细胞凋亡和凋亡细胞清除与慢性阻塞性肺疾病

张凡 强丽霞 樊迪 张爽 金寿德

细胞凋亡和凋亡细胞清除与慢性阻塞性肺疾病

张凡 强丽霞 樊迪 张爽 金寿德

一、细胞凋亡与慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)

细胞凋亡又称程序性死亡，是由基因控制的细胞自主、有序的死亡，是机体清除不必要、受损细胞的一种病理生理过程。细胞凋亡在机体的发育及成熟过程中发挥着极其重要的作用，其过程发生异常会导致机体发生多种疾病，如良恶性肿瘤、自身免疫病、HIV等。近年来，多项研究显示，细胞凋亡过度或(和)不足可加重慢阻肺患者的气道炎症、加速肺脏损伤。一方面，研究表明，慢阻肺患者气道及肺内炎性细胞凋亡不足，致使肺实质和气道长期处于慢性炎症状态，炎症持续存在、加剧作用在气道、肺泡及肺血管，导致慢阻肺患者发生不可逆性气流受限及肺动脉高压，最终发展为肺源性心脏病，甚至右心衰竭。另一方面，众多病理研究显示，慢阻肺患者也存在肺内细胞凋亡过度，致使肺组织进行性破坏、肺功能进行性下降，最终导致慢阻肺患者发生呼吸衰竭甚至肺性脑病。因此，细胞凋亡可能是参与慢阻肺发生、发展的又一重要机制。

1. 炎性细胞凋亡与慢阻肺

嗜中性粒细胞(PMN)是参与慢阻肺患者气道及肺内炎症的关键效应细胞，并且与疾病的严重程度和炎症反应强度相关。最近的研究已经显示慢阻肺患者体内的PMN凋亡异常，且存在功能失调。Vaidyanathan和同事[1]检测慢阻肺患者及健康非吸烟者静脉血中PMN时发现，慢阻肺患者外周血中活化的PMN百分比较健康者显著增高，且PMN的代谢活性显著增加。这提示，慢阻肺患者体内增多的活化PMN很可能来源于凋亡的延迟或减少，而且慢阻肺患者体内PMN总体代谢活性增加。类似地，Kawayama等人研究发现慢阻肺患者诱导痰中PMN水平较健康者显著增高，且诱导痰中PMN的数量与IL-8、IL-6和TNF-α之间存在显著相关性[2]。此外，Cukic等人[3]检测了2012年至2014年期间160名慢阻肺患者稳定期时外周血中PMN的数量，他们发现每年有3次或以上急性加重患者的外周血中PMN的数量显著更多，存在气道高反应性(BHR)的患者明显高于无BHR的患者，且外周血中PMN的数量与BHR水平间存在显著相关性。他们还发现每年发生3次及以上恶化的患者，最后一次检查外周血中PMN的数量较第一次显著增加。另外，Hodge和同事也报道，相对于健康者，慢阻肺患者急性加重期的肺泡灌洗液中PMN显著增多[4-5]。上述研究共同表明，慢阻肺患者体内PMN可能存在凋亡延迟或减少，因此大量持续异常活化的PMN在气道及肺内积聚，通过释放各种大量炎症介质(如白三烯B4，IL-8和TNF-α等)加剧体内炎症反应，致使慢阻肺患者整个肺、气道及脉管系统处于慢性炎症状态，间接增加患者急性加重风险。此外，PMN活性可能与慢阻肺的严重程度相关联，未来研究有望通过靶向PMN的代谢作用，开发出用于慢阻肺患者的新疗法。

2. 气道上皮细胞凋亡与慢阻肺

支气管上皮在慢阻肺的发病[6,9]中起重要作用，气道上皮细胞及肺泡上皮细胞分泌各种炎症介质及多种蛋白酶参与慢阻肺发病。Gogebakan等人提取吸烟受试者和慢阻肺患者的支气管上皮细胞(HBECs)进行培养研究HBECs细胞凋亡情况，他们发现慢阻肺患者的HBECs早期凋亡水平较对照组显著增加[10]。类似的，Comer及同事[11]通过支气管刷检获取支气管上皮细胞(HBECs)进行培养研究，结果发现慢阻肺组的HBECs经香烟处理后凋亡水平较非吸烟和吸烟的健康志愿者显著增加。有趣的是，他们还发现相同条件下培养来自健康吸烟者和非吸烟健康者的支气管上皮细胞，吸烟组的HBECs经香烟烟雾提取物诱导后凋亡更为显著。此外，一项关于支气管上皮细胞系的体外研究报道，低浓度的香烟烟雾提取物诱导细胞凋亡，而较高剂量则直接导致细胞坏死[12]。上述研究表明，慢阻肺患者支气管上皮细胞凋亡过度，香烟烟雾吸入可能参与、加速诱导气道上皮细胞的凋亡。然而，关于慢阻肺在体初级支气管上皮细胞凋亡状态的研究甚少，慢阻肺中的支气管上皮细胞过度凋亡的机制还不清楚，而且香烟烟雾是否是参与、加速诱导气道上皮细胞凋亡的因素尚待进一步验证。

3. 肺内细胞凋亡与慢阻肺

细胞凋亡是维持肺部稳态可塑性的必要条件之一。近年来，众多研究发现慢阻肺患者肺内细胞凋亡过多，同时，细胞增殖也增多，但总体上仍处于细胞凋亡过度的负平衡状态[13]。Kasahara和同事[14]发现，肺气肿患者的肺组织切片中内皮细胞和上皮细胞凋亡水平较健康肺组织显著增加。Imai等人通过动物模型[15]研究发现，肺气肿肺组织中增多的凋亡细胞包括肺泡上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞等。与上述研究相一致，一项研究动物模型也发现[16]，肺气肿肺组织细胞凋亡指数较健康肺组织增加，而两组增殖指数相似。该研究还观察到肺气肿肺组织中细胞增殖水平增加，但整体上仍以凋亡为主。由此可知，慢阻肺患者肺内细胞凋亡过度，而通过细胞增殖也不能阻止肺泡的进行性破坏。

Hodge等人[6]发现，慢阻肺患者的肺泡灌洗液中肺泡上皮细胞凋亡较非吸烟健康对照组增多，而健康吸烟者与非吸烟健康者的肺泡壁细胞凋亡水平并无显著差异。 有意义的是，他们还进一步证明，依赖组织蛋白酶s(Cats)的肺泡上皮细胞凋亡过程在γ-干扰素(IFN-γ)诱导的肺气肿的发病机制中是关键环节，而IFN-γ是外源性/死亡受体和内源性/线粒体凋亡途径的有力活化剂。因此，弹性蛋白酶及IFN-γ可能是参与诱导肺泡壁细胞凋亡过程中的重要因子，具体机制有待未来研究。Yokohori等人[17]不仅发现肺气肿病人肺泡壁细胞凋亡和增殖水平均较健康吸烟者和非吸烟健康者高，而且还检测到肺气肿肺组织切片中内皮细胞及间充质细胞凋亡和增殖数量均增加。此外，他们在肺气肿肺组织中还检测到胱天蛋白酶3(Caspase-3)的活化亚基和表达增多的促凋亡蛋白Bax和Bad[18]。有研究报道，健康小鼠气管内给药激活Caspase-3后肺泡上皮细胞发生凋亡，肺泡灌洗液中弹性蛋白酶活性增高，小鼠最终发生肺气肿，而胱天蛋白酶抑制剂可以阻止肺间隔细胞的凋亡和肺气肿的进展[19]。这表明，胱天蛋白酶抑制剂可能成为慢阻肺患者治疗的靶点之一。健康小鼠气管内滴注神经酰胺后，肺泡上皮细胞和内皮细胞发生凋亡，肺泡腔扩大[20]。此外，还有人在肺气肿患者的肺中检测到水平增高的神经酰胺。因此，神经酰胺上调可能是肺气肿发生、发展的重要因素之一。

4. 慢阻肺的肺外凋亡

大量临床病例研究表明，慢阻肺是一种除了肺局部炎症之外常累及全身的系统性疾病。肺是受慢阻肺影响的主要靶器官，但慢阻肺患者除了肺部表现外常常伴有异常的全身表现，如外周肌肉无力、骨骼肌萎缩及骨质疏松等。有人推测，这可能由于细胞凋亡过度，导致凋亡和再生之间平衡失调所致。因此，有研究者提出[21]，慢阻肺患者肌肉萎缩可能由凋亡途径的过度激活导致肌纤维数量的减少所致。此外，有研究报道，相对于正常体重指数者，低BMI的慢阻肺患者的骨骼肌细胞凋亡数量显著增多，且凋亡水平与运动能力降低呈一定正相关性[22]。骨质疏松是慢阻肺患者的另一个常见的全身性表现，但是细胞凋亡是否是导致慢阻肺患者骨质疏松发生、进展的原因有待进一步研究。迄今为止，关于慢阻肺患者肺外凋亡的研究甚少，未来的研究将致力于探究慢阻肺患者肺内、外细胞凋亡之间的相关性，以及细胞凋亡在慢阻肺的全身表现发生、发展中的重要性及相应机制。

二、凋亡细胞清除与慢阻肺

凋亡细胞的识别与从气道和肺中清除主要由气道巨噬细胞介导。据报道，肺气肿患者凋亡细胞清除缺陷致使肺部炎症持续存在，增加了患者急性加重的风险，也是导致患者肺功能进行性下降的重要原因之一[23]。

1. 凋亡细胞清除

急、慢性肺部炎症反应与大量的免疫细胞及结构细胞累积凋亡过程相关，炎症反应中凋亡细胞被巨噬细胞吞噬清除的过程即凋亡细胞清除过程，又叫"胞葬作用"。凋亡细胞的识别以及从气道和肺内清除主要由巨噬细胞介导，未成熟的树突状细胞、上皮细胞和间质细胞也具有上述功能。气道有效清除凋亡细胞对于局部炎症缓解至关重要，且有利于维持肺部稳态。上述过程的中断将导致积聚的凋亡细胞发生继发性坏死，坏死细胞碎片的释放随后通过"损害相关的分子模式"导致天然免疫系统的失控性激活，最终发生自身过度炎症反应。为控制免疫反应持续时间以及阻止自身过度免疫反应，吞噬细胞通过一系列受体摄取凋亡细胞进而启动抗炎症信号级联反应。然而，延缓凋亡细胞识别受体的活化，可能延迟或阻止机体对继发感染的炎症反应，导致感染的扩散、疾病进展。

2. 慢阻肺中异常的胞葬作用

在健康者的肺组织中几乎检测不到凋亡细胞[24]，而在急性感染相关的肺炎模型中，则发现浸润气道的免疫细胞发生凋亡后被气道巨噬细胞快速清除。因此，呼吸系统感染的及时控制与气道中巨噬细胞吞噬功能的正常发挥密切相关。然而，在多个原因不同的慢性炎症性肺病的患者气道内发现数量增多的死亡细胞[25]。推测可知，上述疾病中高频率出现的凋亡细胞不是来源于细胞凋亡速度加快就是凋亡细胞清除发生缺陷。有研究报道，在慢阻肺或肺气肿[11,14,19]患者的肺组织切片中发现过多积聚的凋亡上皮细胞、内皮细胞及免疫细胞。Hodge等人研究发现，慢阻肺患者肺泡灌洗液中摄取凋亡支气管上皮细胞和嗜中性粒细胞的巨噬细胞显著减少[4-5]。因此，慢阻肺患者肺中凋亡细胞数目的增加可能归因于气道巨噬细胞的胞葬作用显著受损。目前，已有研究表明，胞葬作用效率的降低主要由气道巨噬细胞介导[26-27]。此外，有研究报道吸烟者气道巨噬细胞摄取凋亡细胞的功能严重受损，因此，香烟吸入可能是参与诱导凋亡细胞清除缺陷过程的因素之一。

三、未来与展望

综上所述，异常的细胞凋亡和凋亡细胞清除可促进慢阻肺发病及进展。慢阻肺患者即使戒烟后病情仍持续进展，因此需要评估凋亡是否可作为阻止慢阻肺进一步恶化的治疗靶点。肺内细胞凋亡和再生之间的平衡失调导致肺组织的进行性破坏，这对评价肺气肿的干细胞疗法潜在用途很有意义。未来还需要更多的研究来确定参与慢阻肺发生、发展过程中最重要的凋亡途径及半胱氨酸蛋白酶种类。最后，凋亡细胞清除缺陷是否是慢阻肺患者发病进展的直接机制尚待进一步研究，如果是，是否可以确立慢阻肺新的生物标记物，为慢阻肺的诊治提供新思路。

[1] Vaidyanathan A,Damodar KS. Increased metabolic activity of neutrophils in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J] . Lung India, 2015, 32(6):589-592.

[2] Kawayama T, Kinoshita T, Matsunaga K, et al. Responsiveness of blood and sputum inflammatory cells in Japanese COPD patients, non-COPD smoking controls, and non-COPD nonsmoking controls[J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis, 2016, 11: 295-303.

[3] Cukic V. Blood Level of Polymorphonuclear Neutrophil Leukocytes and Bronchial Hyperreactivity in Chronic Obstructive Pulmonary Disease[J] . Med Arch, 2015, 69(4):244-246.

[4] Hodge S, Hodge G, Brozyna S, et al. Azithromycin increases phagocytosis of apoptotic bronchial epithelial cells by alveolar macrophages[J]. Eur Respir J, 2006, 28(3):486-495.

[5] Hodge S, Hodge G, Ahern J, et al. Smoking alters alveolar macrophage recognition and phagocytic ability: implications in COPD[J]. Am J Resp Cell Mol Biol, 2008, 37(6):748-755.

[6] Hodge S, Hodge G, Holmes M, et al. Increased airway epithelial and T-cell apoptosis in COPD remains despite smoking cessation[J]. Eur Resp J, 2005, 25(3):447-454.

[7] Chen L, Chen G, Zhang M Q, et al. Imbalance between subsets of CD8+peripheral blood T cells in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. PeerJ, 2016, 4(2):e2301.

[8] Zhuo S, Na L, Yi Z, et al. Expression of the Lymphocyte Chemokine XCL1 in Lung Tissue of COPD Mice, and Its Relationship to CD4 + /CD8 +, Ratio and IL-2[J]. Cell Bioch Bioph, 2015, 73(2):1-7.

[9] Shukla SD, Sohal SS, Mahmood MQ, et al. Airway epithelial platelet-activating factor receptor expression is markedly upregulated in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Int J Copd, 2014, 9(6):853-861.

[10]Gogebakan B, Bayraktar R, Oztuzcu S, et al. The role of bronchial epithelial cell apoptosis in the pathogenesis of COPD[J]. Mol Biol Rep, 2014, 41(8):5321-5327.

[11]Comer DM, Kidney JC, Ennis M, et al. Airway epithelial cell apoptosis and inflammation in COPD, smokers and nonsmokers[J]. Eur Resp J, 2013, 41(5):1058-1067.

[11]Gao W, Yuan C, Zhang J, et al. Klotho expression is reduced in COPD airway epithelial cells: effects on inflammation and oxidant injury[J]. Clin Science, 2015, 129(12):1011-1023.

[13]Da-Zhi LI, Ruan SW, Chen ZB, et al. Effect of Quanzhenyiqitang on apoptosis of alveolar macrophages and expression of histone deacetylase 2 in rats with chronic obstructive pulmonary disease[J]. ExpTher Med, 2014, 7(5):1327-1331.

[14]Kasahara Y, Tuder RM, Cool CD, et al. Endothelial cell death and decreased expression of vascular endothelial growth factor and vascular endothelial growth factor receptor 2 in emphysema[J]. Am J Resp Crit Care Med, 2001, 163(163):737-744.

[15]Imai K, Mercer BA, Schulman LL, et al. Correlation of lung surface area to apoptosis and proliferation in human emphysema[J]. Eur Resp J, 2005, 25(2):250-258.

[16]Majo J, Ghezzo H, Cosio MG. Lymphocyte population and apoptosis in the lungs of smokers and their relation to emphysema[J]. Eur Resp J, 2001, 17(5):946-953.

[17]Yokohori N, Aoshiba K, Nagai A. Respiratory Failure Research Group in Japan. Increased levels of cell death and proliferation in alveolar wall cells in patients with pulmonary emphysema[J]. Chest, 2004, 125(2):626-632.

[18]Yang SR, Chida AS, Bauter MR, et al. Cigarette smoke induces proinflammatory cytokine release by activation of NF-kappaB and posttranslational modifications of histone deacetylase in macrophages[J]. Am J Phys Lung Cell Mol Phys, 2006, 291(1):689-698.

[19]Sakhatskyy P, Gabino Miranda GA, Newton J, et al. Cigarette smoke-induced lung endothelial apoptosis and emphysema are associated with impairment of FAK and eIF2伪[J]. Microvasc Res, 2014, 94: 80-89.

[20]Petrache I, Natarajan V, Zhen L, et al. Ceramide upregulation causes pulmonary cell apoptosis and emphysema[J]. Nat Med, 2005, 11(5):491-498.

[21]Gea J, Pascual S, Casadevall C, et al. Muscle dysfunction in chronic obstructive pulmonary disease: update on causes and biological findings[J]. J Thor Dis, 2015, 7(10):e418-e438.

[22]Sarkar M, Bhardwaj R, Madabhavi I, et al. Osteoporosis in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Clin Med Ins Circ Resp Pulm Med, 2015, 9(11):5-21.

[23]Grabiec AM, Hussell T. The role of airway macrophages in apoptotic cell clearance following acute and chronic lung inflammation[J]. Sem Immun, 2016, 38(4):409-423.

[24]Kojima J, Araya J, Hara H, et al. Apoptosis inhibitor of macrophage (AIM) expression in alveolar macrophages in COPD[J]. Resp Res, 2013, 14(1):1-10.

[25]Schmidt EP, Tuder RM. Role of Apoptosis in Amplifying Inflammatory Responses in Lung Diseases[J]. J Cell Death, 2010, 2010(3):41-53.

[26]Vlahos R, Bozinovski S. Role of alveolar macrophages in chronic obstructive pulmonary disease[J]. Front Immun, 2014, 5:435-435.

[27]Mccubbrey AL, Curtis JL. Efferocytosis and Lung Disease[J]. Chest, 2013, 143(6):1750-7175.

10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.041

国家自然科学基金项目(No 8167011051)

150001 黑龙江 哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第四医院

金寿德，E-mail：jinshoude@163.com

2016-10-24]