通过抑制氧化应激损伤治疗炎症性肠病的前景展望

唐 样,王宜君,王璐瑶,宋 雪

(1.蚌埠医科大学第一附属医院 中心实验室,安徽 蚌埠 233004;2.蚌埠医科大学 临床医学院,安徽 蚌埠 233030)

炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)是一种慢性胃肠道疾病,其主要类型可分为溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)和克罗恩病(Crohn′s disease,CD)两种。IBD的病理特征主要是肠道出现溃疡和肠道黏膜存在大量炎性细胞浸润等[1]。目前,IBD的发病机制尚不明确,但越来越多的证据表明,氧化应激(oxidative stress,OS)与IBD中表现出的某些典型临床特征有关,并且在IBD的发病机制和发展过程中起重要作用。氧化应激可引起机体组织细胞氧化还原状态的失衡,并大量积累活性氧(reactive oxygen species,ROS),诱发氧化应激损伤扰乱细胞内环境稳态,从而间接参与或直接导致肠道菌群紊乱、免疫反应失调、黏膜屏障功能改变、自噬功能异常以及肠道纤维化,加重肠道炎症以及胃肠道黏膜上皮损伤[2-3]。因此,探索氧化应激在IBD中的作用机制,有望揭示IBD潜在的发病机制,为临床诊疗方案提供可行的新思路。

1 肠黏膜上皮细胞与氧化应激

在IBD中,氧化应激可损伤肠黏膜上皮细胞(intestinal epithelial cells,IECs),破坏黏膜屏障和免疫系统,导致肠道黏膜损伤和炎症扩散,引起慢性持续性的炎症,出现如杯状细胞丢失、隐窝细胞增生、黏液生成减少和溃疡等症状,从而造成肠道稳态失衡,IBD加重[4]。

1.1 IECs

IECs是由杯状细胞、吸收细胞和内分泌细胞组成的单层柱状上皮细胞,但不同部位的IECs组成成分有所不同,如在小肠中,IECs的组成成分还包含有未分化细胞和Paneth细胞。肠道内外环境间存在着多种沟通媒介,而IECs作为多种媒介中的一种,其参与组成了机体的肠黏膜屏障,并发挥着分泌、消化和吸收等功能,被认为在IBD的发病机制中起着核心作用[5-6]。

1.2 肠黏膜屏障受损

IECs在人体肠道内形成的细胞屏障,对维持黏膜稳态至关重要。然而,氧化应激对IECs所造成的异常损伤,会导致其黏膜屏障功能被破坏。ROS引发的氧化应激会通过诱导蛋白质构象改变,使蛋白质功能部分或完全丧失。此外,ROS还可引起脂质过氧化来加速细胞损伤,从而引发IECs严重的炎症反应[7]。在黏膜的炎症反应过程中,IECs又可通过激活由炎症细胞因子介导的NADPH氧化酶(NADPH oxidase,NOX)和诱导型一氧化氮合酶(inducible NOS,iNOS)等来产生更多的ROS。随着ROS在机体内大量积累,细胞骨架蛋白逐渐遭受到严重的氧化应激损伤,这也导致了IECs间的紧密连接结构陆续被破坏,最终使得肠黏膜屏障受损。

当肠黏膜屏障受损严重时,肠黏膜中的某些由辅助性T细胞(T helper cells,Th)介导生成的细胞因子[例如白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等]会产生异常正反馈,刺激IECs继续产生大量的ROS,促进氧化应激损伤,导致严重的恶性循环,肠黏膜屏障损伤加重[8]。

1.3 抗菌肽分泌减少

抗菌肽主要由Paneth细胞分泌,可分为杀菌肽和防御素两类,在控制细菌和抗炎方面发挥重要作用[4,9]。然而随着IECs周围的微血管募集炎症介质,炎症进一步扩散,使得Paneth细胞被氧化应激损伤,导致抗菌肽的分泌相对减少,菌群调控和抗炎作用相对减弱,IBD病人也因此表现出肠道菌群紊乱和炎症反应加重的临床症状。CD病人存在由氧化应激损伤所导致的抗菌肽有关基因表达缺陷,特别是与UC病人相比,人β-防御素(human β defensins,HBD)中的HBD2、HBD3和HBD4的诱导作用在CD病人的结肠中有所降低。此外,CD病人回肠还出现Paneth细胞衍生防御素(human defensins,HD)中HD5和HD6表达减少[10]。

2 黏膜免疫细胞与氧化应激

在IBD影响下,机体的适应性免疫系统被激活,幼稚辅助性T细胞(Th0)分化为Th1、Th2或Th17。许多研究[11]表明,在CD中触发的Th1反应,可通过产生干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)诱导肠细胞凋亡,并激活巨噬细胞释放TNF-α,介导NOS等来产生大量的ROS,从而引发氧化应激损伤黏膜屏障。在UC中,自然杀伤(natural killer,NK)细胞生成的Th2介导细胞因子(如IL-13、IL-25等)可引起免疫应答和肠道通透性增加,间接促进氧化应激损伤IECs,并向NK细胞提供正反馈[12-13]。在Th17反应中释放的IL-17A可将中性粒细胞和巨噬细胞募集到炎症部位,通过髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、NOX和NOS等产生大量的ROS,从而介导氧化应激损伤炎症部位,参与到IBD的发病机制中[14]。

在炎症反应期间,其他免疫细胞(如淋巴细胞和单核细胞)也可以在呼吸、前列腺素和白三烯代谢过程中增加ROS的产生,导致严重的组织损伤。此外,ROS和炎症细胞因子在淋巴管表面可诱导黏膜地址素细胞黏附分子-1(mucosal address element cell adhesion molecule-1,MAdCAM-1)参与肠道炎症部位淋巴细胞的选择性招募,并由此来调控淋巴细胞在肠间质内的运动和积累,使细胞间连接紊乱,加剧ROS和炎症细胞因子的释放,引起更严重的黏膜氧化应激损伤,导致IBD的进一步发展[15]。在免疫系统各免疫细胞的参与下,炎症细胞浸润增加和ROS生成增多,导致氧化应激进一步损伤胃肠道组织,形成恶性循环,从而加重了IBD。

3 肠道菌群与氧化应激

肠道菌群能够参与调节胃肠道的运动、肠上皮的发育、营养吸收和免疫反应,在维持胃肠道正常功能方面起着重要作用。值得注意的是,肠道菌群紊乱引起ROS的持续产生,介导了机体的氧化还原稳态失衡 ,从而导致氧化应激损伤机体大分子物质(如脂质和蛋白质等),影响肠道细胞的稳态以及胃肠道菌群的生物多样性,诱发IBD[16-18]。

在氧化应激损伤和肠道菌群紊乱的双重作用下,肠黏膜屏障持续受损,导致黏膜通透性异常增强,这也使得致病菌易于穿过黏膜上皮屏障,接触并刺激IECs表达模式识别受体(pattern-recognition receptors,PRRs),呈递抗原激活免疫细胞[19]。此外,在共生菌的刺激下,IECs可利用NOX等产生ROS。其中H2O2可通过氧化Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)上对氧化还原敏感的半胱氨酸残基(cysteine residues,Cys)来激活核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,Nrf2)信号通路,从而提高机体抗氧化的能力[20]。但高含量的H2O2也有可能会把Cys中的硫代酸根阴离子氧化成亚磺酸或磺酸物质,这种不可逆的改变将影响Nrf2信号通路发挥其维持氧化还原平衡和抑制氧化应激损伤的功能,导致氧化应激损伤加重[21]。

事实上,ROS引起氧化应激损伤的差异取决于其对靶标的特异性和选择性以及细胞中ROS的分布差异[22]。细菌驱动的尿嘧啶会引发IECs中双氧化酶(double oxidase,DUOX)依赖性ROS(如H2O2)的过量产生,这可能导致DUOX2的过度表达,加剧肠道中的氧化应激[23-24]。有趣的是,乳酸乳球菌会在炎症部位释放超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD),并通过高效利用SOD的抗氧化功能来清除ROS,缓解氧化应激损伤[25]。乳酸杆菌也似乎通过上调Nrf2依赖性抗氧化酶来缓解氧化应激损伤对疾病病程的影响。含氧结肠腔表面附近的粪肠球菌则是快速产生大量ROS,诱发氧化应激损伤[26]。与此不同,一些肠道菌群会响应上皮细胞的DNA损伤,通过巨噬细胞来促进NOS等生成更多的ROS,加剧肠道炎症部位的氧化应激损伤[5,27]。

总之,肠道菌群保持稳态,正常发挥调节ROS产生、维持肠道内环境稳定和抗氧化防御的能力,对宿主胃肠道所处的健康和疾病状态具有一定的决定作用。

4 自噬与氧化应激

当前,自噬主要分为微自噬、巨自噬和伴侣自噬三种不同形式,其在机体肠道生态调节、肠道稳态维持、适当的肠道免疫反应和抗微生物保护过程中起重要作用[28]。在多数条件下,氧化应激中过量积累的ROS都可作为调节因子,诱导自噬产生。反过来,自噬也能通过多种信号通路来清除被氧化应激损伤的线粒体和蛋白质等,减轻氧化应激造成的损伤,从而有效的保护细胞。

4.1 氧化应激诱导自噬产生机制

氧化应激可通过介导与自噬小体形成过程相关的信号通路来诱导自噬产生。大量研究结果表明,机体内过量的ROS可以通过抑制磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatiddy linositol-3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)信号通路来调节自噬的关键负调节因子哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR),从而诱导自噬产生[3,29]。在自噬体形成过程中,氧化应激可抑制自噬相关蛋白4(autophagy-related gene 4,ATG4)的活性,引起微管相关蛋白1轻链3(microtubule-assaiated protin 1 light chain 3,LC3-II)的积累,进而调节自噬。此外,氧化应激还可通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)信号通路影响核转录因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)、叉头框转录因子O(Forkhead box O,FoxO)和转录因子激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)的活性,来调节自噬相关基因的表达水平[30]。

4.2 自噬缓解氧化应激的途径

自噬主要通过多种途径(如伴侣介导的自噬途径、线粒体自噬途径和p62传递途径)清除蛋白质聚集体和受损细胞器(如线粒体等)的方式来缓解氧化应激损伤[31-32]。在氧化应激引起的某些反应中,Nrf2转录因子可以通过p62传递途径来激发自噬体发挥清除氧化受损蛋白的功能,从而有效的缓解氧化应激损伤[33-34]。受损细胞器所生成的ROS,则可通过诱导线粒体自噬途径去除受损细胞器的方式来降低ROS水平,缓解氧化应激损伤。

然而,在IBD病因学涉及的遗传因素中,自噬相关基因的变异已经被鉴定[35]。自噬作用异常,使得自噬与氧化应激之间的某些相互作用丢失,从而发生肠上皮功能紊乱、肠道生物失调、Paneth细胞分泌抗菌肽缺陷、内质网应激反应和对病原菌的异常免疫反应,导致氧化应激损伤加剧[36]。

5 肠道纤维化与氧化应激

IBD引起的持续性肠道炎症,会导致细胞外基质(extracellular matrix,ECM)蛋白过度沉积,诱发严重的肠道纤维化。大量研究[37-38]表明,慢性炎症和TGF-β/ Smad信号在肠纤维化中起核心作用。值得注意的是,氧化应激介导了某些与慢性炎症相关的纤维化,并且转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和ROS也被证明与ECM的过度积累和肠道纤维化有关[39-40]。

在IBD中,TGF-β可促进ROS的生成并抑制抗氧化酶活性,导致机体原有氧化-抗氧化稳态的失衡,从而引起组织细胞的氧化应激损伤;反过来,ROS也可激活TGF-β并介导其参与多种纤维化效应,TGF-β与ROS相互交织形成恶性循环。TGF-β通过激活mTOR途径的哺乳动物靶点以及Smad和Ras同系物/ Rho激酶(Ras homolog family mmember A/Rho-associated kinase,RhoA/ROCK)途径来诱导NOX等增加ROS的产生[41-42]。此外,TGF-β还可通过降低抗氧化酶(如过氧化氢酶、GPX和SOD等)的表达,促进ROS水平的增加。相反,TGF-β的活性和表达受组织氧化还原状态的调控。氧化还原失衡可增加TGF-β活性,诱导和上调TGF-β基因的表达[40]。此外,ROS还参与介导了TGF-β的纤维化效应,包括成纤维细胞激活、内皮细胞和上皮细胞凋亡以及纤维化和促纤维化基因表达等[42-43]。肠道纤维化与氧化应激的恶性交织,使得IBD不可逆的加重。

6 IBD氧化应激损伤的相关信号通路

除了大家所熟知的NF-κB信号通路和MAPKs信号通路外,通过大量文献阅读,我们总结出Nrf2信号通路、AMPK/FOXO信号通路、RAGE信号通路和SETD2信号通路等也参与了IBD氧化应激损伤。

6.1 Nrf2信号通路

在氧化应激及炎症相关组织损伤中,对氧化还原敏感的Nrf2可通过抗氧化机制负性调节促炎反应和黏膜损伤,抑制IBD中ROS的过多生成来保护肠道黏膜免受氧化应激损伤,从而维持肠道黏膜稳态。

正常条件下,机体中的Nrf2可通过识别Keap1中的Cys来与Keap1结合形成二聚体,并以此来诱导自身泛素化降解,从而使得Nrf2处于低水平状态,细胞趋于稳态。当受到外界环境ROS的氧化应激刺激时,Keap1中的Cys构象会发生改变,使Nrf2与Keap1无法结合或已结合的二聚体发生解离,导致Nrf2难以被泛素化降解,因此胞质中游离Nrf2逐渐增多。随着Nrf2的增多,部分Nrf2进入细胞核内与抗氧化反应原件(antioxidant response element,ARE)相互作用,调控下游抗氧化酶[如血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)和谷胱甘肽过氧化酶(glutathione peroxidase,GPX)等]及Ⅱ相解毒酶的表达,以提高机体的抗氧化能力,从而有效的去除过多生成的ROS,抑制氧化应激损伤[44]。

在慢性炎症期间,持续的Nrf2激活对于机体抗氧化应激损伤至关重要。大量研究[7]表明,DSS诱导的Nrf2基因敲除小鼠结肠炎模型比常规野生型小鼠结肠炎模型的抗氧化酶表达水平明显更低,也因此其表现出更严重的氧化应激损伤和肠炎症状,并伴有隐窝大量丢失。而在IBD病人肠道黏膜中,早期应答基因3(immediate early response-3,IER3)可通过PI3K/Akt途径负调控Nrf2激活,使Nrf2会处于低水平,从而导致ROS产生增多,氧化应激损伤加剧[45]。所以,通过抑制IER3表达以及提高Nrf2激活水平,或许能够提高机体抗氧化能力,减轻氧化应激损伤程度,缓解IBD。

6.2 AMPK/FOXO信号通路

AMP依赖的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]本质上是一种由三个异质亚基组成的多基质蛋白激酶,包括一个催化α亚基和两个调节β和γ亚基,其可作为维持细胞稳态的关键调节因子发挥作用。大量研究[46]表明,在多种应激反应中,AMPK均可充当应激传感器发挥重要的调节作用,特别是在氧化应激反应中,AMPK途径参与并激活抗氧化酶发挥其抗氧化作用,降低机体ROS水平,从而抑制氧化应激损伤。

ROS稳态调节的另一个关键介质是FoxO,FoxO家族的 FoxO1、FoxO3、FoxO4和 FoxO6均是AMPK下游调控的良好候选因子,因此在调节机体氧化应激反应中起着至关重要的作用[47-48]。先前的研究[49]已经报道,AMPK的激活可诱导FoxO3的核易位以及FoxO3与硫氧还蛋白-1(thioredoxin-1,Trx- 1)启动子的结合。其中Trx-1是一种抗氧化蛋白,可以减少促炎细胞因子和ROS的生成,并增强机体的抗氧化防御能力,以此来降低机体ROS水平,缓解氧化应激损伤。所以,通过AMPK/FoxO信号通路可以上调Trx-1表达的抗氧化能力,减轻氧化应激损伤对IBD的影响。

6.3 RAGE信号通路

晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)是一种与炎症反应和免疫系统激活有关的模式识别受体,其对多种分子都具有配体结合亲和力,包括晚期糖基化终产物(advanced glycation end products,AGEs)、β-淀粉样肽、高迁移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)和S100等。其中,RAGE与AGEs结合后可介导NOX产生大量的ROS并在机体异常积累,诱发严重的氧化应激损伤。

氧化应激可通过激活原癌基因Ras编码的p38Ras蛋白及MAPKs途径激活NF-κB。NF-κB的活化可以刺激下游相关靶基因表达,如p21Ras、ERK以及RAGE的表达。这些促氧化基因的激活可使NO、IL-1、TNF-α、单核细胞克隆刺激因子等炎症因子以及细胞间黏附分子等分泌增加[50]。大量炎症因子、生长因子和黏附分子的表达释放能触发瀑布式炎症反应,形成恶性循环,引起持续的细胞损伤和功能紊乱,最终导致组织损伤的发展。

许多研究表明,RAGE信号通路在正常人的肠道以及IBD病人肠道的非炎症区域均处低表达状态,然而,在IBD病人肠道炎症区可观察到RAGE信号通路表达增加,且与炎症呈正相关。此外,RAGE信号通路相关配体可在氧化应激过程中生成增多,协助炎症过程的持续和随后的组织损伤[51]。所以,尝试以RAGE为靶点,通过RAGE特异性抑制剂FPS-ZM1等抑制RAGE信号通路,控制氧化应激损伤的发生,可作为IBD潜在的新疗法。

6.4 SETD2信号通路

含SET结构域蛋白2(SET domain-containing protein 2,SETD2)是组蛋白H3赖氨酸36(histone H3 lysine 36,H3K36)的三甲基转移酶,它可以改变H3K36的三甲基化状态并调节蛋白质结构及其功能[52-53]。SETD2是IECs生存所必需的,SETD2介导的H3K36me3可通过促进抗氧化基因[过氧化还原酶3(recombinant peroxiredoxin 3,Prdx3)]、Prdx6、谷氨酸-半胱氨酸连接酶修饰亚基基因(glutamate-cysteine ligase modifier,Gclm)和硫氧还原蛋白1(sulfiredoxin1,Srxn1)等)的表达来维持 ROS 稳态,抑制氧化应激损伤,从而防止肠道炎症加剧,保护上皮屏障。

有研究[54]表明,SETD2表达水平降低与IBD发病机制之间存在潜在联系。正常情况下,SETD2的表达水平与肠道炎症正相关,然而,SETD2在IBD病人肠道组织中的表达水平显著低于正常肠道组织中的表达水平。利用IBD临床病人肠道组织样本进行SETD2的表达量分析发现,与正常组织相比,SETD2在IBD临床病人肠道组织中的表达水平显著降低。因而在临床上,SETD2缺失的IBD病人可表现为IECs凋亡和肠道黏膜屏障损伤增加,呈现出更严重的肠道炎症反应,加剧IBD的发展。

实际上,IBD病人肠道上皮中的SETD2缺陷,可引起NF-κB和MAPKs等信号通路的异常激活,导致ROS积累,进而出现IECs凋亡和屏障破坏增强。上述结果表明SETD2可以作为IBD干预的潜在治疗靶点,为与SETD2突变相关的IBD的临床诊断和药物研发提供重要的理论依据。

7 展望

IBD目前在临床较常见,治疗手段较保守,没有特效方法根除。各种研究表明,ROS引起的氧化应激损伤是IBD重要的致病原因,围绕氧化应激损伤及其相关信号通路展开更深入的研究,通过使肠道菌群紊乱正常化、修复上皮屏障、改善氧化还原不平衡、调控机体自噬作用和肠道纤维化状态等有效方法来抑制氧化应激损伤,或许在未来可以打开IBD诊疗的新局面,取得开拓性进展。