Cell Death Discov 综述︱刘晓丹团队总结坏死性凋亡对慢性阻塞性肺病气流受限的影响

撰文︱刘婵靖

责编︱方以一，王思珍

编辑︱方以一

慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）已成为全球第三大死亡原因[1]，其主要疾病特征是由小气道病变所致的阻力升高和肺气肿所致的顺应性增加共同引起的呼气性气流受限，并呈进行性加重[2]。多项研究发现气道炎症和肺气肿在戒烟数年后仍持续性恶化[3-5]，这些结果再次强调了COPD气流受限存在顽固性进展机制。目前针对COPD患者呼气受限的药物可延缓肺功能下降并缓解呼吸困难，但不能阻止气流受限进行性加重[6,7]。为了优化临床治疗方案，因此有必要进一步探讨COPD气流受限的顽固性机制，寻找更精确或者更完善的治疗靶点。坏死性凋亡（necroptosis）一般在细胞应激和/或损伤后发生，具有促炎性。新的研究发现，坏死性凋亡对COPD气道炎症、气道重塑和肺气肿具有关键作用[8]，可见坏死性凋亡是阻止COPD气流受限进行性加重的潜在治疗靶点。

2022年8月16日，上海中医药大学刘晓丹教授课题组在Cell Death Discovery上在线发表了题为“Role of necroptosis in airflow limitation in chronic obstructive pulmonary disease: focus on small-airway disease and emphysema”的综述。上海体育学院硕士生刘婵靖为论文第一作者，刘晓丹教授为论文通讯作者。该文章主要综述坏死性凋亡在COPD气流受限中的作用，并对其产生的相关机制做进一步探讨，以明确COPD气流受限的可能病理，为临床治疗提供理论基础。

一、COPD气流受限

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

缓慢进展的不完全可逆性呼气气流受限是COPD主要特征，常用指标包括一秒用力呼气容积（FEV1）以及FEV1与用力肺活量(FVC)的比率。研究发现，COPD小气道病变（包括气道炎症、黏液过度产生和气道重塑）会导致气道管腔变窄，气道阻力大幅增加；肺气肿会导致肺弹性回缩、气道弹性负荷以及呼气动力均降低，以上情况均可引起呼气性气流受限[9-14]。有临床实验证实，血清褪黑激素水平与COPD急性发作期患者FEV1、FEV1/FVC等肺功能参数呈正相关；并在COPD小鼠模型上发现褪黑激素通过抑制坏死性凋亡通路发挥肺保护作用[15]，表明了坏死性凋亡与COPD气流受限存在相关性。

二、坏死性凋亡

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

坏死性凋亡在形态学上区别于除坏死外的其他细胞死亡方式，在通路上依赖于受体相互作用蛋白激酶3（RIPK3）和混合谱系激酶域样蛋白（MLKL），这提示了坏死性凋亡的特异性检测方法（图1）。坏死性凋亡形态学特征包括细胞膨胀，细胞器肿胀，质膜破裂，细胞裂解，一般可通过电镜直接观察。坏死性凋亡信号通路中的关键蛋白（如RIPK3、MLKL）可通过免疫印迹、免疫组化或酶联免疫吸附法检测；另外，还可通过聚合酶链式反应检测关键蛋白相关基因的表达水平。在应用坏死性凋亡的特异性检测方法后，最新研究发现COPD患者相对于无气流受限者，其切除肺的组织匀浆中磷酸化RIPK3/MLKL显著增加，调整患者年龄、性别和当前吸烟情况后相关性仍然显著[8]，该结果表明坏死性凋亡于COPD患者肺部被明显诱发，且坏死性凋亡与COPD气流受限之间存在紧密联系。

图1 坏死性凋亡的主要检测方法

（图源：Liu CJ, et al., Cell Death Discov, 2022）

三、坏死性凋亡引起COPD气流受限

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

随着COPD疾病进程，细胞死亡方式从早期凋亡向晚期凋亡发展，最终转变为坏死性凋亡[16]，可见坏死性凋亡增加与气流受限进展一致。多项细胞实验表明，不同COPD常见刺激物诱导的坏死性凋亡可促进炎症反应和黏蛋白增加[17-19]。另外，多项动物实验在抑制坏死性凋亡后发现：小气道中，上皮细胞纤毛数量增加，气道壁厚度降低，并改善了中性粒细胞浸润性气道炎症、胶原沉积、粘液堆积；肺泡中，改善了肺泡腔扩大和肺泡壁破坏[8,15,20]（图2）。因此，小气道病变和肺气肿是坏死性凋亡的产物。

图2 COPD中抑制坏死性凋亡后的病理改变

（图源：Liu CJ, et al., Cell Death Discov, 2022）

四、COPD坏死性凋亡的作用机制

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

坏死性凋亡诱导COPD气流受限的作用机制可分为三方面（图3）：

1、坏死性凋亡诱导大量促炎细胞因子产生。坏死性凋亡造成细胞内容物释放到外环境，包括大量危险相关分子模式(DAMPs)，例如高迁移率族蛋白（HMGB1）、ATP等[21]。DAMPs通过激活细胞膜上的模式识别受体（PRRs）发出信号，诱导促炎细胞因子CXCL-8、IL-6产生，从而触发免疫反应[21]。COPD患者气道中的HMGB1与糖基化终产物受体(RAGE)相互作用可引起成纤维细胞增殖、趋化和金属蛋白酶合成，从而导致与气流阻塞和肺气肿相关组织重塑的病理学改变，例如气道平滑肌增厚和纤维化[22]。HMGB1激活巨噬细胞的RAGE受体后，可通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/NF-κB途径介导，促进pro-IL-1β合成，这是DAMPs中ATP诱导IL-1β过度释放的准备步骤[23]。IL-1β可与HMGB1结合形成可溶性复合物，导致巨噬细胞中TNF-α合成增加，放大和延长吸烟者气道中的炎症和重塑反应[22]。

2、巨噬细胞清除能力下降。COPD患者体内的肺泡巨噬细胞吞噬凋亡上皮细胞的能力受损[24]。可能是因为由坏死性凋亡细胞释放的HMGB1可通过与巨噬细胞表面受体（例如RAGE）、凋亡细胞表面PS的相互作用参与对胞葬的抑制过程[25,26]。另外，在CSE暴露环境下，坏死性凋亡细胞比凋亡细胞更容易被摄取，但难以被巨噬细胞清除[16]。异常死亡的非炎症细胞数量增加，巨噬细胞对凋亡细胞的摄取能力受损，并且坏死性凋亡细胞难以被巨噬细胞快速清除，这导致死细胞清理不足，从而引发病理性炎症[27]。

3、坏死性凋亡与氧化应激之间存在交互作用。一方面，ROS的产生依赖于坏死性凋亡关键蛋白，有研究通过抑制剂或RNA干扰预处理降低RIPK1/RIP3蛋白水平后，发现TNF诱导的大量活性氧（ROS）被抑制[28]；另一方面，当细胞内存在足量ROS时，这种氧化应激会诱导细胞死亡[29]，其中线粒体ROS（mitoROS）已被多项研究证明可调节COPD中坏死性凋亡的发生，从而导致气流受限[19,20]。RIPK3依赖性mitoROS可通过激活RIPK1自磷酸化位点来活化RIPK1，从而有效招募RIPK3以形成功能性坏死体，ROS/RIPK1/RIPK3三者组成的正反馈循环促使坏死性凋亡持续发生[30]，该回路可能是COPD患者气流受限顽固性进展的自主机制。

图3 坏死性凋亡引起 COPD气流受限的机制

（图源：Liu CJ, et al., Cell Death Discov, 2022）

五、结论

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

综上所述，坏死性凋亡是COPD疾病进展后期的主要细胞死亡方式，导致气道炎症、黏液过度产生、气道重塑和肺气肿，从而造成COPD呼气性气流受限。作用机制可能是肺实质上皮细胞发生坏死性凋亡后，质膜破裂并释放大量DAMPs到外环境，激活邻近巨噬细胞PRRs受体，会诱导促炎细胞因子大量产生，放大并延长免疫反应和相关组织重塑；也会导致巨噬细胞清除坏死上皮细胞的速度降低，引起肺实质中病理性炎症发生。此外，坏死性凋亡与氧化应激存在交互作用，ROS/RIPK1/RIPK3形成的正反馈回路进一步延长COPD气流受限。因此，关于坏死性凋亡影响COPD气流受限的研究有利于从新的角度认识COPD病理机制，为COPD进展性气流受限的治疗提供新思路。但是目前关于坏死性凋亡在COPD中的研究仍处于基础实验阶段，还未进行临床研究，因此尚不能完全确定抑制坏死性凋亡对COPD患者存在治疗作用。另外，关于坏死性凋亡与凋亡之间的复杂联系，且能否通过干扰两者转变进程来降低坏死性凋亡的负面影响，这也需要更多的研究。

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41420-022-01154-7

通讯作者：刘晓丹（左），第一作者：刘婵靖（右）

（照片提供自：刘晓丹课题组）

作者简介：

通讯作者：刘晓丹，医学博士，教授，博士生导师，博士后合作导师。目前，主持国家自然科学基金2项，发表SCI论文30余篇。获得中国康复医学会科学技术、教学成果奖等奖项。教育部样板党支部（康复医学院教师党支部）书记、“金牌教师”、“杏林学者”、“优秀共产党员·师德师风”等称号。

第一作者：刘婵靖，2020级医学技术硕士研究生，开展心肺康复的研究。

往期文章精选

优质科研培训课程推荐【1】培训课程︱R语言临床预测生物医学统计专题培训【2】宏基因组与代谢组学R语言分析及可视化实操研讨会（8月27日 腾讯会议）

欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读） 

[1] WHO. The top 10 causes of death. 2020. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death.

[2] Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease. Global strategy for the diagnosis, management, and prevention of chronic obstructive pulmonary disease. 2022. https://goldcopd.org/wp-content/uploads/2021/11/GOLD-REPORT-2022-v1.1-22Nov2021_WMV.pdf.

[3] Gamble E, Grootendorst DC, Hattotuwa K, O'Shaughnessy T, Ram FS, Qiu Y, et al. Airway mucosal inflammation in COPD is similar in smokers and ex-smokers: a pooled analysis. Eur Respir J 30, 467-471 (2007).

[4] Miller M, Cho JY, Pham A, Friedman PJ, Ramsdell J & Broide DH. Persistent airway inflammation and emphysema progression on CT scan in ex-smokers observed for 4 years. Chest 139, 1380-1387 (2011).

[5] Wen Y, Reid DW, Zhang D, Ward C, Wood-Baker R & Walters EH. Assessment of airway inflammation using sputum, BAL, and endobronchial biopsies in current and ex-smokers with established COPD. International journal of chronic obstructive pulmonary disease 5, 327-334 (2010).

[6] Celli BR, Anderson JA, Cowans NJ, Crim C, Hartley BF, Martinez FJ, et al. Pharmacotherapy and Lung Function Decline in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease. A Systematic Review. American journal of respiratory and critical care medicine 203, 689-698 (2021).

[7] Di Marco F, Sotgiu G, Santus P, O'Donnell DE, Beeh KM, Dore S, et al. Long-acting bronchodilators improve exercise capacity in COPD patients: a systematic review and meta-analysis. Respir Res 19, 18 (2018).

[8] Lu Z, Van Eeckhoutte HP, Liu G, Nair PM, Jones B, Gillis CM, et al. Necroptosis Signaling Promotes Inflammation, Airway Remodeling, and Emphysema in Chronic Obstructive Pulmonary Disease. American journal of respiratory and critical care medicine 204, 667-681 (2021).

[9] Saetta M, Di Stefano A, Turato G, Facchini FM, Corbino L, Mapp CE, et al. CD8+ T-lymphocytes in peripheral airways of smokers with chronic obstructive pulmonary disease. American journal of respiratory and critical care medicine 157, 822-826 (1998).

[10] Hogg JC, Chu F, Utokaparch S, Woods R, Elliott WM, Buzatu L, et al. The nature of small-airway obstruction in chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 350, 2645-2653 (2004).

[11] Saetta M, Turato G, Baraldo S, Zanin A, Braccioni F, Mapp CE, et al. Goblet cell hyperplasia and epithelial inflammation in peripheral airways of smokers with both symptoms of chronic bronchitis and chronic airflow limitation. American journal of respiratory and critical care medicine 161, 1016-1021 (2000).

[12] Lambert RK, Wiggs BR, Kuwano K, Hogg JC & Paré PD. Functional significance of increased airway smooth muscle in asthma and COPD. Journal of applied physiology (Bethesda, Md : 1985) 74, 2771-2781 (1993).

[13] Gugger M, Gould G, Sudlow MF, Wraith PK & MacNee W. Extent of pulmonary emphysema in man and its relation to the loss of elastic recoil. Clinical science (London, England : 1979) 80, 353-358 (1991).

[14] Dos Santos Yamaguti WP, Paulin E, Shibao S, Chammas MC, Salge JM, Ribeiro M, et al. Air trapping: The major factor limiting diaphragm mobility in chronic obstructive pulmonary disease patients. Respirology (Carlton, Vic) 13, 138-144 (2008).

[15] Mao K, Luo P, Geng W, Xu J, Liao Y, Zhong H, et al. An Integrative Transcriptomic and Metabolomic Study Revealed That Melatonin Plays a Protective Role in Chronic Lung Inflammation by Reducing Necroptosis. Frontiers in immunology 12, 668002 (2021).

[16] Chen D, Gregory AD, Li X, Wei J, Burton CL, Gibson G, et al. RIP3-dependent necroptosis contributes to the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease. JCI insight 6, 13 (2021).

[17] Wang Y, Zhou JS, Xu XC, Li ZY, Chen HP, Ying SM, et al. Endoplasmic reticulum chaperone GRP78 mediates cigarette smoke-induced necroptosis and injury in bronchial epithelium. International journal of chronic obstructive pulmonary disease 13, 571-581 (2018).

[18] Luan G, Zhu Z, Wu K & Yin S. Theaflavin-3,3'-digallate attenuates cigarette smoke extract-induced pulmonary emphysema in mice by suppressing necroptosis. Experimental and therapeutic medicine 23, 11 (2022).

[19] Wang Y, Wang XK, Wu PP, Wang Y, Ren LY & Xu AH. Necroptosis Mediates Cigarette Smoke-Induced Inflammatory Responses in Macrophages. International journal of chronic obstructive pulmonary disease 15, 1093-1101 (2020).

[20] Xu F, Luo M, He L, Cao Y, Li W, Ying S, et al. Necroptosis Contributes to Urban Particulate Matter-Induced Airway Epithelial Injury. Cell Physiol Biochem 46, 699-712 (2018).

[21] Pouwels SD, Zijlstra GJ, van der Toorn M, Hesse L, Gras R, Ten Hacken NH, et al. Cigarette smoke-induced necroptosis and DAMP release trigger neutrophilic airway inflammation in mice. American journal of physiology Lung cellular and molecular physiology 310, L377-386 (2016).

[22] Ferhani N, Letuve S, Kozhich A, Thibaudeau O, Grandsaigne M, Maret M, et al. Expression of high-mobility group box 1 and of receptor for advanced glycation end products in chronic obstructive pulmonary disease. American journal of respiratory and critical care medicine 181, 917-927 (2010).

[23] He Q, You H, Li XM, Liu TH, Wang P & Wang BE. HMGB1 promotes the synthesis of pro-IL-1β and pro-IL-18 by activation of p38 MAPK and NF-κB through receptors for advanced glycation end-products in macrophages. Asian Pacific journal of cancer prevention : APJCP 13, 1365-1370 (2012).

[24] Hodge S, Hodge G, Scicchitano R, Reynolds PN & Holmes M. Alveolar macrophages from subjects with chronic obstructive pulmonary disease are deficient in their ability to phagocytose apoptotic airway epithelial cells. Immunology and cell biology 81, 289-296 (2003).

[25] Liu G, Wang J, Park YJ, Tsuruta Y, Lorne EF, Zhao X, et al. High mobility group protein-1 inhibits phagocytosis of apoptotic neutrophils through binding to phosphatidylserine. Journal of immunology (Baltimore, Md : 1950) 181, 4240-4246 (2008).

[26] Banerjee S, Friggeri A, Liu G & Abraham E. The C-terminal acidic tail is responsible for the inhibitory effects of HMGB1 on efferocytosis. Journal of leukocyte biology 88, 973-979 (2010).

[27] Nagata S, Hanayama R & Kawane K. Autoimmunity and the clearance of dead cells. Cell 140, 619-630 (2010).

[28] Vanlangenakker N, Vanden Berghe T, Bogaert P, Laukens B, Zobel K, Deshayes K, et al. cIAP1 and TAK1 protect cells from TNF-induced necrosis by preventing RIP1/RIP3-dependent reactive oxygen species production. Cell Death Differ 18, 656-665 (2011).

[29] Morgan MJ, Kim YS & Liu Z. Lipid rafts and oxidative stress-induced cell death. Antioxidants & redox signaling 9, 1471-1483 (2007).

[30] Zhang Y, Su SS, Zhao S, Yang Z, Zhong C-Q, Chen X, et al. RIP1 autophosphorylation is promoted by mitochondrial ROS and is essential for RIP3 recruitment into necrosome. Nat Commun 8, 14329 (2017).

本文完