朱紫陌1 崔白梅1 聂发龙1 肖纯2* 李秀芳1*
1 云南中医药大学药理实验室
急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是由创伤、脓毒症和感染等因素导致的肺泡上皮细胞及毛细血管内皮细胞损伤，造成弥漫性肺间质及肺泡水肿，进而导致的急性低氧性呼吸功能不全的复杂临床综合征。它是一种具有高发病率和死亡率的急性炎症性疾病，其进一步发展将演变为急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)，抑制ALI的进一步发展是预防ARDS的有效策略。2016年全球最大规模的一项流行病学统计，全球范围内有220万ARDS患者，其死亡率高达40%。随着新型冠状病毒肺炎疫情的暴发，全球已有5亿多例临床确诊病例，其中600多万例死亡，其导致的ALI患者人数显著增加，给人类健康带来严重危害。研究表明，一些药物可以改善ALI，如糖皮质激素等。然而，迄今为止对ALI的治疗还未取得重大进展。
目前普遍认为，肺内先天免疫细胞，如巨噬细胞和中性粒细胞的迁移和招募以及炎症细胞因子的大量释放是导致ALI中过度炎症反应的主要因素之一。因此，大多数关于ALI的研究集中在抑制炎症性风暴，很少有人关注如何防止病原体的进一步入侵。鼻黏膜作为首个接触病原微生物的部位，在防御病原体经鼻入侵、维持机体内环境稳态发挥了至关重要的作用。鼻黏膜上皮细胞之间由紧密连接、粘附连接、桥粒和半桥粒组成的顶端连接复合体连接，是构成鼻黏膜的第一道屏障。紧密连接是位于最顶端的细胞间连接复合体，也是鼻黏膜物理屏障的重要构成部分，可防止吸入物质和病原体入侵。β-防御素主要分布于鼻黏膜上皮及呼吸道黏膜下腺体组织中，具有独特二硫键的阳离子抗菌肽，是鼻腔免疫屏障的重要效应分子，不仅可通过靶向细菌细胞膜和病毒外壳蛋白的方式快速杀灭病原微生物，还可通过提高免疫细胞的活性和趋化性，调节并增强呼吸道黏膜的防御功能。病毒和细菌可以直接破坏鼻黏膜上皮屏障，某些病理条件，如慢性鼻窦炎伴有炎症，可能导致鼻黏膜上皮屏障无法抵御病原体的入侵。当屏障功能失调时，来自鼻腔的有害物质感染可能向下呼吸道迁延引起肺部的异常免疫反应，导致ALI的发生和发展。因此，维持鼻黏膜上皮屏障的功能有利于呼吸道疾病特别是ALI的预防和治疗。
牛蒡子是菊科牛蒡属植物牛蒡的干燥成熟果实，具有疏散风热、解毒利咽、宣肺透疹的功效，常用于治疗咳多痰饮，丹毒痒腮，感冒发热，痈肿化脓，麻疹风疹等病症。现代药理学研究表明，牛蒡子具有抗炎、抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用。牛蒡子苷元(arctigenin,ARG)(见图1)作为牛蒡子的主要活性成分，可维持炎症性肠病中肠上皮屏障的完整性。据报道，ARG可能是SARS-CoV-2的潜在抑制剂，但ARG对鼻黏膜炎症损伤是否有保护作用尚不清楚。
本研究从促进鼻黏膜上皮紧密连接蛋白表达和诱导β-防御素生成的角度，对牛蒡子苷元促进鼻黏膜物理屏障修复、增强免疫屏障以减轻ALI的作用及机制进行了研究。
由细菌和病毒感染引起的ALI是ARDS最常见的危险因素之一，是世界范围内高发病率和死亡率的主要原因之一。目前，发病机制仍不完全明确，临床治疗方法及效果有限。
鼻上皮细胞组成的黏膜屏障是呼吸道接触病原微生物攻击的首要部位，在宿主的先天免疫防御中起着重要作用。研究证实了冠状病毒引起的严重感染和流感等患者体内与呼吸道黏膜屏障的结构损伤或功能障碍密切相关。提高呼吸道黏膜屏障的防御能力是治疗包括ALI在内的呼吸道疾病的重要途径。本研究结果表明，ARG对脂多糖诱导的炎症损伤小鼠具有明显的抗炎活性。鼻黏膜相邻上皮细胞之间的紧密连接蛋白主要负责离子和分子的屏障和细胞旁通道的结构完整性，并维持高的跨上皮阻力。减少ZO-1和Occludin的水平可能增加鼻黏膜上皮细胞的通透性，使一些病原微生物更容易侵入体内，引起一系列炎症反应继而损伤鼻黏膜屏障，最终导致上呼吸道感染和其他疾病。本研究结果表明，ARG降低小鼠肺泡灌洗液中TNF-α、IL-6和IL-1β的水平，减轻肺组织水肿程度。本研究使用LPS滴鼻致ALI模型，推测LPS破坏小鼠的鼻黏膜上皮屏障，进而导致肺损伤。
为了进一步探讨ARG减轻损伤向肺组织迁延的机制，本研究复制了LPS诱导的鼻上皮细胞炎症损伤的模型。鼻上皮细胞是抵御病原体的关键角色。它们构成了对抗致病微生物的物理屏障，并分泌趋化因子、细胞因子和抗菌肽(antimicrobial peptide,AMPs)来启动免疫反应。当细菌或病毒侵入鼻黏膜时，对鼻黏膜的损伤可能包括紧密连接蛋白完整性改变，增加炎症细胞因子的释放，β-防御素等AMPs减少，从而导致上皮屏障功能受损和渗透性增强。在本研究中，我们使用LPS刺激NP-69细胞模拟病原微生物的侵入。结果表明，ARG降低炎症细胞因子TNF-α、IL-6、NO的水平，LPS刺激后，并上调ZO-1和HBD3的基因表达，ARG可以修复鼻黏膜上皮屏障提高其防御能力和减少NP-69细胞的炎症损伤。
研究表明，IL-22在抗菌肽的产生中发挥重要作用，IL-22是IL-10家族的成员之一，通过与受体IL-22Ra1结合启动信号转导过程。IL-22Ra1的表达具有典型的组织特异性，上皮细胞是其表达的唯一细胞类型。IL-22Ra1的激活导致JAK1和Tyk2的激活，这种激活导致STAT1中的酪氨酸残基磷酸化。IL-22/JAK1/STAT1在宿主防御中的三个主要作用：(1)诱导抗菌肽的产生；(2)维持上皮屏障的完整性，(3)与其他细胞因子协作招募免疫细胞。本研究结果显示，LPS刺激NP-69细胞后，造成IL-22信号通路的抑制，IL-22Ra1、p-STAT1、p-JAK1蛋白表达均下降，给予ARG预处理增加了IL-22Ra1、TYK2、JAK1和STAT1的mRNA的表达，增加IL-22Ra1、Tyk2、JAK1、p-JAK1、p-STAT1的蛋白表达，显著激活IL-22/JAK1/STAT1通路，进而诱导下游抗菌肽HBD3的产生，提高了鼻黏膜上皮屏障的非特异性防御功能，同时，提高了ZO-1蛋白表达水平。为了探讨ARG与靶蛋白的相互作用力，我们利用分子对接技术研究来评估蛋白质和配体的热力学结合效应。结果表明，ARG与靶蛋白JAK1、STAT1、TNF-α具有较强的结合能力。
综上所述，ARG可通过激活IL-22/JAK1/STAT1信号通路，改善LPS诱导的鼻上皮屏障功能损伤，减轻炎症反应。本研究的不足之处是ARG的作用机制需要进一步补充IL-22/JAK1/STAT1通路的抑制剂组的实验进一步阐明。但我们的结果认为ARG可以防止鼻腔炎症进一步迁延到肺部。牛蒡子临床应用广泛，我们对其主要活性成分牛蒡子苷元治疗ALI药效作用机制进行了研究，为其更好地发挥抗炎、抗菌、保护黏膜屏障功能的临床用途，以期为ARG临床上治疗ALI提供理论研究基础及新思路。该研究成果发表在《天然产物研究与开发》2024年第8期，欢迎引用(点击左下方“阅读原文”可查看全文)。
引用格式：朱紫陌,崔白梅,聂发龙,等.牛蒡子苷元抑制炎症反应和修复鼻上皮屏障减轻急性肺损伤[J].天然产物研究与开发,2024,36:1298-1306. Zhu ZM,Cui BM,Nie FL,et al.Arctigenin alleviates acute lung injury by inhibiting the inflammation reaction and repairing the nasal epithelial barrier[J].Nat Prod Res Dev,2024,36:1298-1306.
点击阅读原文可查看全文
