PI3K/Akt-FoxO1在COPD炎癥機制中的作用及大環(huán)內(nèi)酯類藥物的重要作用

張桂新 唐君媛 孫雪皎

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種慢性的炎性疾病,其特點是持續(xù)的氣流受限,吸煙則是其最主要的危險因素[1]。香煙中的煙草煙霧會使炎癥細胞,如中性粒細胞、巨噬細胞、CD8+T細胞活化,釋放出各種前體炎癥因子,從而造成慢性全身炎癥反應(yīng),而慢性炎癥反應(yīng)則是 COPD發(fā)展的重要因素[2]。持續(xù)的炎癥反應(yīng)進一步促進了COPD的發(fā)展,且累及全身多個器官[3]。然而,COPD炎癥機制較為復雜,目前尚不完全明確。因此,深入探討COPD炎癥發(fā)生與發(fā)展的機制,對防治COPD、改善患者預(yù)后至關(guān)重要。

一、煙草煙霧暴露與COPD炎癥

COPD的慢性炎癥包括氧化應(yīng)激、氣道中性粒細胞炎癥、肺組織T淋巴細胞的浸潤及反復感染等,吸煙及有害顆粒在COPD炎癥的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。吸煙可刺激肺泡巨噬細胞分泌IL-8及TNF-α等多種細胞因子[4],導致COPD氣道炎癥及肺組織的損傷,這進一步使中性粒細胞滯留、活化,使細胞脫顆粒、呼吸爆發(fā)、溶酶體釋放以及產(chǎn)生超氧化物,使炎癥因子的釋放明顯增加,形成瀑布級聯(lián)效應(yīng),進一步加重了氣道、肺部及全身的炎癥反應(yīng)。

二、PI3K/Akt通路與COPD的發(fā)病和發(fā)展

COPD肺中有較強的慢性炎癥反應(yīng),其中以吸煙和有害微粒所致的氧化應(yīng)激最為顯著,并且與PI3K/Akt信號通路的活性有關(guān)[5]。PI3K產(chǎn)生脂類第二信使負責細胞內(nèi)的信號傳遞,并參與細胞的生長、增殖和周期活動的調(diào)節(jié),其在呼吸爆發(fā)、細胞遷移和細胞信號傳遞等炎癥反應(yīng)中扮演著重要角色。Akt也被稱為蛋白激酶B(PKB),是PI3K下游的重要效應(yīng)物,被激活的 Akt (PAkt)可以通過使物質(zhì)磷酸化來調(diào)控多種酶、激酶和轉(zhuǎn)錄因子等下游因子,從而調(diào)控細胞的功能。研究結(jié)果表明,氧化應(yīng)激能激活PI3K,抑制HDAC2的表達和活性[6],PI3K抑制劑能提升HDAC2的活性,并能恢復糖皮質(zhì)激素在吸煙誘導的大鼠氣道炎癥中的抗炎作用從而有效地抑制大鼠氣道炎癥[7]。我們最近的一項研究也顯示,煙草煙霧暴露能夠?qū)е聠魏思毎鸓Akt表達升高[8-9],增加煙草煙霧暴露下單核細胞的炎癥反應(yīng);PI3K抑制劑能夠減輕煙草煙霧暴露下人單核細胞的糖皮質(zhì)激素抵抗[8]。因此,PI3K/Akt通路在COPD炎癥的發(fā)生與發(fā)展中至關(guān)重要。

PI3K信號通路是通過其下游的某些關(guān)鍵因子而起作用,例如與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,然而,COPD肺部及全身炎癥的發(fā)生機制較為復雜,除NF-κB之外,PI3K/Akt通路是否通過其他關(guān)鍵因子起作用,目前國內(nèi)外尚無相關(guān)研究。進一步探討PI3K/Akt通路的作用對防治COPD至關(guān)重要。

三、PI3K/Akt-FoxO1與COPD炎癥的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)

FoxO是叉頭蛋白的一個亞群,它在維持器官發(fā)育、調(diào)節(jié)免疫、細胞凋亡、糖和脂肪代謝,抑制腫瘤、氧化應(yīng)激以及器官的老化過程中均扮演重要角色[10-14]。FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6四個基因已被人們所知,其中關(guān)于FoxO1及FoxO3的研究較多。

FoxO3是由 FoxO3 基因編碼的人類蛋白質(zhì),也稱Forkhead box O3或 FoxO3a。FoxO3屬于叉形頭轉(zhuǎn)錄因子的O亞型,這一類轉(zhuǎn)錄因子的特點是鮮明的叉頭 DNA 結(jié)合域。FoxO3a 的異常表達,可能與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān),例如繼發(fā)性急性白血病的MLL 基因與此基因的易位相關(guān)聯(lián)。癌癥中常見的是FoxO3a基因的下調(diào),FoxO3 也被稱為腫瘤抑制器[15]。

FoxO1是首個被發(fā)現(xiàn)的 FoxO家族成員,近年來,因其參與調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng),越來越受到重視,尤其是在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生與發(fā)展中的作用,是目前國內(nèi)外的研究熱點。近年來的研究表明,FoxO1在心血管疾病、糖尿病及腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色,國內(nèi)已有研究顯示,將小鼠心肌細胞中FoxO1特異性去除后,心肌在缺血再灌注或心肌梗死時損害范圍顯著增加[16]。

PI3K/Akt信號途徑可誘導FoxO1的磷酸化,使其從細胞核向細胞漿中運輸,從而降低轉(zhuǎn)錄活性,進而抑制FoxO1控制的下游基因的表達。另外,PI3K信號通路與代謝、衰老、抗癌等細胞生理活動密切相關(guān),也間接證明了FoxO1在細胞凋亡、DNA損傷/修復、應(yīng)激、血管生成、糖代謝及腫瘤發(fā)生等方面也扮演著重要角色,尤其是氧化應(yīng)激,是近年來的研究重點[17]。研究表明,在胰島素抵抗的肝細胞中,FoxO1蛋白表達水平及核轉(zhuǎn)錄活性增加,增強了TNF-α對MCP-1、IL-1β、IL-6等多種促炎細胞因子及趨化因子CCL-20的表達,并可能通過其他信號通路影響了NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性[18]。以上研究表明,FoxO1可能在炎癥發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。此外,FoxO1參與了調(diào)控免疫細胞的免疫應(yīng)答,也就是其在人體免疫系統(tǒng)中起著重要的調(diào)控作用[19]。有報道認為FoxO1是能誘導產(chǎn)生內(nèi)源性抗氧化分子的轉(zhuǎn)錄因子,可能是潛在的抗氧化應(yīng)激的靶點[20]。然而,FoxO1在肺部疾病中的相關(guān)研究較少,尤其是在COPD的治療方面,為國內(nèi)外空白。

據(jù)此,FoxO1可能是COPD肺部及全身炎癥反應(yīng)的重要作用點,可能促進了炎癥的發(fā)生與發(fā)展。對此進一步研究與探討將對COPD的防治工作具有關(guān)鍵作用。

四、大環(huán)內(nèi)酯類藥物對COPD的抗炎作用

大環(huán)內(nèi)酯類藥物的抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用是目前臨床上研究的熱點之一[21],長期使用低劑量的大環(huán)內(nèi)酯類藥物(主要是14環(huán)的紅霉素,羅紅霉素,克拉霉素,15環(huán)的阿奇霉素)對彌漫性泛細支氣管炎(diffuse panbronchiolitis,DPB)和囊性肺纖維化的治療具有明顯的效果,其降低了DPB患者支氣管肺泡灌洗液中的炎癥因子和中性粒細胞水平,改善了DPB患者的肺功能[22-24];由于其可以降低肺和全身的炎癥因子的表達[21],因此對 COPD和哮喘的治療也獲得了很好的療效[24-26],研究顯示,長期使用低劑量的紅霉素可以降低 COPD病人痰中的IL-8水平,并顯著降低急性發(fā)作的次數(shù)[27];體外細胞實驗表明,紅霉素能提高HDAC2的活力,降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性和IL-8的合成[24]。有體外研究顯示阿奇霉素降低了人囊性纖維化細胞系中的TNF-α的mRNA表達率,降低了TNF-α蛋白水平和NF-κB DNA結(jié)合活性,進而降低了隨后的 IL-6 和 IL-8 等炎癥因子的產(chǎn)生[28]。另外,也有實驗證明阿奇霉素的抗炎作用與氣道中幾種人類白細胞抗原(HLA-A,HLA-B,HLA-DPA1,HLA-DRA和HLA-DRB4)的下調(diào)有關(guān)。HLA-A 和 HLA-B 是主要組織相容性復合體 (MHC) Ⅰ類表面受體的亞型,而 HLA-DPA1、HLA-DRA 和 HLA-DRB4 是 MHC Ⅱ 類表面受體的亞型。MHC Ⅰ類和Ⅱ類受體分別參與CD4+和CD8+T細胞抗原的呈遞。TAP-1表達對于MHC-I肽復合物的形成至關(guān)重要,因此阿奇霉素可能通過破壞抗原呈遞來抑制氣道中的炎癥反應(yīng)[29]。也有臨床實驗證明低劑量阿奇霉素對減少COPD患者急性加重次數(shù)有益,長期給予低劑量阿奇霉素可抑制促炎細胞因子的產(chǎn)生,增強巨噬細胞吞噬作用和抗炎細胞因子表達[30]。另外,一種新的大環(huán)內(nèi)酯類藥物索利霉素(CEM101)能降低在氧化應(yīng)激作用下的PI3K信號途徑的表達,從而減少糖皮質(zhì)激素抵抗[31]。因此,COPD患者可以從大環(huán)內(nèi)酯類藥物抗炎和減少激素的抵抗作用中獲益。在我們既往的研究表明,紅霉素通過減弱PI3K/Akt通路的活性,上調(diào)組蛋白去乙酰化酶2表達減輕氧化應(yīng)激下單核細胞的糖皮質(zhì)激素抵抗,降低NF-κB的活性及炎癥因子的表達,減輕炎癥反應(yīng);小劑量紅霉素可減輕COPD患者外周血PAkt蛋白及炎癥因子IL-8的水平,且聯(lián)合小劑量茶堿后,較單獨口服小劑量紅霉素的抗炎作用更加顯著。由此可見,紅霉素能夠明顯的減弱COPD及煙草煙霧暴露的單核細胞炎癥反應(yīng),并且與控制PI3K/Akt信號通路的活性有關(guān)。

五、總結(jié)與展望

COPD的特征是肺實質(zhì)和外周氣道的慢性炎癥,伴有肺泡巨噬細胞、中性粒細胞、T 細胞和淋巴細胞的增加。這些細胞以及結(jié)構(gòu)細胞,如上皮細胞、內(nèi)皮細胞和成纖維細胞,分泌多種促炎細胞因子,在慢性阻塞性肺疾病患者中,血液中的IL-1β、IL-4、IL-8和TNF-α濃度升高。氧化應(yīng)激在COPD中起關(guān)鍵作用,并可導致NF-κB的激活。此外,COPD 與氣道細胞凋亡增加和吞噬功能缺陷有關(guān)[32]。COPD炎癥機制及治療是近年來的研究熱點,目前 COPD的主要預(yù)防措施是戒煙和抗炎,但目前大部分 COPD患者無法戒煙,并且戒煙后的炎癥反應(yīng)也沒有得到顯著的改善,所以抗炎治療成為控制COPD的一個重要手段。紅霉素對COPD的抗炎作用及療效已得到證實,且與PI3K/Akt通路的活性有關(guān),然而,COPD炎癥及紅霉素抗炎機制復雜,是否通過其他機制減輕COPD炎癥,比如增加FoxO1蛋白的表達,值得我們進一步探討及研究,將進一步明確大環(huán)內(nèi)酯類藥物的抗炎作用及分子機制,為COPD 的診治提供新的思路和方法。