引用本文: 閆小逸, 賈嫚, 姜潔, 孟亞奇, 許家艷, 喬瑩瑩, 姚欣. 分泌型卷曲相關蛋白 1 在慢性阻塞性肺疾病氣道重塑中的作用和機制. 中國呼吸與危重監護雜志, 2017, 16(5): 427-431. doi: 10.7507/1671-6205.201702038 復制
慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)是一種以氣流受限為主要特征的肺部疾病。目前慢阻肺在世界范圍內發病率和死亡率日益增長,據統計我國 40 歲以上人群慢阻肺患病率高達 8.2%[1]。另根據世界銀行/世界衛生組織的資料顯示,預計到 2020 年因慢阻肺導致的死亡率將會排名全球第三[2]。氣流不可逆性受限是慢阻肺的主要特征,其發病機制尚未完全明確,目前認為氣道的慢性炎癥、氧化應激、氣道重塑是引起氣流受限的主要原因[2-4]。氣道重塑是指氣道的修復和重構,WNT 信號通路是參與器官發育形成以及組織、細胞損傷和修復的關鍵信號通路[5-6]。WNT 通路是由 WNT 蛋白、卷曲蛋白相關受體(FZD)、共受體低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP)及下游分子組成。WNT 蛋白是一組分泌性糖蛋白家族,分泌后能與細胞表面特異性受體 FZD 結合而激活 WNT 信號通路。分泌型卷曲相關蛋白(secreted frizzled-related protein,SFRP)也是一種分泌型糖蛋白,能通過競爭性結合細胞膜表面的 FZD 抑制 WNT 信號通路[7-8]。研究表明 WNT 通路和肺組織的發育形成有關,阻斷 WNT 通路會引起小鼠支氣管分支減少和形態改變[9],小鼠敲除 WNT4 基因會引起肺的發育不全和氣道異常[6],小鼠敲除 FZD2 基因會引起肺囊腔的形成及支氣管形態異常[10],小鼠敲除 SFRP1 會引起肺泡管的顯著擴張和間質成分的丟失[11]。目前 SFRP1 在慢阻肺中的作用研究較少。本研究通過檢測 SFRP1 在慢阻肺血清中的表達水平及相關細胞實驗,探索 SFRP1 在慢阻肺發病機制中的作用。
1 資料與方法
1.1 一般資料和分組
選擇 2014 年 6 月至 2016年 6 月在江蘇省人民醫院確診的慢阻肺穩定期患者 45 例以及健康對照 21 例。慢阻肺穩定期患者來自于呼吸科門診就診患者,健康對照來源于志愿者。慢阻肺患者中 GOLD 1 級 7 例,2 級 19 例,3 級 8 例,4 級 11 例。所有入組病例均排除慢阻肺以外的疾病,并簽署知情同意書。入組病例具體資料見表 1。

1.2 材料
人 SFRP1 ELISA 試劑盒(武漢華美,中國),人支氣管上皮細胞 16HBE(ATCC,美國),1640 培養基(Gibco,美國),胎牛血清(Sciencecell,美國),香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE;萬寶路,美國),SFRP1 抗體(Abcam,美國),SFRP1 重組蛋白(Peprotech,美國),上皮鈣黏素(E-cadherin) 抗體(Abcam,美國), α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA) 抗體(Abcam,美國),GAPDH(CST,美國)。
1.3 方法
1.3.1 細胞培養和傳代 在無菌操作下,復蘇凍存的人支氣管上皮細胞(16HBE),加入含 10% 胎牛血清 1640 培養基的培養瓶中,置于 37 ℃、5% CO 2 孵箱中。每天換液。當細胞生長達底面積 70%~90% 融合時,胰酶消化,按 1∶3 比例傳代,取第 3~8 代細胞以 1×105/孔布于六孔板用于實驗。
1.3.2 酶聯免疫吸附試驗(ELISA) 血清 SFRP1 ELISA 檢測具體步驟按試劑盒說明書進行。
1.3.3 蛋白印跡法(Western blot)檢測 待六孔板細胞生長至 70% 左右時,換成無血清 1640 培養基饑餓過夜,將不同濃度的 CSE(0、0.1%、0.5%、2.5%)或 SFRP 重組蛋白(0、1、10、100 ng/ml)加入六孔板處理 24 h,處理結束后棄去六孔板內培養基,每孔加入 1 ml PBS 洗 2 次,每次 2 min,加入細胞裂解液,于冰上裂解 30 min,刮下細胞移至 1.5 ml EP 管,4 ℃、14 000 r/min 高速離心 20 min,吸取上清,測蛋白濃度,加入蛋白上樣緩沖液,100 ℃ 水浴鍋中煮沸 10 min。蛋白上樣量為 20 μg,制備 10% SDS 聚丙烯酰胺凝膠,80/120 V 恒壓電泳,300 mA 濕轉將蛋白轉移至 PVDF 膜,5% 胎牛血清室溫封閉 1 h,再分別加入 SFRP1 抗體 1∶1 000,E-cadherin 抗體(1∶1 000),α-SMA 抗體(1∶1 000),GAPDH 抗體(1∶5 000),4 ℃ 孵育過夜,TBST 洗膜 3 次,每次 15 min,加入 HRP 標記的二抗(1∶10 000),室溫孵育 1~2 h,TBST 洗膜 3 次,每次 15 min,曝光成像。應用 Image J 分析軟件采集數據。
1.4 統計學方法
采用 SPSS 23.0 統計學軟件進行分析,數據以均數±標準差( )表示,兩組間比較采用 t 檢驗。多組間采用單因素方差分析,多組間兩兩比較用 LSD-t 檢驗。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 SFRP1 在人血清中的表達
慢阻肺穩定期患者血清 SFRP1 水平較健康對照明顯升高(P<0.05)。將慢阻肺穩定期患者根據 GOLD 進行分級,GOLD 2、3、4 級患者血清 SFRP1 水平較健康對照組明顯升高(P<0.05),GOLD1 級患者血清 SFRP1 水平與健康對照組無顯著差異(P>0.05)。結果見表 1。慢阻肺患者血清 SFRP1 水平和肺功能相關指標(FEV 1,FEV 1%pred,FVC)呈負相關(相關系數 r 分別為–0.368 9、–0.382 6 和–0.417 3,P<0.05)。結果見圖 1。


2.2 SFRP1 水平與吸煙的相關性
將慢阻肺患者按照是否吸煙分為吸煙組和不吸煙組,結果顯示與健康對照組比較,吸煙組和不吸煙組血清 SFRP1 水平均明顯升高(P<0.05);同時慢阻肺吸煙組血清 SFRP1 水平較不吸煙組升高(P<0.01),提示香煙可能可以上調慢阻肺中 SFRP1 的表達。結果見表 3。

2.3 CSE 上調 SFRP1 表達
用不同濃度 CSE 刺激 16HBE 細胞 24 h,Western blot 結果顯示細胞 SFRP1 表達上調,并呈現一定的濃度依賴性(圖 2)。

2.4 SFRP1 刺激 16HBE 細胞 E-cadherin、α-SMA 的表達
外源性給予重組 SFRP1 細胞因子刺激 16HBE 細胞 24 h,Western blot 結果顯示 16HBE 細胞E-cadherin 的表達下調,而α-SMA 表達上調。結果見圖 3。

3 討論
慢阻肺是目前世界范圍內一個主要的公共衛生問題,預計到 2020 年,在疾病負擔方面慢阻肺將在全球排名第五,在死亡率方面排名第三[1-2]。盡管慢阻肺近年來受到越來越多的關注,但關于其氣流受限的具體發病機制仍然是未知的,目前認為氣道炎癥、氧化應激、氣道重塑是引起氣流受限的關鍵環節[2, 12]。多項研究證實 WNT 信號通路是參與肺組織發育、損傷修復等過程的關鍵因素[5-7, 13]。有研究顯示與健康對照相比,慢阻肺患者 WNT4 mRNA 和蛋白表達上調[14],另一項研究顯示健康吸煙者和慢阻肺吸煙者的氣道上皮 WNT 通路下調[15],同時有學者研究發現 WNT 信號通路可以通過 GSK3β 活化促進肺泡上皮細胞修復并且減輕小鼠的肺氣腫[13]。這些研究結果均提示 WNT 信號通路參與慢阻肺的發病。
SFRP 是一種分泌型糖蛋白家族,能通過與 WNT 蛋白競爭性結合細胞膜上的 FZD 抑制 WNT 信號通路,SFRP 家族含有 7 個分泌型糖蛋白,分別是 SFRP1、SFRP2、SFRP3、SFRP4、SARP3、Sizzled 及 Crescent[3]。有研究顯示 SFRP1 可以在肺組織遠端上皮和周圍間質中檢測到,與野生型小鼠相比,在 SFRP1 基因敲除的小鼠肺組織出現明顯的肺泡管的擴張及肺間質的減少[11]。另外有研究表明 SFRP1 在肺氣腫患者肺組織中表達增高[16],而目前對 SFRP1 在慢阻肺血清中的表達尚未有研究。我們的研究結果揭示了 SFRP1 在慢阻肺患者的血清中表達升高,并與患者氣流受限程度有關,GOLD 2、3、4 級患者血清 SFRP1 水平更高,慢阻肺患者血清 SFRP1 水平與肺功能相關指標(FEV 1、FEV 1%pred、FVC)呈負相關。這些結果提示 SFRP1 可能參與慢阻肺的氣道重塑。
慢阻肺被認為是長期累積暴露于有毒氣體、顆粒等環境因素和包括遺傳、兒童期肺部生長不良等多種宿主因素共同作用的后果。香煙暴露是慢阻肺最常見的危險因素。通常認為吸煙和慢阻肺的患病率直接相關[2, 15],研究顯示香煙煙霧可以直接損傷支氣管上皮細胞線粒體的結構和功能[12],香煙還可以影響氣道上皮細胞基質金屬蛋白酶 9 的表達并影響慢阻肺的發病[17]。最近有研究指出,與不吸煙女性相比,吸煙女性的胎盤組織中 SFRP1 的 mRNA 和蛋白表達顯著上調,一氧化碳類似物(香煙中的一種成分)能上調人滋養層細胞 SFRP1 的表達,伴隨著減少的 WNT/β-連環蛋白信號傳導[18],提示香煙可能上調 SFRP1 的表達。我們的研究結果表明血清 SFRP1 的水平和患者是否吸煙有關,與不吸煙的慢阻肺患者相比,吸煙的慢阻肺患者血清 SFPR1 水平更高,提示香煙可能可以上調 SFRP1 的表達;通過細胞實驗我們進一步證實 CSE 能上調人支氣管上皮細胞 SFRP1 的表達。
肺氣腫、小氣道重塑、小氣道周圍的纖維化是肺組織重構的主要表現[19]。上皮間質轉化(EMT)是指上皮細胞逐漸轉變成間充質樣細胞并失去其上皮功能和特性,現在被認為是慢阻肺氣道重塑的重要原因之一,它會引起慢阻肺患者的氣道纖維化和隨后的氣流阻塞[19-21]。E-cadherin 是 EMT 的主要標志蛋白之一,當支氣管上皮細胞發生 EMT 時,E-cadherin、緊密連接蛋白(ZO-1)、表面活性蛋白等上皮標志蛋白表達下調,而神經鈣黏素(N-cadherin)、波形蛋白(vimentin)、Ⅰ型膠原蛋白(collagenⅠ)、α-SMA 等間質細胞標志蛋白表達上調[19]。我們的研究表明外源性 SFRP1 可以下調人支氣管上皮細胞 E-cadherin 的表達,并上調 α-SMA 的表達,提示 SFRP1 可通過調控 E-cadherin、α-SMA 的表達參與 EMT,進而參與慢阻肺氣道重塑的形成。
綜上所述,我們的研究顯示 SFRP1 在慢阻肺患者血清中升高,并且與 GOLD 分級、肺功能和吸煙有關,外源性 SFRP1 可上調人支氣管上皮細胞標志蛋白 E-cadherin 的表達,并上調間質細胞標志蛋白α-SMA 的表達,提示升高的 SFRP1 可能通過調控 E-cadherin、α-SMA 參與了慢阻肺氣道重塑的過程。未來針對 SFRP1 靶點的治療可能會改善慢阻肺患者的氣道重塑。
慢性阻塞性肺疾病(簡稱慢阻肺)是一種以氣流受限為主要特征的肺部疾病。目前慢阻肺在世界范圍內發病率和死亡率日益增長,據統計我國 40 歲以上人群慢阻肺患病率高達 8.2%[1]。另根據世界銀行/世界衛生組織的資料顯示,預計到 2020 年因慢阻肺導致的死亡率將會排名全球第三[2]。氣流不可逆性受限是慢阻肺的主要特征,其發病機制尚未完全明確,目前認為氣道的慢性炎癥、氧化應激、氣道重塑是引起氣流受限的主要原因[2-4]。氣道重塑是指氣道的修復和重構,WNT 信號通路是參與器官發育形成以及組織、細胞損傷和修復的關鍵信號通路[5-6]。WNT 通路是由 WNT 蛋白、卷曲蛋白相關受體(FZD)、共受體低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP)及下游分子組成。WNT 蛋白是一組分泌性糖蛋白家族,分泌后能與細胞表面特異性受體 FZD 結合而激活 WNT 信號通路。分泌型卷曲相關蛋白(secreted frizzled-related protein,SFRP)也是一種分泌型糖蛋白,能通過競爭性結合細胞膜表面的 FZD 抑制 WNT 信號通路[7-8]。研究表明 WNT 通路和肺組織的發育形成有關,阻斷 WNT 通路會引起小鼠支氣管分支減少和形態改變[9],小鼠敲除 WNT4 基因會引起肺的發育不全和氣道異常[6],小鼠敲除 FZD2 基因會引起肺囊腔的形成及支氣管形態異常[10],小鼠敲除 SFRP1 會引起肺泡管的顯著擴張和間質成分的丟失[11]。目前 SFRP1 在慢阻肺中的作用研究較少。本研究通過檢測 SFRP1 在慢阻肺血清中的表達水平及相關細胞實驗,探索 SFRP1 在慢阻肺發病機制中的作用。
1 資料與方法
1.1 一般資料和分組
選擇 2014 年 6 月至 2016年 6 月在江蘇省人民醫院確診的慢阻肺穩定期患者 45 例以及健康對照 21 例。慢阻肺穩定期患者來自于呼吸科門診就診患者,健康對照來源于志愿者。慢阻肺患者中 GOLD 1 級 7 例,2 級 19 例,3 級 8 例,4 級 11 例。所有入組病例均排除慢阻肺以外的疾病,并簽署知情同意書。入組病例具體資料見表 1。

1.2 材料
人 SFRP1 ELISA 試劑盒(武漢華美,中國),人支氣管上皮細胞 16HBE(ATCC,美國),1640 培養基(Gibco,美國),胎牛血清(Sciencecell,美國),香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE;萬寶路,美國),SFRP1 抗體(Abcam,美國),SFRP1 重組蛋白(Peprotech,美國),上皮鈣黏素(E-cadherin) 抗體(Abcam,美國), α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA) 抗體(Abcam,美國),GAPDH(CST,美國)。
1.3 方法
1.3.1 細胞培養和傳代 在無菌操作下,復蘇凍存的人支氣管上皮細胞(16HBE),加入含 10% 胎牛血清 1640 培養基的培養瓶中,置于 37 ℃、5% CO 2 孵箱中。每天換液。當細胞生長達底面積 70%~90% 融合時,胰酶消化,按 1∶3 比例傳代,取第 3~8 代細胞以 1×105/孔布于六孔板用于實驗。
1.3.2 酶聯免疫吸附試驗(ELISA) 血清 SFRP1 ELISA 檢測具體步驟按試劑盒說明書進行。
1.3.3 蛋白印跡法(Western blot)檢測 待六孔板細胞生長至 70% 左右時,換成無血清 1640 培養基饑餓過夜,將不同濃度的 CSE(0、0.1%、0.5%、2.5%)或 SFRP 重組蛋白(0、1、10、100 ng/ml)加入六孔板處理 24 h,處理結束后棄去六孔板內培養基,每孔加入 1 ml PBS 洗 2 次,每次 2 min,加入細胞裂解液,于冰上裂解 30 min,刮下細胞移至 1.5 ml EP 管,4 ℃、14 000 r/min 高速離心 20 min,吸取上清,測蛋白濃度,加入蛋白上樣緩沖液,100 ℃ 水浴鍋中煮沸 10 min。蛋白上樣量為 20 μg,制備 10% SDS 聚丙烯酰胺凝膠,80/120 V 恒壓電泳,300 mA 濕轉將蛋白轉移至 PVDF 膜,5% 胎牛血清室溫封閉 1 h,再分別加入 SFRP1 抗體 1∶1 000,E-cadherin 抗體(1∶1 000),α-SMA 抗體(1∶1 000),GAPDH 抗體(1∶5 000),4 ℃ 孵育過夜,TBST 洗膜 3 次,每次 15 min,加入 HRP 標記的二抗(1∶10 000),室溫孵育 1~2 h,TBST 洗膜 3 次,每次 15 min,曝光成像。應用 Image J 分析軟件采集數據。
1.4 統計學方法
采用 SPSS 23.0 統計學軟件進行分析,數據以均數±標準差( )表示,兩組間比較采用 t 檢驗。多組間采用單因素方差分析,多組間兩兩比較用 LSD-t 檢驗。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 SFRP1 在人血清中的表達
慢阻肺穩定期患者血清 SFRP1 水平較健康對照明顯升高(P<0.05)。將慢阻肺穩定期患者根據 GOLD 進行分級,GOLD 2、3、4 級患者血清 SFRP1 水平較健康對照組明顯升高(P<0.05),GOLD1 級患者血清 SFRP1 水平與健康對照組無顯著差異(P>0.05)。結果見表 1。慢阻肺患者血清 SFRP1 水平和肺功能相關指標(FEV 1,FEV 1%pred,FVC)呈負相關(相關系數 r 分別為–0.368 9、–0.382 6 和–0.417 3,P<0.05)。結果見圖 1。


2.2 SFRP1 水平與吸煙的相關性
將慢阻肺患者按照是否吸煙分為吸煙組和不吸煙組,結果顯示與健康對照組比較,吸煙組和不吸煙組血清 SFRP1 水平均明顯升高(P<0.05);同時慢阻肺吸煙組血清 SFRP1 水平較不吸煙組升高(P<0.01),提示香煙可能可以上調慢阻肺中 SFRP1 的表達。結果見表 3。

2.3 CSE 上調 SFRP1 表達
用不同濃度 CSE 刺激 16HBE 細胞 24 h,Western blot 結果顯示細胞 SFRP1 表達上調,并呈現一定的濃度依賴性(圖 2)。

2.4 SFRP1 刺激 16HBE 細胞 E-cadherin、α-SMA 的表達
外源性給予重組 SFRP1 細胞因子刺激 16HBE 細胞 24 h,Western blot 結果顯示 16HBE 細胞E-cadherin 的表達下調,而α-SMA 表達上調。結果見圖 3。

3 討論
慢阻肺是目前世界范圍內一個主要的公共衛生問題,預計到 2020 年,在疾病負擔方面慢阻肺將在全球排名第五,在死亡率方面排名第三[1-2]。盡管慢阻肺近年來受到越來越多的關注,但關于其氣流受限的具體發病機制仍然是未知的,目前認為氣道炎癥、氧化應激、氣道重塑是引起氣流受限的關鍵環節[2, 12]。多項研究證實 WNT 信號通路是參與肺組織發育、損傷修復等過程的關鍵因素[5-7, 13]。有研究顯示與健康對照相比,慢阻肺患者 WNT4 mRNA 和蛋白表達上調[14],另一項研究顯示健康吸煙者和慢阻肺吸煙者的氣道上皮 WNT 通路下調[15],同時有學者研究發現 WNT 信號通路可以通過 GSK3β 活化促進肺泡上皮細胞修復并且減輕小鼠的肺氣腫[13]。這些研究結果均提示 WNT 信號通路參與慢阻肺的發病。
SFRP 是一種分泌型糖蛋白家族,能通過與 WNT 蛋白競爭性結合細胞膜上的 FZD 抑制 WNT 信號通路,SFRP 家族含有 7 個分泌型糖蛋白,分別是 SFRP1、SFRP2、SFRP3、SFRP4、SARP3、Sizzled 及 Crescent[3]。有研究顯示 SFRP1 可以在肺組織遠端上皮和周圍間質中檢測到,與野生型小鼠相比,在 SFRP1 基因敲除的小鼠肺組織出現明顯的肺泡管的擴張及肺間質的減少[11]。另外有研究表明 SFRP1 在肺氣腫患者肺組織中表達增高[16],而目前對 SFRP1 在慢阻肺血清中的表達尚未有研究。我們的研究結果揭示了 SFRP1 在慢阻肺患者的血清中表達升高,并與患者氣流受限程度有關,GOLD 2、3、4 級患者血清 SFRP1 水平更高,慢阻肺患者血清 SFRP1 水平與肺功能相關指標(FEV 1、FEV 1%pred、FVC)呈負相關。這些結果提示 SFRP1 可能參與慢阻肺的氣道重塑。
慢阻肺被認為是長期累積暴露于有毒氣體、顆粒等環境因素和包括遺傳、兒童期肺部生長不良等多種宿主因素共同作用的后果。香煙暴露是慢阻肺最常見的危險因素。通常認為吸煙和慢阻肺的患病率直接相關[2, 15],研究顯示香煙煙霧可以直接損傷支氣管上皮細胞線粒體的結構和功能[12],香煙還可以影響氣道上皮細胞基質金屬蛋白酶 9 的表達并影響慢阻肺的發病[17]。最近有研究指出,與不吸煙女性相比,吸煙女性的胎盤組織中 SFRP1 的 mRNA 和蛋白表達顯著上調,一氧化碳類似物(香煙中的一種成分)能上調人滋養層細胞 SFRP1 的表達,伴隨著減少的 WNT/β-連環蛋白信號傳導[18],提示香煙可能上調 SFRP1 的表達。我們的研究結果表明血清 SFRP1 的水平和患者是否吸煙有關,與不吸煙的慢阻肺患者相比,吸煙的慢阻肺患者血清 SFPR1 水平更高,提示香煙可能可以上調 SFRP1 的表達;通過細胞實驗我們進一步證實 CSE 能上調人支氣管上皮細胞 SFRP1 的表達。
肺氣腫、小氣道重塑、小氣道周圍的纖維化是肺組織重構的主要表現[19]。上皮間質轉化(EMT)是指上皮細胞逐漸轉變成間充質樣細胞并失去其上皮功能和特性,現在被認為是慢阻肺氣道重塑的重要原因之一,它會引起慢阻肺患者的氣道纖維化和隨后的氣流阻塞[19-21]。E-cadherin 是 EMT 的主要標志蛋白之一,當支氣管上皮細胞發生 EMT 時,E-cadherin、緊密連接蛋白(ZO-1)、表面活性蛋白等上皮標志蛋白表達下調,而神經鈣黏素(N-cadherin)、波形蛋白(vimentin)、Ⅰ型膠原蛋白(collagenⅠ)、α-SMA 等間質細胞標志蛋白表達上調[19]。我們的研究表明外源性 SFRP1 可以下調人支氣管上皮細胞 E-cadherin 的表達,并上調 α-SMA 的表達,提示 SFRP1 可通過調控 E-cadherin、α-SMA 的表達參與 EMT,進而參與慢阻肺氣道重塑的形成。
綜上所述,我們的研究顯示 SFRP1 在慢阻肺患者血清中升高,并且與 GOLD 分級、肺功能和吸煙有關,外源性 SFRP1 可上調人支氣管上皮細胞標志蛋白 E-cadherin 的表達,并上調間質細胞標志蛋白α-SMA 的表達,提示升高的 SFRP1 可能通過調控 E-cadherin、α-SMA 參與了慢阻肺氣道重塑的過程。未來針對 SFRP1 靶點的治療可能會改善慢阻肺患者的氣道重塑。