氧化应激机制在支气管哮喘中的研究进展

王斐 车春莉

支气管哮喘是一种以气道高反应性(AHR) 、黏液高分泌、气道重塑为特征的慢性气道疾病,受环境和遗传因素的复杂影响,其发病机制尚未完全阐明，包含:免疫-炎症反应机制、神经机制、气道高反应机制等[1]。其中，气道慢性炎症是支气管哮喘的本质，并且已有充分文献记载Th2细胞在哮喘发病机制中的核心作用[2]。近年来，随着对于氧化应激机制的深入研究，发现氧化应激是支气管哮喘慢性气道炎症的一个重要组成部分，与疾病严重程度有关，并且在激素不敏感的哮喘患者中，起着至关重要的作用[3]。在支气管哮喘中，慢性炎症和活化的气道上皮细胞的氧化损伤等来源，增加了氧化剂的生成，同时抗氧化防御能力降低，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和过氧化氢酶等，造成呼吸系统氧化和抗氧化的不平衡，这种氧化应激失衡，可导致组织损伤、气道炎症加重、气道高反应增强等一系列病理生理改变[4]。综合大量文献，我们将氧化应激机制及在支气管哮喘中的研究进展做一综述，以期能够阐明支气管哮喘与氧化应激的关系，及当前的研究进展，为后续可能的哮喘抗氧化治疗提供理论基础。

氧化应激机制的介绍

氧化应激是由于活性氧(ROS)，如超氧自由基、过氧化氢、次氯酸和羟基自由基的增加而导致体内氧化水平超过抗氧化防御而发生的损害[5]。是一种活性氧和抗氧化剂之间不平衡的状态。

一、活性氧的生成

细胞内ROS生成的三个主要来源是氧化代谢、氧化爆发(或呼吸爆发)和暴露于多种环境因素，如臭氧、PM2.5及香烟烟雾等。其中，线粒体氧化代谢是细胞内ROS产生的主要来源，而在先天性免疫系统激活过程中，氧化爆发成为了形成ROS的主要来源[6]。不管哪种方式下形成的ROS，都可能与细胞内的几个生物分子发生反应，诱导ROS依赖的表观遗传修饰和翻译后修饰，从而对细胞功能产生影响或触发免疫反应。翻译后修饰的分子可以激活toll样受体(TLR)信号通路和NLRP-3炎症小体，从而增加IL-1、IL-6、TNF 和IL-18等的表达，这些细胞因子和趋化因子，反过来激活先天免疫系统，增强ROS的产生[7]，形成了一个正反馈系统。

二、抗氧化防御

在ROS不断生成的情况下，对抗ROS的第一道防线的抗氧化剂的作用就显得尤为重要，抗氧化剂可以对抗氧化应激的破坏作用，进而维持机体氧化抗氧化系统的平衡，主要通过分解或清除活性氧来防止氧化应激，分为两大类:酶类和非酶类。酶类抗氧化剂主要包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶。其中过氧化氢酶存在于肺泡和肺间质，也存在于血管和气道中，帮助将强氧化剂过氧化氢(H2O2)转化为H2O，从而帮助降低系统氧化水平[6]。近年来，也发现血红素氧合酶-1、硫氧还蛋白、过氧化物酶和谷氧还蛋白参与了抗氧化防御机制。非酶类抗氧化剂在对机体的抗氧化中亦起着重要作用，主要包括维生素C和E、β胡萝卜素、尿酸、谷胱甘肽、白蛋白和三肽L- 3 -谷氨酰-L-胱氨酸-L-甘氨酸等[8]。除此之外，近年来的文献中指出铜蓝蛋白(CP)是在肝脏合成，属急性时相反应蛋白，在支气管哮喘患者中是升高的[9]。一方面CP自身可调节机体免疫，且具备抗氧化作用，另一方面可与髓过氧化物酶(MPO)结合形成复合物进而改变 MPO 构象，间接抑制活性氧形成，两方面共同作用起到抗氧化作用。H2S是一种有毒气体，最近的研究发现H2S通过增加谷胱甘肽的生成、维持抗氧化剂CuZnSOD构象的稳定性、抑制 NADPH氧化酶活性减少ROS的产生参与氧化应激[10]，是一种有潜力的抗氧化剂。

一旦这种氧化与抗氧化的平衡被打破，氧化应激产物增加，这些被激活的介质均可导致支气管上皮细胞结构和功能的改变，增加组织破坏和炎症表达，增加黏液分泌，增加气道高反应性及诱导气道平滑肌收缩[11]，加剧哮喘的恶化，影响患者的生活质量。

支气管哮喘与氧化应激机制

一、支气管哮喘中ROS的来源

ROS的产生是线粒体、细胞色素P450系统、过氧化物酶体和炎症细胞内正常细胞代谢的结果[12]，在正常条件下，ROS作为信号分子来调节生理过程。然而，在支气管哮喘中，ROS的过量产生会导致脂质过氧化、修饰蛋白和氧化性DNA损伤，损害多个细胞器并影响其功能，加重患者的严重程度，这可能与哮喘患者的过敏反应和炎症级联反应有关。支气管哮喘中ROS的主要外部来源包括空气污染、花粉、香烟烟雾和过敏原暴露后进入气道的炎症细胞。而内部来源包括线粒体功能障碍和代谢因素，如肥胖/代谢综合征等[13]。一方面内源性和外源性活性氧(包括超氧、活性氮和氢)均会增加气道炎症，是哮喘严重程度的关键决定因素[14]。另一方面气道中活化的炎症细胞产生活性氧，反过来干扰体内蛋白质、脂质和DNA的表达，从而导致氧化应激，且通过引起气道平滑肌细胞损伤，导致其过度收缩及降低气道上皮细胞修复氧化应激损伤的能力，导致哮喘控制不良[15]。

二、支气管哮喘与氧化应激

支气管哮喘是多种细胞成分参与的慢性炎症性疾病，特别是嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和肥大细胞通过不同的机制参与到氧化应激中。其中，嗜酸性粒细胞在接触病毒和过敏原时产生ROS，同时释放出嗜酸性粒细胞过氧化物酶(EPO)参与氧化应激[16]；而研究发现在人类中性粒细胞性哮喘中，NOX4(NADPH氧化酶4)过表达能够促进氧化应激，从而导致哮喘患者气道平滑肌过度收缩[17]；CaMKII(钙调蛋白激酶II )是一种广泛表达的多功能丝氨酸/苏氨酸激酶，在哮喘患者的支气管上皮中存在氧化性活化的CaMKII，可通过促进肥大细胞聚集和炎症导致哮喘[18]。

众所周知，在支气管哮喘中，机体缺氧是最重要的一个表现，由于氧的缺乏，黄嘌呤氧化还原酶(XOR)的表达、蛋白质丰度和酶活性上调，随着XOR的升高，可导致活性物质形成速率显著提高，特别是过氧化氢和超氧化物。这些活性物质会导致气道平滑肌收缩，在正常情况下完整的气道上皮抗氧化防御系统会对抵抗气道的过度收缩，而在氧化抗氧化系统失衡的情况下，就会出现气道的结构和功能上的损伤[19]。

肥胖被认为是哮喘病控制不良的因素之一，与肺功能下降相比，肥胖哮喘患者的全身氧化应激是更强的急性加重因子。肥胖引起的全身氧化应激升高会导致更严重的气道炎症和对类固醇治疗的抵抗[20]。Hartmut Grasemann认为NOS2(一氧化氮合成酶2)解偶联和线粒体功能障碍增加了气道上皮细胞氧化产物从而加重肥胖患者体内氧化应激水平[4]。血清中丙二醛(MDA)浓度是评估哮喘患者氧化应激和脂质过氧化的重要生物标记物，Elalameey等人的研究显示，肥胖哮喘患者血清MDA浓度显著升高，且重症哮喘患者血清MDA浓度与中度和轻度哮喘患者相比明显升高[21]。我国的一项研究表明白藜芦醇RSV通过激活肥胖哮喘大鼠的Nrf2抗氧化防御系统，对肥胖哮喘相关氧化应激具有保护作用[22]。

哮喘的发病率随着环境因素，特别是PM2.5及臭氧浓度增加而增加，PM2.5是外源性氧化剂，高浓度的暴露可激活 jak2 /STAT3信号通路从而引起或加重哮喘患者的氧化应激[23]。同时在Bao Aihua的研究中发现，抑制ROS的生成，可以改善在哮喘模型中臭氧诱导的气道高反应性及慢性气道炎症[24]。

支气管哮喘与氧化应激相关进展

一、支气管哮喘相关氧化应激标志物

哮喘患者体内的氧化应激标志物一直是研究热点，ROS与细胞膜上的脂质，特别是花生四烯酸相互作用，释放8-异前列腺素，这是脂质过氧化的最终产物，是一种属于F2异前列腺素类的前列腺素(PG)-F2样化合物，是氧化应激最稳定的生物标志物，在健康人的呼吸中可以检测到8-异前列腺素，而在哮喘病例中其水平明显升高[25]。氧化应激指标还包括丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽(GSH)、髓过氧化物酶(MPO)和8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)等。除了这些常见的指标，还有许多新指标的出现，丰富了这一群体。Angelo Zinellu等人的研究表明蛋白巯基(PSH)浓度与哮喘独立相关，且首次发现SH组蛋白是哮喘中氧化应激的敏感和早期标记[26]。间充质基质细胞在哮喘小鼠模型中发挥着氧化剂/抗氧化平衡的作用，通过定量肺组织中的硝基酪氨酸可评估人类骨髓间充质基质细胞(HMSC)在过敏性哮喘实验模型中维持氧化平衡的效果，可以作为组织氧化应激的标记物[27]。

二、支气管哮喘的抗氧化治疗及进展

在诸多支气管哮喘氧化应激标志物的基础上，许多研究团队开始对哮喘的抗氧化治疗进行更深一步的探索。在哮喘的抗氧化治疗中，保持了低水平活性氧对机体的有利作用，同时，抗氧化针对的是过量活性氧所产生的氧化应激损伤，而非针对活性氧本身[3]。维生素E是一种常见的抗氧化剂，可逆转被nAI2O3(纳米氧化铝)诱导的过敏性哮喘小鼠肺组织的气道高反应性和气道炎症[28]。抗坏血酸和骨化三醇亦具有抗氧化、抗炎及免疫调节作用，研究表明，单独使用抗坏血酸和骨化三醇，对哮喘没有任何保护作用，只有当联合使用这两种维生素才能够降低氧化损伤和炎症水平[29]。LPS(脂多糖)是一种存在于革兰氏阴性菌外膜的糖脂类物质，是通过toll样受体4介导的先天性免疫应答的重要激活因子，Leandro do Nascimento Camargo等人的研究证实抑制IL-17有助于控制LPS加重的哮喘模型中Th1/Th2/Th17介导的炎症、趋化因子表达和肺实质的氧化应激[30]，IL-17抑制剂也就成为哮喘治疗的一个新的研究方向。在哮喘的神经保护方面，Géssica Luana Antunes的研究结果首次表明，使用新斯的明治疗哮喘小鼠，能够减少ROS的生成并增强大脑皮层中的抗氧化酶、过氧化氢酶活性，这也证实了外周免疫系统和中枢神经系统之间是存在相互沟通的，提示了乙酰胆碱酯酶抑制剂，如新斯的明，应作为可能的治疗策略，在哮喘的神经保护方面进一步研究[31]。在支气管哮喘中，氧化应激可通过激活PI3K(肌醇磷脂‐3‐激酶)诱导的促炎状态和糖皮质激素不敏感[32]。通过Bi Jing等人的实验，我们得知PI3K抑制剂加地塞米松联合治疗可以通过恢复HDAC2(组蛋白去乙酰化酶2)活性和抑制核信号转录因子磷酸化的机制改善重症哮喘的糖皮质激素敏感性[33]。在Kim Hyun-Kyoung的实验中同样发现PI3K抑制剂显著降低了炎症和气道重构的严重程度[34]。这是一种很有前途的治疗策略，还需要进一步的研究。在哮喘小鼠中，HMGB1(高迁移率族蛋白B1)通过上调Th2反应促进了IL-4的分泌和嗜酸性炎症，增加气道高反应性及气道炎症，并且该通路与氧化应激之间存在一定关联，所以HMGB1可能是一个重要的调节点和有前景的治疗哮喘的靶点[35]。尽管靶向代谢组学研究存在局限性，但我们相信这项技术在研究哮喘可能的候选标记物和潜在的病理生理学方面具有巨大的潜力。氧化应激作为支气管哮喘的一个新特征，我们也发现了在诸多研究中特别强调各种新型药物载体的最新发展趋势，这些载体包括微粒子、微乳液、微球、纳米颗粒、脂质体、树状大分子、固态脂质纳米载体等，有助于对抗哮喘中的氧化应激，最终减轻疾病负担，改善哮喘患者的生活质量[15]。早在2014年杨硕等人的研究中，哮喘治疗组在治疗基础上加用辅酶Q10片，每日3次，1次1片，连用5～10天，对照组加用同等剂量的维生素C片，结果显示，治疗组的症状缓解有效率优于对照组，有统计学意义[36]。这项研究中未提及药物的不良反应，但我们知道当辅酶Q10作为心血管疾病的辅助治疗措施，其不良反应有胃部不适、食欲减退、恶心、腹泻、心悸，偶见皮疹[37]。然而其在支气管哮喘方面的不良反应仍需待进一步临床试验的结果而视。目前亦有正在进行的针对氧化应激的药物的研发，根据查找的文献[4]得知：(1)、有一项二期随机对照临床试验，评估辅酶 Q10 是否能改善肥胖哮喘患者的临床结局。(2)、MitoQ是一种线粒体靶向抗氧化剂，可以通过抑制线粒体来源的活性氧的作用来改善哮喘。此项研究(NCT 04026711)将在成年肥胖患者中进行。(3)、美国肺科协会-气道临床研究中心(NCT 03532490)正在进行Roflumilast在哮喘管理试验(TRIM)与安慰剂对照的试验，以评估哮喘控制的情况。(4)、L-瓜氨酸含丰富的抗氧化剂，能吸收有害的自由基。一项关于L-瓜氨酸的初步研究(15g/d 连续2周)显著的改善了哮喘的症状控制，特别是迟发性哮喘的肥胖女性在FEV1方面的改善最显著。一项大规模的二期临床研究正在进行(NCT 03885245)，以用来确定大剂量 L-瓜氨酸作为哮喘患者辅助治疗的长期疗效和安全性。但是这几种正在研发药物的具体用药方式及药物的不良反应尚无从得知，相信在后续的研究成果中会体现出来。

展望与总结

综上所述，氧化应激是支气管哮喘的一个重要机制。目前，全世界有3亿多人患有哮喘，预计到2025年，这一数字将再增加1亿人。哮喘患者的临床症状严重程度不同，对常用治疗方法的反应不同，炎症过程的特点也不同。在支气管哮喘中，感染、暴露于污染物和过敏原，会放大氧化还原异常，高水平的氧化应激产物对支气管上皮及蛋白质等的破坏增强，同时细胞内抗氧化防御系统的缺陷也是哮喘发展的关键因素。糖皮质激素作为目前哮喘治疗的主要方法，并不能有效的减少氧化应激损害，因此，未来的研究将进一步开发氧化途径的非侵入性特征生化标志物，和设计针对氧化还原机制的疗法，以限制破坏性氧化物种的形成，增加机体抗氧化能力，确定该疾病的最佳控制方法，提高患者的生活质量。