cAMP/Epac信號通路在ARDS中的作用研究進展

陳洪流 李超乾

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是指各種肺內(nèi)和肺外致病因素所導(dǎo)致的急性彌漫性肺損傷和進而發(fā)展的急性呼吸衰竭。雖然ARDS的發(fā)病機制尚未完全闡明,但主流的觀點認(rèn)為炎性反應(yīng)介導(dǎo)的肺泡上皮細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷是促進ARDS發(fā)生、發(fā)展的重要因素。盡管經(jīng)過了幾十年的研究,ARDS的病死率依舊高達40%左右[1]。而目前ARDS的治療仍以病因控制和支持治療為主,尚缺乏有效的治療藥物。近年來研究發(fā)現(xiàn),cAMP/Epac信號通路參與炎性反應(yīng)、血管內(nèi)皮和肺上皮屏障功能、凝血功能、肺成纖維細(xì)胞分化等調(diào)控過程,這些作用可能與ARDS的發(fā)生、發(fā)展有所關(guān)聯(lián)。因此本文就cAMP/Epac信號通路在ARDS中的作用做一綜述,以尋找ARDS防治的新靶點。

一、cAMP/Epac信號通路概述

環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)是作用最廣泛的第二信使,參與調(diào)控一系列不同的生理過程,包括鈣轉(zhuǎn)運、門控離子通道、骨骼肌和平滑肌收縮、學(xué)習(xí)和記憶、細(xì)胞生長、分化、凋亡和炎癥等[2]。多種細(xì)胞外配體與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合,可激活膜結(jié)合型腺苷酸環(huán)化酶,從而催化三磷酸腺苷生成cAMP。G蛋白偶聯(lián)受體通過腺苷酰基環(huán)化酶和cAMP磷酸二酯酶密切調(diào)控細(xì)胞內(nèi)cAMP含量。早期的研究認(rèn)為cAMP主要通過激活下游信號分子蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)實現(xiàn)其生物學(xué)效應(yīng),而de Rooij 等[3]在1998年發(fā)現(xiàn)了一種新的cAMP下游信號分子,即環(huán)磷酸腺苷活化交換蛋白(exchange protein directly activated by cAMP,Epac),從此針對cAMP/Epac信號通路的研究拉開序幕。

Epac包含兩個亞型,即Epac1和Epac2。Epac1在生物體內(nèi)廣泛表達,Epac2主要在大腦和腎上腺表達,在心臟、血管系統(tǒng)、腎臟和肺部的也有表達。Epac主要由N端的調(diào)節(jié)區(qū)和C端的催化區(qū)組成,cAMP核苷酸結(jié)合位點位于調(diào)節(jié)區(qū),Epac1存在1個結(jié)合位點,而Epac2存在兩個結(jié)合位點;催化區(qū)存在兩個重要的結(jié)構(gòu)域,分別被稱為REM和RA,前者為Ras交換基序,后者為Ras結(jié)合基序。Epac在質(zhì)膜、核周區(qū)域、核膜和線粒體均有表達,細(xì)胞內(nèi)Epac空間區(qū)隔化表達在細(xì)胞周期中似乎受到嚴(yán)格的調(diào)控,這一特征與Epac在多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中能發(fā)揮廣泛的差異性作用密切相關(guān)。近年的研究證實Epac參與調(diào)控一系列不同的效應(yīng)因子和關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,包括鈣離子轉(zhuǎn)運和離子運輸、細(xì)胞增殖和分化、細(xì)胞生存和凋亡、基因轉(zhuǎn)錄和染色體完整性、囊泡的運輸和分泌、屏障功能和神經(jīng)元反應(yīng)等[4]。

二、cAMP/Epac信號通路在ARDS中的作用

1.cAMP/Epac在炎性反應(yīng)中的作用:人們對炎性反應(yīng)在ARDS中的作用進行了大量的研究,各種肺內(nèi)或肺外因素引起的損傷可導(dǎo)致炎性細(xì)胞的激活,這是ARDS的啟動因素。過度炎性反應(yīng)可引起肺泡上皮細(xì)胞和肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞受損,從而導(dǎo)致以彌漫性肺間質(zhì)和肺泡水腫為主要特征的ARDS的發(fā)生。因此,控制失衡的炎性反應(yīng)對于ARDS的防治是至關(guān)重要的。

cAMP/Epac信號通路與炎癥調(diào)節(jié)密切相關(guān)。Wang等[5]研究發(fā)現(xiàn),槲皮素通過增加肺組織的cAMP和Epac含量,抑制脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的肺內(nèi)炎性細(xì)胞因子的釋放,阻斷中性粒細(xì)胞的募集,并以劑量依賴的方式減少肺內(nèi)白蛋白的滲漏。此外,槲皮素通過激活cAMP/Epac信號通路,抑制LPS誘導(dǎo)的小鼠肺上皮細(xì)胞分泌角質(zhì)形成細(xì)胞衍生的趨化因子。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn),Epac激動劑8CPT可減少LPS誘導(dǎo)的小鼠肺泡灌洗液白細(xì)胞數(shù)量,減少肺組織腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6和IL-1β等炎性細(xì)胞因子的表達。Xing等[7]研究認(rèn)為心鈉素可通過激活Epac/ Ras相關(guān)蛋白1(ras-related protein 1,Rap1)/T淋巴瘤侵襲誘導(dǎo)基因1(T lymphoma invasion and metastasis gene1,TIAM1)/Rac信號通路減輕LPS和TNF-α誘導(dǎo)的肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞炎性反應(yīng)。近年來研究認(rèn)為,Epac激動劑可通過激活cAMP/Epac/Rap1信號通路,減輕LPS誘導(dǎo)的人肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞的炎性反應(yīng),減少中性粒細(xì)胞的黏附和遷移[8]。

Jiang等[9]研究發(fā)現(xiàn),Epac1基因敲除的小鼠視網(wǎng)膜高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1,HMGB1)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase)-1及IL-1β表達增加,而Epac1激動劑可減少高糖處理的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞上述炎性細(xì)胞因子的表達。Barker等[10]研究表明,Epac1激動劑I942可上調(diào)抑炎性細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制分子3(suppressor of cytokine signaling 3,SOCS3)表達,進而抑制Janus激酶(janus kinase,JAK)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)/IL-6信號通路,減輕血管內(nèi)皮細(xì)胞炎癥。由此可見,cAMP/Epac信號通路可通過多種途徑抑制炎性反應(yīng),對ARDS防治可能有所幫助。

2.cAMP/Epac對血管內(nèi)皮細(xì)胞的作用:各種致病因素導(dǎo)致機體的損傷可誘導(dǎo)炎性反應(yīng)的產(chǎn)生,過度炎性反應(yīng)可引起肺血管內(nèi)皮細(xì)胞受損。受損的內(nèi)皮細(xì)胞不僅是誘發(fā)ARDS的主要靶細(xì)胞,而且是活躍的效應(yīng)細(xì)胞。由此可見,維持肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能、減輕內(nèi)皮細(xì)胞的損傷對于ARDS的防治是非常重要的。

肺毛細(xì)血管屏障的通透性是由黏附連接、緊密連接、縫隙連接調(diào)節(jié)的。內(nèi)皮細(xì)胞黏附連接主要由血管內(nèi)皮鈣黏蛋白(vascular endothelial cadherin,VE-cadherin)、連環(huán)蛋白等構(gòu)成。緊密連接主要由封閉蛋白、閉合蛋白、閉鎖小帶蛋白以及緊密連接黏附分子等構(gòu)成[11]。β2受體激動劑、前列腺素和佛司可林均可通過提高細(xì)胞內(nèi)cAMP水平,激活下游Epac/Rap1信號通路,調(diào)控與緊密連接和黏附連接相關(guān)的肌動蛋白-微管網(wǎng)絡(luò),從而增強內(nèi)皮屏障功能,減少血管滲漏[12]。近年來研究發(fā)現(xiàn),血管內(nèi)皮細(xì)胞cAMP水平上升可通過激活Epac/SOCS3/ STAT3信號通路減輕血管內(nèi)皮炎性反應(yīng)、增強內(nèi)皮屏障功能[13]。另一項研究表明,cAMP/Epac信號通路的活化一方面可通過抑制促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)/絲裂原活化的細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase,MEK)/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)信號通路保護血管內(nèi)皮細(xì)胞并增強其屏障功能;另一方面可通過同時抑制磷脂肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B (protein kinase B, PKB/Akt) 和 MEK/ERK信號通路減少caspase-3/7表達,從而抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,增加內(nèi)皮細(xì)胞存活[14]。此外,研究者在對人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的實驗中發(fā)現(xiàn),Epac激動劑 8CPT-2Me-cAMP可促進肌動蛋白結(jié)構(gòu)重組,增加VE-cadherin和閉鎖小帶蛋白(zonula occludens,ZO)1表達,從而改善再生肺支架的內(nèi)皮屏障功能[15]。

Wang等[16]研究發(fā)現(xiàn),預(yù)防性給予多巴胺或多巴胺D1受體激動劑可通過活化cAMP/Epac信號通路使組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6,HDAC6)失活,抑制機械性拉伸誘導(dǎo)的α-微管蛋白脫乙酰基,從而減輕機械性拉伸誘發(fā)的肺內(nèi)皮屏障功能障礙和肺損傷。貝前列環(huán)素可通過激活cAMP/Epac/Rap1信號通路,減少LPS誘導(dǎo)的人肺動脈內(nèi)IL-8、細(xì)胞間黏附分子1以及血管細(xì)胞黏附分子1的表達,從而減輕內(nèi)皮滲漏[8]。前列腺素E2和貝前列環(huán)素可通過cAMP活化PKA、Epac/Rap1和TIAM1/Vav2依賴的信號通路,增加外周F-肌動蛋白和連接蛋白表達,從而保護肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能[17]。綜上所述,研究認(rèn)為cAMP/Epac信號通路的活化可保護血管內(nèi)皮細(xì)胞、增強血管屏障功能。

3.cAMP/Epac對肺上皮細(xì)胞的作用:肺泡上皮作為一個緊密的屏障,限制水、電解質(zhì)以及小分子親水溶劑的通過,從而維持正常的氣體交換功能。各種致病因素可直接或間接損傷肺泡上皮細(xì)胞,破壞上皮屏障功能,致使大分子和蛋白豐富的液體進入肺泡間質(zhì)和肺泡腔,從而導(dǎo)致ARDS的發(fā)生。因此,保護肺泡上皮細(xì)胞、維持肺上皮屏障功能是防治ARDS的重要環(huán)節(jié)之一。

Scheibner等[18]研究認(rèn)為,內(nèi)生性的腺苷受體A2活化可抑制高分子透明質(zhì)酸降解產(chǎn)物誘導(dǎo)的氣道上皮細(xì)胞炎癥,這與激活cAMP/Epac信號通路,進而抑制核因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)表達有關(guān)。Cao等[19]研究發(fā)現(xiàn)Epac抑制劑ESI-09可誘導(dǎo)小鼠肺泡上皮細(xì)胞應(yīng)力性纖維形成增多,而連接蛋白降解增加,因此Epac可能有助于增強肺上皮細(xì)胞的屏障功能。維持肺泡上皮屏障功能的穩(wěn)態(tài)主要是由黏附連接和緊密連接實現(xiàn)的。

Young等[20]研究發(fā)現(xiàn)脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)(decellularized extracellular matrix,dECM)添加層粘連蛋白后,可明顯增強肺泡上皮屏障功能。這些作用與其活化Epac/Rap1通路,從而上調(diào)緊密連接蛋白(claudin)-18、連接黏附分子(junctional adhesive molecule,JAM)-A表達密切相關(guān)。另有研究表明A型激酶錨定蛋白9(A-kinase anchoring protein9,AKAP9)是內(nèi)皮屏障和上皮屏障的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。COPD誘導(dǎo)劑香煙煙霧可通過下調(diào)氣道上皮細(xì)胞AKAP9的表達,進而減少上皮E-鈣粘蛋白的表達,從而導(dǎo)致上皮屏障功能受損[21,22]。而近年來研究證實Epac1抑制劑ESI-09可使AKAP9在上皮細(xì)胞的定位錯誤和功能降低[23]。由此筆者推測cAMP/Epac1信號通路參與AKAP9對上皮屏障功能的調(diào)控。因此, 筆者認(rèn)為cAMP/Epac1信號通路活化具有保護肺泡上皮細(xì)胞、維持肺上皮屏障功能的作用。

4.cAMP/Epac對凝血功能的影響:凝血激活和過度炎性反應(yīng)是 ARDS 病理生理的基本特征之一。過度炎性反應(yīng)可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷,促進血小板活化并聚集到損傷的內(nèi)皮,同時中性粒細(xì)胞以及其他吞噬細(xì)胞被招募到微血管中,與血小板相互作用,放大促凝和炎性反應(yīng),導(dǎo)致微血管血栓(免疫血栓)形成。免疫血栓形成有助于病原體的清除和血管內(nèi)皮的修復(fù),然而,失控的免疫血栓形成會引起附帶的組織損傷,從而導(dǎo)致器官功能障礙。目前已證實ARDS的發(fā)生與肺泡和肺間質(zhì)中凝血活動增強及纖維蛋白溶解活動減弱有關(guān)[1]。因此抗凝和抑制血小板活化可能有助于ARDS的防治。

He等[24]通過人類心臟活檢發(fā)現(xiàn)Epac1表達降低與心房附壁血栓形成具有一定的相關(guān)性。隨后的動物實驗證實,Epac1基因缺失的小鼠對化學(xué)誘導(dǎo)的頸動脈閉塞更敏感。而Epac1抑制劑可減少血管內(nèi)皮細(xì)胞促纖維蛋白溶解復(fù)合物(ANXA2-S100A10)2的形成。Chu等[25]在大腦中動脈閉塞的小鼠實驗中發(fā)現(xiàn),安菲博肽(一種特異性的血小板膜糖蛋白Ⅰb受體拮抗劑)可通過激活cAMP/Epac信號通路減少腦梗死面積、減輕腦缺血再灌注損傷。血管性血友病因子(von willebrand factor,VWF)是凝血途徑激活的主要成分之一,也是血管炎癥的重要介質(zhì),在血栓炎癥中發(fā)揮重要作用。Xiao等[26]研究發(fā)現(xiàn),Epac1基因缺失的LPS誘導(dǎo)小鼠血漿VWF水平較野生型小鼠增高,且肺組織內(nèi)出現(xiàn)微血栓。此外,體外實驗發(fā)現(xiàn)Epac1通過PI3K/內(nèi)皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)依賴的方式抑制TNF-α誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞VWF的分泌。以上的研究表明,cAMP/Epac通路的活化可促進纖維蛋白溶解、抑制血栓形成,可能有助于ARDS防治。

5.cAMP/Epac對肺成纖維細(xì)胞的作用:ARDS的病理生理過程一般包括3個階段。早期為滲出期,以彌漫性肺間質(zhì)和肺泡水腫為主要特征,這一階段與肺血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞損傷以及肺泡內(nèi)炎癥細(xì)胞的激活密切相關(guān)。約1周后進入第2階段即增殖期,此時肺水腫減輕,出現(xiàn)Ⅱ型肺泡上皮增生、膠原纖維沉積,炎性細(xì)胞及成纖維細(xì)胞浸潤等改變。急性損傷后存活的患者有一部分進入第3階段即慢性纖維化期。因此,阻止肺纖維的進展可改善ARDS患者預(yù)后。

研究表明,Epac作為一種新興的cAMP下游分子,對成纖維細(xì)胞增殖、應(yīng)力性纖維形成以及上皮細(xì)胞黏附均有抑制作用,在遏制肺纖維化(pulmonary fibrosis,PF)發(fā)展的過程中扮演著重要角色,因此它有可能成為PF藥物開發(fā)和治療的新靶點。肺成纖維細(xì)胞負(fù)責(zé)膠原蛋白的生成和細(xì)胞外基質(zhì)的沉積,與纖維化過程直接相關(guān)。轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)是目前誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞活化的最重要因子之一,在TGF-β的刺激下,成纖維細(xì)胞表達α-平滑肌肌動蛋白和膠原蛋白,分化成更具收縮力、增生性和分泌性的肌成纖維細(xì)胞。所有這些過程均涉及Epac和PKA的中介作用。

三、展 望

炎性反應(yīng)是ARDS的啟動因素,炎性細(xì)胞可通過分泌細(xì)胞因子、氧自由基、蛋白水解酶等損傷肺泡上皮細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞,而受損的上皮和內(nèi)皮細(xì)胞通過分泌細(xì)胞因子和黏附分子,促進血小板、中性粒細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞等在微血管聚集形成免疫血栓,失控的免疫血栓進一步加重炎性反應(yīng)和凝血功能失衡,它們相互作用的惡性循環(huán),最終導(dǎo)致ARDS的發(fā)生、發(fā)展。cAMP/Epac信號通路的激活,具有抑制炎性反應(yīng),增強肺血管內(nèi)皮屏障功能,保護肺上皮細(xì)胞,促進纖維蛋白溶解、抑制血栓形成以及抑制肺纖維化等作用。由此推測,在ARDS防治進程中,cAMP/Epac信號通路有可能成為新的干預(yù)靶點。