Các hóa chất trung gian trong bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính nhìn từ khía cạnh sinh lý học

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số 1 * 2016 Tổng Quan Chuyên Đề Nội Khoa 1 7 CÁC HÓA CHẤT TRUNG GIAN TRONG BỆNH PHỔI TẮC NGHẼN MẠN TÍNH NHÌN TỪ KHÍA CẠNH SINH LÝ HỌC Lê Quốc Tuấn*, Nguyễn Thị Lệ* MỞ ĐẦU Hiện nay, nhiều hóa chất trung gian đã được biết liên quan đến COPD như: lipid, gốc tự do, cytokine, chemokine, yếu tố tăng trưởng. Các hóa chất trung gian này có nguồn gốc từ các tế bào cấu trúc, cũng như các tế bào viêm trong phổi, và tương tác với nhau một cách phức tạp(1). HÓA CHẤT TRUNG GIAN LÀ LIPID Các hóa chất trung gian thuộc nhóm lipid (prostaglandins và leukotrienes) tăng cao trong COPD. Người ta ghi nhận một sự tăng đáng kể PGE2 , PGF2α , LT B4 (nhưng không phải các leukotriene cysteinyl). Điều này khác biệt với trong hen suyễn, với sự tăng chủ yếu là thromboxane và các leukotriene cysteinyl. Sự tăng sản sinh các prostanoid trong COPD dường như là thứ phát từ sự kích thích enzyme cyclooxygenase-2 (COX2) bởi các cytokine viêm(2,3). Enzyme COX2 tăng biểu hiện trong các đại thực bào phế nang ở bệnh nhân COPD. Nồng độ LT B4 cũng tăng trong đàm, nhất là các đợt cấp của bệnh. LT B4 có tính hóa ứng động cao với các bạch cầu neutrophil, thông qua ái lực cao của thụ thể BLT1. Chất đối vận với thụ thể BLT1 làm giảm hoạt tính hóa ứng động neutrophil trong đàm khoảng 25%. Gần đây, người ta đã tìm thấy thụ thể BLT1 trên tế bào lympho T. Điều này cho thấy LT B4 cũng có khả năng tham gia vào sự huy động lymho T. STRESS OXY HÓA (OXIDATIVE STRESS) Stress oxy hóa xảy ra khi các gốc oxy phản ứng (ROS) được tạo ra quá mức so với cơ chế bảo vệ chống oxy hóa, đưa đến sự tổn thương các đại phân tử lipid, protein, và DNA. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy vai trò quan trọng của stress oxy hóa trong bệnh lý COPD (4,5). Nhiều tế bào viêm, cũng như các tế bào cấu trúc trên đường dẫn khí được hoạt hóa để sản sinh các gốc ROS như: neutrophil, eosinophil, đại thực bào, và tế bào biểu mô. Anion superoxide (O2-) được tạo thành dưới sự xúc tác của enzyme NADPH oxidase, sau đó được chuyển thành hydrogen peroxide (H2O2) bởi enzyme superoxide dismutase (SOD). H2O2 sau đó được chuyển thành nước nhờ enzyme catalase. Anion superoxide và hydrogen peroxide có thể tham gia phản ứng gốc hydroxyl (HO.) có tính phản ứng mạnh khi có sự hiện diện của ion sắt tự do. Superoxide O2- cũng có thể kết hợp với NO tạo thành gốc peroxynitrite, cũng là một nguồn tạo ra gốc hydroxyl. Stress oxy hóa dẫn đến oxy hóa acid arachidonic tạo thành một loạt các hóa chất trung gian prostanoid mới, gọi là isoprostane, gây tác động đáng kể lên sự co thắt phế quản và xuất tiết. Sự sản sinh các chất oxy hóa bình thường được bảo vệ bởi các cơ chế chống oxy hóa trên đường dẫn khí. Các chất chống oxy hóa nội bào chủ yếu trên đường dẫn khí bao gồm enzyme catalase, SOD, và glutathione (được tạo thành dưới sự xúc tác của 2 enzyme γ-glutamyl cysteine synthetase, và glutathione synthetase). Tại phổi, hầu hết các chất chống oxy hóa ở ngoại bào, các chất chống oxy hóa nội bào biểu hiện ở nồng độ tương đối thấp(6). Yếu tố phiên mã Nrf2 đóng vai trò then chốt trong việc mở khóa một số gen quy định các chất chống oxy hóa. Gây knock-out gen này ở chuột gây tiến triển nhanh đến khí phế thủng khi tiếp xúc với khói thuốc. Các chất chống oxy hóa ngoại bào, nhất là glutathione peroxidase được tăng biểu hiện đáng kể trong đáp ứng với khói thuốc và stress oxy hóa. Các chất chống oxy hóa ngoại bào cũng bao gồm các chất cung cấp từ thức ăn như vitamin C (acid ascorbic), vitamin E (α – tocopherol), acid uric, lactoferrin, enzyme SOD Tổng Quan Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số 1 * 2016 Chuyên Đề Nội Khoa 1 8 ngoại bào (SOD3). SOD3 cũng biểu hiện nhiều trong phổi, nhưng vai trò trong COPD vẫn còn chưa rõ ràng. Các gốc ROS có nhiều ảnh hưởng trên đáp ứng viêm tại đường dẫn khí và nhu mô phổi. ROS hoạt hóa yếu tố nhân NF- κB, làm mở nhiều gen liên quan đến viêm, gây khuếch đại quá trình viêm. Con đường phân tử mà từ đó stress oxy hóa hoạt hóa NF- κB vẫn còn chưa sáng tỏ, nhưng chắc chắn phải trải qua các giai đoạn nhạy cảm oxy hóa khử. Stress oxy hóa kích hoạt enzyme histone acetyltransferase, làm mở cấu trúc xoắn của chromatin, gây tăng cường phiên mã nhiều gen viêm. Các chất oxy hóa ngoại sinh cũng có thể góp phần làm bệnh nặng thêm. Khói thuốc lá bản thân nó có chứa nồng độ cao các gốc ROS. Các tế bào viêm như neutrophil và đại thực bào được hoạt hóa cũng sản sinh ROS. Một vài marker của stress oxy hóa có thể được phát hiện tăng trong hơi thở như: H2O2, 8-isoprostane, và ethane, đặc biệt là trong đợt cấp. Stress oxy hóa trong biểu mô phổi đóng vai trò quan trọng trong sự khuếch đại đáp ứng viêm COPD. Điều này phản ánh sự kích hoạt yếu tố phiên mã NF- κB và AP-1, gây tăng hoạt động viêm trong neutrophil bằng cách tăng biểu hiện các CXC-chemokine, TNF- α , và MMP-9(7). Stress oxy hóa cũng làm suy giảm chức năng của các antiprotease như: α1- antitrypsin và SLPI (secretory leukoprotease inhibitor), do đó đẩy nhanh tốc độ phân hủy elastin trong nhu mô phổi. Corticosteroid thường có hiệu quả trong COPD hơn hen suyễn, nhưng không làm giảm sự tiến triển và tỉ lệ tử vong của bệnh. Đại thực bào phế nang tỏ ra giảm đáng kể với các đáp ứng kháng viêm của corticosteroid trên bệnh nhân COPD, so với người hút thuốc lá không triệu chứng và người không hút thuốc. Trên bệnh nhân COPD có sự giảm đáng kể hoạt động của enzyme HDAC2, cũng như giảm biểu hiện enzyme này trong các đại thực bào phế nang và mô phổi ngoại biên; tương quan chặt chẽ với việc tăng biểu hiện các cytokine gây viêm và giảm đáp ứng với thuốc corticosteroid. Điều này có thể được gây nên trực tiếp hoặc gián tiếp bởi stress oxy hóa, thông qua tác động của H2O2 lên các tế bào. STRESS NITRATE HÓA (NITRATIVE STRESS) Sự tăng khí NO trong khí thở ra ở bệnh nhân COPD thấp hơn ở bệnh nhân hen suyễn, một phần là do khói thuốc lá làm giảm khí NO. Nitric oxide trong khí thở ra hiện nay được chia thành 2 phần: phần trung ương và phần ngoại biên. Người ta nhận thấy NO giảm trong không khí ở phế quản, nhưng lại tăng trong phần ngoại biên (gồm đường dẫn khí nhỏ và nhu mô phổi). Sự gia tăng của khí NO ngoại biên trên bệnh nhân COPD phản ánh sự tăng biểu hiện của enzyme iNOS (inducible NO synthase) trong tế bào biểu mô và đại thực bào (5). NO và anion superoxide (O2-) kết hợp với nhau tạo thành gốc peroxynitrite, gây nitrate hóa thành phần tyrosine trong các protein. Các nghiên cứu ghi nhận có sự tăng biểu hiện 3-nitrotyrosine trong đại thực bào và nhu mô phổi. Sự nitrate hóa tyrosine trong HDAC2 gây suy giảm hoạt động và thủy phân enzyme này, gây đề kháng với nhóm kháng viêm corticosteroid. CÁC CYTOKINE GÂY VIÊM Cytokine là các hóa chất trung gian trong quá trình viêm mạn tính. Hiện nay, nhiều cytokine đã biết có liên quan đến COPD. Người ta nhận thấy có sự tăng nồng độ TNF-α trong đàm bệnh nhân COPD giai đoạn ổn định, và cao hơn nữa trong các đợt cấp (2,6). TNF-α là một sản phẩm từ bạch cầu đơn nhân ngoại biên cũng tăng trong bệnh nhân COPD, cũng như có liên quan đến tình trạng suy nhược, chết tế bào cơ theo chương trình. TNF- α có khả năng hoạt hóa mạnh đối với NF-κB, gây khuếch đại đáp ứng viêm. Tuy nhiên, liệu pháp kháng TNF lại không được chứng minh có hiệu quả ở bệnh nhân COPD. IL-1β và IL-6 cũng là các cytokine tiền viêm có thể làm khuếch đại phản ứng viêm trong COPD. Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số 1 * 2016 Tổng Quan Chuyên Đề Nội Khoa 1 9 CÁC CHEMOKINES Chemokine là các phân tử cytokine hóa ứng động nhỏ đóng vai trò then chốt trong việc huy động và hoạt hóa các tế bào viêm thông qua các thụ thể chemokine đặc hiệu. Một số chemokine đã được biết có liên quan đến COPD. Thụ thể của chemokine chính là các thụ thể liên kết với protein G (G- protein coupled receptor). Nồng độ của CXCL8 tăng trong đàm bệnh nhân COPD, nhất là trong các đợt cấp. CXCL8 được tiết ra từ đại thực bào, lympho T, tế bào biểu mô, và neutrophil. Chemokine CXCL8 hoạt hóa neutrophil nhờ các thụ thể đặc hiệu có ái lực thấp CXCR1, và gây hóa ứng động neutrophil nhờ các thụ thể có ái lực cao CXCR2 (CXCR2 cũng được hoạt hóa bởi các chemokine CXC liên quan như XCXL1). Nồng độ chemokine XCXL1 cũng tăng đáng kể trong đàm và dịch BAL của bệnh nhân COPD, có thể đóng vai trò là một chất hóa ứng động quan trọng hơn CXCL8, được hoạt hóa nhờ thụ thể CXCR2. Thụ thể CXCR2 biểu hiện cả trên neutrophil và các bạch cầu đa nhân. CXCL1 có tính gây hóa ứng động đáng kể đối với bạch cầu đơn nhân trên bệnh nhân COPD so với nhóm hút thuốc lá không triệu chứng(8). Điều này phản ánh sự phục hồi nhanh thụ thể CXCR2 trên bạch cầu đơn nhân ở bệnh nhân COPD. Chemokine CXCL5 cũng biểu hiện tăng đáng kể tại các tế bào biểu mô đường dẫn khí trong đợt cấp, thường kết hợp với tang biểu hiện thụ thể CXCR2 của biểu mô. Chemokine CCL2 tăng nồng độ trong đàm và dịch BAL của bệnh nhân COPD, có vai trò gây hóa ứng động bạch cầu đơn nhân thông qua hoạt hóa thụ thể CCR2. Chemokine CCL2 phối hợp với CXCL1 trong việc huy động đơn nhân vào phổi. Chemokine CCL5 (RANTES) cũng tăng biểu hiện trên đường dẫn khí bệnh nhân COPD trong đợt cấp, gây kích hoạt thụ thể CCR5 tại tế bào T và thụ thể CCR3 tại eosinophil, dẫn đến tăng lượng lympho T và eosinophil trên đường dẫn khí lớn. Như đã đề cập, thụ thể CXCR3 tăng biểu hiện tại lympho Tc1 và Th1 ở bệnh nhân COPD, đi kèm với gia tăng các ligand của chúng như: CXCL9, CXCL10, và CXCL11. YẾU TỐ TĂNG TRƯỞNG (GROWTH FACTORS) Một số yếu tố tăng trưởng đã được khám phá có liên quan đến COPD, làm trung gian cho sự biến đổi cấu trúc của đường dẫn khí. Yếu tố TGF-β1 tăng biểu hiện trong các đại thực bào phế nang và tế bào biểu mô đường dẫn khí nhỏ ở bệnh nhân COPD. TGF-β được tạo thành ở dạng tiềm ẩn, sau đó bị kích hoạt bởi nhiều yếu tố khác, trong đó có MMP-9. Yếu tố TGF-β đóng vai trò quan trọng trong xơ hóa quanh phế quản ở đường dẫn khí nhỏ, có thể trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua yếu tố tăng trưởng mô liên kết (CTGF: connective tissue growth factor). Ngoài ra, TGF-β còn làm giảm biểu hiện thụ thể β2- adrenergic bằng cách ức chế sự phiên mã gen, làm giảm đáp ứng dãn phế quản với các thuốc đồng vận β của cơ trơn đường dẫn khí. TGF-β cũng là một phân tử kháng viêm mạnh(9). Sự khiếm khuyết TGF-β1 ở chuột gây chết do ức chế mạnh đáp ứng viêm. Ngược lại, sự khiếm khuyết Smad3, phân tử truyền tín hiệu của TGF- β, lại đề kháng với quá trình tiến triển của bệnh phổi xơ hóa, nhưng gây khí phế thủng tự phát. Đại thực bào phế nang sản sinh TGF-α nhiều hơn TGF-β. Điều này gây hoạt hóa mạnh các thụ thể của yếu tố tăng trưởng biểu mô (EGFR: epithelial growth factor receptor). Các EGFR đóng một vai trò then chốt trong việc bài tiết chất nhầy đáp ứng với nhiều tác nhân kích thích, trong đó có khói thuốc lá. Khói thuốc gây kích hoạt men chuyển TNF-α (TNF- α converting enzyme) trên biểu mô đường hô hấp dẫn đến phóng thích TGF-α và kích hoạt thụ thể EGFR, làm tăng bài tiết chất nhầy. VEGF là chất điều hòa chủ yếu đối với sự phát triển mạch máu, tham gia vào sự tái cấu trúc mạch máu trong phổi. VEGF tăng biểu hiện Tổng Quan Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 20 * Số 1 * 2016 Chuyên Đề Nội Khoa 1 10 trong cơ trơn mạch máu phổi ở các bệnh nhân COPD mức độ nhẹ và trung bình, nhưng giảm một cách nghịch lý trong COPD nặng có khí thủng. Sự ức chế chọn lọc thụ thể VEGF ở chuột gây chết tế bào nội mô phế nang theo chương trình (apoptosis), đưa đến khí thủng. Điều này dường như được thúc đẩy bởi stress oxy hoá qua trung gian ceramide sphingolipid. Bên cạnh đó, VEGF cũng là một cytokine viêm quan trọng được chế tiết bởi các tế bào biểu mô, nội mô, đại thực bào, và lympho bào T hoạt hóa. VGEF làm tăng tính thấm của tế bào nội mô, tăng biểu hiện các phân tử bám dính nội mô, và gây hóa ứng động đối với các bạch cầu đơn nhân. VEGF cũng kích thích sự biểu hiện của chemokine CXCL10 và thụ thể CXCR3. Như vậy, yếu tố VEGF hoạt động như một khâu trung gian giữa quá trình viêm (qua cơ chế miễn dịch tế bào) và phản ứng tân tạo mạch máu (angiogenesis). CÁC ENZYME PROTEINASE Sự mất cân bằng giữa proteinase và anti- proteinase đã được chứng minh trong COPD. Vậy proteinase nào là chính yếu trong tiến trình khí phế thủng? Sự chú ý trước đây tập trung vào NE, trong khi gần đây vai trò của MMP-9 đã ngày càng sáng tỏ(9). MMP-9 đóng vai trò then chốt trong sự thoái hóa các sợi elastin ở nhu mô phổi. Trên bệnh nhân COPD, phần lớn MMP-9 được tiết ra từ đại thực bào phế nang. MMP-9 cũng gây hoạt hóa TGF- β dẫn đến phá hủy và xơ hóa đồng thời nhu mô phổi. Ở chuột, MMP- 12 đóng vai trò chính trong sinh bệnh học khí phế thủng, gây huy động các đại thực bào. Vai trò của MMP-1 cũng đang được nghiên cứu trên người và động vật. KẾT LUẬN Như vậy, tiếp xúc với khói thuốc lá gây nên một đáp ứng viêm trong mô phổi, liên quan đến nhiều tế bào viêm và nhiều hóa chất trung gian. Quá trình tương tác phức tạp trong sinh bệnh học sau cùng dẫn đến sự tái cấu trúc đường dẫn khí, tắc nghẽn, và khí phế thủng. Sự khác biệt giữa những người hút thuốc lá có và không có COPD chính là sự hiện diện của đáp ứng miễn dịch mắc phải thông qua các lympho bào CD4, CD8, B. Có nhiều yếu tố điều hòa ở cả mức độ gen (genetic), và mức độ trên gen (epigenetic), như sự acetyl hóa histone, cùng tham gia vào dòng thác của bệnh lý viêm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. FabbriL M, Romagnoli M, Corbetta L,Casoni G, Busljetic K,Turato G, et al (2003). Diff erences in airway inflammation in patients with fixed airflow obstruction due to asthma or chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 167:418 – 24. 2. Franklin WA,Veve R, Hirsch FR, et al (2002). Epidermal growth factor receptor family in lung cancer and premalignancy. Semin Oncol 29:3 – 14. 3. Gamble E, GrootendorstDC, Hattotuwa K, O’ShaughnessyT, Ram FS, Qiu Y, et al (2007). Airway mucosal inflammation in COPD is similar in smokers and ex-smokers: A pooled analysis. Eur Respir J30: 467 – 71. 4. Jeffery PK (2000). Comparison of the structural and infl ammatory features of COPD and asthma. Chest 117:251S – 260S. 5. Miki H, MioT, NagaiS, HoshinoY, NagaoT, Kitaichi M, et al (2000). Fibroblast contractility: Usual interstitial pneumonia and nonspecific interstitial pneumonia. Am J Respir Crit Care Med 162:2259 – 64. 6. Mio T, Nagai S, Kitaichi M, Kawatani A, Izumi T (1992). Proliferative characteristics of fibroblast lines derived from open lung biopsy specimens of patients with IPF (UIP). Chest 102:832 – 37. 7. Papi A, Romagnoli M, BaraldoS, Braccioni F, Guzzinati I, Saetta M, et al (2000). Partial reversibility of airflow limitation and increased exhaled NO and sputum eosinophilia in chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med 162:1773 – 77. 8. Rogers DF (2005). The role of airway secretions in COPD: Pathophysiology, epidemiology and pharmacotherapeutic options. COPD2:341 – 53. 9. Willemse BW, Hacken NH, RutgersB, Lesman-Leegte IG, Postma DS, Timens W (2005). Effect of 1-year smoking cessation on airway inflammation in COPD and asymptomatic smokers.Eur Respir J26: 835 – 45. Ngày nhận bài báo: 24/11/2015 Ngày phản biện nhận xét bài báo: 30/11/2015 Ngày bài báo được đăng: 15/02/2016