坏死性凋亡在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

任泓沁 王雁 李倩 张嘉宾 付爱双 戈艳蕾

1华北理工大学临床医学院 河北唐山 063000;2附属医院呼吸内科

慢性阻塞性肺疾病(COPD)作为一种相对常见的慢性炎性疾病，已经给人类带来了严重的经济及心理负担。但目前COPD的发病机制尚未完全阐明，为了减少其高患病率及其所造成的经济负担，寻找更好的治疗方法，研究人员进行了一系列的探索。目前有研究发现坏死性凋亡(necroptosis)与COPD发生发展存在一定关系，且以往坏死性凋亡调控COPD发生发展机制的研究较少。这项新的研究可能为之后COPD治疗及药物靶点的筛选提供理论依据。本综述主要描述了坏死性凋亡在COPD发生发展中的调节机制，线粒体自噬对坏死性凋亡的促进作用以及其在治疗中的研究进展，提出Z-DNA结合蛋白1(ZBP1)与COPD之间可能存在一定关系。

1 COPD

COPD是一种常见的慢性气道疾病，其特征是气流受限和相应的呼吸系统症状，危险因素具有多样性的特点。COPD的发病可以认为是个体因素和环境因素共同作用引起[1]，主要临床表现是慢性咳嗽、咳痰和进行性呼吸困难，最终导致气道阻塞和肺功能进行性下降。随着对COPD诱因的深入研究，人们发现大多数可引起COPD的暴露因素(如职业暴露、烟雾和吸烟等)均需要长时间才可以导致COPD的发生[2]。并且已经有报道指出衰老与COPD发展过程之间有一定的重叠关系，这表明正常衰老是COPD的促进因素[3]。目前吸烟和年龄被认为是COPD发生和发展的两个最主要的原因，但该疾病其他的决定因素尚不明确[4]。在COPD的发病机制中，炎症是一个必不可少的因素，参与其过程的炎症细胞有中性粒细胞、巨噬细胞和T淋巴细胞等，激活这些细胞后，它们会释放多种炎性介质，随后作用于肺上皮细胞，引起一系列的病理生理变化[5]。随着研究的进展，人们对COPD的理解已经从一种影响肺部的疾病发展到一种复杂的全身性疾病，并伴有多种肺外合并症[6]。据世界卫生组织统计，预计到2030年，COPD将是使全人类面临生活质量下降及生命威胁的重大挑战[7]。因此，我们应该对COPD进行管理并同时注意合并症及其对患者生活质量的影响。然而，目前我们所应用的治疗方法均为姑息性，主要是为防止感染引起急性加重。为了可以更好地提高COPD患者生活质量，仍需要进一步研究其具体的发病机制以寻找更好的治疗方法。

2 坏死性凋亡

细胞死亡在人类某些疾病的发生发展中具有重要作用，它包括程序性细胞死亡和由损伤引起的不受调节的死亡(即细胞坏死)[8]。随着对细胞死亡的进一步研究，人们才逐渐发现并不是所有的坏死都是被动进行的, 也存在细胞死亡表现为坏死的形态学特征，但是其过程是主动的情况[9]。直到2005年，坏死性凋亡的概念才被Degterev A等[10]提出，他们发现了一种可被特异性抑制剂Necrostatin-1抑制的不同于以往的新型的细胞死亡方式，并将其命名为坏死性凋亡。自从观察到坏死性凋亡后，炎症与坏死性凋亡之间的关系就引起了人们的关注。坏死性凋亡作为细胞凋亡失败的补充性细胞死亡模式，由独特的半胱天冬酶非依赖性信号通路激活[11]，不仅具有细胞坏死的特征，还包含凋亡的特点[12]。它是一种溶解性死亡，表现为细胞膜穿孔和线粒体功能障碍等，质膜完整性的丧失导致细胞内的内容物溢出到细胞外环境中，加重炎症反应。与坏死的区别在于其遵循信号调控，并且主动耗能[13]。文献报道坏死性凋亡与多种人类疾病有关，如炎症相关性疾病、感染相关性疾病、肿瘤、退行性疾病和缺血性疾病等[14-15]。

那么，坏死性凋亡是如何进行调控的呢？有文献指出坏死性凋亡可由肿瘤坏死因子(TNF)超家族受体、Toll样受体(TLRs)和干扰素(IFN)受体引发[16-17]，这些受体的共同特征为均含有受体相互作用蛋白激酶(RIPK)和同源相互作用基序(RHIM)，其发生需要RIPK1和RIPK3的激酶活性以及激活混合谱系激酶结构域(MLKL)的参与，最终导致细胞裂解促进细胞损伤相关分子模式(DAMP)的释放，引起线粒体、溶酶体和质膜的主动分解，从而间接引起炎症。但有研究指出，虽然RIPK1是在TNF诱导的坏死性凋亡途径中激活RIPK3所必需的信号分子，但它不是其他坏死性凋亡途径的先决条件[18]，因为RIPK3还可以被其他含有RHIM结构域的蛋白质激活，比如含有TIR结构域的衔接蛋白(TRIF)和ZBP1，ZBP1也称为DNA依赖性IFN调节因子激活剂(DAI)。这一结果表明，坏死性凋亡具有不止一条调节通路，然而引起每种疾病的具体通路又不完全相同，这给研究者们带来了新的挑战。

3 坏死性凋亡与COPD的关系

细胞凋亡被认为是导致COPD肺气肿的潜在机制，但细胞凋亡通常不伴有炎症，并且没有或很少有DAMP的释放。而坏死性凋亡存在大量DAMP从受损细胞中释放出来引起气道的中性粒细胞炎症，造成中性粒细胞活化并释放不同的丝氨酸蛋白酶，导致气道黏液分泌增加，并且破坏肺泡间质和肺实质，进而导致肺气肿的出现，通常被认为是COPD肺气肿的主要原因[19]。COPD作为一种慢性炎症性疾病，它的产生与机体对外界或内部刺激的炎性反应相关。吸烟作为最重要的外部因素，暴露于香烟烟雾(CS)会诱导支气管上皮细胞释放DAMP，随后这些DAMP通过激活模式识别受体(PRR)在气道上皮中诱导促中性粒细胞气道炎症[20]。这一结果提示了坏死性凋亡可诱导DAMP的释放，并且是CS诱导的中性粒细胞气道炎症的机制。Hikichi M等[21]指出CS诱发COPD的这种气道炎症即使在戒烟后也会持续存在。研究人员利用这一特点，构建COPD动物模型以便进行肺上皮细胞坏死性凋亡的调节通路的研究。有研究明确指出坏死性凋亡在COPD的发生发展中起到促进作用[22-23]。其中Lu Z等[23]研究强调了坏死性凋亡在动物COPD模型中的作用机制，确定了COPD患者肺部样本和暴露于CS诱导的实验性COPD小鼠模型中坏死性凋亡效应物和活动性坏死性凋亡信号传导标志物(如RIPK3和MLKL)浓度水平升高，揭示了致死性效应因子RIPK1、RIPK3和MLKL促成COPD的发病机制，进一步证实了坏死性凋亡与COPD之间的关系。Wang Y等[24]研究结果表明，暴露于CS可诱导人支气管上皮细胞和小鼠肺中的葡萄糖调节蛋白78(GRP78)表达，在敲低GRP78后显著减弱了人支气管上皮细胞中CS提取物(CSE)诱导的炎症和黏液过度产生，并且提示了GRP78在COPD中的有害作用和上皮细胞坏死性凋亡与核因子-κB(NF-κB)、激活蛋白-1(AP-1)通路的激活有关。这一发现表明CS诱导的肺部炎症和黏液过度产生可能是GRP78通过激活坏死性凋亡引起，两者共同调节人支气管上皮细胞中NF-κB和AP-1通路的活化，它们参与了COPD的发病机制。Chen DS等[25]发现在COPD患者、吸烟小鼠和CSE处理的肺上皮细胞中，虽然可以观察到细胞凋亡，但COPD肺部炎症的主要来源是由CSE诱导的坏死性凋亡引发了巨噬细胞的吞噬作用增强和炎症介质的产生，并且在CSE处理的肺上皮细胞中发现CSE诱导的坏死性凋亡依赖于RIPK3/MLKL，而不是RIPK1。通过以上研究，我们可以发现坏死性凋亡在COPD发生机制中起着关键作用。

4 线粒体自噬促进肺上皮细胞坏死性凋亡

有研究发现，COPD患者肺部磷酸酶和张力蛋白同源物(PTEN)诱导的激酶1(PINK1)和RIPK3的表达增加[22]，这两种蛋白质与线粒体自噬和坏死性凋亡途径有关，间接表明了COPD的发生发展中存在线粒体自噬过程以及坏死性凋亡的调控。在COPD的坏死性凋亡过程中，肺上皮细胞的线粒体自噬可以促进坏死性凋亡，进而促进COPD的发生[26]。线粒体选择性自噬-溶酶体降解简称为线粒体自噬，其在消除受损线粒体过程中起着至关重要的作用，并受E3-泛素连接酶Parkin或PINK1的独立调节[27]。通过这一方向的研究，人们对COPD的发病机制又有了更深一层面的认识。

Mizumura K等[22]多年前便应用CS构建小鼠COPD模型，从缺失PINK1基因的小鼠及其相应的含有PINK1基因的小鼠中分离出肺泡上皮细胞，然后用CSE处理肺泡上皮细胞后评估细胞毒性，结果发现相对于含有PINK1基因的细胞，缺失PINK1基因的细胞对CS诱导的细胞毒性更具有抗性。这一结果表明PINK1响应CSE促进细胞死亡，证实了PINK1的基因缺失减少了坏死性凋亡的CS依赖性激活，即线粒体自噬的减退可以减少肺泡上皮细胞的坏死性凋亡。然而，在人类COPD组织中坏死性凋亡的程度及其与疾病严重程度的相关性仍然未知。现已将失调的鞘脂代谢与响应CS的线粒体自噬和坏死性凋亡的激活联系起来。有研究认为酸性鞘磷脂酶(ASM)可作为肺上皮细胞中CS暴露诱导的致死性线粒体自噬的潜在介质[26]，通过ASM产生的棕榈酰(C16)-神经酰胺(Cer)是PINK1调节的致死性线粒体自噬的上游引发剂，并且在CS处理期间，ASM产生的C16-Cer可能会损害线粒体引发线粒体自噬，最终通过坏死性凋亡导致细胞死亡。

综上所述，这些研究在COPD的实验模型中都描述了CS暴露导致线粒体自噬的诱导和坏死性凋亡的激活，最终导致细胞死亡。PINK1调节的致死性线粒体自噬和线粒体自噬介导的坏死性凋亡均有助于COPD的发生，并且C16-Cer可能是这一过程的上游引发剂。但线粒体自噬促进细胞坏死性凋亡的作用和机制仍未完全阐明，还需要进一步的研究探索。

5 治疗进展

坏死性凋亡作为程序性细胞死亡一种不可缺少的途径，在胚胎阶段和出生后的发育阶段起到重要作用，并可在感染或肿瘤等情况下引起先天免疫反应以保护机体[15,28]。以往的研究表明，坏死性凋亡参与了多种炎性疾病的发生发展过程，而抑制这一途径的某一位点可能为炎性疾病的治疗提供重要的靶点[29]。近几年的研究已经确定了坏死性凋亡在COPD发生机制中的重要作用，并且发现使用坏死性凋亡抑制剂可以减轻肺部疾病的发展，这说明抑制坏死性凋亡是未来治疗肺部疾病的一个新的方法[30]。线粒体自噬作为促进坏死性凋亡的一条重要通路，对其进行抑制也可减少COPD的进展，或许这也是治疗COPD的一个潜在机制。但是目前基于坏死性凋亡的COPD治疗研究正在进行中，我们通过之前的研究发现了可能作为抑制线粒体自噬以及坏死性凋亡过程中的治疗靶点。

5.1抑制坏死性凋亡 Chen DS等[25]通过实验发现使用RIPK1特异性抑制剂Necrostatin-1并不能防止CS诱导的肺气肿，然而RIPK3抑制剂GSK'872具有保护作用，结果提示GSK'872对RIPK3的抑制减轻了暴露于CS 6个月的小鼠肺部炎症和随后的肺气肿，这表明通过抑制RIPK3可能作为COPD患者的潜在治疗靶点。Luan GX等[31]发现茶黄素-3(TF-3)可以抑制CSE处理的原代人支气管上皮细胞(Beas-2B)中的坏死性凋亡，其中一项实验结果表明TF-3在Beas-2B细胞中显著抑制CSE诱导的p38丝裂原激活蛋白激酶(p38 MAPK)、RIPK3和MLKL的磷酸化，说明TF-3可以通过抑制RIPK3/MLKL介导的坏死性凋亡信号通路来改善炎症和氧化应激。Wang Y等[32]指出雷帕霉素靶蛋白(mTOR)整合了多个信号网络来调节细胞凋亡和坏死性凋亡，最终通过实验证实了mTOR不仅是自噬的关键调节因子，也是CS诱导的细胞凋亡和坏死性凋亡的关键调节因子；在肺上皮中选择性破坏mTOR进一步加剧了CS在体内诱导的细胞死亡、炎症和肺气肿。总之，通过抑制肺部细胞死亡和炎症为mTOR在COPD发病机制中的保护作用提供了新的见解，mTOR的激活可能作为CS诱导的COPD的新治疗策略。长期接触空气中的颗粒物(PM)可以引起气道黏液分泌过多而阻塞小气道引起疾病的发生。Xu F等[33]发现坏死性凋亡与PM诱导的肺部炎症和黏液过度产生的发病机制有关，PM诱导线粒体活性氧(mitoROS)和早期生长反应基因-1(Egr-1)信号传导，最终激活两个不同的信号级联反应(NF-κB和AP-1通路)以诱导气道炎症和黏液过度产生，并且在应用坏死性凋亡的特异性分子抑制剂(如Necrostatin-1和GSK'872)后可以减少炎症并减轻PM暴露诱导的气道上皮细胞黏液过度产生。其研究结果与Chen DS等[25]的研究结果不完全一致。Mao KM等[34]发现在慢性脂多糖(LPS)暴露下，褪黑素可以抑制支气管上皮细胞中RIPK1、RIPK3和MLKL的表达和磷酸化，而阻断褪黑素受体1/2(MT1/2)则逆转了这种作用，这表明褪黑素不仅可以减轻慢性LPS诱导的小鼠肺部破坏和慢性肺部炎症，还可以减少坏死性凋亡的发生。因此，激活MT1/2也可能是一个抑制坏死性凋亡的位点。

5.2抑制线粒体自噬 Mizumura K等[22]在Beas-2B细胞中用线粒体自噬抑制剂Mdivi-1治疗减少了体外坏死性凋亡的CS依赖性激活，并且还改善了CS暴露小鼠中CS诱导的黏液纤毛清除破坏，这表明线粒体自噬在坏死性凋亡中发挥了作用，Mdivi-1可减少CSE诱导的细胞死亡。这一结论提示我们抑制线粒体自噬途径也可能是减少COPD发生发展的药物靶点。Son ES等[35]的研究指出CSE可以通过诱导肺上皮细胞线粒体自噬和线粒体功能障碍导致线粒体自噬调节蛋白PTEN诱导的PINK1和线粒体裂变蛋白dynamin-1样蛋白(DRP-1)的表达水平升高，但用槲皮素(QUE)处理上皮细胞可以抑制磷酸-DRP-1和磷酸-PINK1的表达，进一步来抑制CSE诱导的线粒体功能障碍和线粒体自噬。除了QUE，罗氟司特也可以通过抑制CSE诱导的线粒体功能障碍和线粒体自噬导致的细胞死亡进而减少肺部炎症[36]。这两项研究表明通过对线粒体自噬途径的抑制，可以减少肺部炎症及细胞死亡，进而减少COPD的发生。Dera AA等[37]的研究发现百里醌(Tq)不仅可以通过稳定PINK1水平减少坏死性凋亡标志物水平，还改善了由CSE引起的线粒体功能障碍，并显著降低了线粒体自噬标志物。也就是说，Tq对由CSE引起的人支气管上皮细胞线粒体自噬依赖性坏死性凋亡具有保护作用，但其具体作用机制目前在体内研究并不详尽。

综上所述，大量研究已经在线粒体自噬及坏死性凋亡的调控机制上研究新的COPD治疗靶点及药物。相对以往的治疗手段来讲，现在提倡精准治疗，针对个体的精准治疗方法对于有效预防和治疗COPD非常重要，可延缓其发生发展。大量的证据证明CS暴露可以促进COPD的发生发展，CS导致COPD的机制也成为治疗COPD的重要靶点。通过现有的抑制线粒体自噬以及坏死性凋亡通路的研究，我们可以发现，正确的阻断传导通路，可以明显减少COPD的发生发展。这也说明未来的研究可以在传导通路的其他位点上进行更深一步的探索。

6 ZBP1与COPD

以往的研究大致解释了坏死性凋亡与COPD的关系以及坏死性凋亡如何在COPD中进行调控，并且有相关研究揭示了线粒体自噬可以促进上皮细胞的坏死性凋亡，进一步导致COPD的发生，但是这一机制目前尚未完全阐明，仍需进一步研究。ZBP1不仅是病毒RNA的产物，并且还是内源性核酸配体的关键先天免疫传感器，它可以通过与细胞质中的核酸相互作用，从而诱导NF-κB和感染时调节因子的活化，随后诱导IFN和炎性细胞因子的表达，进而参与细胞的程序性死亡[38]。Lee S等[39]发现黑色素瘤缺乏因子2(AIM2)、热蛋白(pyrin)、ZBP1、凋亡相关斑点样蛋白(ASC)、半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-1(Caspase-1)、半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-8(Caspase-8)、RIPK3、RIPK1、Fas相关死亡域蛋白(FADD)等组成一个大型多蛋白复合物，共同驱动炎性细胞死亡。有研究指出，ZBP1通过RHIM结构域与激酶RIPK1、RIPK3相互作用，在不同条件下作为程序性细胞死亡和炎症反应的中心调节剂发挥作用[40]。当Caspase-8被阻断时，表达高水平ZBP1的细胞会发生坏死性凋亡，并且ZBP1会与细胞中的内源性RNA交联，这表明ZBP1可以感知自身RNA的模型，但仅在足够水平的下游信号组件(如RIPK3)可用时才参与坏死性凋亡机制[41]。研究发现ZBP1可参与肿瘤等多种细胞坏死性疾病的发生与发展[42]，例如：ZBP1在临床前癌症模型的肿瘤发展过程中介导肿瘤坏死，并发现ZBP1表达在坏死肿瘤中明显升高，其缺乏可在肿瘤发展过程中阻止肿瘤坏死并抑制转移。Devos M等[43]发现ZBP1在RIPK1缺陷的角质形成细胞中诱导细胞内在的ZBP1-RIPK3-MLKL促坏死级联信号，从而导致炎症性皮肤病。现有研究已证实在人类COPD肺组织中PINK1和RIPK3的表达升高[22]。并且CSE诱导的MLKL磷酸化在体外和体内都依赖于RIPK3[25]。Wang Y等[24]认为CS诱导的气道上皮细胞炎症反应和黏液过度产生可能通过坏死性凋亡的上调和随后激活NF-κB和AP-1途径发生。且ZBP1可以与RIPK3相互作用，还可以诱导NF-κB途径进一步调控坏死性凋亡[18,38]。

综上所述，这些研究提示ZBP1可参与细胞坏死性凋亡的调控。而坏死性凋亡又可参与COPD的发生发展，两者是否存在一定的联系，鉴于目前ZBP1与COPD的关系研究较少，仍需进一步的探索。

7 展望与研究

细胞坏死性凋亡作为一种程序性死亡方式，现有研究已提示其与多种疾病的发生机制密切相关。目前COPD与坏死性凋亡之间关系的研究多在基础实验中进行，在人类的研究中较少，不能更好的指导用药。并且坏死性凋亡通路的分子机制以及各级信号分子的关系仍未研究透彻，这些不同的信号传导通路分子可能是提高COPD治疗效果的潜在方向之一。ZBP1作为坏死性凋亡调控机制中关键的蛋白，但目前尚未见到针对ZBP1在COPD中的作用的相关研究。那么，COPD中肺上皮细胞的坏死性凋亡是否与肺上皮细胞中ZBP1的过表达相关？我们是否可以围绕ZBP1对COPD的坏死性凋亡调控机制行进一步的研究？以上问题有待解决。同时，为了更好对COPD进行有效治疗，我们仍需要继续研究如何合理应用相关靶点抑制剂才能更好的阻止COPD的进展，进而改善临床预后。