李鹏飞 刘利凯 张建华 李阳 于红艳
炎症是引起慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD,简称慢阻肺)小气道和肺泡异常,导致持续性呼吸道症状和气流受限的核心机制,因而,抗炎是其治疗的重要组成部分。在慢阻肺治疗中,乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine,NAC)常常被作为粘液溶解剂和抗氧化剂使用,其粘液溶解和抗氧化活性在慢阻肺治疗中的作用也已得到普遍认可。然而,不能忽视的是,NAC同样具有抗炎活性,过去该方面的研究进展相对缓慢,近年来,随着对慢阻肺发病机制及NAC抗炎活性的深入研究,有学者指出NAC具有独特的抗炎活性,并且可在不依赖于其抗氧化和粘液溶解条件下发挥作用[1],另外,PANTHEON研究[2]及其事后分析[3]表明NAC减少慢阻肺急性加重的作用与是否应用糖皮质激素无关,并且当同时与长效支气管扩张剂联用时,NAC比吸入用糖皮质激素(Inhaled corticosteroids,ICS)更有助于降低慢阻肺急性加重率,这也说明NAC抗炎活性可能在慢阻肺的治疗中产生了作用,而不完全是得益于其抗氧化和溶解粘液活性。其实,NAC治疗慢阻肺的具体作用和机制目前仍未完全明确,因此,随着对其抗炎活性的不断研究,未来不排除它可能会成为慢阻肺抗炎治疗的主要药物。为此,本文就NAC抗炎活性、研究进展及其在慢阻肺治疗中存在的问题作一综述,以供读者参考。
一、 NAC在慢阻肺中的治疗作用
NAC的活性巯基可分解粘液蛋白中的二硫键,使得其在慢阻肺的治疗中能够发挥粘液溶解作用,这已被认为是减少慢性阻塞性肺疾病急性加重(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD,简称慢阻肺急性加重)的原因之一[4]。随着过去基础研究成果的相继发表,NAC在呼吸道组织细胞中产生抗氧化活性的机制被阐述得越来越清晰,其抗氧化作用可通过直接清除活性氧和间接补充细胞内消耗的谷胱甘肽 (Glutathione,GSH)两条途径来实现。在临床实践中,PANTHEON研究[3]、Cazzola等[5]和Rogliani等[6]的荟萃分析以及GOLD 2020[7]文件均指出NAC抗氧化活性也可降低慢阻肺急性加重率。
但是,相比于NAC粘液溶解和抗氧化活性已得到广泛研究和证实的情况下,其抗炎活性方面的研究显得有限,尤其是直接与COPD抗炎治疗有关的研究。即便如此,早期的一些研究结果仍然显示了NAC确切的抗炎活性,其中Paterson等[8]就较早地报道了NAC可有效降低败血症患者血浆IL-8的水平。而在与COPD相关的研究中,若以NAC 600mg/d治疗10个月,研究者发现患者痰液的中性粒细胞的趋化活性降低;若以高剂量(NAC 1200mg/d)给药时,观察到患者外周血CRP和IL-8的浓度出现下降[9]。
二、 NAC治疗慢阻肺抗炎活性的提出
事实上,NAC抗炎活性曾饱受争议,这主要是由于体外和动物实验研究采用的给药剂量、给药方式和给药持续时间不同,因而得出了不同的研究结果,对NAC发挥抗炎活性的解答各异。Radomskalesniewska[10]和Sadowska[11]总结了这些研究结果,提出了NAC调节炎症反应的可能机制:一是,短时高剂量NAC可直接影响炎症信号传导途径(如p38MAPK和NF-κB),以发挥抗炎作用;其次,低剂量NAC通过对细胞内巯基浓度的持续影响,进而调节氧化还原敏感炎症转录因子的激活,来调节炎症反应,这可能是长期应用NAC的结果,即阐述了这样一个观点——低剂量NAC的抗炎作活性可能继发于其抗氧化作用。
显然,NAC具备抗氧化能力,在慢阻肺的治疗中可发挥抗氧化作用,然而,相比于其他抗氧化剂,它的抗氧化能力明显偏低,考虑到NAC自身明确的剂量-效应反应关系,以及在慢阻肺临床研究中,Schermer等[12]、BRONCUS[13]与PANTHEON研究[3]对NAC减少急性加重率观点不一的结论,都说明高剂量NAC是发挥抗氧化治疗作用的必需。但是,随后一项荟萃分析[5]显示,同接受高剂量NAC(>600 mg/d)一样,低剂量(≤600 mg/d)也能够降低慢阻肺的急性加重风险。这就需要我们重新审视低剂量NAC在慢阻肺治疗中的真实作用和机制。
最近几项探索NAC在人支气管组织中抗炎活性及机制的研究[1,14],不但发现高剂量NAC直接抑制脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)刺激人支气管IL-1β、IL-8、TNF-α的释放,而且,还观察到无论是低剂量NAC(200mg/d),还是高剂量NAC(1200mg/d)均可通过抑制神经激肽A(Neurokinin A,NKA)的释放来降低IL-6的表达、进而调节LPS诱导的气道炎症反应。因此,之前只有高剂量NAC才能产生抗氧化/抗炎作用以及抗炎活性继发于抗氧化作用的观点已不再成立。
一、 基础研究方面
1 对炎症介质的影响 IL-8作为一种重要的炎症介质,其浓度水平与炎症的严重程度呈正相关。已有研究表明慢阻肺急性加重患者血清、痰液中IL-8浓度均增高,IL-8过度分泌不仅导致肺组织炎症损伤,而且还参与气道重塑。Yan等[15]在以BEAS-2B细胞(人支气管上皮细胞)和THP-1细胞(人巨噬细胞)为体外模型探究PM2.5诱导IL-8基因表达机制的实验中发现,PM2.5可诱导IL-8基因的过表达,而经NAC预处理后,IL-8表达下调。Vaughan等稍早的研究表明柴油暴露可致慢阻肺支气管上皮细胞IL-8分泌增加,之后的研究发现,与对照组相比,经NAC预处理柴油暴露后慢阻肺支气管上皮细胞对IL-8的分泌显著减低;另外,该研究还发现慢阻肺支气管上皮细胞可通过MHCⅡ类分子高表达和干扰素相关信号传导途径诱导CD4+Th1的免疫应答,NAC则可抑制MHCⅡ类和干扰素相关信号蛋白的mRNA表达[16]。在慢阻肺中,由于CD4+细胞与严重的肺气肿相关,因此,可推测NAC可能有助于减缓慢阻肺肺气肿的进展。研究表明微小核醣核酸(microRNAs)和溴结构域蛋白4(Bromodomain-containing protein 4,BRD4)均是炎症调节过程的参与者,一项来自国内旨在阐明microRNA-29b与BRD4在慢阻肺气道炎症中的作用以及二者间相互关系的研究结果显示,在人支气管上皮细胞的炎症调节中,香烟烟雾提取物(CSE)的刺激促使microRNA-29b表达下调、BRD4及IL-8的表达上调,microRNA-29b是通过靶向BRD4进而调节由CSE诱导过表达IL-8,但是,CSE诱导的microRNA-29b下调和BRD4、IL-8的增加可被NAC所阻止[17]。因此,推断经由miR-29b-BRD4轴以调节IL-8的表达,可能是NAC在慢阻肺治疗中发挥抗炎作用的又一途径。
慢阻肺急性加重患者痰液IL-6的水平呈现显著升高,现认为IL-6能够反应该群体患者气道炎症及阻塞的严重程度[18]。如前所述,NAC通过对NKA的调节以抑制由LPS刺激的慢阻肺患者离体支气管对IL-6表达的研究已经得到证实[1]。在一项以LPS诱导小鼠急性肺损伤(Acute lung injury,ALI)为模型的研究中发现,预先给予NAC(500mg/kg)或S-烯丙基巯基半胱氨酸(S-allylmercaptocys-teine,SAMC)灌胃,可减轻LPS诱导的ALI小鼠支气管组织的炎症损伤,同时,该研究还揭示了SAMC是通过激活NF-κB信号通路,来抑制TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎细胞因子/介质的产生和炎性细胞浸润,以此发挥抗炎作用[19]。在另一项研究中,Song等[20]发现与对照组相比,在给予小鼠腹腔注射NAC后,可使甲苯二异氰酸酯(TDI)诱导的哮喘小鼠体内IL-4和IL-5 水平明显降低。
瘦素与肺部炎症的发生及加重有关,伴有肥胖的中至重度慢阻肺患者往往经历更频繁的急性加重。Hsu等的研究进一步证实,瘦素可通过MAPK和NF-κB活化的共激活因子p300刺激肺泡Ⅱ型上皮细胞胞浆磷脂酶A2-α(Cytosolic phospholipase A2-α,cPLA2α)基因的表达。cPLA2α和环氧化酶(Cyclooxygena-se-2,COX-2)一样,都是促炎蛋白,参与组织中白细胞的募集。最近,新的研究表明瘦素在上调小鼠肺部炎症蛋白cPLA2α的同时,也诱导了COX-2的表达以及白细胞浸润,而用NAC处理后,cPLA2α/COX-2表达和白细胞募集受到了明显抑制[21]。
2 对炎症细胞的影响 目前,在NAC治疗COPD的效果评价中,涉及中性粒细胞、巨噬细胞,及其活性可被NAC抑制的研究已有较多报道[22-23]。Wang等实验显示给予NAC治疗后,可显著改善酵母多糖诱导的Balb/c小鼠全身炎症模型中肺树突状细胞(Dendritic cells,DCs)超微结构的异常,并抑制肺DCs NF-κB活性及凋亡,促进IL-12、抑制IL-10的产生,揭示了NAC可阻止炎症状态下肺DCs的凋亡,并保护其调节炎症功能的作用[24]。
二、 临床研究方面
在长期应用NAC预防慢性阻塞性肺疾病急性加重的研究中,BRONCUS[13]、PANTHEON[3]、HIACE[25]以及Schermer等[12]的研究结果不一致,其中,HIACE和PANTHEON研究结论相似,指出高剂量NAC(1200mg/d)治疗可减少COPD急性加重,Zheng解释这种不一致结果的原因可能是研究中使用的NAC剂量不同,他强调NAC用量至1200或1800mg/d,才能在COPD治疗中发挥抗炎/抗氧化作用。随后的一篇荟萃分析[6]也肯定了这一结论,另外,特别指出低剂量NAC也能够减少急性加重,另一篇评价NAC对COPD急性加重影响的分析[26]同样显示,高剂量和低剂量NAC长期(≥6个月)应用,均可使COPD急性加重率下降,但是,该分析指出未观察到对COPD患者第1秒用力呼气量(Forced expiratory volume in the first second,FEV1)、用力肺活量(Forced vital capacity,FVC)的有益影响。最近刊登在Cochrane上的一篇系统评价[4]也指出,使用粘液溶解剂(包括NAC)治疗可能有助于降低慢阻肺急性加重风险,但对患者肺功能没有显著影响。因此,可以相信高剂量NAC可以降低慢阻肺急性加重率,但是对于肺功能等方面的影响可能需要更完善的研究设计进行进一步探讨。
然而,关于NAC在慢阻肺急性加重期间的研究数据相对有限,虽然动物体内和人体组织离体实验的结果,显示了NAC在减轻气道炎症等方面的作用,但是对临床治疗慢阻肺急性加重的作用仍存在争议。一项巴基斯坦的单中心研究[27],前瞻性观察了NAC 600mg 每日两次口服,对慢阻肺急性加重患者临床症状和生化指标的影响,治疗7天后,NAC组氧分压(PaO2)、氧饱和度(SaO2)和二氧化碳分压(PaCO2)以及喘息、呼吸困难症状均出现显著改善。由于研究中样本纳入量较少,也没有检测相关炎症指标的变化,因此,不能推断NAC对慢阻肺急性加重患者炎症反应的影响。所以,未来需要纳入相关炎症指标的大样本临床研究,去深入探讨NAC在慢阻肺急性加重期治疗中的作用。
高剂量NAC通过对信号传导途径(如p38MAPK和NF-κB)的直接影响发挥抗炎作用的机制,已在人胎膜、中性粒细胞、人支气管上皮细胞和人气道平滑肌细胞中得到证实。另外,Wuyts等[28]的研究还表明低剂量NAC可能通过对细胞内巯基的持续补充,进而调节氧化/抗氧化失衡,继之干扰氧化应激参与炎症反应转录因子和相关通路的激活,最终发挥抗炎作用。
近年来,NAC抗炎机制的研究又有了新的进展。Calzetta等[1]阐明了NAC对LPS所诱导的慢阻肺急性加重气道炎症反应的保护作用与其对NKA的调节有关,揭示了在慢阻肺抗炎治疗中,NAC可通过神经源性炎症调节途径这一新机制来发挥作用。另一项在肺部肿瘤患者(包括不吸烟者、无慢阻肺吸烟者和慢阻肺患者)切除活组织的体外实验[17]中,研究者发现在支气管上皮细胞中,NAC可抑制CSE刺激的由microRNA-29b靶向BRD4所导致的炎症反应,可能是NAC产生抗炎作用的又一途径。此外,Hsu等[21]在小鼠呼吸系统中发现NAC可通过对瘦素的影响,进而抑制cPLA2α/COX-2表达和白细胞募集以减轻炎症反应。总之,这些研究表明NAC可经由继发于抗氧化应激和独立于前者的路径来发挥抗炎活性。
尽管NAC在慢阻肺治疗中的多方面活性已得到诸多证实,但是,目前在NAC的具体应用上仍存在一些问题。第一,随着慢阻肺精准化治疗方向和NAC抗炎活性研究的进展,需要重新确定NAC治疗的适宜人群。已有报告建议NAC用于中、重度慢阻肺频繁加重表型具有更好的效果[29],然而,不能忽视的是当前NAC在轻度慢阻肺患者中的研究尚少,这中情况同样见于对慢阻肺急性加重治疗效能(特别是抗炎活性方面)评估的研究中。因此,伴随慢阻肺表型及其炎症标志物研究的进展,相信这将有助于判别潜在存在过度炎症反应而需要NAC治疗的适宜患者。第二,NAC的应用时长问题仍然没有明确规定。Cazzola[5]建议为防止急性加重,需要长期应用。最近两篇关于粘液溶解剂研究的NNT值分析结果给了更具体答案,NNT分别为10.11和8[4,6]。未来,此问题仍然需要针对性的研究分析,以进一步确定合适的应用时长效益比。第三,不能忽视的问题是PANTHEON[3]和HIACE[25]研究均在中国进行,国外尚缺少相关研究报道,可能提示不同族群对NAC治疗的敏感性不同。国内另一项研究[30]显示,给予慢阻肺患者NAC 600mg每日两次治疗1年,微粒体环氧化物水解酶(Microsomal epoxide hydrolase,EPHX1)活性快速/正常组的年急性加重率较极度缓慢/缓慢EPHX1活性组患者更低,并且FEV1、FEV1%预测值和圣乔治评分也有更大的改善。因此,不同族群相关基因、酶活性的差异可能影响NAC治疗效果,对影响NAC代谢相关基因和酶学的研究,也将有助于推动NAC治疗慢阻肺精准化方向的发展。