香烟烟雾引起的氧化应激在肺泡Ⅱ型上皮细胞损伤中的作用

张强弩（综述），焦宗宪（审校）

（兰州大学基础医学院病理学研究所，兰州 730000）

肺泡Ⅱ型上皮细胞（typeⅡalveolar epithelial cells，AECⅡ）是构成肺泡上皮的细胞之一。AECⅡ的细胞质中具有储存肺泡表面活性物质的颗粒，称为板层小体。板层小体可以合成、分泌肺泡表面活性物质，因此AECⅡ细胞具有维持肺泡的张力，稳定肺泡结构的作用［1］。同时AECⅡ也是肺泡上皮的干细胞，它除了通过增殖生成新的同类细胞外，还可以分化为肺泡Ⅰ型细胞，所以AECⅡ在肺泡上皮的修复过程中具有重要作用［2］。鉴于此，AECⅡ的状态和功能是肺组织病理转归的决定性因素，很多肺部疾病都与AECⅡ的损伤有关，比如慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）的发生，就与AECⅡ细胞的损伤有密切关系［3］。

香烟烟雾中含有1000多种氧化剂以及4700多种化合物，如反应性醛类等，这些物质可产生自由基等氧化性物质［4］。近期研究表明，香烟烟雾对AECⅡ细胞的损伤主要是通过氧化应激介导的［5］。氧化应激是常见的应激性损伤之一，由各种原因所致的氧化系统和抗氧化系统的失衡而引起。目前国内外开展了很多关于香烟烟雾引起的氧化应激对AECⅡ造成损伤的研究，但其详细机制尚未明确，也存在争议。由于AECⅡ的重要功能以及它与肺部疾病的重要关系，关于香烟烟雾引起的氧化应激对AECⅡ影响和机制的研究具有重大意义，现将近期国内外在此方面的研究综述如下。

1 香烟烟雾引起的氧化应激导致细胞损伤的始动因素

长期接触过量的氧化剂（如吸烟等）会导致体内氧化剂积累过多，当抗氧化系统不足以抵抗过多的氧化剂时，机体氧化平衡被打破，即会发生氧化应激。很早就有研究表明，香烟烟雾中含有大量超氧阴离子等强氧化剂，可通过以一系列反应，产生并构成活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）。在香烟烟雾引起的氧化应激中，损伤因素主要来源于ROS。ROS包括:超氧阴离子、过氧化氢（H2O2）、氢氧自由基（·OH）等。氧化应激可通过ROS对细胞的脂质、糖、蛋白质以及DNA等产生损伤，从而造成细胞损伤［6］，因此 ROS是香烟烟雾引起的氧化应激对AECⅡ造成损伤的始动因素。

2 香烟烟雾引起的氧化应激对AECⅡ的损伤作用以及相关机制

目前与香烟烟雾引起的氧化应激在AECⅡ损伤中的作用相关的研究主要集中在以下三个方面:①氧化应激诱导的AECⅡ凋亡。②氧化应激和炎性反应相互作用，从而对AECⅡ造成的损伤。③氧化应激对AECⅡ结构和功能的直接破坏。

2.1 氧化应激诱导的细胞凋亡 凋亡学说是继氧化/抗氧化失衡学说之后，此领域内的新兴学说之一。香烟烟雾诱导的氧化应激对AECⅡ增殖的影响是近年来研究的热点和重点。但在这一点上，还存在一些争议:一些研究表明，氧化应激可以诱导AECⅡ的凋亡［7］;另一些研究却认为，使用香烟烟雾刺激AECⅡ后，细胞增殖受到促进，细胞凋亡反而受到了抑制［8］。但是，绝大部分研究都认为香烟烟雾引起的氧化应激是通过诱导凋亡来影响AECⅡ的增殖。这种凋亡的特点是:细胞凋亡率与香烟烟雾的刺激具有时间剂量依赖关系，刺激时间越长，浓度越高，AECⅡ的凋亡率就越高，且这种凋亡始于G1期［4］。

2.1.1 氧化应激诱导的AECⅡ凋亡与Caspase家族Caspase家族是一组具有高度选择性的半胱氨酸蛋白酶。此家族参与的级联反应在细胞凋亡过程中发挥重要作用。有研究表明，使用Caspase抑制剂可以有效抑制 ROS诱导的肺泡上皮细胞的凋亡［9］，Caspase家族的活性与氧化剂的浓度成正相关［10］。故可推测Caspase家族与氧化应激诱导的细胞凋亡有关。一方面，氧化应激可能通过激活Caspase家族的级联反应，传递凋亡信号［11］，导致AECⅡ的凋亡，另一方面，Caspase家族的激活，可以破坏线粒体内的电子传递链，导致细胞色素C释放，细胞色素C与细胞凋亡有关［12］。

2.1.2 氧化应激诱导的AECⅡ凋亡与丝裂原活化蛋白激酶途径 丝裂原活化蛋白激酶途径（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）由细胞外调节激酶途径、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun NH2-terminal kinase，JNK）和 p38 激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPKs）途径构成。有学者指出，香烟烟雾之所以引起肺泡上皮细胞的凋亡，是因为其导致的氧化应激可以使MAPKs途径发生磷酸化激活［13］。MAPKs途径可传递刺激信号，进一步激活转录因子，诱导基因表达，对细胞凋亡产生调节作用。利用H2O2刺激原代培养肺泡上皮细胞，模拟氧化应激损伤，发现有MAPKs成分活化，经检测发现有细胞外调节激酶途径、p38MAPKs、JNK 蛋白含量的增加［14-16］。使用乙酰半胱氨酸等抗氧化剂处理细胞后，发现细胞JNK、p38MAPKs活性下降、细胞凋亡率下降［15］。同样用JNK抑制剂（SP600125）处理细胞后，与单纯的H2O2处理相比，显著降低了细胞的凋亡率［16］。

MAPKs等信号转导途径的激活只是氧化应激诱导AECⅡ凋亡机制的一部分，氧化应激刺激信号的传入，必然会导致一系列促凋亡基因的表达及其产物的变化。目前有研究发现，香烟烟雾刺激后，会出现 p21WAF1基因［17］、p53 基因［18］等相关基因的表达增高，且这些表达增高与细胞凋亡率呈正比。被氧化应激激活的信号转导途径的下游产物，及其调节活动具有广阔的研究前景。

2.2 氧化应激和炎性反应的相互作用 吸烟可以加重呼吸道炎症的恶化，是公认的事实。据此可以推测，香烟烟雾引起的氧化应激可能与炎性反应具有相互作用，两者相互联系可对AECⅡ造成损伤。由于氧化应激和炎性反应的过程中涉及多个信号途径的交叉以及多种转录因子等，目前对氧化应激和炎性反应互相作用的机制还未彻底清楚。但是大量研究表明，氧化应激和炎性反应之间存在恶性循环。一方面，氧化应激可以通过一些激酶或转录因子的激活，如核因子 κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）、激活蛋白1（activator protein 1，AP-1）的激活来提高一些促炎因子的表达［19］，从而加剧炎性反应;另一方面，炎性反应中的炎性介质如白细胞介素1、白细胞介素6、肿瘤坏死因子α等可以刺激细胞释放ROS，加剧氧化应激［20］。目前研究的的热点集中在第一个方面，即氧化应激与NF-κB等转录因子的关系。

2.2.1 氧化应激和 NF-κB NF-κB 是对氧化还原敏感的转录因子，在炎性反应中扮演者重要的角色［21］。研究表明，氧化应激中的ROS可以作为第二信使激活 NF-κB［22］，而 NF-κB 的激活可以使炎症相关基因发生异常的表达增高。这些基因表达涉及白细胞介素4、白细胞介素5、白细胞介素9、白细胞介素15以及肿瘤坏死因子α和一些炎性趋化因子［20］。因此NF-κB的激活可能是氧化应激和炎性反应相互作用的分子机制之一。

2.2.2 氧化应激和转录因子AP-1 转录因子AP-1同NF-κB一样，都是对氧化还原敏感的转录因子，氧化应激可以激活AP-1从而使依赖AP-1的基因过量表达，这些基因涉及很多炎性介质，如上述提到的TNF-α等。但与NF-κB不同的是，一些抗氧化剂（如乙酰半胱氨酸）也可以显著激活AP-1［20］。

氧化应激除了诱导NF-κB和AP-1的激活，来增加炎性因子的转录外，还可以通过对组蛋白的影响，导致炎性介质的表达增多。已经有研究表明，氧化应激可以抑制组蛋白和组蛋白去乙酰化酶的活性［23］，因此氧化应激可能是通过组蛋白的修饰作用，使炎性因子相关基因表达发生变化。对组蛋白乙酰化的控制，有可能打破氧化应激和炎性反应的恶性循环。

2.3 氧化应激对AECⅡ结构功能的直接破坏 氧化应激的过程中，自由基等氧化剂可以对AECⅡ的细胞膜、线粒体、DNA等产生破坏作用，导致细胞功能丧失。

2.3.1 氧化应激对AECⅡ细胞膜的破坏 氧化应激可以造成AECⅡ细胞膜中不饱和脂肪酸的脂质过氧化反应。脂质过氧化反应可造成AECⅡ细胞膜功能的损伤，包括膜联受体的失活，存在于膜上的酶的破坏以及细胞膜通透性的异常增高［24］。丙二醛是脂质过氧化的常用标志物，与脂质过氧化的程度成正比，丙二醛可以损伤细胞结构，因为它可以与细胞的DNA和蛋白质发生作用［25］，这可以看作是氧化应激对AECⅡ结构进行破坏的分子机制之一。

2.3.2 氧化应激对AECⅡ中DNA的损伤 香烟烟雾引发的氧化应激通过ROS对细胞的DNA造成突变等损伤［26］。研究表明，ROS中的过氧化氢可以导致脱氧鸟苷的羟基化，激活核酸内切酶，从而致DNA断裂［27］。ROS中的过氧化氢还可激活二磷酸腺苷核糖多聚酶，该酶的激活与DNA的断裂有关，有研使用二磷酸腺苷核糖多聚酶抑制剂抑制了香烟烟雾导致的AECⅡ细胞死亡，表明该酶可能是香烟烟雾引导的氧化应激对细胞损伤的分子机制之一［28］。

2.3.3 氧化应激对AECⅡ线粒体的损伤 香烟烟雾引起的氧化应激可导致AECⅡ线粒体的功能紊乱［29］。实际上，在这个观点上，学术界还存在争议，van der Toorn认为［30］:香烟烟雾中的ROS很难进入细胞内，因此，香烟烟雾引起的氧化应激中的ROS应是线粒体功能紊乱的产物，这与主流观点相反。以往大部分学者认为，ROS可提高线粒体膜的通透性，导致线粒体内与细胞凋亡的因子释放，如细胞色素C的释放［11］。

3 展望

香烟烟雾引起的氧化应激对AECⅡ的损伤是多个途径交叉作用的结果。氧化应激诱导的AECⅡ凋亡和细胞成分的损伤以及和炎性反应的关系是该研究领域近期的三大热点。以往的研究着重点在抗氧化成分的变化，如烟雾暴露后，体内谷胱甘肽水平的变化。近期，研究的焦点集中在氧化应激影响AECⅡ的分子机制上，如信号转导途径、相关转录因子等。这方面的研究，有助于找到新的治疗靶点，阻断氧化应激的损伤过程。特别是对氧化应激和炎性反应的相互关系的机制研究，可能帮助人们打破两者之间的恶性循环，这无疑可以提高COPD等呼吸道疾病的治疗效果。虽然香烟烟雾通过氧化应激可对AECⅡ造成损伤已经得到公认，但是究竟如何造成影响，造成哪些影响，很多实验的结果还有差异，这可能与研究中使用的不同细胞亚型、香烟烟雾的刺激方式、刺激的持续度和强度、不同途径的动力学平衡有关。所以这方面的研究还需深入，以期找到损伤规律和新的相关机制。

［1］Mason RJ.Biology of alveolar type II cells［J］.Respirology，2006，11（Suppl）:S12-S15.

［2］Sugahara K，Tokumine J，Teruya K，et al.Alveolar epithelial cells:differentiation and lung injury［J］.Respirology，2006，11（Suppl）:S28-S31.

［3］Tollefson AK，Oberley-Deegan RE，Butterfield KT，et al.Endogenous enzymes（NOX and ECSOD）regulate smoke-induced oxidative stress［J］.Free Radic Biol Med，2010，49（12）:1937-1946.

［4］JIao ZX，Ao QL，Xiong M.Cigarette smoke extract inhibits the proliferation of alveolar epithelial cells and induces apoptosis［J］.Acta Physiologica Sinica，2006，58（3）:224-225.

［5］Faux SP，Tai T，Thorne D，et al.The role of oxidative stress in the biological responses of lung epithelial cells to cigarette smoke［J］.Biomarkers，2009，14（Suppl1）:90-96.

［6］Bargagli E，Olivieri C，Bennett D，et al.Oxidative stress in the pathogenesis of diffuse lung diseases:a review［J］.Respir Med，2009，103（9）:1245-1256.

［7］Wixted WE，Kitson C，Colebrook JC，et al.A model to identify novel targets involved in oxidative stress-induced apoptosis in human lung epithelial cells by RNA interference［J］.Toxicol Vitro，2010，24（1）:310-318.

［8］Kaushik G，Kaushik T，Khanduja S，et al.Cigarette smoke condensate promotes cell proliferation through disturbance in cellular redox homeostasis of transformed lung epithelial type-II cells［J］.Cancer Lett，2008，270（1）:120-131.

［9］Zhang XC，Shan PY，Sasidhar M，et al.Reactive oxygen species and extracellular signal-regulated kinase 1/2 mitogen-activated protein kinase mediate hyperoxia-induced cell death in lung epithelium［J］.Am J Respirat Cell Molec Biol，2003，28（3）:305-315.

［10］邵小松，陆超，周国平，等.氧化应激对肺泡Ⅱ型上皮细胞中促凋亡基因细胞周期和凋亡调控蛋白1表达的影响［J］.实用儿科临床杂志，2009（16）:1228-1229.

［11］蒋静，许峰.氧化应激与肺细胞损伤凋亡信号途径［J］.实用儿科临床杂志，2005，3（20）:266-268.

［12］Panduri V，Weitzman SA，Chandel N，et al.The mitochondria-regulated death pathway mediates asbestos-induced alveolar epithelial cell apoptosis［J］.Am J Respirat Cell Molec Biol，2003，28（2）:241-248.

［13］Kuo WH，Chen JH，Lin HH，et al.Induction of apo'ptosis in the lung tissue from rats exposed to cigarette smoke involves p38/JNK MAPK pathway［J］.Chemico Biological Interact，2005，155（1/2）:31-42.

［14］Carvalho H，Evelson P，Sigaud S，et al.Mitogen-activated protein kinases modulate H2O2-induced apoptosis in primary rat alveolar epithelial cells［J］.J Cell Biochem，2004，92（3）:502-513.

［15］符跃强，卢仲毅，方芳，等.氧化应激对肺泡Ⅱ型上皮细胞MAPKs的激活及N-乙酰半胱氨酸的干预作用［J］.第三军医大学学报，2008，16（9）:820-822.

［16］符跃强，许峰，卢仲毅，等.氧化应激对肺泡Ⅱ型上皮细胞的损伤作用及JNK信号转导机制［J］.重庆医科大学学报，2007，32（11）:1150-1154.

［17］Jiao ZX，Ao QL，Ge XN，et al.Cigarette smoke extract inhibits the proliferation of alveolar epithelial cells and augments the expression of P21（WAF1）［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology-Medical Sciences，2008，28（1）:6-10.

［18］符跃强，卢仲毅，方芳，等.p53在氧化应激下肺泡Ⅱ型上皮细胞凋亡中的作用［J］.第四军医大学学报，2009，30（24）:2952-2955.

［19］Rahman I，Adcock IM.Oxidative stress and redox regulation of lung inflammation in COPD［J］.Eur Respir J，2006，28（1）:219-242.

［20］Park HS，Kim SR，Lee YC.Impact of oxidative stress on lung diseases［J］.Respirology，2009，14（1）:27-38.

［21］Siebenlist U，Franzoso G，Brown K.Structure，regulation and function of NF-kappa B［J］.Annual Rev Cell Biol，1994（10）:405-455.

［22］Schreck R，Rieber P，Baeuerle PA.Reactive oxygen species intermediates as apparently widely used messengers in the activation of the NFkB transcription factor and HIV-1［J］.Embo J，1991，10（8）:2247-2258.

［23］Marwick JA，Stevenson CS，Chung KF，et al.Cigarette Smoke Exposure Alters mSin3a and Mi-2 alpha/beta Expression;implications in the control of pro-inflammatory gene transcription and glucocorticoid function［J］.J Inflamm Lond，2010（7）:33.

［24］Paredi P，Kharitonov SA，Leak D，et al.Exhaled ethane，a marker of lipid peroxidation，is elevated in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Am J Respir Crit Care Med，2000，162（2）:369-373.

［25］Del Rio D，Stewart AJ，Pellegrini N.A review of recent studies on malondialdehyde as toxic molecule and biological marker of oxidative stress［J］.Nutrit Metabol Cardiov Dis，2005，15（4）:316-328.

［26］van Helden YG，Keijer J，Heil SG，et al.Beta-carotene affects oxidative stress-related DNA damage in lung epithelial cells and in ferret lung［J］.Carcinogenesis，2009，30（12）:2070-2076.

［27］Kamp DW，Greenberger MJ，Sbalchierro JS，et al.Cigarette smoke augments asbestos-induced alveolar epithelial cell injury:Role of free radicals［J］.Free Radical Biol Med，1998，25（6）:728-739.

［28］Kamp DW，Srinivasan M，Weitzman SA.Cigarette smoke and asbestos activate poly-ADP-ribose polymerase in alveolar epithelial cells［J］.J Investigat Med，2001，49（1）:68-76.

［29］Comandini A，Marzano V，Curradi G，et al.Markers of anti-oxidant response in tobacco smoke exposed subjects:a data-mining review［J］.Pulmon Pharmacol Therap，2010，23（6）:482-492.

［30］van der Toorn M，Rezayat D，Kauffman HF，et al.Lipid-soluble components in cigarette smoke induce mitochondrial production of reactive oxygen species in lung epithelial cells［J］.Am J Physiol-Lung Cell Mol Physiol，2009，297（1）:L109-L114.