崔亞楠 陳燕

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD),簡稱“慢阻肺”,是一種異質(zhì)性肺部疾病,其特征為慢性呼吸道癥狀(呼吸困難、咳嗽、咳痰),這是由于氣道(支氣管炎、細(xì)支氣管炎)和/或肺泡(肺氣腫)異常所致,可引起持續(xù)的、進(jìn)行性的氣流阻塞[1]。慢阻肺在全球范圍內(nèi)構(gòu)成了重大疾病負(fù)擔(dān)。預(yù)計(jì)至2060年,每年將有540多萬例死于慢阻肺及慢阻肺相關(guān)疾病[2]。我國流行病學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,國內(nèi)慢阻肺患者近1億例,其中40歲及以上人群的患病率為13.7%[3]。慢阻肺發(fā)病的潛在細(xì)胞和分子生物學(xué)機(jī)制尚未完全闡明。研究細(xì)胞死亡的調(diào)控對(duì)慢阻肺不同表型的機(jī)制研究至關(guān)重要。

細(xì)胞死亡在維持多細(xì)胞生物的穩(wěn)態(tài)和發(fā)育中起關(guān)鍵作用,迄今為止,細(xì)胞死亡可分為兩類:意外性細(xì)胞死亡(accidental cell death,ACD)和程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death,PCD)[4]。ACD是不受控制的細(xì)胞死亡過程,由意外的傷害刺激觸發(fā),包括暴露于嚴(yán)重的物理、化學(xué)或機(jī)械損傷等引起,這些傷害超出了細(xì)胞的可調(diào)控能力,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡的發(fā)生。PCD的發(fā)生涉及效應(yīng)分子參與的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),具有獨(dú)特的生化特征、形態(tài)特征和免疫學(xué)后果。常見的PCD模式有細(xì)胞凋亡、自噬、壞死性凋亡和焦亡,以及近年發(fā)現(xiàn)的鐵死亡[4]。越來越多的研究表明,PCD與慢阻肺的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。筆者對(duì)常見的幾種PCD調(diào)控機(jī)制及其在慢阻肺中的研究進(jìn)展進(jìn)行匯總及討論,旨在為慢阻肺的預(yù)防、診斷和治療提供一定的參考。

PCD的發(fā)生機(jī)制

一、細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是最早被公認(rèn)的PCD形式之一,也被稱為Ⅰ型PCD[5]。細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征有細(xì)胞收縮、染色質(zhì)凝結(jié)、DNA碎裂和凋亡小體的形成,這些改變最終導(dǎo)致細(xì)胞解體,隨后由固有免疫系統(tǒng)中的吞噬性管家吞噬,而不將促炎細(xì)胞內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外環(huán)境中[6-8]。凋亡的啟動(dòng)和執(zhí)行由半胱天冬氨酸蛋白酶(caspases)承擔(dān),一種天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白酶[9]。負(fù)責(zé)凋亡調(diào)控的caspases在功能上分為啟動(dòng)者caspases(caspases-8/9/10)以及執(zhí)行者caspases(caspases-3/6/7)[10-11]。上游信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)者caspases裂解激活,隨后激活下游的執(zhí)行者caspases。

目前研究有2種特征明確的凋亡途徑,即外源性途徑(死亡受體介導(dǎo)的途徑)和內(nèi)源性途徑(線粒體介導(dǎo)的通路)[12]。在外源性途徑中,凋亡信號(hào)通過細(xì)胞外配體與細(xì)胞外死亡受體的跨膜結(jié)構(gòu)域結(jié)合而啟動(dòng)[5]。細(xì)胞外配體包括腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)和TNF相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體[13]。因此,死亡受體三聚化并將銜接分子接合到其死亡結(jié)構(gòu)域,導(dǎo)致caspase-8激活,進(jìn)而激活執(zhí)行者caspases,介導(dǎo)凋亡細(xì)胞中的蛋白質(zhì)水解,最終導(dǎo)致細(xì)胞核和其他細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的破壞[14]。內(nèi)源性途徑由細(xì)胞應(yīng)激觸發(fā),如DNA損傷和代謝應(yīng)激[15]。這些應(yīng)激誘導(dǎo)了B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2,Bcl-2)家族成員中如Bcl-2相關(guān)X蛋白(Bcl-2-associated X protein,Bax)和抗凋亡成員Bcl-2之間失衡[16]。促凋亡Bcl-2家族成員聚集在線粒體的外膜上,導(dǎo)致線粒體外膜透化[17],致使細(xì)胞色素c從線粒體膜間空間釋放到細(xì)胞質(zhì)中。進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的細(xì)胞色素c與多聚體凋亡肽酶激活因子1結(jié)合形成復(fù)合物[18],招募并激活caspase-9,導(dǎo)致凋亡小體的產(chǎn)生,并隨之分離活性caspase-9,其切割并激活下游執(zhí)行者caspases-3/7[19-20]。

二、壞死性凋亡

與細(xì)胞壞死不同,壞死性凋亡屬于PCD。壞死性凋亡與凋亡的區(qū)別在于其調(diào)控過程中不涉及Caspases的激活。其形態(tài)學(xué)特征與壞死相似,包括細(xì)胞器腫脹和核膜碎裂[21]。此外,質(zhì)膜的完整性受損,導(dǎo)致其破裂和隨后的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外漏,最終可導(dǎo)致炎癥的發(fā)生[22]。值得注意的是,壞死性凋亡涉及溶酶體膜的透化及隨后的線粒體損傷,最終在形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)上以壞死樣死亡告終。

壞死性凋亡可由白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、TNF、某些病毒感染和其他因素觸發(fā)[23]。壞死性凋亡依賴于受體相互作用絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1(Receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1,RIPK1)和RIPK3,其形成RIPK1/RIPK3復(fù)合物,稱為壞死小體,在缺少caspase-8的情況下激活壞死性凋亡途徑[23]。RIPK3活化后,介導(dǎo)混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣(mixed-lineage kinase domain-like,MLKL)假激酶結(jié)構(gòu)域不同位點(diǎn)的磷酸化,導(dǎo)致MLKL構(gòu)象變化,并與帶正電荷的六磷酸肌醇結(jié)合,隨后募集到磷脂酰肌醇中,并在質(zhì)膜中插入和多聚化,從而導(dǎo)致質(zhì)膜透化,質(zhì)膜完整性受損并破裂,損傷相關(guān)分子模式釋放,刺激炎癥小體,激活炎癥,并引發(fā)免疫反應(yīng)[22]。RIPK3激活MLKL是壞死性凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)通路。RIPK3依賴性壞死性凋亡受泛素-蛋白酶體系統(tǒng)調(diào)控,RIPK1和RIPK3可被去泛素化酶激活,誘導(dǎo)壞死性凋亡的發(fā)生[22]。

三、自噬

自噬被稱為Ⅱ型PCD,對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[24]。自噬是真核細(xì)胞在營養(yǎng)應(yīng)激條件下采用的一種生存機(jī)制。自噬途徑始于自噬體的形成,這是一種雙層膜結(jié)構(gòu),含有ATG蛋白和細(xì)胞器等自噬成分。隨后,自噬體與溶酶體融合降解,提供額外的能量來源。這一途徑有助于回收細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞器,以防止?fàn)I養(yǎng)應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞過早死亡[25-26]。盡管自噬通常被認(rèn)為是細(xì)胞采取的一種促進(jìn)生存的策略,但也被認(rèn)為是包括惡性細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞通過自我消化而實(shí)施的“自殺”機(jī)制[27]。過度的自噬可導(dǎo)致細(xì)胞死亡,即自噬依賴性細(xì)胞死亡[28-29]。

自噬中的雙層膜被認(rèn)為來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,它們延長并融合,形成自噬體[30]。自噬體吞噬細(xì)胞質(zhì)的一部分[31]。因此,自噬過程包含5個(gè)階段,即啟動(dòng)、成核、伸長/閉合、融合和分解[32]。在自噬的發(fā)生過程中,有多種自噬相關(guān)蛋白可調(diào)節(jié)和控制自噬形成的不同階段。芐氯素1(beclin 1)是自噬關(guān)鍵調(diào)控蛋白之一,參與自噬體膜形成。微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)對(duì)自噬體的延伸/閉合至關(guān)重要[33]。LC3結(jié)合在自噬體表面,并持續(xù)存在于自噬體膜上[34]。蛋白質(zhì)p62在通過與LC3相互作用募集到自噬體后,被自噬溶酶體系統(tǒng)持續(xù)水解,因此,在自噬缺陷細(xì)胞中可以檢測到p62的蓄積[35]。自噬可被能量傳感器腺苷單磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)激活,AMPK受低葡萄糖條件刺激,誘導(dǎo)ATP水平降低和自噬激活[36-37]。此外,雷帕霉素復(fù)合物1的哺乳動(dòng)物靶標(biāo)(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)可以根據(jù)細(xì)胞營養(yǎng)狀況控制包括自噬在內(nèi)的各種細(xì)胞過程[38]。研究顯示,胰島素信號(hào)通過激活細(xì)胞中的mTORC1減少自噬的發(fā)生[39]。自噬也可由活性氧(reactive oxygen species,ROS)觸發(fā)[40],外源性過氧化氫可以激活自噬相關(guān)蛋白酶,導(dǎo)致LC3的上調(diào)和mTORC1活性的抑制[41]。

四、焦亡

焦亡是由炎性小體激活的一種PCD形式,可以導(dǎo)致質(zhì)膜穿孔,隨后釋放促炎細(xì)胞成分,在炎癥和免疫中起著重要的作用[42-43]。炎性小體途徑可以分為典型的caspase-1依賴性炎癥小體途徑和非典型的caspase-4/5/11依賴性炎癥小體途徑。典型的caspase-1依賴性炎癥小體可以被病原體相關(guān)分子模式、損傷相關(guān)分子模式或其他免疫反應(yīng)選擇性激活[42-44]。非典型的caspase-4/5/11依賴性炎癥小體由巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞或其他細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的脂多糖激活[45-46]。焦孔素(gasdermin D,GSDMD)是焦亡的關(guān)鍵效應(yīng)分子,GSDMD被caspase-1或caspase-11切割產(chǎn)生22 kDa C-末端片段(GSDMD-C)和31 kDa N-末端片段(GSDMD-N),GSDMD-N產(chǎn)生后立即移位到質(zhì)膜的內(nèi)部小葉與磷脂結(jié)合,誘導(dǎo)孔的形成,最終導(dǎo)致細(xì)胞膜裂解。而GSDMD-C可以抑制GSDMD-N的這一活性。同時(shí),caspase-1切割pro-IL-1β/IL-18,并通過GSDMD孔釋放高度免疫原性的IL-1β/IL-18,引起劇烈炎癥反應(yīng)[44, 47-49]。

五、鐵死亡

細(xì)胞鐵死亡是由鐵積累和脂質(zhì)過氧化驅(qū)動(dòng)的一種新興PCD形式,其特征在于線粒體變小、線粒體嵴減少、線粒體膜密度增加和線粒體膜破裂增加。鐵死亡是通過非酶促(芬頓反應(yīng))和酶促機(jī)制(脂氧合酶)引發(fā)的鐵催化的脂質(zhì)過氧化過程。多不飽和脂肪酸是膜脂質(zhì)過氧化的主要靶點(diǎn)[50]。鐵死亡可以經(jīng)由失活谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPx4;生物膜抵抗過氧化損傷的主要保護(hù)性分子)的常規(guī)方式誘導(dǎo)或通過增加不穩(wěn)定鐵池的非常規(guī)方式誘導(dǎo)[4]。胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(系統(tǒng)Xc)是抑制鐵死亡脂質(zhì)過氧化過程的關(guān)鍵抗氧化系統(tǒng),其核心組件為溶質(zhì)承載家族7成員11(Solute carrier family 7 member 11,SLC7A11)。該系統(tǒng)促進(jìn)胞外胱氨酸和胞內(nèi)谷氨酸在質(zhì)膜上的交換,助力后續(xù)GPx4發(fā)揮抗氧化作用。系統(tǒng)Xc-抑制劑被認(rèn)為是Ⅰ類鐵死亡誘導(dǎo)劑,而靶向GPx4的抑制劑被認(rèn)為是Ⅱ類鐵死亡誘導(dǎo)劑[51]。

值得注意的是,細(xì)胞GPx4耗竭也顯示出對(duì)凋亡[52]、壞死性凋亡[53]和焦亡[54]的敏感性,提示脂質(zhì)過氧化可能加速一系列不同的PCD模式。細(xì)胞死亡可能在不同方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Zheng等[55]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡可以轉(zhuǎn)變?yōu)殍F死亡。鐵死亡誘導(dǎo)劑erastin激活p53依賴性CHOP/PUMA軸,并增加對(duì)TNF相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體誘導(dǎo)的凋亡的敏感性[56]。研究顯示,鐵死亡經(jīng)常伴隨著壞死性凋亡的發(fā)生。腦出血后,鐵死亡和壞死性凋亡的分子標(biāo)記物均增加而且腦出血后的神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)以鐵死亡和壞死性凋亡為特征[57-58]。在腎缺血再灌注損傷的小鼠模型中,敲除壞死性凋亡相關(guān)蛋白MLKL的細(xì)胞更容易發(fā)生鐵死亡[59]。鐵死亡中線粒體損傷導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放,RIPK1/3磷酸化加劇,最終導(dǎo)致壞死性凋亡[60]。而RIPK3的上調(diào)導(dǎo)致過量ROS的產(chǎn)生并通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激/鈣超載/ROS途徑誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放,進(jìn)一步增加了細(xì)胞對(duì)鐵死亡的敏感性[60-64]。越來越多的研究表明,鐵死亡的發(fā)生需要自噬機(jī)制參與,是一種自噬依賴性細(xì)胞死亡[65-66]。在蛛網(wǎng)膜下腔出血的小鼠模型中,自噬降解神經(jīng)元中的鐵蛋白,增加細(xì)胞內(nèi)游離鐵水平,從而促進(jìn)鐵死亡[67]。還有研究發(fā)現(xiàn),自噬相關(guān)基因的敲除抑制了erastin誘導(dǎo)的鐵死亡,降低了細(xì)胞內(nèi)的Fe2+和脂質(zhì)過氧化水平[68-69]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),細(xì)胞內(nèi)鐵和ROS異常蓄積可以同時(shí)誘導(dǎo)焦亡和鐵死亡兩種細(xì)胞死亡形式[70]。此外,Kang等[54]發(fā)現(xiàn)髓系細(xì)胞中GPx4的缺乏增加了caspase-1/11介導(dǎo)的GSDMD產(chǎn)生,促進(jìn)了焦亡。這些研究表明,鐵死亡與多種PCD模式之間存在交叉互作,但其具體分子機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

PCD參與慢阻肺發(fā)生發(fā)展

一、細(xì)胞凋亡與慢阻肺

作為最早被研究的PCD方式,細(xì)胞凋亡與慢阻肺發(fā)生發(fā)展的關(guān)系較為明確。肺結(jié)構(gòu)細(xì)胞的凋亡可能是慢阻肺發(fā)病機(jī)制中的重要上游事件,慢阻肺患者肺部凋亡的氣道上皮細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞均顯著增加,這些病理變化不能被結(jié)構(gòu)細(xì)胞的增殖所改善,最終導(dǎo)致肺組織的破壞和肺氣腫的發(fā)展[71]。肺血管重塑是慢阻肺繼發(fā)肺動(dòng)脈高壓的重要病理改變,研究顯示慢阻肺大鼠模型的肺血管中存在凋亡/增殖的嚴(yán)重失衡,肺血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡增加,平滑肌細(xì)胞過度增殖是肺血管重塑的關(guān)鍵機(jī)制[72]。此外,支氣管上皮細(xì)胞及肺泡上皮細(xì)胞的凋亡同樣與慢阻肺發(fā)病密切相關(guān)。Chen等[73]針對(duì)非吸煙者、吸煙非慢阻肺患者和吸煙慢阻肺患者的研究證實(shí),與對(duì)照組相比,慢阻肺患者肺組織中存在顯著增加的支氣管上皮細(xì)胞凋亡。在香煙煙霧暴露或CSE腹腔注射建立的肺氣腫小鼠模型中同樣可檢測到支氣管上皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞凋亡增加,而抑制支氣管上皮細(xì)胞或肺泡上皮細(xì)胞的凋亡可減緩或部分逆轉(zhuǎn)慢阻肺動(dòng)物模型肺氣腫的嚴(yán)重程度[73-74]。大量CSE干預(yù)的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也顯示,在支氣管上皮細(xì)胞及肺泡上皮細(xì)胞中,CSE能明顯抑制抗凋亡因子BCL2的表達(dá),誘導(dǎo)凋亡效應(yīng)分子caspase-3的激活,促進(jìn)細(xì)胞凋亡[73, 75-76]。這些體內(nèi)及體外研究均表明吸煙可通過誘導(dǎo)肺結(jié)構(gòu)細(xì)胞凋亡和功能障礙,啟動(dòng)慢阻肺的發(fā)病過程。

二、壞死性凋亡與慢阻肺

慢阻肺患者肺部的壞死性凋亡顯著增加,抑制壞死性凋亡的發(fā)生可以減輕香煙煙霧暴露導(dǎo)致的慢阻肺小鼠模型中的氣道炎癥、氣道重塑和肺氣腫[77]。顆粒物干預(yù)人類支氣管上皮細(xì)胞以模擬體外病理過程的研究也表明,壞死性凋亡抑制劑可以減輕炎性細(xì)胞因子以及黏蛋白的釋放[78]。此外,抑制暴露于CSE的巨噬細(xì)胞壞死性凋亡也可以減少炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生[79]。Mao等[80]研究表明,褪黑素通過抑制壞死性凋亡,減輕炎癥細(xì)胞向氣道的浸潤,減少氣道重塑,增加支氣管上皮細(xì)胞纖毛數(shù)量。在急性和慢性香煙煙霧暴露下,與正常小鼠相比,RIPK3缺陷和MLKL缺陷小鼠中炎癥細(xì)胞、趨化因子、氣道基底膜厚度和肺組織膠原沉積水平均顯著減少,證實(shí)壞死性凋亡是導(dǎo)致氣道炎癥和氣道重塑的上游機(jī)制[81]。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),盡管毒性顆粒物可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死性凋亡,但是細(xì)胞應(yīng)激的增加導(dǎo)致了細(xì)胞死亡模式的轉(zhuǎn)換,從早期向晚期凋亡轉(zhuǎn)變,最終發(fā)展為壞死性凋亡[82]。研究者同時(shí)在香煙煙霧暴露前使用壞死性凋亡或凋亡抑制劑干預(yù)小鼠,發(fā)現(xiàn)肺氣腫的惡化程度可以被壞死性凋亡抑制劑減緩而非凋亡抑制劑的作用[83]。該研究強(qiáng)調(diào)了壞死性凋亡在慢阻肺發(fā)生發(fā)展中的獨(dú)立作用。

壞死性凋亡參與慢阻肺發(fā)病的具體機(jī)制可能包括誘導(dǎo)促炎介質(zhì)異常增多、死亡細(xì)胞吞噬不足及促進(jìn)氧化應(yīng)激的發(fā)生。壞死性凋亡是慢阻肺中肺上皮細(xì)胞死亡的重要模式,可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物釋放到細(xì)胞外環(huán)境中,釋放大量包括高遷移率族蛋白1 (high mobility group box-1 protein,HMGB1)在內(nèi)的損傷相關(guān)分子模式。HMGB1可作為壞死標(biāo)志物,在慢阻肺患者的上皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞中高度表達(dá),并與用力呼氣量呈負(fù)相關(guān),且HMGB1可與晚期糖基化終產(chǎn)物受體相互作用促進(jìn)中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的活化,釋放炎癥介質(zhì)[84]。此外,巨噬細(xì)胞對(duì)壞死性凋亡的細(xì)胞及大量釋放的損傷相關(guān)分子模式清除減慢,死亡細(xì)胞吞噬不足,可誘導(dǎo)促炎因子表達(dá)的增高和病理性炎癥的發(fā)生[82]。壞死性凋亡和氧化應(yīng)激相互作用,可能是慢阻肺氣流受限難以控制持續(xù)進(jìn)展的關(guān)鍵因素。有研究表明,壞死性凋亡途徑中的關(guān)鍵蛋白R(shí)IPK3可促進(jìn)氧化應(yīng)激的發(fā)生[85]。相反,氧化抗氧化的失衡可能進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞壞死性凋亡。線粒體ROS可調(diào)節(jié)慢阻肺中壞死性凋亡的發(fā)生,從而導(dǎo)致氣流受限。Wang等[79]通過使用線粒體靶向抗氧化劑特異性抑制巨噬細(xì)胞中的線粒體ROS,證實(shí)線粒體ROS介導(dǎo)CSE誘導(dǎo)的壞死性凋亡和炎癥反應(yīng)。RIPK1/RIPK3的敲除和RIPK1的藥理學(xué)抑制可以阻斷ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡,而ROS清除劑可以阻斷RIPK1和RIPK3之間的相互作用,表明ROS可以促進(jìn)RIPK1/RIPK3壞死小體復(fù)合物的穩(wěn)定,進(jìn)而激活壞死性凋亡信號(hào)[86]。因此,抑制壞死性凋亡的發(fā)生對(duì)于防止慢阻肺患者氣流受限的進(jìn)行性加重至關(guān)重要。

三、自噬與慢阻肺

越來越多的證據(jù)表明,慢阻肺患者存在自噬功能失調(diào)[87-88]。自噬的缺陷會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的清除失敗,進(jìn)而加速慢阻肺的發(fā)生發(fā)展[89]。相反,過度活躍的自噬會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡或凋亡增加及纖毛喪失,最終導(dǎo)致肺氣腫[90]。吸煙、環(huán)境損傷、衰老或其他因素導(dǎo)致的自噬失調(diào)可誘導(dǎo)更多的ROS形成,參與慢阻肺發(fā)病[91]。與年齡匹配的非吸煙者相比,重度慢阻肺患者的外周肺組織中p62和LC3顯著增加,表明慢阻肺患者的自噬受損[89]。CSE可誘導(dǎo)人原代支氣管上皮細(xì)胞中自噬體成熟缺陷標(biāo)志物p62、p62寡聚體和LC3的積累,自噬體無法與溶酶體融合[92]。自噬相關(guān)基因缺乏抑制自噬的發(fā)生,可進(jìn)一步抑制顆粒氣溶膠在小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)的肺部炎癥,而自噬增加會(huì)導(dǎo)致肺部炎癥[93]。香煙煙霧暴露會(huì)損害黏膜纖毛功能,導(dǎo)致小鼠體內(nèi)氣道和體外氣管支氣管細(xì)胞中纖毛縮短和功能失調(diào),Beclin-1的缺乏阻止了吸煙所致黏膜纖毛清除的減少,證實(shí)了自噬在這一過程中的重要作用。香煙煙霧還會(huì)導(dǎo)致氣道上皮細(xì)胞線粒體功能障礙,并誘導(dǎo)線粒體自噬[94]。

香煙煙霧誘導(dǎo)的過度自噬和線粒體自噬可分別導(dǎo)致支氣管細(xì)胞凋亡和壞死性凋亡,從而參與肺氣腫的發(fā)展[95]。線粒體自噬的激活,與其他PCD形式相聯(lián)系,構(gòu)成慢阻肺表型的驅(qū)動(dòng)因素,在正常肺部穩(wěn)態(tài)和發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用。研究表明,氧化應(yīng)激可以通過消耗干細(xì)胞加速衰老,導(dǎo)致功能失調(diào)的線粒體聚集,并減少自噬,促進(jìn)氧化應(yīng)激的加重[96]。線粒體自噬通過去除受損的線粒體減少ROS的產(chǎn)生,對(duì)人支氣管上皮細(xì)胞發(fā)揮顯著的保護(hù)作用[97]。抑制線粒體吞噬作用的激活,可以導(dǎo)致慢阻肺患者小氣道上皮細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生增加和炎癥小體的激活[97]。Parkin是線粒體自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,已顯示在慢阻肺患者組織中顯著下調(diào),同時(shí)在慢阻肺小鼠模型中,Parkin基因的缺失可以導(dǎo)致氣道重塑和肺氣腫的惡化[97]。這表明Parkin水平的增加可增強(qiáng)線粒體吞噬作用,減緩慢阻肺的進(jìn)展。因此,自噬是通過清除和降解受損的線粒體和氧化蛋白來調(diào)節(jié)細(xì)胞中ROS和氧化應(yīng)激水平的最重要的生物學(xué)反應(yīng)之一,研究自噬的準(zhǔn)確調(diào)控機(jī)制可能有利于尋找涉及氧化應(yīng)激的慢阻肺治療新策略。

四、焦亡與慢阻肺

焦亡是由炎性小體激活的細(xì)胞死亡方式,而NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)參與構(gòu)成研究最為廣泛的炎性小體,在香煙煙霧誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞焦亡中發(fā)揮重要作用[98]。Zhang等[99]報(bào)道暴露于CSE的支氣管上皮細(xì)胞中,乳酸脫氫酶釋放增加、NLRP3轉(zhuǎn)錄和翻譯上調(diào)、caspase-1活性升高,以及IL-1β和IL-18釋放增多,提出CSE通過ROS/NLRP3/caspase-1通路誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞中的炎癥和焦亡。尼古丁是香煙中的主要成分之一,近期有學(xué)者利用尼古丁處理正常人支氣管上皮細(xì)胞系,發(fā)現(xiàn)尼古丁處理可以顯著誘導(dǎo)細(xì)胞死亡并抑制細(xì)胞的增殖。此外,尼古丁暴露同樣顯著增加了支氣管上皮細(xì)胞中caspase-1、IL-1β、IL-18、NLRP3、凋亡相關(guān)蛋白和GSDMD的表達(dá)水平,誘導(dǎo)支氣管上皮細(xì)胞焦亡[100]。還有研究者通過香煙煙霧和脂多糖氣管滴注建立慢阻肺大鼠模型,探討鹽療法的抗炎抗氧化作用。他們發(fā)現(xiàn)鹽療法抑制了慢阻肺大鼠的肺部炎性細(xì)胞浸潤,減輕了慢阻肺大鼠肺組織中的氧化應(yīng)激,減少了肺組織中CD4和CD8 T淋巴細(xì)胞的聚積及血清中炎性因子的產(chǎn)生。同時(shí),鹽療法可通過抑制NLRP3炎性小體途徑減少慢阻肺大鼠的炎癥和焦亡,從而改善其肺功能[101]。炎性小體激活劑,包括細(xì)胞外ATP、ROS和損傷相關(guān)分子模式在慢阻肺患者的氣道中顯著增加[102]。Mo等[103]利用脂多糖處理人肺成纖維細(xì)胞系MRC-5構(gòu)建慢阻肺細(xì)胞模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)脂多糖處理的MRC-5細(xì)胞中caspase-1、IL-1β、IL-18和裂解的GSDMD的表達(dá)水平均明顯升高,表明焦亡與慢阻肺發(fā)病有關(guān)。lncRNA GAS5表達(dá)的增加顯著促進(jìn)了caspase-1、IL-1β、IL-18、裂解的GSDMD和NLRP3的產(chǎn)生。進(jìn)一步雙熒光素酶測定表明,lncRNA GAS5可以直接與microRNA-223-3p結(jié)合,而NLRP3是microRNA-223-3p的直接靶點(diǎn)。因此,提出lncRNA GAS5通過靶向microRNA-223-3p/NLRP3軸促進(jìn)慢阻肺中焦亡的發(fā)生[103]。TRPV4是一種鈣滲透性陽離子選擇性通道,通過釋放ATP和IL-1β參與慢阻肺發(fā)病。慢阻肺患者和長期香煙煙霧暴露小鼠的氣道上皮細(xì)胞中焦亡和TRPV4水平均上調(diào)。抑制TRPV4可以通過抑制NLRP3炎性小體/激活的caspase-1/GSDMD 通路、減少PI陽性細(xì)胞數(shù)量及乳酸脫氫酶釋放、減少促炎因子IL-1β和IL-8及IL-18的表達(dá)和增加抗炎因子的表達(dá)來減弱香煙煙霧誘導(dǎo)的氣道上皮細(xì)胞焦亡[104]。Wang等[105]發(fā)現(xiàn)髓系細(xì)胞1上表達(dá)的觸發(fā)受體(TREM-1)在慢阻肺中高表達(dá),抑制TREM-1,顯著減輕了NLRP3炎癥小體的激活和焦亡。他們進(jìn)行的回復(fù)實(shí)驗(yàn)證明,TREM-1通過調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體激活焦亡,進(jìn)而提出TREM-1通過激活NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的焦亡促進(jìn)慢阻肺小鼠的肺損傷和炎癥。慢阻肺中焦亡的研究多數(shù)僅局限于近兩年的文獻(xiàn)報(bào)道中,其具體調(diào)控機(jī)制及焦亡如何與其他PCD模式相互作用參與慢阻肺發(fā)病仍需進(jìn)一步探索。

五、鐵死亡與慢阻肺

作為一種新近提出的PCD方式,鐵死亡在慢阻肺中的作用越來越受到學(xué)者的關(guān)注[106]。Zhang等[107]研究發(fā)現(xiàn)慢阻肺患者存在鐵死亡及GPx4表達(dá)的下調(diào)。CSE干預(yù)的支氣管上皮細(xì)胞中,ROS、脂質(zhì)過氧化物和丙二醛(malonaldehyde,MDA)水平升高,但伴隨GPx4和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的耗竭。鐵死亡抑制劑可以逆轉(zhuǎn)CSE誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞中IL-1β和IL-8的產(chǎn)生。與非吸煙者和吸煙非慢阻肺患者相比,慢阻肺患者的核轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)水平顯著降低。增加的Nrf2表達(dá)可以促進(jìn)GPx4和SOD水平升高,抑制鐵死亡和促炎細(xì)胞因子的釋放,抑制GPx4逆轉(zhuǎn)了Nrf2過表達(dá)的影響,并促進(jìn)了鐵死亡。他們還發(fā)現(xiàn)慢阻肺患者及CSE干預(yù)的支氣管上皮細(xì)胞中Nrf2啟動(dòng)子中特定位點(diǎn)被甲基化修飾,從而提出慢阻肺患者中Nrf2啟動(dòng)子區(qū)高甲基化誘導(dǎo)其表達(dá)下調(diào),抑制GPx4介導(dǎo)鐵死亡發(fā)生[107]。在香煙煙霧暴露期間,不穩(wěn)定的鐵積累和增強(qiáng)的脂質(zhì)過氧化伴隨非凋亡性細(xì)胞死亡,受到GPx4活性的負(fù)調(diào)節(jié)[108]。通過引入GPx4基因敲除鼠,研究者發(fā)現(xiàn)GPx4敲除后暴露于香煙煙霧的小鼠會(huì)出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的堆積,鐵死亡誘導(dǎo)劑的干預(yù)可加重上述改變[108]。使用全煙冷凝物處理支氣管上皮細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活力呈劑量依賴性下降,并且細(xì)胞中線粒體分裂和融合、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)受損和自噬體樣空泡形成,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附近鐵蛋白及p62蛋白的表達(dá)顯著增強(qiáng)[109]。在慢阻肺患者、顆粒物暴露的野生型和Nrf2敲除小鼠模型及顆粒物干預(yù)的支氣管上皮細(xì)胞模型中,ROS、MDA和其他氧化因子的表達(dá)顯著增加,而GPx4表達(dá)降低,活性鐵蓄積[110]。利用CSE干預(yù)的支氣管肺泡上皮細(xì)胞進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果提示,差異表達(dá)基因與氧化應(yīng)激和鐵死亡有關(guān),使用鐵死亡抑制劑減弱了CSE誘導(dǎo)的ROS聚集和炎性介質(zhì)表達(dá)[111]。有學(xué)者采用基因表達(dá)綜合(gene expression omnibus,GEO)數(shù)據(jù)庫分析鑒定了包括SLC7A11在內(nèi)的7種鐵死亡相關(guān)基因作為診斷和治療慢阻肺的潛在生物標(biāo)志物,并提出這些鐵死亡相關(guān)基因的分子功能主要涉及氧化應(yīng)激相關(guān)的生物過程,Nrf2通路可能是香煙煙霧所致慢阻肺中調(diào)節(jié)鐵死亡的關(guān)鍵途徑[112]。有研究表明,鐵死亡與香煙煙霧誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷和炎癥有關(guān),而姜黃素可有效減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞損傷、炎癥和鐵死亡[113]。

Liu等[114]和Cui等[115]最新研究成果證實(shí),在慢阻肺患者肺組織、CSE干預(yù)的慢阻肺小鼠模型肺組織和CSE干預(yù)的支氣管上皮細(xì)胞中均出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化物蓄積、GPx4和SLC7a11的表達(dá)水平下降及鐵死亡典型的形態(tài)學(xué)改變,如線粒體固縮、嵴膜消失等。使用二氫槲皮素治療可通過調(diào)控Nrf2通路有效減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞鐵死亡[114]。

總結(jié)與展望

PCD是由細(xì)胞內(nèi)特定基因調(diào)控的分子程序介導(dǎo)的細(xì)胞死亡過程,對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。PCD的多種模式間可發(fā)生相互作用,共同參與疾病的發(fā)生發(fā)展。氧化應(yīng)激參與各種形式的細(xì)胞死亡,可能是介導(dǎo)不同死亡模式相互調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。PCD與慢阻肺發(fā)病密切相關(guān)。雖然大量研究已表明細(xì)胞凋亡及自噬參與慢阻肺發(fā)生發(fā)展,但慢阻肺中焦亡及鐵死亡相關(guān)的研究較少,且慢阻肺中各種PCD間相互作用的模式仍有待進(jìn)一步闡明。在未來的研究中,應(yīng)深入識(shí)別和探討香煙煙霧暴露后的肺組織中鐵死亡與其他細(xì)胞死亡方式之間的聯(lián)系,并將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果轉(zhuǎn)化至臨床應(yīng)用中,通過實(shí)現(xiàn)多靶點(diǎn)綜合干預(yù),為慢阻肺患者的防治提供新的選擇。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)崔亞楠:收集文獻(xiàn)、撰寫論文;陳燕:指導(dǎo)和修改論文