STIM1介导的SOCE通路在吸烟诱导的COPD小气道重塑中的作用机制研究

The small airway remodeling developed in COPD patients involves small airway fibrosis and mucus hypersecretion, which contributes to the persistent airflow limitation of COPD. The small airway remodeling is mainly due to dysfunction of airway structural cells. Most airway structural cells requires the Stromal Interaction Molecule 1 (STIM1) mediated Store-operated Calcium Entry (SOCE) to induced calcium influx in the cell to be functional, thus the abnormal expression and regulation of SOCE in COPD might play a role in small airway remolding. Our preliminary data shows that inhibition of SOCE stopped calcium oscillations in the airway smooth muscle (ASM) and lead to airway relaxation, thus SOCE inhibitor might be used as an alternative bronchodilator. In the present proposal, to provide a new therapeutic target for the treatment of COPD, we want to study ① the expression profiles of SOCE related molecules (STIM1 and Orai1) in the airway structural cell in COPD patients, and its relationship to COPD severity; ② the regulatory mechanism of STIM1 mediated SOCE in the migration, proliferation and secretion of airway structural cells, as well as the key processes of airway remodeling including myofibroblast differentiation of fibroblasts and mucus hypersecretion, by using Precision-cut lung slice (PCLS) and human airway structural cells; ③ the therapeutic effects of SOCE inhibition in the nose-only cigarette smoking induced COPD mice by using STIM1conditional knockout mice.

COPD患者小气道存在管周纤维化、粘液高分泌等重塑现象，是造成COPD持续性气流受限的重要原因。小气道重塑涉及气道结构细胞功能的变异，细胞功能的实现依赖基质相互作用分子（STIM）1介导的钙库操纵钙内流（SOCE），其调控异常可能参与了小气道重塑；我们发现，抑制SOCE可阻断气道平滑肌钙信号并松弛气道，是潜在的支气管扩张新方法。为了研究STIM1介导的SOCE参与COPD小气道重塑的机制，及其作为靶标用于COPD治疗的可能性，我们拟：①阐明SOCE关键分子在COPD患者气道结构细胞中的表达，及其与COPD严重程度的关系；②使用活体肺组织切片技术和人原代气道结构细胞，研究STIM1介导的SOCE调控气道结构细胞功能、COPD小气道重塑关键过程的机制；③使用COPD小鼠模型、STIM1条件敲除小鼠研究SOCE表达或功能的抑制能否改善COPD小鼠气道重塑；以期为治疗COPD气流受限提供新思路。

本课题提出的科学假说是：吸烟诱导气道结构细胞SOCE通路紊乱、并引发气道结构细胞功能变异，是慢性阻塞性肺疾病（COPD）小气道重塑发生的重要机制，SOCE通路是COPD潜在的治疗靶标。围绕上述假说，我们从细胞、组织、动物和临床样本等多个层面展开研究，主要研究结果如下：① SOCE通路关键蛋白STIM1和Orai1在COPD患者、长期经鼻熏烟COPD小鼠模型等肺组织切片气道结构细胞中的分布和表达增加；香烟烟雾提取物（CSE）可刺激人原代气道平滑肌细胞和气道上皮细胞中STIM1和Orai1表达升高；② 调控STIM1或Orai1表达，可降低CSE诱导的气道平滑肌细胞增殖、迁移和分泌细胞外基质（ECM）的能力，以及气道上皮细胞增殖、上皮间质转化（EMT）和释放炎症因子的程度；平滑肌STIM1条件敲除小鼠小气道收缩能力明显降低；③ 通过雾化给予SOCE抑制剂GSK7975A，可缓解COPD小鼠模型气道炎症，改善其肺气肿和气流受限程度，基因组测序分析提示上述治疗作用与降低IL-17炎症通路活性相关；进一步检测表明，COPD小鼠经SOCE抑制剂治疗后，肺组织内IL-17A表达明显降低，在人气道上皮细胞中调控Orai1表达可显著影响其分泌IL-17相关炎症因子的能力；④ 但相反的是，在气道上皮或平滑肌中条件性敲除STIM1均加重了长期熏烟导致的气道炎症，且气道上皮STIM1条件敲除鼠BALF中I型干扰素因子表达升高、黏液分泌加重，平滑肌STIM1条件敲除小鼠气道周边胶原纤维沉积增高，鉴于STIM1在内质网上绑定STING，提示STIM1特异性敲除可能通过影响STING-I型干扰素通路加重COPD气道炎症；⑤ 基于活体肺组织切片技术，发现BALB/c和C57BL/6小鼠气道平滑肌细胞SOCE钙内流幅度不同，并导致其小气道收缩能力天然不同。上述研究结果表明：吸烟可诱导气道平滑肌细胞、气道上皮细胞SOCE通路关键因子表达增高，并通过影响气道平滑肌增殖、收缩、ECM分泌，气道上皮细胞增殖、EMT和炎症因子分泌等功能参与COPD气道炎症和气道重塑；虽然STIM1敲除可能通过影响STING-I型干扰素通路加重COPD小鼠气道炎症，但是SOCE抑制剂可有效降低COPD小鼠肺组织中IL-17相关炎症信号、改善其气道炎症和肺功能，因此SOCE可作为COPD潜在的治疗靶点。