基于PI3K/Akt信号通路探讨中医药治疗支气管哮喘研究进展

季雅楠,田春燕,郭丹丹,李竹英

(1.黑龙江中医药大学,黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江中医药大学附属第一医院,黑龙江 哈尔滨 150040)

支气管哮喘是一种由多种细胞和细胞组分参与的以气道慢性炎症为主要特征的变态反应性疾病,持续的气道炎症引发气道高反应性,通常出现广泛可变的气流受限,临床表现为喘促、胸闷、咳嗽等一系列呼吸道症状[1]。近年研究发现,哮喘患者体内存在多种效应细胞借助信号转导途径传递生物信息,调节机体内细胞因子、炎症介质、免疫细胞等组成的复杂网络系统参与哮喘的发病。磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)作为经典信号通路参与气道炎症和气道重塑等发病机制,调控多种下游信号分子,介导细胞增殖、迁移、凋亡等生物学过程诱发或加重哮喘[2]。调控PI3K/Akt信号通路治疗哮喘,被认为是哮喘防治的潜在药物靶点,成为临床研究热点及新的治疗策略。近年来,中医药干预PI3K/Akt信号通路治疗哮喘的疗效逐步得到肯定。本文通过查阅大量相关文献,将中医药治疗哮喘的研究进展综述如下。

1 PI3K/Akt信号通路

PI3K是一种脂类激酶,由Whitman团队于1985年首次发现。根据底物分子差异、结构功能将PI3K家族分为3型,Ⅰ型研究最广泛且最为复杂,已被证实与肿瘤密切相关[3]。Ⅰ型PI3K是由催化亚基和调节亚基紧密结合而成的异源二聚体,可区分为ⅠA和ⅠB两亚型。ⅠA型PI3K由p110催化亚基和p85调节亚基构成。p85调节亚基作为PI3K全酶的典型角色,具有稳定p110催化亚基及整体构象的作用,其含有SH2/SH3同源结构域和p110结合区,SH2结构域特异性识别磷酸化酪氨酸残基,从而引起p110膜转位和活化[4]。ⅠB型PI3K由p110γ催化亚基和p101调节亚基构成。p101是一种接头蛋白,介导G蛋白βγ亚基对p110活化,ⅠB型PI3K几乎完全由G蛋白偶联受体(GPCR)激活。Ⅱ型PI3K无调节亚基,存在C2α、C2β、C2γ三种亚型。Ⅲ型PI3K由VPS34催化亚基和VPS15调节亚基构成异源二聚体,与细胞囊泡转运调节有关。

Akt是PI3K下游极为重要的效应激酶[5]。Akt作为一种原癌基因产物,底物较多,包括叉头转录因子家族(FOXO)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等,其底物的多样性说明了Akt在调控细胞周期进展,介导细胞增殖、分化、凋亡等发挥广泛的生物学效应。PI3K/Akt信号通路调控广泛的信号转运和代谢过程,调节多种细胞功能,是癌症、心血管疾病、糖尿病等疾病最频繁突变的通路之一[6-7]。

2 PI3K/Akt信号通路与哮喘的关系

2.1 参与气道炎症 气道炎症是哮喘发病的本质。炎症细胞浸润,释放多种炎性介质,引起黏膜充血肿胀、平滑肌痉挛、黏液细胞分泌增加,是诱发气道高反应的主要原因。Huang等[8]研究发现,哮喘患者气道中有大量的炎症细胞黏附聚集,阻断PI3K/Akt信号通路可降低炎性因子的表达。嗜酸性粒细胞(EOS)作为重要的效应细胞,在局部炎症组织中募集活化、释放颗粒蛋白及炎性介质[9],可直接反映炎症程度。PI3K/Akt信号通路的激活诱导EOS脱颗粒、增殖、迁移等生物学过程,哮喘患者炎症与EOS介导PI3K/Akt信号通路的活化程度具有相关性[10]。Th1/Th2分化失衡及Th2优势应答分泌的特征性细胞因子在气道炎症免疫机制中产生重要作用。Stephen等[11]研究表明,使用PI3K抑制剂LY294002后,肺泡灌洗液(BALF)中IL-4、IL-5明显减少,ⅠA型PI3Kp85调节亚基能够影响Th1/Th2极化偏向。Liu等[12]研究发现,抑制PI3K和Notch信号通路及调节Th1/Th2/Th17细胞因子平衡,可以有效控制哮喘炎症反应,降低气道高反应。此外,PI3K/Akt信号通路还可通过调控Toll样受体2(TLR2)抗原识别与递呈、活性氧(ROS)活化NF-κB等多个环节,激活众多细胞内信号级联通路,参与炎症细胞浸润及免疫应答,调控炎症反应[13]。

2.2 参与气道重塑 气道重塑是慢性炎症和气道组织反复损伤修复导致的结构改变,主要病理表现为平滑肌增生肥大、细胞外基质沉积和上皮下纤维化、黏液腺增生、杯状细胞化生等,导致不可逆气道阻塞、持续气道高反应及肺功能受损[14]。气道平滑肌细胞(ASMC)异常增殖是气道重塑的显著特征,PI3K/Akt信号通路在ASMC增殖中发挥重要作用。Akt可以抑制糖原合成酶激酶磷酸化,增加周期蛋白D1的表达,促进DNA复制,从而诱导ASMC增殖及表型转换[15]。上皮-间质转化(EMT)是哮喘气道纤维化和结构重塑的重要机制。Wang等[16]研究发现,α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)和Ⅰ型胶原(COL-Ⅰ)表达水平的变化与Akt的磷酸化水平一致。哮喘小鼠给予LY294002和Akt抑制剂Ⅳ可减轻气道炎症,明显下调α-SMA、COL-Ⅰ和纤连蛋白-1表达,增加E-钙黏蛋白表达,表明阻断PI3K/Akt信号通路可以干预EMT过程,延缓气道重塑。黏液高分泌是气道重塑的重要特点,是影响哮喘病情和预后的独立危险因素。气道黏膜炎症微环境引起黏膜腺体肥大、杯状细胞化生促使黏蛋白MUC5AC分泌异常,形成黏液栓阻塞气道,加重气道敏感性,加剧气道重塑,导致哮喘病死率增加。EOS、NEUT、IL-13等细胞因子直接或间接作用于杯状细胞及黏膜下腺细胞,是黏蛋白高表达的诱导剂[17]。Huang等[18]研究表明,PI3K/Akt通路调控上述多种炎症细胞干预黏液高分泌状态,给予LY294002可明显缓解气道杯状细胞增生和黏液分泌,改善气道重塑。

2.3 参与细胞自噬 细胞自噬与气道炎症和气道重塑密切相关,是当前哮喘研究的新切入点。自噬又称Ⅱ型程序性细胞死亡,吞噬错误折叠蛋白、受损衰老的细胞器形成自噬小体由溶酶体降解,从而维持细胞稳态和循环[19]。研究表明,哮喘患者自噬水平明显升高,与哮喘发病相关的Th2、EOS、EMT等均可观察到过度自噬现象[20]。自噬通过参与细胞内外多种分子调控过程,影响免疫细胞抗原递呈功能,调控炎症细胞活化,促进ASMC增生肥大与EMT参与气道重塑[21]。蒋鹏娜[22]研究表明,PI3K/Akt信号通路是人支气管上皮细胞16HBE发生自噬的通路之一,与自噬及凋亡的严重程度正相关。目前对于自噬在哮喘病理过程中发挥保护或损害作用仍存在争议,调控该通路合理干预自噬成为治疗哮喘的新思路。

3 中医药干预PI3K/Akt信号通路治疗哮喘

哮喘属于中医学“哮病”“喘证”的范畴。中医理论认为哮喘的病因病机主要为风盛痰伏,正气虚损,遇诱因引触,壅塞气道,肺失宣肃,而致喘嗽哮鸣轻重间作、迁延不愈。中医学治疗哮喘历史悠久,疗效佳。近年来,基于PI3K/Akt信号通路在哮喘发病中的重要作用,多项研究从中药单体、中药复方、外治法等方面切入深入探寻中医药干预PI3K/Akt信号通路治疗哮喘的相关机制和作用靶点。

3.1 中药单体 龙脷叶是岭南地区特色草本植物,为大戟科守宫木属,黄酮类化合物是龙脷叶的有效活性成分之一,具有消炎镇痛、止咳平喘、抗过敏等功效,常用于肺炎、哮喘等疾病的治疗。何显科等[23]研究发现,龙脷叶总黄酮干预哮喘大鼠可减少EOS等炎性细胞数量、BALF中ROS水平、肺组织中PI3K/Akt的表达,升高SOD水平。提示龙脷叶总黄酮通过抑制PI3K/Akt信号通路的激活减轻哮喘大鼠炎症,改善氧化应激水平。

和厚朴酚是厚朴的关键活性成分,具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、神经保护等广泛药理作用。刘楠等[24]研究结果表明,和厚朴酚组哮喘小鼠BALF中EOS、NEUT等炎性细胞计数减少,肺组织病变损伤得到明显改善,肺组织中PI3K、Akt、p-Akt、TLR2、TLR4表达水平均下降。提示和厚朴酚对哮喘的炎症反应具有抑制作用,其机制可能与作用于TLR2、TLR4受体进而抑制PI3K/Akt通路及蛋白表达有关。

青蒿琥酯是青蒿素的半合成衍生物。近年研究发现,青蒿琥酯具有抗肿瘤、抗炎、抗病毒、抗纤维化、抗细胞增殖促凋亡等多种潜在效应。Tan等[25]对体内外人气道平滑肌细胞培养结果显示,青蒿琥酯可以减慢细胞分裂,抑制细胞周期蛋白D1丰度,抑制磷酸化Akt和p70s6k蛋白丰度,减少ASMC数量、α-SMA阳性细胞的面积,推测青蒿琥酯可能通过PI3K/Akt/p70s6k途径抑制ASMC增殖,进而改善气道重塑。

欧前胡素又称前胡内酯、白芷乙素,是一种线性呋喃香豆素类化合物,广泛存在于白芷、羌活、前胡等伞形科植物。药理研究表明,欧前胡素具有抗炎、抗菌、抗肿瘤、抗过敏、扩张血管等多种作用。咸哲民等[26]研究发现,欧前胡素组可明显减少肺组织的胶原纤维沉积和炎症细胞浸润,显著抑制IL-4、IL-5、IL-13、IgE、EOS、TGF-β1的生成,降低肺组织中α-SMA、TGF-β1、MMP-9、Smad3和Akt的蛋白表达,结果表明欧前胡素可能通过调控TGF-β1/Smad3和PI3K/Akt双通路对哮喘小鼠气道重塑起到明显的抑制作用。

穿山龙总皂苷为薯蓣科植物穿山龙的主要活性成分,具有保肝、抗炎、抗肿瘤、免疫调节、降糖降脂等多种药理作用。江立斌等[27]研究发现,穿山龙总皂苷组通过抑制卵清蛋白OVA致敏哮喘小鼠乳腺回归蛋白BRP-39和PI3K/Akt信号通路的表达,有效抑制哮喘气道重塑,且与醋酸泼尼松组效果相当。

3.2 中药复方 蝎黄解痉治哮颗粒由麻黄、杏仁、全蝎、白果、甘草、苦参组成,共奏宣肺解痉、治哮平喘之功效,在临床中治疗儿童咳嗽变异性哮喘和亚急性咳嗽疗效明显。冯晓纯等[28]研究结果显示,蝎黄解痉治哮颗粒组的气道上皮下纤维化程度减轻,炎症细胞浸润、上皮杯状细胞和黏液分泌明显减少,Akt、HIF-1α、α-SMA在肺组织的表达明显降低,提示蝎黄解痉治哮颗粒可通过抑制PI3K/Akt信号通路的表达而改善哮喘小鼠的气道炎症和气道重塑。

平喘宁是治疗寒哮的经验方,由射干麻黄汤、三子养亲汤加减而成,组方为麻黄、太子参、苦杏仁、陈皮、苏子等,具有温肺散寒化痰、固本止咳平喘之功。李明明等[29-31]应用平喘宁干预寒哮大鼠模型,实验结果表明,平喘宁能够上调PI3K/Akt信号通路中FKHR、BAD、TSC1、GSK3β、PTEN蛋白表达,下调ASK1、PDK1、p110α、PIP3蛋白表达。提示平喘宁可能通过调节PI3K/Akt的相关信号分子减轻支气管及周围炎症细胞浸润,减少黏液栓形成,抑制ASMC增殖,修复支气管管壁破损,缓解痉挛与管腔狭窄,从而对哮喘防治起到积极作用。

平喘颗粒由温阳平喘汤化裁而来,有祛痰止咳平喘之效,方药组成为淫羊藿、五味子、太子参、款冬花、黄芪、炙麻黄、地龙、知母、罂粟壳。李竹英等[32]研究发现,平喘颗粒可通过调节PI3K/Akt/mTOR通路的活性,影响哮喘Th细胞分化和细胞因子的产生,影响EOS、NEUT计数及ASMC增殖凋亡,并能够抑制细胞自噬,从而减轻炎症反应及抗气道重塑,改善哮喘症状。蒋鹏娜等[33]研究表明平喘颗粒通过调控PI3K/Akt信号通路降低TGF-β1、COL-Ⅰ、COL-Ⅲ的表达水平,减少基底膜增厚和胶原沉积,发挥抗纤维化的作用,从而抑制甚至逆转气道高反应大鼠的气道重塑。

芍药甘草汤为张仲景《伤寒论》中的经典方剂,方由芍药和甘草二味等剂量组成,具有调和肝脾、缓急止痛的功效,主治营阴亏虚、津液受损、筋脉失养所致诸证。汝触会等[34]实验研究表明芍药甘草汤可通过调控PI3K/Akt信号通路,显著降低哮喘大鼠p-Akt、PI3K的阳性染色面积,显著增加Treg细胞含量,干预Treg/Th17分化失衡而缓解哮喘发作。

3.3 中医外治法 杨金华等[35]采用平补平泻手法针刺哮喘大鼠大椎穴、肺俞穴(双)、风门穴(双),结果显示针刺组肺组织中PI3K的表达明显降低且接近PI3K阻断剂组,针刺组大鼠的肺功能接近正常组。由此推测针刺可以阻断PI3K通路,抑制PI3K蛋白的表达,从而改善哮喘患者的肺功能,控制哮喘发作,缓解哮喘症状。赵桓艺[36]研究表明气道内质网应激与自噬程度正相关,针刺抑制PI3K/Akt信号通路可阻断内质网应激启动自噬,并降低哮喘炎症因子分泌,纠正T细胞分化平衡。乔赟等[37]采用肺“俞募配穴”艾炷灸干预哮喘小鼠,实验结果显示艾炷灸组小鼠血清和BALF中IgE及IL-4含量、肺组织中PI3K及RORγt mRNA和蛋白表达明显降低,IFN-γ含量、肺组织中Foxp3 mRNA和蛋白表达明显升高,表明肺“俞募配穴”艾炷灸能够通过PI3K信号通路调节RORγt、Foxp3表达,减轻哮喘气道炎症,从而发挥治疗效应。

综上所述,中药单体、中药复方及中医外治法通过调控PI3K/Akt信号通路的一系列靶物质而减轻气道炎症反应,改善气道重塑,并能够抑制自噬,发挥哮喘防治作用。

4 小 结

哮喘是一种以气道慢性炎症为特征的异质性疾病,易反复并迁延难愈,从其发病机制出发探索精准靶向治疗是当前哮喘的研究方向。研究证实,PI3K/Akt信号通路通过参与气道炎症细胞浸润、T细胞活化、ASMC增殖迁移、EMT、杯状细胞增生、黏蛋白高表达、细胞自噬等多个调控环节而作用于气道炎症和气道重塑,介导哮喘的发生发展进程。中医药治疗哮喘效果显著,目前对其机制研究主要体现在通过调控PI3K/Akt信号通路的活性,影响相关因子靶点或上下游产物的表达,从而减轻炎症细胞浸润,缓解或逆转气道重塑,发挥治疗作用,但对于中医药干预该通路的具体机制尚未阐明。目前药理机制研究仍然处于基础阶段,主要集中在中药单体及活性成分的研究,对复方、中成药以及外治法等研究较少。中医药作用机制复杂,深入挖掘中药各成分的协同作用,将是今后研究的重要方向。