慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一种慢性呼吸道疾病，患者主要表现为呼吸道炎症、肺气肿、黏液生成过多等[1]。COPD的临床治疗药物主要包括支气管扩张药、抗炎药和/或抗感染的药物[2]。水通道蛋白5(aquaporin 5,AQP5)是呼吸道主要的水转运蛋白，可通过调控气道黏液分泌、肺部炎症、肺功能等过程影响COPD的发生发展。同时，细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)在COPD发展中发挥至关重要的作用，且与AQP5联系密切。本文综述了近年来AQP5对PCDs中细胞凋亡、自噬、铁死亡、焦亡等的分子调控机制，并进一步讨论其对COPD的影响，以期为COPD的临床防治提供理论支撑。

1、 AQP5在COPD中的生物学应用

COPD是一种由香烟烟雾(cigarette smoke, CSE)或其他刺激性气体、颗粒引起的慢性气道炎性疾病。黏液生成与AQPs密切相关。

其中，AQP5是气管、支气管水以及小分子[如过氧化氢(H2O2)]运输的主要途径，且表达于黏液分泌活跃的部位。研究发现，在烟熏加气管内滴注脂多糖制作的大鼠COPD气道黏液高分泌模型中，AQP5基因与蛋白表达水平分别为0.36±0.17和0.17±0.04,均显著低于对照组的1.09±0.23和0.37±0.17(均P<0.05),这说明AQP5的降低与气道黏液分泌增加有关[3]。TOWNE等[4]研究表明，由腺病毒感染引起的肺部炎症和水肿小鼠7 d后，AQP5蛋白与mRNA水平均显著降低，为未感染小鼠的(54±11)%和(62±6)%(均P<0.05);感染14 d后，AQP5蛋白与mRNA水平进一步降低至未感染小鼠的(27±10)%和(53±5)%(均P<0.01);同时，免疫组化的结果也显示，腺病毒感染后的7和14 d, 小鼠肺中AQP5染色减少，且14 d AQP5染色的减少程度比7 d更为显著。这说明肺部炎症和水肿与肺中AQP5表达水平的显著降低有关。WANG等[5]通过对25例COPD患者及20例对照患者取得的支气管组织进行检测发现，与对照患者相比，COPD患者中AQP5 mRNA与蛋白表达水平分别为0.56±0.04和1.30±0.02,均显著低于对照患者的0.68±0.01和1.36±0.02(均P<0.05);并且AQP5的下调与COPD患者1秒内用力呼气量(forced expiratory volume in 1 s, FEV1)/用力肺活量(forced vital capacity, FVC)、FEV1%预测值、50%肺活量最大呼气量预测值、25%肺活量最大呼气量预测值均呈负相关。这说明AQP5下降不仅与黏液分泌增加有关还部分反映了气流阻塞。上述研究表明，在COPD患者气道中存在AQP5表达下调并伴有黏液分泌增多，且影响着COPD患者肺功能，提示AQP5在COPD中具有重要的调控作用。因此，以AQP5为靶点可能是治疗COPD的有效途径。

2、 AQP5调控COPD细胞程序性死亡

COPD的发病机制复杂，主要有氧化应激、炎性反应、蛋白酶/抗蛋白酶失衡以及自身免疫反应等，而这些机制均可调控AQP5表达，使黏液分泌增加，继而在COPD中发挥重要作用。PCD是一种无处不在的稳态过程，涉及许多生物系统。PCD包括细胞凋亡、焦亡、自噬、铁死亡等[6]。在生理条件下，AQP5不仅对机体细胞的周转至关重要，并且在正常发育和衰老过程中也扮演着重要角色。但是在病理状态下，AQP5可以加重疾病的发展。在COPD中，中性粒细胞坏死性凋亡释放中性粒细胞弹性酶和活性氧(reactive oxygen species, ROS)进入气道管腔，其中AQP5下调使气道黏液分泌过多，可导致COPD加重[7]。YU等[8]研究发现，流感病毒感染小鼠经过低、中、高质量浓度(40、120、360 mg·kg-1)黄酮类化合物治疗后，120和360 mg·kg-1的黄酮类化合物处理较对照组均显著改善了肺组织间质水肿、出血、炎症细胞浸润等损伤，AQP5的基因与蛋白表达水平分别为模型组的1.2倍、1.3倍、1.9倍和1.4倍、1.7倍、2.7倍(均P<0.05),均显著高于模型组，且呈浓度依赖性；半胱天冬酶(caspase)-3蛋白表达水平分别为模型组的80%、74%、62%(均P<0.05),均显著低于模型组；这说明黄酮类化合物治疗可显著缓解流感病毒感染诱导的肺部炎症、细胞凋亡和水转运异常，而这可能是通过调节AQP5引起的。因此，AQP5在COPD PCD过程中至关重要，有良好的探究前景。

2.1 AQP5调控COPD细胞凋亡

细胞凋亡是影响COPD发生发展的机制之一。AQP5在细胞凋亡中也发挥着重要作用。研究发现，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导的肺损伤大鼠组与正常组相比，肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)与白细胞介素(interleukin,IL)-6 mRNA水平分别升高15倍与20倍(均P<0.05),AQP5蛋白表达明显受到抑制，为对照组的40%(P<0.01);此外，在体外模型中，模型组IL-6与TNF-α水平分别升至对照组的16倍与15倍(均P<0.01);且上皮细胞凋亡较对照组明显增多，为对照组的5倍(P<0.01);同时LPS诱导了核转录因子-κB(nuclear transcription factor kappa B,NF-κB)通路上核因子-κB抑制蛋白α(inhibitor of NF-κB,IκB-α)磷酸化(phosphorylation, P)与降解(P-IκB-α∶IκB-α蛋白表达为7∶1,P<0.01)以及p50、p65核易位增加(蛋白表达分别为对照组的1.9倍和2.0倍，均P<0.01)[9];因此，LPS诱导的肺损伤可能通过TNF-α/NF-κB信号通路引起炎症反应，且AQP5蛋白水平的降低可能与炎症因子和凋亡细胞的增加有关。另有报道称，TNF-α还可激活细胞表面受体肿瘤坏死因子受体1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)引起后续细胞死亡(包括细胞凋亡和坏死性凋亡)的发生，而这一过程受到NF-κB通路的调控[10]。SAKAMOTO等[11]通过敲低转染高表达AQP5的MLE-12(永生化小鼠肺上皮细胞)细胞中AQP5(10、25、50 nmol·L-1)以及转染AQP5 cDNA至不表达AQP5的NIH-3T3(成纤维细胞)细胞中(1、2、4 μg·mL-1),48 h后再用20 ng·mL-1TNF-α处理6 h, 检测培养基中TNF-α诱导的角质细胞诱导因子(keratinocyte chemoattractant, KC)分泌以及蛋白与基因表达情况。结果显示，在MLE-12细胞中转染AQP5 siRNA导致KC分泌显著衰减，在10、25、50 nmol·L-1处分别为对照组的50%、25%、12.5%(均P<0.01);另一方面，在NIH-3T3细胞中，转染AQP5 cDNA增加了KC的分泌，在10、25、50 nmol·L-1处分别为对照组的1.2倍、1.4倍、1.8倍(均P<0.05)。接着用NF-κB抑制药进行干预后发现，在AQP5 cDNA转染细胞中KCmRNA表达为对照组的10%(P<0.01),说明可显著阻断TNF-α诱导的KCmRNA表达；此外，TNF-α处理导致核中NF-κB成分p65表达明显增加，在AQP5 cDNA转染的细胞中，核p65蛋白的水平为对照组的1.5倍(P<0.01)。因此，AQP5可能作为炎症信号增强剂的新功能，而这种功能可能由TNF-α引起的NF-κB通路激活增强所介导。此外，细胞坏死性凋亡还可能通过IL-1β和IL-18非规范激活，进而促进炎症的发生。因此，本课题组提出下调的AQP5可能在COPD中作为增强剂活化NF-κB通路中相关炎症因子，进而导致COPD的加重，其原因与TNF-α/NF-κB介导的细胞凋亡联系密切。

2.2 AQP5调控COPD细胞自噬

氧化应激与ROS是影响COPD细胞自噬最主要的方式，目前研究较多的为线粒体自噬与过氧化物酶体自噬。有报道指出，CSE暴露会引起持续性的氧化应激，进而诱发线粒体结构与功能的剧烈变化，使细胞衰老，甚至坏死，加重COPD[12]。线粒体自噬在消除因过量ROS导致的受损线粒体中起着至关重要的作用，这一方式通常受磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologues, PTEN)诱导的推定激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)-帕金森病蛋白2(Parkinson’s disease protein 2,PARK2)基因途径支配。据报道，PINK1-PARK2通路参与调节CSE诱导的受损线粒体的自噬消除，可调节因过量ROS产生导致的细胞衰老[13]。SEKINE等[14]研究发现，转染了抗AQP5 siRNA的胆囊癌细胞株(NOZ)与对照细胞系(无siRNA转染的NOZ)相比，共有1 200个miRNAs过表达，且miR-21荧光强度比为15∶1(P<0.01),说明miR-21高度过表达；此外，AQP5/PTEN高共表达患者的术后生存期在1年、2年、5年后分别为低共表达患者的1.7倍、2.2倍、3.3倍(均P<0.01)。因此，在AQP5抑制的NOZ细胞系中，可引起miR-21过度表达，且miR-21的表达与PTEN的表达呈负相关。那么在COPD中，可以通过上调AQP5引起上游相关靶基因的表达，使PTEN表达升高，促进PINK1-PARK2线粒体调控水平，进而促进线粒体自噬，减轻氧化应激水平，可能是减轻COPD的一种有效途径。

过氧化物酶体自噬在CSE浓度不同的情况下表现出了相反的作用机制。在低浓度CSE中，过氧化物酶体可以保护细胞免受氧化应激。例如，功能性过氧化物酶体的缺失导致发育中的小鼠小脑细胞凋亡增加[15];H2O2酶作为最丰富的过氧化物酶体抗氧化酶，患有遗传性H2O2酶缺乏症的患者患与年龄有关疾病的风险增加[16]。而在过氧化物酶体自噬发生细胞保护的同时，经ROS刺激的磷酸化AQP5通道变宽，产生更大的膜丰度，进而促进更多的H2O2膜渗透，一方面增加过氧化物酶体自噬，以清除受损的细胞器；另一方面通过激活其转录因子，上调相关基因的表达，形成抗氧化防御，调节细胞对氧化应激的抵抗力促进ROS清除[17]。而较高浓度的CSE会增加自噬体通量，对细胞起到了相反的有害作用[18]。这可能与自噬稳态的失调相关，因在过多的自噬靶标下，自噬保护作用可能会变得不堪重负，最终无法处理这些自噬靶点，导致受损蛋白质或细胞器的积累，最终引起细胞损伤，甚至加重疾病。同时，过氧化物酶体可通过其代谢活性产生大量的ROS。这进一步促进了上皮细胞的死亡，还可能加重气道炎症和黏液分泌过多[19]。如之前所述，AQP5在调控气道黏液分泌过多中发挥着重要影响，且AQP5表达的升高可明显改善小鼠气道炎症和肺水肿。因此，虽然在CSE低浓度时AQP5对于过氧化物酶体自噬的影响还不得而知，但是其至少在症状上对疾病起到了一定的缓解作用，具有一定的探究意义。

2.3 AQP5调控COPD细胞铁死亡

铁死亡是一种新型的细胞死亡模式，其主要特征是脂质活性氧和铁超负荷依赖性细胞死亡。谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)是胱氨酸-谷氨酸转运受体(cystine-glutamate exchan-ger, System Xc-)的关键调节因子，其可以通过直接解毒氢过氧化物来减轻铁死亡的发生[20]。System Xc-抑制或下调GPX4继而触发磷脂多元不饱和脂肪酸过氧化可引起铁死亡[21]。一项诱导干燥综合征(sicca syndrome, SS)小鼠唾液腺上皮细胞铁死亡的研究中显示[22],铁死亡小鼠组与对照组小鼠相比，唾液和泪液分泌均明显减少，唾液腺GPX4、AQP5蛋白和mRNA表达均明显降低，分别为对照组的60%、40%和50%、40%(均P<0.01);铁死亡抑制药组与铁死亡小鼠组相比，小鼠唾液和泪液分泌均明显增多，唾液腺GPX4、AQP5蛋白和mRNA表达均明显升高，分别为铁死亡小鼠组的1.5倍、2.0倍和1.7倍、2.1倍(均P<0.01);这说明抑制SS小鼠铁死亡可上调GPX4和AQP5,减轻了SS小鼠的致病性并挽救了唾液分泌不足，表明AQP5与铁死亡之间存在重要联系。

在COPD中，铁依赖性氧化应激和脂质过氧化是常见特征，铁稳态的破坏与COPD的进展密切相关。YOSHIDA等[23]证明了GPX4调控的铁死亡可能参与COPD发病机制，研究评估了从不吸烟者(n=6)、非COPD吸烟者(n=6)和COPD患者(n=7)支气管上皮细胞中GPX4的表达水平，结果显示，在COPD患者中GPX4的蛋白表达水平为从不吸烟者的33%,为非COPD吸烟者的36%(均P<0.01);此外，GPX4基因敲除小鼠在4周CSE暴露后，肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中总细胞、巨噬细胞和淋巴细胞计数均较对照组明显减少，分别为对照组的40%、45%、30%(均P<0.01);而GPX4过表达小鼠的BALF中未观察到细胞计数的显著增加；说明GPX4在COPD铁死亡调节机制方面存在重要联系。而之前的报道显示，H2O2介导了产生更多脂质过氧化及含有高Fe2+水平细胞的铁死亡，并且下调的AQP5可促进细胞外H2O2的通透性增加，从而促进铁死亡[24]。因此，铁死亡与人体呼吸道黏液分泌中AQP5可能有着十分重要的功能联系，AQP5可能通过调节H2O2的通透性，促进铁死亡发生；另外，二者又同时受到GPX4下调的影响。

2.4 AQP5调控COPD细胞焦亡

焦亡是一种炎症性的细胞死亡形式，其涉及的主要途径包括Caspase-1激活诱导的经典焦亡信号通路、Caspase-4/5/11介导的非经典焦亡信号通路等[25]。在经典焦亡通路中，NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎症小体的激活以及下游焦亡执行蛋白(Gasdermin D,GSDMD)的切割发挥着核心作用。炎症小体的激活可以导致Caspase-1激活，进而促进下游炎性细胞因子IL-1β和IL-18的组装和活化，招募更多炎症细胞的同时扩大炎症反应[26]。一项关于眼干燥症发病机制的研究显示，AQP5敲除小鼠泪腺的GSDMD、NLRP3蛋白与免疫荧光表达水平分别是对照组的1.7倍、1.8倍和4.2倍、5.5倍(均P<0.01);且AQP5敲除小鼠的ROS阳性染色的原代泪腺上皮细胞数在1和6个月龄小鼠中分别为17.67±0.88和49.00±1.16,均显著高于空白组的11.00±0.58和40.33±0.88(均P<0.01)[27]。这表明AQP5缺乏加重了泪腺中NLRP3/GSDMD炎症小体介导的焦亡，且AQP5/ROS/NLRP3介导的炎症小体轴引起的上皮细胞焦亡在眼干燥症发病机制中占据着重要作用。与此相似的，有报道显示，在COPD中，CSE可通过ROS/NLRP3/Caspase-1途径在气道上皮16HBE细胞中诱导炎症并参与焦亡[28]。因此，AQP5缺乏可能在COPD中导致更多的ROS募集，从而激活炎性小体NLRP3,NLRP3的激活触发裂解的Caspase-1,Caspase-1的激活再靶向下游分子，导致焦亡。同时，细胞在焦亡过程中释放到细胞外的IL-1β和IL-18会招募更多的炎症细胞并扩大炎症反应，加重COPD。

非经典焦亡途径通常是指不依赖Caspase-1的焦亡途径。在非经典焦亡途径中，人类Caspase-4、Caspase-5和小鼠Caspase-11被认为与革兰氏阴性菌的LPS直接相关，其可以与以上Caspase结合增强非经典焦亡。此外，Caspase-11介导的非经典焦亡可以在缺乏NLRP3的情况下单独激活Caspase-1,导致IL-1β前体成熟。而AQP5的调节影响着LPS引发的细胞反应以及IL-1β等的释放。因此，AQP5还可能通过影响LPS进而调控非经典焦亡过程，从而影响COPD的发生发展，但是目前相关研究较少，还需进一步验证。

3、讨论

随着全球老龄化人口的快速增长，COPD的发病率逐年增加，揭示COPD的发生机制日益成为研究者关注的焦点。在COPD患者中，AQP5表达的降低与黏液生成增加和肺功能受损等相关。同时，AQP5还可能在细胞程序性死亡等方面发挥着非传统性作用，如可能通过TNF-α/NF-κB通路调控细胞凋亡；也可能通过调控相关miRNAs影响细胞自噬功能，进而影响疾病发生发展；亦可能通过AQP5/ROS/NLRP3轴调控细胞焦亡及机体炎症反应；此外，AQP5还可能通过对H2O2的调控作用促进铁死亡的发生。但是，COPD细胞程序性死亡的相关分子机制研究仍处于起步阶段，尤其AQP5介导的COPD PCD的具体分子机制缺乏直接的实验证据。因此，未来仍需要进一步研究AQP5与PCD对COPD的靶向调控作用，以筛选针对COPD防治的靶向药物和新的药物靶点。

参考文献:

[3]柏正平,刘雨,谭小宁,等.金水六君煎对慢性阻塞性肺疾病气道黏液高分泌大鼠肺组织黏蛋白5AC及水通道蛋白5表达的影响[J].中国中医药信息杂志,2019,26(8):54—59.

基金资助:国家自然科学基金资助项目(82160868); 甘肃省科技重大专项计划基金资助项目(22ZD1FA001);

文章来源:韵成才,张利英,侯红豆,等.AQP5调控细胞程序性死亡在慢性阻塞性肺疾病中的研究现状[J].中国临床药理学杂志,2024,40(14):2134-2138.