嘌呤受體信號通路在肺部疾病中的作用

黃麒，胡慶華

(中國藥科大學藥學院，江蘇 南京 211198)

腺苷三磷酸(ATP)最初一直被認為是機體內能量貨幣，直到1972年 Burnstock提出了“嘌呤能神經學說”[1],人們才逐步認識到ATP作為一種神經遞質，可以在體內傳遞危險信號，是炎癥和免疫的關鍵中介。然而，直到20世紀90年代嘌呤和嘧啶的受體亞型被克隆和鑒定后，嘌呤能神經學說這一概念才被廣泛接受，根據內源性激動劑的不同，嘌呤受體家族包括P1受體的4個亞型、P2X離子通道受體的7個亞型和P2Y G蛋白偶聯受體的8個亞型。嘌呤能受體在心肺系統所涉及的多種實質和間質細胞中均廣泛分布并調節機體的炎癥和免疫反應且嘌呤信號通路在幾乎所有主要肺部疾病中均有報道。隨著研究的深入，越來越多的證據表明嘌呤能信號通路在維持肺泡內穩態及相關疾病發生發展中發揮重要作用[2]，但是針對肺部疾病中的靶向性藥物開發還處于起步階段。因此，通過對嘌呤受體信號通路在肺部疾病發生發展中的深入研究，有助于為相關疾病提供安全性和有效性的治療。本文就近年來嘌呤受體信號通路在肺部相關疾病主要包括哮喘、急性肺損傷、囊性肺纖維化、遠端肺動脈高壓中的調節作用進行研究與討論，為針對嘌呤能受體藥物開發提供思路。

1 嘌呤信號通路

核苷/核苷酸通過膜離子通道、轉運蛋白、通道蛋白、胞吐作用、膜破裂等會釋放到胞外結合到目標細胞膜表面的特異性受體上而啟動嘌呤信號傳遞[3]。由腺苷觸發的信號是由腺苷受體P1所介導的，這類G蛋白偶聯受體包括已經被克隆出來的4種嘌呤受體亞型(A1、A2A、A2B、A3)，由核苷酸及其衍生物(ATP、ADP、UTP、UDP 和UDPG)所觸發的信號是由P2受體亞型所參與介導的，包括P2X離子通道受體的7個亞型(P2X1-P2X7)和P2Y G蛋白偶聯受體的8個亞型(P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11、P2Y12、P2Y13、P2Y14)[4]。

2 嘌呤受體在肺細胞中的表達

肺泡是哺乳動物肺內氣體交換的功能單位，人類的肺中約4億個肺泡為有效的氣體交換提供了廣闊的表面，而分別由肺泡上皮細胞和微血管內皮細胞構成的肺泡屏障及成纖維細胞構成的肺間質將血液和空氣分開，利于氣體交換且對肺起到保護作用[5]。此外，肺中還含有各種免疫細胞，用于吞噬和清除各類來源的病原體，在健康和患病的肺泡中，雖然它們的數量和組成各不相同，但是共同維持了生理病理條件下肺部功能。嘌呤受體幾乎在上述所有肺部細胞中均有表達(見表1)且越來越多的證據表明，生理或病理狀態下的肺功能的維持離不開這些細胞的重要調控作用[2]。

表1 嘌呤能受體在肺組織主要細胞中的分布

2.1 肺泡上皮細胞 肺泡上存在著兩種上皮細胞，一種是約占肺泡上皮90%的Ⅰ型肺泡細胞(ATⅠ)，另一種II型肺泡細胞(ATⅡ)約占肺泡上皮的7%，其中，ATⅠ型細胞是肺組織終末分化細胞，主要負責介導氣體交換以及水和離子的轉運，同時還兼具一定的免疫調節作用[6]。ATⅡ型細胞主要負責分泌表面活性物質，同時在免疫防御、免疫調節、氧化代謝和肺泡內外液體平衡中發揮重要作用，此外，ATⅡ可以維持肺穩態并自我更新和自主分化成ATⅠ型細胞[7]，總之，ATⅠ型細胞和ATⅡ型細胞用于保持肺上皮的完整性，有利于維持氣體交換和防止感染。

2.2 肺血管內皮細胞 肺血管內皮是單層內皮細胞連續分布而成，與富含膠原的基底膜一起將血液與肺組織微環境分隔開，從而有助于維持內環境的穩定。由于其特殊的結構和處于循環血液和肺微環境交界處這種特殊的位置，肺血管內皮細胞在參與調節血管緊張性、內皮屏障的通透及白細胞滲出等局部甚至全身性炎癥中都發揮了關鍵作用[8]。

2.3 成纖維細胞 生理條件下，成纖維細胞分泌細胞外基質成分，提供肺實質的彈性和結構特性。病理條件下，各種炎癥會引起肺部組織損傷、壞死，后期細胞增生和細胞間基質的形成則用來修復組織損傷。成纖維細胞在此期間進入肺泡腔及間質，通過分泌膠原蛋白參與修復過程，成纖維細胞病灶則是特發性肺纖維化的標志特征[9]。

2.4 肺泡巨噬細胞 肺泡巨噬細胞是肺泡中最為豐富的天然免疫細胞，其緊緊貼附于肺上皮細胞一同構成接觸外界抗原刺激物等的第一道防線，作為協調肺部免疫反應起始和終止的核心，其不但參與肺臟的免疫防御，吞噬侵入肺臟的細菌顆粒，還可分泌大量生物活性物質，維持肺臟和機體正常的生理功能[10]。

2.5 中性粒細胞 中性粒細胞是也是肺中最為常見的免疫細胞，在感染或損傷的情況下，它們被迅速激活緊緊黏附于炎癥處毛細血管壁內皮上，隨后扁平化并隨趨化因子濃度梯度滲出血管，趨化到肺泡腔室及氣道中。在炎癥部位，中性粒細胞以各種方式[吞噬作用、形成中性粒細胞胞外陷阱(NETS)或脫顆粒]對抗病原體感染[11]。

3 嘌呤信號通路與肺部疾病的關系

3.1 哮喘 支氣管哮喘簡稱哮喘是一種氣道慢性肺部疾病，其主要特征包括氣道高反應性、氣道炎癥及呼吸道黏液分泌增多導致肺組織重塑并引起肺部結構異常改變。哮喘是肺慢性炎癥疾病之一，哮喘患者BALF及呼出氣體的冷凝液中腺苷水平均上升，在哮喘中，腺苷可通過炎癥、支氣管收縮導致氣道阻塞而且通過腺苷受體釋放促炎性因子可以引起氣道重塑[24]。由于腺苷具有強大的支氣管收縮作用，腺苷受體在炎癥中也發揮了重要作用，因此其在哮喘中的作用已被深入探究[25]。

通過研究腺苷受體在單核細胞中的表達，研究人員發現，在過敏性哮喘患者外周血單核細胞中A2受體表達量上調，其中A2A受體涉及調節氣道Treg/Th17細胞平衡作用[26]，A2B受體的高表達則與IL-6的表達密切相關，可能涉及加重哮喘癥狀[27]。檸檬烯誘導A2A受體的激活可以顯著降低氣道炎癥和反應性[28]。另外，A3受體的激活在重癥哮喘激活的肥大細胞中上調了與血管生成(IL-6、IL-8和 VEGF)和肺纖維化(SPP1 和APEG)相關的基因表達，表明其在組織重塑和血管生成中發揮了重要作用[29]。另外，阿司匹林不耐性哮喘是成人哮喘患者中常見綜合征之一，通過對181位相關患者和183位健康受試者基因進行對比后發現，A1和A2A受體基因與阿司匹林不耐受性哮喘相關，說明腺苷通過A1和A2A受體在阿司匹林不耐受哮喘中，發揮了重要作用[30]。此外，P2型受體在調節哮喘氣道炎癥及高反應性中也發揮了重要作用。有研究顯示，肌酸可能通過激活氣道上皮細胞和支氣管周圍白細胞中P2X7R的表達進而加劇了促炎因子IL-5、IL-6、IL-8和IL-13從而加重哮喘進程[31]。此外，在HDM誘導的慢性哮喘模型中，P2Y6R前體激動劑藥物GC021109抑制了過敏原引起的肺功能、炎癥反應、氣道和血管平滑肌質量的變化，提示持續性激動P2Y6或許是有效的哮喘維持治療策略[32]。Nagai等[33]同樣發現，P2Y6信號通路可以驅動內源性的巨噬細胞-IL12-NK細胞-IFN-γ來保護過敏原刺激后產生的二型過敏反應并且抵消一型半胱氨酸白三烯受體信號致敏Th2啟動效應，提示靶向P2Y6信號通路可能是有效的治療策略。在OVA誘導支氣管哮喘豚鼠模型中，α防御素會被釋放到氣道中，其中P2Y2受體可能通過調節α防御素參與氣道反應[34]，另有研究顯示P2Y2受體激動劑可以抑制Na+的吸收、Cl-的分泌、纖毛的擺動以及黏蛋白的分泌等于哮喘發生發展的生理活動[35]，這些都提示P2Y2受體可能在控制哮喘加重中發揮作用。

3.2 急性肺損傷/急性呼吸窘迫癥 急性肺損傷及其更嚴重形式急性呼吸窘迫癥(ARDS)所導致的呼吸衰竭通常表現為低氧性的呼吸衰竭及急性肺部炎癥，臨床上具有較高的發病率及致死率。各種體內外因素如膿毒癥、肺炎、外傷、吸入性肺炎、胰腺炎等均是ALI/ARDS的常見病因。目前，嘌呤能系統參與ALI/ARDS發病機制已被逐步證實，細胞外腺苷的升高可以促進組織對缺氧的保護反應，包括抑制炎癥，增加組織對缺血的耐受性，重建正常的氧合[36]。

大量的研究證明了腺苷在急性肺損傷中發揮了保護作用[37]。在LPS誘導的小鼠急性肺損傷模型中，通過注射腺苷/腺苷受體激動劑NECA可以顯著抑制伊文思藍染色蛋白(EBDA)外滲，降低蛋白滲出和促炎性細胞因子水平及減少中性粒細胞浸潤[38]。給予過氧化物酶體增殖活化受體(PPAR)和A2A受體激動劑還可產生協同作用，減輕肺部炎癥和水腫，改善氣體交換和肺功能[39]。Schingnitz等[36]發現，給予A2B受體的特異性激動劑BAY60-6583可顯著減少肺部炎癥和肺水腫。同樣，Koscsó等[40]研究表明，A2B受體的激活對創傷出血休克致肺損傷也具有保護作用。此外，腺苷還可以劑量依賴性的提高肺內皮屏障作用，而給予腺苷轉運蛋白抑制劑(NBTI)或A2A受體和A2B受體拮抗劑(DPMX和MRS1754)減弱了屏障作用，RNA沉默A2AAR和A2BAR后屏障作用亦減弱，而給予NECA治療后會屏障作用又有所增強[41]。另外，T細胞是急性肺損傷后期主要的效應細胞，研究發現，CD4+T細胞中腺苷的大量增加和A2B受體上調可能控制急性損傷后的修復過程[42]。Mulloy等[43]則證明了選擇性激動劑激活A3受體后顯著減少缺血再灌注肺損傷中肺部炎癥和水腫、細胞因子升高和中性粒細胞趨化。這些都表明了受體A2A、A2B和A3在急性肺損傷中發揮的保護作用。但通過A1受體發出的信號卻可能是有害的。Woods等[44]發現，A1受體的激活加重了肺中先天免疫細胞的募集和炎癥程度，拮抗A1受體可減輕流感感染引起的小鼠肺損傷。此外，核苷酸在ALI/ARDS中的作用也得到了大量的關注。胞外ATP水平的變化在急性肺部疾病炎癥進程中發揮了重要作用，但目前的研究還具有爭議。研究人員發現在LPS誘導的小鼠急性肺損傷模型中，ATP具有減輕肺部炎癥和增強內皮細胞屏障功能方面的作用[45]。而且，LPS激活肺泡巨噬細胞上P2X7R的活化導致胞內ATP的耗竭，最終引起細胞壞死。隨后，壞死的肺泡巨噬細胞釋放大量的白介素1α(IL-1α)，后者進一步激活內皮細胞并減少血管內皮鈣黏著蛋白而增強血管通透性，而 P2X7R的敲除則顯著減輕內皮損傷[46]。另一項研究同樣表明給予P2X7R抑制劑通過部分調節circRNA和mRNA 的表達異常，可減輕膿毒癥誘導的急性肺損傷[47]。然而，有研究表示給予ATP誘導的P2X7R信號可以促進iNKT細胞死亡，進而減輕高氧肺部炎癥[48]。這可能與研究人員選擇的造模方式和細胞類型的不同有關。此外，P2X7R在調節肺泡表面活性物質的分泌介導肺生理中也發揮了重要作用，Mishra等[49]發現，P2X7KO小鼠抑制了機械通氣誘導的表面活性物質的分泌，ATⅠ細胞P2X7R的激活促進了ATP的釋放，隨后激活了ATⅡ細胞上P2Y2R介導表面活性物質的分泌。此外，LPS刺激血管內皮P2Y6R的激活并且增加了血管炎癥[50]。另外有研究證實了給予P2Y12R抑制劑或敲除P2Y12受體對于鼠肺部損傷均起到保護作用，這可能與血小板的激活有關[51]。

3.3 囊性纖維化 囊性纖維化(CF)，又稱粘膠病，是一種致死率較高的隱性遺傳疾病，表現為CFTR基因突變導致其編碼的cAMP介導的氯離子通道異常，進而導致多器官的離子和液體轉運異常，通常主要影響肺部，但也影響其他器官，包括腸、胰腺等。在氣道中，通常表現的特征為支氣管上皮的異常運輸導致黏性分泌物增加，氣道表面脫水，進而導致黏液纖毛清除減少，從而引起呼吸道持續的細菌感染和炎癥。

有關囊性纖維化中嘌呤受體通路的報道已有許多。CF患者的BALF中，腺苷濃度異常高，ATP和UTP調控人正常和纖維化氣道上皮離子轉運的證據也早已被報道[52]。腺苷及其受體在其中發揮了重要作用，尤其是A2B受體。研究人員發現，A2B受體可維持肺上皮屏障的完整性[53]，且A2B受體是氣道ASL體積調節的核心部分，這可能與CFTR及A2B受體間密切聯系有關[54]，腺苷可能通過A2B受體和類前列腺素調節CFTR[55]，而CFTR的存在還增強了腺苷誘導的纖毛搏動和IL-8的分泌[56]。有研究表示，A2A受體通過Ca2+依賴信號通路參與了氣道上皮細胞的氯離子的分泌[57]。嘌呤受體在上皮離子通道的調節及氣道表面AST維持中及發揮了重要作用這一作用與P2Y受體介導的信號傳遞最為密切，且P2Y2R激動劑也已經用于CF臨床試驗中[58]。Higgins等[59]研究表明，胞囊性纖維化中P2Y11R的激活和ATP的釋放可恢復氣道表面液層和上皮修復。另有研究表明，在CF患者痰樣中，UDPG水平顯著升高，在CF動物模型中，UDPG釋放到氣道中，通過調節P2Y14R起到促炎介質的作用，而給予P2Y14R受體拮抗劑PPTN不僅顯著抑制了UDPG促進的中性粒細胞趨化，而且同時也抑制了自發性中性粒細胞炎癥，提示PPTN可能對CF氣道炎癥起到緩解作用[60]。

3.4 肺動脈高壓 肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH)是一種威脅生命的疾病，以肺內皮功能障礙、肺血管張力增加和肺血管重構為特征，所引起的肺動脈壓力升高，肺血管阻力增大伴隨肺(微)血管的肌肉化、增厚和閉塞會導致右心室的后負荷增加，最終導致右心衰竭并引起死亡。

肺血管重構包括肺動脈內皮細胞(PAECs)和微血管內皮細胞(ECs)、肺動脈平滑肌細胞(PASMCs)和成纖維細胞的異常增殖、增生和肥厚。最近的研究發現，肺血管多種細胞類型如ECs、免疫細胞和紅細胞，可以產生核苷酸(如ATP和UTP)和核苷(如腺苷)，它們可以激活嘌呤能受體(PRs)發揮生物學功能[61]。越來越多的證據也表明，嘌呤能信號通路也可能通過調節血管張力、重塑、通透性和炎癥在PAH中發揮重要作用[62]。PAH患者血漿中腺苷濃度遠遠低于健康受試者[63]，研究報道給予非選擇性腺苷受體拮抗劑氨茶堿治療后減弱了腺苷對缺氧誘導羊肺血管擴張的作用，提示肺血管舒張作用是通過腺苷受體介導的[64]。其中，A2A受體KO小鼠在低氧條件下導致右心室壓力進一步升高及右心室肥大，可能涉及與RhoA/ROCK信號通路的偶聯[65]。但是A2B受體的激活在PAH患者則可能會導致肺血管重塑，Karmouty-Quintana等[66]發現，使用A2B受體拮抗劑GS-6201或者敲除A2B受體均可以顯著抑制博來霉素誘導的小鼠肺動脈高壓，提示A2B受體可以通過改善肺血管異常重構為肺動脈高壓的治療提供新的策略。在不同的PAH模型中，嘌呤受體的活化在肺血管中的作用也已被逐步闡明。在缺氧和ADP灌注誘導的PAH中，給予P2Y1和P2Y12受體抑制劑后均可改善豬肺動脈血壓[67]。在野百合堿誘導的PAH模型中，長期給予P2X7受體拮抗劑A-740003則顯著逆轉了肺動脈血管的重塑[68]。此外，給予P2X1受體拮抗劑NF297也可以降低肺動脈血壓[62]，這都提示了嘌呤能受體與PAH的發生發展有密切聯系。

4 討論與展望

嘌呤受體在肺細胞上廣泛表達已經被證實，嘌呤受體信號通路在維持肺內基本穩態，特別是表面活性物質分泌和肺泡宿主防御的作用被深入挖掘。因此，近年來嘌呤受體及其介導的信號通路在肺部疾病的病理生理學中得到了廣泛的關注。目前，在肺部疾病中，靶向嘌呤受體的藥物制劑大都處在臨床開發階段。但是，其他嘌呤受體激動劑和拮抗劑已被批準用于多種疾病的治療，例如長效P2Y2受體激動劑地夸磷索已被批準用于治療干眼癥，其中一些可能在未來用于肺部疾病的治療。隨著對于嘌呤受體信號通路在肺部生理中理解的深入，更多靶向性的藥物會出現，這還需要我們更深入的探索和挖掘。