肺泡表面活性物质特点及功能研究进展

王 瑛 姚晓光 李南方 努尔古丽

一、肺泡表面活性物质的组成

在生物化学上，肺泡表面活性物质由大约90%的脂质和10%的蛋白质组成。主要的磷脂是完全饱和的二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)，还包含不饱和的磷脂酰胆碱(PC)、阴离子磷脂酰甘油(PG)和磷脂酰肌醇(PI)。天然肺表面活性剂还具有4种表面活性剂蛋白SP-A、SP-B、SP-C和SP-D。大分子亲水性蛋白质SP-A和SP-D是宿主防御蛋白质的钙依赖性碳水化合物结合聚集蛋白家族的成员[1]。又同属于C型凝集素家族成员，称为胶原样凝集素家族。两种疏水蛋白SP-B和SP-C在DPPC的吸附和扩散中起关键作用，并有助于维持肺的稳定性。SP-A和SP-D一级结构从N端到C端依次为富含半胱氨酸的N端末端交联结构域、重复表达Gly-X-Y的胶原结构域、ɑ螺旋状的颈结构域及碳水化合物识别结构域。SPD的胶原样结构域比SP-A的胶原样结构域大得多，并且直接连接到CRD结构域额外区域。它们编码在人类第10号染色体上。SP-A(SFTPA1和SFTPA2)有两个基因，SP-D(SFTPD)有1个基因。SP-B和SP-C分别在人染色体2和8上编码，并作为大的前体蛋白proSP-B和proSP-C，随后在空气中被蛋白水解加工成SP-B和SP-C的成熟形式。SP-B和SP-C对于调节表面活性物质膜的形成和稳定性至关重要，而SP-A和SP-D则与先天免疫和炎性反应密切相关。SP-D也可能参与维持表面活性物质代谢和肺内稳态[2]。SP-A、SP-B和SP-D都已经在胃肠道中检测到。相反，SP-C似乎是一种独特的极端蛋白质结构和稳定性，并且完全存在于肺中。

二、正常肺泡中表面活性物质的生产和再循环

在正常肺泡中，肺表面活性物质在Ⅱ型肺泡上皮细胞的内质网中合成，然后被运输并储存在细胞质内的层状体。这些层状体迁移与质膜融合，然后释放到肺泡内的空气-液体界面，一旦从Ⅱ型肺泡细胞中分泌出来，层状体内的磷脂细胞外池就会转变成排列在肺泡表面的薄膜[3]。层状体随后形成称为管状髓磷脂的表面活性剂中间管状阶段，磷脂吸附并在空气和液体之间的界面形成晶格结构，其最终产生功能性涂层，表面活性剂蛋白也参与涂覆过程。表面活性剂的循环通过小囊泡的内吞作用发生，重新结合在层状体中，然后再重新分泌。表面活性剂代谢的改变可以在以上任何步骤中发生。肺泡表面活性剂水平受到Ⅱ型肺细胞分泌(产生和释放)和Ⅱ型细胞与巨噬细胞清除(重新摄取、切断或降解)两者之间的严格平衡调控[4]。

三、肺泡表面活性物质的功能特点

1.SP-A与SP-D：SP-A和SP-D是凝集素蛋白并赋予先天免疫，因为它们具有碳水化合物识别结构域，允许它们覆盖细菌和病毒，促进巨噬细胞的吞噬作用，这有助于维持肺部的发育[5]。SP-A是SP中含量最丰富的一种，有助于形成水性表面活性剂聚集体，包括管状髓磷脂，从而调节表面活性剂的回收和分泌[6]。一些体外研究已经确定了SP-A在肺部中的重要功能，例如管状髓鞘的形成，脂质表面吸附速率的提高，防止表面活性剂的生物物理特性的失活，血浆和表面活性剂的各种免疫功能的调节[7]。SP-A增强了肺泡巨噬细胞对细菌和病毒的吞噬作用，其中内吞摄取主要通过网格蛋白包被的凹坑途径，并且需要肌动蛋白的参与来帮助SP-A转移[8]。

SP-D的一个主要作用是聚集和增强微生物和濒死宿主细胞的吞噬作用。SP-D与微生物表面上的寡糖或脂质结构结合，从而通过调理作用和吞噬作用促进微生物消除。此外，SP-D通过增强凋亡细胞和DNA的清除以及诱导T细胞增殖来发挥抗炎活性[9]。SP-D主要由肺Ⅱ型肺泡细胞和Clara细胞表达和分泌，但也有报道在其他黏膜表面，如呼吸道、消化道、生殖道、泌尿和血管上皮及腺体的外表面或腔表面[10]。体外研究的大量数据表明SP-D调节免疫细胞、上皮细胞、纤维细胞和光滑肌细胞的功能。在没有炎症的情况下，SP-A和D可通过与SIRPα结合抑制肺泡巨噬细胞的吞噬功能，从而改变其下游信号效应物的活性[11]。此外，髓过氧化物酶(MPO)作为SP-D的配体在晚期凋亡嗜中性粒细胞上被结合[12]。

2.SP-B与SP-C：在4种SP中，两种疏水蛋白SP-B和SP-C在DPPC的吸附和扩散中起关键作用，并有助于维持肺的稳定性。SP-B所属的鞘脂激活蛋白样蛋白家族(SAPLIP)是一组高度同源的膜相互作用蛋白，具有显著的α-螺旋构象与脂质相互作用。激活可调节表面活性物质分泌的受体和通道，从而在肺泡空域建立高度传导的膜网络[13]。进一步稳定管状髓磷脂。其中，在Ca2+的存在下，SP-B可提高吸附率来加速在空气-水界面形成由磷脂组成的表面活性膜，使得磷脂和SP-B的混合物显示与全肺表面活性剂几乎相同的生物物理性质[5]。SP-C的主要功能是保持脂质的生物物理表面活性。层状体(LB)与ATⅡ细胞通过吸气期间肺泡的机械拉伸分别促使胞质钙浓度和胞外ATP浓度升高，随后SP-B通过ATⅡ细胞释放的ATP来介导P2Y2嘌呤能受体，从而促使Ca2+依赖性表面活性剂分泌。而SP-A通过激活ATⅡ细胞中的PI3K来抑制表面活性剂特异性受体SPAR的分泌。上述表明肺表面活性剂通过SP-B诱导和SP-A抑制活性的协同作用调节其自身分泌。另外，编码内质网膜复合物亚基的基因-EMC3缺失会破坏SP-B和SP-C以及磷脂转运蛋白(ABCA3)的合成和包装、层状体的形成，并导致错误折叠膜蛋白的积累和未折叠蛋白反应(UPR)的诱导。其中SFTPB缺乏抑制磷脂包装到LB中并导致proSP-C的错误加工。SFTPB和SFTPC突变产生错误折叠的蛋白质并诱导UPR，引起ATⅡ细胞损伤[14]。因此，稳定SP-B、SP-C和ABCA3蛋白的正常加工和运输需要EMC3，这是表面活性剂功能所必需的物质。

SP-B的转录部分由两部分重要的转录因子决定，甲状腺转录因子-1(TTF-1)和肝核因子-3(HNF-3)，SP-A增加了Ⅱ型细胞中的SP-B基因转录。研究发现SP-A增加了核TTF-1的酪氨酸磷酸化与丝氨酸磷酸化，TTF-1磷酸化被发现是重要的转录激活因子，TTF-1和SP-B启动子活性的增加以及同源识别元件的结合，表明这些转录因子的蛋白激酶活性可能被SP-A处理激活[6]。转录因子和类固醇可以调节表面活性物质的合成。并且SP-A诱导的HNF-3b磷酸化与细胞凋亡有关，笔者发现SP-A对磷酸化的TTF-1、HNF-3a和HNF-3b的定位具有明显的影响。

3.脂质：表面活性剂脂质主要抑制免疫功能。在正常条件下大量存在的磷脂成分已被证明可抑制各种淋巴细胞和巨噬细胞的免疫功能，但表面活性剂多不饱和磷脂很容易受到氧化改变[15]。肺表面活性物质中棕榈酰 - 油酰磷脂酰甘油(POPG)和磷脂酰肌醇(PI)，拮抗TLR2和4的同源配体激活，因此在促炎信号转导途径的起始步骤起到了关键作用。ABCA3可以将多种磷脂物质向内转运到AT2细胞的LB中，并且还可能与胆固醇摄入其他区域相关[16]。

四、肺泡表面活性物质与疾病

1.SP-A、SP-D与疾病联系：SP-A和SP-D与包括呼吸窘迫综合征、支气管肺发育不良、过敏性哮喘和慢性阻塞性肺病在内的呼吸系统疾病有关。SP-A缺乏会增加细菌和病毒对肺部感染的易感性。有研究发现SP-A和Toll样受体(TLR)4之间的相互作用区域称为SPA4肽，在宿主防御中起关键作用。有研究证明SPA4肽的治疗性给药减少了细菌负荷，炎性细胞因子和趋化因子(MCP-1、MIP-2和KC)，细胞内信号转导(MYD88和TRIF)，并减轻了铜绿假单胞菌感染小鼠的肺水肿和组织损伤[17]。同样的，SP-D缺乏可导致自发性肺气肿改变和肺泡纤维化的发展，尤其在控制肺部炎症方面具有至关重要的作用。过敏性哮喘患者肺泡灌洗液中SP-D水平升高，而在重度哮喘患者中血清SP-D增加并且富含SP-D分解产物。基础研究已经证明了介于SP-D和T辅助细胞(Th2)介导的炎症之间的关系[18]。在COPD中恶化期间相比于稳定期循环SP-D水平升高[19]。同时，SP-D已被证明在各种非肺部器官中发挥抗菌和抗炎作用，并且对血管壁中的脂质代谢和促炎作用具有影响，这种现象增加了动脉粥样硬化的风险[10]。此外，SP-D也被认为能够结合多种吸入性病原体，并且可以结合糖类以及脂质和核酸，具有广泛的特异性，以启动吞噬作用。有研究发现，肺损伤是晚期糖尿病并发症的新靶点，而血清SP-D浓度可以作为检测2型糖尿病合并肺损伤的有用标志物[20]。

2.SP-B、SP-C与疾病联系：关于SP-B缺陷的研究揭示了严重的肺部疾病，其中，高度多态的SFTPB的内含子4区域的重组变异与肺癌、ARDS、COPD的风险以及新生儿RDS风险的增加和降低都有关联[21]。而在SP-C蛋白中，SFTPC突变被认为会导致Ⅱ型肺泡细胞中细胞质量控制通路(内质网和高尔基体)内积累错误折叠的proSP-C从而激活细胞应激反应和随后的细胞损伤和细胞凋亡，这主要是因为内质网应激是多种器官纤维化发病机制中公认的途径[22]。因此，SFTPC突变患者的肺组织病理学属于间质性肺炎范畴，各种诊断主要基于成人间质性肺病的分类。最近的一项研究报道了OSA的严重程度与血清表面活性蛋白B呈负相关，其中缺氧和通气不足影响血清SP-B水平，这种现象可能的原因是夜间频繁肺换气不足继发呼吸泵肌肉(隔膜)活动减弱从而抑制了Ⅱ型肺泡细胞分泌[23]。在COPD患者中，编码SP-B的基因多态性以及修饰的蛋白SP-B与COPD的易感性以及COPD急性加重的频率相关[19]。与表面张力密切相关的物质可能对于肺泡功能作用的发挥更加重要，结合上述研究可见，SP物质在多种疾病中都具有不同的改变，因此，在往后的肺部及其他相关肺损伤疾病研究中，应该进一步考虑肺泡表面活性物质与疾病程度及改善之间的相关联系。

3.ABCA3与疾病联系:ABCA3突变是婴幼儿急性和慢性肺病最常见的单基因原因，新生儿肺部疾病也可能由于编码ABCA3基因的突变而发生，从而影响表面活性物质脂质向层状体的转运[24]。ABCA3位于层状体的限制性膜中，介导磷脂(主要是PC和PG)向细胞器中的转运，ABCA3缺失后，肺泡PC和PG降低。ABCA3相关的肺功能障碍与表面活性物质缺乏，炎症和肺泡毛细血管渗漏有关。广泛并完全缺失的ABCA3引起肺泡损伤和炎症，在再生过程中，M2样巨噬细胞被募集到Ⅱ型肺泡细胞增殖部位，并存在于由ABCA3突变引起的严重肺部疾病患者的肺组织中[25]。常见的ABCA3包括：Ⅰ型突变，导致蛋白质错误折叠和转运蛋白的异常细胞内运输；Ⅱ型突变位于转运蛋白的催化结构域内或附近，通常被转运到LB或溶酶体，并因此导致ATP水解的功能缺陷使得脂质转移受损；Ⅲ型突变是复合杂合子(具有Ⅰ型和Ⅱ型突变)并且经常表现出更严重的表型[16]；ABCA3中的常染色体突变导致婴儿和儿童严重的肺部疾病，并且它们是新生儿呼吸衰竭最常见的遗传原因。因此，在一些确切疾病病因中未来纳入靶向治疗或者基因敲除也许是一种更有效的治疗办法。

五、展 望

综上所述，表面活性物质的病理生理学作用首先在患有呼吸窘迫综合征和透明膜病的早产儿中得到了体现，现在这种情况通常用外源性表面活性物质替代物来进行治疗。从动物实验到临床研究，肺泡表面活性物质在肺损伤后的恢复发挥着至关重要的作用。随着对表面活性物质的深入研究，多种肺部疾病的相关发病机制也有了新的进展，但是在临床研究中对于慢性肺部损伤、肺泡表面活性物质的应用途径与临床价值方面尚存在一些争议。随着进一步探索，在往后肺部慢性损伤及其他相关肺损伤疾病的治疗探索研究中，肺部表面活性物质替代疗法也许会是一种有效的针对性治疗方法。同时，针对遗传和环境因素导致的许多疾病(包括ABCA3相关疾病)表型变异的现象。笔者应进一步探讨这是以何种特异性方式引起细胞/肺损伤以及这些物质对于维持细胞稳态的相关机制，从而增强理解疾病病因学和发展治疗策略。