戴美娜 朱新华

呼吸道过敏性疾病已成为全球性疾病,其主要的发病机制是嗜酸性粒细胞及其释放的炎症介质的作用。呼吸道过敏性疾病主要包括变应性鼻炎和哮喘,且变应性鼻炎通常与哮喘并存,两者密切相关,形成了“同一气道,一种疾病”的理念[1]。近年来,变应原特异性免疫治疗在过敏性疾病中的研究有了一定的发展,但治疗周期长、显效缓慢[2]等缺点限制了其在临床的应用。目前的治疗药物只能暂时缓解症状,无法彻底治愈,还会出现相关不良反应,如抗组胺药、抗白三烯药可引起嗜睡、头昏、恶心等[3-4],长期使用糖皮质激素可引起真菌感染、骨质疏松等[5]。因此,需要针对病因寻找新的呼吸道过敏性疾病治疗方法。

磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)是细胞内信号转导蛋白家族成员,参与细胞的多种生物学功能。PI3K激活后募集和激活许多细胞内信号转导酶,在大多数细胞中,丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B(protein kinase B,PKB),又称Akt,是PI3K关键的效应因子,其转导和放大PI3K信号[6-7]。近年来,PI3K/Akt信号通路已被广泛用于基础生物研究和药物开发,在过敏性疾病、癌症等的研究中取得了显着的进展。本文综述了PI3K/Akt信号通路在呼吸道过敏性疾病中对嗜酸性粒细胞的作用研究进展。

1 嗜酸性粒细胞在呼吸道过敏性疾病中的作用

1.1 嗜酸性粒细胞概述 嗜酸性粒细胞是在骨髓中从多能CD34+祖细胞发育而来的粒细胞,主要分布于呼吸道、消化道和泌尿生殖道黏膜,参与Ⅰ型超敏反应的迟发相反应[8]。嗜酸性粒细胞具有双叶核和大的特殊颗粒。人嗜酸性粒细胞颗粒主要表达4种蛋白质:嗜酸性粒细胞过氧化物酶、主要碱性蛋白、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白和嗜酸性粒细胞源性神经毒素[9],还储存了大量的细胞因子、酶和生长因子。嗜酸性粒细胞的其他显着特征包括含有夏科-莱登晶体蛋白和脂质体的初级颗粒,脂质体是半胱氨酰白三烯、血栓素和前列腺素的合成场所[10]。

嗜酸性粒细胞在表型成熟的状态下被释放到外周血液中,在IL-5和嗜酸性粒细胞趋化因子的刺激下被激活并被招募到组织中。正常状态下,嗜酸性粒细胞在迁移到胸腺等外周组织之前,只会在外周血液中停留很短的时间(半衰期约为18 h);而在炎症刺激条件下,嗜酸性粒细胞离开骨髓,迁移到血液中,随后在周围组织中积累且存活时间延长[11-12]。研究[10]结果表明,气道嗜酸性粒细胞失调引起的病理反应可能是宿主防御机制相关损害,然而关于嗜酸性粒细胞的具体功能仍不明确。

1.2 嗜酸性粒细胞在哮喘中的作用 哮喘是一种慢性炎症性疾病,其特征是可逆性气道阻塞和对非特异性痉挛刺激的气道高反应性。嗜酸性粒细胞是哮喘炎症反应的特征细胞,其可被激活的辅助性T细胞2(helper T cell 2,Th2)释放的细胞因子和一系列趋化因子,尤其是嗜酸性粒细胞家族趋化因子招募到肺和气道。

已有大量文献报道了嗜酸性粒细胞在哮喘发病中的作用机制。抗原致敏和攻击可诱发呼吸道过敏反应及引发哮喘的许多典型特征,如气道中分泌细胞因子的Th2和嗜酸性粒细胞数量增多、黏液高分泌和气道高反应性等[13-15]。长期暴露于这些抗原会导致气道重塑,包括基底膜纤维化和增厚。文献[16]报道,针对嗜酸性粒细胞及其迁移和生成的研究,或许能为哮喘患者的治疗带来益处。

1.3 嗜酸性粒细胞在变应性鼻炎中的作用 研究[17]认为,变应性鼻炎是一种由免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE)相关过程介导的鼻黏膜慢性炎症,出现变应性炎症的鼻黏膜主要表现为炎症细胞浸润、黏液分泌亢进、鼻黏膜高反应和黏膜上皮重塑等[17]。嗜酸性粒细胞是变应性鼻炎的主要效应细胞,存在于黏膜组织中,可作为效应器在宿主防御反应中对抗不同的病原体,也可作为一种快速的炎症介质来源参与免疫调节及组织重塑,亦可作为一种专门的抗原呈递细胞发挥作用,其一直是变应性鼻炎的研究重点[18]。

变应性鼻炎分为早期和晚期2个阶段。当吸入过敏原时气道即发生敏化作用,特定的B淋巴细胞亚群转化为浆细胞并产生IgE,IgE使包括肥大细胞在内的一组细胞“致敏”;再次暴露于同一抗原时触发肥大细胞脱颗粒,释放一系列预先合成和新产生的炎症介质,导致急性气道阻塞。肥大细胞释放的组胺和类胰蛋白酶等预先合成的介质会引起局部炎症,形成变应性鼻炎的早期过敏反应。

变应性鼻炎晚期反应的特征是Th2、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞和中性粒细胞数量增多,均可释放细胞因子和其他介质分子,其中嗜酸性粒细胞在该过敏性级联反应中起着至关重要的作用。嗜酸性粒细胞通过产生氧自由基(如超氧阴离子和过氧化氢)刺激、破坏上皮细胞,产生强烈的炎症反应。促进嗜酸性粒细胞活化的诱导剂(如IL-5、嗜酸性粒细胞趋化因子)及嗜酸性粒细胞颗粒产物(如主要碱性蛋白、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白和嗜酸性粒细胞源性神经毒素)在鼻黏膜高反应性的发生过程中发挥作用,而且这些蛋白质可对气道上皮造成严重损害,并导致局部神经纤维暴露。气道上皮损害的同时也会中断天然内肽酶的产生,使神经纤维分泌的神经肽不被降解,从而无限期地延长炎症过程[19]。

2 PI3K/Akt信号通路概述

2.1 PI3K/Akt的结构及其分类 PI3K是由1个调节亚基和1个催化亚基组成的异二聚体。PI3K因其结构和底物的特异性不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3种类型。其中Ⅰ型PI3K的相关研究最多,Ⅱ型PI3K次之。Ⅰ型PI3K由于催化亚基p110结构的不同又分为ⅠA和ⅠB型,ⅠA型PI3K由调节亚基(P85α、P85β、P50α、P55β或P55γ)和催化亚基(p110α、p110β、p110δ)组成,ⅠB型PI3K由调节亚基P101或P84和催化亚基p110γ组成[6]。ⅠA型PI3K在酪氨酸酶受体受到刺激后激活,ⅠB型PI3K在G蛋白偶联受体亚基受到刺激后激活。有关Ⅱ型PI3K的研究相对较少,其有3个同工型:PI3KC2α、PI3KC2β、PI3KC2γ[20]。

在哺乳动物细胞中,Akt家族包括3个成员(Akt1、Akt2和Akt3),具有高度的氨基酸同一性。Akt1在大多数组织中高度表达,Akt2是胰岛素敏感性组织中的主要同工型,Akt3在大脑和睾丸中表达水平最高[21]。

2.2 PI3K/Akt信号通路及其调控途径 PI3K是一种重要的信号转导分子,其通过P85亚基与活化的受体结合,使p110亚基被受体磷酸化而活化。PI3K可催化磷脂酰肌醇三磷酸产生,后者通过与Akt的PH结构域结合并将其磷脂酰肌醇三磷酸锚定于质膜而活化。Akt可磷酸化多种蛋白质,介导代谢调节、细胞存活等效应。PI3K还可以激活多种下游分子,目前对Akt的研究较多,PI3K介导的多种效应与Akt有关,这条信号转导通路常被称为PI3K/Akt或PI3K/PKB信号通路。

3 PI3K/Akt信号通路靶向嗜酸性粒细胞治疗呼吸道过敏性疾病

3.1 天然中草药对PI3K/Akt信号通路的作用 几千年来,天然产物一直是治疗剂的基石,最近又成为具有独特结构多样性和药理作用的治疗药物的重要来源,如洋葱、芳樟醇等。洋葱是最常食用的蔬菜之一,亦有医药用途,被用于治疗多种疾病或临床症状,包括溃疡伤口、瘢痕、痢疾、炎症、高血压,以及呼吸系统疾病,如咳嗽、哮喘和支气管炎。在哮喘动物模型中,洋葱球提取物被证明能有效地减轻气道炎症,下调IL-4和IgE的表达水平[22]。研究[23]结果表明,致病性表皮生长因子/表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)依赖信号通路在哮喘中激活增加,且Akt是EGFR激活的下游信号分子。El-Hashim等[24]研究发现,洋葱球提取物可抑制屋尘螨诱导的EGFR/Akt磷酸化增强,从而抑制嗜酸性粒细胞趋化,具有一定的抗炎效果。这一作用可能对哮喘的治疗有重要的潜在意义。但El-Hashim等[24]的研究发现洋葱球提取物治疗并不能显着降低屋尘螨所致的气道高反应性。芳樟醇存在于水果和芳香植物中,具有生物活性。有研究报道吸入芳樟醇具有抗炎活性。Kim等[25]研究发现,口服芳樟醇可显着抑制卵清蛋白诱导的小鼠气道嗜酸性粒细胞增多,并降低气道高反应性,对过敏性哮喘小鼠气道炎症和黏液高分泌具有保护作用,且其保护作用与下调Akt信号通路密切相关。

3.2 嗜酸性粒细胞的活化受体对PI3K/Akt信号通路的作用 Toll 样受体(Toll-like receptor,TLR)是识别病原体中保守序列的重要受体,TLR1～11是机体识别微生物病原体所必需的分子。TLR2在髓源性细胞上表达,可激活嗜酸性粒细胞内的信号通路,产生不同的基因表达模式,从而形成抗原特异性免疫系统,在过敏反应的调节中发挥重要作用。Jiang等[26]研究发现,TLR2通过PI3K/Akt信号通路调节过敏性气道炎症,使小鼠肺组织和支气管肺泡灌洗液中的嗜酸性粒细胞数量增多。Wong等[27]研究发现,TLR2可调节嗜酸性粒细胞活化并释放细胞因子(如IL-1、IL-6、IL-8)、趋化因子、超氧化物和颗粒蛋白,从而促进炎症反应,加剧嗜酸性粒细胞相关的过敏性炎症,如过敏性哮喘;通过体外研究进一步发现PI3K抑制剂Ly294002可抑制嗜酸性粒细胞的上述作用。这一结果表明抑制PI3K可减轻TLR2对嗜酸性粒细胞的活化作用,对治疗哮喘具有潜在作用。但上述研究结果尚未在体内证实。

3.3 炎性物质对PI3K/Akt信号通路的作用 糜酶是肥大细胞特异性蛋白酶,其存储在肥大细胞中并通过脱颗粒释放,从而诱导嗜酸性粒细胞向炎症部位浸润。在动物模型中,糜酶可以增加微血管通透性,促进嗜酸性粒细胞在炎症部位积累,并可通过水解趋化因子和细胞因子调节免疫应答而发挥重要的免疫学作用。Wong等[28]研究发现,糜酶可促进嗜酸性粒细胞存活及其化学动力学迁移,上调嗜酸性粒细胞表面黏附分子CD18的表达,并诱导嗜酸性粒细胞释放趋化因子配体2、C-X-C趋化因子配体1、C-X-C趋化因子配体8和IL-6;进一步的抑制实验结果表明,PI3K/Akt信号通路对嗜酸性粒细胞表面CD18的表达、趋化因子和IL-6的分泌,以及化学动力学迁移均有不同程度的抑制作用。上述结果提示,研究与肥大细胞相互作用的嗜酸性粒细胞的细胞内机制可能为过敏性炎症疾病的治疗干预提供新的方向。

IL-1家族调节性细胞因子IL-37b可抑制炎症性疾病的固有免疫和炎症活动,维持免疫稳态,是一种通过抑制嗜酸性粒细胞活化从而抑制过敏性气道炎症的天然抑制剂。Zhu等[29]研究发现,IL-37b可通过下调PI3K/Akt信号通路使肺组织嗜酸性粒细胞浸润、黏液产生和气道壁增厚减轻,从而改善哮喘小鼠的过敏性气道炎症反应,表明IL-37b可通过抑制PI3K/Akt信号通路对嗜酸性粒细胞介导的哮喘产生一定治疗作用。

以上研究结果表明,PI3K/Akt信号通路可影响呼吸道过敏性疾病中嗜酸性粒细胞的功能,可能是治疗呼吸道过敏性疾病的一个新方向。

4 小结与展望

大多数研究结果表明,PI3K/Akt信号通路的激活对嗜酸性粒细胞存在正向促进作用,从而加重呼吸道过敏性疾病。但也有研究认为,PI3K/Akt信号通路的激活可在一定程度上延缓其他疾病的发生与发展。Guo等[30]研究发现,人参皂苷Rb1可通过激活Akt通路抑制炎症,对慢性束缚应激诱导的小鼠抑郁样行为具有预防作用;Lu等[31]研究发现,染料木素可通过激活PI3K/Akt信号通路抑制大鼠脑缺血导致的神经元凋亡;Sun等[32]在兔体内发现,激活PI3K/Akt信号通路可抑制骨性关节炎膝软骨细胞凋亡,延缓软骨退变。

PI3K/Akt信号通路涉及的分子机制极为复杂,目前还未被完全阐明,导致其在疾病治疗中的作用研究受到阻碍。相信随着PI3K/Akt信号通路分子机制研究的深入及疾病治疗技术的成熟,靶向PI3K/Akt信号通路的呼吸道过敏性疾病治疗手段或将有望应用于临床。