国际儿科学杂志2021年3月第48卷第3期Int J Pediatr,Mar2021,Vol.48,No.3•159•
*综述•支气管哮喘气道上皮细胞的线粒体功能研究进展
黄晨凤(综述)李森(审校)
中国医科大学附属盛京医院小儿呼吸内科，沈阳110004
通信作者：李淼，Email:Lmpediatrician@126
【摘要】支气管哮喘(简称哮喘)是一种气道慢性炎症性疾病，其特征包括气道高反应性(airway hy­perresponsiveness,AHR)、嗜酸性粒细胞增多、IgE升高、杯状细胞化生和气道重塑等。气道上皮结构与功
能的变化是哮喘的突出特征，哮喘气道上皮对氧化剂引起的损伤和细胞凋亡异常敏感，更易受到浸润性炎
症细胞产生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)的影响,ROS的蓄积和氧化应激是哮喘发病的关键环
节。ROS等氧化剂会干扰上皮细胞的结构，致气道重塑；反之，气道重塑会释放炎性介质加重哮喘。线粒
体的主要功能是氧化磷酸化合成ATP，也是ROS的重要来源。线粒体功能障碍包括能量代谢转换障碍、
线粒体生物学功能障碍、线粒体自噬及动力学异常、线粒体依赖性信号通路障碍。线粒体功能障碍和细胞
缺氧在支气管哮喘的发生发展中发挥了极其重要的作用，该文对近年来哮喘气道中气道上皮细胞的线粒
体功能改变作一综述，旨在为以线粒体为靶向的哮喘提供理论依据。
【关键词】支气管哮喘；气道上皮细胞；线粒体功能；活性氧
基金项目：国家自然科学基金青年基金(81400016)
DOI：10.3760/cma.j.issn.1673-4408.2021.03.004
Advances in mitochondrial function of airway epithelial cells in the bronchial asthma
Huang Chenfeng,Li Miao
Department of Pediatric Respiratory Medicine,Shengjing Hospital of China Medical University,Shenyang
110004,China
Corresponding authorLi Miao,Email：Lmpediatrician@126
【Abstract]Bronchial asthma is a chronic inflammatory disease of the airways,which is characterized
by airway hyperresponsiveness(AHR),eosinophilia,elevated IgE,goblet cell metaplasia,airway remode­
ling and so on.Changes in airway epithelial structure and function are prominent features of asthma.Asthma
airway epithelium has abnormal sensitivity to oxidative damage and apoptosis,and is more susceptible to reac­
tive oxygen species(ROS)produced by infiltrating inflammatory cells.The effects of ROS accumulation and
oxidative stress are the key links in the pathogenesis of asthma.Oxidants such as ROS can interfere with the
structure of epithelial cells and cause tracheal remodeling.Conversely,tracheal remodeling can release inflam­
matory mediators and aggravate asthma.The main function of mitochondria is oxidative phosphorylation to syn­
thesize ATP,and it is also an important source of ROS.Mitochondrial dysfunction includes energy metabolism
conversion dysfunction,mitochondrial biological dysfunction,mitochondrial autophagy and kinetic abnormali­
ties,and mitochondrial-dependent signaling pathway disorders.Mitochondrial dysfunction and cellular hypoxia
play an extremely important role in the occurrence and development of bronchial asthma.This article reviews
the changes in mitochondrial function of airway epithelial cells in asthma airways in recent years,in order to
provide theoretical basis for mitochondria-targeted asthma treatment.
[Key words]Bronchial asthma；Airway epithelial cell；Mitochondrial function；Reactive oxy­
gen species
Fund program:National Natural Science Foundation of China Youth Fund(81400016)
DOI：10.3760/cma.j.issn.1673-4408.2021.03.004
支气管哮喘是一种气道慢性炎症性疾病，目前已有超过3亿人患病，到2025年，这个数字预计还会增长1亿［1-21o过敏原和空气污染物会导致线粒体能量代谢障碍，产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)，这在哮喘的发病机制中至关重要⑶。哮喘气道上皮对氧化剂引起的损伤和细胞凋亡异常敏感，更易受到ROS的影响，最终导致气道重塑；反之，气道重塑会释放炎性介质并加重哮喘；同时，抗氧化-促氧化失衡可能导致气道上皮细胞发生病理改变，导致气道高反应性(airway hyperresponsiveness,
・160•国际儿科学杂志2021年3月第48卷第3期Int J Pediatr,Mar2021,Vol.48,No.3
ahr)［4-5］o气道上皮细胞可形成强大的物理屏障，参与免疫反应；当上皮稳态失衡，气道上皮细胞可通过多种途径诱发细胞应激，调节细胞因子表达，加剧细胞凋亡［6-141o线粒体主要位于顶层气道上皮细胞的细胞表面以及基底外侧区域，是细胞内的椭圆形、双层膜细胞器，其表达参与多种蛋白质和RNA的氧化磷酸化过程［15-161o呼吸控制率(respiratory control rate,RCR)反映线粒体结构和功能的完整性以及氧化磷酸化效率，RCR越高，线粒体活性越强［17-,8］O 线粒体的功能受遗传、环境和生活方式
因素影响，包括氧化磷酸化、铁硫蛋白的产生及组装、钙稳态的维持、细胞凋亡的激活等，其功能障碍是指代谢转换障碍、线粒体生物学功能障碍、线粒体自噬及动力学异常和线粒体依赖性信号通路障碍〔。
1线粒体代谢转换障碍
内源性ROS和线粒体代谢参与免疫应答的许多阶段，当呼吸系统受到刺激时，上皮细胞的线粒体代谢途径发生改变，电子传输链(electronic transmis­sion chain,ETC)发生功能障碍，导致线粒体衍生的ROS水平升高和线粒体损伤。哮喘气道上皮中常见高水平的精氨酸代谢酶，当精氨酸代谢途径增加，精氨酸利用率降低，最终产生炎症；若高剂量补充精氨酸，恢复精氨酸的生物利用度，可以抑制线粒体功能障碍，并减弱哮喘气道炎症［切。
1-1线粒体使ROS和氧自由基产生增加ROS的产生增加通常被认为是线粒体功能障碍的主要特征，具体过程为高能电子通过线粒体，最终在由线粒体细胞素c氧化酶(cytochrome c oxidase,COX ETC)催化的反应中将氧气还原为水。ETC的COX etc是线粒体中的关键氧化酶，线粒体内膜上存在的COX etc 将电子从细胞素c转移到氧，从而产生跨膜质子梯度以进行ATP合成，这是线粒体的重要功能之一；一些电子在中间步骤直接泄漏到氧，导致形成超氧阴离子自由基。ROS产生和抗氧化剂防御之间的平衡是维持健康状态的关键，若ROS过量产生，则会出现线粒体膜电位(ZVPm)丧失，线粒体质量增加，线粒体
呼吸复合物改变，细胞素c释放，线粒体转录因子A减少和线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)片段化增加2如。已有研究证实，ROS产生增加或对氧化损伤的敏感性增加，提高了哮喘风险。细胞内抗氧化剂防御系统的缺陷可能是导致ROS产生增加、并最终影响哮喘发展的关键因素。长时间的ROS蓄积诱导氧化应激，引起气道损伤，导致免疫系统过度活跃，大量炎性细胞聚集、活化、炎症介质释放，从而促进哮喘患者的气道上皮细胞增殖、细胞外基质生成以及Ca2+失调［22-23］0
1.2精氨酸代谢增加哮喘气道上皮中可能具有更大和(或)更多的线粒体，且哮喘气道上皮中常见高水平的精氨酸代谢酶，包括诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)和精氨酸酶。过敏性炎症的肺组织中二甲基精氨酸的水平很高，IL-4和二甲基精氨酸的组合可有效诱导低氧反应，调节有氧代谢，并转录抑制线粒体的生成，导致线粒体分裂和肿胀，增加ROS的释放。哮喘气道炎症的特征是iNOS产生大量的呼出气一氧化氮(fraction of exhaled nitric oxide,FeNO)，在气道上皮中催化精氨酸向一氧化氮和瓜氨酸转化。由II型精氨酸酶介导的精氨酸代谢可以为哮喘中的高一氧化氮合成提供内源性精氨酸。精氨酸/鸟氨酸为氧化代谢提供线粒体中间产物，这可能会对气道炎症的信号传导产生重要影响。体外支气管上皮细胞中短暂的II型精氨酸酶过表达可导致精氨酸代谢相关途径和线粒体超微结构的改变。此外，哮喘中的精氨酸代谢增加与高FeNO表型有关，其临床特征是产生更严重的气流受限和AHR，提示精氨酸代谢的程度与哮喘的严重程度有关⑵一如O 2线粒体生物学功能障碍
Li和Shang［26］的研究发现，哮喘大鼠气道中的上皮细胞发生凋亡，线粒体数量增加，且结构发生变
化。线粒体的更新过程是增加细胞中线粒体数量及质量改善的过程。数量增加有两种不同的类型，一种类型是线粒体再生，通过裂变和融合形成新的线粒体；另一种类型是由已存在的线粒体合成，主要在转录水平上受到调控，需要核编码和线粒体编码蛋白的协同表达［181271o当这一过程出现障碍，会引起ROS产生过量、蓄积、氧化-抗氧化失衡；而过量的ROS生成加上ROS清除剂的消耗又会进一步加速ROS的产生，最终导致线粒体功能下降创。
氨茶碱是肺部疾病(如哮喘)常见的药物，其是上皮细胞中线粒体更新过程有效的诱导剂。Wei 等炉］的研究发现，通过线粒体标记物使线粒体着后，测量发现mtDNA/核DNA(nuclear DNA,nD-NA)比值升高，提示线粒体质量增加。在细胞水平上，氨茶碱可增加线粒体呼吸速率和ATP的产生，但降低氧含量，提示氨茶碱对支气管哮喘等肺部疾病的上皮细胞线粒体功能可能具有一定作用〔却。
3线粒体自噬及动力学异常
线粒体自噬是指在暴露于环境污染物/变应原或压力后受损的线粒体被选择性地降解。炎症或环境触发因素影响裂变/融合平衡，破坏线粒体膜⑺)，线粒体通过裂解、融合和自噬来调节其稳态，稳态的破坏
国际儿科学杂志2021年3月第48卷第3期Int J Pediatr,Mar2021,Vol.48,No.3•161•
会导致ROS的产生，上皮细胞屏障减弱，最终导致哮喘〔⑼。
3-1线粒体自噬自噬是一种进化上比较保守的过程，其可以清除因炎症或ROS受损的细胞成分，甚至清除由于自噬激活纤维化或细胞增殖而造成的有害细胞成分〔⑷。炎症或环境污染物可以诱导ROS和线粒体损伤，从而触发线粒体自噬，通过清除受损的线粒体，减少ROS来维持线粒体功能的稳定。有研究表明Thl或Th2细胞因子可能诱导自噬、有丝分裂、衰老，反之这种自噬、有丝分裂、衰老也可能调节哮喘中Thl和Th2反应的平衡冋。
3-2线粒体动力学异常线粒体动力学即线粒体的裂变/融合过程，使线粒体在不利条件下保持较高功能的能力。线粒体裂变致线粒体碎片化，从而使mtDNA迅速分化；而线粒体融合则通过几种不同的机制促进线粒体混合并保护mtDNA的功能，其可以维持mtDNA水平，保持mtDNA稳定性，并使细胞能够耐受高水平的mtDNA突变。在疾病中线粒体功能障碍是由nDNA或mtDNA突变引起的〔切，nitD-NA缺乏保护性组蛋白，修复能力会降低，故比nD­NA更易受损害〔刑。线粒体ROS的过量产生可能导致mtDNA的逐步破坏和功能丧失⑶]。裂变与融合之间的平衡可以控制细胞的新陈代谢，在健康细胞中维持最佳的线粒体功能，但其失衡会使细胞更易受到ROS介导的损伤a?]。
4线粒体依赖性信号通路障碍
从细胞质到线粒体都有信号传导，这种顺行性信号传导的典型示例是钙快速螯合到线粒体基质中，以响应胞质钙的释放。钙流入线粒体可使胞质钙浓度恢复正常，线粒体钙池可通过调节胞质Ca八发出信号，
从而使线粒体网络在整个细胞中的能量代谢与Ca2+信号同步。细胞核与线粒体之间存在广泛的双向信号，这种信号传导可使核糖体与线粒体蛋白合成同步，并且导致能量代谢的异常变化或诱导线粒体产生逆行信号传导，这对于纠正线粒体功能失常、诱导线粒体更新必不可少①]。
4.1氧化还原信号通路障碍呼吸道上皮细胞是可激活II型炎症细胞因子(如IL-25、IL-33)的主要来源，也是呼吸道内ROS的主要来源，通过酪氨酸激酶(如表皮生长因子受体)的上皮信号传导有助于上皮修复以及黏蛋白和趋化因子的产生。在哮喘患者的气道中观察到表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)的表达和激活增加，研究发现上皮NADPH氧化酶(NADPH oxidase, N0X)亚型DUOX1是激活的主要原因。在激活过程中，EGFR先被氧化成亚磺酸，然后被S-谷胱甘肽化。酪氨酸激酶的氧化失活使EGFR的信号传导受到氧化还原依赖性调节。通过类似的EGFR依赖机制，DUOX1介导上皮细胞产生IL-33和IL-25，表明DUOX1的药理靶向可能是重症哮喘的一种有效方式〔切。
另一个氧化剂介导酶激活的是钙/钙调蛋白(Ca2+/CaM)依赖性蛋白激酶H(CaMKH)，其是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸激酶，常通过结合Ca2+/CaM来激活，但也可独立于Ca"来激活。有学者在过敏性哮喘的实验模型中，发现针对线粒体的CaMKH抑制剂可消除过敏原诱导的细胞因子生成、嗜酸性粒细胞炎症和AHR，因此，CaMKD抑制剂可能被用于哮喘〔切。Sebag等⑶]的研究强调了哮喘患者支气管上皮中存在氧化激活的CaMKH，这表明ROS可能加剧哮喘气道的病理改变，气道上皮线粒体中过量的CaMKH会导致ROS的产生，从而导致哮喘。
4.2曲霉菌转化生长因子TGF-p/SMAD4介导的解耦联蛋白2(uncoupling protein2,UCP2)下调曲霉菌是在呼吸道中最常见的真菌，其蛋白酶诱导促炎细胞因子，刺激其他细胞因子和趋化因子的产生，从而激活炎症的级联反应，诱发特应性哮喘。Kim和Lee】34〕的研究发现，曲霉菌蛋白酶感染后UCP2表达的抑制与TGF-p信号传导在原代支气管上皮细胞中SMAD4的上调有关，这表明线粒体是最初刺激呼吸道上皮细胞产生ROS的重要来源，线粒体ROS的调节可能影响早期的免疫反应。这些发现提示真菌蛋白酶诱导炎症反应参与TGF-0、SMAD4、UCP2信号通路与线粒体ROS产生有关。
5小结与展望
总之，随着对线粒体功能变化与哮喘发病机制的深入研究，阐明线粒体在哮喘中功能的变化对哮喘防治至关重要，这将有助于为以线粒体为靶向的哮喘提供新的策略。目前我们已经了解哮喘气道中气道上皮细胞线粒体的四大功能障碍，但其机制尚未完全清晰，我们需要更多、更大样本、更合理的研究来验证，为临床奠定理论基础。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献
[1]Mabalirajan U,Ghosh B.Mitochondrial dysfunction in metabolic syn­
drome and asthmaf J].J Allergy(Cairo),2013,2013：340476.DOI：
10.1155/2013/340476.
[2]GBD2017Disease and Injury Incidence and Prevalence Collabora­
tors.Global,regional,and national incidence,prevalence,and years
•162・国际儿科学杂志2021年3月第48卷第3期Int J Pediatr,Mar2021, Vol.48,No.3
lived with disability for354diseases and injuries for195countries and territories,1990-2017:a systematic analysis for the Global Bur­den of Disease Study2017[J].Lancet,2018,392(10159):1789-1858.DOI：10.1016/S0140-6736(18)32279-7.
[3]Iyer D,Mishra N,Agrawal A.Mitochondrial function in allergic dis­
easet J].Curr Allergy Asthma Rep,2017,17(5)：29.DOI：10.1007/ si1882-017-0695-0.
[4]Qu J,Li Y,Zhong W,et al.Recent developments in the role of reac­
tive oxygen species in allergic asthmaf J].J Thorac Dis,2017,9(1)：E32-E43.DOI：10.21037/jtd.2017.0
1.05.reactive oxygen species是什么意思
[5]Kleniewska P,Pawliczak R.The participation of oxidative stress in
the pathogenesis of bronchial asthma[J].Biomed Pharmacother, 2017,94：100-108.DOI：10.1016/j.biopha.2017.07.066.
[6]Potaczek DP,Miethe S,Schindler V,et al.Role of airway epithelial
cells in the development of different asthma phenotypes[J].Cell Sig­nal,2020,69:109523.DOI:10.llsig.2019.109523.
[7]Moheimani F,Hsu AC,Reid AT,et al.The genetic and epigenetic
landscapes of the epithelium in asthmaf J].Respir Res,2016,17(1): 119.DOI：10.1186/S12931-016-0434^.
[8]Yuan X,Wang J,Li Y,et al.Allergy immunotherapy restores airway
epithelial barrier dysfunction through suppressing IL-25-induced en­doplasmic reticulum stress in asthmaf J].Sci Rep,2018,8(1)：7950.
DOI：10.1038/s41598-018-26221-x.
[9]De Grove KC,Provoost S,Brusselle GG,et al.Insights in particulate
matter-induced allergic airway inflammation:Focus on the epithelium [J].Clin Exp Allergy,2018,48(7)：773-786.DOI：10.1111/ cea.13178.
[10]Seibold MA.Interleukin-13stimulation reveals the cellular and func­
tional plasticity of the airway epithelium[J].Ann Am Thorac Soc, 2018,15(Suppl2):S98-S102.DOI：10.1513/AnnalsATS.
201711-868MG.
[11]Bonser LR,Erie DJ.The airway epithelium in asthma[J].Adv Im­
munol,2019,142:1-34.DOI：10.1016/bs.ai.2019.05.001.
[12]Bhakta NR,Christenson SA,Nerella S,et al.IFN-stimulated gene ex­
pression,type2inflammation,and endoplasmic reticulum stress in asthma]J].Am J Respir Crit Care Med,
2018,197(3)：313-324.
DOI；10.1164/rccm.201706-10700C.
[13]Bartel S,La Grutta S,Cilluffo G,et al.Human airway epithelial ex­
tracellular vesicle miRNA signature is altered upon asthma develop-ment[J].Allergy,2020,75(2)：346-356.DOI：10.1111/all.14008.
[14]Matsubara H,Niwa A,Nakahata T,et al.Induction of human pluripo­
tent stem cell-derived natural killer cells for immunotherapy under chemically defined conditions[J].Biochem Biophys Res Commun, 2019,515(1)：l-8.DOI：10.1016/j.bbrc.2019.03.085.
[15]Zhang L,Wang W,Zhu B,et al.Epithelial mitochondrial dysfunction
in lung disease[J].Adv Exp Med Biol,2017,1038：201-217.DOI：
10.1007/978-981-10-6674-0_l4.
[16]Fang T,Wang M,Xiao H,et al.Mitochondrial dysfunction and chro­
nic lung disease[J].Cell Biol Toxicol,2019,35(6)：493-502.DOI：
10.1007/S10565-019-09473-9.
[17]van der Vliet A, Janssen-Heininger Y,Anathy V.Oxidative stress in
chronic lung disease:From mitochondrial dysfunction to dysregulated redox signaling[J].Mol Aspects Med,2018,63:59-69.DOI：10.
1016/j.mam.2018.0&001.
[18]Liu H,Tao S,Ma H,et al.Functional changes of airway epithelial
cells and mitochondria in rat models of asthenic lung and phlegm blocking combined with cough variant asthma[J].Exp Ther Med,
2018,16(6)：5021-5024.DOI:10.3892/etm.2018.6863.
[19]Bhatraju NK,Agrawal A.Mitochondrial dysfunction linking obesity
and asthma[J].Ann Am Thorac Soc,2017,14(Supplement_5): S368-S373.DOI：10.1513/AnnalsATS.20
1701-042AW.
[20]Prasai K.Regulation of mitochondrial structure and function by pro­
tein import:A current review[J].Pathophysiology,2017,24(3)：107-122.DOI：10.1016/j.pathophys.2017.03.001.
[21]Reddy PH.Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in asthma：
implications for mitochondria-targeted antioxidant therapeuticsfJ].Phar­maceuticals(Basel),2011,4(3):429-456.D01：10.3390/ph4030429. [22]Agrawal A,Mabalirajan U.Rejuvenating cellular respiration for opti­
mizing respiratory function:targeting mitochondria[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2016,310(2)：L103-113.DOI：10.1152/aj-plung.00320.2015.
[23]Prakash YS,Pabelick CM,Sieck GC.Mitochondrial dysfunction in
airway disease[J].Chest,2017,152(3)：618-626.DOI：10.1016/j.
chest.2017.03.020.
[24]Xu W,Ghosh S,Comhair SA,et al.Increased mitochondrial arginine
metabolism supports bioenergetics in asthma[J].J Clin In v est,2016, 126(7)：2465-2481.DOI：10.1172/JCI82925.
[25]Xu W,Comhair S,Janocha AJ,et al.Arginine metabolic endotypes
related to asthma severity[J].PLoS One,2017,12(8):e0183066.
EX)I：10.1371/joumal.pone.0183066.
[26]Li M,Shang YX.Ultrastructural changes in rat airway epithelium in
asthmatic airway remodelingf J].Pathol Res Pract,2014,210(12): 1038-1042.DOI：10.1016/j.prp.2014.03.010.
[27]Cloonan SM,Choi AM.Mitochondria in lung disease[J].J Clin In­
vest,2016,126(3)：809-820.DOI：10.1172/JCI81113.
[28]Wei G,Sun R,Xu T,et al.Aminophylline promotes mitochondrial
biogenesis in human pulmonary bronchial epithelial cells[J].Bio­chem Biophys Res Commun,2019,515(1)：31-36.DOI：10.1016/j.
bbrc.2019.05.013.
[29]Sachdeva K,Do DC,Zhang Y,et al.Environmental exposures and
asthma development:autophagy,mitophagy,and cellular senescence [J].Front Immunol,2019,10：2787.DOI：10.3389/fimmu.
2019.02787.
[30]Flaquer A,Heinzmann A,Rospleszcz S,et al.Association study of
mitochondrial genetic polymorphisms in asthmatic children[J].Mito­chondrion,2014,14(1)：49-53.DOI：10.1016/j.mito.2013.
11.002.
[31]Rizwan H,Pal S,Sabnam S,et al.High glucose augments ROS gen­
eration regulates mitochondrial dysfunction and apoptosis via stress signalling cascades in keratinocytes[J].Life Sci,2020,241：117148.
DOI：10.1016/j.lfs.2019.117148.
[32]Piantadosi CA,Suliman HB.Mitochondrial dysfunction in lung path-
ogenesis[J].Annu Rev Physiol,2017,79：495-515.DOI：10.1146/ annurev-physiol-022516-034322.
[33]Sebag SC,Koval OM,Paschke JD,et al.Mitochondrial CaMKII inhi­
bition in airway epithelium protects against allergic asthma[J].JCI Insight,2017,2(3)：e88297.DOI：10.1172/jci.insight.88297. [34]Kim YH.Lee SH.TGF-p/SMAD4mediated UCP2downregulation
contributes to Aspergillus protease-induced inflammation in primary bronchial epithelial cells[J].Redox Biol,2018,18：104-113.DOI:
10.dox.2018.06.011.
(收稿日期:2020-03-30)
(本文编辑：侯萍)

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。