葡萄糖稳态在下呼吸道感染中的研究进展

刘丽红 王红虹 孙瑞琳

下呼吸道感染是一个广受关注的公共安全问题,在世界范围内造成严重疾病和经济负担[1-2]。尽管由于医疗保健的进步及抗生素的使用,下呼吸道感染死亡率明显下降[3],但年龄标化后其死亡率和伤残调整寿命年龄在70岁以上的老年患者中改善并不显著,下呼吸道感染仍是导致死亡的主要感染性原因[2],部分要归因于抗生素耐药及新型抗菌药物研发陷入瓶颈。众所周知,血糖控制不佳会增加包括肺炎在内的各种感染风险[4],已有不少研究证实血糖、气道葡萄糖及炎症之间存在密切关系[5-6],为下呼吸道感染的治疗提供了一种新的思路。本文就葡萄糖稳态在下呼吸道感染中的研究进展进行综述。

一、葡萄糖稳态与炎症的关系

1 气道葡萄糖与炎症

在动物实验和体外模型中,均发现气道表面液体(airway surface liquid,ASL)葡萄糖浓度的升高会增加细菌负荷,使炎症指标显著升高[7-8]。在H441上皮细胞共培养模型中发现果糖也会促进气道表面细菌生长,而对果糖吸收和代谢障碍的突变株而言,葡萄糖促进其生长,在添加果糖的模型中则生长受抑制[9],证明了细菌可以直接利用气道中存在的糖来促进生长。对慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases ,COPD)患者进行实验性鼻病毒感染后,鼻灌洗液葡萄糖浓度与基线值相比显著增加,痰液葡萄糖浓度与炎症细胞计数、IL-1、IL-8、TNF之间存在显著相关性,而肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中葡萄糖浓度却无明显增加[10],感染引起葡萄糖浓度升高是否为局部作用尚需进一步探讨,这为局部用药来预防和治疗呼吸系统感染提供一种可能。

2 血糖与气道葡萄糖

在生理情况下,人体ASL中葡萄糖浓度为0.40 mmol/L,远低于正常人血液当中的葡萄糖浓度(约12倍)[11]。在动物实验中,无论是db/db小鼠还是四氧嘧啶或链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠的血糖浓度均明显升高,其ASL中葡萄糖浓度也相应升高[7-8,12-13];在H441或原代上皮细胞体外共培养模型中,随基底侧葡萄糖浓度升高,ASL中的葡萄糖浓度也发生同步变化[11];同样的现象在人类的鼻腔分泌物、BALF当中也能观察到[10]。

3 高血糖与炎症

在动物实验中,糖尿病小鼠(db/db小鼠)鼻腔接种金黄色葡萄球菌[8]或铜绿假单胞菌[7]后,呼吸道细菌数量明显多于野生型(wt小鼠);先前也有研究证明高血糖会抑制气道祖细胞的增殖,从而不利于气道炎症修复[14]。在气道上皮-细菌共培养模型中,模拟机体高血糖状态,发现基底侧葡萄糖浓度以剂量依赖的方式促进金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌的顶端生长[8]。在烧伤领域有研究发现[15],全身血糖水平升高超过150mg/dL与烧伤后肺炎的发生率显著相关,且炎症指标C-反应蛋白(C-reactive protein,CRP)显著升高。一项多中心前瞻性队列研究[16]发现在社区获得性肺炎(community-acquired pneumonia,CAP)中未确诊糖尿病(diabetes mellitus,DM)和糖尿病前期患者的比例分别为5.0%和37.5%,并建议临床医生将CAP作为检测DM/DM前期的一个时机,可见高血糖是呼吸道感染的一个重要危险因素。

综上所述,血糖升高可引起气道葡萄糖增加,当血糖和ASL葡萄糖浓度增加先于感染发生时,可观察到细菌负荷、血象、炎症指标(CRP、IL-1、IL-8等)升高的现象,先前已经证实培养基中葡萄糖可以作为碳源为病原菌提供生长所需的营养物质,这就可以解释为什么高血糖患者感染易感性增加;在既往无糖尿病的人群中,当感染发生时如普通感冒及实验性鼻病毒诱导COPD加重等,可以认为炎症出现在血糖升高之前,排除血糖影响,发现ASL葡萄糖浓度竟然也升高了。由此可见高血糖增加感染风险,感染再次引起ASL葡萄糖浓度升高,为细菌生长提供营养,最终形成恶性循环。

二、气道葡萄糖的转运和代谢机制

生理情况下气道表面与血液中葡萄糖浓度相差较大,血液、间质液中的葡萄糖通过渗透作用进入气道表面,同时通过葡萄糖转运蛋白实现葡萄糖的清除,任何破坏这种动态平衡的因素均会导致ASL葡萄糖浓度升高,增加感染风险。

1 紧密连接与渗透作用

L-葡萄糖是一种代谢惰性的、不可转运的D-葡萄糖立体异构体,Kalsi K. K.等人利用L-葡萄糖来研究葡萄糖的跨膜作用发现[17]H441单层上皮顶端[14C]-L-葡萄糖出现率与未标记L-葡萄糖出现率在各时间点均无显著差异,并且随着跨上皮细胞电阻(transepithelial electrical resistance,TEER)增加,顶端L-葡萄糖呈指数衰减趋势,而TEER与孔径的大小相关。在后续研究中,Garnett J.P .[9]等人发现高血糖对TEER无明显影响,而金黄色葡萄球菌则会使TEER显著降低,从而使气道葡萄糖浓度增加。在较大的跨膜浓度梯度的驱动下,似乎可以认为葡萄糖是通过H441上皮细胞之间紧密连接的孔隙进行细胞旁扩散。

实现物质的被动扩散需要满足通透性和驱动力两个条件。气道上皮中的紧密连接由包括连接粘附分子、claudins和occludins在内的蛋白质组成[11],在尘螨引起的过敏性鼻炎患者中发现上皮屏障功能受损与occludin的表达降低有关[18],因此我们可以认为炎症可以下调包括occludins等蛋白的表达,而影响上皮间紧密连接,使膜通透性增加。ASL与血液中葡萄糖浓度相差较大,在如此大的驱动力之下,生理状态下ASL中几乎测不到葡萄糖,一方面由于本身气道上皮对葡萄糖的通透性较小,另一方面存在葡萄糖转运体[19],将ASL中葡萄糖重吸收,从而保持气管腔和肺泡内“低糖状态”。

2 呼吸道葡萄糖转运和代谢

气道和肺上皮通过转运蛋白重吸收葡萄糖,达到清除ASL中葡萄糖的目的,这些转运蛋白主要分为两类:一是促进性葡萄糖转运蛋白(glucose transporter,GLUT),二是钠偶联葡萄糖转运蛋白(sodium-glucose co-transporters,SGLT),而它们各自又存在不同的亚型。Deborah L. Baines[20]等人对于各转运蛋白的亚型进行分析总结,结合它们在肺中的分布表明,GLUT在近端气道(气管、支气管、细支气管)中占主导地位,而SGLT在远端肺组织中占主导地位,这与Baker E.H.[11]和 Garnett J.P.[19]等人的观点一致。Astrand A.[7]等人发现介导大鼠肺中葡萄糖转运的蛋白为SGLT1,而不是SGLT2。后续研究发现[13]SGLT1介导的葡萄糖转运部分是通过cAMP-PKA途径实现的,并证明了与SGLT1从细胞内到肺泡细胞的管腔膜上的转移相关。

过量葡萄糖及炎症刺激会促进气道上皮GLUT1蛋白表达上调,一方面通过糖酵解途径将葡萄糖迅速代谢为乳酸,减少ASL中葡萄糖浓度,另一方面乳酸增加及GLUT1蛋白参与TH17细胞等介导的炎症反应在一定程度上促进炎症的发生发展[21-25]。

三、气道葡萄糖稳态的调节

在了解影响葡萄糖稳态的相关因素及其转运和代谢机制后,我们就可以针对性的从以下几个方面来调节呼吸道葡萄糖稳态。

1 控制血糖

血糖升高会引起ASL中葡萄糖浓度升高,为细菌滋生提供营养物质,感染风险增加;同时通过糖酵解产生乳酸及上调GLUT1蛋白参与炎症细胞激活,进一步促进炎症的发生发展,因此严格控制血糖对于下呼吸道感染预防和控制极其重要。

2 降低上皮细胞通透性

在动物实验中,糖尿病小鼠经腹腔注射二甲双胍预处理后,BALF中的葡萄糖浓度降低,细菌负荷减少,但其血糖却未明显降低,且葡萄糖摄取实验证明D-葡萄糖的摄取与二甲双胍无关[8],那么此时二甲双胍降低BALF中葡萄糖浓度就可能存在另外的机制。目前有两项研究均证实二甲双胍会增加occludin和claudin-1的丰度,使跨上皮电阻增加,AMPK激动剂和二甲双胍会减弱铜绿假单胞菌诱导的TEER的降低,并且对细菌生长的限制也有类似的减弱作用,但在AMPK抑制剂化合物C的存在下,未能显著改变细菌诱导的TEER下降[8,26],由此可见二甲双胍可以降低上皮细胞通透性,至少部分是通过激活AMPK来减少葡萄糖渗漏入气道。遗憾的是,在一项多中心、随机、双盲试验[27]中发现,二甲双胍并不能改善因COPD急性加重而住院的非糖尿病患者的血糖浓度升高,并且对CRP和临床结果无影响。有人对二甲双胍在COPD中的应用进行了系统评价[28],其中有5项研究均显示二甲双胍对于合并糖尿病的COPD治疗有效,能减少呼吸困难、改善预后,仅1项RCT研究显示二甲双胍对不合并糖尿病的COPD无明显效果。二甲双胍用于下呼吸道感染的临床研究目前尚欠缺,后续有待进一步探究。二甲双胍能增加上皮细胞间紧密连接蛋白的表达,这为二甲双胍能否局部用药控制呼吸道的葡萄糖浓度来减少细菌增殖提供一个设想,将有利于控制和预防非糖尿病患者的呼吸道感染。

另外,糖皮质激素[29]、1,25-(OH)2- VitD3[30]、过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR)γ激动剂(罗格列酮)[11]以及阿奇霉素[31]均会增加TEER,减少细菌引起的紧密连接蛋白表达的下降,从而降低葡萄糖通透性。但是目前很多研究已经证明糖皮质激素会增加感染易感性,减少葡萄糖的渗透作用将不足以抵消糖皮质激素引起的免疫力降低对机体的影响,因此对于已存在感染患者应慎用糖皮质激素。

3 促进葡萄糖转运

到目前为止,关于通过促进GLUT介导的葡萄糖转运来减少ASL中葡萄糖浓度的相关研究较少,最近一项研究发现正常大鼠BALF中存在基线胰岛素水平,胰岛素可以通过PKB/Akt信号通路刺激气道上皮中GLUT4的活性,增加葡萄糖的转运[32]。而对于SGLT已有不少研究,异丙肾上腺素是一种非选择性的β肾上腺素能激动剂,能诱导 SGLT1从肺泡细胞内迁移到肺泡细胞腔膜,增加SGLT1介导的肺泡葡萄糖转运;相反使用非选择性SGLT1、SGLT2抑制剂根皮苷则会减少BALF中葡萄糖的清除,使铜绿假单胞菌负荷增加[13]。达格列净是选择性SGLT2抑制剂,目前已作为一种新型降糖药广泛应用于临床。SGLT2主要在肾脏中表达,而肺泡上皮细胞仅存在SGLT1,故选择性SGLT2抑制剂对肺泡中葡萄糖吸收转运无影响,在动物模型中也证实这一结论[8],因此,抑制SGLT2而非SGLT1对呼吸道感染治疗至关重要,选择性SGLT2抑制剂达格列净具有很好的应用前景。

4 开发以参与葡萄糖摄取或代谢的细菌蛋白为靶点的药物

在体外共培养模型中,发现影响果糖吸收和代谢的金黄色葡萄球菌突变株在仅添加果糖的培养基上生长明显受限[7],可见抑制细菌对糖的利用直接影响细菌的生长繁殖,因果糖在体内浓度很低,研究针对果糖摄取和利用的细菌蛋白为靶点的药物,其临床意义有限,但该研究也为我们提供了一个思路,即开发以参与葡萄糖摄取或代谢的细菌蛋白为靶点的药物在呼吸道感染性疾病的治疗中可能有重大潜力。因为抑制细菌生长所需的营养物质,对几乎所有病原菌都适用,不存在特异性,也就不存在产生类似抗生素耐药的问题了。

四、结语与展望

综上所述,葡萄糖稳态对于呼吸道和肺部保持一个相对无菌的状态至关重要。无论是糖尿病控制不佳还是急性应激性血糖升高均会增加呼吸道感染的机会,并且与疾病严重程度、并发症及死亡风险增加相关。血糖升高或是急慢性肺部炎症均会引起气道葡萄糖浓度升高,引起感染的发生或加重,减少气道葡萄糖渗漏及促进葡萄糖转运和代谢以维持气道低葡萄糖状态是控制感染发生发展的有效措施。此外,在后抗生素时代,迫切需要开发可替代或联合用药的新的治疗方案,调节气道葡萄糖的稳态,从源头控制细菌生长所需要的营养物质,有望成为新的治疗靶点。