細胞凋亡和凋亡細胞清除與慢性阻塞性肺疾病

張凡 強麗霞 樊迪 張爽 金壽德

細胞凋亡和凋亡細胞清除與慢性阻塞性肺疾病

張凡 強麗霞 樊迪 張爽 金壽德

一、細胞凋亡與慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)

細胞凋亡又稱程序性死亡，是由基因控制的細胞自主、有序的死亡，是機體清除不必要、受損細胞的一種病理生理過程。細胞凋亡在機體的發育及成熟過程中發揮著極其重要的作用，其過程發生異常會導致機體發生多種疾病，如良惡性腫瘤、自身免疫病、HIV等。近年來，多項研究顯示，細胞凋亡過度或(和)不足可加重慢阻肺患者的氣道炎癥、加速肺臟損傷。一方面，研究表明，慢阻肺患者氣道及肺內炎性細胞凋亡不足，致使肺實質和氣道長期處于慢性炎癥狀態，炎癥持續存在、加劇作用在氣道、肺泡及肺血管，導致慢阻肺患者發生不可逆性氣流受限及肺動脈高壓，最終發展為肺源性心臟病，甚至右心衰竭。另一方面，眾多病理研究顯示，慢阻肺患者也存在肺內細胞凋亡過度，致使肺組織進行性破壞、肺功能進行性下降，最終導致慢阻肺患者發生呼吸衰竭甚至肺性腦病。因此，細胞凋亡可能是參與慢阻肺發生、發展的又一重要機制。

1. 炎性細胞凋亡與慢阻肺

嗜中性粒細胞(PMN)是參與慢阻肺患者氣道及肺內炎癥的關鍵效應細胞，并且與疾病的嚴重程度和炎癥反應強度相關。最近的研究已經顯示慢阻肺患者體內的PMN凋亡異常，且存在功能失調。Vaidyanathan和同事[1]檢測慢阻肺患者及健康非吸煙者靜脈血中PMN時發現，慢阻肺患者外周血中活化的PMN百分比較健康者顯著增高，且PMN的代謝活性顯著增加。這提示，慢阻肺患者體內增多的活化PMN很可能來源于凋亡的延遲或減少，而且慢阻肺患者體內PMN總體代謝活性增加。類似地，Kawayama等人研究發現慢阻肺患者誘導痰中PMN水平較健康者顯著增高，且誘導痰中PMN的數量與IL-8、IL-6和TNF-α之間存在顯著相關性[2]。此外，Cukic等人[3]檢測了2012年至2014年期間160名慢阻肺患者穩定期時外周血中PMN的數量，他們發現每年有3次或以上急性加重患者的外周血中PMN的數量顯著更多，存在氣道高反應性(BHR)的患者明顯高于無BHR的患者，且外周血中PMN的數量與BHR水平間存在顯著相關性。他們還發現每年發生3次及以上惡化的患者，最后一次檢查外周血中PMN的數量較第一次顯著增加。另外，Hodge和同事也報道，相對于健康者，慢阻肺患者急性加重期的肺泡灌洗液中PMN顯著增多[4-5]。上述研究共同表明，慢阻肺患者體內PMN可能存在凋亡延遲或減少，因此大量持續異常活化的PMN在氣道及肺內積聚，通過釋放各種大量炎癥介質(如白三烯B4，IL-8和TNF-α等)加劇體內炎癥反應，致使慢阻肺患者整個肺、氣道及脈管系統處于慢性炎癥狀態，間接增加患者急性加重風險。此外，PMN活性可能與慢阻肺的嚴重程度相關聯，未來研究有望通過靶向PMN的代謝作用，開發出用于慢阻肺患者的新療法。

2. 氣道上皮細胞凋亡與慢阻肺

支氣管上皮在慢阻肺的發病[6,9]中起重要作用，氣道上皮細胞及肺泡上皮細胞分泌各種炎癥介質及多種蛋白酶參與慢阻肺發病。Gogebakan等人提取吸煙受試者和慢阻肺患者的支氣管上皮細胞(HBECs)進行培養研究HBECs細胞凋亡情況，他們發現慢阻肺患者的HBECs早期凋亡水平較對照組顯著增加[10]。類似的，Comer及同事[11]通過支氣管刷檢獲取支氣管上皮細胞(HBECs)進行培養研究，結果發現慢阻肺組的HBECs經香煙處理后凋亡水平較非吸煙和吸煙的健康志愿者顯著增加。有趣的是，他們還發現相同條件下培養來自健康吸煙者和非吸煙健康者的支氣管上皮細胞，吸煙組的HBECs經香煙煙霧提取物誘導后凋亡更為顯著。此外，一項關于支氣管上皮細胞系的體外研究報道，低濃度的香煙煙霧提取物誘導細胞凋亡，而較高劑量則直接導致細胞壞死[12]。上述研究表明，慢阻肺患者支氣管上皮細胞凋亡過度，香煙煙霧吸入可能參與、加速誘導氣道上皮細胞的凋亡。然而，關于慢阻肺在體初級支氣管上皮細胞凋亡狀態的研究甚少，慢阻肺中的支氣管上皮細胞過度凋亡的機制還不清楚，而且香煙煙霧是否是參與、加速誘導氣道上皮細胞凋亡的因素尚待進一步驗證。

3. 肺內細胞凋亡與慢阻肺

細胞凋亡是維持肺部穩態可塑性的必要條件之一。近年來，眾多研究發現慢阻肺患者肺內細胞凋亡過多，同時，細胞增殖也增多，但總體上仍處于細胞凋亡過度的負平衡狀態[13]。Kasahara和同事[14]發現，肺氣腫患者的肺組織切片中內皮細胞和上皮細胞凋亡水平較健康肺組織顯著增加。Imai等人通過動物模型[15]研究發現，肺氣腫肺組織中增多的凋亡細胞包括肺泡上皮細胞、內皮細胞和成纖維細胞等。與上述研究相一致，一項研究動物模型也發現[16]，肺氣腫肺組織細胞凋亡指數較健康肺組織增加，而兩組增殖指數相似。該研究還觀察到肺氣腫肺組織中細胞增殖水平增加，但整體上仍以凋亡為主。由此可知，慢阻肺患者肺內細胞凋亡過度，而通過細胞增殖也不能阻止肺泡的進行性破壞。

Hodge等人[6]發現，慢阻肺患者的肺泡灌洗液中肺泡上皮細胞凋亡較非吸煙健康對照組增多，而健康吸煙者與非吸煙健康者的肺泡壁細胞凋亡水平并無顯著差異。 有意義的是，他們還進一步證明，依賴組織蛋白酶s(Cats)的肺泡上皮細胞凋亡過程在γ-干擾素(IFN-γ)誘導的肺氣腫的發病機制中是關鍵環節，而IFN-γ是外源性/死亡受體和內源性/線粒體凋亡途徑的有力活化劑。因此，彈性蛋白酶及IFN-γ可能是參與誘導肺泡壁細胞凋亡過程中的重要因子，具體機制有待未來研究。Yokohori等人[17]不僅發現肺氣腫病人肺泡壁細胞凋亡和增殖水平均較健康吸煙者和非吸煙健康者高，而且還檢測到肺氣腫肺組織切片中內皮細胞及間充質細胞凋亡和增殖數量均增加。此外，他們在肺氣腫肺組織中還檢測到胱天蛋白酶3(Caspase-3)的活化亞基和表達增多的促凋亡蛋白Bax和Bad[18]。有研究報道，健康小鼠氣管內給藥激活Caspase-3后肺泡上皮細胞發生凋亡，肺泡灌洗液中彈性蛋白酶活性增高，小鼠最終發生肺氣腫，而胱天蛋白酶抑制劑可以阻止肺間隔細胞的凋亡和肺氣腫的進展[19]。這表明，胱天蛋白酶抑制劑可能成為慢阻肺患者治療的靶點之一。健康小鼠氣管內滴注神經酰胺后，肺泡上皮細胞和內皮細胞發生凋亡，肺泡腔擴大[20]。此外，還有人在肺氣腫患者的肺中檢測到水平增高的神經酰胺。因此，神經酰胺上調可能是肺氣腫發生、發展的重要因素之一。

4. 慢阻肺的肺外凋亡

大量臨床病例研究表明，慢阻肺是一種除了肺局部炎癥之外常累及全身的系統性疾病。肺是受慢阻肺影響的主要靶器官，但慢阻肺患者除了肺部表現外常常伴有異常的全身表現，如外周肌肉無力、骨骼肌萎縮及骨質疏松等。有人推測，這可能由于細胞凋亡過度，導致凋亡和再生之間平衡失調所致。因此，有研究者提出[21]，慢阻肺患者肌肉萎縮可能由凋亡途徑的過度激活導致肌纖維數量的減少所致。此外，有研究報道，相對于正常體重指數者，低BMI的慢阻肺患者的骨骼肌細胞凋亡數量顯著增多，且凋亡水平與運動能力降低呈一定正相關性[22]。骨質疏松是慢阻肺患者的另一個常見的全身性表現，但是細胞凋亡是否是導致慢阻肺患者骨質疏松發生、進展的原因有待進一步研究。迄今為止，關于慢阻肺患者肺外凋亡的研究甚少，未來的研究將致力于探究慢阻肺患者肺內、外細胞凋亡之間的相關性，以及細胞凋亡在慢阻肺的全身表現發生、發展中的重要性及相應機制。

二、凋亡細胞清除與慢阻肺

凋亡細胞的識別與從氣道和肺中清除主要由氣道巨噬細胞介導。據報道，肺氣腫患者凋亡細胞清除缺陷致使肺部炎癥持續存在，增加了患者急性加重的風險，也是導致患者肺功能進行性下降的重要原因之一[23]。

1. 凋亡細胞清除

急、慢性肺部炎癥反應與大量的免疫細胞及結構細胞累積凋亡過程相關，炎癥反應中凋亡細胞被巨噬細胞吞噬清除的過程即凋亡細胞清除過程，又叫"胞葬作用"。凋亡細胞的識別以及從氣道和肺內清除主要由巨噬細胞介導，未成熟的樹突狀細胞、上皮細胞和間質細胞也具有上述功能。氣道有效清除凋亡細胞對于局部炎癥緩解至關重要，且有利于維持肺部穩態。上述過程的中斷將導致積聚的凋亡細胞發生繼發性壞死，壞死細胞碎片的釋放隨后通過"損害相關的分子模式"導致天然免疫系統的失控性激活，最終發生自身過度炎癥反應。為控制免疫反應持續時間以及阻止自身過度免疫反應，吞噬細胞通過一系列受體攝取凋亡細胞進而啟動抗炎癥信號級聯反應。然而，延緩凋亡細胞識別受體的活化，可能延遲或阻止機體對繼發感染的炎癥反應，導致感染的擴散、疾病進展。

2. 慢阻肺中異常的胞葬作用

在健康者的肺組織中幾乎檢測不到凋亡細胞[24]，而在急性感染相關的肺炎模型中，則發現浸潤氣道的免疫細胞發生凋亡后被氣道巨噬細胞快速清除。因此，呼吸系統感染的及時控制與氣道中巨噬細胞吞噬功能的正常發揮密切相關。然而，在多個原因不同的慢性炎癥性肺病的患者氣道內發現數量增多的死亡細胞[25]。推測可知，上述疾病中高頻率出現的凋亡細胞不是來源于細胞凋亡速度加快就是凋亡細胞清除發生缺陷。有研究報道，在慢阻肺或肺氣腫[11,14,19]患者的肺組織切片中發現過多積聚的凋亡上皮細胞、內皮細胞及免疫細胞。Hodge等人研究發現，慢阻肺患者肺泡灌洗液中攝取凋亡支氣管上皮細胞和嗜中性粒細胞的巨噬細胞顯著減少[4-5]。因此，慢阻肺患者肺中凋亡細胞數目的增加可能歸因于氣道巨噬細胞的胞葬作用顯著受損。目前，已有研究表明，胞葬作用效率的降低主要由氣道巨噬細胞介導[26-27]。此外，有研究報道吸煙者氣道巨噬細胞攝取凋亡細胞的功能嚴重受損，因此，香煙吸入可能是參與誘導凋亡細胞清除缺陷過程的因素之一。

三、未來與展望

綜上所述，異常的細胞凋亡和凋亡細胞清除可促進慢阻肺發病及進展。慢阻肺患者即使戒煙后病情仍持續進展，因此需要評估凋亡是否可作為阻止慢阻肺進一步惡化的治療靶點。肺內細胞凋亡和再生之間的平衡失調導致肺組織的進行性破壞，這對評價肺氣腫的干細胞療法潛在用途很有意義。未來還需要更多的研究來確定參與慢阻肺發生、發展過程中最重要的凋亡途徑及半胱氨酸蛋白酶種類。最后，凋亡細胞清除缺陷是否是慢阻肺患者發病進展的直接機制尚待進一步研究，如果是，是否可以確立慢阻肺新的生物標記物，為慢阻肺的診治提供新思路。

[1] Vaidyanathan A,Damodar KS. Increased metabolic activity of neutrophils in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J] . Lung India, 2015, 32(6):589-592.

[2] Kawayama T, Kinoshita T, Matsunaga K, et al. Responsiveness of blood and sputum inflammatory cells in Japanese COPD patients, non-COPD smoking controls, and non-COPD nonsmoking controls[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis, 2016, 11: 295-303.

[3] Cukic V. Blood Level of Polymorphonuclear Neutrophil Leukocytes and Bronchial Hyperreactivity in Chronic Obstructive Pulmonary Disease[J] . Med Arch, 2015, 69(4):244-246.

[4] Hodge S, Hodge G, Brozyna S, et al. Azithromycin increases phagocytosis of apoptotic bronchial epithelial cells by alveolar macrophages[J]. Eur Respir J, 2006, 28(3):486-495.

[5] Hodge S, Hodge G, Ahern J, et al. Smoking alters alveolar macrophage recognition and phagocytic ability: implications in COPD[J]. Am J Resp Cell Mol Biol, 2008, 37(6):748-755.

[6] Hodge S, Hodge G, Holmes M, et al. Increased airway epithelial and T-cell apoptosis in COPD remains despite smoking cessation[J]. Eur Resp J, 2005, 25(3):447-454.

[7] Chen L, Chen G, Zhang M Q, et al. Imbalance between subsets of CD8+peripheral blood T cells in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. PeerJ, 2016, 4(2):e2301.

[8] Zhuo S, Na L, Yi Z, et al. Expression of the Lymphocyte Chemokine XCL1 in Lung Tissue of COPD Mice, and Its Relationship to CD4 + /CD8 +, Ratio and IL-2[J]. Cell Bioch Bioph, 2015, 73(2):1-7.

[9] Shukla SD, Sohal SS, Mahmood MQ, et al. Airway epithelial platelet-activating factor receptor expression is markedly upregulated in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Int J Copd, 2014, 9(6):853-861.

[10]Gogebakan B, Bayraktar R, Oztuzcu S, et al. The role of bronchial epithelial cell apoptosis in the pathogenesis of COPD[J]. Mol Biol Rep, 2014, 41(8):5321-5327.

[11]Comer DM, Kidney JC, Ennis M, et al. Airway epithelial cell apoptosis and inflammation in COPD, smokers and nonsmokers[J]. Eur Resp J, 2013, 41(5):1058-1067.

[11]Gao W, Yuan C, Zhang J, et al. Klotho expression is reduced in COPD airway epithelial cells: effects on inflammation and oxidant injury[J]. Clin Science, 2015, 129(12):1011-1023.

[13]Da-Zhi LI, Ruan SW, Chen ZB, et al. Effect of Quanzhenyiqitang on apoptosis of alveolar macrophages and expression of histone deacetylase 2 in rats with chronic obstructive pulmonary disease[J]. ExpTher Med, 2014, 7(5):1327-1331.

[14]Kasahara Y, Tuder RM, Cool CD, et al. Endothelial cell death and decreased expression of vascular endothelial growth factor and vascular endothelial growth factor receptor 2 in emphysema[J]. Am J Resp Crit Care Med, 2001, 163(163):737-744.

[15]Imai K, Mercer BA, Schulman LL, et al. Correlation of lung surface area to apoptosis and proliferation in human emphysema[J]. Eur Resp J, 2005, 25(2):250-258.

[16]Majo J, Ghezzo H, Cosio MG. Lymphocyte population and apoptosis in the lungs of smokers and their relation to emphysema[J]. Eur Resp J, 2001, 17(5):946-953.

[17]Yokohori N, Aoshiba K, Nagai A. Respiratory Failure Research Group in Japan. Increased levels of cell death and proliferation in alveolar wall cells in patients with pulmonary emphysema[J]. Chest, 2004, 125(2):626-632.

[18]Yang SR, Chida AS, Bauter MR, et al. Cigarette smoke induces proinflammatory cytokine release by activation of NF-kappaB and posttranslational modifications of histone deacetylase in macrophages[J]. Am J Phys Lung Cell Mol Phys, 2006, 291(1):689-698.

[19]Sakhatskyy P, Gabino Miranda GA, Newton J, et al. Cigarette smoke-induced lung endothelial apoptosis and emphysema are associated with impairment of FAK and eIF2偽[J]. Microvasc Res, 2014, 94: 80-89.

[20]Petrache I, Natarajan V, Zhen L, et al. Ceramide upregulation causes pulmonary cell apoptosis and emphysema[J]. Nat Med, 2005, 11(5):491-498.

[21]Gea J, Pascual S, Casadevall C, et al. Muscle dysfunction in chronic obstructive pulmonary disease: update on causes and biological findings[J]. J Thor Dis, 2015, 7(10):e418-e438.

[22]Sarkar M, Bhardwaj R, Madabhavi I, et al. Osteoporosis in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Clin Med Ins Circ Resp Pulm Med, 2015, 9(11):5-21.

[23]Grabiec AM, Hussell T. The role of airway macrophages in apoptotic cell clearance following acute and chronic lung inflammation[J]. Sem Immun, 2016, 38(4):409-423.

[24]Kojima J, Araya J, Hara H, et al. Apoptosis inhibitor of macrophage (AIM) expression in alveolar macrophages in COPD[J]. Resp Res, 2013, 14(1):1-10.

[25]Schmidt EP, Tuder RM. Role of Apoptosis in Amplifying Inflammatory Responses in Lung Diseases[J]. J Cell Death, 2010, 2010(3):41-53.

[26]Vlahos R, Bozinovski S. Role of alveolar macrophages in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Front Immun, 2014, 5:435-435.

[27]Mccubbrey AL, Curtis JL. Efferocytosis and Lung Disease[J]. Chest, 2013, 143(6):1750-7175.

10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.041

國家自然科學基金項目(No 8167011051)

150001 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫科大學附屬第四醫院

金壽德，E-mail：jinshoude@163.com

2016-10-24]