溶酶体酶的异常释放引起的两种疾病综述
【摘要】
随着科学技术的发展，人们更多的从细胞生物水平上解释有关疾病，溶酶体酶异常释放会引起某些疾病，本文就溶酶体酶的异常释放引起的两种疾病——矽肺、痛风，从细胞水平，对这两种疾病的发病机制进行综述。
【关键词】
溶酶体 溶酶体酶 矽肺 痛风 发病机制
【正文】
1.矽肺
1.1概述 硅沉着病又称为矽肺，是尘肺中最为常见的一种类型，是最早被认识的职业性肺病，见于有多年硅尘吸入史的患者。患者因长期吸入大量含有游离二氧化硅（石英）粉尘导致永久性肺组织瘢痕形成。 严重时影响呼吸功能，丧失劳动力。可分为速发型和晚发型。
矽肺多在从事接触二氧化硅粉尘的矿工、工人、工种兵和农民（参加铁路建设、乡镇工业接触粉尘的工种）中发生。接触石英粉尘是否会发病取决于多种因素，长期处于高二氧化硅的环境易感矽肺，此外，还可因在短期内吸入大量游离二氧化硅粉尘，即使脱离接触后，也可能若干年后出现晚发性矽肺。接触粉尘快者不到1年，慢者可在10多年后发生矽肺。
矽肺(silicosis)是以肺组织纤维化为主的疾病[1]。矽结节形成是肺部纤维化最简单的形式,但其发病机制仍不清楚,国内外学者在探索其发病机理方面做了大量的研究,现综述如下。
1.2矽肺发病机制
石英是如何引起肺纤维化的,学者们曾提出过多种假说,如机械刺激学说,化学中毒学说和硅酸聚合学说;近年又提出可表面活性学说和免疫学说,但都难以圆满的解释发病过程,现概括如下:
(1)石英颗粒表面的羟基活性基团与肺泡巨噬细胞、多核白细胞等构成氢键,产生氢的交换和电子传递,使细胞膜流动性降低,通透性增高、进而破裂。
(2)石英在粉碎过程中,硅氧键断裂产生硅载自由基,于空气中的O2, CO2、水或液体中水反应生成自由基和过氧化氢。参与生物膜过氧化反应,引起膜损伤。
(3)石英损害巨噬细胞膜,导致细胞膜上的Na+-k+ATP酶和Ca+-ATP酶失活,线粒体和内织网 Ca+-ATP酶失活,钙离子由细胞器释放入胞浆,细胞外的钙离子大量进入细胞内,形成“钙超载”,导致细胞死亡、破裂。
(4)巨噬细胞受损后,释放出多种细胞因子,包括白细胞介素Ⅰ、肿瘤坏死因子、纤维粘联蛋白、
转化生长因子等。这些因子参与刺激成纤维细胞增生或网织纤维及胶原纤维的合成。
(5)肺泡Ⅰ型上皮细胞在石英的作用下,变性肿胀,崩解脱落,当肺泡Ⅱ型上皮细胞不能及时修补时,基底膜受损松解,暴露间质,激活成纤维细胞增生。
(6)巨噬细胞功能改变及受损后,启动免疫系统,形成抗原抗体复合物,沉淀在网状纤维上,形成矽结节透明样物质。
2 矽肺纤维化发生中的细胞机制
肺泡巨噬细胞是矽尘作用的主要靶细胞。矽尘进入肺泡后,肺泡巨噬细胞吞噬矽尘颗粒,细胞活化并产生大量炎性因子和致纤维化因子,如活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、脂多糖(LPS)、细
胞因子[如白细胞介素IL-1、IL-2、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、纤维粘连蛋白(FN)、转化生长因子(TGF-α)]、趋化因子以及巨噬细胞源性生长因子等。近年来的研究表明,肺巨噬细胞除了通过分泌一系列生物活性介质参与矽肺纤维化外,其细胞凋亡在矽肺炎症/纤维化发生发展中也具有重要的意义。在矽肺病变早期,肺巨噬细胞凋亡有利于清除受损细胞,消除炎症,重塑肺组织结构以及维持肺功能;但晚期阶段,随着巨噬细胞凋亡的增多,又不利于这一保护过程。对矽肺病变中肺巨噬细胞凋亡机制的研究发现, IL-1β、诱导型一氧化氮合酶( iNOS)基因敲除鼠暴露于矽尘,其肺细胞(包括肺巨噬细胞)凋亡数量、炎症反应程度与野生型鼠相比明显减轻;体外培养的巨噬细胞系(IC-21), IL-1β抗体和iNOS抑制剂(左旋精氨酸甲脂L-NAME)均能抑制矽尘诱导的细胞凋亡,提示IL-1β、NO对矽肺病变中的细胞凋亡起重要的调控作用。吴逸明等[2]对实验性矽肺肺泡巨噬细胞类胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)
表达水平研究结果表明:肺泡巨噬细胞(PAM)受到石英粉尘激活后,会参与矽肺节形成。随着染尘后时间的延长,矽结节IGF-1着色强度逐渐加深,说明IGF-1分泌增加,从而也就说明IGF-1在矽肺纤维化形成和维持过程中发挥着重要作用。研究还发现受矽尘刺激的肺泡巨噬细胞分泌大量炎性因子作用于肺成纤维细胞,使之增生、活化。如TNF-α、转化生长因子β(TGF-β)能促进培养的人肺成纤维细胞增生、胶原产生增加,并促进矽肺患者肺成纤维细胞 IL-6的产生。矽尘可上调小鼠肺上皮细胞系(MLE-15)内单核细胞趋化蛋白-1 (MCP-1)、巨噬细胞趋化蛋白-2 (MCP-2) mRNA水平,从而促进炎症反应[3]。矽尘还可直接对肺成纤维细胞起作用,当矽尘与人肺成纤维细胞系(WI21003)共培养时,细胞吞噬矽尘,细胞内IL-1αmRNA水平上调。另外,淋巴细胞、肥大细胞等炎细胞通过释放多种细胞因子也参与矽肺纤维化过程。在实验性近交小鼠矽肺模型中,发现其支气管肺泡灌洗液及肺内结节
性病灶中有大量淋巴细胞聚集[。也有人认为,矽肺局部有大量干扰素γ(IFN-γ)产生,归因于肺淋巴细胞总数增加及产生IFN-γ的淋巴细胞比例上调。同时,矽肺病变组织中肥大细胞也很丰富,可能主要是通过分泌bFGF参与肺纤维化过程。
3 相关介质在肺纤维化中的作用
目前认为与肺纤维化有关的活性分子主要有:细胞因子、生长因子、细胞黏附分子、基质金属蛋白酶/组织金属蛋白酶抑制剂(MMPs/TIMPs)等。细胞因子和生长因子类是调控肺炎症(纤维化过程)的最重要的活性介质,其中TNF、IL-6、巨噬细胞炎性蛋白-1 (MIP-1)、MIP-2、白三烯B4 (LTB4)、PGE2参与炎症反应过程; TNF-α、TGF-β、血小板源性生长因子(PDGF)、胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)、内皮素-1 (ET-1)被认为是促进肺纤维化的因子,而IFN-γ、肝细胞生长因子(HGF)则是抑制纤维化的因子。在矽肺纤维化中, TNF-α、TGF-β研究最多,也最重要。TNF-α对多种炎细胞有趋化作用,并诱导肺血管内皮细胞、上皮细胞产生趋化因子、黏附分子等,还可刺激肺成纤维细胞增生。TGF-β因调节ECM生成和降解决定了其在器官纤维化损伤中的重要地位。研究发现, TGF-β1、TGF-β3作用于原代人肺成纤维细胞,可诱导多种胶原蛋白等细胞外基质的合成。TGF-β表达水平在矽肺细胞模型、动物模型中均升高,矽肺患者纤维化损伤的肺组织中,TGF-β表达也呈强阳性[6]。
4 细胞信号转导途径
在肺纤维化过程中的作用ROS和RNS是与矽肺组织破坏、炎症反应、肉芽肿形成和纤维化进展密切相关的一类信号分子。MAPK家族是与细胞生长、分化、凋亡等密切相关的信号转导途径中的关键信号分子,其主要成员包括细胞外调控激酶(ERK)、Janus激酶(JNKs)、P38激酶。同时,多种刺激因子均可激活MAPK分子,随后反式激活核转录因子(如NF2κB、AP-1),参与基因表达调控。研究发现,吸入的颗粒物质可与呼吸道上皮细胞相互作用,上调JNK1和ERK2活力,促进细胞增殖。有学者证实,新破碎的晶体硅能诱导大鼠肺上皮细胞内ERK1、ERK2、P38激酶磷酸化,进而导致转录因子AP-1的激活[12]。矽尘也可刺激大鼠成纤维细胞内ERK激酶(ERKkinase/MEK)和ERK磷酸化, MEK/ERK通路则能改变成纤维细胞的增殖活性,
导致肺纤维化。核转录因子(NF-κβ)和激活蛋白1 (AP-1)通过与靶基因上游启动子特定的结合位点作用,调节许多炎症相关基因mR-NA转录和翻译等。总之,矽尘进入肺内,尘粒、效应细胞、细胞因子等之间彼此相互影响,构成复杂的细胞分子网络。胞内信号分子通过多种信号传导途径,最终激活细胞内转录因子,调控肺炎症(纤维化)进程。矽肺的发病机制是一个复杂的过程,应考虑到二氧化硅本身的理化特性和巨噬细胞的坏死作用,亦应考虑到机体本身免疫反应的存在。在矽肺的整个发病过程中,矽尘与肺泡细胞之间的相互作用是矽肺发病的关键,矽尘破坏巨噬细胞生物膜是矽肺发病的起点,巨噬细胞释放的多种因子是形成矽肺的必要条件。 2、痛风
2.1概述
痛风多发人体各部位，关节剧烈疼痛，痛不欲生的“痛”，很快1-7天痛像“风”一样吹过去了，所以叫“痛风”。痛风是长期嘌呤代谢紊乱和(或)尿酸排泄减少所引起的一组异质性、代谢性疾病。痛风的临床特点为高尿酸血症、反复发作的急性关节炎、痛风石是沉积、痛风石性慢性关节炎和关节畸形,累及肾脏引起慢性间质性肾炎和肾结石等[1]。常并发心脑血管疾病而危及生命。好发男性,绝经期女性、40~50岁为发病高峰。分原发性(遗传、酶缺陷等)、继发性(慢性溶血性贫血、甲状旁腺功能亢进、各种肾病等)。痛风发病的先决条件是高尿酸血症,高尿酸血症是指37℃时血清中尿酸含量男性超过416μ
mol/L(70mg/L);女性超过357μmol/L(60mg/L)[1]。超过此浓度时尿酸盐可沉积在组织中,造成痛风组织学改变。5%~12%的高尿酸血症患者最终发展成为痛风,高尿酸血症患者只有出现尿酸盐结晶沉积、关节炎、肾病、肾结石等称为痛风。因此,高尿酸血症是痛风最重要的生化基础,其次尿酸盐沉积引起炎性反应,现仅从以上两方面阐述痛风的发病机制。
2.2高尿酸血症的发病机制
（1） 尿酸的生成
尿酸是嘌呤代谢的最终产物,人体内嘌呤有如下两个来源。
外源性:来源于食物,占体内尿酸来源的20%,由于食物中摄入的嘌呤在体内几乎都转变成尿酸,因此高嘌呤饮食可使血尿酸浓度增高;反之低嘌呤饮食可使血尿酸浓度降低,但痛风患者采用低嘌呤饮食或无嘌呤饮食,虽然可降低血尿酸但不能完全纠正高尿酸血症,因此高嘌呤饮食不是原发病因,而是痛风诱发和加重的原因。
内源性:占体内尿酸来源的80%,是体内尿酸生成增多的首要因素。包括嘌呤生物合成增多和分解加速,可分为原发性尿酸生成增多和继发性尿酸生成增多。原发性尿酸生成增多的主要因素是酶的缺陷,嘌呤代谢反馈调节及尿酸合成途径见。
酶缺陷的部位可能有:①磷酸核糖焦磷酸合成酶活性增高。②磷酸核糖焦磷酸酰胺移换酶的浓度或活性增高。③次黄嗦呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶部分缺乏,使鸟嘌呤转变为鸟嘌呤核苷酸及次黄嘌呤转变为次黄嘌呤核苷酸减少,以致对嘌呤代谢的负反馈作用减弱。④黄嘌呤氧化酶活性增加,以上这些酶的缺陷均可导致尿酸生成增多。上述酶缺陷的前3项已证实可引起临床痛风,经家系调查表明为性连锁遗传。
继发性尿酸生成增多,包括酶的缺陷、细胞转换增加和嘌呤核苷酸分解加速:①细胞转换增加常由血液病、恶性肿瘤、银屑病等疾病导致体内核酸合成和分解增强,血尿酸水平增高。②嘌呤核苷酸分解加速:细胞毒性药物短时间内大量破坏细胞导致细胞核裂解,核酸分解加速,尿酸生成增多[4]。③酶的缺陷主要为次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶完全缺乏和葡萄糖-6-磷酸酶缺乏,分别由Lesch-X-伴性Nyhan综合征和糖原贮积症Ⅰ型所致。
嘌呤代谢反馈调节及尿酸合成途径
（2）尿酸的排泄
正常人体内尿酸池为1 200mg,转换率60%,即每天产生并排出750mg,达到动态平衡。其中1/3由大肠细菌分解,2/3由肾脏排泄。正常人尿尿酸
①肾小球:肾小球的滤过减少导致高尿酸血症主要见于慢性肾脏疾病引起肾功能衰竭,还有肾排尿酸阈值增高,原因未明。
②肾小管:肾小管尿酸排泄减少与一些尿酸盐转运蛋白有关,其参与近曲肾小管对尿酸盐的主动分泌和重吸收,其异常与基因变异有关。
由SLC22A12基因编码,URAT1是有机阴离子转运体家族中的一员,选择性位于肾近端小管上皮细胞表面管腔侧URAT1通过细胞内的单价阴离子与管腔中的尿酸交换完成对尿酸的重吸收和少量分泌,主要参与尿酸在肾近端小管的重吸收。Enomoto等和Ichida等的研究表明,URAT1为促尿酸排泄药物的靶位点,其基因突变所导致的功能降低可致低尿酸血症,说明URAT1对近端小管重吸收尿酸有重要意义。
2 尿酸盐沉积引起炎性反应
虽然急性痛风性关节炎发作与高尿酸血症程度呈正相关,但是许多高尿酸血症患者,终生无急性关节炎发作。有些患者是在高尿酸血症持续多年后,才有痛风发生[5]。相反,少数急性痛风患者,血尿酸浓度却显著低于饱和状态。所以高尿酸血症是否引发痛风发作还有如下诱发因素,全身因素包括精神紧张、疲劳、酗酒、感染等,局部因素包括温度、pH值、创伤,均可诱使尿酸盐结晶沉积引起急性痛风发作。尿酸盐结晶通过刺激炎性介质的合成和释放来诱发和维持强烈的炎性反应,多形核白细胞募集急性炎症重要特征[。尿酸盐结晶通过以下两机制发挥作用,①传统途径:尿酸盐结晶作为调理素和吞噬颗粒诱发吞噬细胞一系列吞噬反应溶酶体溶解、呼吸爆发和炎性介质释放。②特异途径:尿酸盐结晶通过膜插入和膜糖化蛋白交联与脂质膜和蛋白直接作用,激活G蛋白、磷脂酶C和D等信号通路,进而诱导单核细胞白细胞介素(interleukin,IL)-8的表达,IL-8在中性粒白细胞募集发挥重要作用。随着分子生物学的发展,痛风动物实验模型中发现单核细胞和肥大细胞参与了炎症早期阶段,肥大细胞在C5a、C3a、IL-1作用下释放炎性介质组胺,增加血管通透性,分化程度低的单核细胞-巨噬细胞吞噬尿酸盐结晶后合成肿瘤坏死因子和激活内皮细胞,单核细胞在促进痛风急性发作中发挥重要作用。血管内皮细胞受到炎性细胞因子肿瘤坏死因子α,IL-1及趋化因子IL-8等刺激后其表面表达E-选择素,E-选择素是属于选择素家族的一种细胞黏附分子,血管内皮细胞可通过这些黏附因子与中性粒细胞黏附并进入组织中,而后中性粒细胞侵入,向炎症部位的游走,导致发病。秋水仙碱就是通过改变内皮细胞整合素数目和分配以及改变中性粒细胞对IL-1或肿瘤坏死因子α的反应起到抗炎作用。
综上所述,痛风的发病机制与遗传因素和环境因素有关,随着分子生物学和基因遗传学进展,由于基因突变引发酶的结构改变和尿酸盐转运蛋白功能改变导致尿酸合成增多和排泄减少,同时在高嘌呤饮食、酗酒、肥胖等饮食习惯和生活方式影响下出现高尿酸血症,了解其发病机制对于今后降尿酸治疗有重要意义,如目前正在进行URAT1的研究对促尿酸排泄和抗尿酸排泄的药物有重要意义,将是今后开发治疗痛风和高尿酸血症药物的新靶点。对尿酸盐结晶引起炎性反应机制研究,抗炎性介质的生物制剂,将可以控制痛风急性发作。
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