NADPH氧化酶在呼吸道黏膜炎性疾病中的研究进展

郑凯莉 王向东 张 罗，2*

(1. 首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科 北京市耳鼻咽喉科研究所 教育部耳鼻咽喉头颈科学重点实验室 鼻病研究北京市重点实验室,北京 100730；2. 首都医科大学附属北京同仁医院鼻过敏科，北京 100730)

烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nico-tinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶是机体产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要酶体，催化氧化还原反应，参与氧化应激及信号传导，并与多种疾病的发生发展密切相关。近年研究[1-6]显示NADPH氧化酶及其产物ROS介导的氧化应激在多种呼吸道黏膜疾病中发挥重要作用。

1 NADPH氧化酶概述

NADPH氧化酶是一种过氧化物酶，是机体产生ROS的主要酶类，最早发现于吞噬细胞中，该酶由5种亚基组成：1个催化亚基gp91phox，4个调节亚基p22phox、p47phox、p40phox和p67phox，此外还有2个三磷酸鸟嘌呤核苷(guanosine triphosphate, GTP)结合蛋白Rac1或Rac2(单核细胞为Rac1，中性粒细胞为Rac2)，并带有细胞色素C和黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)基团，gp91phox和p22phox亚单位位于细胞膜和细胞质囊上，构成细胞色素b558(Cyto b558)的膜复合体，当胞质中的另外几种亚基与Cyto b558结合时，NADPH氧化酶被激活，形成有活性的NADPH氧化酶复合体[7-8]。活化后的NADPH氧化酶以NADPH为递氢体，启动呼吸链，爆发级联反应，催化反应：NADPH+2O2→NADP++H++2O2-。O2-在超氧化物歧化酶(supemxide dismutase，SOD)催化下生成H2O2。O2-和H2O2都具有较强的氧化性，被称为活性氧，参与机体防御反应、炎性反应、细胞间信号传导以及细胞的增生与凋亡等过程[9]。

近年来在不同种类的细胞(如内皮细胞、血管平滑肌细胞、纤维母细胞、呼吸上皮细胞等)中发现了一系列NADPH氧化酶催化亚基gp91phox的同源物，由7种不同的基因编码，分别称其为Nox1、Nox2(gp91phox)、Nox3、Nox4、Nox5、Duox1、Duox2，结合调节亚基后的完整结构为NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1、DUOX2，后来被命名为NOX蛋白家族[10-11]。NOX1-5主要通过分子氧氧化结合NADPH产生超氧阴离子，而DUOX1-2主要释放过氧化氢，而不形成可检测的超氧阴离子[7，9-12]。NOX蛋白家族存在于不同的细胞质膜上，组织表达具有一定的特异性，正常时即保持一定的活性，产生一定生理浓度的ROS并作为信号分子参与细胞功能的调节，如细胞内信号传导、转录激活、细胞增生、细胞分化、细胞凋亡等[12]。

2 NADPH氧化酶与氧化应激

氧化应激(oxidative stress)作为生物医学概念早在1985年就被提出[13]，指机体暴露于有害物质刺激或处于疾病状态时，高活性分子如ROS和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)产生增多，人体通过SOD和其他内源性抗氧化蛋白维持氧化还原平衡，当ROS或RNS产生过多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系统和抗氧化系统失衡，从而导致细胞和组织损伤[14]。氧化应激是多种疾病及其合并症的基本病理机制。体内有多种酶参与了活性氧的生成，NADPH氧化酶目前被认为是生成活性氧的主要酶体。在机体受到环境中的病原微生物、细胞因子、炎性反应介质等刺激时，NOX蛋白家族能够迅速催化生成高浓度的ROS，当ROS产生的能力大于机体清除氧自由基的能力时，即产生氧化应激。过多的ROS能氧化蛋白质、脂类和DNA，对机体造成损伤，诱导动脉粥样硬化、高血压、肺部疾病、肿瘤、炎性反应等疾病的发生和发展[7，15]。因此，NADPH氧化酶在体内的氧化应激反应中起着重要作用。

3 NADPH氧化酶在呼吸道慢性炎性疾病中的作用

3.1 NADPH氧化酶与变应性鼻炎

变应性鼻炎(allergic rhinitis， AR)是变应原作用于特异性个体而激发的IgE介导的鼻黏膜炎性疾病[16-17]，植物花粉是常见的变应原之一。Dharajiya等[18]发现花粉中含有NADPH氧化酶，产生ROS，诱导抗原引起的变应性炎性反应，并提出了变应性炎性反应的两个信号假说：即信号1(ROS)和信号2(抗原呈递)在引起全面的变应性炎性反应中的作用缺一不可。矫健等[19]通过检测AR患者外周血血清中氧化应激标志物一氧化氮及其合成酶以及脂质过氧化产物丙二醛等，提出氧化应激反应参与AR病理生理过程。NADPH氧化酶和NOX蛋白家族与气道变应性炎性反应和气道高反应密切相关，可能在变应性鼻炎的病情进展中发挥重要作用。 Moon等[20]通过检测健康成年人、变应性鼻炎患者以及鼻息肉患者鼻黏膜的超氧阴离子和NADPH氧化酶亚型NOX1、NOX4，提出超氧阴离子和NOX1、NOX4的mRNA和蛋白在变应性鼻炎患者的鼻黏膜中表达上调，过量产生的活性氧(超氧阴离子)导致的氧化应激可能在变应性鼻炎的促发和病情进展中起重要作用。尽管有证据[18，20]表明NADPH氧化酶与变应性鼻炎的发病相关，但目前国内外相关的研究并不很多，具体的发病机制和作用尚有待进一步阐明。

3.2 NADPH氧化酶与慢性鼻-鼻窦炎

慢性鼻-鼻窦炎(chronic rhinosinusitis，CRS)分为不伴有鼻息肉的慢性鼻-鼻窦炎(chronic rhinosinusitis without nasal polyps，CRSsNP)和伴有鼻息肉的慢性鼻窦炎(chronic rhinosinusitis with nasal polyps，CRSwNP)两种，前者是以一种非感染性、非变应性的炎性反应过程形式存在，后者则多与变应性因素有关。鼻黏膜是呼吸道抵御吸入刺激的第一道防线，如病原微生物、化学污染物和过敏原。最近的研究[20-25]表明，鼻黏膜慢性炎性反应性病变(如过敏性鼻炎和鼻息肉)的发病机制与氧化应激相关。内源性抗氧化系统抵御鼻黏膜ROS反应，以维持细胞的正常氧化还原电位并保证其功能，当过量产生的ROS超过了抗氧化系统的调节能力，则导致鼻黏膜慢性炎性反应，自由基介导的脂质过氧化产物丙二醛在鼻息肉组织中表达升高[21-22]。有研究[23-24]显示，DUOX1和DUOX2是NADPH氧化酶家族在气道上皮细胞产生H2O2的主要亚型，与对照组相比，DUOX1的mRNA在CRSsNP患者的鼻黏膜组织中表达明显上调，而DUOX2的mRNA则在CRSsNP和CRSwNP患者的鼻黏膜组织中表达均明显上调。马英民等[25]通过检测慢性鼻窦炎病变黏膜和鼻息肉组织中SOD活性和丙二醛含量的变化指出，自由基损伤程度与慢性鼻窦炎的病变严重性密切相关，自由基代谢紊乱可能在慢性鼻窦炎的发病机制中起重要作用。Moon等[20]同样也检测到NOX1和NOX4的mRNA和蛋白在鼻息肉黏膜的表达上调，过量产生的活性氧(超氧阴离子)导致的氧化应激在鼻息肉的发病中起重要作用。

3.3 NADPH氧化酶与哮喘

哮喘(asthma)是一种以支气管收缩可逆性、肺部炎性反应及气道重塑为主要特点的慢性炎性反应气道疾病[26]。尽管多数哮喘患者都能通过应用糖皮质激素及支气管舒张剂有效控制症状，但仍有部分患者因为激素抵抗而导致病情恶化，因此对哮喘发病机制及病理生理的深入研究以及新的药物开发就显得尤为重要。随着NADPH氧化酶在呼吸系统疾病中作用的日益关注，近些年不断有文献[26-28]报道NADPH氧化酶来源的ROS引起的氧化应激反应在哮喘的发病及病程进展中发挥重要作用，如气道“自由基损伤”“氧化/抗氧化失衡”学说，氧化应激是一种有害的过程，诱导多种炎性反应介质，导致气道和肺损伤，并增强气道高反应性，刺激支气管痉挛和黏液分泌增加。减轻氧化应激或增强抗氧化反应能够减轻气道嗜酸性粒细胞浸润，减少黏液分泌，减轻气道高反应性。然而，目前这种现象的潜在机制尚不完全清楚，但可能的解释是过度产生的活性氧造成气道炎性反应、气道高反应、气道微血管高通透性和气道黏液高分泌，以及组织损伤和组织形态改变，最终导致了支气管哮喘的病理生理改变。气道上皮细胞内的Duox1在白介素的诱导下过表达，可能促进了变应性哮喘的发生[26，29-30]。Nagaraj等[31]在哮喘患者肺组织的活检中观察到p22phox表达增加，并证实了在屋尘螨诱导的哮喘模型中，p22phox依赖的NADPH氧化酶在黏液高分泌以及气道高反应中发挥了关键作用。表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)及其配体表达增加是哮喘患者气道上皮改变的另一特征，气道上皮的EGFR激活与气道重塑、黏液细胞化生以及中性粒细胞性炎性反应有关。Habibovic等[32]提出了DUOX1介导了变应性哮喘患者体内持续的上皮EGFR活化、黏液细胞化生以及气道重塑。

3.4 NADPH氧化酶与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一种常见的以持续气流受限为特征，伴随氧化应激和气道炎性反应的疾病，其发病率和病死率逐年升高，但却是一种可以预防和治疗的疾病，即可逆性肺部疾病[33]。虽然环境暴露以及吸烟被认为是COPD发病的主要危险因子，但其具体发病机制却仍未阐明，相关的发病机制包括气道慢性炎性反应、蛋白酶和抗蛋白酶失衡、气道重塑以及氧化和抗氧化失衡引起的氧化应激。COPD患者体内的氧化应激加重，NADPH氧化酶及其产生的ROS在COPD的发病机制中起着至关重要的作用[34-36]。气道平滑肌重塑是COPD的一个标志，Liu等[37]发现，在COPD患者的小气道中，随着气道平滑肌的体积增加(增生或肥大)，NOX4及转化生长因子-β的表达升高，此外，随着病情加重，NOX4蛋白在COPD患者气道平滑肌细胞中的表达增加，并且与患者的肺功能水平呈负相关。Hollins等[38]发现与健康对照组相比，不管是在活体内还是在离体实验中，NOX4在COPD气道平滑肌细胞中的表达均上调，并且产生ROS的量可以被NOX4抑制剂显著减少。这些证据表明NOX4可能是COPD发病中的一个重要的调节性因子，但具体的作用机制有待进一步研究。

4 小结与展望

随着工业化发展和空气污染问题加剧，以AR、CRS、哮喘和COPD为代表的发病率越来越高，已成为全球性健康问题。尽管诸多文献[20，24，29]表明NADPH氧化酶与呼吸道黏膜慢性炎性反应性疾病的发病相关，但具体的发病机制尚有待阐明。明确NADPH氧化酶在患者体内及呼吸道黏膜局部结构和功能的改变，调节NADPH氧化酶表达及活性将成为改善患者体内及呼吸道黏膜局部氧化应激状态，防护和治疗NADPH氧化酶诱导及促进的呼吸道黏膜慢性炎性疾病的途径之一，也将为药物选择和开发提供新的思路[39]。

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