磷酸二酯酶4D在COPD发生机制中的研究

韩丽娟 王潇 徐桂华 孙德俊

1内蒙古医科大学,呼和浩特010010;2国家卫生健康委慢阻肺诊治重点实验室 内蒙古自治区人民医院呼吸内科,呼和浩特010010

COPD 是一种常见的、可以预防和治疗的疾病,其特征是持续存在的呼吸系统症状和气流受限,原因是气道或肺泡异常,通常与显著暴露于毒性颗粒和气体相关。全球疾病负担研究显示,2015 年全球有1.74亿成年人患有COPD,约有330万人死于COPD[1]。据估计,到2030年,COPD 将由全球第4位死亡病因上升到第3位[2]。我国近一次 (2002～2004年)调查20 245名40岁或40岁以上的成年人,COPD 患病率为8.2% (男性患病率为12.4%,女性患病率为5.1%)[3]。此外,2015 年我国99.9万20 岁或以上成年人中,COPD 患者比例高达8.6%[4],表明COPD在年轻人中越来越普遍。因其发病率高、致残率高、病死率高等特点,成为世界公共卫生重大挑战[1-2,5-6]。

由于COPD 是一种多因素的复杂疾病,其发生、发展受到遗传因素和环境因素的共同影响。虽然近90%的COPD患者是吸烟者,但只有15%的吸烟者患上了临床意义上的COPD[7],表明吸烟引起的COPD 易感性在个体之间存在差异,与遗传因素密切相关。到目前为止,已有30多个候选基因被报道与COPD 有关。在一篇关于研究COPD潜在相关基因的文献中指出,位于第5号染色体上的磷酸二酯酶4D (phosphodiesterase 4D,PDE4D)与第1秒用力呼气容积 (forced expiratory volume in one second,FEV1)强相关,此外PDE4D 在最近的全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)中被发现还是哮喘易感基因[8]。

1 PDE4D的结构与功能

人类PDE4D 基因位于染色体5q12,全长150 kb,编码多个可选的剪接转录体,其作为磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)家族的一员,具有腺苷-3',5'-环化一磷酸 (cyclic adenosine monophosphate,c AMP)PDE活性,可以专一性水解c AMP 为5'-AMP,调控细胞内第二信使c AMP水平,定位于气道平滑肌和上皮细胞以及炎症细胞[9-10]。c AMP 作为多种细胞功能信号级联的第二信使,参与细胞增殖、凋亡和迁移等[11-12]多种细胞生命活动。c AMP信号通路激活能够抑制T 细胞的活化和增殖[13]、促炎症细胞因子产生[14]以及单核细胞和中性粒细胞合成[15-16]。气道平滑肌的松弛也受到c AMP 信号的控制[17]。已有研究表明,乙酰胆碱受体激动剂对PDE4D 基因缺失的小鼠气道的收缩作用丧失,同时暴露于外界病原体产生的气道高反应性丧失[18]。这些结果表明,PDE4D基因在维持气道c AMP稳态、胆碱能刺激以及气道高反应性的发展中起着重要作用。临床试验证实吸入抗胆碱能药物可广泛应用于COPD 治疗。因此,PDE4D 在COPD 的发病过程中起着重要的作用,探究PDE4D 抑制剂的治疗潜力,为针对单一PDE同工酶治疗COPD 的新策略提供了理论依据。

2 PDE4D在COPD中的研究

2.1PDE4D 参与COPD 炎症反应 COPD 与慢性炎症有关,主要影响肺实质和周围气道,造成很大程度上不可逆和进行性的气流限制。这种炎症的特点是肺泡巨噬细胞、中性粒细胞、T 淋巴细胞 (主要是T1细胞)和从循环中吸收的固有淋巴样细胞增多。同时,上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞,分泌的多种促炎症介质,例如细胞因子、趋化因子、生长因子和脂质介质增多[19]。c AMP 作为第二信使可广泛地抑制免疫和炎症细胞活性,而PDE4D 是c AMP主要的水解酶,在肥大细胞、嗜酸细胞、T 淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞等炎症细胞内均有表达,其活性与炎症细胞的活化,即炎性介质和细胞因子的合成和释放、氧自由基产生等有关[17]。

2.2PDE4D 参与黏液-纤毛损伤过程 呼吸道上皮纤毛长度和协同摆动在清除吸入病原体和异物过程中起着重要作用。纤毛生长是由环氧合酶1/2 合成的前列腺素E2 经Leakytail(LKT)/ATP结合盒转运蛋白 (ABCC4)转运至细胞外,结合纤毛膜上的前列腺素E 蛋白4受体,激活腺苷酸环化酶导致胞内c AMP的积累。通过c AMP-蛋白激酶A (protein kinase A,PKA)途径,最终导致IFT 正向转运速率上升并促进纤毛生长。纤毛从纤毛细胞的顶端延伸到纤毛周层,尖端到达气道管腔的黏液凝胶层,通过摆动清除病原体及异物以净化气道[20]。而PDE4D 表达下调c AMP会抑制纤毛生长依赖的c AMP-PKA 途径,从而影响纤毛生长和摆动。2018 年,Zuo等[19]发表的文章中指出,吸烟会上调PDE4D 的表达,从而促进气道上皮细胞中c AMP降解,进而可能导致COPD 的发生。Brekman等[21]的研究中,在气液界面培养基底细胞,并用香烟提取物处理,对纤毛长度进行定量分析证实了香烟提取物处理后的基底细胞纤毛度变短,之后利用慢病毒介导使FOXJ1在基底细胞过表达,结果显示FOXJ1在体外可阻止香烟提取物导致的纤毛变短。

2.3PDE4D 基因多态性与COPD 相关性 尽管近些年人们逐渐认识到基因对于研究和治疗COPD 的重要性,但仍然只有少数的COPD 相关风险基因被发现和提出。Yoon等[22]的研究,对102例COPD 患者和544名正常人进行了全基因组SNP基因分型及关联分析,并对一组较大的被试者 (173例和171例对照)进行了一次独立的SNP重复试验。最终确定一个SNP 位点 [rs16878037 (c＞t),P =1.66或10-6]与COPD 相关,并分析了SNP与COPD 亚组的相关性。现阶段的PDE4D 基因多态性研究仍存在一定的局限性,因为收集的受试者集中病例较少,很可能忽略了一些显著的SNP位点,还需有大规模的研究证实与COPD相关的PDE4D 基因多态性。

2.4PDE4D 的药物研究 PDE4D 是PDE4 的一种亚基,目前仍没有针对PDE4D 的特异性抑制剂,而PDE4抑制剂在临床已有广泛应用,其作用机制是抑制各种炎症细胞内超氧化物的生成,抑制单核细胞和巨噬细胞中的肿瘤坏死因子的释放,降低内皮细胞的通透性和细胞黏附分子的表达,通过抗炎、免疫调节和舒张平滑肌的作用治疗COPD[23]。

现阶段的PDE4抑制剂主要分为非选择性抑制剂和选择性抑制剂。非选择性抑制剂茶碱,在高浓度范围可抑制PDE4的活性,临床治疗剂量则没有此功能。2010 年 《全球慢性阻塞性肺疾病倡议指南》建议,在没有其他支气管扩张剂或者其他支气管扩张剂无效的情况下,虽然茶碱能有效的扩张支气管,但是茶碱的一些不良反应如中枢神经刺激、心律失常和利尿效应也与其腺苷受体拮抗作用相关[24]。第一代选择性的PDE4抑制剂是洛利普兰,由于会引起严重的胃肠道不良反应限制了其临床应用,在后续研究中通常作为阳性对照药来使用;第二代PDE4选择性抑制剂是苯甲酰胺类如罗氟司特[25],这是第一个通过美国食品药品监督管理局批准上市的PDE4抑制剂,其在低浓度水平下就可发挥选择性的PDE4抑制作用。罗氟司特除对PDE4C抑制作用较低外,对PDE4A、PDE4B、PDE4D 的抑制作用相当。罗氟司特进入机体后在细胞色素酶的作用下会转化为罗氟司特N-氧化物,其抑制作用90%是由罗氟司特N-氧化物产生的,10%是由罗氟司特本身产生的,能有效降低肺部炎症、抵抗氧化应激、增强黏膜的清除能力和气道的重塑[26];第三代PDE4选择性抑制剂西洛司特主要通过调节胞内促炎和抗炎因子发挥作用,应用于临床上对沙丁胺醇无效的COPD 患者。但是,临床上PDE4抑制剂有较严重的胃肠道不良反应,会降低患者依从性。因此,如何在抑制PDE4的同时,减少不良反应的发生成为PDE4抑制剂用药有待解决的问题。

3 小结

COPD 发病机制至今尚未完全清楚,但可以肯定的是其是环境与遗传共同导致的结果。吸烟是COPD 发病的重要危险因素,其导致炎症机制在COPD 发生、发展中占主要地位。全外显子测序已经证实PDE4D 表达在健康人群与COPD 患者中存在差异,但是关于PDE4D 导致COPD 发病原因的详细研究较少。因此,进一步探究PDE4D 水解c AMP参与COPD 发生、发展的详细机制,为寻找新的更有效的治疗策略提供理论依据。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突