NADPH氧化酶在呼吸道黏膜炎性疾病中的研究進展

鄭凱莉 王向東 張 羅，2*

(1. 首都醫科大學附屬北京同仁醫院耳鼻咽喉頭頸外科 北京市耳鼻咽喉科研究所 教育部耳鼻咽喉頭頸科學重點實驗室 鼻病研究北京市重點實驗室,北京 100730；2. 首都醫科大學附屬北京同仁醫院鼻過敏科，北京 100730)

煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nico-tinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶是機體產生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要酶體，催化氧化還原反應，參與氧化應激及信號傳導，并與多種疾病的發生發展密切相關。近年研究[1-6]顯示NADPH氧化酶及其產物ROS介導的氧化應激在多種呼吸道黏膜疾病中發揮重要作用。

1 NADPH氧化酶概述

NADPH氧化酶是一種過氧化物酶，是機體產生ROS的主要酶類，最早發現于吞噬細胞中，該酶由5種亞基組成：1個催化亞基gp91phox，4個調節亞基p22phox、p47phox、p40phox和p67phox，此外還有2個三磷酸鳥嘌呤核苷(guanosine triphosphate, GTP)結合蛋白Rac1或Rac2(單核細胞為Rac1，中性粒細胞為Rac2)，并帶有細胞色素C和黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)基團，gp91phox和p22phox亞單位位于細胞膜和細胞質囊上，構成細胞色素b558(Cyto b558)的膜復合體，當胞質中的另外幾種亞基與Cyto b558結合時，NADPH氧化酶被激活，形成有活性的NADPH氧化酶復合體[7-8]。活化后的NADPH氧化酶以NADPH為遞氫體，啟動呼吸鏈，爆發級聯反應，催化反應：NADPH+2O2→NADP++H++2O2-。O2-在超氧化物歧化酶(supemxide dismutase，SOD)催化下生成H2O2。O2-和H2O2都具有較強的氧化性，被稱為活性氧，參與機體防御反應、炎性反應、細胞間信號傳導以及細胞的增生與凋亡等過程[9]。

近年來在不同種類的細胞(如內皮細胞、血管平滑肌細胞、纖維母細胞、呼吸上皮細胞等)中發現了一系列NADPH氧化酶催化亞基gp91phox的同源物，由7種不同的基因編碼，分別稱其為Nox1、Nox2(gp91phox)、Nox3、Nox4、Nox5、Duox1、Duox2，結合調節亞基后的完整結構為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1、DUOX2，后來被命名為NOX蛋白家族[10-11]。NOX1-5主要通過分子氧氧化結合NADPH產生超氧陰離子，而DUOX1-2主要釋放過氧化氫，而不形成可檢測的超氧陰離子[7，9-12]。NOX蛋白家族存在于不同的細胞質膜上，組織表達具有一定的特異性，正常時即保持一定的活性，產生一定生理濃度的ROS并作為信號分子參與細胞功能的調節，如細胞內信號傳導、轉錄激活、細胞增生、細胞分化、細胞凋亡等[12]。

2 NADPH氧化酶與氧化應激

氧化應激(oxidative stress)作為生物醫學概念早在1985年就被提出[13]，指機體暴露于有害物質刺激或處于疾病狀態時，高活性分子如ROS和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)產生增多，人體通過SOD和其他內源性抗氧化蛋白維持氧化還原平衡，當ROS或RNS產生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系統和抗氧化系統失衡，從而導致細胞和組織損傷[14]。氧化應激是多種疾病及其合并癥的基本病理機制。體內有多種酶參與了活性氧的生成，NADPH氧化酶目前被認為是生成活性氧的主要酶體。在機體受到環境中的病原微生物、細胞因子、炎性反應介質等刺激時，NOX蛋白家族能夠迅速催化生成高濃度的ROS，當ROS產生的能力大于機體清除氧自由基的能力時，即產生氧化應激。過多的ROS能氧化蛋白質、脂類和DNA，對機體造成損傷，誘導動脈粥樣硬化、高血壓、肺部疾病、腫瘤、炎性反應等疾病的發生和發展[7，15]。因此，NADPH氧化酶在體內的氧化應激反應中起著重要作用。

3 NADPH氧化酶在呼吸道慢性炎性疾病中的作用

3.1 NADPH氧化酶與變應性鼻炎

變應性鼻炎(allergic rhinitis， AR)是變應原作用于特異性個體而激發的IgE介導的鼻黏膜炎性疾病[16-17]，植物花粉是常見的變應原之一。Dharajiya等[18]發現花粉中含有NADPH氧化酶，產生ROS，誘導抗原引起的變應性炎性反應，并提出了變應性炎性反應的兩個信號假說：即信號1(ROS)和信號2(抗原呈遞)在引起全面的變應性炎性反應中的作用缺一不可。矯健等[19]通過檢測AR患者外周血血清中氧化應激標志物一氧化氮及其合成酶以及脂質過氧化產物丙二醛等，提出氧化應激反應參與AR病理生理過程。NADPH氧化酶和NOX蛋白家族與氣道變應性炎性反應和氣道高反應密切相關，可能在變應性鼻炎的病情進展中發揮重要作用。 Moon等[20]通過檢測健康成年人、變應性鼻炎患者以及鼻息肉患者鼻黏膜的超氧陰離子和NADPH氧化酶亞型NOX1、NOX4，提出超氧陰離子和NOX1、NOX4的mRNA和蛋白在變應性鼻炎患者的鼻黏膜中表達上調，過量產生的活性氧(超氧陰離子)導致的氧化應激可能在變應性鼻炎的促發和病情進展中起重要作用。盡管有證據[18，20]表明NADPH氧化酶與變應性鼻炎的發病相關，但目前國內外相關的研究并不很多，具體的發病機制和作用尚有待進一步闡明。

3.2 NADPH氧化酶與慢性鼻-鼻竇炎

慢性鼻-鼻竇炎(chronic rhinosinusitis，CRS)分為不伴有鼻息肉的慢性鼻-鼻竇炎(chronic rhinosinusitis without nasal polyps，CRSsNP)和伴有鼻息肉的慢性鼻竇炎(chronic rhinosinusitis with nasal polyps，CRSwNP)兩種，前者是以一種非感染性、非變應性的炎性反應過程形式存在，后者則多與變應性因素有關。鼻黏膜是呼吸道抵御吸入刺激的第一道防線，如病原微生物、化學污染物和過敏原。最近的研究[20-25]表明，鼻黏膜慢性炎性反應性病變(如過敏性鼻炎和鼻息肉)的發病機制與氧化應激相關。內源性抗氧化系統抵御鼻黏膜ROS反應，以維持細胞的正常氧化還原電位并保證其功能，當過量產生的ROS超過了抗氧化系統的調節能力，則導致鼻黏膜慢性炎性反應，自由基介導的脂質過氧化產物丙二醛在鼻息肉組織中表達升高[21-22]。有研究[23-24]顯示，DUOX1和DUOX2是NADPH氧化酶家族在氣道上皮細胞產生H2O2的主要亞型，與對照組相比，DUOX1的mRNA在CRSsNP患者的鼻黏膜組織中表達明顯上調，而DUOX2的mRNA則在CRSsNP和CRSwNP患者的鼻黏膜組織中表達均明顯上調。馬英民等[25]通過檢測慢性鼻竇炎病變黏膜和鼻息肉組織中SOD活性和丙二醛含量的變化指出，自由基損傷程度與慢性鼻竇炎的病變嚴重性密切相關，自由基代謝紊亂可能在慢性鼻竇炎的發病機制中起重要作用。Moon等[20]同樣也檢測到NOX1和NOX4的mRNA和蛋白在鼻息肉黏膜的表達上調，過量產生的活性氧(超氧陰離子)導致的氧化應激在鼻息肉的發病中起重要作用。

3.3 NADPH氧化酶與哮喘

哮喘(asthma)是一種以支氣管收縮可逆性、肺部炎性反應及氣道重塑為主要特點的慢性炎性反應氣道疾病[26]。盡管多數哮喘患者都能通過應用糖皮質激素及支氣管舒張劑有效控制癥狀，但仍有部分患者因為激素抵抗而導致病情惡化，因此對哮喘發病機制及病理生理的深入研究以及新的藥物開發就顯得尤為重要。隨著NADPH氧化酶在呼吸系統疾病中作用的日益關注，近些年不斷有文獻[26-28]報道NADPH氧化酶來源的ROS引起的氧化應激反應在哮喘的發病及病程進展中發揮重要作用，如氣道“自由基損傷”“氧化/抗氧化失衡”學說，氧化應激是一種有害的過程，誘導多種炎性反應介質，導致氣道和肺損傷，并增強氣道高反應性，刺激支氣管痙攣和黏液分泌增加。減輕氧化應激或增強抗氧化反應能夠減輕氣道嗜酸性粒細胞浸潤，減少黏液分泌，減輕氣道高反應性。然而，目前這種現象的潛在機制尚不完全清楚，但可能的解釋是過度產生的活性氧造成氣道炎性反應、氣道高反應、氣道微血管高通透性和氣道黏液高分泌，以及組織損傷和組織形態改變，最終導致了支氣管哮喘的病理生理改變。氣道上皮細胞內的Duox1在白介素的誘導下過表達，可能促進了變應性哮喘的發生[26，29-30]。Nagaraj等[31]在哮喘患者肺組織的活檢中觀察到p22phox表達增加，并證實了在屋塵螨誘導的哮喘模型中，p22phox依賴的NADPH氧化酶在黏液高分泌以及氣道高反應中發揮了關鍵作用。表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)及其配體表達增加是哮喘患者氣道上皮改變的另一特征，氣道上皮的EGFR激活與氣道重塑、黏液細胞化生以及中性粒細胞性炎性反應有關。Habibovic等[32]提出了DUOX1介導了變應性哮喘患者體內持續的上皮EGFR活化、黏液細胞化生以及氣道重塑。

3.4 NADPH氧化酶與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種常見的以持續氣流受限為特征，伴隨氧化應激和氣道炎性反應的疾病，其發病率和病死率逐年升高，但卻是一種可以預防和治療的疾病，即可逆性肺部疾病[33]。雖然環境暴露以及吸煙被認為是COPD發病的主要危險因子，但其具體發病機制卻仍未闡明，相關的發病機制包括氣道慢性炎性反應、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、氣道重塑以及氧化和抗氧化失衡引起的氧化應激。COPD患者體內的氧化應激加重，NADPH氧化酶及其產生的ROS在COPD的發病機制中起著至關重要的作用[34-36]。氣道平滑肌重塑是COPD的一個標志，Liu等[37]發現，在COPD患者的小氣道中，隨著氣道平滑肌的體積增加(增生或肥大)，NOX4及轉化生長因子-β的表達升高，此外，隨著病情加重，NOX4蛋白在COPD患者氣道平滑肌細胞中的表達增加，并且與患者的肺功能水平呈負相關。Hollins等[38]發現與健康對照組相比，不管是在活體內還是在離體實驗中，NOX4在COPD氣道平滑肌細胞中的表達均上調，并且產生ROS的量可以被NOX4抑制劑顯著減少。這些證據表明NOX4可能是COPD發病中的一個重要的調節性因子，但具體的作用機制有待進一步研究。

4 小結與展望

隨著工業化發展和空氣污染問題加劇，以AR、CRS、哮喘和COPD為代表的發病率越來越高，已成為全球性健康問題。盡管諸多文獻[20，24，29]表明NADPH氧化酶與呼吸道黏膜慢性炎性反應性疾病的發病相關，但具體的發病機制尚有待闡明。明確NADPH氧化酶在患者體內及呼吸道黏膜局部結構和功能的改變，調節NADPH氧化酶表達及活性將成為改善患者體內及呼吸道黏膜局部氧化應激狀態，防護和治療NADPH氧化酶誘導及促進的呼吸道黏膜慢性炎性疾病的途徑之一，也將為藥物選擇和開發提供新的思路[39]。

[1] Luxen S， Noack D， Frausto M， et al.Heterodimerization controls localization of Duox-DuoxA NADPH oxidases in airway cells[J].J Cell Sci， 2009，122(Pt8)：1238-1247.

[2] Grandvaux N， Mariani M， Fink K. Lung epithelial NOX/DUOX and respiratory virus infections[J]. Clin Sci， 2015， 128(6)， 337-347.

[3] Lee I T， Yang C M. Role of NADPH oxidase/ROS in pro-inflammatory mediators-induced airway and pulmonary diseases[J]. Biochem Pharmacol， 2012，84(5):581-590.

[4] Bartoli M L， Novelli F， Costa F，et al. Malondialdehyde in exhaled breath condensateasa marker of oxidative stressin different pulmonary diseases[J].Mediators Inflamm， 2011, 2011:891752.

[5] 劉鮮艷，陳娟. NADPH氧化酶與呼吸系統疾病[J]. 國際呼吸雜志， 2014， 34(14): 1116-517.

[6] Griffith B， Pendyala S， Hecker L， et al. NOX enzymes and pulmonary disease[J]. Antioxid Redox Signal， 2009，11(10):2505-2516.

[7] Sirker A， Zhang M， Shah A M. NADPH oxidases in cardiovascular disease:insights from in vivo models and clinical studies[J]. Basic Res Cardiol， 2011， 106(5): 735-747.

[8] Panday A， Sahoo M K， Osorio D，et al. NADPH oxidases: an overview from structure to innate immunity-associated pathologies[J]. Cell Mol Immunol， 2015，12(1):5-23.

[9] Bedard K，Krause K H. The NOX familyof ROS-generating NADPH oxidase：physiology and pathophysiology[J].Physiol Rev，2007，87(1)：245-313.

[10] 冷麗麗， 唐圣松. NADPH氧化酶NOX家族的組織分布及生理功能[J]. 國際病理科學與臨床雜志， 2008， 28(1): 19-23.

[11] 韓曉燕， 高麗萍，劉箐. NADPH氧化酶NOX家族與疾病的關系[J]. 國際病理科學與臨床雜志， 2010， 30(6): 513-517.

[12] Brown D I， Griendling K K. Nox proteins in signal transduction[J]. Free RadicBiol Med， 2009， 47(9): 1239-1253.

[13] Sies H. Oxidative stress: a concept in redox biology and medicine[J]. Redox Biol， 2015， 4: 180-183.

[14] Zhuan B， Yu Y， Yang Z， et al. Mechanisms of oxidative stress effects of the NADPH oxidase-ROS-NF-κB transductionpathway and VPO1 on patients with chronicobstructive pulmonary disease combinedwith pulmonary hypertension[J]. Eur Rev Med Pharmacol Sci， 2017， 21(15):3459-3464.

[15] Krause K H. Tissue distribution and putative physiological function of NOX family NADPH oxidases[J].Jpn J Infect Dis， 2004，57(5):S28-29.

[16] 李華斌.變應性鼻炎的發病機制及診治進展[J]. 中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志， 2014， 49(4): 347-352.

[17] Barnes P J. Pathophysiology of allergic inflammation[J]. Immunol Rev，2011，242(1): 31-50.

[18] Dharajiya N， Boldogh I， Cardenas V， et al. Role of pollen NAD(P)H oxidase in allergic inflammation[J]. Curr Opin Allergy Clin Immunol， 2008， 8(1): 57-62.

[19] 矯健， 張偉， 孟娜. 變應性鼻炎患者血清氧化應激狀態研究[J]. 中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志， 2010， 45(6): 455-458.

[20] Moon J H， Kim T H， Lee H M，et al. Over expression of the superoxide anion and NADPH oxidase isoforms 1 and 4(NOX1 and NOX4)in all ergic nasal mucosa[J].Am J Rhinol Allergy， 2009， 23(4):370-376.

[21] Dagli M， Eryilmaz A， Besler T， et al.Role of free radicals and antioxidants in nasal polyps[J].Laryngoscope， 2004，114(7):1200-1203.

[22] Cheng Y K， Tsai M H， Lin C D， et al. Oxidative stress in nonallergic nasal polyps associated with bronchial hyperresponsiveness[J]. Allergy，2006，61(11):1290-1298.

[23] Joo J H，Ryu J H，Kim C H，et al.Dual oxidase 2 is essential for the toll-like receptor 5-mediated inflamatory response in airway mucosa[J].Antioxid Redox Signal，2012，16(1):57-70.

[24] Cho D Y， Nayak J V， Bravo D T， et al. Expression of dual oxidases and secreted cytokines in chronic rhinosinusitis[J]. Int Forum Allergy Rhinol， 2013，3(5):376-383.

[25] 馬英民， 伍偉景. 慢性鼻竇炎病變黏膜和鼻息肉組織中超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量的變化及其意義[J]. 中國耳鼻咽喉顱底外科雜志， 2008， 14(4): 255-258.

[26] Cho Y S， Moon H B. The role of oxidative stress in the pathogenesis of asthma[J]. Allergy Asthma Immunol Res， 2010， 2(3): 183-187.

[27] Zuo L， Otenbaker N P， Rose B A， et al. Molecular mechanisms of reactive oxygen species-related pulmonary inflammation and asthma[J]. Mol Immunol， 2013， 56(1-2):57-63.

[28] Kirkham P， Rahman I. Oxidative stress in asthma and COPD: antioxidants as a therapeutic strategy[J]. Pharmacol Ther， 2006，111(2):476-494.

[29] Bernard K， Hecker L， Luckhardt T R， et al. NADPH Oxidases in lung health and disease[J].Antioxid Redox Signal， 2014， 20(17):2838-2853.

[30] Harijith A, Natarajan V, Fu P. The role of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidases in lung architecture remodeling[J].Antioxidants (Basel), 2017, 6(4): E104.

[31] Nagaraj C， Haitchi H M， Heinemann A，et al.Increased expression of p22phox mediates airway hyperresponsiveness in an experimental model of asthma[J]. Antioxid Redox Signal， 2017，27(18):1460-1472.

[32] Habibovic A， Hristova M， Heppner D E， et al.DUOX1 mediates persistent epithelial EGFR activation， mucous cell metaplasia， and airway remodeling during allergic asthma[J]. JCI Insight， 2016， 1(18):e88811.

[33] Vogelmeier C F， Criner G J， Martínez F J， et al. Global strategy for the diagnosis， management， and prevention of chronic obstructive lung disease 2017 report: GOLD executive summary[J].Arch Bronconeumol， 2017， 53(3):128-149.

[34] Fischer B M， Voynow J A， Ghio A J. COPD: balancing oxidants and antioxidants[J].Int J Chron Obstruct Pulmon Dis， 2015，10:261-276.

[35] Wiegman C H， Michaeloudes C， Haji G， et al. Oxidative stress-induced mitochondrial dysfunction drives inflammation and airway smooth muscle remodeling in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].J Allergy Clin Immunol， 2015，136(3):769-780.

[36] Aggarwal S， Gross C M， Sharma S， et al. Reactive oxygen species in pulmonary vascular remodeling[J].Compr Physiol， 2013，3(3):1011-1034.

[37] Liu X， Hao B， Ma A， et al.The Expression of NOX4 in smooth muscles of small airway correlates with the disease severity of COPD[J]. Biomed Res Int， 2016,2016:2891810.

[38] Hollins F， Sutcliffe A， Gomez E， et al. Airway smooth muscle NOX4 isupregulated and modulates ROSgeneration in COPD[J]. Respir Res， 2016， 17(1):84.

[39] San Martin A， Griendling K K. NADPH oxidases: progress and opportunities[J].Antioxid Redox Signal， 2014，20(17): 2692-2694.