肺纖維化發(fā)病機制研究進展

聶武 葉萌

肺纖維化發(fā)病機制研究進展

聶武 葉萌

肺纖維化是由各種損害引起組織內細胞外基質異常增生和過度沉積的一種病理過程，并最終破壞正常組織結構和功能。肺纖維化是導致眾多疾病的重要原因，對人體健康危害極大。因此，進一步闡明肺纖維化發(fā)病機制，將有助于了解疾病的發(fā)生發(fā)展和防治。本文將就近年關于纖維化發(fā)病機制的研究進展作簡要概述并展望未來研究工作。

纖維化；炎癥反應；基因突變；信號轉導

塵肺是我國最主要也是最嚴重的職業(yè)病。2002年全國有10個省份塵肺新病例數(shù)超過500例，其中既包括北京、江蘇、福建等經(jīng)濟較發(fā)達的省份，也有經(jīng)濟相對落后的河南、內蒙古等省份。2010—2014年，我國新發(fā)塵肺病患者人數(shù)分別為9 870例、11 122例、10 592例、8 095例和11 471例。根據(jù)國家衛(wèi)生計生委2014年職業(yè)病防治情況通報，2014年全國共報告職業(yè)病29 972例，其中職業(yè)性塵肺病26 873例，塵肺病報告數(shù)占2014年全國職業(yè)病報告總例數(shù)的89.66%。工作場所中生產性粉塵危害已嚴重制約我國工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展。生產性粉塵存在于多個行業(yè)和崗位，如有色金屬礦、鐵礦等采掘、爆破、裝卸、運輸、破碎、篩選、碾磨等作業(yè)；又如石英粉廠、玻璃廠、耐火材料廠、建材廠等原料破碎、碾磨、篩選、拌料等加工作業(yè)；再如在機械制造工業(yè)中，型砂的準備和鑄件的清砂、噴砂等生產過程，均可接觸矽塵。近年來，涌現(xiàn)大量有關粉塵表面性質、毒理學、流行病學等新研究結果，在塵肺病致病機制、防護和致各種健康危害方面取得長足的進步和發(fā)展。

目前纖維化疾病按病因可劃分為病因已明的和病因未明的。致病因素大致分為化學性的(如二氧化硅引起的硅肺、酒精性肝硬化、與藥物和治療相關的纖維化疾病等)和生物性的(肺結核、病毒性肺炎、血吸蟲性肝硬化等)；病因未明的疾病種類也較繁多，如特發(fā)性肺間質纖維化、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、肺泡蛋白沉積癥等。

纖維化是組織器官受損后發(fā)生的異常修復所引起的病變，在這一過程中，涉及到基因異常、信號轉導通路異常、表觀遺傳修飾、炎性細胞因子以及一些未明機制都參與了纖維化的發(fā)病過程。由此造成細胞外基質異常增生和過度沉積，導致纖維化發(fā)生。以下就近年關于纖維化發(fā)病機制的研究進展作簡要概述。

1 肺纖維化和基因突變

目前，肺纖維化發(fā)生過程中涉及到的基因主要集中在編碼表面活性蛋白C(SP-C)、表面活性蛋白A2(SP-A2)、端粒酶即SFTPC、SFTPA2、TERT和TERC等4種基因。Thomas AQ等人對肺纖維化家族分析發(fā)現(xiàn)，SP-C188位的基因突變導致亮氨酸變?yōu)楣劝滨０?，這種突變不利于SP-C前蛋白的折疊[1]。研究已發(fā)現(xiàn)SP-A2基因突變導致的SP-A2蛋白231位甘氨酸變成纈氨酸(G231V)和198位苯丙氨酸變成絲氨酸(F198S)在家族性肺纖維化中是有意義的。Maitra等人發(fā)現(xiàn)，A549細胞和Ⅱ型肺泡上皮細胞中SP-A2的突變體蛋白G231V和F198S能增加內質網(wǎng)應激標志物的表達，與野生型相比，G231V增加5.6倍，F(xiàn)198S增加8.4倍[2]。這與Wang等人在2009年的報道是一致的[3]。關于端粒酶的研究，Tsakiri等人對46個肺纖維化家族基因分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在端粒酶上有意義的有兩處移碼刪除(V747fs和E1116fs)和5處錯義突變(P33S、V144M、R486C、R865C/R865H和r.37a＞g)[4]。

2 肺纖維化和細胞因子

目前研究認為，肺泡上皮細胞能分泌多種細胞因子，細胞因子一方面能促進炎性細胞的分化成熟，另一方面也能促進炎性細胞因子的進一步分泌和表達，形成復雜的細胞因子與炎癥反應網(wǎng)路，參與纖維化的發(fā)生發(fā)展[5]。炎癥反應是有害因素作用于機體后發(fā)生的應激反應，過去肺纖維化一直被認為是有害因素反復刺激或持續(xù)存在所致的和慢性炎癥相關的損傷反應，但在二氧化硅誘導的小鼠肺纖維化模型中出現(xiàn)的是急性炎癥反應[6]。

在眾多細胞因子中，TGF-β是目前認為與纖維化發(fā)生關系最密切的一種細胞因子。TGF-β除了目前已知的一些生物化學作用，比如促進成纖維細胞的生長、增加細胞外基質的表達和對單核細胞成纖維細胞的趨化作用等，在纖維化的發(fā)生過程中還參與信號通路。如Akhmetshina A等人發(fā)現(xiàn)，TGF-β通過減少Wnt拮抗劑DKK的表達來激活Wnt通路促進纖維化的發(fā)生[7]。

3 肺纖維化和信號通路

在纖維化發(fā)生過程中涉及到信號通路異常，目前主要有PI3K/AKT通路、Smads通路、Wnt通路，本文主要論述PI3K/AKT通路。

磷脂酰肌醇三磷酸(phosphatidylinositol triphosphate，PI3K)能夠激活蘇氨酸激酶AKT，AKT參與細胞周期的調控[8]。肺纖維化和腫瘤均涉及到細胞的異常增殖和凋亡異常，在射線誘發(fā)的肺纖維化模型中發(fā)現(xiàn)該通路參與NHDPH氧化酶4的產生[9]，在博來霉素誘導的肺纖維化模型中發(fā)現(xiàn)該通路能誘導活性氧的產生[10]。該通路目前已經(jīng)作為許多腫瘤治療的靶點。PI3K參與細胞外信號調控(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的激活[11]，ERK是一種絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)，MAPKs主要有3條信號轉導途徑：ERK通路、c-jun氨基末端激酶(c-Jun N-treminal kinase，JNK)通路和p38-MAPK通路。以往研究應用顯性失活突變體技術、化學抑制劑等方法證明石英暴露后引起的肺纖維化是由ERK、JNK/AP-1/cyclin D1-CDK4信號通路介導的細胞周期的紊亂[11-12]。在博來霉素誘導的肺纖維化模型中也證實了ERK的活化與纖維化的發(fā)生有關[13]。

4 表觀遺傳和纖維化

表觀遺傳主要包括DNA的甲基化和組蛋白修飾，來調節(jié)基因的功能。DNA甲基化使基因處于失活狀態(tài)。Sanders YY發(fā)現(xiàn)在纖維化的發(fā)生過程中存在著870個基因有差別甲基化改變，其中406個處于低甲基化狀態(tài)，464個處于高甲基化[14]。在低氧誘發(fā)的人肺纖維化模型中發(fā)現(xiàn)，在缺氧性成纖維細胞中存在廣泛的高甲基化，并且Thy-1基因的啟動子區(qū)處于高度甲基化狀態(tài)(Thy-1被認為是纖維化抑制劑)[15]。在另一項研究中也發(fā)現(xiàn)編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶STK17b和STK3基因以及與核小體合成有關的HIST1H2AH基因，在IPF患者中處于低甲基化狀態(tài)[16]。鑒于此，DNA甲基化在肺纖維化中有著重要的作用，纖維化的發(fā)生取決于基因的去甲基化和甲基化狀態(tài)之間的失衡。

組蛋白修飾最常見的是甲基化和乙酰化，組蛋白乙?；够蛱幱谵D錄活化狀態(tài)，去乙酰化的基因轉錄則處于失活狀態(tài)[17]；組蛋白H3K4、H3K36、H3K79位賴氨酸的三甲基化促進基因的表達，組蛋白H3K9、H3K27、H4K20位賴氨酸的甲基化會抑制基因的表達[18]。Sanders YY等發(fā)等現(xiàn)用組蛋白去乙酰酶抑制劑處理Thy-1(-)大鼠肺成纖維細胞后，能夠發(fā)現(xiàn)Thy-1的重新表達，并且也會引起Thy-1(-)大鼠某些CpG島的甲基化減少以及整個基因組甲基化的改變[19]。組蛋白修飾作用和DNA甲基化作用之間不是孤立存在的，兩者存在一定的聯(lián)系，但先前的研究發(fā)現(xiàn)，在同時使用組蛋白去乙酰酶抑制劑和去甲基化試劑時不能使Thy-1的表達水平和Thy-1(+)細胞中的等同[20]。另有研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白去乙酰酶通過調控Akt的磷酸化來參與TGF-β誘導的肺成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化[21]。IPF患者中環(huán)氧酶2(COX-2)表達的減少是與其基因啟動子區(qū)組蛋白H3和H4的乙酰化減少相關聯(lián)的[22]。

5 其他

以上僅從幾方面簡單闡述了肺纖維化發(fā)生過程中可能涉及的機制，另外還有一些機制未提及到，如氧化應激以及成纖維細胞與肌成纖維細胞之間的轉化[23-24]。即使是上文提及到的機制，也不是單獨發(fā)揮作用的，纖維化發(fā)生過程中會涉及到幾種，Huang SK等人發(fā)現(xiàn)，抑制PI3K/AKT信號通路能引起DNA的甲基化改變減少，并且也參與PTGER2基因的甲基化[25]，當然也存在眾多尚未被認識和了解的機制。

Vancheri C等人對以往研究進行了歸納，從基因改變、表觀遺傳學改變、細胞增殖失控、組織滲透及信號轉導5個方面總結了IPF和癌癥之間的相似性變化[26]。隨后也有研究發(fā)現(xiàn)，IPF患者CpG島的甲基化介于對照組和肺癌組間，但是LINE-1的甲基化在兩組人群中是有區(qū)別的[16]。所以肺纖維化和腫瘤之間的關系還有待進一步研究。

6 結語和展望

應該繼續(xù)加強對存在粉塵危害企業(yè)的監(jiān)管，包括粉塵濃度的監(jiān)測、防塵降塵設備和措施的使用、粉塵濃度超標的處罰力度等。在存在粉塵暴露的職業(yè)人群中大力開展粉塵危害和防治宣傳工作。加強塵肺病預防、治療、發(fā)病機制等科學研究項目的投入，鼓勵相關科學研究成果的轉化。目前，盡管對纖維化疾病的發(fā)生機制有一定的研究，但是至今尚未闡明纖維化疾病確切的發(fā)病機制和尋找到有效的防治手段。因此，進一步開展纖維化疾病發(fā)病機制研究，將有助于發(fā)現(xiàn)新的生物標志物，從而對疾病進行早期診斷，判斷預后，同時也有助于研發(fā)新藥物。

[1]ThomasAQ，Lane K，PhillipsJ，etal.Heterozygosity fora surfactant protein C gene mutation associated with usual interstitial pneumonitis and cellular nonspecific interstitial pneumonitisinone kindred[J].Am JRespirCritCare Med，2002(165)：1322-1328.

[2]Maitra M，Wang Y，Gerard RD，et al.Surfactant protein A2 mutations associatedwithpulmonary fibrosisleadto protein instability and endoplasmic reticulum stress[J].J Biol Chem，2010(285)：22103-22113.

[3]Wang Y，Kuan PJ，Xing C，et al.Genetic defects in surfactant proteinA2are associatedwithpulmonary fibrosisand lung cancer[J].Am J Hum Genet，2009(84)：52-59.

[4]Tsakiri KD，Cronkhite JT，KuanPJ，etal.Adult-onsetpulmonary fibrosiscausedby mutationsintelomerase[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2007(104)：7552-7557.

[5]于露，劉躍建.腫瘤壞死因子-α及轉化生長因子-β1在肺纖維化形成中的作用研究進展[J].實用醫(yī)院臨床雜志，2012，9(3)：163-165.

[6]Rabolli V，Lo Re S，Uwambayinema F，et al.Lung fibrosis induced by crystalline silica particles is uncoupled from lung inflammationinNMRImice[J].ToxicolLett，2011(203)：127-134.

[7]AkhmetshinaA，PalumboK，DeesC，etal.Activationof canonicalWntsignalling isrequiredforTGF-beta-mediated fibrosis[J].Nat Commun，2012(3)：735.

[8]KandelES，SkeenJ，MajewskiN，etal.Activationof Akt/protein kinase B overcomes a G(2)/m cell cycle checkpoint induced by DNA damage[J].Mol Cell Biol，2002(22)：7831-7841.

[9]ParkS，AhnJY，LimMJ，etal.Sustainedexpressionof NADPH oxidase 4by p38MAPK-Aktsignaling potentiates radiation-induced differentiation of lung fibroblasts[J].J Mol Med(Berl)，2010(88)：807-816.

[10]LuY，AzadN，WangL，etal.Phosphatidylinositol-3-kinase/aktregulatesbleomycin-inducedfibroblastproliferation andcollagenproduction[J].Am J RespirCell Mol Biol，2010(42)：432-441.

[11]King WG，Mattaliano MD，Chan TO，et al.Phosphatidylinositol3-kinaseisrequiredforintegrin-stimulatedAKT and Raf-1/mitogen-activated protein kinase pathway activation[J].Mol Cell Biol，1997(17)：4406-4418.

[12]JiaX，LiuB，ShiX，etal.RolesoftheERK，JNK/AP-1/cyclinD1-CDK4pathwayinsilica-inducedcell cyclechangesinhumanembryo lungfibroblastcells[J].Cell Biol Int，2011(35)：697-704.

[13]GaluppoM，EspositoE，MazzonE，etal.MEKinhibition suppressesthedevelopmentoflungfibrosisinthe bleomycin model[J].Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol，2011(384)：21-37.

[14]SandersYY，AmbalavananN，HalloranB，etal.Altered DNA methylation profile in idiopathic pulmonary fibrosis[J].Am J Respir Crit Care Med，2012(186)：525-535.

[15]RobinsonCM，NearyR，LevendaleA，etal.Hypoxia-induced dna hypermethylation in human pulmonary fibroblasts is ssociated with thy-1 promoter methylation and the developmentofapro-fibroticPhenotype[J].RespirRes，2012(13)：74.

[16]RabinovichEI，KapetanakiMG，SteinfeldI，etal.Global methylation patterns in idiopathic pulmonary fibrosis[J].PLos One，2012(7)：e33770.

[17]Grant PA.A tale of histone modifications[J].Genome Biol，2001，2(4)：REVIEWS0003.

[18]Alelu-PazR，AshourN，Gonzalez-CorpasA，etal.DNA Methylation，HistoneModifications，andSignalTransduction Pathways：A Close Relationship in Malignant Gliomas Pathophysiology[J].J Signal Transduct，2012(10)：956-958.

[19]SandersYY，TollefsbolTO，VariscoBM，etal.Epigenetic regulationof thy-1by histone deacetylase inhibitorinrat lung fibroblasts[J].Am J Respir Cell Mol Biol，2011(45)：16-23.

[20]SandersYY，PardoA，SelmanM，etal.Thy-1promoter hypermethylation：a novel epigenetic pathogenic mechanism in pulmonary fibrosis[J].Am JRespirCellMolBiol，2008(39)：610-618.

[21]GuoW，ShanB，KlingsbergRC，etal.Abrogationof TGF-beta1-inducedfibroblast-myofibroblastdifferentiationby histone deacetylase inhibition[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2009(297)：L864-870.

[22]Coward WR，Watts K，F(xiàn)eghali-Bostwick CA，et al.Defective histone acetylation is responsible for the diminished expressionofcyclooxygenase，2inidiopathicpulmonaryfibrosis[J].Mol Cell Biol，2009(29)：4325-4339.

[23]KasaiH，AllenJT，MasonRM，etal.TGF-beta1induces humanalveolarepithelialtomesenchymalcelltransition(EMT)[J].Respir Res，2005(6)：56.

[24]Daniil ZD，Papageorgiou E，Koutsokera A，et al.Serum levels of oxidative stress as a marker of disease severity in idiopathic pulmonary fibrosis[J].Pulm Pharmacol Ther，2008(21)：26-31.

[25]Huang SK，F(xiàn)isher AS，Scruggs AM，et al.Hypermethylation of PTGER2confersprostaglandinE2resistanceinfibrotic fibroblastsfrom humansandmice[J].Am JPathol，2010(177)：2245-2255.

[26]Vancheri C，F(xiàn)ailla M，Crimi N，et al.Idiopathic pulmonary fibrosis：a disease with similarities and links to cancer biology[J].Eur Respir J，2010(35)：496-504.

Pulmonary fibrosis is a pathological process of tissue extracellular matrix abnormal hyperplasia and excessive accumulation caused by a variety of damages，which ultimately leads to the destruction of normal tissue structure and function.Pulmonary fibrosis is an important cause for many diseases，and is greatly harmful to human health.Therefore，to further clarify the pathogenesis of pulmonary fibrosis can help to understand the development and prevention of the disease.The paper briefly summarizes the research progress of pathogenesis of pulmonary fibrosis in recent years and look forward to the prospect of future research.

Fibrosis；Inflammatory response；Gene mutation；Signal transduction

2016-03-28)

1005-619X(2016)06-0583-04

10.13517/j.cnki.ccm.2016.06.007

100050中國疾病預防控制中心職業(yè)衛(wèi)生與中毒控制所

國家自然科學基金項目(81472956，30972449)；十二五科技支撐項目(2014BAI12B02)

葉萌