi)皮素、促紅細胞生成素以及誘導型一氧化氮合酶的生成，促進紅細胞和循環(huán)系統(tǒng)血管內(nèi)皮細胞增殖以及血管重塑，通過調(diào)節(jié)其下游相關(guān)產(chǎn)物的表達而發(fā)揮效應［32］。研究表明，在輕度缺氧時，HIF－1α發(fā)揮抑制細胞凋亡的作用;而在長期重度缺氧時，HIF－1α發(fā)揮誘導細胞凋亡的作用［35］。HIF－1α可能通過對p53、Bcl－2家族促凋亡和抗凋亡蛋白的調(diào)節(jié)發(fā)揮作用。caspase－3是死亡受體凋亡途徑和線粒體凋亡途徑中凋亡信號轉(zhuǎn)導的關(guān)鍵節(jié)點和連接點，是細胞凋亡信號的執(zhí)行者。HIF－1α通路被抑制后，可增加細胞凋亡蛋白酶(caspase－9和caspase－3)的生成，進一步通過磷脂酰肌醇－3－激酶/蛋白激酶B通路改變Bcl－2家族促凋亡和抗凋亡基因的表達［21］。HIF－1α在不同細胞和組織中誘導細胞凋亡的機制也不同。有研究顯示，在低氧環(huán)境中PMN凋亡的抑制取決于HIF－1α的活化［36－37］。Talla等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在低氧條件下，人PMN的形態(tài)發(fā)生顯著改變，胞質(zhì)中出現(xiàn)許多新的空泡，其自發(fā)凋亡被抑制，存活時間延長;PMN凋亡的抑制與磷脂酰絲氨酸表達減少及caspase－3激活延遲相關(guān)，且伴隨HIF－1α及其目標基因表達水平的升高;HIF－1的激活是調(diào)控PMN凋亡的重要組成部分，而應用二甲氧基巰基甘氨酸可以抑制這一過程，進一步延長PMN在低氧條件下的存活時間。

2.3 p38 MAPK p38 MAPK是另一個與PMN死亡相關(guān)的存活信號。p38 MAPK的激活可介導PMN凋亡，并參與低氧誘導的NF－κB活化，導致Bcl－2家族和白細胞介素－8過表達［38－39］。因此，應用p38 MAPK抑制劑可抑制NF－κB的活性。另外，p38 MAPK可降低細胞凋亡蛋白酶活性，導致其磷酸化，延緩PMN凋亡;同時，低氧條件下激活的p38 MAPK也可通過誘導Bcl－2家族抗凋亡基因髓細胞白血病基因－1的活化，延緩PMN凋亡［39］。在持續(xù)性低氧或間歇性低氧條件下，p38 MAPK通路均可發(fā)揮延緩細胞凋亡的作用，降低p38 MAPK活性則可下調(diào)低氧條件下PMN的存活率，故應用相關(guān)p38 MAPK抑制劑可促進PMN凋亡，達到治療的目的［40］。

2.4 ROS ROS由過氧化氫、羥基自由基、單態(tài)氧等一系列不穩(wěn)定分子組成。ROS是線粒體呼吸過程中產(chǎn)生的高活性分子，可作為信號分子在維持細胞功能和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。但ROS產(chǎn)生過多也會對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸造成損傷，可引起氧化損傷或誘導細胞凋亡。ROS介導的氧化還原信號通路受各種分子和翻譯后修飾的嚴格調(diào)控，而ROS信號失調(diào)可導致細胞功能失調(diào)，進而導致各種病變(如腫瘤、炎癥性疾病和神經(jīng)退行性變)的發(fā)生［41－42］。有研究發(fā)現(xiàn)，COPD和OSA的氧化應激損傷均與ROS的產(chǎn)生密切相關(guān)［43］。ROS活化的靶點為caspase、磷脂酰肌醇－3－激酶/蛋白激酶B通路分子和NF－κB，同時ROS也能介導死亡受體的聚集，并快速活化p38 MAPK通路［44］。目前有文獻證實，ROS可直接引起PMN凋亡［44－45］，但ROS參與PMN凋亡的確切信號轉(zhuǎn)導通路目前尚不明確。ROS可能通過直接氧化DNA、修飾蛋白質(zhì)和酶等途徑調(diào)節(jié)PMN凋亡的過程［46］。過氧化氫是ROS調(diào)節(jié)生物活性的主要氧化還原介質(zhì)，也是PMN凋亡機制的中間介質(zhì)，其氧化產(chǎn)物羥基自由基可能在PMN凋亡中起關(guān)鍵作用［47］。研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫的濃度與PMN的凋亡率相關(guān)，過氧化氫表達減少可抑制PMN凋亡，同時增加白細胞介素的表達［22，47］?？寡趸瘎┛赏ㄟ^抑制ROS的累積以及結(jié)合NF－κB通路的下游產(chǎn)物，促進PMN凋亡。ROS還與生存信號的轉(zhuǎn)導相關(guān)，NF－κB激活可能參與PMN生存信號的轉(zhuǎn)導，提高PMN中過氧化氫含量可導致NF－κB活化，而PMN暴露于過氧化氫中可抑制NF－κB的核易位;此外，ROS的分子類型對PMN凋亡也有一定影響［48］。

3 小 結(jié)

恢復PMN正常的凋亡節(jié)律可減少PMN與血管內(nèi)皮細胞的相互作用以及由于存活時間延長而導致的有害酶和炎癥因子的釋放，減輕OS患者的全身氧化應激和炎癥反應，減少心血管合并癥的損害。因此，更好地理解PMN凋亡的分子機制對于尋找新的治療靶點至關(guān)重要。阻斷或削弱NF－κB、HIF－1通路可促進PMN凋亡、抑制白細胞介素－8等前炎癥因子的產(chǎn)生，從而對COPD、OSA以及OS患者產(chǎn)生保護作用。在OS患者中，低氧誘導PMN凋亡的機制可能更復雜，未來需開展更多關(guān)于OS患者低氧導致PMN凋亡延遲的相關(guān)分子機制的研究，為減少OS患者的心血管損害提供新思路。