α-1抗胰蛋白酶的研究进展及与心血管疾病的关系

    黄达 刘燕 黄照河

    

    【关键词】 α1-抗胰蛋白酶;COPD;心血管疾病

    中图分类号：R543 ? 文献标志码：A ? DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2021.05.013

    α1-抗胰蛋白酶（alpha1-antitrypsin，A1AT）是一种丝氨酸蛋白酶及中性粒细胞弹性蛋白酶抑制剂，具有很强的蛋白酶抑制能力，几乎占据了血浆总蛋白酶抑制能力的90%以上，最初研究发现A1AT缺乏主要与慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）有关，随着研究的进展，进一步发现A1AT与肺炎、肝脏疾病及心血管疾病的发生具有密切关系。本文对A1AT的研究发展史和最新研究进展及其与心血管疾病的关系进行综述，阐述A1AT的结构、理化性质及生理功能，对A1AT与肺炎、肝脏疾病发生发展关系及其与心血管疾病的关系展开探讨。

    1 A1AT的发展史与流行病学

    人血浆抗蛋白酶最早是在19世纪末由FERMI 和PERNOSSI发现的。直到1955年，SCHULTZE才从血液中分离出具有抗胰蛋白酶活性的蛋白质，并将其命名为α1-抗胰蛋白酶，其具有抑制胰蛋白酶的能力[1～2]。1963年，LAURELL团队发现肺气肿患者具有肺气肿家族史，并发现α1抗胰蛋白酶缺乏。随着研究的进展，20世纪80年代，人们合成了人类A1AT，其基因被测序和克隆，并定位于14号染色体的长臂上[3]。随着基因技术的不断深入研究，人们也开启了A1AT与人类疾病的进一步相关性研究[4]。这些聚合物在肝细胞中积累并造成肝脏损伤，以及循环缺乏A1AT，导致中性粒细胞弹性蛋白酶肺破坏和肺气肿[5～6]。

    A1AT缺乏分布于世界各地，但其发病率与人种分布有很大关系。以欧洲人为主，每1500～3500个人中就有1人患有A1AT缺乏[7]，亚洲人后裔不常见。在美国有8万到10万人严重缺乏A1AT，这表明该疾病没有得到充分的认识。据估计，全世界有300多万人拥有A1AT严重缺乏[8]。A1AT缺乏是唯一已知的COPD的遗传危险因素[9]，在所有COPD病例中，A1AT缺乏引起的肺部疾病在成年后任何年龄段都可以出现[10]。随着对A1AT研究的深入，复发的神经炎和系统血管炎也被发现与A1AT缺乏有关[8，11]。

    2 A1AT的结构功能与疾病的关系

    A1AT缺陷是一种单基因疾病，由位于14号染色体上的SERPINA基因突变引起。A1AT有418个氨基酸，该SERPINA基因编码A1AT，也称为α1-蛋白酶抑制剂（alpha1-proteinase inhibitor 1-PI，α1-PI），分子量为52 kDa，它通过抑制蛋白水解酶，特别是中性粒细胞弹性蛋白酶（neutrophil elastase，NE）在肺中起保护作用，这种酶是在炎症反应中释放的。在缺乏足够水平的α1-PI的情况下，蛋白酶-抗蛋白酶平衡被打破，不受抑制的NE可能导致进行性肺气肿[12]。SERPINA基因极易发生突变，产生正常水平的α1-PI的个体是（正常水平的）M等位基因的PI*MM纯合子。大多数严重A1AT缺乏的人的Z等位基因（PI*ZZ）是纯合子的，并且α1-PI水平不足，而导致S等位基因的突变也很常见，导致α1-PI[12～13]水平较低。超过100个等位基因已经被鉴定出来，但并不是所有的等位基因都与该疾病有关。α1-PI水平降低，但可增加疾病的风险，特别是吸烟者[14]。在PI*ZZ个体中，异常α1-PI在肝细胞中积累并在肝脏长期存在，这可能导致肝损伤、肝硬化和与A1AT缺乏相关的肝疾病[15]。患有“空”突变的个体不产生α1-PI[16]，空等位基因不会引起肝病，但可能导致肺疾病。A1AT基因是高度多态性的，存在各种突变，其中大多数都是点突变。已知的A1AT突变有Z突变、Siiyama（Si）突变、I突变、S突变、Brescia（Br）突变和King（K）突变。A1AT缺乏由腺嘌呤取代鸟嘌呤（Glu342 GAG → ΔLys AAG）导致反应中心环和β片A之间的失真。它将一个A1AT分子的反应环与另一个分子的β-A连接起来形成β-A折叠（图1）[17]。这个过程延伸形成环状板聚合物链。这些聚合物形成包涵体，并保留在肝细胞中，从而导致个体之间广泛不同的各种临床表现，从无症状直至致命的肝或肺疾病。肺脏疾病表现为肺气肿、慢性支气管炎、支气管扩张、支气管哮喘等。肝脏疾病主要表现为肝炎、肝硬化、肝癌、肝衰竭等。肝脏疾病的主要特点是炎症、轻度坏死、脂肪变性以及纤维化改变。

    3 A1AT生物学效应与疾病发生的关系

    超过80%的A1AT是由肝细胞合成和分泌的，其他则由单核细胞、巨噬细胞、胰腺、肺泡细胞、肠细胞、内皮细胞及一些癌症合成和分泌的，人类每天产生34 mg/kg。在急性期反应中，A1AT水平增加了4倍，80%从血浆中扩散到间质组织，0.5%～10%到达生物液，包括肺泡液、唾液、眼泪、牛奶、精液、胆汁、尿和脑脊液[18～19]。除了抑制中性粒细胞、胰腺或细菌过量的游离弹性酶外，A1AT还抑制蛋白酶-3、中性粒细胞过氧化物酶G和α防御蛋白、肥大细胞胰蛋白酶和胰蛋白酶、胰腺胰蛋白酶、T淋巴细胞粒酶B、循环激蛋白、凝血级联丝氨酸蛋白酶浆蛋白、凝血酶、尿激酶和因子Xa[20～21]。A1AT已从一种简单的急性反应蛋白进化为一种多功能抗炎、免疫调节、抗感染和组织修复分子[22]，这些新的活性促进越来越多的临床研究和新的药理制剂发展，同时人们寻找A1AT的替代来源（包括转基因和重组A1AT）以满足对这种蛋白质日益增长的需求，并且在A1AT缺乏的情况下治疗大量疾病。A1AT的潜在新应用正在取得重大进展。例如，雾化吸入A1AT（雾化或干粉吸入）臨床可用于治疗α和非α患者COPD、囊性纤维化、支气管扩张或支气管哮喘[23]。此外，静脉注射A1AT在自身免疫性糖尿病1型、克罗恩病、移植物抗宿主病、移植排斥反应、多发性硬化症、系统性血管炎、纤维肌痛、慢性疲劳综合征、类风湿关节炎、人类免疫缺陷病毒（HIV）、流感病毒和其他类型的感染、复发泛性炎、心肌梗死和可能的其他炎症、免疫学和感染性疾病中也显示出疗效[24～25]。

    4 A1AT與心血管疾病的关系

    动脉粥样硬化是一个多因素慢性炎症过程，其关键环节是内皮细胞分泌炎症因子，后者通过炎症反应、增生等形成过程涉及巨噬细胞、血管平滑肌细胞（VSMCs）、脂质和胶原等作用。而A1AT在动脉粥样硬化的形成过程中起着关键的作用。冠心病是炎症性疾病，尤其以急性冠脉综合征（ACS）为典型代表，其发病基础是动脉粥样硬化，我们收集的临床资料发现，A1AT缺乏与ACS呈正相关[26]，A1AT缺乏所致的COPD与心血管疾病存在密切关系，但这一问题仍有争议[27]。有研究认为A1AT属于急性期反应蛋白，炎症性疾病受外界多种细胞因子刺激可迅速增高。1983年，GILUTZ等人[28]在急性心肌梗死患者首次证实血浆中A1AT水平升高。随后，A1AT与心血管疾病的研究越来越多，BRUNETTI等[29]发现在不稳定型心绞痛患者血浆中A1AT水平明显升高。ZHAO等[30]在2015年首次发现A1AT与冠状动脉狭窄程度呈正相关。因此，A1AT水平很可能是冠心病的一个独立危险因素。其机理可能是A1AT通过抑制TNF-α等炎症信号通路抑制炎症反应[31]。研究表明[32]，A1AT可通过抑制弹性蛋白酶及胶原酶，进而诱导细胞外基质及胶原的降解，促进纤维化的形成而稳定斑块;另一方面，其通过抑制弹性蛋白酶作用，减轻炎症反应从而抗动脉粥样硬化。基于A1AT的特性中具有抑制炎症因子的作用，近些年也开启了A1AT用于冠心病的治疗探索。冠心病的发生发展与炎症因子密切相关，国外最新研究发现A1AT可以抑制IL-1的产生，从而影响ACS的预后[33]。FENG等[34]研究发现缺血再灌注损伤过表达A1AT或利用外源性A1AT诊疗可增加SOD活性，进而减少心肌缺血再灌注损伤;而SOD是炎症氧化应激的重要产物，这充分说明A1AT在心肌缺血再灌注损伤时通过抑制炎症反应抗氧化应激而起到保护心肌的作用。随着研究的进展，A1AT在心血管疾病的诊治范围不断拓展，2019年LUBRANO等人[35]研究发现A1AT在心力衰竭的治疗中起至关重要的作用，A1AT过表达或外源性A1AT治疗具有抗氧化应激作用，减少心肌细胞凋亡，通过上调eNOS及下调MMP9而参与心力衰竭的发生。而且，近期研究发现A1AT rs1303 （PiM3M3）突变可能与房间隔瘤有关[36]。

    5 小结与展望

    A1AT作为一种丝氨酸蛋白酶及中性粒细胞弹性蛋白酶抑制剂，具有抑制炎症反应的作用，其可能通过抑制炎症反应起到抗心肌损伤的作用。目前研究已经发现A1AT与心血管疾病发病关系密切，因此其对心血管疾病的影响具有两面性，可见仍需要深入研究其机理，可能会为心血管疾病的防治提供新的方向。然而，目前关于A1AT在心血管疾病中的作用机制研究甚少，而且作用机制尚不明确，因此我们需要更加深入的研究来探究A1AT的作用机理，以为临床防治心血管疾病开辟新的思路。

    参 考 文 献

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    （收稿日期：2021-03-30 修回日期：2021-04-21）

    （编辑：潘明志）