自噬在支氣管哮喘發病中的作用及其相關治療藥物研究進展

陳銀慧，毛曉寧，吳銳劍，張星亮,

(1廣東醫科大學附屬醫院，廣東湛江524001；2深圳市兒童醫院)

支氣管哮喘是一種受遺傳和環境因素影響的氣道炎癥性疾病，伴有以嗜酸性粒細胞為主的炎癥細胞浸潤、明顯支氣管收縮和可變的氣流阻塞。自噬又稱“自我消化”，是除泛素-蛋白酶體系統之外，細胞質內清除衰老、受損細胞器和蛋白以及有害大分子物質的一種自我調控機制[1]。研究發現，自噬在嗜酸性粒細胞性氣道炎癥如支氣管哮喘的發病中發揮重要作用[2]。本研究就自噬在支氣管哮喘發病中的作用及其相關治療藥物作一綜述。

1 自噬概述及其調控相關機制

1.1 自噬概述 在自噬過程中，錯誤折疊、受損及不必要的蛋白質或細胞器會被包裹至雙膜結構的囊泡中，形成自噬泡或自噬體，隨后與溶酶體融合形成自噬溶酶體[1]，被包裹的組分被溶酶體中水解酶降解，產生再生代謝前體釋放到細胞質中，被再循環用于生物大分子、ATP等物質的合成。自噬在肺部應對感染或相關炎癥的過程中發揮重要作用。研究表明，自噬可通過去除產生活性氧的線粒體、減輕促炎反應、介導抗原加工和呈遞、增強免疫反應等抑制自發性肺部炎癥反應；但當自噬體在體內過度積累時，可能參與發病機制，導致肺損傷的發生[3]。因此，自噬是一把“雙刃劍”，對人類的健康和疾病發揮雙重作用。

1.2 自噬調控相關機制 自噬作為一種維持細胞穩態的調節機制和生存機制，受細胞內外多種信號和分子調控，而這些調控通路的改變可導致自噬功能異常。自噬的起始受雷帕霉素靶蛋白(mTOR)復合物、ULK復合物及Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K class Ⅲ，又稱PtdIns3K)復合體等信號通路的調節[4]。細胞可以通過以下方式誘導自噬：①饑餓是誘導自噬的最佳刺激物，當機體能量不足時，mTORC1受到抑制，激活ULK1介導的Beclin-1磷酸化，從而激活PI3K class Ⅲ-Vps34復合物，促進自噬體的誘導和成熟[5]。②ULK1/2是mTORC1抑制下游自噬誘導的關鍵因子，當細胞饑餓時mTORC1與ULK1/2復合物解離，導致ULK1/2活化和FIP200、Atg13磷酸化，從而啟動自噬[6]。③腺苷酸活化的蛋白激酶(AMPK)是細胞中的主要能量傳感器，其通過AMP/ATP比例升高而被激活。當機體處于低能量狀態時，細胞ATP水平降低、AMP水平增加，AMPK被激活，從而直接通過激活ULK1復合物來啟動自噬；或者通過抑制mTOR，減弱mTOR復合物對ULK1的抑制，間接激活自噬[7]。泛素化修飾涉及自噬體形成有兩個關鍵途徑：①第一個泛素樣反應中形成Atg12-Atg5-Atg16復合體，其由E1樣酶Atg7和E2樣酶Atg10調節，該復合物與自噬體延伸相關，并且是自噬體形成的必要條件。②第二個泛素樣反應將Atg8(也稱為LC3)綴合至由E1樣酶Atg7和E2樣酶Atg3介導的自噬體膜上的脂質磷脂酰乙醇胺(PE)。微管相關蛋白輕鏈3(LC3)被廣泛作為自噬體標記物，PE共軛的LC3(LC3-Ⅱ)/未結合的LC3(LC3-Ⅰ)可反映自噬活動程度[8]。

2 自噬在支氣管哮喘發病中的作用

2.1 參與氣道炎癥 支氣管哮喘以慢性非特異性炎癥反應為病理基礎，上皮細胞通過產生多種炎癥介質介導氣道的炎癥反應。支氣管上皮細胞暴露于環境過敏原中，可導致細胞發生氧化應激，大量激活的活性氧(ROS)引發氣道炎癥反應，促使支氣管哮喘的發生。ROS和自噬相互調控以維持細胞穩態，炎癥反應時機體分泌大量的細胞因子、ROS和活性氮(RNS)，可加重細胞氧化應激，誘導細胞自噬。反之，自噬可以通過吞噬和降解氧化物質以減少對細胞的氧化損害。Dickinson等[9]分別通過白介素(IL)-13處理人氣道上皮細胞、IL-33處理小鼠，結果顯示細胞及小鼠均出現氣道黏液蛋白表達增高；當敲除小鼠Atg16基因或者沉默人氣道上皮細胞Atg5、Atg14基因表達時，可抑制IL-13誘導氣道黏液分泌，表明自噬能促進IL-13誘導氣道上皮細胞分泌黏液。Dickinson等[10]研究發現，采用IL-13或IL-4處理人氣管支氣管上皮細胞后，細胞ROS及自噬體水平均升高；而沉默Atg5基因則可明顯降低ROS表達，提示自噬可促進支氣管上皮細胞ROS表達。Ban等[11]研究發現，IL-5可提高中重度支氣管哮喘患者外周血細胞、外周血嗜酸性粒細胞的自噬水平，并導致氣道炎癥反應加重。Liu等[12]發現，在哮喘小鼠模型中升高激發用卵清蛋白(OVA)濃度可促進嗜酸性粒細胞LC3表達，導致自噬體增多；而抑制自噬水平后，小鼠IL-5和炎癥因子水平均升高，加入IL-5抗體，則LC3表達下降。因此，自噬在感染或應激引起的炎癥反應中發揮重要作用，調控細胞自噬水平有望改善支氣管哮喘的炎癥反應。

2.2 參與免疫反應 支氣管哮喘主要是由IgE介導的Ⅰ型超敏反應，該反應涉及肥大細胞活化、嗜酸性粒細胞增多和2型輔助性T細胞(Th2)激活。吸入過敏原使樹突狀細胞(DC)致敏，DC作為連接先天和適應性免疫的抗原呈遞細胞，可通過吞噬微生物并遷移到區域淋巴結，以激活包括T細胞和B細胞在內的淋巴細胞。活化的Th1細胞產生促炎性細胞因子(TNF、IFN-γ)，而活化的Th2細胞則釋放Th2型細胞因子，包括IL-4、IL-5和IL-13等[13]。Suzuki等[14]研究發現，敲除CD11c特異性小鼠模型Atg5基因可導致CD11c+DC細胞中自噬水平降低，并導致嚴重的中性粒細胞性氣道炎癥和氣道高反應性，表明自噬在支氣管哮喘發病機制中具有保護作用，特別是對IL-17A介導的中性粒細胞性支氣管哮喘患者。Xia等[15]研究發現，哮喘小鼠肺組織B淋巴細胞自噬水平升高，缺乏自噬將導致肺B淋巴細胞數量降低；該研究采用IL-4特異性誘導小鼠脾臟原代B細胞發生自噬，結果顯示小鼠維持B淋巴細胞存活并促進B淋巴細胞抗原呈遞。但是Liu等[16]研究發現，哮喘小鼠經咖啡因刺激后自噬蛋白表達升高，胸腺CD4+T細胞生成受到抑制，給予自噬抑制劑巴伐洛霉素A1后可消除咖啡因的上述抑制作用，表明咖啡因可通過增強胸腺細胞自噬而減少胸腺中CD4+T細胞生成，并抑制肺部CD4+T細胞發育。Jiang等[17]研究發現，野生型小鼠感染OVA后PI3K表達明顯升高，并伴隨p-Akt、Beclin-1、LC3-Ⅱ表達增加，肺組織炎性細胞浸潤增強和IL-13/IFN-γ細胞因子失衡；相反，Toll 樣受體2(TLR2)-/-小鼠氣道炎癥反應減弱，自噬蛋白質表達降低，表明TLR2參與激活PI3K/Akt信號通路介導的自噬反應，從而促進支氣管哮喘的病理進程。

2.3 參與氣道重塑 氣道重塑是支氣管哮喘的病理機制之一，主要特征包括氣道平滑肌細胞增生和肥大、氣道上皮細胞增厚(黏液腺肥大、黏液分泌過多)、上皮-間質轉變(EMT)、新生血管化、纖維化、細胞外基質(ECM)沉積和杯狀細胞化生等[18,19]。Cho等[20]研究發現，在OVA誘導的小鼠哮喘模型中，氣道上皮細胞平滑肌蛋白(α-SMA)和自噬蛋白LC3-Ⅱ/Ⅰ表達升高，提示上皮細胞自噬可能參與氣道上皮細胞EMT過程，并可促進成纖維細胞向肌成纖維細胞分化。Liu等[21]研究發現，抑制哮喘小鼠的自噬過程可以減少卵泡抑素樣蛋白1(FSTL1)誘導的EMT，表明降低自噬能夠改善支氣管哮喘小鼠的EMT過程。Gu等[22]研究發現，用辛伐他汀處理支氣管哮喘模型小鼠能夠促進支氣管平滑肌細胞中自噬相關蛋白表達增加，減少IL-4、IL-5和IL-13等細胞因子表達及逆轉ECM沉積，表明辛伐他汀可通過激活自噬，改善支氣管哮喘小鼠的氣道炎癥及氣道重塑。

支氣管哮喘受轉化生長因子-β(TGF-β)調節，過量的TGF-β可導致氣道重塑并損傷肺功能[23]。TGF-β通過以下方式誘導氣道重塑：①促進EMT，刺激上皮細胞分化成肌成纖維細胞，促進間充質細胞遷移到上皮下組織及ECM沉積，而上皮下細胞增殖可促使上皮下基質增厚，導致支氣管壁纖維化；②參與微血管改變和黏液產生；③TGF-β作為先天性和適應性免疫反應的關鍵調節因子，過量TGF-β可抑制免疫反應，從而使患者病情惡化[23,24]。自噬可以控制支氣管哮喘患者的慢性氧化應激水平和TGF-β介導的氣道重塑。TGF-β可調節自噬并參與與纖維化、損傷反應相關疾病的發生與發展。McAlinden等[25]研究發現，TGF-β1以時間依賴性方式促進膠原蛋白A表達及TGF-β1信號轉導通路下游信號分子Smad2/3磷酸化，并誘導氣道平滑肌細胞自噬水平升高。因此，靶向自噬可以減輕氣道中TGF-β誘導的纖維化反應，是治療支氣管哮喘的相關靶點之一。

3 支氣管哮喘治療中的自噬相關藥物

Kim等[26]采用人鼻病毒(HRV1B)感染小鼠，結果發現自噬抑制劑氯喹和巴弗洛霉素A1可顯著減弱布地奈德對感染小鼠的保護作用，表明激活自噬可促進布地奈德的抗病毒活性。因此，從自噬角度深入研究影響支氣管哮喘的各個因素，對支氣管哮喘的個體化治療至關重要。根據自噬的不同階段，針對自噬關鍵蛋白或配體研發自噬水平調控的小分子藥物，對于哮喘的治療具有廣闊前景，該類藥物主要有3-甲基腺嘌呤(3-MA)、巴伐洛霉素A1、羥氯喹(HCQ)。

3.1 3-MA 3-MA可抑制Ⅰ類PI3K及PtdIns3K的活性，特異性阻斷自噬體形成，被廣泛用作自噬抑制劑。Ran等[27]采用3-MA治療支氣管哮喘小鼠，結果顯示3-MA可抑制小鼠氣道炎癥、氣道高反應性和黏液分泌，其機制可能與抑制自噬有關。Silveira等[28]研究發現，3-MA可以減輕哮喘小鼠肺部嗜酸性粒細胞浸潤、嗜酸性粒細胞過氧化物酶活性，從而減輕肺部炎癥、氧化應激及線粒體損傷，可能成為治療支氣管哮喘新的替代藥物。

3.2 巴伐洛霉素A1 巴伐洛霉素A1是空泡型H+-ATP酶的特異性抑制劑，靶向自噬途徑的早期和晚期階段，通過激活哺乳動物雷帕霉素信號靶標、解離Beclin 1-Vps34復合物以及阻斷自噬溶酶體的方式，減弱功能性自噬[29]。目前，巴伐洛霉素A1治療支氣管哮喘的相關研究較少，不過其作為抗癌療法的潛在靶標而逐漸被關注。巴伐洛毒素A1可抑制癌細胞的增殖和轉移，Lu等[29]研究發現，巴伐洛霉素A1可抑制BEL-7402肝癌細胞系和HO-8910卵巢癌細胞系增殖、誘導細胞凋亡，并減弱細胞侵襲能力。Yuan等[30]研究發現，低濃度巴伐洛毒素A1能夠有效抑制并殺死B淋巴細胞白血病細胞。哮喘患者支氣管壁最顯著的結構變化是氣道平滑肌細胞增生和肥大，成纖維細胞大量增殖，巴伐洛毒素A1是否對哮喘支氣管壁組成細胞增殖有抑制效果有待深入研究。

3.3 HCQ HCQ被認為是自噬通量抑制劑，通過增加溶酶體pH并阻斷自噬溶酶體融合，導致自噬體的積累。Ban等[11]分離嚴重支氣管哮喘患者外周血嗜酸性粒細胞，并采用雷帕霉素及IL-5誘導該細胞自噬，發現HCQ能降低細胞自噬、減輕炎癥反應；該研究表明，HCQ可作為嚴重支氣管哮喘的自噬抑制劑，但是該研究未能體現HCQ對重癥支氣管哮喘患者的有效性。McAlinden等[25]研究發現，氯喹(CQ)可顯著降低支氣管哮喘小鼠自噬蛋白Beclin-1、LC3、TGF-β1及膠原蛋白1A表達，表明CQ可通過抑制自噬的方式，減輕TGF-β1誘導的氣道重塑，證明靶向自噬途徑有望成為一種有效治療支氣管哮喘的新方法。

綜上所述，自噬在哮喘的發病過程中可能既有保護作用，又有損害作用。但目前研究多傾向于自噬通過促進氣道炎癥、免疫反應以及氣道重塑等機制參與支氣管哮喘的發病。在支氣管哮喘的治療方面，部分自噬抑制劑可通過調節自噬通路來抑制氣道炎癥、氣道重塑等減緩支氣管哮喘的疾病進展。目前，靶向自噬過程的支氣管哮喘藥物研究仍以細胞及動物實驗為主，臨床實驗相對欠缺。因此，針對自噬開展支氣管哮喘的靶向治療藥物開發還需投入更多的研究。