氧化-抗氧化失衡在慢阻肺发病及进展中的作用及机制研究

氧化 -抗氧化失衡在慢阻肺发病及进展中的作用及机制研究

蒋庆雯 1

1.宁波大学医学院，浙江 宁波 315211；

摘要：慢性阻塞性肺疾病((Chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是以持续不完全可逆的气流受限为特征的常见慢性气道炎症性疾病。在我国，随着工业化、城市化的进展所致的空气污染以及快速增长的吸烟人群，COPD成为当今重要的公共卫生问题。引起气道慢性炎症的作用机制复杂多样，氧化-抗氧化失衡在慢阻肺发展进程中起到关键性作用。加深对氧化-抗氧化失衡的作用机制研究，有助于提高对COPD患者疾病监测和预防管理。

关键词：氧化应激；炎症反应；慢阻肺；机制研究

根据国内最新流行性病学调查和数据统计显示，慢阻肺的患病人数接近 1 亿，20 岁以上成人患病率高达 8.6%，随着年龄增大患病率逐渐升高，60 岁以上老年患病率超过27%^[1，2]。慢阻肺已成为我国居民第三位主要死因，2013年因慢阻肺造成死亡的人数超过900万^[3]。在过去的十年中，PM2.5和工业化废弃空气排放已成为中国的主要环境问题之一，同时居高不下的吸烟人口总量和趋于年轻化的COPD患病人群高占比率，使我国COPD患病率和死亡率均处于较高水平。慢阻肺已成为严重危害我国人口健康的重大疾病。

慢阻肺是一种全身性疾病。不仅有局部特异性表现，更有全身多处非特异性临床表现。慢性咳嗽咳痰通常为COPD首发症状，气促或呼吸困难是其典型的临床表现。COPD 由多因素和多环节相互作用发生和发展，慢性气道炎症反应、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、氧化-抗氧化失衡是导致COPD发生发展的主要发病机制。慢性气道炎症反应基于抗炎和急性期抗生素的治疗，长期激素吸入可能增加真菌感染风险。蛋白酶和抗蛋白酶失衡引起的蛋白酶缺乏而导致的COPD主要发生于欧美人群，国内鲜有报道。氧化-抗氧化失衡与COPD发生发展有着密不可分的联系，在近些年越来越受到关注。本文就其在COPD发病中的作用及机制进行论述。

1.氧化-抗氧化失衡与气道和肺组织损伤

通常情况下，气道和肺组织内存在氧化-抗氧化体系以维持内环境的稳定和正常生理活动。当呼吸道暴露于烟雾、粉尘、各种病原微生物等高污染和有害气体环境时，过量氧化物的产生和减弱的清除能力，使肺组织受损，造成肺部结构和功能改变^[4]。每吸一根香烟烟雾中含有多达数以千亿以上的氧化分子，除了直接损伤肺泡上皮细胞，可造成细胞黏液分泌过多、抗蛋白酶的氧化失活、细胞外基质重建、DNA损伤等一系列病理生理反应，造成细胞坏死，加重肺组织损伤^[5]。有证据表明吸烟和氧化剂能使α1-AT及其它一些蛋白酶失活，降低气道上皮细胞损伤修复功能^[6]。此外，氧自由基还能抑制弹性蛋白和胶原蛋白的合成，使肺组织支架断裂，从而导致弹力纤维分解、肺泡壁破坏，以致肺气肿的形成^[7]。

现阶段所发现的氧化物质包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、过氧化亚硝酸盐(ONOO－)、超氧阴离子(O₂－)、过氧化氢(H₂O₂)、羟自由基(OH)等。体内的抗氧化系统包括：①血浆中抗氧化剂；②抗氧化酶；③细胞内谷胱苷肽(GSH)。香烟烟雾中包括有H2O2、NO、活性氧（ROS）等多种氧化剂。这些氧化剂和其他毒性物质除了可以直接穿过呼吸道防护层对上皮细胞造成损伤，另可通过促进由中性粒细胞等炎症细胞释放的ROS产生，损伤细胞内线粒体代谢功能，影响抗氧化能力^[8]。氧化抗氧化的失衡可直接攻击气道上皮细胞内DNA，使DNA上的鸟嘌呤被氧化，阻断复制和转录，干扰DNA修复能力，引起细胞功能丧失或凋亡^[9]。有实验表明吸烟可通过减少细胞内GSH数量改变内膜通透性，同时募集由气道上皮内中性粒细胞和巨噬细胞释放的ROS，形成趋化因子，释放肿瘤坏死因子(TNF-α)、IL-1B等细胞因子，并产生过氧化亚硝酸盐(ONOO-)，在损伤DNA导致细胞死亡的同时抑制抗氧化酶活性^[10]。

2.氧化-抗氧化失衡与气道炎症反应

COPD的重要特征是整个气道和肺实质持续性炎症病变。吸烟是导致COPD的最主要危险因素，通过吸入有害气体或颗粒导致被激活的巨噬细胞和中性粒细胞等相关炎性细胞与CD8^＋T淋巴细胞释放的化学趋化因子（如IL-6，IL-8）等相互作用，引起气道慢性炎症。吸烟者的气道炎症水平要显著高于非吸烟者和戒烟者，且在已戒烟者人群气道中发现持续的炎症反应。气道炎症水平与肺实质的破坏程度呈正相关。研究发现，相比于健康人群，COPD稳定期患者呼出气中 H2O2水平更高，且在急性加重期表现出进一步的升高^[11]。8-iso-PG，CO 与NO 也可作为监测 COPD 气道炎症的指标，对疾病的监测和评估起到监督和及时干预作用^[12-13]。气道壁和肺实质的慢性炎症造成的损伤具有完全不可逆性，最终导致气道和各级支气管及肺泡出现实质性改变，影像学上可表现出慢性支气管炎、支气管壁增厚和/或明显肺气肿等，伴随肺功能进行性下降。促进肺间质内细胞外基质（ECM）和调节平滑肌细胞增殖的生长因子也在其中发挥重要的推动作用。

既往研究发现，氧化剂可减弱中性粒细胞的变形能力，同时激活一系列可调节炎症介质释放的转录因子如激活蛋白 1等，导致中性粒细胞大量聚积在肺组织内。在发挥多重损伤效应同时，其产生的氧化应激反应同时存在多种不同途径促进体内炎症反应。在多种炎性因子(包括TNF-α，黏附分子)作用下，通过促进中性粒细胞表面黏附分子的表达，活化中性粒细胞释放蛋白酶引起气道和肺组织损伤^[14]。

发生氧化抗氧化失衡时，气道和肺部以及体内过多的氧化物质及其代谢物可作为反映氧化应激水平的特征性标志物。蛋白质羰基（PC）是评价蛋白氧化损伤程度的有效指标。大量释放的ROS通过损伤蛋白质氨基酸侧链导致蛋白质羰基化，增强了氧化应激反应^[15]。由于ROS的半衰期较短，直接测量不易取，在平时的临床工作和基础研究中常采用脂质或DNA氧化的产物作为监测指标。有研究结果显示，测定机体内丙二醛（MDA）的浓度可反映细胞膜脂质过氧化水平，通过改变细胞通透性和流动性，引起细胞坏死，间接反映细胞受损坏的程度，且在吸烟者中发现血清脂质过氧化物与肺功能呈明显负相关性^[16]。氧化鸟嘌呤/鸟嘌呤核苷（包含8-OHdG）作为DNA氧化损伤的终产物，被认为是氧化损伤的可靠生物标志物，已有多项研究观察到其在糖尿病、癌症、心血管疾病、慢性肺部疾病中的升高^[17,18]。在吸烟的慢阻肺患者研究中发现在外周血单核细胞 DNA 中8-OHdG水平与吸烟量成正相关，与 FEV1% 预计值呈负相关，提示COPD患者血清中8-OHdG浓度的增高与吸烟诱导的机体DNA氧化损伤反应具有显著相关性^[17]。另一项在构建烟草烟雾和有害气体诱导形成的慢性气道炎症小鼠体内的试验中，发现8-OHdG水平在气道上皮显著升高，且暴露时间越久的小鼠肺内氧化DNA损伤百分比更高，提示气道炎症与氧化应激损伤反应水平密切相关^[19]。类似的结果在抽取吸烟者和非吸烟者血清进行8-OHDG浓度差异比较的临床对照研究中被发现。

3.氧化应激水平与COPD严重程度及预后相关性

作为慢性气道炎性疾病，慢阻肺病程较长。由于肺组织和循环中不同炎症细胞和介质的累积，使慢阻肺整体病史呈现可变性，稳定期与急性加重期相互交替出现。在原有咳嗽、咳痰、气促等临床表现基础上逐渐出现心肺功能不全及其他器官受累征象。慢性阻塞性肺病急性加重(AECOPD)与炎症加重有关，可促使疾病快速进展，每一次的急性加重对心肺功能损害极大，对生活质量造成严重影响，严重者可出现呼吸衰竭、肺性脑病和肺心病等并发症，在增加个人家庭开销和卫生医疗服务利用的同时增加死亡风险。

在反映COPD严重程度方面，对患者个体的症状、生活质量、肺活量测量和入院前急性加重（AECOPD）病史进行多维度的综合评估优于单独一项肺功能指标FEV1。与COPD严重程度相关的指标如急性加重病史，FEV1，生活质量是独立的预后因素，同时外周血高水平炎症反应（如CRP，IL-6）也是COPD预后不良的预测指标。

氧化应激是导致COPD发病率和死亡率升高的一个重要因素^[20]。有研究表明，在急性加重患者中死亡患者的血清超氧化物歧化酶(SOD)水平低于存活者，而MDA氧化物水平更高，提示氧化应激水平可能对生存期造成一定影响，且AECOPD患者在治疗稳定后氧化应激及其介导的氧化损伤有所减轻，明患者氧化应激与病情控制密切相关^[21,22]。高氧化应激水平和低抗氧化能力可促进细胞损伤和血管内皮功能损伤，导致严重并发症如肺源性心脏病，心功能衰竭的发生，影响预后情况。

多数患者因肺功能快速减退导致失去劳动力，生活难以自理，严重影响患者个人心身健康和生活质量。肺功能检查是判断有无气流受限、诊断COPD的金标准。在定期复查肺功能基础上，对 COPD患者进行症状（CAT评分）、呼吸困难严重程度评分（mMRC）和生活质量调查评分（圣乔治呼吸问卷SGRQ），可对慢阻肺患者未来加重风险进行综合评估。mMRC与患者健康状态及死亡风险相关性很好。CAT可在动态跟踪随访期内较全面的评定疾病健康状态，≥10分考虑有健康受损，可使用治疗干预。SGRQ分值高低可提示疾病本身对COPD患者造成的生活影响，通过加权计算后，在超过25分值时可考虑使用治疗干预。影响预后因素包括年龄、性别、营养状况、吸烟史、职业因素接触暴露、文化教育程度，以及疾病病程、气流受限严重程度、每年急性发作次数、有无合并其他系统疾病和/或并发症、有无药物治疗和规律治疗、肺康复等。降低不良因素风险，提升合并症的控制管理，有助于改善COPD患者预后情况^[23,24]。

4.小结与展望

氧化-抗氧化失衡诱导的DNA损伤反应参与了COPD发病的病理、生理过程，加速肺功能的恶化。目前针对慢阻肺的短期治疗目标，以对症消炎康复为主要导向。从长远角度看，劝导患者戒烟，避开诱发因素，减轻体内炎症反应，可使大部分慢阻肺患者从中受益，以维持正常工作和日常生活，减轻社会经济负担。但仍有少部分患者对激素治疗不敏感，除了气雾剂/粉剂药物的不规范操作使用和较差的就医依从性外，研究发现氧化应激反应可在一定程度上抵抗吸入性糖皮质激素的抗炎作用，导致患者慢性气道症状反复，甚至日渐加重，急性发作次数增多，出现呼吸衰竭、心功能不全甚至多脏器功能障碍等并发症，对生活质量和生存时限造成极大影响。对氧化应激反应在慢阻肺发病和发生的机制作用进行深入研究，有望做到全员慢阻肺可防可控的目标，在未来有助于进一步推进COPD患者开展个体化精准靶向治疗，达到延缓疾病进程，降低病死率的目的。

参考文献

1. Wang, C. et al. Prevalence and risk factors of chronic obstructive pulmonary disease in China (the China Pulmonary Health [CPH] study): a national cross-sectional study.[J]. Lancet (London, England),2018.

2. Global Strategy for the Diagnosis, Management and prevention of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. 2018 REPORT. http://www.goldcopd.org.

3. Maigeng Z. et al. Cause-specific mortality for 240 causes in China during 1990 2013: a systematic subnational analysis for the Global Burden of Disease Study 2013[J]. ,2016,387(10015).

4. De Vizcaya-Ruiz A . Biomarkers of oxidative stress and damage in human populations exposed to arsenic.[J]. Mutation Research/genetic Toxicology & Environmental Mutagenesis, 2009, 674(1):85-92.

5. Stang P, Lydick E, Silberman C, et al. The Prevalence of COPD: Using Smoking Rates to Estimate Disease Frequency in the General Population.[J]. Chest, 2000, 117(5 Suppl 2):354S-9S.

6. Domej W, Oettl K, Renner W. Oxidative stress and free radicals in COPD implications and relevance for treatment. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis 2014, 9:1207-1224.

7. Bodas M, Silverberg D, Walworth K, Brucia KA, Vij N. Augmentation of Snitrosoglutathione (GSNO) controls cigarette-smoke induced inflammatory oxidative stress and COPD emphysema pathogenesis by restoring CFTR function. Antioxid Redox Signal 2016, In press.

8. Soulitzis N, Neofytou E, Psarrou M, et al. Downregulation of lung mitochondrial prohibitin in COPD.[J]. Respir Med, 2012, 106(7):0-961.

9. Caramori G, Adcock I M, Casolari P, et al. Unbalanced oxidant-induced DNA damage and repair in COPD: a link towards lung cancer.[J]. Thorax, 2011, 66(6):521-527.

10. Macnee W, Donaldson K. Exacerbations of COPD Environmental mechanisms.[J]. Chest, 2000, 117(5 Suppl 2):390S-7S.

11. Kostikas K, Papatheodorou G, Psathakis K, et al. Oxidative Stress in Expired Breath Condensate of Patients With COPD.[J]. Chest, 2003, 124(4):1373-1380.

12. Jian-Hui Z, Yi-Jiang T, Xiao-Xiao C, et al. Detection and clinical implication of TNF-α and 8-isoPG in Exhaled Breath Condensate of Asthmatic Patients.[J]. Journal of Clinical Pulmonary Medicine, 2011, 123(1):1-14.

13. Brindicci C, Kharitonov S A, Ito M, et al. Nitric Oxide Synthase Isoenzyme Expression and Activity in Peripheral Lung Tissue of Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease.[J]. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 2010, 181(1):21-30.

14. Corteling R, Wyss D, Trifilieff A. In vivo models of lung neutrophil activation. Comparison of mice and hamsters. BMC Pharmacol. 2002;2:1.

15. Torres-Ramos Y D, María L García-Guillen, Olivares-Corichi I M, et al. Correlation of Plasma Protein Carbonyls and C-Reactive Protein with GOLD Stage Progression in COPD Patients.[J]. The Open Respiratory Medicine Journal, 2009, 3(1):61-66.

16. Ben Anes A, Fetoui H, Bchir S, et al. Increased Oxidative Stress and Altered Levels of Nitric Oxide and Peroxynitrite in Tunisian Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease: Correlation with Disease Severity and Airflow Obstruction[J]. Biological Trace Element Research, 2014, 161(1):20-31.

17. Caramori G, Adcock I M, Casolari P, et al. Unbalanced oxidant-induced DNA damage and repair in COPD: a link towards lung cancer.[J]. Thorax, 2011, 66(6):521-527.

18. Soulitzis N, Neofytou E, Psarrou M, et al. Downregulation of lung mitochondrial prohibitin in COPD.[J]. Respir Med, 2012, 106(7):0-961.

19. Cao C, Lai T, Li M, Zhou H, Lv D, Deng Z, Ying S, Chen Z, Li W, Shen H. Smoking-promoted oxidative DNA damage response is highly correlated to lung carcinogenesis. Oncotarget 2016, 7:18919-18926.

20. Brunnquell, Cláudia R, Vieira N A, Sábio, Laís R, et al. Oxidative and proteolysis-related parameters of skeletal muscle from hamsters with experimental pulmonary emphysema: a comparison between papain and elastase induction[J]. International Journal of Experimental Pathology, 2015, 96(3):140-150.

21. Maluf S W, Mergener M, Dalcanale L, et al. DNA damage in peripheral blood of patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD)[J]. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2007, 626(1-2):180-184.

22. Mak J C W. Pathogenesis of COPD. Part II. Oxidative-antioxidative imbalance[J]. International Journal of Tuberculosis & Lung Disease the Official Journal of the International Union Against Tuberculosis & Lung Disease, 2008, 12(4):368-74.

23. Esteban C, Arostegui I, Moraza J, et al. Development of a decision tree to assess the severity and prognosis of stable COPD[J]. European Respiratory Journal, 2011, 38(6):1294-1300.

24. Akkermans R P, Biermans M, Robberts B, et al. COPD prognosis in relation to diagnostic criteria for airflow obstruction in smokers[J]. European Respiratory Journal, 2013, 43(1):54-63.

作者简介：蒋庆雯，2018级在读硕士研究生，研究方向：呼吸道疾病，邮箱：Jiangqw_7147@163.com。