氧化應(yīng)激與肺纖維化肺泡上皮凋亡的研究進展

王聰 董春玲

肺纖維化是一種臨床表現(xiàn)為活動性呼吸困難、漸進性加重，干咳，杵狀指，可有不適、乏力及體質(zhì)量減輕的肺部疾病。肺纖維化多于50～70歲發(fā)病，起病隱匿，患者可在雙肺基底部聞及吸氣末細(xì)小的Velcro啰音，確診后的患者生存期約為2～5年，患者大多死于呼吸衰竭、循環(huán)衰竭。目前肺纖維化多采用抗炎、免疫抑制藥等治療，然而并不能明顯提高生存期，且具有較嚴(yán)重的不良反應(yīng)[2]。至今除肺移植外，尚未發(fā)現(xiàn)治療肺纖維化的其他有效方法。肺纖維化的發(fā)病機制尚未完全明確，雖然有研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境暴露(如金屬粉塵、木塵)、吸煙、病毒感染、藥物作用等與肺纖維化的發(fā)生有關(guān)，但確切機制仍未明確。肺纖維化的發(fā)病機制是近年的研究熱點。近年多項研究表明，氧化應(yīng)激在肺纖維化形成過程中發(fā)揮著重要的作用，且氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)上皮細(xì)胞凋亡，上皮細(xì)胞凋亡可能是肺間質(zhì)纖維化早期發(fā)生、發(fā)展的重要因素。該文總結(jié)了近年氧化應(yīng)激與肺纖維化肺泡上皮細(xì)胞凋亡的研究進展，以供臨床同道參考。

一、氧化應(yīng)激導(dǎo)致肺纖維化的作用機制

氧化應(yīng)激指機體內(nèi)高活性物質(zhì)如活性氧簇產(chǎn)生過多，超出了機體的清除能力，導(dǎo)致的氧化與抗氧化體系失衡。活性氧簇包括羥基自由基、超氧陰離子、過氧化氫等，可通過信號通路及轉(zhuǎn)錄因子的激活直接或者間接地影響機體[3]。低水平的活性氧簇對于細(xì)胞存活信號通路及抗氧化能力是很重要的，其可以消除自由基，維持人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，但是較高水平的活性氧簇，會破壞細(xì)胞的生物分子，如DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)，進而導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡和衰老。有研究顯示，肺纖維化患者肺組織來源的肺泡炎癥細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞)和成纖維細(xì)胞所產(chǎn)生的活性氧簇水平高于正常對照組，而正常對照組的患者細(xì)胞內(nèi)液中含有較高的還原型谷胱甘肽(GSH)、血清超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化物質(zhì)，肺纖維化患者則較低，結(jié)果表明肺纖維化患者存在氧化劑與抗氧化劑的比例失衡[4]。

肺臟由于其特殊的解剖結(jié)構(gòu)，易受到氧化應(yīng)激的損傷，使肺泡上皮分泌多種生長因子或細(xì)胞因子，如轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)、血小板衍生生長因子、內(nèi)皮素-1、血管緊張素-2及結(jié)締組織生長因子，這些因子可以直接或者間接地介導(dǎo)纖維化過程[5]。TGF-β是促進肺纖維化的關(guān)鍵因素，它能促進肺成纖維細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)化以及細(xì)胞外基質(zhì)的沉積[6]。TGF-β也是促進上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的重要介質(zhì)。EMT能促進纖維化進程，并參與組織的修復(fù)，過度的EMT可能會導(dǎo)致纖維化而導(dǎo)致器官衰竭[7]。有研究表明，成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞和TGF-β在肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展均起著重要的作用[8]。氧化應(yīng)激還會破壞肺組織中蛋白酶與抗蛋白酶體系平衡，從而導(dǎo)致肺纖維化。

近年研究表明，轉(zhuǎn)錄因子Bach1參與了氧化應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)，該因子通過識別與抗氧化劑相關(guān)的反應(yīng)元件抑制轉(zhuǎn)錄，進而拮抗紅細(xì)胞衍生的核因子2相關(guān)因子2(Nrf2)，Nrf2是氧化應(yīng)激反應(yīng)中的一個重要因子，可促進Nrf2-依賴的抗氧化基因和蛋白質(zhì)的表達，保護細(xì)胞免受氧化損害[9-10]。曾有學(xué)者指出，小鼠和人類的Nrf2缺陷均與肺纖維化發(fā)病機制有關(guān)[11]。博來霉素誘導(dǎo)肺纖維化小鼠的動物實驗顯示，Nrf2激動劑可通過調(diào)節(jié)肺部氧化劑水平抑制肺纖維化的發(fā)展[12]。但目前尚沒有可靠的證據(jù)表明靶向該轉(zhuǎn)錄因子Bach1是否能減弱肺纖維化[13]。對Bach1的研究也可能為肺纖維化的治療帶來新的前景。

二、氧化應(yīng)激在肺泡上皮細(xì)胞凋亡中的調(diào)節(jié)作用

肺泡上皮細(xì)胞主要由肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞(AT-Ⅰ，占表面積的90%)和肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞(AT-Ⅱ，占表面積的10%)組成，前者主要負(fù)責(zé)氣體交換，后者主要負(fù)責(zé)分泌活性物質(zhì)減輕肺泡表面活性[14]。通過不同濃度過氧化氫處理AT-Ⅱ模擬體內(nèi)活性氧簇攻擊AT-Ⅱ時，可見AT-Ⅱ的細(xì)胞形態(tài)隨著過氧化氫濃度變化而變化，較高濃度下可見大量的AT-Ⅱ脫壁，胞體變圓，培養(yǎng)上清液中可見變圓漂浮的細(xì)胞和細(xì)胞碎片以及凋亡小體等明顯的細(xì)胞損傷性改變，電鏡形態(tài)學(xué)觀察也從形態(tài)學(xué)上證實了AT-Ⅱ凋亡的發(fā)生[15]。另有研究報道，過氧化氫氧化應(yīng)激處理AT-Ⅱ后，過氧化氫組細(xì)胞生長抑制率明顯高于對照組[16]。上述研究說明活性氧簇可誘導(dǎo)AT-Ⅱ存活率下降和凋亡的發(fā)生，其可能機制有如下幾種。

1.TGF-β的激活

正常細(xì)胞產(chǎn)生的TGF-β以非活性狀態(tài)存在，和潛在相關(guān)肽(LAP)以二硫鍵聯(lián)接形成休眠復(fù)合體，并與ECM交聯(lián)在一起。氧化應(yīng)激在肺泡上皮細(xì)胞凋亡中發(fā)揮著重要的作用，而TGF-β與肺氧化應(yīng)激相關(guān)，活性氧簇直接氧化LAP激活TGF-β；同時活性氧簇誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶攻擊LAP，從而激活TGF-β，活性氧簇還可以促進巨噬細(xì)胞和活化的肌成纖維細(xì)胞等表達TGF-β基因和分泌TGF-β[17]。TGF-β同時又可誘導(dǎo)活性氧簇的產(chǎn)生，形成一個惡性循環(huán)。高濃度的活性氧簇造成DNA破壞，細(xì)胞周期阻滯，并最終導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞凋亡和壞死[18]。TGF-β可誘導(dǎo)肺組織表達還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(NOX4)，有研究顯示NOX4 在纖維化小鼠肺泡上皮細(xì)胞的高表達引致細(xì)胞凋亡[19]。

2.核因子-κB(NF-κB)和BaK的參與

有研究顯示，氧化應(yīng)激可激活NF-κB，誘導(dǎo)產(chǎn)生多種炎癥細(xì)胞因子，使促炎和抗炎細(xì)胞因子體系失衡，進而引發(fā)一系列的炎癥反應(yīng)和內(nèi)皮細(xì)胞通透性的增高，構(gòu)成了AT-Ⅱ凋亡的物質(zhì)基礎(chǔ)[16]。NF-κB還可調(diào)控Bcl-2家族成員BaK的表達，Bcl-2家族是細(xì)胞凋亡和肺纖維化發(fā)展的重要調(diào)節(jié)因子，通過控制線粒體外膜的完整性調(diào)控細(xì)胞凋亡[20]。有研究發(fā)現(xiàn)，AT-Ⅱ經(jīng)過氧化氫刺激3 h后BaK表達水平升高，提示BaK可能作為促凋亡因子參與了氧化應(yīng)激下AT-Ⅱ的凋亡過程[21]。

3.線粒體的損壞

α-Klotho是主要在腎中表達并分泌在血液中的抗衰老蛋白，它可以通過保持線粒體DNA的完整性，保護肺泡上皮細(xì)胞免受氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[22]。線粒體對氧化應(yīng)激敏感，部分是因為肺泡上皮中的線粒體缺乏組蛋白的保護及相對有限的DNA修復(fù)機制，當(dāng)氧化應(yīng)激作用于肺泡上皮細(xì)胞中的線粒體時，8-羥基鳥嘌呤DNA糖基化酶、線粒體烏頭酸、沉默調(diào)節(jié)蛋白3均可降低，而上述因子均與線粒體的完整性，線粒體DNA損傷的修復(fù)與老化有關(guān)。依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的去乙酰化酶Sirtuin-3(SIRT3)能通過增加活性氧簇清除酶活性和穩(wěn)定線粒體功能抑制線粒體內(nèi)活性氧簇的蓄積。有報道指出，肺纖維化患者缺乏SIRT3，其體內(nèi)肺泡上皮細(xì)胞的線粒體DNA損傷和細(xì)胞凋亡均可增加[23]。活性氧簇還可激活線粒體內(nèi)在凋亡途徑，導(dǎo)致線粒體外膜的滲透性增加，降低線粒體膜電位，刺激眾多的凋亡蛋白(線粒體細(xì)胞色素C等)及促凋亡蛋白Caspase-9和Caspase-3的釋放，最終致使線粒體功能發(fā)生障礙，細(xì)胞發(fā)生凋亡[24]。

4.過氧化物酶6(Prdx6)的調(diào)節(jié)

氧化應(yīng)激會導(dǎo)致體內(nèi)活性氧簇產(chǎn)生過多，引起一系列不良后果，為了對抗這種不良反應(yīng)，機體會產(chǎn)生抗氧化物酶，Prdx6就是其中的一種。肺組織中，Prdx6高表達。有研究顯示，Prdx6基因敲除小鼠肺組織中的Prdx6 mRNA和蛋白質(zhì)表達水平均下降，肺泡上皮細(xì)胞凋亡，Prdx6可能通過釋放花生四烯酸及IL-1調(diào)節(jié)TNF誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[25-26]。

三、肺泡上皮細(xì)胞凋亡在肺纖維化中的作用機制

在正常條件下，肺泡表面覆蓋AT-Ⅰ和AT-Ⅱ，AT-Ⅱ是AT-Ⅰ的祖細(xì)胞，參與肺泡上皮細(xì)胞損傷后的修復(fù)[27-28]。而且，肺泡上皮細(xì)胞損傷、修復(fù)異常及老化加速是出現(xiàn)肺纖維化的關(guān)鍵因素。但是，肺泡上皮細(xì)胞尤其是AT-Ⅱ易受到氧化應(yīng)激而發(fā)生凋亡，凋亡的AT-Ⅱ可能在以下幾個方面促進纖維化的形成：①凋亡的肺泡上皮細(xì)胞釋放TGF-β誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞通過EMT向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化；②肺泡上皮細(xì)胞對成纖維細(xì)胞的增殖調(diào)控失常減弱了其對成纖維細(xì)胞的抑制作用，從而啟動了其異常的修復(fù)功能，肺泡上皮細(xì)胞還可釋放促纖維化因子，刺激成纖維細(xì)胞的增殖和激活；③凋亡的肺泡上皮細(xì)胞分泌炎癥細(xì)胞因子，趨化中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等炎癥細(xì)胞，進一步加重組織損傷，且損傷過程中輔助性T細(xì)胞2型分泌的IL-4、IL-13等細(xì)胞因子亦具有促纖維化作用；④肺泡上皮細(xì)胞的凋亡與成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞的活化增殖相互作用，形成肺纖維化的惡性循環(huán)[29-30]。因此AT-Ⅱ凋亡在肺纖維化具有重要作用，修復(fù)AT-Ⅱ損傷可能會逆轉(zhuǎn)肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展。

四、展 望

國內(nèi)外學(xué)者對肺纖維化發(fā)病機制的探索和尋找有效的治療方法進行長期不懈的研究，也提出了許多假設(shè)如炎癥反應(yīng)學(xué)說、氧化應(yīng)激學(xué)說，但肺纖維化的確切發(fā)病機制仍未明確，肺纖維化仍缺乏有效的治療手段[31]。氧化與抗氧化體系的失衡和氧化應(yīng)激在肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展過程中扮演重要的作用。有報道，抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸能明顯延緩肺纖維化患者病情進展[32]。另有報道抗氧化劑吡非尼酮治療肺纖維化可降低患者的病死率，但未能逆轉(zhuǎn)肺纖維化[33-34]。在今后的研究中，糾正氧化與抗氧化體系的失衡，探索抗氧化失衡的途徑及降低肺泡上皮細(xì)胞凋亡的靶向藥物可能為防治肺纖維化提供新的思路。

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