張凡 強(qiáng)麗霞 樊迪 張爽 金壽德

細(xì)胞凋亡和凋亡細(xì)胞清除與慢性阻塞性肺疾病

張凡 強(qiáng)麗霞 樊迪 張爽 金壽德

一、細(xì)胞凋亡與慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)

細(xì)胞凋亡又稱程序性死亡，是由基因控制的細(xì)胞自主、有序的死亡，是機(jī)體清除不必要、受損細(xì)胞的一種病理生理過程。細(xì)胞凋亡在機(jī)體的發(fā)育及成熟過程中發(fā)揮著極其重要的作用，其過程發(fā)生異常會導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生多種疾病，如良惡性腫瘤、自身免疫病、HIV等。近年來，多項(xiàng)研究顯示，細(xì)胞凋亡過度或(和)不足可加重慢阻肺患者的氣道炎癥、加速肺臟損傷。一方面，研究表明，慢阻肺患者氣道及肺內(nèi)炎性細(xì)胞凋亡不足，致使肺實(shí)質(zhì)和氣道長期處于慢性炎癥狀態(tài)，炎癥持續(xù)存在、加劇作用在氣道、肺泡及肺血管，導(dǎo)致慢阻肺患者發(fā)生不可逆性氣流受限及肺動脈高壓，最終發(fā)展為肺源性心臟病，甚至右心衰竭。另一方面，眾多病理研究顯示，慢阻肺患者也存在肺內(nèi)細(xì)胞凋亡過度，致使肺組織進(jìn)行性破壞、肺功能進(jìn)行性下降，最終導(dǎo)致慢阻肺患者發(fā)生呼吸衰竭甚至肺性腦病。因此，細(xì)胞凋亡可能是參與慢阻肺發(fā)生、發(fā)展的又一重要機(jī)制。

1. 炎性細(xì)胞凋亡與慢阻肺

嗜中性粒細(xì)胞(PMN)是參與慢阻肺患者氣道及肺內(nèi)炎癥的關(guān)鍵效應(yīng)細(xì)胞，并且與疾病的嚴(yán)重程度和炎癥反應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)。最近的研究已經(jīng)顯示慢阻肺患者體內(nèi)的PMN凋亡異常，且存在功能失調(diào)。Vaidyanathan和同事[1]檢測慢阻肺患者及健康非吸煙者靜脈血中PMN時發(fā)現(xiàn)，慢阻肺患者外周血中活化的PMN百分比較健康者顯著增高，且PMN的代謝活性顯著增加。這提示，慢阻肺患者體內(nèi)增多的活化PMN很可能來源于凋亡的延遲或減少，而且慢阻肺患者體內(nèi)PMN總體代謝活性增加。類似地，Kawayama等人研究發(fā)現(xiàn)慢阻肺患者誘導(dǎo)痰中PMN水平較健康者顯著增高，且誘導(dǎo)痰中PMN的數(shù)量與IL-8、IL-6和TNF-α之間存在顯著相關(guān)性[2]。此外，Cukic等人[3]檢測了2012年至2014年期間160名慢阻肺患者穩(wěn)定期時外周血中PMN的數(shù)量，他們發(fā)現(xiàn)每年有3次或以上急性加重患者的外周血中PMN的數(shù)量顯著更多，存在氣道高反應(yīng)性(BHR)的患者明顯高于無BHR的患者，且外周血中PMN的數(shù)量與BHR水平間存在顯著相關(guān)性。他們還發(fā)現(xiàn)每年發(fā)生3次及以上惡化的患者，最后一次檢查外周血中PMN的數(shù)量較第一次顯著增加。另外，Hodge和同事也報道，相對于健康者，慢阻肺患者急性加重期的肺泡灌洗液中PMN顯著增多[4-5]。上述研究共同表明，慢阻肺患者體內(nèi)PMN可能存在凋亡延遲或減少，因此大量持續(xù)異?；罨腜MN在氣道及肺內(nèi)積聚，通過釋放各種大量炎癥介質(zhì)(如白三烯B4，IL-8和TNF-α等)加劇體內(nèi)炎癥反應(yīng)，致使慢阻肺患者整個肺、氣道及脈管系統(tǒng)處于慢性炎癥狀態(tài)，間接增加患者急性加重風(fēng)險。此外，PMN活性可能與慢阻肺的嚴(yán)重程度相關(guān)聯(lián)，未來研究有望通過靶向PMN的代謝作用，開發(fā)出用于慢阻肺患者的新療法。

2. 氣道上皮細(xì)胞凋亡與慢阻肺

支氣管上皮在慢阻肺的發(fā)病[6,9]中起重要作用，氣道上皮細(xì)胞及肺泡上皮細(xì)胞分泌各種炎癥介質(zhì)及多種蛋白酶參與慢阻肺發(fā)病。Gogebakan等人提取吸煙受試者和慢阻肺患者的支氣管上皮細(xì)胞(HBECs)進(jìn)行培養(yǎng)研究HBECs細(xì)胞凋亡情況，他們發(fā)現(xiàn)慢阻肺患者的HBECs早期凋亡水平較對照組顯著增加[10]。類似的，Comer及同事[11]通過支氣管刷檢獲取支氣管上皮細(xì)胞(HBECs)進(jìn)行培養(yǎng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)慢阻肺組的HBECs經(jīng)香煙處理后凋亡水平較非吸煙和吸煙的健康志愿者顯著增加。有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)相同條件下培養(yǎng)來自健康吸煙者和非吸煙健康者的支氣管上皮細(xì)胞，吸煙組的HBECs經(jīng)香煙煙霧提取物誘導(dǎo)后凋亡更為顯著。此外，一項(xiàng)關(guān)于支氣管上皮細(xì)胞系的體外研究報道，低濃度的香煙煙霧提取物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而較高劑量則直接導(dǎo)致細(xì)胞壞死[12]。上述研究表明，慢阻肺患者支氣管上皮細(xì)胞凋亡過度，香煙煙霧吸入可能參與、加速誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞的凋亡。然而，關(guān)于慢阻肺在體初級支氣管上皮細(xì)胞凋亡狀態(tài)的研究甚少，慢阻肺中的支氣管上皮細(xì)胞過度凋亡的機(jī)制還不清楚，而且香煙煙霧是否是參與、加速誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞凋亡的因素尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3. 肺內(nèi)細(xì)胞凋亡與慢阻肺

細(xì)胞凋亡是維持肺部穩(wěn)態(tài)可塑性的必要條件之一。近年來，眾多研究發(fā)現(xiàn)慢阻肺患者肺內(nèi)細(xì)胞凋亡過多，同時，細(xì)胞增殖也增多，但總體上仍處于細(xì)胞凋亡過度的負(fù)平衡狀態(tài)[13]。Kasahara和同事[14]發(fā)現(xiàn)，肺氣腫患者的肺組織切片中內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞凋亡水平較健康肺組織顯著增加。Imai等人通過動物模型[15]研究發(fā)現(xiàn)，肺氣腫肺組織中增多的凋亡細(xì)胞包括肺泡上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等。與上述研究相一致，一項(xiàng)研究動物模型也發(fā)現(xiàn)[16]，肺氣腫肺組織細(xì)胞凋亡指數(shù)較健康肺組織增加，而兩組增殖指數(shù)相似。該研究還觀察到肺氣腫肺組織中細(xì)胞增殖水平增加，但整體上仍以凋亡為主。由此可知，慢阻肺患者肺內(nèi)細(xì)胞凋亡過度，而通過細(xì)胞增殖也不能阻止肺泡的進(jìn)行性破壞。

Hodge等人[6]發(fā)現(xiàn)，慢阻肺患者的肺泡灌洗液中肺泡上皮細(xì)胞凋亡較非吸煙健康對照組增多，而健康吸煙者與非吸煙健康者的肺泡壁細(xì)胞凋亡水平并無顯著差異。 有意義的是，他們還進(jìn)一步證明，依賴組織蛋白酶s(Cats)的肺泡上皮細(xì)胞凋亡過程在γ-干擾素(IFN-γ)誘導(dǎo)的肺氣腫的發(fā)病機(jī)制中是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而IFN-γ是外源性/死亡受體和內(nèi)源性/線粒體凋亡途徑的有力活化劑。因此，彈性蛋白酶及IFN-γ可能是參與誘導(dǎo)肺泡壁細(xì)胞凋亡過程中的重要因子，具體機(jī)制有待未來研究。Yokohori等人[17]不僅發(fā)現(xiàn)肺氣腫病人肺泡壁細(xì)胞凋亡和增殖水平均較健康吸煙者和非吸煙健康者高，而且還檢測到肺氣腫肺組織切片中內(nèi)皮細(xì)胞及間充質(zhì)細(xì)胞凋亡和增殖數(shù)量均增加。此外，他們在肺氣腫肺組織中還檢測到胱天蛋白酶3(Caspase-3)的活化亞基和表達(dá)增多的促凋亡蛋白Bax和Bad[18]。有研究報道，健康小鼠氣管內(nèi)給藥激活Caspase-3后肺泡上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡，肺泡灌洗液中彈性蛋白酶活性增高，小鼠最終發(fā)生肺氣腫，而胱天蛋白酶抑制劑可以阻止肺間隔細(xì)胞的凋亡和肺氣腫的進(jìn)展[19]。這表明，胱天蛋白酶抑制劑可能成為慢阻肺患者治療的靶點(diǎn)之一。健康小鼠氣管內(nèi)滴注神經(jīng)酰胺后，肺泡上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生凋亡，肺泡腔擴(kuò)大[20]。此外，還有人在肺氣腫患者的肺中檢測到水平增高的神經(jīng)酰胺。因此，神經(jīng)酰胺上調(diào)可能是肺氣腫發(fā)生、發(fā)展的重要因素之一。

4. 慢阻肺的肺外凋亡

大量臨床病例研究表明，慢阻肺是一種除了肺局部炎癥之外常累及全身的系統(tǒng)性疾病。肺是受慢阻肺影響的主要靶器官，但慢阻肺患者除了肺部表現(xiàn)外常常伴有異常的全身表現(xiàn)，如外周肌肉無力、骨骼肌萎縮及骨質(zhì)疏松等。有人推測，這可能由于細(xì)胞凋亡過度，導(dǎo)致凋亡和再生之間平衡失調(diào)所致。因此，有研究者提出[21]，慢阻肺患者肌肉萎縮可能由凋亡途徑的過度激活導(dǎo)致肌纖維數(shù)量的減少所致。此外，有研究報道，相對于正常體重指數(shù)者，低BMI的慢阻肺患者的骨骼肌細(xì)胞凋亡數(shù)量顯著增多，且凋亡水平與運(yùn)動能力降低呈一定正相關(guān)性[22]。骨質(zhì)疏松是慢阻肺患者的另一個常見的全身性表現(xiàn)，但是細(xì)胞凋亡是否是導(dǎo)致慢阻肺患者骨質(zhì)疏松發(fā)生、進(jìn)展的原因有待進(jìn)一步研究。迄今為止，關(guān)于慢阻肺患者肺外凋亡的研究甚少，未來的研究將致力于探究慢阻肺患者肺內(nèi)、外細(xì)胞凋亡之間的相關(guān)性，以及細(xì)胞凋亡在慢阻肺的全身表現(xiàn)發(fā)生、發(fā)展中的重要性及相應(yīng)機(jī)制。

二、凋亡細(xì)胞清除與慢阻肺

凋亡細(xì)胞的識別與從氣道和肺中清除主要由氣道巨噬細(xì)胞介導(dǎo)。據(jù)報道，肺氣腫患者凋亡細(xì)胞清除缺陷致使肺部炎癥持續(xù)存在，增加了患者急性加重的風(fēng)險，也是導(dǎo)致患者肺功能進(jìn)行性下降的重要原因之一[23]。

1. 凋亡細(xì)胞清除

急、慢性肺部炎癥反應(yīng)與大量的免疫細(xì)胞及結(jié)構(gòu)細(xì)胞累積凋亡過程相關(guān)，炎癥反應(yīng)中凋亡細(xì)胞被巨噬細(xì)胞吞噬清除的過程即凋亡細(xì)胞清除過程，又叫"胞葬作用"。凋亡細(xì)胞的識別以及從氣道和肺內(nèi)清除主要由巨噬細(xì)胞介導(dǎo)，未成熟的樹突狀細(xì)胞、上皮細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞也具有上述功能。氣道有效清除凋亡細(xì)胞對于局部炎癥緩解至關(guān)重要，且有利于維持肺部穩(wěn)態(tài)。上述過程的中斷將導(dǎo)致積聚的凋亡細(xì)胞發(fā)生繼發(fā)性壞死，壞死細(xì)胞碎片的釋放隨后通過"損害相關(guān)的分子模式"導(dǎo)致天然免疫系統(tǒng)的失控性激活，最終發(fā)生自身過度炎癥反應(yīng)。為控制免疫反應(yīng)持續(xù)時間以及阻止自身過度免疫反應(yīng)，吞噬細(xì)胞通過一系列受體攝取凋亡細(xì)胞進(jìn)而啟動抗炎癥信號級聯(lián)反應(yīng)。然而，延緩凋亡細(xì)胞識別受體的活化，可能延遲或阻止機(jī)體對繼發(fā)感染的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致感染的擴(kuò)散、疾病進(jìn)展。

2. 慢阻肺中異常的胞葬作用

在健康者的肺組織中幾乎檢測不到凋亡細(xì)胞[24]，而在急性感染相關(guān)的肺炎模型中，則發(fā)現(xiàn)浸潤氣道的免疫細(xì)胞發(fā)生凋亡后被氣道巨噬細(xì)胞快速清除。因此，呼吸系統(tǒng)感染的及時控制與氣道中巨噬細(xì)胞吞噬功能的正常發(fā)揮密切相關(guān)。然而，在多個原因不同的慢性炎癥性肺病的患者氣道內(nèi)發(fā)現(xiàn)數(shù)量增多的死亡細(xì)胞[25]。推測可知，上述疾病中高頻率出現(xiàn)的凋亡細(xì)胞不是來源于細(xì)胞凋亡速度加快就是凋亡細(xì)胞清除發(fā)生缺陷。有研究報道，在慢阻肺或肺氣腫[11,14,19]患者的肺組織切片中發(fā)現(xiàn)過多積聚的凋亡上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及免疫細(xì)胞。Hodge等人研究發(fā)現(xiàn)，慢阻肺患者肺泡灌洗液中攝取凋亡支氣管上皮細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞的巨噬細(xì)胞顯著減少[4-5]。因此，慢阻肺患者肺中凋亡細(xì)胞數(shù)目的增加可能歸因于氣道巨噬細(xì)胞的胞葬作用顯著受損。目前，已有研究表明，胞葬作用效率的降低主要由氣道巨噬細(xì)胞介導(dǎo)[26-27]。此外，有研究報道吸煙者氣道巨噬細(xì)胞攝取凋亡細(xì)胞的功能嚴(yán)重受損，因此，香煙吸入可能是參與誘導(dǎo)凋亡細(xì)胞清除缺陷過程的因素之一。

三、未來與展望

綜上所述，異常的細(xì)胞凋亡和凋亡細(xì)胞清除可促進(jìn)慢阻肺發(fā)病及進(jìn)展。慢阻肺患者即使戒煙后病情仍持續(xù)進(jìn)展，因此需要評估凋亡是否可作為阻止慢阻肺進(jìn)一步惡化的治療靶點(diǎn)。肺內(nèi)細(xì)胞凋亡和再生之間的平衡失調(diào)導(dǎo)致肺組織的進(jìn)行性破壞，這對評價肺氣腫的干細(xì)胞療法潛在用途很有意義。未來還需要更多的研究來確定參與慢阻肺發(fā)生、發(fā)展過程中最重要的凋亡途徑及半胱氨酸蛋白酶種類。最后，凋亡細(xì)胞清除缺陷是否是慢阻肺患者發(fā)病進(jìn)展的直接機(jī)制尚待進(jìn)一步研究，如果是，是否可以確立慢阻肺新的生物標(biāo)記物，為慢阻肺的診治提供新思路。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.041

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2016-10-24]