自噬在急性肺損傷炎癥中的研究進展

瞿利花 陳 超 陳陽曄 李 懿 宋 祁 申 麗

急性肺損傷(acute lung injury, ALI)可由嚴重感染、高氧、外傷、藥物、機械通氣或海水刺激等因素誘發，主要表現為大量中性粒細胞、巨噬細胞等炎性細胞浸潤以及肺毛細血管內皮和肺泡上皮細胞屏障功能紊亂，嚴重時發展為急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)[1]。Máca等[2]報道ALI是重癥監護室患者病死率高的重要原因。目前臨床上對ALI的治療主要是藥物如激素類和機械通氣等手段來改善患者的呼吸困難，近年來研究表明，調節細胞自噬可以減輕ALI，提示自噬可能成為ALI治療的新靶點[3]。

自噬是一種進化上保守、動態的細胞分解代謝過程，可由溶酶體降解途徑清除受損細胞器、變性蛋白以及入侵的病原體并釋放能量，對于維持細胞的正常功能、維持細胞穩態中具有重要的作用[4]。近年來研究表明，自噬在ALI的發生、發展中發揮重要的作用，一方面適度的自噬能抑制炎性因子的釋放；另一方面過度的自噬能加重細胞損傷。提示對自噬的調節可能成為ALI治療的新策略。本綜述介紹了自噬途徑及其分子機制，以及在ALI模型中的作用。

一、自噬的機制

自噬是將某些細胞內可溶性大分子或細胞器等物質運送至溶酶體進行降解的過程。自噬有3種不同類型，即巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬(CMA)[5]。巨自噬也稱自噬，需通過形成雙層膜自噬體將物質遞送至溶酶體，微自噬通過溶酶體直接攝取物質而無自噬體的形成，CMA通過分子伴侶協助目標蛋白直接進入溶酶體。在3種自噬中，巨自噬的研究最為廣泛，與ALI的發生密切相關。

自噬過程主要包含5個階段：啟動、吞噬泡、自噬體、自噬溶酶體形成以及吞噬物的降解。這些階段主要由自噬相關蛋白家族(ATGs)調節。ATG蛋白按其作用可分為4類：①Atg1/unc-51樣激酶(ULK1)復合物，包括Ulk1、Atg13、FIP200和Atg101,其作用主要是調節自噬啟動；②Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Vps34復合物，包括PI3K、Vps34、Vps15/P150、Beclin-1/Atg6和Atg14,參與早期自噬體形成；③兩個泛素類似復合物[Atg16L1-Atg12-Atg5和微管相關蛋白輕鏈3(LC3)/Atg8]， 參與自噬體的延伸與閉合；④兩種跨膜蛋白Atg9/mAtg9(參與其運動的相關蛋白如Atg18/WIPI-1)和VMP1，有利于膜的傳遞形成自噬體[6]。自噬體形成后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，隨后由溶酶體蛋白水解酶降解被包繞的物質，生成的小分子物質回到細胞質中重新利用。

二、在ALI中自噬對不同細胞的作用

大量研究結果表明自噬在ALI的炎癥發生、發展以及發病機制中起關鍵作用，但其調控ALI炎癥的最終結果與不同的細胞類型有關。

1.巨噬細胞:巨噬細胞通常存在于肺間質和肺泡中，是在感染等損傷時啟動肺部炎癥的重要細胞。當發生炎癥時更多的巨噬細胞聚集到肺部維持和加重炎癥損傷。研究發現在脂多糖(LPS)誘導的炎性反應中巨噬細胞自噬能抑制炎性反應，而自噬缺陷小鼠巨噬細胞內大量異常線粒體聚集，進一步激活NALP3炎性體和線粒體活性氧(ROS)誘導炎癥發生，同時觀察到小鼠死亡率增加[7]。Harris等[8]發現用Toll樣受體配體處理巨噬細胞后，促炎性因子能結合到自噬體上，而用自噬誘導劑雷帕霉素(rapamycin, RAPA)能使促炎性因子降解同時抑制炎性因子分泌。在研究盲腸結扎穿孔(CLP)誘發的小鼠模型中，自噬基因Beclin1敲除可增加CLP后患敗血癥的概率，而CO增強小鼠體內以及巨噬細胞中Beclin1基因的表達，從而促進巨噬細胞對細菌的吞噬作用[9]。

2.中性粒細胞：在ALI早期階段中性粒細胞大量產生，釋放顆粒內容物和促炎細胞因子。Zhu等[10]的研究表明在LPS誘導的小鼠ALI中，中性粒細胞的自噬為中性粒細胞的活化及顆粒內容物的釋放所必須的；在ALI期間中性粒細胞自噬增加，導致顆粒內容物釋放增加；故通過抑制中性粒細胞自噬，敲低自噬基因Atg5消除了LPS和fMLP對中性粒細胞釋放MPO的作用，限制顆粒內容物的釋放，從而減輕ALI。而RAPA預處理顯著抑制粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)誘導的中性粒細胞趨化和激活，抑制肺中性粒細胞積聚，減少支氣管肺泡灌洗液中細胞因子的水平，減輕了肺損傷。

3.肺泡上皮細胞：肺泡上皮細胞有Ⅰ型和Ⅱ型兩類。上皮的破壞導致上皮通透性增高及液體轉運發生障礙。目前自噬在上皮細胞的研究多數顯示過度的自噬能使細胞發生程序性死亡。而自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)可減少納米顆粒誘導的上皮細胞死亡并改善小鼠ALI。有研究發現，自噬基因Beclin1敲除或自噬抑制劑3-MA來抑制H5N1感染引起的肺上皮細胞自噬性細胞死亡，從而緩解了ALI，降低小鼠死亡率[11]。

自噬與高氧、香煙煙霧誘導的上皮細胞死亡有關。在高氧誘導人支氣管上皮細胞(Beas-2B)中，LC3B-siRNA促進高氧誘導的Beas-2B死亡，而LC3B的過表達對細胞起保護作用,發現這種保護作用與LC3B 調節高氧下細胞凋亡信號基因Fas 有關[12]。一氧化碳(CO)對高氧刺激起保護，并抑制高氧相關的ROS產生，而LC3B-siRNA減弱CO對高氧誘導的上皮細胞死亡的保護作用[13]。然而，研究發現在支氣管上皮細胞中，使用LC3B-siRNA能阻斷自噬，減弱了香煙煙霧誘導的細胞死亡和凋亡。

4.肺血管內皮細胞:肺血管內皮細胞參與構成呼吸膜，對于維持肺泡腔的干燥發揮重要的作用。血管內皮細胞的損傷引起毛細血管通透性增高，是炎癥滲出的重要環節[14]。自噬對于血管內皮細胞正常功能的維持發揮重要作用。Ma等[15]發現高氧增加自噬蛋白LC3B的表達，引起肺內皮細胞線粒體分裂，加重肺損傷。在缺氧條件下引起肺動脈高壓，敲低自噬基因LC3B小鼠出現大量肺動脈內皮細胞受損以及肺動脈高壓加重。自噬可以調節肺動脈內皮細胞的凋亡和過度增殖從而在肺血管重構中起重要作用。用ssAtg101-TNP形成的納米顆粒來敲低肺動脈內皮細胞自噬基因Atg101表達，抑制細胞自噬，在缺氧刺激下促進細胞凋亡，細胞通透性增加，而增加自噬逆轉了這些現象，提示自噬的調節可能成為內皮損傷有關疾病治療的新策略[16]。然而，Slavin等[17]研究表明,用自噬抑制劑3-MA或敲低自噬基因Atg5可以減輕LPS誘導的肺損傷模型中肺內皮細胞屏障破壞以及炎性反應，從而減輕了ALI。

三、自噬與ALI炎性介質

ALI發生過程中炎性細胞在肺內的聚集和激活可以產生大量細胞因子，根據其在炎性反應中的作用，這些細胞因子可以分為促炎和抗炎兩類。促炎細胞因子包括IFN-γ、TNF-α、IL-1、IL-8、IL-6等；抗炎因子包括IL-4、IL-10和IL-13等。這些細胞因子能與自噬相互調節，從而影響炎性反應的過程。

1.細胞因子調節自噬：ALI中，炎性反應的過程與多種細胞因子有關。巨噬細胞產生的細胞因子對自噬蛋白調節起重要作用。研究表明Th1細胞因子包括IFN-γ、TNF-α、IL-1、IL-2、IL-6和TGF-β為促炎因子，具有誘導自噬作用；而Th2細胞因子為抗炎因子，包括IL-4、IL-10和IL-13，具有抑制自噬作用[18]。用IFN-γ激活巨噬細胞通過Irgm1/IRGM依賴性方式引起分枝桿菌的吞噬體和自噬增加，導致細胞內病原體減少。用TNF阻斷劑可以解除IFN-γ誘導的吞噬體的成熟，這表明IFN-γ誘導的吞噬體成熟和自噬可能依賴TNF-α。研究表明，在不同細胞中TNF-α可以通過不同的機制刺激細胞自噬，發揮不同的作用[19]。例如，在血管平滑肌細胞中TNF-α可以通過激活Jun激酶信號通路以及抑制Akt活化來上調自噬基因LC3和Beclin1的表達[20]。在乳腺癌細胞中TNF-α通過ERK1/2途徑誘導自噬，而NF-κB的激活可以抑制TNF-α誘導的自噬，這依賴于ROS的產生。IL-6和 IL-1被證明都可以刺激自噬[21，22]。

研究表明，在饑餓或炎癥刺激誘導下Th2細胞因子如IL-4、IL-13和IL-10通過不同途徑抑制自噬，饑餓引起的自噬抑制依賴于Akt途徑，RAPA誘導的自噬依賴于STAT信號通路。另外，其他相關的細胞因子，如生長因子和趨化因子也參與自噬的調節。Ding等研究已表明TGF-β可增加自噬基因Atg7和Atg5的表達并誘導自噬體形成。趨化因子CCL2(單核細胞趨化蛋白-1)能刺激自噬和上調抗凋亡蛋白的表達。

2.自噬調節細胞因子：自噬可影響細胞因子的分泌。自噬可能通過多種機制調節IL-1β分泌。巨噬細胞的自噬缺失或Atg7、Atg16L1、Beclin1自噬基因敲低以及用自噬抑制劑3-MA處理，在TLR激動劑下能刺激IL-1β分泌，這種影響可能依賴于含有TIR結構域的接頭誘導IFN-β(TRIF)、線粒體ROS以及線粒體DNA，也可能與NLRP3有關，或不依賴于TRIF，而是依賴于p38 MAPK信號轉導[23]。RAPA誘導自噬可抑制樹突狀細胞IL-1β分泌，由于IL-1α和IL-1β都能誘導自噬，這可能作為負反饋機制來控制IL-1參與的炎性反應。此外，IL-18、IL-6和TNF-α的分泌也受自噬的調節。自噬的抑制增強了IL-18的分泌，但可減少IL-6、IL-8和TNF-α的分泌[8]。

四、自噬在不同模型中的作用

研究不斷發現，自噬與人類疾病存在密切關系。一些研究已揭示了自噬與肺部炎癥性疾病(如免疫性肺炎、肺結核、肺癌、ALI等)的發生、發展有關。近幾年自噬在ALI動物模型的研究越來越多，例如細菌感染、膿毒癥、海水等因素引起的ALI模型，詳細的細胞分子機制尚未闡明。這些研究大多數使用自噬激活劑如RAPA和自噬抑制劑如3-MA，來激活或阻斷自噬，然后觀察ALI的變化。

在LPS誘導的ALI中，LPS引起的過度自噬是ALI發生的主要原因，用3-MA處理能抑制TLR4-NF-κB通路、自噬蛋白的表達，減輕ALI[3]。而飽和氫鹽水能下調NF-κB的表達，引起Beclin1轉錄減少抑制自噬，從而達到治療ALI的作用[24]。也有報道發現在ALI小鼠中提高自噬能激活SIRT/MAPK信號通路顯著減輕了肺水腫和炎性細胞浸潤[25]?？梢?，自噬在LPS誘導的ALI中的作用還遠未闡明。

CLP誘導的小鼠ALI中，LC3-II、Atg5表達下調自噬受到抑制，用RAPA激活肺組織自噬，抑制了白細胞浸潤、促炎反應和細胞凋亡[26]。與此結果一致的是，過表達LC3的轉基因小鼠表現出自噬體的清除增加，中性粒細胞積聚減少，減輕ALI從而顯著提高生存率[27]。在海水誘導的ALI模型過程中，自噬抑制劑3-MA能減少肺泡灌洗液中TNF-α、IL-8的表達并一定程度減輕了肺損傷[28]。在機械通氣誘導的肺損傷(VILI)中的作用。López等[29]研究表明VILI能誘導自噬，而在自噬基因Atg4b敲除的小鼠NF-κB激活受抑制機械通氣引起的炎性反應改善，減輕肺損傷。

五、展 望

自噬在ALI中具有重要的調節作用。目前關于自噬在ALI中的作用研究取得了一定的進展，自噬的分子機制、途徑與ALI關系需進一步探索。由于生物化學途徑的相互影響、廣泛聯系和復雜多變，將有關自噬的基礎研究成果轉化為應用還需漫長的探索。從治療角度來看，自噬的調節對ALI具有潛在的治療價值。由于自噬的功能可能與細胞類型而異，在不同條件下對患者使用自噬誘導劑或抑制劑可能會產生不同的作用。癥狀改善或惡化可能會難以預測。從診斷的角度來看，自噬的標記蛋白LC3B在細胞凋亡開始之前增加，提示可用作一些ALI的早期生物標志物。今后的研究將集中于自噬詳細機制及途徑在ALI中的作用，從而為進一步改善ALI策略奠定基礎。