香煙煙霧引起的氧化應激在肺泡Ⅱ型上皮細胞損傷中的作用

張強弩（綜述），焦宗憲（審校）

（蘭州大學基礎(chǔ)醫(yī)學院病理學研究所，蘭州 730000）

肺泡Ⅱ型上皮細胞（typeⅡalveolar epithelial cells，AECⅡ）是構(gòu)成肺泡上皮的細胞之一。AECⅡ的細胞質(zhì)中具有儲存肺泡表面活性物質(zhì)的顆粒，稱為板層小體。板層小體可以合成、分泌肺泡表面活性物質(zhì)，因此AECⅡ細胞具有維持肺泡的張力，穩(wěn)定肺泡結(jié)構(gòu)的作用［1］。同時AECⅡ也是肺泡上皮的干細胞，它除了通過增殖生成新的同類細胞外，還可以分化為肺泡Ⅰ型細胞，所以AECⅡ在肺泡上皮的修復過程中具有重要作用［2］。鑒于此，AECⅡ的狀態(tài)和功能是肺組織病理轉(zhuǎn)歸的決定性因素，很多肺部疾病都與AECⅡ的損傷有關(guān)，比如慢性阻塞性肺?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）的發(fā)生，就與AECⅡ細胞的損傷有密切關(guān)系［3］。

香煙煙霧中含有1000多種氧化劑以及4700多種化合物，如反應性醛類等，這些物質(zhì)可產(chǎn)生自由基等氧化性物質(zhì)［4］。近期研究表明，香煙煙霧對AECⅡ細胞的損傷主要是通過氧化應激介導的［5］。氧化應激是常見的應激性損傷之一，由各種原因所致的氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)的失衡而引起。目前國內(nèi)外開展了很多關(guān)于香煙煙霧引起的氧化應激對AECⅡ造成損傷的研究，但其詳細機制尚未明確，也存在爭議。由于AECⅡ的重要功能以及它與肺部疾病的重要關(guān)系，關(guān)于香煙煙霧引起的氧化應激對AECⅡ影響和機制的研究具有重大意義，現(xiàn)將近期國內(nèi)外在此方面的研究綜述如下。

1 香煙煙霧引起的氧化應激導致細胞損傷的始動因素

長期接觸過量的氧化劑（如吸煙等）會導致體內(nèi)氧化劑積累過多，當抗氧化系統(tǒng)不足以抵抗過多的氧化劑時，機體氧化平衡被打破，即會發(fā)生氧化應激。很早就有研究表明，香煙煙霧中含有大量超氧陰離子等強氧化劑，可通過以一系列反應，產(chǎn)生并構(gòu)成活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）。在香煙煙霧引起的氧化應激中，損傷因素主要來源于ROS。ROS包括:超氧陰離子、過氧化氫（H2O2）、氫氧自由基（·OH）等。氧化應激可通過ROS對細胞的脂質(zhì)、糖、蛋白質(zhì)以及DNA等產(chǎn)生損傷，從而造成細胞損傷［6］，因此 ROS是香煙煙霧引起的氧化應激對AECⅡ造成損傷的始動因素。

2 香煙煙霧引起的氧化應激對AECⅡ的損傷作用以及相關(guān)機制

目前與香煙煙霧引起的氧化應激在AECⅡ損傷中的作用相關(guān)的研究主要集中在以下三個方面:①氧化應激誘導的AECⅡ凋亡。②氧化應激和炎性反應相互作用，從而對AECⅡ造成的損傷。③氧化應激對AECⅡ結(jié)構(gòu)和功能的直接破壞。

2.1 氧化應激誘導的細胞凋亡 凋亡學說是繼氧化/抗氧化失衡學說之后，此領(lǐng)域內(nèi)的新興學說之一。香煙煙霧誘導的氧化應激對AECⅡ增殖的影響是近年來研究的熱點和重點。但在這一點上，還存在一些爭議:一些研究表明，氧化應激可以誘導AECⅡ的凋亡［7］;另一些研究卻認為，使用香煙煙霧刺激AECⅡ后，細胞增殖受到促進，細胞凋亡反而受到了抑制［8］。但是，絕大部分研究都認為香煙煙霧引起的氧化應激是通過誘導凋亡來影響AECⅡ的增殖。這種凋亡的特點是:細胞凋亡率與香煙煙霧的刺激具有時間劑量依賴關(guān)系，刺激時間越長，濃度越高，AECⅡ的凋亡率就越高，且這種凋亡始于G1期［4］。

2.1.1 氧化應激誘導的AECⅡ凋亡與Caspase家族Caspase家族是一組具有高度選擇性的半胱氨酸蛋白酶。此家族參與的級聯(lián)反應在細胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。有研究表明，使用Caspase抑制劑可以有效抑制 ROS誘導的肺泡上皮細胞的凋亡［9］，Caspase家族的活性與氧化劑的濃度成正相關(guān)［10］。故可推測Caspase家族與氧化應激誘導的細胞凋亡有關(guān)。一方面，氧化應激可能通過激活Caspase家族的級聯(lián)反應，傳遞凋亡信號［11］，導致AECⅡ的凋亡，另一方面，Caspase家族的激活，可以破壞線粒體內(nèi)的電子傳遞鏈，導致細胞色素C釋放，細胞色素C與細胞凋亡有關(guān)［12］。

2.1.2 氧化應激誘導的AECⅡ凋亡與絲裂原活化蛋白激酶途徑 絲裂原活化蛋白激酶途徑（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）由細胞外調(diào)節(jié)激酶途徑、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）和 p38 激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPKs）途徑構(gòu)成。有學者指出，香煙煙霧之所以引起肺泡上皮細胞的凋亡，是因為其導致的氧化應激可以使MAPKs途徑發(fā)生磷酸化激活［13］。MAPKs途徑可傳遞刺激信號，進一步激活轉(zhuǎn)錄因子，誘導基因表達，對細胞凋亡產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。利用H2O2刺激原代培養(yǎng)肺泡上皮細胞，模擬氧化應激損傷，發(fā)現(xiàn)有MAPKs成分活化，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)有細胞外調(diào)節(jié)激酶途徑、p38MAPKs、JNK 蛋白含量的增加［14-16］。使用乙酰半胱氨酸等抗氧化劑處理細胞后，發(fā)現(xiàn)細胞JNK、p38MAPKs活性下降、細胞凋亡率下降［15］。同樣用JNK抑制劑（SP600125）處理細胞后，與單純的H2O2處理相比，顯著降低了細胞的凋亡率［16］。

MAPKs等信號轉(zhuǎn)導途徑的激活只是氧化應激誘導AECⅡ凋亡機制的一部分，氧化應激刺激信號的傳入，必然會導致一系列促凋亡基因的表達及其產(chǎn)物的變化。目前有研究發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧刺激后，會出現(xiàn) p21WAF1基因［17］、p53 基因［18］等相關(guān)基因的表達增高，且這些表達增高與細胞凋亡率呈正比。被氧化應激激活的信號轉(zhuǎn)導途徑的下游產(chǎn)物，及其調(diào)節(jié)活動具有廣闊的研究前景。

2.2 氧化應激和炎性反應的相互作用 吸煙可以加重呼吸道炎癥的惡化，是公認的事實。據(jù)此可以推測，香煙煙霧引起的氧化應激可能與炎性反應具有相互作用，兩者相互聯(lián)系可對AECⅡ造成損傷。由于氧化應激和炎性反應的過程中涉及多個信號途徑的交叉以及多種轉(zhuǎn)錄因子等，目前對氧化應激和炎性反應互相作用的機制還未徹底清楚。但是大量研究表明，氧化應激和炎性反應之間存在惡性循環(huán)。一方面，氧化應激可以通過一些激酶或轉(zhuǎn)錄因子的激活，如核因子 κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）、激活蛋白1（activator protein 1，AP-1）的激活來提高一些促炎因子的表達［19］，從而加劇炎性反應;另一方面，炎性反應中的炎性介質(zhì)如白細胞介素1、白細胞介素6、腫瘤壞死因子α等可以刺激細胞釋放ROS，加劇氧化應激［20］。目前研究的的熱點集中在第一個方面，即氧化應激與NF-κB等轉(zhuǎn)錄因子的關(guān)系。

2.2.1 氧化應激和 NF-κB NF-κB 是對氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子，在炎性反應中扮演者重要的角色［21］。研究表明，氧化應激中的ROS可以作為第二信使激活 NF-κB［22］，而 NF-κB 的激活可以使炎癥相關(guān)基因發(fā)生異常的表達增高。這些基因表達涉及白細胞介素4、白細胞介素5、白細胞介素9、白細胞介素15以及腫瘤壞死因子α和一些炎性趨化因子［20］。因此NF-κB的激活可能是氧化應激和炎性反應相互作用的分子機制之一。

2.2.2 氧化應激和轉(zhuǎn)錄因子AP-1 轉(zhuǎn)錄因子AP-1同NF-κB一樣，都是對氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子，氧化應激可以激活AP-1從而使依賴AP-1的基因過量表達，這些基因涉及很多炎性介質(zhì)，如上述提到的TNF-α等。但與NF-κB不同的是，一些抗氧化劑（如乙酰半胱氨酸）也可以顯著激活AP-1［20］。

氧化應激除了誘導NF-κB和AP-1的激活，來增加炎性因子的轉(zhuǎn)錄外，還可以通過對組蛋白的影響，導致炎性介質(zhì)的表達增多。已經(jīng)有研究表明，氧化應激可以抑制組蛋白和組蛋白去乙?；傅幕钚裕?3］，因此氧化應激可能是通過組蛋白的修飾作用，使炎性因子相關(guān)基因表達發(fā)生變化。對組蛋白乙酰化的控制，有可能打破氧化應激和炎性反應的惡性循環(huán)。

2.3 氧化應激對AECⅡ結(jié)構(gòu)功能的直接破壞 氧化應激的過程中，自由基等氧化劑可以對AECⅡ的細胞膜、線粒體、DNA等產(chǎn)生破壞作用，導致細胞功能喪失。

2.3.1 氧化應激對AECⅡ細胞膜的破壞 氧化應激可以造成AECⅡ細胞膜中不飽和脂肪酸的脂質(zhì)過氧化反應。脂質(zhì)過氧化反應可造成AECⅡ細胞膜功能的損傷，包括膜聯(lián)受體的失活，存在于膜上的酶的破壞以及細胞膜通透性的異常增高［24］。丙二醛是脂質(zhì)過氧化的常用標志物，與脂質(zhì)過氧化的程度成正比，丙二醛可以損傷細胞結(jié)構(gòu)，因為它可以與細胞的DNA和蛋白質(zhì)發(fā)生作用［25］，這可以看作是氧化應激對AECⅡ結(jié)構(gòu)進行破壞的分子機制之一。

2.3.2 氧化應激對AECⅡ中DNA的損傷 香煙煙霧引發(fā)的氧化應激通過ROS對細胞的DNA造成突變等損傷［26］。研究表明，ROS中的過氧化氫可以導致脫氧鳥苷的羥基化，激活核酸內(nèi)切酶，從而致DNA斷裂［27］。ROS中的過氧化氫還可激活二磷酸腺苷核糖多聚酶，該酶的激活與DNA的斷裂有關(guān)，有研使用二磷酸腺苷核糖多聚酶抑制劑抑制了香煙煙霧導致的AECⅡ細胞死亡，表明該酶可能是香煙煙霧引導的氧化應激對細胞損傷的分子機制之一［28］。

2.3.3 氧化應激對AECⅡ線粒體的損傷 香煙煙霧引起的氧化應激可導致AECⅡ線粒體的功能紊亂［29］。實際上，在這個觀點上，學術(shù)界還存在爭議，van der Toorn認為［30］:香煙煙霧中的ROS很難進入細胞內(nèi)，因此，香煙煙霧引起的氧化應激中的ROS應是線粒體功能紊亂的產(chǎn)物，這與主流觀點相反。以往大部分學者認為，ROS可提高線粒體膜的通透性，導致線粒體內(nèi)與細胞凋亡的因子釋放，如細胞色素C的釋放［11］。

3 展望

香煙煙霧引起的氧化應激對AECⅡ的損傷是多個途徑交叉作用的結(jié)果。氧化應激誘導的AECⅡ凋亡和細胞成分的損傷以及和炎性反應的關(guān)系是該研究領(lǐng)域近期的三大熱點。以往的研究著重點在抗氧化成分的變化，如煙霧暴露后，體內(nèi)谷胱甘肽水平的變化。近期，研究的焦點集中在氧化應激影響AECⅡ的分子機制上，如信號轉(zhuǎn)導途徑、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子等。這方面的研究，有助于找到新的治療靶點，阻斷氧化應激的損傷過程。特別是對氧化應激和炎性反應的相互關(guān)系的機制研究，可能幫助人們打破兩者之間的惡性循環(huán)，這無疑可以提高COPD等呼吸道疾病的治療效果。雖然香煙煙霧通過氧化應激可對AECⅡ造成損傷已經(jīng)得到公認，但是究竟如何造成影響，造成哪些影響，很多實驗的結(jié)果還有差異，這可能與研究中使用的不同細胞亞型、香煙煙霧的刺激方式、刺激的持續(xù)度和強度、不同途徑的動力學平衡有關(guān)。所以這方面的研究還需深入，以期找到損傷規(guī)律和新的相關(guān)機制。

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