综述：气道纤毛运动的药理学调节：以内源性介质、药物制剂及以人参皂苷Rd为重点的天然化合物

《Journal of Natural Medicines》：Pharmacological regulation of airway ciliary motility: endogenous mediators, pharmaceutical agents, and natural compounds with a focus on ginsenoside Rd

　　

黏液纤毛清除（Mucociliary clearance, MCC）是气道先天防御的核心组成部分，其损伤导致慢性阻塞性肺疾病、哮喘、原发性纤毛运动障碍及化疗诱导的纤毛功能障碍中的呼吸发病率。纤毛运动减弱会增加感染易感性，使得气道纤毛的药理学增强成为一种极具吸引力但尚未充分开发的策略。纤毛活动受细胞内信号通路调节，包括cAMP、Ca2+、一氧化氮（NO）和Cl?信号，这些通路汇聚于轴丝动力蛋白（axonemal dynein），以控制纤毛搏动频率（ciliary beat frequency, CBF）、弯曲角度（ciliary bend angle, CBA）和弯曲距离（ciliary bend distance, CBD）。尽管大量内源性介质、药物制剂和天然化合物可刺激纤毛运动，但这些发现仍较为零散，缺乏系统整合。本综述按信号机制对气道纤毛激活剂进行分类，并讨论其在以MCC受损为特征的疾病中的转化相关性。特别重点介绍了人参皂苷Rd作为一种代表性天然化合物，其通过激活雌激素受体β（estrogen receptor β, ERβ）和增强P2X7受体活性来提高纤毛运动，并改善化疗诱导的纤毛运动障碍。其在肺部的优先积累支持了转化潜力。通过整合细胞内信号机制与转化视角，本综述强调了气道纤毛的药理学激活——包括源自天然化合物和草药的策略——作为增强MCC的一种有意义且未被充分探索的方法，并概述了关键的知识缺口和未来的研究方向。

气道黏液纤毛清除系统的细胞组成与生理作用

黏液纤毛清除（Mucociliary clearance, MCC）由气道上皮中的纤毛细胞和杯状细胞维持，是抵御吸入病原体和异物的关键免疫防御机制。本节概述了MCC的细胞成分、调节纤毛运动的分子机制，以及MCC损伤对呼吸健康的影响。MCC的主要细胞成分包括基底细胞、Club细胞、杯状细胞和纤毛细胞。基底细胞作为上皮干细胞，受Notch信号调控分化为纤毛细胞或杯状细胞。Club细胞产生分泌蛋白如SCGB1B1和黏蛋白（包括MUC5B），并可作为祖细胞分化为纤毛细胞或杯状细胞。杯状细胞是黏蛋白的主要来源，分泌MUC5AC和MUC5B，这些黏蛋白通过其侧链的交联和糖基化有助于病原体捕获。纤毛细胞的顶端表面具有数百根运动纤毛，产生将黏液向口腔方向运输的机械力。纤毛活动通常通过CBF、CBA和CBD等参数进行评估。

调节纤毛运动的分子与信号机制

运动纤毛拥有保守的轴丝结构，形成特征性的“9 + 2”排列。内动力蛋白臂、外动力蛋白臂、连接蛋白（nexin）和放射辐条（radial spokes）是运动纤毛的关键结构组件。动力蛋白通过ATP水解产生纤毛摆动，但其上游调节机制仍未完全明确。重要的是，动力蛋白臂的磷酸化在调节纤毛摆动的速率和力度中起关键作用。参与动力蛋白磷酸化的关键信号通路包括cAMP/蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）、Ca²⁺/钙调蛋白、一氧化氮（nitric oxide, NO）/蛋白激酶G（protein kinase G, PKG）、pH敏感的可溶性腺苷酸环化酶（soluble adenylyl cyclase, sAC）和Cl?通道。细胞内cAMP浓度（[cAMP]_i）升高激活PKA，从而增强纤毛运动。细胞内Ca²⁺浓度（[Ca²⁺]_i）升高被认为通过钙调蛋白依赖性激酶调节动力蛋白活性，同时通过激活蛋白激酶C（protein kinase C, PKC）对CBF产生抑制作用。慢性Ca²⁺刺激（如衰老或吸烟）被认为会诱导PKC而非钙调蛋白的激活。Ca²⁺–钙调蛋白信号进一步通过激活神经元一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase, nNOS）刺激NO产生，导致PKG激活。[Ca²⁺]_i也可能通过激活Cl?通道触发额外的Ca²⁺内流来增强纤毛运动。尽管详细机制尚未完全阐明，但这些通路可能协同调节CBF和CBA。

MCC受损与感染风险增加

纤毛运动受损直接导致MCC降低，并显著增加呼吸道感染的风险。在原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia, PCD）中，纤毛运动受损，导致患者因MCC受损而面临更高的呼吸道感染风险。在支气管哮喘和慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）中，慢性气道炎症导致气道重塑、黏液高分泌和纤毛运动减少。因此，据报道哮喘患者对上呼吸道感染的易感性高达1.3倍，对下呼吸道感染的易感性高达2.9倍，而COPD患者患肺炎的风险约为健康个体的4.8倍。近年来，癌症治疗也被报道会增加呼吸道感染的风险。因此，增强纤毛运动是加强气道防御的关键方面。增强纤毛运动的策略可能有助于预防呼吸道感染，特别是对于MCC受损的患者。

纤毛运动的激活剂

本节回顾了增强纤毛活性的内源性介质、药物制剂和天然化合物，重点关注其信号机制。

内源性介质作为纤毛运动的激活剂

生理刺激选择性地调节细胞内信号以控制MCC。ATP作用于纤毛细胞中的离子型P2X受体和G蛋白偶联的P2Y受体，通过细胞外Ca²⁺内流和内质网钙库释放引起CBF和CBA增加。乙酰胆碱（acetylcholine, ACh）也通过Ca²⁺依赖性信号传导激活纤毛运动，通过毒蕈碱（M1, M3）和烟碱（α7）ACh受体增加[Ca²⁺]_i，导致CBF和CBD增加。此外，ACh在低渗条件下促进ATP释放，进一步增加CBF。雌激素受体（estrogen receptors, ER）定位于细胞膜和细胞质，介导非基因组和基因组作用。在纤毛细胞中，17β-雌二醇（17β-Estradiol, E2）通过膜ERα和ERβ增强纤毛活动，特别是膜ERβ的激活通过升高[cAMP]_i和随后激活PKA来增加CBF。前列腺素E2同样通过[cAMP]_i依赖性信号传导增加CBF，而血栓素A2对CBF无显著影响。关于内源性介质通过NO依赖性途径刺激纤毛运动的证据仍然有限，但纤毛细胞可产生NO，以自分泌方式激活下游PKG。

药物制剂作为纤毛运动的激活剂

合成药物通常具有明确的靶点，而中草药由于含有多种生物活性成分而影响多个信号通路。Ambroxol通过升高[Ca²⁺]_i、降低细胞内Cl?（[Cl?]_i）水平和升高细胞内pH（pH_i）来增加CBF、CBA和CBD。这些效应被认为是由电压依赖性Ca²⁺通道CaV1.2介导的细胞外Ca²⁺内流启动的，随后刺激Na?-HCO??共转运体（NBC）和anoctamin-1，导致pH_i升高和[Cl?]_i降低。羧甲司坦（Carbocisteine）对[Cl?]_i和pH_i表现出类似效应。补中益气汤（Hochu-ekki-to）通过瞬时受体电位香草酸亚型4（transient receptor potential vanilloid 4, TRPV4）激活介导的[Ca²⁺]_i升高来增强CBF和CBA。清肺汤（Seihai-to）也被报道可增加CBF和CBA。β2-肾上腺素受体激动剂（如沙丁胺醇）通过升高[cAMP]_i增强纤毛运动。罗红霉素、红霉素（大环内酯类抗生素）和伊洛前列素（iloprost，前列环素类似物）也通过[cAMP]_i依赖性途径增强CBF。

天然化合物作为纤毛运动的激活剂

许多天然化合物通过升高[Ca²⁺]_i激活纤毛运动，通常由苦味受体或味觉家族2型受体（taste family type 2 receptors, T2R）14介导。黄酮类化合物如蜂胶来源的芹菜素（apigenin）和西番莲来源的白杨素（chrysin）被报道通过刺激T2R14增加[Ca²⁺]_i和NO产生来增强CBF。奎宁（quinine）也被认为刺激T2R14，导致NO产生和CBF增加。这些报告表明T2R14不仅直接介导Ca²⁺信号，还参与NO-PKG通路以增强CBF。另一方面，洋蓟苦素（cynaropicrin）通过抑制肌浆网/内质网Ca²⁺-ATP酶（sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase, SERCA）诱导储存操纵性钙内流（store-operated calcium entry），从而增加[Ca²⁺]_i和CBF，这是一种不依赖于T2R的独特机制。Forskolin是典型的通过升高[cAMP]_i增强纤毛运动的天然化合物，它通过直接激活膜腺苷酸环化酶增加[cAMP]_i，并通过PKA激活增强CBF。Drosera rotundifoliaL.的提取物和黄酮类化合物（如槲皮素、金丝桃苷和高丝桃苷）被报道通过抑制PDE 1 A和4D升高[cAMP]_i来增强CBF。百里香提取物和柑橘类水果及葡萄中含有的黄酮类化合物柚皮素（naringenin）也被报道通过增加[cAMP]_i增强纤毛活动。异黄酮如大豆苷元（daidzein）增加CBD，而染料木素（genistein）增加CBF，后者可能通过CFTR起作用。大豆苷元不改变[cAMP]_i或[Ca²⁺]_i，表明其主要通过CFTR介导的[Cl?]_i降低发挥作用。红参水提物（Red ginseng aqueous extract, RGAE）也通过刺激anoctamin-1独立于CFTR降低[Cl?]_i并增加CBF。在各种报道增强纤毛运动的天然化合物中，人参皂苷因其独特的类固醇样三萜结构和潜在的呼吸益处而备受关注。

人参皂苷作为潜在的纤毛激活剂

人参皂苷的结构分类与药代动力学特征

人参皂苷是具有类固醇样骨架的三萜皂苷，分为原人参二醇（protopanaxadiol, PPD）型和原人参三醇（protopanaxatriol, PPT）型。PPD型人参皂苷在C-3、C-20位有一个氢原子，并连接有糖链；而PPT型人参皂苷通常在C-6、C-12和C-20位有羟基，糖链结合在C-6和C-20位。这些结构差异导致药代动力学、受体结合特性和药理活性的变化。PPD型人参皂苷倾向于在体内相对稳定，而PPT型人参皂苷消除较快。

人参皂苷的分布及其对MCC调节的意义

了解主要人参皂苷的吸收和组织分布对于讨论其药理效应至关重要。在评估其作为MCC调节剂的潜力时，肺部递送是一个关键考虑因素。体内啮齿动物研究显示，PPD和PPT人参皂苷在肺组织中达到相对较高的浓度。值得注意的是，PPD型的Rd在小鼠和大鼠静脉和口服给药后均被报道在肺组织中积累，表明其具有在体内调节MCC的潜力。

Rd增强纤毛运动的分子机制

在先前的研究报告中，利用A549 PinkFlamindo细胞（一种引入cAMP依赖性荧光基因的A549细胞系）研究了几种人参皂苷及其衍生物对[cAMP]_i的影响。与其他人参皂苷及其衍生物相比，Rd显著增加了[cAMP]_i，同时也显示出CBF的增加。因此，本节重点关注Rd。Rd作为ERβ激动剂，以浓度依赖性方式增强CBF。这种效应涉及通过升高[cAMP]_i激活PKA，并在20分钟内发生，表明这是一种非基因组效应。由于E2通过膜ERβ以相同途径增加CBF，推测Rd通过该途径发挥作用。Rd单独使用不影响[Ca²⁺]_i，但在ATP存在下，Rd也作为P2X7受体的正变构调节剂（positive allosteric modulator, PAM）。Rd以浓度依赖性方式增强ATP诱导的通过P2X7的Ca²⁺内流引起的CBF增加效应。Rd本身不是激动剂，而是P2X7受体的PAM。此外，这种PAM效应被认为独立于ERβ。最近的研宄表明，包括Rd在内的PPD型人参皂苷具有P2X7受体的PAM活性，而PPT型人参皂苷则没有。此外，Rd对ATP反应的增强作用因P2X7受体的S59A、S60A、D318L和L320A突变而显著降低，这些可能是Rd的变构调节剂结合位点。Rd的PAM作用也受到三萜骨架修饰的严格调控，C-6位不需要修饰，但需要在C-3或C-20位有取代基（如糖链）。在五种PPD型人参皂苷（Rb1, Rb2, Rb3, Rc, Rd）中，Rd被报道最有效增加cAMP水平。由于Rd发挥ERβ激动剂活性和P2X7受体PAM效应来调节[cAMP]_i和[Ca²⁺]_i，它可能是一种有前景的治疗应用化合物。

人参皂苷Rd在化疗相关气道功能障碍中的治疗潜力

最近有报道称癌症患者的呼吸道感染风险增加，化疗被认为是风险因素之一。例如，日本健康保险索赔数据分析显示，接受多西他赛（docetaxel）治疗的患者呼吸道感染发生率升高。相反，接受多西他赛治疗的患者尿路感染发生率保持不变。这些发现表明化疗可能通过损伤气道上皮组织而非白细胞减少引起的全身副作用来诱发呼吸道感染。虽然关于抗癌药物对气道上皮组织的分子见解有限，但最近的研究报道，包括多西他赛、紫杉醇、阿霉素、培美曲塞和顺铂在内的几种抗癌药物会损害纤毛运动。虽然紫杉烷类抗癌药物显示会降低[Ca²⁺]_i，但每种抗癌药物诱导纤毛搏动频率（CBF）降低的确切分子机制仍未完全明了。相比之下，Rd已被证明可将抗癌药物诱导的CBF降低恢复至基线水平，甚至增强CBF超过基线。这种挽救效应是由Rd诱导的[cAMP]_i增加介导的。尽管这些观察结果来自短期实验，但它们突出了Rd的潜在转化用途。未来，在化疗期间联合使用含有Rd的中药（如人参养荣汤）或新开发的基于Rd的药物，可能会降低作为临床并发症的呼吸道感染风险。

转化与机制考量

尽管气道纤毛运动受多种信号通路调节，包括细胞内cAMP、Ca²⁺、NO和Cl?，但只有少数化合物作为纤毛调节剂在机制上得到了表征。其中，人参皂苷Rd相对明确，通过ERβ激活和P2X7受体的PAM发挥作用。然而，在将这些机制见解转化为人类呼吸道疾病的临床干预措施方面仍存在重要差距。首先，尽管Rd诱导的纤毛激活具有相对明确的分子靶点，但目前的理解主要基于体外或离体研究，来自体内模型的证据很少，限制了对生理相关性的评估。其次，尚不清楚单纯的药理学增强纤毛运动是否能转化为改善黏液纤毛清除率或降低疾病环境下的呼吸道感染易感性。虽然在COPD等慢性气道疾病中观察到纤毛功能受损和高感染风险，但相关证据有限。在这些疾病中，气道重塑和杯状细胞增生显著降低了纤毛细胞的密度，这表明仅靠增强CBF可能不足以恢复有效的MCC。第三，药代动力学限制对天然化合物的转化构成了障碍。许多天然化合物由于系统性生物利用度低，难以在气道上皮达到有效浓度。因此，有必要建立针对气道的递送策略，例如通过吸入增加气道表面的局部浓度。最后，有必要研究黏液分泌量和黏液粘度。MCC不仅涉及纤毛运动，还涉及黏液的重要贡献。当黏液体积和粘度较高时，仅靠增加CBF是不够的。综上所述，这些考量既突出了天然化合物药理学纤毛激活的前景，也揭示了目前的局限性。