自噬在支气管哮喘发病中的作用及其相关治疗药物研究进展

陈银慧，毛晓宁，吴锐剑，张星亮,

(1广东医科大学附属医院，广东湛江524001；2深圳市儿童医院)

支气管哮喘是一种受遗传和环境因素影响的气道炎症性疾病，伴有以嗜酸性粒细胞为主的炎症细胞浸润、明显支气管收缩和可变的气流阻塞。自噬又称“自我消化”，是除泛素-蛋白酶体系统之外，细胞质内清除衰老、受损细胞器和蛋白以及有害大分子物质的一种自我调控机制[1]。研究发现，自噬在嗜酸性粒细胞性气道炎症如支气管哮喘的发病中发挥重要作用[2]。本研究就自噬在支气管哮喘发病中的作用及其相关治疗药物作一综述。

1 自噬概述及其调控相关机制

1.1 自噬概述 在自噬过程中，错误折叠、受损及不必要的蛋白质或细胞器会被包裹至双膜结构的囊泡中，形成自噬泡或自噬体，随后与溶酶体融合形成自噬溶酶体[1]，被包裹的组分被溶酶体中水解酶降解，产生再生代谢前体释放到细胞质中，被再循环用于生物大分子、ATP等物质的合成。自噬在肺部应对感染或相关炎症的过程中发挥重要作用。研究表明，自噬可通过去除产生活性氧的线粒体、减轻促炎反应、介导抗原加工和呈递、增强免疫反应等抑制自发性肺部炎症反应；但当自噬体在体内过度积累时，可能参与发病机制，导致肺损伤的发生[3]。因此，自噬是一把“双刃剑”，对人类的健康和疾病发挥双重作用。

1.2 自噬调控相关机制 自噬作为一种维持细胞稳态的调节机制和生存机制，受细胞内外多种信号和分子调控，而这些调控通路的改变可导致自噬功能异常。自噬的起始受雷帕霉素靶蛋白(mTOR)复合物、ULK复合物及Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K class Ⅲ，又称PtdIns3K)复合体等信号通路的调节[4]。细胞可以通过以下方式诱导自噬：①饥饿是诱导自噬的最佳刺激物，当机体能量不足时，mTORC1受到抑制，激活ULK1介导的Beclin-1磷酸化，从而激活PI3K class Ⅲ-Vps34复合物，促进自噬体的诱导和成熟[5]。②ULK1/2是mTORC1抑制下游自噬诱导的关键因子，当细胞饥饿时mTORC1与ULK1/2复合物解离，导致ULK1/2活化和FIP200、Atg13磷酸化，从而启动自噬[6]。③腺苷酸活化的蛋白激酶(AMPK)是细胞中的主要能量传感器，其通过AMP/ATP比例升高而被激活。当机体处于低能量状态时，细胞ATP水平降低、AMP水平增加，AMPK被激活，从而直接通过激活ULK1复合物来启动自噬；或者通过抑制mTOR，减弱mTOR复合物对ULK1的抑制，间接激活自噬[7]。泛素化修饰涉及自噬体形成有两个关键途径：①第一个泛素样反应中形成Atg12-Atg5-Atg16复合体，其由E1样酶Atg7和E2样酶Atg10调节，该复合物与自噬体延伸相关，并且是自噬体形成的必要条件。②第二个泛素样反应将Atg8(也称为LC3)缀合至由E1样酶Atg7和E2样酶Atg3介导的自噬体膜上的脂质磷脂酰乙醇胺(PE)。微管相关蛋白轻链3(LC3)被广泛作为自噬体标记物，PE共轭的LC3(LC3-Ⅱ)/未结合的LC3(LC3-Ⅰ)可反映自噬活动程度[8]。

2 自噬在支气管哮喘发病中的作用

2.1 参与气道炎症 支气管哮喘以慢性非特异性炎症反应为病理基础，上皮细胞通过产生多种炎症介质介导气道的炎症反应。支气管上皮细胞暴露于环境过敏原中，可导致细胞发生氧化应激，大量激活的活性氧(ROS)引发气道炎症反应，促使支气管哮喘的发生。ROS和自噬相互调控以维持细胞稳态，炎症反应时机体分泌大量的细胞因子、ROS和活性氮(RNS)，可加重细胞氧化应激，诱导细胞自噬。反之，自噬可以通过吞噬和降解氧化物质以减少对细胞的氧化损害。Dickinson等[9]分别通过白介素(IL)-13处理人气道上皮细胞、IL-33处理小鼠，结果显示细胞及小鼠均出现气道黏液蛋白表达增高；当敲除小鼠Atg16基因或者沉默人气道上皮细胞Atg5、Atg14基因表达时，可抑制IL-13诱导气道黏液分泌，表明自噬能促进IL-13诱导气道上皮细胞分泌黏液。Dickinson等[10]研究发现，采用IL-13或IL-4处理人气管支气管上皮细胞后，细胞ROS及自噬体水平均升高；而沉默Atg5基因则可明显降低ROS表达，提示自噬可促进支气管上皮细胞ROS表达。Ban等[11]研究发现，IL-5可提高中重度支气管哮喘患者外周血细胞、外周血嗜酸性粒细胞的自噬水平，并导致气道炎症反应加重。Liu等[12]发现，在哮喘小鼠模型中升高激发用卵清蛋白(OVA)浓度可促进嗜酸性粒细胞LC3表达，导致自噬体增多；而抑制自噬水平后，小鼠IL-5和炎症因子水平均升高，加入IL-5抗体，则LC3表达下降。因此，自噬在感染或应激引起的炎症反应中发挥重要作用，调控细胞自噬水平有望改善支气管哮喘的炎症反应。

2.2 参与免疫反应 支气管哮喘主要是由IgE介导的Ⅰ型超敏反应，该反应涉及肥大细胞活化、嗜酸性粒细胞增多和2型辅助性T细胞(Th2)激活。吸入过敏原使树突状细胞(DC)致敏，DC作为连接先天和适应性免疫的抗原呈递细胞，可通过吞噬微生物并迁移到区域淋巴结，以激活包括T细胞和B细胞在内的淋巴细胞。活化的Th1细胞产生促炎性细胞因子(TNF、IFN-γ)，而活化的Th2细胞则释放Th2型细胞因子，包括IL-4、IL-5和IL-13等[13]。Suzuki等[14]研究发现，敲除CD11c特异性小鼠模型Atg5基因可导致CD11c+DC细胞中自噬水平降低，并导致严重的中性粒细胞性气道炎症和气道高反应性，表明自噬在支气管哮喘发病机制中具有保护作用，特别是对IL-17A介导的中性粒细胞性支气管哮喘患者。Xia等[15]研究发现，哮喘小鼠肺组织B淋巴细胞自噬水平升高，缺乏自噬将导致肺B淋巴细胞数量降低；该研究采用IL-4特异性诱导小鼠脾脏原代B细胞发生自噬，结果显示小鼠维持B淋巴细胞存活并促进B淋巴细胞抗原呈递。但是Liu等[16]研究发现，哮喘小鼠经咖啡因刺激后自噬蛋白表达升高，胸腺CD4+T细胞生成受到抑制，给予自噬抑制剂巴伐洛霉素A1后可消除咖啡因的上述抑制作用，表明咖啡因可通过增强胸腺细胞自噬而减少胸腺中CD4+T细胞生成，并抑制肺部CD4+T细胞发育。Jiang等[17]研究发现，野生型小鼠感染OVA后PI3K表达明显升高，并伴随p-Akt、Beclin-1、LC3-Ⅱ表达增加，肺组织炎性细胞浸润增强和IL-13/IFN-γ细胞因子失衡；相反，Toll 样受体2(TLR2)-/-小鼠气道炎症反应减弱，自噬蛋白质表达降低，表明TLR2参与激活PI3K/Akt信号通路介导的自噬反应，从而促进支气管哮喘的病理进程。

2.3 参与气道重塑 气道重塑是支气管哮喘的病理机制之一，主要特征包括气道平滑肌细胞增生和肥大、气道上皮细胞增厚(黏液腺肥大、黏液分泌过多)、上皮-间质转变(EMT)、新生血管化、纤维化、细胞外基质(ECM)沉积和杯状细胞化生等[18,19]。Cho等[20]研究发现，在OVA诱导的小鼠哮喘模型中，气道上皮细胞平滑肌蛋白(α-SMA)和自噬蛋白LC3-Ⅱ/Ⅰ表达升高，提示上皮细胞自噬可能参与气道上皮细胞EMT过程，并可促进成纤维细胞向肌成纤维细胞分化。Liu等[21]研究发现，抑制哮喘小鼠的自噬过程可以减少卵泡抑素样蛋白1(FSTL1)诱导的EMT，表明降低自噬能够改善支气管哮喘小鼠的EMT过程。Gu等[22]研究发现，用辛伐他汀处理支气管哮喘模型小鼠能够促进支气管平滑肌细胞中自噬相关蛋白表达增加，减少IL-4、IL-5和IL-13等细胞因子表达及逆转ECM沉积，表明辛伐他汀可通过激活自噬，改善支气管哮喘小鼠的气道炎症及气道重塑。

支气管哮喘受转化生长因子-β(TGF-β)调节，过量的TGF-β可导致气道重塑并损伤肺功能[23]。TGF-β通过以下方式诱导气道重塑：①促进EMT，刺激上皮细胞分化成肌成纤维细胞，促进间充质细胞迁移到上皮下组织及ECM沉积，而上皮下细胞增殖可促使上皮下基质增厚，导致支气管壁纤维化；②参与微血管改变和黏液产生；③TGF-β作为先天性和适应性免疫反应的关键调节因子，过量TGF-β可抑制免疫反应，从而使患者病情恶化[23,24]。自噬可以控制支气管哮喘患者的慢性氧化应激水平和TGF-β介导的气道重塑。TGF-β可调节自噬并参与与纤维化、损伤反应相关疾病的发生与发展。McAlinden等[25]研究发现，TGF-β1以时间依赖性方式促进胶原蛋白A表达及TGF-β1信号转导通路下游信号分子Smad2/3磷酸化，并诱导气道平滑肌细胞自噬水平升高。因此，靶向自噬可以减轻气道中TGF-β诱导的纤维化反应，是治疗支气管哮喘的相关靶点之一。

3 支气管哮喘治疗中的自噬相关药物

Kim等[26]采用人鼻病毒(HRV1B)感染小鼠，结果发现自噬抑制剂氯喹和巴弗洛霉素A1可显著减弱布地奈德对感染小鼠的保护作用，表明激活自噬可促进布地奈德的抗病毒活性。因此，从自噬角度深入研究影响支气管哮喘的各个因素，对支气管哮喘的个体化治疗至关重要。根据自噬的不同阶段，针对自噬关键蛋白或配体研发自噬水平调控的小分子药物，对于哮喘的治疗具有广阔前景，该类药物主要有3-甲基腺嘌呤(3-MA)、巴伐洛霉素A1、羟氯喹(HCQ)。

3.1 3-MA 3-MA可抑制Ⅰ类PI3K及PtdIns3K的活性，特异性阻断自噬体形成，被广泛用作自噬抑制剂。Ran等[27]采用3-MA治疗支气管哮喘小鼠，结果显示3-MA可抑制小鼠气道炎症、气道高反应性和黏液分泌，其机制可能与抑制自噬有关。Silveira等[28]研究发现，3-MA可以减轻哮喘小鼠肺部嗜酸性粒细胞浸润、嗜酸性粒细胞过氧化物酶活性，从而减轻肺部炎症、氧化应激及线粒体损伤，可能成为治疗支气管哮喘新的替代药物。

3.2 巴伐洛霉素A1 巴伐洛霉素A1是空泡型H+-ATP酶的特异性抑制剂，靶向自噬途径的早期和晚期阶段，通过激活哺乳动物雷帕霉素信号靶标、解离Beclin 1-Vps34复合物以及阻断自噬溶酶体的方式，减弱功能性自噬[29]。目前，巴伐洛霉素A1治疗支气管哮喘的相关研究较少，不过其作为抗癌疗法的潜在靶标而逐渐被关注。巴伐洛毒素A1可抑制癌细胞的增殖和转移，Lu等[29]研究发现，巴伐洛霉素A1可抑制BEL-7402肝癌细胞系和HO-8910卵巢癌细胞系增殖、诱导细胞凋亡，并减弱细胞侵袭能力。Yuan等[30]研究发现，低浓度巴伐洛毒素A1能够有效抑制并杀死B淋巴细胞白血病细胞。哮喘患者支气管壁最显著的结构变化是气道平滑肌细胞增生和肥大，成纤维细胞大量增殖，巴伐洛毒素A1是否对哮喘支气管壁组成细胞增殖有抑制效果有待深入研究。

3.3 HCQ HCQ被认为是自噬通量抑制剂，通过增加溶酶体pH并阻断自噬溶酶体融合，导致自噬体的积累。Ban等[11]分离严重支气管哮喘患者外周血嗜酸性粒细胞，并采用雷帕霉素及IL-5诱导该细胞自噬，发现HCQ能降低细胞自噬、减轻炎症反应；该研究表明，HCQ可作为严重支气管哮喘的自噬抑制剂，但是该研究未能体现HCQ对重症支气管哮喘患者的有效性。McAlinden等[25]研究发现，氯喹(CQ)可显著降低支气管哮喘小鼠自噬蛋白Beclin-1、LC3、TGF-β1及胶原蛋白1A表达，表明CQ可通过抑制自噬的方式，减轻TGF-β1诱导的气道重塑，证明靶向自噬途径有望成为一种有效治疗支气管哮喘的新方法。

综上所述，自噬在哮喘的发病过程中可能既有保护作用，又有损害作用。但目前研究多倾向于自噬通过促进气道炎症、免疫反应以及气道重塑等机制参与支气管哮喘的发病。在支气管哮喘的治疗方面，部分自噬抑制剂可通过调节自噬通路来抑制气道炎症、气道重塑等减缓支气管哮喘的疾病进展。目前，靶向自噬过程的支气管哮喘药物研究仍以细胞及动物实验为主，临床实验相对欠缺。因此，针对自噬开展支气管哮喘的靶向治疗药物开发还需投入更多的研究。