细胞凋亡与慢性阻塞性肺疾病的相关性研究

[摘要] 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的发病率及死亡率都非常高，并且经济负担重，其发病机制至今仍未非常清楚。本文综述除慢性炎症、蛋白酶失衡、氧化与抗氧化失衡3种机制以外的近年来新发现的另一机制——细胞凋亡—抗凋亡失衡机制，这一机制在COPD患者慢性炎症细胞、肺内实质及间质细胞凋亡异常，以及与之前3种机制的相互联系。

[关键词] 细胞凋亡；慢性阻塞性肺疾病；氧化与抗氧化失衡；蛋白酶失衡

[中图分类号] R562 [文献标识码] A [文章编号] 1674—4721（2012）09（c）—0013—03

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种以气道阻塞为特点的慢性呼吸道疾病，是一种可防可治的疾病。它是目前患病率最高的慢性呼吸系统疾病，社会负担重，死亡率高，已成为一个重要的公共卫生问题。2002年世界卫生组织（WHO）将COPD列为世界疾病经济负担的第四位，并且其患病率及致死率有逐年上升之势[1]。慢性阻塞性肺疾病（COPD）的发病机制至今仍尚未非常清楚，除了肺部的慢性炎症、蛋白酶失衡、氧化与抗氧化失衡等在COPD发病中起重要作用以外，越来越多的研究[2—4]表明，细胞凋亡是在COPD的发生、发展过程中又一个应当引起相当重视的机制。

细胞凋亡是一种由一系列相互关联的基因控制的主动程序性的细胞死亡过程，是机体清除损伤、衰老细胞的“自杀式”死亡，凋亡及坏死作为细胞死亡的两种主要方式，最重要的相异之处是凋亡的细胞DNA发生片段化形成很多凋亡小体，被巨噬细胞和邻近的细胞吞噬而不引起炎症反应。细胞凋亡在维持机体内环境稳定、多个系统的发育中起非常重要的作用，该系统异常表达（过度表达或表达不足）将导致许多疾病（如肿瘤、艾滋病、自身免疫性疾病）的发生。近年来，COPD患者的细胞凋亡异常研究也已成为一大热点，许多研究表明，COPD患者一方面存在肺内实质细胞及间质细胞凋亡表达过度，导致肺部的结构发生改变，肺气肿形成；另一方面，肺内炎症细胞凋亡不足使炎症细胞过多的聚集、激活，慢性肺部炎症持续加剧作用于气道及肺动脉，最终可导致气道阻塞及肺动脉高压。目前，依赖天冬氨酸特异性半胱天冬蛋白酶（caspase）家族参与的调节凋亡的途径有3种[5]：第一种途径为受体介导的外在途径，是由肿瘤坏死因子家族（如Fas—L、TNF—α）与细胞表面的死亡受体（如Fas、TNFR）结合经过一系列反应促使caspase—8酶原的激活，导致Caspase—8激活，而Caspase—8又激活caspase—3[6]，最终通过释放caspase活化的DNA酶完成凋亡[7]。第二种，线粒体内在途径，由线粒体释放细胞色素C与凋亡蛋白酶激活因子—1和caspase—9结合，活化了caspase—9和caspase—3，然后启动凋亡[8]。第三种是内质网途径，应激信号活化caspase—12[9—10]。也有报道无须caspase蛋白酶可以直接激活caspase[l1]。

1 COPD患者存在的异常凋亡

1.1 炎症细胞的异常凋亡

COPD患者慢性的炎症细胞浸润主要包括中性粒细胞、吞噬细胞、淋巴细胞等。中性粒细胞（PMN）的适度清除可控制炎症的发生、发展和转归，中性粒细胞凋亡不足在引起炎症状态持续的同时加剧免疫损伤。许多研究表明，COPD尤其是急性期的患者中性粒细胞凋亡异常[12—13]。Pletz MW等[14]通过检测36例急性加重期COPD住院患者及10名健康志愿者中性粒细胞的凋亡情况，表明了急性加重期COPD患者较健康志愿者中性粒细胞（PMN）凋亡明显减少，导致大量激活的PMN加剧肺部损伤。许多研究证明，COPD的患者存在sFas升高，sFas可以竞争性地与FasL结合，抑制凋亡途径Fas/FasL的活化，从而使中性粒细胞凋亡减少。还有研究表明，凋亡蛋白调控PMN的凋亡与细胞色素C相关[15]。有报道称吸烟导致的肺气肿患者的肺组织，肺泡巨噬细胞（AM）凋亡率很低，仅约0.3%。

许多研究表明，COPD患者外周血中CD8+T淋巴细胞增加、CD4+T淋巴细胞减少[16—17]。因此，一方面CD4+T淋巴细胞减少使细胞免疫功能低下，对病原处理的能力下降；另一方面，CD8+细胞增加不利于抗体产生、炎症的控制，导致肺部炎症反应迁延不愈，造成器官的损伤。高越等[18]报道COPD急性加重期外周血CD95（Fas）减少，提示COPD患者急性加重期T淋巴细胞凋亡水平低下的原因可能为Fas/FasL凋亡系统表达不足有关。而卓宋明等[19]研究表明，COPD患者外周血中CD4+细胞减少、CD8+细胞增加，且COPD患者CD4+细胞凋亡增加，与凋亡途径Fas/FasL的表达正相关及与抗凋亡因子Bcl—2表达负相关，提示凋亡途径Fas/FasL的表达增多及Bcl—2的表达下降对CD4+细胞凋亡起重要作用；相反的是COPD患者CD8+凋亡减少与上述因子的表达无相关性，故考虑CD8+凋亡可能与其他因素有关。Chrysofakis等对36例吸烟者并伴有COPD的患者、25名慢性吸烟不伴有COPD的男性及10名健康不吸烟者进行研究，发现COPD患者呼吸道CD8+T细胞，尤其是抑制性C（suppressTc，Ts）凋亡延迟，其原因并不清楚，可能与高表达穿透素（perforin）相关。故细胞凋亡机制影响COPD患者慢性炎症细胞中性粒细胞、吞噬细胞、淋巴细胞的凋亡数目的减少或功能的变化，导致炎症细胞过多的聚集、激活，释放炎性介质，加剧慢性炎症的损伤，促进病情的发展。

1.2 肺实质及间质细胞的异常凋亡

Segura—Valdez等对10例COPD的患者及5名正常对照组的离体肺组织进行研究，发现COPD患者的内皮、上皮及间质细胞细胞凋亡较正常对照组增高，其原因考虑与其金属蛋白酶的变化存在重大关系。Kranenburg AR等[20]观察患有COPD及非COPD患者的外科手术后的肺组织中发现，纤维原细胞生长因子（FGF，包括FGF—1及FGF—2）及相应受体FGFR在COPD患者的血管平滑肌、呼吸道内皮细胞及呼吸道平滑肌中表达同时增加，这一变化使血管平滑肌细胞凋亡能力与增殖能力失衡导致COPD患者肺功能的损伤。杨中飞等[21]也有类似的研究，通过免疫组织化学方法及原位缺口末端DNA碎片标记技术检测COPD患者及非COPD患者外科术后的肺组织，发现COPD患者存在着肺泡上皮细胞凋亡指数（AI）显著增高，增殖指数/凋亡指数比值（PI/AI）降低，表明肺泡上皮细胞主要以凋亡增多为主，使肺实质细胞损伤加剧，甚至形成肺气肿；而血管平滑肌PI显著增高、AI降低，PI/AI比值显著增高，这表明血管平滑肌主要以增殖为主，导致血管管腔增厚、堵塞，严重时引起肺动脉高压。Tang K等[22]通过Gre/Loxp靶向剔除技术实验性的去除小鼠抗凋亡VEGF基因，结果发现这些经过上述处理的成年小鼠肺部出现了肺泡扩大、肺气肿样改变。Kasahara Y等[23]将VEGF受体KDR抑制剂SU5416给小鼠皮下注射3周后，小鼠肺内肺泡细胞凋亡增多、肺气肿形成，但是SU5416不会抑制肺癌细胞的增殖，实验表明VEGF受体信号在维持肺泡结构方面是必需的，进一步表明了细胞凋亡机制与肺气肿的重大关系。Siafakas NM等[24]有报道说，肺气肿晚期患者尽管有强烈的血管重塑，但是检测其血浆的VEGF很低甚至测不到，表明VEGF可能与肺气肿的凋亡机制有关系。程燕子等[25]、廖德荣等[26]经体外实验研究发现，血管内皮生长因子（VEGF）可能是通过高表达抗凋亡因子bcl—2mRNA及低表达凋亡机制Fas/FasL中FasmRNA来实现对内皮细胞凋亡的抑制。

2 蛋白酶失衡学说与细胞凋亡

蛋白水解酶对组织有损伤、破坏的作用，而抗蛋白酶能拮抗上述作用。蛋白酶的增多或活性增强及抗蛋白酶的减少均可以导致肺部结构的异常、肺实质的破坏、肺气肿的形成。研究表明[27]，蛋白酶增加可使肺实质细胞发生凋亡，原因可能是肺内蛋白酶增加，破坏了肺实质细胞赖以存活的环境细胞外基质成分，这些细胞外基质成分的破坏可使其在氧化剂、炎症因子等促凋亡因子的作用下发生凋亡。有报道称，基质金属蛋白酶—7可以使上皮细胞产生的FasL激活，与细胞表面的死亡受体Fas结合进而激活caspase—3，从而介导细胞的凋亡。另外有报道称中性粒细胞弹性蛋白酶可以通过剪切巨噬细胞表面的Fas受体，产生sFas，sFas可以竞争性的抑制Fas受体与Fas受体配体结合，抑制凋亡细胞的识别，导致巨噬细胞吞噬能力下降，逃脱的凋亡细胞引起肺部炎症的加剧。Odaka C等[28]在体外的小鼠实验中发现巨噬细胞可自分泌白细胞蛋白酶抑制剂（SLPI）。蛋白酶抑制剂可以抑制蛋白酶的活性，可以减轻局部炎症的损伤。COPD患者中巨噬细胞的吞噬功能下降也许可以导致其产生蛋白酶抑制酶的能力也下降，从而使蛋白酶的对抗能力减少，引起组织的损伤。α1—抗胰蛋白酶（ATT）在香烟诱导内皮细胞凋亡中起到保护作用[29]。

3 氧化应激与细胞凋亡

有许多的研究表明，COPD患者的氧化应激增加。羟自由基、过氧化氢、一氧化氮、活性氧（ROS）等多种氧化物可以直接作用并破坏许多生化大分子如蛋白质，导致细胞功能障碍或细胞死亡，还可以破坏细胞外基质，引起蛋白酶—抗蛋白酶失衡，促进炎症反应等最终导致COPD的发生。许多研究证明，氧化应激与细胞凋亡机制存在相互促进的关系。Teramoto等研究证实，低浓度香烟提取物（CSE为10%～25%）导致细胞凋亡，而高浓度（CSE为50%～100%）则引起明显的细胞坏死，抗氧化酶谷胱甘肽转硫酶可对抗香烟提取物（CSE）引起的细胞凋亡，这一现象表明抗氧化剂或抗氧化基因可以抑制由CSE导致的细胞毒作用，使肺泡细胞凋亡减少，缓解肺气肿的形成。Kanazawa H等[30]最近研究表明，COPD患者诱导痰氧化应激水平增高，VEGF相应的减少，这些改变与疾病的严重程度呈线性关系。Tuder RM等[31]报道，在使用VEGFR阻滞剂的小鼠中，肺泡扩张，肺泡细胞凋亡，并且氧化标志物也增多，而使用了抗氧化剂则可以预防上述表现的发生，VEGFR阻滞致肺气肿的小鼠模型中，凋亡在肺部氧化应激的区域处于主导地位，实验性的被广谱的半胱氨酸抑制剂阻滞的凋亡基因可以使氧化应激信号的表达显著降低，这些提示均凋亡和氧化应激之间的正反馈作用。蔡珊等通过体外培养人脐静脉内皮细胞株，分别予不同浓度的香烟提取物（Cigarette smoking extract，CSE）干预，发现CES能导致内皮细胞氧化/抗氧化失衡及凋亡，并且其致凋亡作用呈时间及浓度依赖性，其氧化/抗氧化失衡与细胞凋亡有关。后来又在经香烟暴露所致的COPD大鼠模型中使用抗氧化物质N—乙酰半胱氨酸导致肺泡间隔细胞的凋亡指数下降，并且证明其是通过防止VEGF分泌减少及VEGFR2表达下调，从而减少肺泡间隔细胞的凋亡。

4 展望

综上所述，细胞凋亡在COPD的发病机制中占有非常重要的地位。一起与慢性炎症、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、氧化/抗氧化失衡等机制参与COPD的发生、发展。本文已经综述了细胞凋亡在COPD的重要性，下一步探讨促凋亡因子或者抗凋亡因子的异常表达能否反应COPD疾病的严重性，以及研究是否可以通过干预细胞凋亡（如外源性注入sFasL治疗使炎症细胞正常凋亡或肺气肿干细胞疗法使肺实质细胞再生）的方法为COPD的治疗开辟新的途径。

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（收稿日期：2012—08—02 本文编辑：陈 俊）

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