为什么磷脂会引起基质效应来源：国际呼吸杂志2020年第17期
作者：麦日排提·阿不力克木 常春 张丽娇 郭成林 商莹
北京大学第三医院呼吸与危重症医学科 100191
通信作者：常春
Email：doudou_1977@163.com
COPD是呼吸系统中的常见病和多发病，是以持续气流受限为特征的可预防和治疗的疾病。其气流受限呈进行性发展，与气道和肺组织的异常慢性炎症反应有关。因肺功能进行性减退，严重影响患者的劳动力和生活质量。COPD发病率和患病率居高不下，造成巨大的社会和经济负担[1]。预计到2020年，COPD将成为世界第三大死亡原因[2]。肺功能检查对确定气流受限有重要意义。根据慢性阻塞性肺疾病全球倡议[3]，在吸入支气管扩张剂后，第1秒用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)/FVC<0.7表明存在持续气流受限。尽管COPD传统的定义建立在肺功能检查上，人们发现随着年龄的增长，肺功能逐渐下降[4]，因此将FEV1/FVC<0.7作为诊断标准有可能导致健康的中年人和老年人的COPD误诊。另一方面，因为肺功能明显下降之前就启动COPD前期病理过程，有可能导致早期的轻度COPD患者的漏诊[5]。最新研究表明不同表型的COPD肺功能有所差异，例如肺气肿型[6]、慢性支管炎型[7]或频繁急性加重型[8]。这些表型的具体分子机制仍不清楚，但是有些研究通过使用若干组生物标志物的组合，发现炎症在鉴别这些表型中起到重要作用[9,10]。在此背景下，有学者把研究方向转向了COPD发病机制以及相关分子代谢产物，试图从中寻找新的生物标记物以及治疗靶点。目前为止，人们发现COPD发病与吸烟有直接相关性[11]。吸烟刺激细胞产生促炎因子，引起局部炎症细胞浸润。在肺周围组织中积聚的各种炎性细胞会释放蛋白酶和氧化剂，破坏或降解细胞外基质。此外，烟雾颗粒和炎性细胞释放的炎症因子使蛋白酶抑制剂失活，引起细胞衰老和凋亡。在肺气肿型COPD的肺泡壁的中度纤维化也很常见[12]，甚至在早期的研究中认为肺纤维化与慢性炎症一样，是COPD重要的病生理表现之一[13]。最新的研究表明，体液中的溶血磷脂与上述吸烟、慢性炎症、氧化应激、细胞凋亡以及肺组织纤维化等密切相关。
溶血磷脂是二酰基甘油磷脂母分子的单酰基衍生物，具有洗涤剂样性质，最初因其能使红细胞裂解而被命名为溶血磷脂[14]。溶血磷脂在磷脂酶的作用下磷脂失去一个脂肪酰基而生成，包括溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid，LPA)、溶血磷酯酰丝氨酸(lysophosphatidylserine，LPS)、溶血磷脂酰胆碱(lysophosphatidylcholine，LPC)、溶血磷脂酰甘油(lysophosphatidylglycerol，LPG)、溶血磷脂酰乙醇胺(lysophosphatidylethanolamine，LPE)等。曾经认为溶血磷脂(lysophospholipids，LPLs)仅仅是磷脂合成过程中的代谢副产物或中间体，但是最近20年的研究发现LPLs作为重要的信号传递介质，具有广泛生物效应。如，已有研究发现LPLs在肿瘤发生、神经发育、免疫、血管形成等方面有一定作用[15]。虽然目前缺乏有关溶血磷脂在COPD中变化水平、信号通路及作用机制的研究，但已有不少研究探讨溶血磷脂与吸烟以及气道慢性炎症、氧化应激、细胞凋亡、肺组织纤维化等COPD病生理过程之间的关系。
COPD中吸烟引起肺部的炎症反应，导致炎性细胞的局部浸润。发现中性粒细胞、巨噬细胞、T淋巴细胞以及嗜酸粒细胞和肥大细胞都与慢性支气管炎或COPD有关。其中T细胞的活化及增殖有特殊意义[16]。中性粒细胞也是COPD中重要的浸润性炎症细胞。COPD中这种炎症状态与很多代谢通路的紊乱相关，其中也包括脂质的生物合成及代谢[17]。
溶血磷脂可以直接招募、激活T细胞、B细胞以及巨噬细胞。免疫细胞表达多种溶血磷脂受体，这些受体在细胞增殖、迁移、黏附、细胞因子释放及凋亡等基本免疫过程中发挥重要作用[18]。
LPA是最简单的磷脂，它由磷酸盐、甘油和脂肪酸组成[19]。尽管结构简单，LPA在各种细胞类型中引起多种细胞应答。此后人们开始在动物模型或气道疾病模型中研究LPA在气道细胞中的免疫、炎症、修复及重塑等过程中的作用。在随后的相关研究中发现，LPA可以调节细胞因子和脂质介质的表达和释放，如IL-8、IL-13、环氧合酶2以及前列腺素E2等。同时LPA调节核因子κB(nucelar factor-kappa B，NF-κB)，CCAAT/增强子结合蛋白β等转录因子水平，激活蛋白激酶C[20]。上述炎症因子及免疫过程在维持COPD慢性炎症状态中起重要作用。
有关LPA对淋巴细胞影响作用在1995年由Xu等[21]报道，研究中用LPA以及LPS处理Jurkat淋巴细胞系后引起的细胞钙应答，提出LPA刺激Jurkat淋巴细胞增殖。被佛波醇酯类激活后，LPA增加了IL-2的产生。因此，LPA可能会促进并激活T细胞的增殖。
迄今为止，有报道称LPA促进细胞增殖和迁移，血小板聚集，平滑肌收缩，肌动蛋白应激形成以及细胞因子和趋化因子的分泌[22]。
LPC是生物活性溶血脂质，在循环中以高浓度存在，主要与白蛋白和脂蛋白结合。LPC是由磷脂酶A2(phospholipase A2，PLA2)水解磷脂酰胆碱后产生，是细胞在炎症状态下为了维持磷脂稳态而产生的脂质介质[23]。在炎症或氧化应激状态下，分泌型PLA2活性增强，同时细胞膜和磷脂发生氧化修饰，导致LPC在局部和循环血中的浓度大量增加[24]。由此产生的LPC通过调节免疫细胞的功能，参与到炎症过程和免疫应答反应中。LPC也被认为是某些慢性炎症疾病的病因。LPC通过G蛋白耦联受体GA2行使其功能，最近研究发现了GA2的生物活性和功能，如能够调节巨噬细胞和T细胞迁移的作用[25]，促进中性粒细胞和巨噬细胞活化以及调节凋亡细胞和活化中性粒细胞的吞噬作用[26]。
LPC是气道表面活性剂的成分，可以增强动物模型中的病毒基因转移。在研究LPC对小鼠鼻腔气道体内病毒载体基因转移效率的影响时，发现LPC给药后仅一小时足以诱导气道屏障功能[27]。
除此之外，作为促炎性溶血磷脂，LPC参与调节T细胞功能和免疫。在活化的小胶质细胞(脑巨噬细胞)中发现LPC可以触发IL-1b的生成和释放[28]。据报道，LPC可增强干扰素和转化生长因子的表达[29]，从而起到促炎作用。
LPS广泛存在于体液中，但其浓度明显低于LPC。LPS由磷脂酰丝氨酸特异性磷脂酶水解磷脂酰丝氨酸而产生。正常情况下磷脂酰丝氨酸主要位于细胞膜内层中，当细胞凋亡或被细胞因子活化时，磷脂酰丝氨酸被转运到细胞表面后被磷脂酰丝氨酸特异性磷脂酶水解产生LPS[30]。
尽管在结构方面与其他磷脂有重叠，但LPS在启动急性炎症的早期及消退阶段的调节过程中发挥着独特的信号转导作用。LPS最具特征的作用是刺激肥大细胞脱粒反应，显著增强了组胺释放和类花生酸的产生。最近，新发现LPS在促进巨噬细胞吞噬凋亡细胞(所谓的胞葬作用)和炎症消退方面的作用。Frasch等[26]发现，LPS通过氧化依赖机制在中性粒细胞中产生，其主要作用是促进巨噬细胞吞噬中性粒细胞，而起到内源性抗炎作用，有助于消除炎症反应。目前为止，有关LPS在慢性炎症中作用机制及在气道中的特异性表现的研究仍在少数。需要进一步确定产生LPS的细胞和酶以及LPS信号转导途径，有助于开发靶向LPS相关酶和受体的药物。
LPE在人体内由磷脂酶A2水解PE而产生，主要存在于人血清中，同时也是细胞膜的微量成分。与其他磷脂相比，有关LPE作为生物活性物质的研究较少。目前为止发现LPE在细胞介导的细胞信号转导和其他酶的活化中起作用[31]。
最近，LPE(16∶0)与牛磺胆酸和LPC(22∶5)一起被认定为可用于区分肝癌不同阶段的\"标记代谢物\"[32]。Hung等[33]在小鼠实验中证实口服LPE的抗炎作用。研究中使用酵母聚糖诱导了小鼠急性腹膜炎，口服给予LPE，发现多不饱和酰基LPE可以降低LTC4的形成，LTC4是负责血管通透性的脂质介质，同时可以促进一些强力趋化因子的产生。还观察到促炎介质(IL-1b、IL-6、肿瘤坏死因子α和一氧化氮)水平降低，而抗炎介质IL-10水平有所增加。总体而言，目前还没有LPE在人体气道炎症中作用的研究，但是通过小鼠实验结果可以发现口服LPE具有抗炎作用。
LPG是磷脂酰甘油从头合成的前体，占总磷脂的1%。除此之外，LPG诱导信号分子的磷酸化从而参与调节细胞反应，如LPG可以刺激人脐静脉内皮细胞和人自然杀伤细胞的趋化迁移[34]。LPG通过促进内皮细胞管样结构的形成和刺激趋化因子，调节人脐静脉内皮细胞的生物反应。Jo等[35]发现LPG刺激自然杀伤(natural killer，NK)细胞的迁移。研究中发现LPG强烈刺激NK细胞的趋化迁移，并且发现LPG诱导的NK细胞趋化迁移的效力与LPA相似。
在Shim等[36]的研究中，LPG选择性地抑制人类吞噬细胞中甲酰肽受体样1激动剂诱导的趋化和迁移作用。同时LPG可以抑制另一种甲酰肽受体样1激动剂——血清淀粉样蛋白A，从而阻断血清淀粉样蛋白A在人单核细胞和中性粒细胞中产生IL-1b的作用。因此，认为LPG可能具有抗炎作用。目前为止，与LPG相关的细胞受体还未被确定，因此就LPG在炎症反应中的作用也尚未形。
溶血磷脂独立地或作为复杂系统的一部分，诱导、加强、抑制或调解特定的免疫反应。因此溶血磷脂在免疫监控中有重要作用，因此很有必要研究整个溶血磷脂网络，从而进一步了解溶血磷脂各个成分在免疫系统中的生物功能。
氧化-抗氧化失衡是COPD发病机制中的重要因素之一[37]。在COPD中，吸烟引起的氧化负担增加以及白细胞和巨噬细胞释放的活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加是氧化应激的主要原因。ROS水平的增加或长时间暴露可能导致核酸、蛋白质、碳水化合物或脂质的病理改变，从而导致细胞代谢的改变[38]。
磷脂氧化后其生物活性发生变化。研究中发现，高水平的氧化磷脂可能直接或间接参与Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)信号转导，导致肺损伤。其具体机制是TLR4的刺激可以触发NF-κB通路的激活[39]。NF-κB属于转录因子家族，它参与调节炎症反应和细胞反应，从而在COPD气道炎症中发挥重要作用。
Yang等[40]研究氧化应激条件下内皮细胞的脂质代谢、分布及相关信号通路的变化情况。对照组内皮细胞与H2O2处理后内皮细胞磷脂分布的比较表明，H2O2激活cPLA2活性，促进LPEs、LPCs及花生四烯酸生成，由此参与过氧化氢诱导的内皮细胞损伤。Telenga等[41]在研究COPD患者痰中脂质的分布时，发现LPE在吸烟COPD患者痰液中浓度增高，他们认为，这一发现一方面跟上述PLA2的活性增加有关，另一方面，氧化应激会直接作用于磷脂，使之降解成为溶血磷脂。
LPC是磷脂酰胆碱在低密度脂蛋白的氧化修饰过程中产生，是一种脂质过氧化产物，参与多种疾病的发病，其中LPC在动脉粥样硬化中的氧化作用研究的比较多。Inoue等[42]研究了牛主动脉内皮细胞中LPC的作用，发现LPC可能激活内皮细胞NADH/NADPH氧化酶，从而促进过氧化物产物的产生。Kim等[43]用LPC处理人脐静脉内皮细胞，发现LPC作用于内皮细胞，产生过多的一氧化氮和ROS，从而引起内皮细胞损伤。而LPC的这种作用可以被内皮型一氧化氮合酶制剂和抗氧化剂阻断。
综上所述，溶血磷脂在氧化应激中有着双重作用。一方面溶血磷脂为脂质氧化产物(如LPE)，可作为氧化应激生物标记物。另一方面溶血磷脂可以促进过氧化物的生成，参与到氧化应激机制中。进一步研究溶血磷脂在COPD的氧化应激中的作用很有意义，可以以此作为氧化防御靶点，减少COPD中的氧化损伤。
凋亡细胞的清除需要两个关键步骤：识别和吞噬；这个过程由凋亡细胞表面的\"eat-me\"信号介导。在凋亡细胞中PS由PLA2水解成LPS并转移到细胞膜表面，作为\"eat-me\"信号在凋亡细胞的识别中起重要作用。在凋亡过程中细胞分泌趋化因子，刺激单核细胞和巨噬细胞的迁移。发现凋亡细胞分泌的趋化因子是LPC。在凋亡细胞中caspase-3激活钙独立磷脂酶A2的活性，从而促进LPC的生成和释放[45]。
因为除了磷脂酰胆碱，其他磷脂如磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺以及磷脂酸等均可作为LPA2的底物生成相应的溶血磷脂，因此需进一步确定其他磷脂及溶血磷脂在凋亡细胞中的作用。研究中分别检测了磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酸、血小板活化因子及鞘氨醇-1-磷酸对单核细胞的趋化作用，发现只有LPC具有趋化作用，并且其趋化作用呈浓度依赖性。
综上所述，细胞凋亡是一个复杂的过程。在凋亡过程中细胞表达\"eat-me\"信号和趋化信号，前者以LPS为代表，而后者为LPC。结合COPD中有关细胞凋亡的病理变化，我们分析在COPD中可能存在LPS及LPC的异常，阻碍凋亡细胞被巨噬细胞及单核细胞识别和吞噬，从而减少凋亡细胞的清除。
LPA激活其G蛋白耦联受体LPARs以发挥不同的细胞效应，如介导细胞内钙离子活化、腺苷酸环化酶抑制和丝裂原活化蛋白激酶激活等，调控细胞存活和细胞凋亡[46]。
Ediger和Toews[47]研究人气道平滑肌细胞(human airway smooth muscle，HASM)中LPA的细胞增殖作用。这种作用是由Ca-LPA沉积而并非是游离的LPA介导的。发现在无钙离子培养基中的低浓度LPA刺激有丝分裂。然而，较高浓度的LPA完全丧失了上述作用。当LPA浓度达到100 μmol/L时，诱导HASM细胞凋亡。因此可以发现不同浓度的LPA对HASM起不同作用。
综上所述，LPA在细胞存活和凋亡中的作用十分复杂，取决于其浓度、受体类型及细胞类型。提示在研究LPA在COPD中的细胞凋亡机制时需要考虑以上多种因素。
已有报道COPD患者或无症状吸烟者的细支气管周纤维化和间质损害。COPD中肺组织破坏的机制与重复性吸入性损伤刺激的组织修复过程有关。这种类型的组织修复与单一损伤后的组织修复过程不同。两者都可以激活凝血级联反应来启动损伤控制并刺激炎症反应，从而保护组织免受感染并启动死亡和死亡组织的清除，但主要区别在于在单次损伤后，成纤维细胞迁移进入组织，炎症过程消退，最终形成永久性瘢痕的基质，而重复性损伤导致持续炎症，引起组织破坏，最终导致纤维化[48]。
与肺损伤的伤口愈合反应相关的是，LPA在体外调节上皮细胞和成纤维细胞凋亡、成纤维细胞迁移和肌成纤维细胞分化、血管渗透性和转化生长因子β信号转导等过程[49,50,51]。此外，最近的研究已经证实了LPA在体内调节肺纤维化发展中的重要作用。Tager等[52]用博来霉素诱导小鼠肺纤维化，发现在支气管肺泡灌洗液中LPA水平升高，而LPA1受体缺陷小鼠用博来霉素处理后肺纤维化程度和病死率显著低于对照组小鼠。Swaney等[53]用特异性LPA1受体拮抗剂后，博来霉素处理的小鼠肺组织没有出现纤维化。因此，LPA1在诱导肺纤维化中起到关键作用。LPA-LPA1受体信号通路诱导肺纤维化的具体机制为，该信号通路促进内皮细胞的凋亡、增加血管通透性、促进成纤维细胞分化以及激活转化生长因子β。
由于肺纤维化一旦形成就难以逆转，通过中断促成纤维发生的上游信号通路来预防纤维化的策略可能具有最大的治疗效果。因此LPA-LPA1受体信号通路在预防并治疗COPD中的纤维化有着重大意义。
目前为止，COPD发病率和患病率居高不下，因肺功能进行性减退，严重影响患者的劳动力和生活质量，造成巨大的社会和经济负担。因此早诊断、早治疗成为了COPD临床目标。溶血磷脂在COPD发病机制的研究表明，其参与并调控COPD患者呼吸道炎症、氧化应激、细胞凋亡以及纤维化等过程，对COPD的发生、发展起重要作用，有望成为COPD临床标志物及治疗靶点。然而，目前有关溶血磷脂在COPD中的表达水平、代谢通路及具体作用机制的临床研究相对较少，值得开展更为严谨的基础实验及临床研究。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献 略
