代謝失衡:環境與發炎性疾病因果關係的一個核心關鍵問題


圖1:環境啟動效應機制模式假說

前言
在一系列從初期觀察到深入機制探討的研究中,本院國家環境醫學研究所黃嘯谷特聘研究員研究團隊發現,起源於內質網和粒線體壓力反應導致的代謝失衡,是環境和疾病因果關係中的關鍵過程。同時,研究團隊亦發現,環境化學污染物在生理劑量暴露下,並不足以引起發炎性疾病的表徵,而是誘發了代謝失衡與代謝物的產生,進而啟動和加重抗原引起的發炎反應和疾病表現。這一系列的研究結果,建構了在環境與疾病的因果關係中—「環境啟動(environmental-priming)」機制模式的假說,並在此思維框架下,代謝的動態平衡是維持環境、宿主和微生物群系(宿主的內在環境)三角關係中的核心。

環境與疾病的因果關係
在過去幾十年中,免疫、代謝、心血管和呼吸道疾病等慢性病的盛行率和發病率顯著上升,至今仍然是重要的公共衛生、醫療和經濟問題。遺傳變異本身已不足以解釋盛行率的變化,而環境的變遷,伴隨生活方式和飲食習慣的改變,可能是促使疾病盛行率增加的重要因素,甚至是疾病嚴重度的影響指標。最近幾項綜合性分析(meta-analysis)空氣污染和居住環境細懸浮微粒(如PM2.5)與疾病風險的關係,奠立了流病的基礎,但其影響和風險程度又因地區而異。環境細懸浮微粒通常是涉及工業、燃燒、交通和室內活動過程中的副產物,尤其是暴露於具有氧化能力的化學污染物,對於人體免疫、代謝系統和健康的影響,均有相關的文獻報導,但其病理機制和因果關係不明,在國內也尚缺系統性及廣泛性的探討確定。

基於此,研究團隊以國人常見的發炎疾病─「成人氣喘」為研究重點,結合臨床、環境暴露分析與系統生物學研究,探討環境與疾病的因果關係。在一系列跨領域的研究結果顯示,空氣中細懸浮微粒(PM2.5)及附著於PM2.5的多環芳香烴PAH和金屬呈現明顯的時空變化,在秋季和冬季為最高,也顯示各行政區間的差異,特別是在市中心、郊區和山區間的差異。此外,針對2005至2013年間全民健保資料庫的資料分析顯示,暴露於PM2.5及PAH對氣喘的急診和門診人次均有顯著的風險相關性,但和慢性阻塞性肺疾病(COPD)之門診與急診人次則無明顯相關。在病例研究中,針對體內PAH與揮發性有機污染物的代謝物和重金屬的分析顯示,與健康對照組相比,氣喘患者的指標均顯著高於對照組,特別是重度氣喘的患者,且與其肺功能呈負相關,但與氧化應激標記物水平呈正相關。這些環境及流病的分析結果顯示出空氣污染,尤其是附著於PM2.5的PAH,確實是台灣成人氣喘的重要危險因子。此外,在追蹤檢測一年的氣喘患者中,尿液中的環境污染物生物指標並無明顯的變化,顯示患者環境污染物的暴露持續存在。

研究團隊為了瞭解其因果關係,歸納出由一系列細胞、小鼠氣喘模式及成人氣喘案例與健康對照研究分析的結果,提出在環境與疾病因果關係的「環境啟動假說」。在這機制模式中,細胞內的芳香烴受體(Aryl hydrocarbon receptor (AhR),一個獨特的細胞化學傳感器和配體活化轉錄因子)是許多常見環境污染物如PAH和內源性配體如色胺酸(tryptophan)光化及酵素代謝產物等的受體,亦是結合環境、代謝變化和氣喘的關鍵因子。在評估環境暴露和疾病關係中,研究團隊發現,PAH暴露經由AhR在控制包括樹突細胞、巨噬細胞、肥大細胞、T細胞、纖維母細胞及上皮細胞等調節型細胞的穩態、分化和活化反應中,扮演重要的角色。

在機制研究上發現,細胞暴露於生理劑量PAH時,經由AhR的介導產生氧化壓力反應,導致代謝失衡的一系列反應是顯著的特徵;亦觀察到源於內質網和粒線體壓力反應急劇上升、細胞內穀胱甘肽(glutathione)顯著減少和細胞內鈣離子顯著增加的急性反應。這個過程伴隨內質網壓力反應,並經由粒線體中鈣離子的過載、膜電位和ATP的下降,增加壓力反應,進而擴增了細胞內的氧化壓力反應。其後果之一是訊息傳導分子(如SHP-2,一種非受體蛋白酪胺酸磷酸酶)的明顯改變,通過其催化區域(catalytic domain)的氧化增加,導致其活性受到抑制,進而增加其下游受質(如ERK磷酸酶)的活性。此外,細胞內鈣離子的增加以及ERK活性的增強導致磷脂酶(PLA2)的活化和膜磷脂Lands’ cycle的重塑,增加溶血磷脂(lysophospholipid)和游離脂肪酸的產生,如花生四烯酸(arachidonic acids)及其促發炎代謝物,進而誘發細胞的發炎反應,尤其在抗原或其他細胞因子刺激下,如在肺部纖維母細胞中,AhR介導的花生四烯酸代謝及其代謝物的能力,促進纖維母細胞的遷移和分化。此外,鞘胺醇-1-磷酸裂解酶(sphingosine-1-phosphate lyase, S1PL)的第317胺基酸位點是AhR介導的氧化標的,降低其在細胞和小鼠體內的活性,導致鞘胺醇-1-磷酸(S1P)增加,並經由S1P受體R2(S1PR2;G蛋白偶聯受體)誘導細胞和小鼠體內的免疫發炎反應,如肥大細胞脫顆粒反應(degranulation)。但這一系列的反應未能在具有抗氧化能力的S1PL突變種嵌入細胞或AhR缺陷細胞中呈現。

上述研究結果顯示,細胞和小鼠暴露於PAH後,磷脂和鞘脂類代謝物的升高,反應了磷脂和鞘脂代謝動態的重塑,而這些都是源於細胞氧化壓力和內質網/粒線體失調的結果,可經由抗氧化劑而逆轉。此外,在氣喘-病例對照設計中,研究團隊分析了98種磷脂和鞘脂代謝物發現,氣喘患者血漿中溶血磷脂和S1P皆顯著高於健康對照組。值得注意的是,近期發現二甲雙胍(metformin),一種具有抗氧化和抗發炎活性的抗糖尿病藥物,可抑制AhR介導的細胞發炎反應,以及抗原誘導的氣喘小鼠模式中的肺部發炎。Metformin的抑制作用是通過抑制AhR轉移至細胞核、細胞內鈣離子釋放和氧化壓力反應的產生,導致S1P水平降低,而S1PR2拮抗劑JTE-013亦可抑制S1P的作用和PAH經由AhR所誘導的細胞及小鼠肺部發炎反應。這些結果為metformin在抑制環境污染物PAH經由AhR介導的細胞和體內反應提供了實驗理論基礎,也顯示其在氣喘新型治療的潛在效用。

除了肺組織黏膜細胞外,研究團隊也發現小鼠和人類T細胞暴露於PM2.5及PAH會干擾T細胞的代謝穩態,導致抗發炎的調節Treg細胞分化受損,但增強促發炎的Th17細胞分化。值得特別注意的是,Treg活性的抑制是透過胺基酸代謝失調導致Foxp3基因高度甲基化,造成Treg分化受損。這些累積的結果證實了環境誘發的代謝失衡及其與免疫反應及發炎性疾病之間可能的因果關係,而在自我調節循環中代謝失衡和免疫失調之間存在顯著的交互作用(crosstalk),從而增加了疾病表現的敏感度。研究團隊最近在癌症模式的研究中發現,AhR和色胺酸代謝物構成一個自我調節的循環網,其中一個失調的結果是促進了免疫檢查點調節因子(immune checkpoint regulator)PD1-PDL1,免疫抑制的反應,而促進癌症細胞的增生。

這些在機制研究中累積的結果,奠立了一個以實驗基礎支持的機制模式假說,即源自於慢性暴露環境污染物如PAH,導致氣喘和過敏性疾病的發展(圖1)。在環境—疾病因果關係的進程中,長期暴露於PAH會以AhR依賴性方式誘導氧化還原和代謝失衡,伴隨著內質網壓力反應及細胞內鈣離子增加和粒線體功能失調,以及它們之間的串擾作用,最終導致肺部發炎反應和組織重塑。但單獨暴露於生理劑量濃度的PAH並不會引起肺部發炎,而由其介導的(1) 氧化壓力反應增加,導致如SHP-2和S1PL的氧化增加:(2) 代謝重新編程(reprogramming)及代謝物産生,如脂質介質(溶血磷脂、花生四烯酸和S1P),進而通過G蛋白偶聯受體(GPCR);(3) 啓動和加重抗原或過敏原誘發的炎症和組織纖維化反應,但可由抗氧化劑或GPCR拮抗劑逆轉,如(4) metformin和(5) S1P受體拮抗劑。這凸顯出環境啟動效應(priming effect)的重要性及抗氧化劑和脂質代謝物拮抗劑在臨床上的潛在應用價值。

鑒往知來:從經驗和當前文獻中獲得的知識
研究團隊已知環境之於各種疾病的重要性,基於長期累積的研究結果,代謝系統的變化及其產生的代謝物似乎是環境和疾病因果關係的焦點,而在代謝系統複雜的網絡中,環境污染物解毒的過程是重要的一環;因此,維持解毒和氧化還原系統的正常功能對於維持代謝、免疫和整體健康至關重要。傳統上,不同功能的細胞(包括免疫細胞)使用幾種不同的代謝途徑來產生足夠的能量,並產生代謝物以維持細胞存活、生長和增殖,而代謝系統的衡定會受到環境、宿主遺傳、營養狀態和腸道微生物菌群的調節。值得注意的是,在生物體的整個生命週期中,免疫和代謝系統在促進「代謝健康(metabolic health)」上具有顯著的功能,並且在適應不斷變化的環境和營養攝取上有重要作用。事實上,這種錯綜複雜的免疫—代謝之間的相互干擾造成了代謝狀態改變的趨勢,最終可能導致發炎性疾病及代謝症候群等疾病。的確,我們目睹了一個新興研究領域的發展—「免疫代謝」,說明代謝變化可能是免疫功能失調的根本原因。

此外,最近的一些研究顯示腸道微生物菌群與健康之間存在密切的關係。值得注意的是,微生物菌群的改變與疾病有顯著相關,包括發炎性疾病和代謝疾病。微生物菌群共生效應的一個顯著例子是免疫系統,其細胞的正常發育和反應關鍵性地依賴於各種微生物的代謝物。這包括來自膳食的細菌產生的代謝物、由宿主產生並由腸道細菌修飾過的代謝物,以及由腸道微生物自身合成的代謝物。最近研究團隊還注意到,環境污染物(包括重金屬和持久性有機污染物如PAH等)直接影響微生物菌群的分布,突顯宿主、微生物菌群以及環境之間的交互作用存在著三角關係,其中代謝動態平衡是個關鍵。因此,進一步理解在這種三角關係中維持和擾亂代謝衡定的機制,尤其是環境影響和代謝失衡,將有助於𨤳清環境與疾病的因果關係,並進而開發可應用在常見慢性疾病精準預防、鑑別診斷和治療的技術。

*相關論文請向黃嘯谷特聘研究員索取

文/圖:國家環境醫學研究所黃嘯谷特聘研究員代表「台灣氣喘研究聯盟」撰寫;主要參與團隊成員:高雄義大醫院黃明賢醫師、高雄長庚醫院王金洲醫師、彰化基督教醫院林慶雄醫師、台中榮民總醫院許正園醫師、國立中山大學李宗霖特聘教授、高雄醫學大學許世賢教授、中國醫藥大學附設醫院王雪君副研究員與國立高雄科技大學鐘文鈺助理教授

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