衣康酸及其衍生物在肺部疾病中的研究進展

汪新月 蒙臣 廖俊媛 楊梁 周子愉 黃賀鑫 王賢裕

肺作為氣體交換的主要器官,經常暴露在各種有害環境刺激中。短期或長期接觸這些有害物質往往會導致肺損傷,引起肺部疾病。急性和慢性肺部疾病因其高發病率和高死亡率而成為世界范圍內主要公共衛生問題之一[1]。越來越多的研究表明,衣康酸及其衍生物可以保護肺部免受各種有害物質的損傷,減輕或減少肺部疾病。雖然衣康酸及其衍生物對急、慢性肺部疾病以及肺部腫瘤具有重要影響,但就目前研究而言,更多的集中在急性肺部疾病中,例如急性肺部感染、急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)等。并且,據已有的研究表明,衣康酸及其衍生物在急性肺部疾病中大多起保護作用,例如抑制細菌、病毒在肺組織中繁殖、緩解ARDS等。但是,在某些慢性疾病,如慢性細菌感染性肺部疾病以及肺部腫瘤中,具有兩面性。其在急、慢性肺部疾病以及肺部腫瘤中的不同影響可能也是限制其臨床試驗以及臨床應用的重要原因。因此,本文就衣康酸及其衍生物對各種肺部疾病的研究現狀進行綜述,以期望衣康酸及其衍生物在治療肺部疾病中發揮越來越大的作用。

一、衣康酸及其衍生物概述

衣康酸是三羧酸循環的中間代謝產物,由免疫應答基因1 (IRG1)編碼的順烏頭酸脫羧酶1 (ACOD1)催化三羧酸循環的中間產物順烏頭酸衍生而來[2]。IRG1幾乎只在活化的免疫細胞中表達,尤其是活化的巨噬細胞[3-5]。衣康酸具有強大的免疫調節活性,在調節能量代謝、抗炎、抗氧化及各種免疫反應中發揮重要作用,也對幾乎所有器官產生生物學效應[5-8]。除了衣康酸的天然形式外,目前常用的衍生物包括:衣康酸二甲酯(DMI)、 4-辛基衣康酸(4-OI),它們具有與衣康酸相似的生物學活性,能模仿內源性衣康酸發揮作用,而成為合適的細胞滲透性衣康酸替代品,以更好探索衣康酸的生理學功能[8]。

二、衣康酸及其衍生物對急性肺部疾病的影響

1. 衣康酸及其衍生物對細菌脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)誘導的ARDS的影響

許多研究表明,衣康酸及其衍生物可以降低各種因素引起的肺組織炎癥反應以減少ARDS的發生。在LPS直接誘導的肺部損傷以及LPS誘導的膿毒癥肺損傷的實驗中,給予外源性的衣康酸及其衍生物能夠減少肺組織中活性氧(ROS)的產生以及炎癥因子如白介素-1β(IL-1β)、白介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的表達,從而抑制LPS誘導的炎癥反應,減輕肺組織損傷,并延長生存期,提高生存率[9-14]。

同時,衣康酸及其衍生物還可以抑制肺泡上皮細胞凋亡,并促進損傷的肺泡修復。Shi等[15]通過體外培養肺泡Ⅱ型上皮細胞發現,DMI減少肺泡上皮細胞凋亡,且通過上調肺泡表面活性物質產生,促進肺泡Ⅱ型上皮細胞分化為肺泡Ⅰ型上皮細胞,以修復LPS誘導的受損肺泡。

另外,衣康酸及其衍生物能夠減輕LPS誘導的肺上皮屏障功能障礙。謝邱夢等[11]通過體內和體外實驗證明,衣康酸通過抑制線粒體分裂/融合相關蛋白表達,以維持線粒體正常功能和肺上皮細胞屏障作用,增強肺組織防御能力,減輕LPS誘導的肺部損傷。

這些研究說明衣康酸及其衍生物在ARDS的發生、發展過程中具有潛在的肺保護作用。

2. 衣康酸及其衍生物對急性細菌性肺部疾病的影響

在嗜肺軍團菌、土拉弗氏菌感染肺組織的模型中研究發現,衣康酸及其衍生物通過影響細菌及宿主代謝關鍵酶的表達及其活性,以影響細菌能量代謝,從而限制細菌在肺組織中繁殖[16,17]。

Naujoks等[16]使用嗜肺軍團菌感染肺泡巨噬細胞時,巨噬細胞中IRG1表達上調,并且衣康酸產生增加,從而直接殺傷細菌。嗜肺軍團菌誘導IRG1/衣康酸途徑發揮殺菌作用在動物實驗也得到證實。衣康酸的殺菌作用可能與衣康酸抑制細菌異檸檬酸裂解酶或阻斷丙酰輔酶 A 積累從而減少細菌能源物質的來源有關。土拉弗氏菌在感染早期抑制炎癥級聯反應,使其能夠在宿主巨噬細胞內快速不受控制地復制。Jessop等[17]使用IRG1-/-小鼠和野生型(WT)小鼠分別感染土拉弗氏菌發現,與WT小鼠相比,IRG1-/-小鼠衣康酸的產生更少,肺組織中細菌負荷更大、炎癥和組織損傷更重。這一結果可能是土拉弗氏菌感染驅動衣康酸產生,衣康酸通過抑制線粒體復合體Ⅱ,從而減少土拉弗氏菌生長所需的關鍵底物,例如甘油,使得土拉弗氏菌能量來源減少,而抑制其生長繁殖。衣康酸及其衍生物通過減少細菌生長所需要的能量來源發揮抑菌或殺菌作用,表現出衣康酸及其衍生物作為抗菌藥物的潛力。

許多急性細菌性肺部疾病具有自限性,這可能與細菌感染后內源性保護因子產生增加有關,例如,內源性衣康酸的產生。然而外源性衣康酸及其衍生物能否在體內發揮與內源性衣康酸相似的生物學功能以對抗肺部急性細菌感染,尚需要更多的研究佐證。

3. 衣康酸及其衍生物對病毒性肺部疾病的影響

已有的研究表明,衣康酸及其衍生物能夠抑制某些病毒在肺組織中復制,并且限制病毒感染引起的炎癥風暴。Sohail等[18]通過實驗發現甲型流感病毒(IAV)感染后,單核細胞及巨噬細胞中衣康酸含量增加;增加的衣康酸可以抑制免疫細胞中炎癥因子的表達。而在使用衣康酸及其衍生物治療IAV感染的小鼠后,有效降低外周血IAV滴度,同時減少趨化因子及炎癥因子的產生,從而發揮抗病毒及減輕IAV感染引起肺部損傷的作用。

在對近年來全球肆虐的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)體外實驗中也發現,衣康酸及其衍生物以劑量依賴的方式減少病毒復制,降低病毒的細胞毒性;同時抑制SARS-CoV-2感染引起的不受控制的促炎細胞因子風暴[19]。另外Song[20]等在對新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)患者的研究中發現:血漿衣康酸水平越低,其COVID-19越嚴重。因此,衣康酸及其衍生物可能具有潛在的抗病毒和抗炎作用,且衣康酸有望成為評估COVID-19嚴重程度的生物學指標。

三、衣康酸對慢性肺部疾病的影響

1. 衣康酸及其衍生物對慢性阻塞性肺部疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的影響

煙草煙霧(CS)暴露是COPD的主要風險因素之一。Titz等[21]在CS暴露的小鼠中研究發現,CS暴露后,肺泡及肺組織中巨噬細胞增加,誘發強烈的免疫反應,包括氧化應激和炎癥反應;造成肺組織病理損傷,從而發生肺氣腫,最終進展為COPD。與此同時,CS暴露后,機體通過上調IRG1,使得衣康酸的表達增加,衣康酸通過促進抗氧化和抗炎轉錄因子核因子紅細胞系2相關因子2(Nrf2)激活及下游血紅素加氧酶-1(HO-1)表達,誘導血紅素-膽綠素-膽紅素途徑。這種途徑通過產生抗氧化劑膽綠素和膽紅素以及限制氧化劑血紅素的積累來對抗氧化應激。因此,在CS暴露后,衣康酸豐度的增加不僅可以防止肺中巨噬細胞的過度激活,還可以減輕氧化應激,使得COPD的發生風險降低。

2. 衣康酸及其衍生物對哮喘的影響

抗原提呈樹突狀細胞(DC)能夠感知抗原的背景,激發和調節不同類型的效應T細胞反應,這是機體針對吸入性變應原產生的適應性免疫反應[22]。在變應原侵襲過程中,衣康酸及其衍生物能夠通過減少氧化應激,而減輕DC功能受損。Jaiswal等[23]在屋塵螨(HDM)誘導的過敏性哮喘中發現,衣康酸降低DC耗氧率及線粒體超氧化物生成,從而避免其抗原提呈能力損傷并有效減輕氣道Ⅱ型炎癥反應,降低氣道高反應性。

通常認為,巨噬細胞M1極化引起促炎反應;而 M2極化使其更具有抗炎特性;但在某些免疫性疾病中,M2極化也促進炎癥反應。例如,M2巨噬細胞和輔助性T細胞2 (Th2)細胞介導的Ⅱ型炎癥反應導致肺部疾病發生,如哮喘、肺纖維化等[24]。高留闖和Marah等[25,26]研究證明,衣康酸及其衍生物通過抑制M2極化,削弱卵清蛋白誘導的呼吸道過敏性炎癥,降低Ⅱ型細胞因子(IL-4、 IL-5和IL-13)水平,減少肺泡中嗜酸性粒細胞和呼吸道、血管周圍炎性細胞浸潤以及杯狀細胞化生,從而減少哮喘發作。

另外在吸入變應原后,衣康酸及其衍生物能夠調節肺組織內中性粒細胞和嗜酸性粒細胞募集之間的平衡,從而調節免疫反應。Albers等[27]對輕度哮喘患者痰液的分析發現,中性粒細胞數量與衣康酸水平呈負相關。同時,動物實驗中發現,在暴露于空氣變應原后,IRG1-/-小鼠肺組織中衣康酸表達減少,表現出較低的嗜酸性粒細胞-中性粒細胞比率,而WT小鼠的嗜酸性粒細胞較多;在給予外源性衣康酸后,IRG1-/-小鼠嗜酸性粒細胞-中性粒細胞比率恢復平衡。以上研究表明,衣康酸及其衍生物在治療過敏性哮喘方面具有誘人前景。

3. 衣康酸及其衍生物對肺纖維化的影響

肺纖維化(pulmonary fibrosis,PF)是一種以肺實質中過多的細胞外基質沉積、肺組織結構破壞為主要特征的疾病[28]。其中,成纖維細胞-肌成纖維細胞分化(FMD)是PF發生和惡化過程中的一個關鍵細胞表型,可導致細胞外基質 (ECM) 過度分泌和積累[28,29]。衣康酸及其衍生物有效的抑制氧化應激,從而減輕肺纖維化。Han等[30]研究表明,衣康酸及其衍生物通過減少ROS產生,從而減輕轉化生長因子β1(TGF-β1)誘導的FMD以及博來霉素誘導的小鼠肺纖維化。

另外,在體外用衣康酸培養原代肺成纖維細胞,其增殖和傷口愈合能力降低。同時在小鼠肺纖維化階段使用衣康酸及其衍生物治療可改善肺功能并降低 Ⅳ 型膠原蛋白和纖連蛋白的基因表達[31]。這些實驗可能推動衣康酸及其衍生物成為PF治療的潛在靶點和方法。

4. 衣康酸及其衍生物對慢性肺部感染的影響

細菌乙醛酸分流途徑是一種替代性回補途徑,它促進脂肪酸作為碳源用于生物合成和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)的產生。結核分枝桿菌(Mtb)菌株編碼一種或兩種異檸檬酸裂解酶(ICL1 和 ICL2),它們在乙醛酸分流中發揮重要作用[32,33]。Michelucci 等[2]研究表明,衣康酸通過抑制Mtb中異檸檬酸裂解酶進而抑制細菌的乙醛酸分流途徑,從而對 Mtb 生長產生抑制作用。

與衣康酸相似,衣康酸代謝物衣康酰輔酶A(I-CoA)也具有抑菌活性。在高水平衣康酸存在下,琥珀酸輔酶A合成酶可能將衣康酸轉化為Ⅰ-CoA[34]。Ruetz等[35]研究表明Ⅰ-CoA具有抑菌活性。Mtb感染宿主細胞后,在葡萄糖來源受限時,其可以利用膽固醇進行能量代謝,并產生丙酸及丙酸輔酶A。它們的積累對結核分枝桿菌具有毒性作用。維生素B12(VitB12)依賴的甲基丙二酰輔酶A(MCM)變位酶可以將丙酰輔酶A轉化為甲基丙二酰輔酶A,有利于丙酸的清除。Ⅰ-CoA可以與體內VitB12形成加合物,從而抑制VitB12依賴的MCM的活性,造成毒性丙酸/丙酰輔酶A的水平升高,限制結核分枝桿菌生長。

與衣康酸及其代謝產物限制結核分枝桿菌生長不同。有研究表明,衣康酸有助于細菌耐藥和慢性細菌感染的發生。Riquelme和Tomlinson等[36,37]研究發現,金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌感染肺組織后,體內衣康酸表達增加,內源性衣康酸能夠使細菌轉錄組學和代謝組學發生變化,誘導細菌膜應激,導致脂多糖表達下調,細胞外多糖表達上調,有利于細菌生物膜形成從而逃避機體的抗體、補體和吞噬作用以及產生對抗生素的抗性,實現金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌在肺內的持續感染。

因此,雖然衣康酸具有抗菌潛力,但其對細菌免疫逃避的選擇作用也為耐多藥細菌清除增加了困難。

四、衣康酸及其衍生物對肺部腫瘤的影響

衣康酸及其衍生物在肺部腫瘤性疾病中研究較少,對腫瘤發生發展的作用也不盡相同。

大多數研究認為衣康酸具有促腫瘤作用。腫瘤微環境中 CD8+T 細胞能夠通過誘導細胞死亡來清除腫瘤[38-41]。Wang等[42]研究表明衣康酸可以通過減少CD8+T細胞內天冬氨酸和絲氨酸/甘氨酸的生物合成,抑制其增殖和功能,從而抑制CD8+T細胞誘導的抗腫瘤免疫。Qu等[43]也發現衣康酸通過激活Nrf2限制鐵死亡,發揮促腫瘤作用。

與之相反,超生理劑量的衣康酸表現出抗腫瘤活性。Qu等[43]研究發現超生理劑量的衣康酸可以通過激活核受體共激活因子4 (NCOA4)促進鐵死亡,從而表現出抗腫瘤活性。但是衣康酸的過量可能會將其抗炎作用轉變為促進宿主細胞死亡的作用,進而損傷組織細胞。

衣康酸及其衍生物對腫瘤的雙重作用的機制尚未完全闡明,究其原因,可能與藥物用量或疾病階段以及嚴重程度有關。

另外,衣康酸對腫瘤患者預后和治療效果具有指示作用。Miller等[44]在對非小細胞肺癌(NSCLC)患者短期和長期生存的研究中表明,腫瘤進展患者中,衣康酸豐度增加。因此,推斷衣康酸可以用來評價腫瘤進展情況。 Zhao等[45]研究發現,衣康酸與抗PD-1治療效果負相關,血漿中衣康酸水平可以用于判斷抗PD-1治療效果。Fan等[46]在關于免疫調節劑β-葡聚糖誘導的體外NSCLC腫瘤組織損傷的研究中發現:對于β-葡聚糖治療效果較好的NSCLC組織中,衣康酸的積累增加,相反,則癌組織中衣康酸耗盡;同時β-葡聚糖發揮抗腫瘤免疫是通過促進腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)向M1極化實現的。而衣康酸是巨噬細胞M1極化過程中上調程度最高的代謝物[5,7,47-49]。因此,推測衣康酸可能用于評價β-葡聚糖對非小細胞肺癌的治療效果。

這些研究表明,未來靶向衣康酸可能作為抗腫瘤治療的潛在方法之一。同時衣康酸的表達水平可能作為腫瘤預后或治療效果評價的標志物。

五、衣康酸及其衍生物的給藥方式

衣康酸幾乎對全身所有器官產生生物學效應,因此靶向目標器官治療可能更有利于其發揮作用。目前衣康酸常用的給藥方式包括:局部給藥和全身給藥。在局部給藥方面,霧化吸入衣康酸將有效控制小鼠PF嚴重程度[31];鼻內給予4-OI可減輕HDM誘導的氣道疾病和Th2型炎癥反應[23]。另外在其他疾病,如骨修復中,在大鼠顱骨缺陷模型中使用4-OI涂覆的骨支架遞送4-OI,使其在骨修復過程中準確調控巨噬細胞的表型轉化,以調節早期炎癥促進骨整合的能力[50]。使用DMI制備的納米纖維材料覆蓋在心肌梗死(MI)小鼠心臟表面,可維持MI初期特定的炎癥反應,同時在后期增強抗炎作用,以減少小鼠心肌梗塞面積和改善心室功能,從而表現出出色的心肌保護作用[51]。此外,已合成衣康酸微凝膠,其親水性和形成的帶負電荷的微環境有利于維持心臟基質細胞(CSCs)的高活性。向MI小鼠心肌內注射衣康酸微凝膠包裹的CSCs,有利于CSCs的增殖和生長因子的大量分泌,促進CSCs活化和抑制細胞凋亡,從而促進MI小鼠的心臟修復[52]。而在全身給藥方面,腹腔注射是最常用的給藥方式。許多研究證明,腹腔注射衣康酸及衍生物有效減輕LPS誘導的肺損傷[6],以及膿毒癥造成的包括肺組織在內的多個臟器損傷[53]。此外,在創傷性失血性休克模型中,將衣康酸制備成復蘇液靜脈輸注用于失血性休克早期復蘇,有利于提高小鼠存活率[54]。

然而,對于不同的疾病,尚未有明確的給藥途徑以使衣康酸及其衍生物對于治療各種疾病達到高度定向的效果。因此期待更多的研究能夠在保留衣康酸生物學活性的同時使其高效利用,靶向目標器官,這可能是未來衣康酸早日應用于臨床的一個重要研究方向。

六、討論與展望

越來越多的證據表明,衣康酸及其衍生物對急性、慢性肺部疾病以及肺部腫瘤的治療有顯著影響。在實驗動物模型上的研究提示,衣康酸及其衍生物在很大程度上預防和/或減輕了肺組織損傷。這些急性和慢性肺部疾病有些共同的屬性,即炎癥、氧化應激。這也是衣康酸及其衍生物介導肺保護的重要治療靶點;即其治療作用大多通過調節炎癥和氧化應激實現。尤其是在急性肺部疾病中,衣康酸及其衍生物大多可以通過激活Nrf2相關通路,以增強細胞、組織以及機體的抗炎、抗氧化防御能力,對各種急性肺部疾病起到治療作用。但對于慢性肺部疾病而言,除了炎癥、氧化應激這一主要致病原因外,衣康酸及其衍生物還可針對某一疾病特有的致病機制發揮作用。例如,在肺纖維化中,衣康酸及其衍生物除了通過抗炎抗氧化機制緩解肺纖維化外,還通過降低肺組織中肌成纖維細胞增生以及不成比例的細胞外基質沉積,改善肺組織動態順應性以及彈性,延緩肺纖維化的發生。另外,與大多數急性疾病中衣康酸及其衍生物通過減少過度中性粒細胞活化以及促炎細胞因子IL-1β,IL-6,TNF-α產生以緩解肺部損傷不同,其在過敏性哮喘中主要減輕Ⅱ型氣道炎癥,包括減少氣道中嗜酸性粒細胞浸潤,TH2型細胞因子產生,如IL-4、IL-5、IL-13,以及杯狀細胞化生進而減輕氣道炎癥。衣康酸及其衍生物在急慢性細菌性肺部疾病中發揮保護作用的機制也與其他疾病不同,其主要通過影響細菌和宿主能量代謝關鍵酶的表達以及關鍵酶的活性而影響細菌在宿主中的生存與繁殖;此外,衣康酸及其衍生物促進慢性肺部感染機制也與對其他疾病的影響不同。它通過對金黃色葡萄球菌以及銅綠假單胞菌基因表達的選擇作用,選擇代謝可塑性的細菌進行重塑代謝,將能量代謝的碳源流向細菌生物膜合成的方向,從而使細菌逃避宿主免疫以及對抗抗生素殺傷作用,以此產生持續慢性感染以及細菌耐藥。與細菌感染性肺部疾病相似,衣康酸對肺部腫瘤的影響也具有兩面性,且更多的研究表明,衣康酸具有促進腫瘤發展的作用。另一方面,內源性衣康酸的檢測,對于腫瘤的進展以及治療效果評估也有一定的指示作用。

雖然許多研究表明衣康酸及其衍生物對各種肺部疾病具有重要影響。但是,由于其對不同肺部疾病的作用不同,且其作用的詳細分子機制仍有待確定,因此使研究主要限于動物模型。另外,如何靶向目標器官而不影響其他組織器官功能的特定給藥方式尚未明確,使其對人類的適用性還有待測試。因此,更好地了解衣康酸及其衍生物的作用、作用途徑以及給藥方式,可能有助于其更好的應用于治療肺部疾病。