COPD相關(guān)肌肉減少癥發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

張煙煙 杜毓鋒

COPD是一種嚴(yán)重影響健康的呼吸道疾病,其特征是進(jìn)行性發(fā)展且不可逆轉(zhuǎn)的氣流受限。除了呼吸道癥狀外,COPD還會(huì)對(duì)身體功能(身體活動(dòng)水平、肌肉質(zhì)量和力量)和生活質(zhì)量等產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。肌肉減少癥是以骨骼肌質(zhì)量和力量進(jìn)行性下降為特征的全身性疾病,是COPD常見的肺外合并癥,可增加骨質(zhì)減少、骨質(zhì)疏松癥和低骨密度的風(fēng)險(xiǎn)[2]。Benz等[3]的一項(xiàng)薈萃分析顯示,與同齡的對(duì)照組相比,COPD病人肌肉減少癥的患病率更高。2020年的一項(xiàng)Meta分析共納入了9416例COPD病人,其中肌肉減少癥的總患病率約為27.5%,且病情較重[慢性阻塞性肺疾病全球倡議(Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease,GOLD)Ⅲ～Ⅳ期]的病人肌肉減少癥患病率明顯高于病情較輕(GOLD Ⅰ～Ⅱ期)的病人(37.6%比19.1%)[1]。由此可見,肌肉減少癥在COPD病人中的患病率較高,且可能與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)。本文擬從炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙、肌肉再生能力受損、缺乏活動(dòng)、低氧血癥、營(yíng)養(yǎng)不良、糖皮質(zhì)激素(glucocorticoid,GC)等方面探討COPD相關(guān)肌肉減少癥的發(fā)病機(jī)制。

1 炎癥反應(yīng)

1.1 炎癥介質(zhì) COPD病人肺組織中的免疫細(xì)胞和上皮細(xì)胞可分泌和釋放促炎(proinflammatory,PI)介質(zhì),如TNF-α、IL-6等。Byun等[4]測(cè)量了80例穩(wěn)定期COPD病人靜脈血中炎癥生物標(biāo)志物水平,包括高敏感性腫瘤壞死因子-α(highly sensitive tumor necrosis factor-α,hsTNF-α)和IL-6,結(jié)果顯示,肌肉減少癥病人的hsTNF-α和IL-6水平顯著高于無肌肉減少癥病人。Lin等[5]的研究也顯示,COPD伴肌肉減少癥病人的血清IL-6濃度顯著高于無肌肉減少癥的COPD病人,且IL-6與骨骼肌質(zhì)量指數(shù)(skeletal muscle mass inde,SMI)呈負(fù)相關(guān)。

TNF-α通過多種途徑調(diào)節(jié)肌肉質(zhì)量信號(hào)傳導(dǎo)[6],過度表達(dá)會(huì)導(dǎo)致骨骼肌蛋白降解,損害肌肉再生過程和肌源性反應(yīng),引起肌肉萎縮。一方面,TNF-α可以通過抑制成肌分化因子(myogenic differentiation,MyoD)來減少肌肉再生。另一方面,TNF-α通過激活NF-κB誘導(dǎo)肌肉特異性環(huán)指蛋白-1(muscle-specific ring finger protein 1,MuRF-1)的表達(dá)并增加泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)的活性,導(dǎo)致肌肉蛋白質(zhì)降解。此外,TNF-α還可與腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor,TNFR)結(jié)合,導(dǎo)致半胱天冬酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)的下游激活,刺激骨骼肌的細(xì)胞核凋亡[7]?？傮w而言,TNF-α與肌肉減少癥的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

IL-6作為另一種重要的PI細(xì)胞因子,對(duì)骨骼肌有雙向作用。它是骨骼肌在運(yùn)動(dòng)過程中釋放的重要肌肉細(xì)胞分子,可以促進(jìn)肌肉纖維代謝和再生。當(dāng)IL-6通過反式信號(hào)通路激活細(xì)胞時(shí),則具有促炎作用[5]。體外研究表明,IL-6可以抑制胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)的分泌及其生物活性,對(duì)肌肉功能產(chǎn)生負(fù)面影響[8]。此外,IL-6還可以促進(jìn)肌肉纖維中肌肉生長(zhǎng)抑制素和半胱天冬酶-3的表達(dá),增加肌肉蛋白質(zhì)的水解[9]。

1.2 蛋白水解途徑 肺組織中的PI細(xì)胞因子“外溢”,進(jìn)一步激活遠(yuǎn)處組織中的炎癥細(xì)胞,最終導(dǎo)致全身炎癥[10]。各種研究表明,全身炎癥引發(fā)的蛋白質(zhì)合成-分解代謝失衡是導(dǎo)致骨骼肌萎縮和肌肉力量下降的主要因素[9]。炎癥可以通過上調(diào)關(guān)鍵的蛋白水解途徑,例如UPS和自噬溶酶體途徑(autophagic lysosomal pathway,ALP)導(dǎo)致肌肉萎縮[11]。在很多情況下,肌肉質(zhì)量的急性喪失主要取決于UPS介導(dǎo)的肌肉蛋白質(zhì)分解增加,該過程的限速酶包括Ub-E3連接酶萎縮素-1(atrogin-1)和MuRF-1。在多種炎癥細(xì)胞因子的刺激下,肌肉中激活的NF-κB可增加MuRF-1的表達(dá),進(jìn)而激活UPS,增加蛋白質(zhì)分解代謝,導(dǎo)致肌肉萎縮[12]。

人自噬啟動(dòng)蛋白1(unc-51-like kinase 1,ULK1)是自噬的上游調(diào)節(jié)因子,其活性與其在哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(mammalian target of rapamycin-1,mTORC1)催化下絲氨酸757上的磷酸化呈反比。肺部出現(xiàn)炎癥后,DNA損傷反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白1(regulated in development and DNA damage responses 1,REDD1)的信使RNA(mRNA)和蛋白表達(dá)水平迅速增加,上調(diào)并通過結(jié)節(jié)性硬化癥蛋白復(fù)合體(tuberous sclerosis complex,TSC)抑制mTORC1,進(jìn)而啟動(dòng)骨骼肌的自噬[13],引起肌肉萎縮。自噬的另一個(gè)重要的上游調(diào)節(jié)因子是叉頭框蛋白O(FoXO),幾乎有一半的萎縮相關(guān)基因受FoXO調(diào)節(jié)。在肺部炎癥后肌肉萎縮期間,FoXO水平升高、活性增加,可調(diào)控自噬相關(guān)基因(如LC3、p62等)的轉(zhuǎn)錄,啟動(dòng)骨骼肌的自噬[14]。由此可見,除了UPS,ALP介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解也參與了肺部炎癥誘導(dǎo)的肌肉萎縮。

2 氧化應(yīng)激與線粒體功能障礙

氧化應(yīng)激在COPD相關(guān)肌肉減少癥的病理生理學(xué)中起著重要作用[15]。活性氧(reactive oxygen species,ROS)主要產(chǎn)生于線粒體呼吸鏈[16]和其他氧化系統(tǒng)。在正常生理狀態(tài)下,骨骼肌會(huì)激活內(nèi)源性抗氧化防御程序,將ROS維持在“功能性”水平。當(dāng)機(jī)體處于病理狀態(tài)時(shí),ROS以更高的速率合成,打破機(jī)體氧化和抗氧化之間的平衡,從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激[15]。COPD病人中常存在氧化應(yīng)激,特別是在急性加重期[17],可以釋放更多的ROS和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。Lage等[18]研究發(fā)現(xiàn),血漿高水平的硫代巴比妥酸反應(yīng)物(thiobarbituric acid reactants,TBARS)和過氧化氫酶(catalase,CAT)導(dǎo)致個(gè)體患COPD相關(guān)肌肉減少癥的概率分別增加了4.89倍和1.22倍。Sepúlveda-Loyola等[19]研究發(fā)現(xiàn),在COPD病人中,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的活性與肌肉質(zhì)量相關(guān)。

骨骼肌細(xì)胞暴露于各種ROS和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)中,可激活UPS并上調(diào)肌肉萎縮盒F基因(muscleatrophy F-box,MAFbx)/atrogin-1和MuRF-1,促進(jìn)肌肉分解代謝。也有研究表明,氧化應(yīng)激會(huì)激活p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號(hào)通路,活化的p38促進(jìn)FoXO的核易位,進(jìn)而促進(jìn)與UPS和自噬相關(guān)因子的轉(zhuǎn)錄,例如MuRF-1、atrogin-1和Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(BNIP3),導(dǎo)致肌肉纖維類型轉(zhuǎn)移和肌肉萎縮[14]。Mano等[20]觀察到,在活動(dòng)和非禁食的條件下,COPD小鼠的肌肉組織中4羥基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)水平明顯升高,且伴隨著p38 MAPK通路的激活,以及MuRF-1、atrogin-1和BNIP3蛋白表達(dá)的增加。此外,他們發(fā)現(xiàn)抗氧化劑和p38抑制劑可以抑制上述途徑,改善肌肉質(zhì)量減輕,這些證據(jù)為治療COPD病人肌肉功能障礙提供了治療策略。

IGF-1不僅在發(fā)育時(shí)期,而且在整個(gè)生命周期中都是肌肉質(zhì)量和功能的重要調(diào)節(jié)因子。IGF-1可以通過磷酸肌醇3-激酶(phosphatidylinositide 3-kinases,PI3K)/絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)途徑增加骨骼肌蛋白質(zhì)合成[21]。而氧化應(yīng)激可以阻斷上述通路,從而減少肌肉蛋白合成,誘導(dǎo)肌肉減少[22]。

氧化應(yīng)激還可引起DNA損傷。Yang等[23]研究發(fā)現(xiàn),在吸煙條件下,COPD病人的肺DNA中8-羥基-2′-脫氧鳥苷(8-dihydro-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)水平是健康對(duì)照組的2倍。線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化劑的主要來源,也是氧化應(yīng)激的主要靶標(biāo)。由于線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)靠近電子傳遞鏈,并且缺乏保護(hù)性組蛋白,因此,mtDNA更容易受到氧化損傷。由mtDNA氧化損傷引起的線粒體功能障礙將引發(fā)惡性循環(huán),導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少和ROS進(jìn)一步生成,最終通過蛋白質(zhì)合成減少以及ROS介導(dǎo)的NF-κB和FoxO的激活觸發(fā)細(xì)胞凋亡和蛋白質(zhì)水解[24]。

此外,線粒體自噬可能也參與了COPD相關(guān)肌肉減少癥。在線粒體自噬機(jī)制中,PINK1-Parkin(一種E3-泛素連接酶)途徑起著至關(guān)重要的作用。Ito等[25]將Parkin敲除的COPD小鼠模型暴露于香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE)中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MuRF-1和4-HNE的表達(dá)明顯增加,同時(shí)伴隨著受損線粒體在其肢體肌肉中的積累。此外,他們還發(fā)現(xiàn)MuRF-1敲低顯著改善了CSE誘導(dǎo)的肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC)減少和肌管萎縮。這些證據(jù)表明,Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬不足在CSE誘導(dǎo)的肌管萎縮和COPD相關(guān)肌肉減少癥機(jī)制中可能起著關(guān)鍵作用。

3 肌肉再生能力受損

衛(wèi)星細(xì)胞是肌肉干細(xì)胞,在骨骼肌纖維成形、重塑、生長(zhǎng)和修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。Thériault等[26]研究發(fā)現(xiàn),肌肉減少性COPD病人的最小端粒長(zhǎng)度顯著縮短,這意味著在該人群中衰老衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)目可能增加,影響了COPD病人骨骼肌再生能力,進(jìn)而導(dǎo)致肌肉減少。

肌肉生長(zhǎng)抑制素(myostatin,MSTN)由骨骼肌表達(dá)和分泌,可以在多個(gè)水平上抑制肌肉生長(zhǎng),包括抑制衛(wèi)星細(xì)胞增殖和成肌細(xì)胞分化。有研究表明,與健康對(duì)照組相比,COPD病人循環(huán)中的MSTN水平升高,且與肌肉質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[27]。而且COPD病人下肢肌肉的肌生成信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)生了改變,再生分化潛力顯著降低[28]。Sancho-Muoz等[29]在營(yíng)養(yǎng)良好、肌肉減少性COPD病人的股外側(cè)肌中觀察到,MSTN含量、混合纖維比例、肌肉損傷以及TUNEL(TdT-mediated DUTP nick end labeling)染色陽性細(xì)胞數(shù)量顯著增加。這些結(jié)果均表明,COPD病人可能存在骨骼肌再生能力受損,并導(dǎo)致肌肉減少。

4 缺乏活動(dòng)

久坐不動(dòng)的生活方式是COPD病人的顯著特征,這對(duì)骨骼肌的質(zhì)量和功能有著重要影響。肌肉的廢用會(huì)引起各種類型的骨骼肌纖維萎縮,其中對(duì)Ⅰ型纖維的影響最大[30]。在肌肉廢用萎縮期間,骨骼肌中的蛋白質(zhì)合成減少,蛋白質(zhì)水解增加[31]。有研究表明,肌肉廢用可以通過誘導(dǎo)骨骼肌纖維中ROS的增加和IGF-1/Akt信號(hào)通路的減少來誘導(dǎo)FoXO和NF-κB的轉(zhuǎn)錄激活,從而激活蛋白水解系統(tǒng),誘導(dǎo)肌肉萎縮[9]。

5 低氧血癥

低氧血癥引起的組織缺氧是肌肉萎縮的觸發(fā)因素。在COPD病人中,肺功能的進(jìn)行性下降可能會(huì)引起血氧飽和度降低,機(jī)體組織缺氧。慢性缺氧可導(dǎo)致肌肉纖維尺寸減小、毛細(xì)血管和線粒體功能改變以及氧化應(yīng)激增加[18]。缺氧能夠在多個(gè)水平上抑制肌肉蛋白質(zhì)的合成,包括抑制mTOR的活性、調(diào)控REDD1和單磷酸腺苷依賴的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinas,AMPK]。有研究證明,缺氧可以通過UPS途徑降解MyoD來抑制肌母細(xì)胞分化,進(jìn)而影響骨骼肌的再生潛力[31]。此外,缺氧也可能通過誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)引起肌肉萎縮,以及增加RNS影響骨骼肌收縮功能。

6 營(yíng)養(yǎng)不良

營(yíng)養(yǎng)不良是飲食能量攝入和消耗不平衡的結(jié)果。COPD病人的基礎(chǔ)代謝加快,在靜息狀態(tài)下能量消耗明顯增加,且普遍飲食質(zhì)量差和營(yíng)養(yǎng)缺乏,使得機(jī)體長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)不良[32]。營(yíng)養(yǎng)不良影響了約50%的老年COPD病人[33],在肌肉減少癥的發(fā)展中也起著重要作用。機(jī)體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏是自噬降解的有效刺激,可通過抑制mTORC1,增強(qiáng)ULK1活性,促進(jìn)自噬體的形成[9]。同時(shí),缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)激活UPS,增加蛋白質(zhì)泛素化,從而導(dǎo)致蛋白酶水解[14]。還有證據(jù)表明,氨基酸剝奪后肌生成受損可能涉及MyoD表達(dá)降低,減弱了蛋白質(zhì)合成信號(hào)[31]。

7 GC

GC具有抗炎特性,常用于COPD急性加重期。GC和IGF-I信號(hào)通路在肌肉質(zhì)量維持中起拮抗作用,GC可以抑制肌肉中IGF-I的表達(dá),加速胰島素底物-1(insulin receptor substrate,IRS-1)蛋白降解,并通過增加p85a與抑制PI3K活性,從而抑制Akt磷酸化,使肌肉蛋白質(zhì)合成受阻、分解增加。GC也可以通過誘導(dǎo)REDD1的表達(dá)影響mTOR活性,進(jìn)一步抑制IGF-1表達(dá),并加強(qiáng)Akt下游信號(hào)的傳導(dǎo)。也有研究表明,GC受體激活可以增加FoXO的轉(zhuǎn)錄,FoXO和糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase,GSK3β)可以激活一些肌肉萎縮基因,促進(jìn)肌肉蛋白降解。此外,GC還可以促進(jìn)MSTN表達(dá),抑制mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,從而抑制骨骼肌蛋白質(zhì)合成[34]。

8 其他因素

8.1 抵抗素 抵抗素是由免疫細(xì)胞,特別是巨噬細(xì)胞表達(dá)和分泌的一種激素。最近,抵抗素被認(rèn)為與許多炎癥反應(yīng)相關(guān)[35],其中包括COPD伴肌肉減少癥的全身炎癥。抵抗素與Toll樣受體4(Toll like receptors 4,TLR4)結(jié)合后可激活p38 MAPK和NF-κB通路,導(dǎo)致肌肉萎縮和肌肉功能障礙[7]。此外,在小鼠模型中,抵抗素還可以通過微小RNA-696(miR-696)誘導(dǎo)C2C12細(xì)胞中的脂質(zhì)異位沉積[36],而骨骼肌的異位脂肪沉積也被認(rèn)為是肌肉減少癥的重要組成部分[37]。Gao等[7]也發(fā)現(xiàn),肌肉減少的COPD病人的血清抵抗素水平顯著高于肌肉正常的COPD病人。這些結(jié)果表明,抵抗素可能與COPD相關(guān)肌肉減少癥的發(fā)展密切相關(guān)。

8.2 外泌體 有報(bào)道稱,外泌體是COPD中潛在的炎癥介質(zhì),其內(nèi)容物(miRNA、蛋白質(zhì))可能介導(dǎo)細(xì)胞之間的PI信號(hào)傳導(dǎo)[38]。COPD病人的血漿外泌體水平較高,并且與血漿CRP、TNFR1和IL-6水平相關(guān)。鄧明明等[39]發(fā)現(xiàn),血漿外泌體通過增加骨骼肌細(xì)胞的乳酸分泌量抑制ATP生成,進(jìn)而影響骨骼肌的糖代謝過程。此外,他們還發(fā)現(xiàn),與肌肉功能正常的COPD病人相比,肌肉減少性COPD病人體內(nèi)atrogin-1和MuRF-1的表達(dá)水平顯著上調(diào),進(jìn)一步增加了蛋白質(zhì)水解速度和UPS活性。遺憾的是,該研究?jī)H證明了血漿外泌體參與了COPD相關(guān)肌肉減少癥的發(fā)生與發(fā)展,并未明確是外泌體中的何種成分發(fā)揮功能。

8.3 生長(zhǎng)分化因子-15(growth differentiation factor-15,GDF-15) GDF-15是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β家族的成員,主要參與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、發(fā)育和組織修復(fù)。有研究表明,GDF-15水平升高與COPD密切相關(guān)[40]。Deng等[41]研究發(fā)現(xiàn),COPD病人的血清GDF-15水平與骨骼肌質(zhì)量、握力以及股四頭肌肌肉力量呈明顯負(fù)相關(guān)。此外,Patel等[42]的研究表明,血漿GDF-15水平與miR-1和miR-499在肌肉中的表達(dá)呈負(fù)相關(guān),在培養(yǎng)的肌管中也觀察到,GDF-15可以抑制miR-1的表達(dá),而這些miRNA在骨骼肌的發(fā)育和維持中具有重要作用。這些研究表明,GDF-15可能在COPD病人肌肉萎縮的發(fā)展中起直接作用,但具體機(jī)制還未明確。

8.4 吸煙 吸煙是COPD的主要病因,也是肌肉減少癥的危險(xiǎn)因素。一項(xiàng)針對(duì)大鼠的研究表明,長(zhǎng)期吸煙可能導(dǎo)致肌肉纖維橫截面積以及纖維類型向快速糖酵解纖維的轉(zhuǎn)變顯著減少[43]。香煙煙霧(cigarette smoke,CS)一方面通過激活p38 MAPK通路并上調(diào)MAFbx/atrogin-1和MuRF-1來誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分解代謝。另一方面可以激活NF-κB,上調(diào)MuRF-1(但不上調(diào)MAFbx/atrogin-1)導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞損傷和肌肉蛋白質(zhì)分解[44]。此外,CS中含有的大量ROS也可能通過關(guān)鍵蛋白的氧化損傷對(duì)骨骼肌產(chǎn)生直接的有害影響[45]。

9 小結(jié)

肌肉減少癥是COPD最常見的肺外合并癥,可以導(dǎo)致病人肌肉質(zhì)量和力量減少、功能下降,極大地降低了病人的生存率。COPD相關(guān)肌肉減少癥的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程,雖然可以用炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙、肌肉再生能力受損、缺乏活動(dòng)、低氧血癥以及其他幾個(gè)因素來解釋COPD病人肌肉萎縮的開始和進(jìn)展,但具體的分子機(jī)制尚未完全闡明,未來仍需要更多的臨床試驗(yàn)和基礎(chǔ)研究來進(jìn)一步明確其發(fā)生機(jī)制。