凌忠滿 羅維貴

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）是常見的慢性氣道疾病，嚴(yán)重危害人類的健康安全和影響生命質(zhì)量，是導(dǎo)致死亡的重要原因，并給患者以及社會(huì)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。2018 年調(diào)查顯示，我國(guó)20 歲及以上成人COPD 患病率約為8.6%，40 歲及以上人群患病率高達(dá)13.7%，由此估算我國(guó)患COPD 總?cè)藬?shù)近1 億[1]。隨著愈發(fā)嚴(yán)峻的環(huán)境空氣污染、吸煙率高和人口老齡化等因素，COPD 的發(fā)病率逐年上升，成為全球范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一。世界衛(wèi)生組織（WHO）對(duì)全球健康評(píng)估報(bào)告顯示，截至2019 年COPD 已成為世界第三大死亡原因[2]。根據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)（GBD）數(shù)據(jù)研究結(jié)果顯示，COPD 患病率預(yù)計(jì)在未來25 年時(shí)間將持續(xù)升高[3]，持續(xù)成為世界性公共衛(wèi)生問題。

COPD 的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前認(rèn)為COPD 發(fā)病機(jī)制有氣道氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等，與多種因素密切相關(guān)，如吸煙、空氣污染、職業(yè)粉塵和化學(xué)物質(zhì)、感染因素、免疫應(yīng)答、年齡、氣道高反應(yīng)、自主神經(jīng)功能失調(diào)等，其中吸煙為最主要的危險(xiǎn)因素。熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）是一類多功能且高度保守的應(yīng)激反應(yīng)蛋白[4]，而熱休克蛋白70（heat shock proteins70，Hsp70）是HSPs 中最為保守、最為重要的一員，在高溫、缺氧、缺血、感染、吸煙、免疫反應(yīng)等應(yīng)激狀態(tài)下可被誘導(dǎo)提高表達(dá)水平，起到保護(hù)細(xì)胞的作用，被認(rèn)為參與COPD 的發(fā)病機(jī)制而受到關(guān)注。近年來研究發(fā)現(xiàn)Hsp70 可作為COPD 疾病診斷和判斷治療預(yù)后的生物指標(biāo)。本文對(duì)Hsp70 在COPD 的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述，旨在為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 Hsp70的概述

1.1 Hsp70 的結(jié)構(gòu) 據(jù)報(bào)道，在人類中的Hsp70 家族有多達(dá)13 個(gè)成員，雖其在細(xì)胞內(nèi)外的場(chǎng)所有所不同，但均有共同的域結(jié)構(gòu)[5]。Hsp70 由一個(gè)保守的含有三磷酸腺苷（ATP）酶活性的氮末端核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NBD）和一個(gè)不太保守的帶有底物結(jié)合位點(diǎn)的碳末端底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域（SBD）組成，NBD 和SBD 則通過一個(gè)帶電和高度保守的接頭相連接[6-7]。NBD 分為兩個(gè)葉（Ⅰ和Ⅱ），進(jìn)一步分為四個(gè)子域，即ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB。SBD 由包含底物結(jié)合裂縫的β 夾心結(jié)構(gòu)域（SBDβ）和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)（即底物）親和力的α 螺旋“蓋”結(jié)構(gòu)域（SBDα）組成，SBDα 作為SBDβ 的蓋子，促進(jìn)底物的穩(wěn)定結(jié)合[8]。接頭作為負(fù)責(zé)NBD 和SBD 變構(gòu)的信息傳導(dǎo)控制元件，由7～13 個(gè)殘基組成，其主要表現(xiàn)為疏水性。由于接頭的核酸片段的長(zhǎng)度較短，若其中核酸序列發(fā)生變異就會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)、功能及NBD 和SBD 之間變構(gòu)調(diào)節(jié)產(chǎn)生重要影響。因此，Hsp70 接頭調(diào)節(jié)Hsp70 的結(jié)構(gòu)功能特征，包括其整體構(gòu)象、對(duì)肽底物的親和力以及與共同伴侶的相互作用等[7]。

1.2 Hsp70 的分布及功能 Hsp70 是Hsp70 家族的誘導(dǎo)成員，在大多數(shù)無應(yīng)激狀態(tài)下的正常細(xì)胞和組織中以低水平或不可檢測(cè)的水平表達(dá)，但在各種應(yīng)激狀態(tài)下被快速誘導(dǎo)表達(dá)，主要分布在細(xì)胞核、線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[9-10]。Hsp70 在細(xì)胞受到熱休克、感染、炎癥等因素刺激后被誘導(dǎo)表達(dá)升高，通常在細(xì)胞內(nèi)作為重要的分子伴侶，廣泛參與蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和質(zhì)量控制，監(jiān)督蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，降解修復(fù)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，與共同伴侶協(xié)同作用維持蛋白質(zhì)組的穩(wěn)態(tài)[11]。Hsp70 除了抑制細(xì)胞凋亡、抗炎作用以外，還與腫瘤細(xì)胞增殖和遷移密切相關(guān)[12-13]。此外，Hsp70 在細(xì)胞受到損害應(yīng)激時(shí)表達(dá)升高，促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)和延長(zhǎng)生命，其表達(dá)減少則促進(jìn)細(xì)胞凋亡，因此被認(rèn)為是細(xì)胞壽命的潛在生命標(biāo)記物[14-15]。后來在一些正常和病理狀態(tài)下的個(gè)體的細(xì)胞外環(huán)境中發(fā)現(xiàn)Hsp70，細(xì)胞外Hsp70 才逐漸進(jìn)入了人們的視野。最初認(rèn)為細(xì)胞外Hsp70 來源于細(xì)胞內(nèi)，是由細(xì)胞裂解后被動(dòng)釋放到細(xì)胞外[16]，后來相關(guān)研究表明細(xì)胞在應(yīng)激條件下可通過非經(jīng)典途徑主動(dòng)分泌釋放[17-19]。細(xì)胞外Hsp70 在體液中以游離形式存在，在低水平時(shí)促進(jìn)免疫反應(yīng)，發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞功能，但一旦超過某一臨界閾值后則增強(qiáng)炎癥反應(yīng)[20]。

2 Hsp70與COPD的相關(guān)性

2.1 Hsp70 抗氧化應(yīng)激作用減輕COPD 肺細(xì)胞損傷 眾所周知，氧化應(yīng)激增加是COPD 發(fā)病的關(guān)鍵機(jī)制[21]。氧化應(yīng)激是機(jī)體或細(xì)胞內(nèi)氧化物質(zhì)產(chǎn)生或外源性氧化物質(zhì)攝入過多與清除失衡，引起機(jī)體或細(xì)胞內(nèi)促氧化因子蓄積的一種病理狀態(tài)，可導(dǎo)致線粒體脫氧核糖核酸（DNA）損傷和細(xì)胞損傷[22]。受到外源性因素刺激后，COPD 患者的呼出氣冷凝物、血清和體循環(huán)標(biāo)本中氧化應(yīng)激標(biāo)記物水平增加[23-24]。引起COPD 呼吸道氧化應(yīng)激的原因不僅包括吸入的香煙煙霧及其他刺激物，還包含被激活的炎癥反應(yīng)細(xì)胞[23-24]，其中香煙煙霧是最重要的致病因素[1]。香煙煙霧中含有種類繁多的氧化劑誘發(fā)氣道氧化應(yīng)激，促進(jìn)COPD 的發(fā)展。氣管上皮細(xì)胞受到香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）刺激后，Hsp70 表達(dá)水平上升增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力，抑制線粒體膜電位的丟失，減少中性粒細(xì)胞對(duì)氣道炎癥的反應(yīng)[25]。線粒體為調(diào)控細(xì)胞能量、氧化還原及信號(hào)傳導(dǎo)的重要細(xì)胞器，Hsp70 阻斷線粒體膜透化，有效抑制蛋白質(zhì)聚集及降解錯(cuò)誤蛋白。細(xì)胞內(nèi)氧化還原敏感系統(tǒng)的NRF2/KEAP1 信號(hào)通路和抗氧化防御基因多態(tài)性與COPD 的發(fā)病機(jī)制存在密切關(guān)聯(lián)[26]。當(dāng)細(xì)胞受到氧化應(yīng)激后，NRF2/KEAP1 復(fù)合物分解并誘導(dǎo)抗氧化防御基因的表達(dá)[27-29]。NRF2 作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控COPD 抗氧化基因的表達(dá)，KEAP1 作為銜接蛋白介導(dǎo)NRF2 調(diào)控作用[30]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CSE 和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）聯(lián)合可誘導(dǎo)下調(diào)COPD 大鼠肺組織NRF2 蛋白的表達(dá)和NRF2 轉(zhuǎn)錄調(diào)控的抗氧化酶的表達(dá)，增加8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG）表達(dá)水平[31]。另外，CSE 對(duì)人氣道平滑肌細(xì)胞的毒性作用顯著增加8-OHdG 水平、DNA 損傷和細(xì)胞凋亡，并且降低Hsp70 的生成，Hsp70 表達(dá)水平與8-OHdG、DNA 損傷和細(xì)胞凋亡呈負(fù)相關(guān)[32]。其中8-OHdG 是評(píng)價(jià)氧化應(yīng)激中DNA 氧化損傷的重要生命標(biāo)記物。因此認(rèn)為，Hsp70 可能參與COPD 的抗氧化基因的調(diào)控，通過NRF2/KEAP1 信號(hào)通路發(fā)揮抗氧化作用，參與了COPD 的發(fā)病機(jī)制，保護(hù)細(xì)胞抵抗CSE 的氧化應(yīng)激損傷，降低氣道細(xì)胞暴露在CSE 引起的相關(guān)氣道疾病，維持細(xì)胞正常功能，這對(duì)于減少氣道損傷阻斷COPD 疾病的發(fā)生與進(jìn)展有重要作用。

2.2 Hsp70 參與COPD 的氣道和全身炎癥反應(yīng) COPD的本質(zhì)是炎癥性疾病，多種炎癥細(xì)胞參與COPD 的氣道炎癥，被激活的炎癥細(xì)胞釋放多種炎癥介質(zhì)作用于氣道上皮細(xì)胞，尤其是COPD 急性加重時(shí)炎癥細(xì)胞聚集、炎癥因子的大量釋放，誘導(dǎo)氣道上皮杯狀細(xì)胞化生和氣道黏液分泌增加，炎癥因子刺激氣道周圍平滑肌和成纖維細(xì)胞增生導(dǎo)致小氣道重塑，加重氣流受限程度。此外，COPD 存在全身系統(tǒng)性炎癥，即肺外炎癥，與疾病的進(jìn)展和并發(fā)癥有關(guān)[33]。Hsp70 具有穩(wěn)定的抗炎作用，廣泛參與到COPD 發(fā)病的氣道炎癥反應(yīng)中，一方面作為伴侶蛋白發(fā)揮抗炎作用，另一方面又分泌到細(xì)胞外作為炎癥介質(zhì)激活先天免疫和炎癥反應(yīng)[20，34]。有研究分別將濃度為2.5%和15%的CSE 與重組人熱休克蛋白70（rhHsp70）組合處理作用于支氣管上皮NCI-H292 細(xì)胞觀察炎癥反應(yīng)，結(jié)果顯示2.5%CSE組合rhHsp70 減少了細(xì)胞因子的分泌，原因可能是rhHsp70 消除了2.5%的CSE 誘導(dǎo)TLR2 和TLR4 基因的表達(dá)，抑制白介素1α（IL-1α）、白介素6（IL-6）和白介素8（IL-8）等細(xì)胞因子的分泌，而15%的CSE 與rhHsp70 組合則顯示促炎作用，并且增加細(xì)胞內(nèi)Hsp70 mRNA 的表達(dá)，認(rèn)為rhHsp70 通過MAPK 和NF-kB 信號(hào)通路調(diào)節(jié)CSE 對(duì)NCI-H292的炎癥反應(yīng)[35]。另外，在COPD 肺供體分離的原代支氣管上皮細(xì)胞中也證實(shí)了細(xì)胞外Hsp70 通過Toll 樣受體激活免疫細(xì)胞并誘導(dǎo)合成IL-6 和IL-8，增強(qiáng)了CSE 刺激炎癥反應(yīng)[35]。以上研究結(jié)論表明Hsp70 在參與COPD 炎癥反應(yīng)中似乎表現(xiàn)為“雙重作用”，即既在氣道炎癥反應(yīng)中主要表現(xiàn)為抗炎，而在細(xì)胞外則有抗炎和促炎作用。目前認(rèn)為細(xì)胞外Hsp70 主要作用是促炎還是抗炎取決于細(xì)胞類型和炎癥環(huán)境以及細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外Hsp70 的濃度比。但到目前為止，可以確定的是細(xì)胞外Hsp70 與香煙引起COPD 氣道炎癥有關(guān)，其表達(dá)水平可以反映全身炎癥應(yīng)激狀態(tài)，在一定程度上可以反映COPD 的嚴(yán)重程度[36]，但還沒有相關(guān)研究報(bào)道確定細(xì)胞外Hsp70 的具體濃度參數(shù)對(duì)決定其參與COPD 炎癥反應(yīng)的強(qiáng)度或?qū)傩浴?/p>

2.3 Hsp70 作為分子伴侶提高肺細(xì)胞抗凋亡能力 肺細(xì)胞損傷或凋亡是COPD 發(fā)病的重要促進(jìn)因素。持續(xù)的氣道慢性損傷刺激氣道上皮細(xì)胞增生、化生及分泌增加，蛋白酶破壞組織結(jié)構(gòu)及顆粒酶穿孔素?fù)p傷肺泡上皮，細(xì)胞損傷觸發(fā)凋亡程序?qū)е碌蛲?。?dāng)一定數(shù)量的肺泡細(xì)胞凋亡又不能被新生正常的細(xì)胞充分替代，可造成肺泡功能受損和整個(gè)肺泡的破壞，最終導(dǎo)致COPD[37]。在顯微鏡下觀察COPD肺組織病理可見肺實(shí)質(zhì)破壞、呼吸性細(xì)支氣管的擴(kuò)張和破壞，肺泡壁變薄，肺泡腔擴(kuò)大、破裂或形成肺大泡，血液供應(yīng)減少。因此，研究Hsp70 抗凋亡蛋白或與相關(guān)輔助蛋白相互作用抑制肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞凋亡對(duì)減少COPD 發(fā)病率及疾病進(jìn)展具有重要意義。Hsp70 已被證實(shí)具有抗凋亡功能的分子伴侶，具有識(shí)別和指導(dǎo)蛋白質(zhì)多肽正確合成的作用，參與新生多肽的折疊、運(yùn)輸和降解，降低各種應(yīng)激條件下對(duì)細(xì)胞的有害影響，有利于維持細(xì)胞穩(wěn)定和保持生命力，促進(jìn)細(xì)胞存活[38]。Hsp70 可通過受體介導(dǎo)、線粒體介導(dǎo)或細(xì)胞信號(hào)通路等途徑發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡的作用[39-41]。Hsp70 含量減少或Hsp70 敲除后細(xì)胞的生存力下降，蛋白穩(wěn)態(tài)破壞和加速細(xì)胞凋亡過程[15，42]。因此，肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞內(nèi)維持一定水平的Hsp70 表達(dá)促使細(xì)胞在感染、炎癥、煙霧、缺氧等各種有害損傷后仍保持生命力減少凋亡，保持呼吸性細(xì)支氣管和肺泡功能，對(duì)減少COPD 患病具有重要意義。

目前關(guān)于Hsp70 如何發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞作用抵抗細(xì)胞凋亡參與到COPD 發(fā)生機(jī)制仍在研究中。各種原因引起細(xì)胞蛋白穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致某些病態(tài)蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)有害積累引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與COPD 的發(fā)展有關(guān)[43-44]。據(jù)報(bào)道，Hsp70 參與了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激機(jī)制，在氣道炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用[9]。減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以降低或緩解COPD 疾病的風(fēng)險(xiǎn)，研究表明腺苷酸激活蛋白酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通過激活FOXO1 上調(diào)氧調(diào)節(jié)蛋白150（ORP150）轉(zhuǎn)錄，抑制FOXO1 促進(jìn)細(xì)胞凋亡的通路，減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及降低炎癥因子的分泌，減少細(xì)胞凋亡以實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣道的作用[45]。AMPK 是細(xì)胞能量狀態(tài)的關(guān)鍵傳感器，當(dāng)細(xì)胞受到應(yīng)激時(shí)AMPK 被激活磷酸化，通過降低炎癥因子IL-8 分泌的途徑在COPD起到保護(hù)作用。另外內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的重要標(biāo)志是抗凋亡分子伴侶ORP150 的激活，ORP150 可以接受白藜蘆醇（激動(dòng)劑）激活拮抗支氣管上皮細(xì)胞暴露于CSE 后誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡過程[46]。白藜蘆醇誘導(dǎo)Hsp70 啟動(dòng)子調(diào)節(jié)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGFA）表達(dá)，減輕彈性蛋白酶分泌導(dǎo)致的肺氣腫，顯著改善了小鼠COPD 療效[47]，這為臨床治療COPD 提供了新思路。

2.4 Hsp70 與肺功能的關(guān)系 COPD 的特征是持續(xù)存在的氣流受限和相應(yīng)的呼吸系統(tǒng)癥狀，氣流受限惡化成不可逆的氣流受限是COPD 病理生理的核心特征，表現(xiàn)為第一秒用力肺活量（FEV1）/用力肺活量（FVC）及FEV1降低。氣流受限的原因?yàn)闅獾莱掷m(xù)受到各種刺激后發(fā)生結(jié)構(gòu)上改變，特別是終末呼吸性細(xì)支氣管，氣流在小氣道阻力增加，肺泡擴(kuò)張后彈性回縮力下降。根據(jù)COPD 的診治指南，肺功能檢查是診斷COPD 的“金標(biāo)準(zhǔn)”，也是評(píng)估疾病嚴(yán)重程度、監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展、評(píng)價(jià)預(yù)后及治療反應(yīng)最常用的客觀指標(biāo)。據(jù)報(bào)道，基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）基因的多態(tài)性可能與肺功能的下降有關(guān)[48-49]，MMP 可破壞肺結(jié)締組織的彈性蛋白，損傷肺上皮細(xì)胞引起肺氣腫，其在肺組織中的表達(dá)升高與Hsp70 相互作用共同參與調(diào)解肺組織的重塑[50]。在COPD 患者的肺組織中檢測(cè)到Hsp70 在基因和蛋白質(zhì)水平上的表達(dá)增加，并且Hsp70 表達(dá)升高與COPD 的嚴(yán)重程度和吸煙狀況密切相關(guān)，被認(rèn)為是反映炎癥嚴(yán)重程度和疾病進(jìn)展的生物標(biāo)記物[51]。COPD 具有異質(zhì)性，僅參考Hsp70 單一生物標(biāo)記物不足以準(zhǔn)確評(píng)估病情，還需要結(jié)合其他生命標(biāo)記物或檢查指標(biāo)，如其他炎癥指標(biāo)、肺功能等。一項(xiàng)研究表明，COPD 患者血漿中的Hsp70 濃度與支氣管氣流受限的嚴(yán)重程度、癥狀負(fù)擔(dān)和惡化史呈正相關(guān)，與肺功能FEV1和FEV1/FVC 呈負(fù)相關(guān)[52]，原因是COPD 病情加重時(shí)機(jī)體和氣道炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激程度加重，激活機(jī)體免疫反應(yīng)，Hsp70 應(yīng)激表達(dá)增加作為內(nèi)源性保護(hù)蛋白協(xié)助蛋白修復(fù)，降低氧化損傷。血清中Hsp70 與IL-1β、ATP 等多參數(shù)對(duì)識(shí)別COPD 患者具有重要的預(yù)測(cè)價(jià)值，尤其綜合肺功能多參數(shù)對(duì)識(shí)別COPD 急性加重期（AECOPD）具有重要臨床意義。因此，根據(jù)血清中Hsp70 表達(dá)水平結(jié)合臨床上檢測(cè)的炎癥指標(biāo)、肺功能等多參數(shù)綜合評(píng)估COPD 病情嚴(yán)重程度、治療反應(yīng)及預(yù)后。

3 總結(jié)與展望

研究證實(shí)了Hsp70 參與了COPD 的發(fā)病過程，但其具體機(jī)制及影響因素需要進(jìn)一步研究。在一些實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外Hsp70 均可表現(xiàn)出抗炎作用，細(xì)胞內(nèi)Hsp70 還具有抗氧化應(yīng)激、抑制細(xì)胞凋亡作用，檢測(cè)血清中Hsp70 可以評(píng)估COPD 的病情。Hsp70 廣泛參與COPD 的發(fā)病機(jī)制，各種調(diào)節(jié)Hsp70 生物活性的因素，如激動(dòng)劑和抑制劑等在干預(yù)COPD 的發(fā)生發(fā)展、靶點(diǎn)治療及改善預(yù)后等方面有待進(jìn)一步研究。