巨噬细胞自噬在慢性阻塞性肺疾病中的作用

袁关利 刘银凤 王晓彤 孟爱宏

1河北医科大学第二医院呼吸与危重症医学科,石家庄050000；2秦皇岛市第一医院乳腺外科066000

袁关利现在秦皇岛市第一医院急诊科066000

COPD是由于气道和/或肺泡的异常所致,通常是由于大量接触有害颗粒或气体并受宿主因素的影响[1]。目前COPD 的发病机制普遍受到认可的主要有蛋白酶-抗蛋白酶假说、氧化-抗氧化系统失调、炎症反应、免疫因素、细胞凋亡等。巨噬细胞通过分泌炎症因子及蛋白酶、诱导氧化应激、吞噬清除微生物和凋亡细胞等在COPD 中起着重要的作用[2]。自噬影响着巨噬细胞各种功能,本文总结了巨噬细胞自噬对COPD 影响的研究进展,为防治COPD 提供一个新思路。

1 巨噬细胞在COPD中的作用

巨噬细胞在维持肺内稳态、免疫监视、微生物和细胞清除等方面起重要作用[3]。肺气肿患者巨噬细胞定位于肺泡壁破坏的部位,肺实质中的巨噬细胞数量与肺气肿的严重程度相关[4]。巨噬细胞通过产生多种促炎介质,包括趋化因子、细胞因子、蛋白酶、活性氧 (reactive oxygen specices,ROS)中间体、活性氮中间体促进肺损伤[5]。巨噬细胞参与蛋白酶-抗蛋白酶失衡,可以产生基质金属蛋白酶[6-7]。这些酶可以破坏肺泡壁结构,最终发展为肺气肿[8]。COPD 患者的巨噬细胞对病原体的吞噬功能存在障碍[5],同时COPD 患者肺泡巨噬细胞MHCⅠm RNA 表达降低[9]。免疫应答的减弱增加COPD 的慢性感染和恶化。

2 自噬在COPD中的作用

自噬是维持细胞稳态的重要机制。自噬通过维持代谢平衡,降解损伤的细胞器、错误折叠蛋白、病原体等方式促进细胞存活。过度的自噬也会导致细胞死亡。自噬分为3种类型：大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬。自噬参与到肺部病原体的感染、气道炎症、细胞凋亡、纤毛功能、氧化应激、肺衰老、肺气肿等过程,影响COPD 的发生、发展[10]。

3 自噬通过影响巨噬细胞功能影响COPD

3.1 自噬影响巨噬细胞极化 巨噬细胞可极化为不同表型,包括M1型和M2型。M1型巨噬细胞被激活后释放促炎细胞因子。M2 型起到促进组织重塑和对抗炎症反应的作用。二十二碳六烯酸可以通过增强自噬使U937细胞M2巨噬细胞标志物的上调[11]。自噬基因Atg5缺陷的小鼠骨髓巨噬细胞被脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS)处理后M1标志物较正常细胞明显升高；诱导M2极化的IL-4和IL-13处理发现其向M2的极化明显减少,这说明自噬缺陷可促使骨髓巨噬细胞M1极化,抑制M2极化[12]。高血糖条件下线粒体功能障碍抑制自噬通量,使巨噬细胞向M1型分化[13]。

也有相反的结论,在糖尿病中,晚期糖基化终产物诱导的自噬通过刺激巨噬细胞向M1的极化对伤口愈合产生负面影响[14]。自噬通过ROS/细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和m TOR信号通路抑制异丙肾上腺素诱导的M2巨噬细胞极化[15]。3.2 自噬影响巨噬细胞炎症因子释放 自噬对巨噬细胞炎症因子释放同样起重要作用。白三烯B4受体1拮抗剂通过增加香烟烟雾诱导的巨噬细胞中转录因子EB 的表达增强自噬表现出抗炎作用[16]。小鼠腹腔巨噬细胞中,α芒果碱诱导自噬,抑制内毒素刺激的NLRP3 炎症小体的激活以及IL-1β的产生[17]。肺炎克雷白杆菌处理巨噬细胞,Atg7缺陷可促进p-IκBα与泛素的结合,促进核因子κB 入核,进而促进肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)的释放[18]。Atg5基因缺陷小鼠巨噬细胞IL-1β分泌水平升高,可能是因为自噬缺陷的巨噬细胞NLRP3 炎症小体活性增加[19]。Anx A2 基因缺失通过Akt1-m TORULK1/2途径损伤铜绿假单胞菌诱导的巨噬细胞自噬,促进炎症因子释放[20]。低浓度LPS刺激下,Atg7 缺陷小鼠巨噬细胞产生更多的TNF-α和CXC 趋化因子配体2,提示Atg7缺陷的巨噬细胞对LPS刺激更加敏感,即自噬损害降低了肺中LPS的反应阈值[21]。

然而也有相反结论,即自噬对炎症因子的释放起促进作用。降植烷可增强巨噬细胞自噬,低表达自噬的正向调控基因BECN1 后,降植烷处理的小鼠血清内TNF-α 和IL-1β表达减少[22]。重组人精氨酸Ⅰ通过抑制自噬显著降低用LPS 和γ-干扰素激活的巨噬细胞中IL-6 和TNF-α水平[23]。

磷酸化丁酸盐反应因子1 (butyrate response factor1,BRF1)可以抑制LPS诱导的巨噬细胞自噬和炎症因子产生,同时抑制ERK 的磷酸化,但BRF1和自噬抑制剂共同作用于LPS诱导的巨噬细胞时自噬反而增强,炎症因子产生增加,可能是自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤抑制PI3K 通路,使ERK 通路激活所致；ERK 抑制剂和BRF1同时作用于LPS诱导的巨噬细胞时,自噬未被抑制,而炎症因子产生增加[24]。这说明自噬与炎症因子产生之间信号通路复杂。

3.3 自噬对巨噬细胞吞噬清除能力的影响 香烟烟雾可损伤巨噬细胞对铜绿假单胞菌的吞噬清除能力,使巨噬细胞自噬受损,而诱导自噬可以恢复其吞噬能力[25]。Wnt5a可以激活自噬,增强巨噬细胞对铜绿假单胞菌的清除[26]。IL-17A 和IL-17F可以激活巨噬细胞自噬,促进其对土壤分枝杆菌的清除[27]。重组人精氨酸Ⅰ通过抑制自噬显著降低用LPS和γ-干扰素激活巨噬细胞吞噬功能[23]。高碳酸可以增加巨噬细胞Bcl-2基因和Bcl-XL 的表达,并促进其对自噬蛋白Beclin1的结合抑制自噬,抑制巨噬细胞对细菌的杀伤[28]。巨噬细胞在吞噬凋亡细胞后自噬被激活,用3-甲基腺嘌呤抑制自噬后对凋亡细胞的吞噬减弱[29]。

上述研究表明自噬可以增强巨噬细胞对病原体或凋亡细胞的吞噬和清除,然而也有研究表明增强自噬损害巨噬细胞对病原体的吞噬和清除。铜绿假单胞菌诱导巨噬细胞自噬,可以抑制吞噬受体的表达以抑制其吞噬作用,并减少ROS和活性氮的产生以减弱巨噬细胞对吞噬细菌的杀伤[30]。耐甲氧西林金葡菌感染巨噬细胞后,巨噬细胞自噬上调,吞噬和清除能力减弱；而抑制自噬后巨噬细胞的吞噬和清除能力增强[31]。

因此自噬对巨噬细胞的吞噬和清除细菌的作用尚存在争议,因为适当的自噬是细胞的适应和存活机制,而过度的自噬会损伤细胞,所以自噬对巨噬细胞作用的不同可能是诱导时间、诱导物和自噬的诱导程度不同所致。其机制尚需进一步研究来明确。

3.4 自噬对巨噬细胞抗原提呈能力的影响 自噬可将巨噬细胞内的病原体,包裹在自噬小体中传递到溶酶体降解,降解产物可整合到MHCⅡ类分子进行抗原呈递,同时自噬也与MHCⅠ介导的抗原交叉呈递有关[32]。自噬相关基因的缺失促进了MHCⅠ类分子的内化,改善内源性抗原的提呈,但是抑制了对CD8+T 细胞的交叉呈递；LC3 相关吞噬作用通过调节MHCⅡ类呈递的内吞抗原处理,支持抗真菌、自身免疫和调节CD4+T 细胞反应[33]。氧化低密度脂蛋白通过诱导自噬增加MHCⅡ类分子,提高特异性抗体提呈给CD4+T 细胞效率[34]。从以上研究可以看出自噬相关蛋白在巨噬细胞的抗原提呈中起着重要作用,影响适应性免疫。

3.5 自噬对巨噬细胞凋亡的影响 适度自噬在维持细胞内稳态方面具有重要意义,而过度自噬可能导致细胞死亡。巨噬细胞缺氧早期,诱导自噬可增强巨噬细胞活力,减少巨噬细胞凋亡[35]。LPS诱导的尘肺患者肺巨噬细胞自噬通量受阻,自噬小体增加,进一步使Bcl-2 水平降低,Bax、裂解半胱氨酸蛋白酶3水平升高,导致凋亡[36]。有机硫复合物抑制m TOR 磷酸化活性诱导自噬,维持细胞质量,保护巨噬细胞免于凋亡[37]。氧化低密度脂蛋白暴露促进巨噬细胞p62积累以及脂质沉积,积累的p62进一步抑制自噬,导致细胞死亡[38]。

然而也有研究表明自噬促进巨噬细胞凋亡。在肠缺血/再灌注诱导的肺损伤中,补体5a受体在肺泡巨噬细胞中表达上调,肺损伤时产生的补体5a与受体结合,启动下游信号促进自噬,导致肺泡巨噬细胞凋亡[39]。系统性红斑狼疮小鼠中,Toll样受体7 通过Notch1-Hes-1 信号途径上调p62表达,增加自噬依赖性细胞死亡[40]。

3.6 自噬对巨噬细胞氧化应激的影响 巨噬细胞中自噬和氧化应激相互影响,氧化应激可以诱导自噬,适度自噬可以对抗氧化应激,自噬抑制和过度氧化应激造成细胞死亡。PM2.5暴露可以通过氧化应激介导的PI3K/AKT/m TOR 途径诱导肺巨噬细胞自噬[41]。小鼠巨噬细胞暴露于高效氯氰菊酯,用自噬激动剂雷帕霉素共同处理,可以部分阻断线粒体功能障碍和氧化应激[42]。增强自噬可以通过减少巨噬细胞中的ROS 和NO 生成来抑制胞内细菌的杀伤[30]。Atg5基因缺陷导致自噬受损,ROS产生增加[43]。薯蓣皂苷触发巨噬细胞自噬可以减少SiO2颗粒诱导的线粒体ROS产生[44]。诱导肺泡巨噬细胞自噬可以增强超氧化物歧化酶活性,抑制自噬超氧化物歧化酶活性降低[35]。巨噬细胞的自噬抑制伴随着线粒体膜电位的下降,其下降与自噬抑制相结合导致细胞ROS显著升高[45]。可见巨噬细胞中自噬与氧化应激关系密切,它们相互作用,共同影响巨噬细胞稳态。

3.7 巨噬细胞自噬与蛋白酶-抗蛋白酶失衡 氧化低密度脂蛋白阻断了巨噬细胞自噬通量,导致p62 聚集,p62 通过依赖核因子κB信号参与MMP-9表达[46]。而吸烟者巨噬细胞同样存在自噬通量受阻[47]。薯蓣皂苷可以通过增强自噬来减少SiO2 诱导的巨噬细胞中MMP-9 和MMP-12 的产生[44]。

4 COPD基于自噬的治疗

半胱胺既可抗氧化又有诱导自噬的功能,在香烟烟雾通过ROS介导的自噬损伤诱导的支气管上皮细胞凋亡和衰老中起到治疗作用[48]。吉非罗齐可通过诱导转录因子EB激活而激活自噬,进而控制炎症、氧化应激、凋亡及因此产生的COPD-肺气肿[49]。S-亚硝基谷胱甘肽通过改善香烟烟雾诱导的获得性囊性纤维化跨膜传导调节因子功能障碍、自噬损伤、慢性炎症-氧化应激来控制COPD-肺气肿[50]。基于自噬的治疗可能是应对COPD 的一种新的思路,通过进一步研究有望对COPD 的治疗起到积极作用。

5 小结

COPD 是一种亟须解决的全球性疾病,其发病机制尚不完全明确。自噬可能通过影响巨噬细胞的极化和炎症因子分泌进而影响COPD 的炎症反应；可能通过影响巨噬细胞的吞噬清除作用和抗原提呈进而影响COPD 中的免疫反应；可能通过影响巨噬细胞的基质金属蛋白酶的分泌参与COPD 中的蛋白酶-抗蛋白酶失衡。另外自噬还可能通过影响巨噬细胞的凋亡和氧化应激对COPD 产生重要影响。因此进一步研究巨噬细胞自噬可能对COPD 的影响非常重要,有望为COPD 治疗提供新的途径。

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