肺泡表面活性物質特點及功能研究進展

王 瑛 姚曉光 李南方 努爾古麗

一、肺泡表面活性物質的組成

在生物化學上，肺泡表面活性物質由大約90%的脂質和10%的蛋白質組成。主要的磷脂是完全飽和的二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)，還包含不飽和的磷脂酰膽堿(PC)、陰離子磷脂酰甘油(PG)和磷脂酰肌醇(PI)。天然肺表面活性劑還具有4種表面活性劑蛋白SP-A、SP-B、SP-C和SP-D。大分子親水性蛋白質SP-A和SP-D是宿主防御蛋白質的鈣依賴性碳水化合物結合聚集蛋白家族的成員[1]。又同屬于C型凝集素家族成員，稱為膠原樣凝集素家族。兩種疏水蛋白SP-B和SP-C在DPPC的吸附和擴散中起關鍵作用，并有助于維持肺的穩(wěn)定性。SP-A和SP-D一級結構從N端到C端依次為富含半胱氨酸的N端末端交聯結構域、重復表達Gly-X-Y的膠原結構域、ɑ螺旋狀的頸結構域及碳水化合物識別結構域。SPD的膠原樣結構域比SP-A的膠原樣結構域大得多，并且直接連接到CRD結構域額外區(qū)域。它們編碼在人類第10號染色體上。SP-A(SFTPA1和SFTPA2)有兩個基因，SP-D(SFTPD)有1個基因。SP-B和SP-C分別在人染色體2和8上編碼，并作為大的前體蛋白proSP-B和proSP-C，隨后在空氣中被蛋白水解加工成SP-B和SP-C的成熟形式。SP-B和SP-C對于調節(jié)表面活性物質膜的形成和穩(wěn)定性至關重要，而SP-A和SP-D則與先天免疫和炎性反應密切相關。SP-D也可能參與維持表面活性物質代謝和肺內穩(wěn)態(tài)[2]。SP-A、SP-B和SP-D都已經在胃腸道中檢測到。相反，SP-C似乎是一種獨特的極端蛋白質結構和穩(wěn)定性，并且完全存在于肺中。

二、正常肺泡中表面活性物質的生產和再循環(huán)

在正常肺泡中，肺表面活性物質在Ⅱ型肺泡上皮細胞的內質網中合成，然后被運輸并儲存在細胞質內的層狀體。這些層狀體遷移與質膜融合，然后釋放到肺泡內的空氣-液體界面，一旦從Ⅱ型肺泡細胞中分泌出來，層狀體內的磷脂細胞外池就會轉變成排列在肺泡表面的薄膜[3]。層狀體隨后形成稱為管狀髓磷脂的表面活性劑中間管狀階段，磷脂吸附并在空氣和液體之間的界面形成晶格結構，其最終產生功能性涂層，表面活性劑蛋白也參與涂覆過程。表面活性劑的循環(huán)通過小囊泡的內吞作用發(fā)生，重新結合在層狀體中，然后再重新分泌。表面活性劑代謝的改變可以在以上任何步驟中發(fā)生。肺泡表面活性劑水平受到Ⅱ型肺細胞分泌(產生和釋放)和Ⅱ型細胞與巨噬細胞清除(重新攝取、切斷或降解)兩者之間的嚴格平衡調控[4]。

三、肺泡表面活性物質的功能特點

1.SP-A與SP-D：SP-A和SP-D是凝集素蛋白并賦予先天免疫，因為它們具有碳水化合物識別結構域，允許它們覆蓋細菌和病毒，促進巨噬細胞的吞噬作用，這有助于維持肺部的發(fā)育[5]。SP-A是SP中含量最豐富的一種，有助于形成水性表面活性劑聚集體，包括管狀髓磷脂，從而調節(jié)表面活性劑的回收和分泌[6]。一些體外研究已經確定了SP-A在肺部中的重要功能，例如管狀髓鞘的形成，脂質表面吸附速率的提高，防止表面活性劑的生物物理特性的失活，血漿和表面活性劑的各種免疫功能的調節(jié)[7]。SP-A增強了肺泡巨噬細胞對細菌和病毒的吞噬作用，其中內吞攝取主要通過網格蛋白包被的凹坑途徑，并且需要肌動蛋白的參與來幫助SP-A轉移[8]。

SP-D的一個主要作用是聚集和增強微生物和瀕死宿主細胞的吞噬作用。SP-D與微生物表面上的寡糖或脂質結構結合，從而通過調理作用和吞噬作用促進微生物消除。此外，SP-D通過增強凋亡細胞和DNA的清除以及誘導T細胞增殖來發(fā)揮抗炎活性[9]。SP-D主要由肺Ⅱ型肺泡細胞和Clara細胞表達和分泌，但也有報道在其他黏膜表面，如呼吸道、消化道、生殖道、泌尿和血管上皮及腺體的外表面或腔表面[10]。體外研究的大量數據表明SP-D調節(jié)免疫細胞、上皮細胞、纖維細胞和光滑肌細胞的功能。在沒有炎癥的情況下，SP-A和D可通過與SIRPα結合抑制肺泡巨噬細胞的吞噬功能，從而改變其下游信號效應物的活性[11]。此外，髓過氧化物酶(MPO)作為SP-D的配體在晚期凋亡嗜中性粒細胞上被結合[12]。

2.SP-B與SP-C：在4種SP中，兩種疏水蛋白SP-B和SP-C在DPPC的吸附和擴散中起關鍵作用，并有助于維持肺的穩(wěn)定性。SP-B所屬的鞘脂激活蛋白樣蛋白家族(SAPLIP)是一組高度同源的膜相互作用蛋白，具有顯著的α-螺旋構象與脂質相互作用。激活可調節(jié)表面活性物質分泌的受體和通道，從而在肺泡空域建立高度傳導的膜網絡[13]。進一步穩(wěn)定管狀髓磷脂。其中，在Ca2+的存在下，SP-B可提高吸附率來加速在空氣-水界面形成由磷脂組成的表面活性膜，使得磷脂和SP-B的混合物顯示與全肺表面活性劑幾乎相同的生物物理性質[5]。SP-C的主要功能是保持脂質的生物物理表面活性。層狀體(LB)與ATⅡ細胞通過吸氣期間肺泡的機械拉伸分別促使胞質鈣濃度和胞外ATP濃度升高，隨后SP-B通過ATⅡ細胞釋放的ATP來介導P2Y2嘌呤能受體，從而促使Ca2+依賴性表面活性劑分泌。而SP-A通過激活ATⅡ細胞中的PI3K來抑制表面活性劑特異性受體SPAR的分泌。上述表明肺表面活性劑通過SP-B誘導和SP-A抑制活性的協同作用調節(jié)其自身分泌。另外，編碼內質網膜復合物亞基的基因-EMC3缺失會破壞SP-B和SP-C以及磷脂轉運蛋白(ABCA3)的合成和包裝、層狀體的形成，并導致錯誤折疊膜蛋白的積累和未折疊蛋白反應(UPR)的誘導。其中SFTPB缺乏抑制磷脂包裝到LB中并導致proSP-C的錯誤加工。SFTPB和SFTPC突變產生錯誤折疊的蛋白質并誘導UPR，引起ATⅡ細胞損傷[14]。因此，穩(wěn)定SP-B、SP-C和ABCA3蛋白的正常加工和運輸需要EMC3，這是表面活性劑功能所必需的物質。

SP-B的轉錄部分由兩部分重要的轉錄因子決定，甲狀腺轉錄因子-1(TTF-1)和肝核因子-3(HNF-3)，SP-A增加了Ⅱ型細胞中的SP-B基因轉錄。研究發(fā)現SP-A增加了核TTF-1的酪氨酸磷酸化與絲氨酸磷酸化，TTF-1磷酸化被發(fā)現是重要的轉錄激活因子，TTF-1和SP-B啟動子活性的增加以及同源識別元件的結合，表明這些轉錄因子的蛋白激酶活性可能被SP-A處理激活[6]。轉錄因子和類固醇可以調節(jié)表面活性物質的合成。并且SP-A誘導的HNF-3b磷酸化與細胞凋亡有關，筆者發(fā)現SP-A對磷酸化的TTF-1、HNF-3a和HNF-3b的定位具有明顯的影響。

3.脂質：表面活性劑脂質主要抑制免疫功能。在正常條件下大量存在的磷脂成分已被證明可抑制各種淋巴細胞和巨噬細胞的免疫功能，但表面活性劑多不飽和磷脂很容易受到氧化改變[15]。肺表面活性物質中棕櫚酰 - 油酰磷脂酰甘油(POPG)和磷脂酰肌醇(PI)，拮抗TLR2和4的同源配體激活，因此在促炎信號轉導途徑的起始步驟起到了關鍵作用。ABCA3可以將多種磷脂物質向內轉運到AT2細胞的LB中，并且還可能與膽固醇攝入其他區(qū)域相關[16]。

四、肺泡表面活性物質與疾病

1.SP-A、SP-D與疾病聯系：SP-A和SP-D與包括呼吸窘迫綜合征、支氣管肺發(fā)育不良、過敏性哮喘和慢性阻塞性肺病在內的呼吸系統疾病有關。SP-A缺乏會增加細菌和病毒對肺部感染的易感性。有研究發(fā)現SP-A和Toll樣受體(TLR)4之間的相互作用區(qū)域稱為SPA4肽，在宿主防御中起關鍵作用。有研究證明SPA4肽的治療性給藥減少了細菌負荷，炎性細胞因子和趨化因子(MCP-1、MIP-2和KC)，細胞內信號轉導(MYD88和TRIF)，并減輕了銅綠假單胞菌感染小鼠的肺水腫和組織損傷[17]。同樣的，SP-D缺乏可導致自發(fā)性肺氣腫改變和肺泡纖維化的發(fā)展，尤其在控制肺部炎癥方面具有至關重要的作用。過敏性哮喘患者肺泡灌洗液中SP-D水平升高，而在重度哮喘患者中血清SP-D增加并且富含SP-D分解產物?；A研究已經證明了介于SP-D和T輔助細胞(Th2)介導的炎癥之間的關系[18]。在COPD中惡化期間相比于穩(wěn)定期循環(huán)SP-D水平升高[19]。同時，SP-D已被證明在各種非肺部器官中發(fā)揮抗菌和抗炎作用，并且對血管壁中的脂質代謝和促炎作用具有影響，這種現象增加了動脈粥樣硬化的風險[10]。此外，SP-D也被認為能夠結合多種吸入性病原體，并且可以結合糖類以及脂質和核酸，具有廣泛的特異性，以啟動吞噬作用。有研究發(fā)現，肺損傷是晚期糖尿病并發(fā)癥的新靶點，而血清SP-D濃度可以作為檢測2型糖尿病合并肺損傷的有用標志物[20]。

2.SP-B、SP-C與疾病聯系：關于SP-B缺陷的研究揭示了嚴重的肺部疾病，其中，高度多態(tài)的SFTPB的內含子4區(qū)域的重組變異與肺癌、ARDS、COPD的風險以及新生兒RDS風險的增加和降低都有關聯[21]。而在SP-C蛋白中，SFTPC突變被認為會導致Ⅱ型肺泡細胞中細胞質量控制通路(內質網和高爾基體)內積累錯誤折疊的proSP-C從而激活細胞應激反應和隨后的細胞損傷和細胞凋亡，這主要是因為內質網應激是多種器官纖維化發(fā)病機制中公認的途徑[22]。因此，SFTPC突變患者的肺組織病理學屬于間質性肺炎范疇，各種診斷主要基于成人間質性肺病的分類。最近的一項研究報道了OSA的嚴重程度與血清表面活性蛋白B呈負相關，其中缺氧和通氣不足影響血清SP-B水平，這種現象可能的原因是夜間頻繁肺換氣不足繼發(fā)呼吸泵肌肉(隔膜)活動減弱從而抑制了Ⅱ型肺泡細胞分泌[23]。在COPD患者中，編碼SP-B的基因多態(tài)性以及修飾的蛋白SP-B與COPD的易感性以及COPD急性加重的頻率相關[19]。與表面張力密切相關的物質可能對于肺泡功能作用的發(fā)揮更加重要，結合上述研究可見，SP物質在多種疾病中都具有不同的改變，因此，在往后的肺部及其他相關肺損傷疾病研究中，應該進一步考慮肺泡表面活性物質與疾病程度及改善之間的相關聯系。

3.ABCA3與疾病聯系:ABCA3突變是嬰幼兒急性和慢性肺病最常見的單基因原因，新生兒肺部疾病也可能由于編碼ABCA3基因的突變而發(fā)生，從而影響表面活性物質脂質向層狀體的轉運[24]。ABCA3位于層狀體的限制性膜中，介導磷脂(主要是PC和PG)向細胞器中的轉運，ABCA3缺失后，肺泡PC和PG降低。ABCA3相關的肺功能障礙與表面活性物質缺乏，炎癥和肺泡毛細血管滲漏有關。廣泛并完全缺失的ABCA3引起肺泡損傷和炎癥，在再生過程中，M2樣巨噬細胞被募集到Ⅱ型肺泡細胞增殖部位，并存在于由ABCA3突變引起的嚴重肺部疾病患者的肺組織中[25]。常見的ABCA3包括：Ⅰ型突變，導致蛋白質錯誤折疊和轉運蛋白的異常細胞內運輸；Ⅱ型突變位于轉運蛋白的催化結構域內或附近，通常被轉運到LB或溶酶體，并因此導致ATP水解的功能缺陷使得脂質轉移受損；Ⅲ型突變是復合雜合子(具有Ⅰ型和Ⅱ型突變)并且經常表現出更嚴重的表型[16]；ABCA3中的常染色體突變導致嬰兒和兒童嚴重的肺部疾病，并且它們是新生兒呼吸衰竭最常見的遺傳原因。因此，在一些確切疾病病因中未來納入靶向治療或者基因敲除也許是一種更有效的治療辦法。

五、展 望

綜上所述，表面活性物質的病理生理學作用首先在患有呼吸窘迫綜合征和透明膜病的早產兒中得到了體現，現在這種情況通常用外源性表面活性物質替代物來進行治療。從動物實驗到臨床研究，肺泡表面活性物質在肺損傷后的恢復發(fā)揮著至關重要的作用。隨著對表面活性物質的深入研究，多種肺部疾病的相關發(fā)病機制也有了新的進展，但是在臨床研究中對于慢性肺部損傷、肺泡表面活性物質的應用途徑與臨床價值方面尚存在一些爭議。隨著進一步探索，在往后肺部慢性損傷及其他相關肺損傷疾病的治療探索研究中，肺部表面活性物質替代療法也許會是一種有效的針對性治療方法。同時，針對遺傳和環(huán)境因素導致的許多疾病(包括ABCA3相關疾病)表型變異的現象。筆者應進一步探討這是以何種特異性方式引起細胞/肺損傷以及這些物質對于維持細胞穩(wěn)態(tài)的相關機制，從而增強理解疾病病因學和發(fā)展治療策略。