特發(fā)性肺纖維化發(fā)病機制的研究進展

楊偉強，趙峰

(空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，西安 710032)

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種原因不明的慢性、進行性纖維化肺部疾病，可引起周圍肺纖維化重塑，導(dǎo)致呼吸衰竭，主要見于老年人，是最常見的特發(fā)性間質(zhì)性肺炎[1]。IPF的臨床表現(xiàn)主要為勞力性呼吸困難、慢性干咳或Velcro啰音、低肺一氧化碳彌散量[2]。IPF患者男性多于女性，大多數(shù)患者有吸煙史，診斷后平均生存時間2～4年，發(fā)病率隨年齡增長而升高，常見于60～70歲人群[3-6]。歐洲和北美地區(qū)每年IPF的發(fā)病率為(3～9)/10萬，亞洲和南美每年IPF發(fā)病率<4/10萬[7]。2011年美國胸科學(xué)會、歐洲呼吸學(xué)會、日本呼吸學(xué)會、拉丁美洲胸科協(xié)會發(fā)布的IPF指南指出，IPF的高危因素有吸煙、環(huán)境暴露、微生物感染、胃食管反流、遺傳因素等[8]。IPF病因不明、診斷困難、預(yù)后不良，是目前國內(nèi)外研究的難點。目前認為，IPF發(fā)病機制與早期肺泡上皮細胞的反復(fù)損傷和異常修復(fù)有關(guān)，此外，多種細胞因子、信號通路、遺傳因素也在IPF的發(fā)生發(fā)展中起重要作用?，F(xiàn)就IPF發(fā)病機制研究進展予以綜述。

1 細胞因子

1.1轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) TGF-β是一種多功能的細胞因子，在炎癥、損傷修復(fù)及纖維化中起重要作用[9]。TGF-β可誘導(dǎo)肺泡上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transformation，EMT)。TGF-β在IPF中被激活，TGF-β/Smad信號通路是IPF中研究較多的信號通路，TGF-β受體屬于具有內(nèi)在Ser/Thr激酶活性的跨膜受體，與其Ⅰ型、Ⅱ型受體結(jié)合形成復(fù)合物，導(dǎo)致Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smad2/Smad3與Smad4形成復(fù)合體后發(fā)生核轉(zhuǎn)位，激活EMT下游轉(zhuǎn)錄因子的表達，促進EMT的發(fā)生，這是經(jīng)典的TGF-β/Smad信號通路[10]。但TGF-β誘導(dǎo)Smad1和Smad5磷酸化的過程需要Ⅰ型TGF-β受體和Ⅰ型激活素A受體的參與，其中Ⅰ型TGF-β受體磷酸化并激活Ⅰ型激活素A受體，Ⅰ型激活素A受體誘導(dǎo)Smad1和Smad5磷酸化，Smad1和Smad5通路對TGF-β誘導(dǎo)的EMT具有重要作用[11]。在IPF中，TGF-β1調(diào)節(jié)成纖維細胞向組織損傷部位募集，通過抑制肺泡上皮細胞的增殖和凋亡或通過刺激成纖維細胞向肌成纖維細胞分化、合成細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)蛋白和通過基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)抑制ECM降解進而介導(dǎo)纖維化生成[12]。

1.2結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF) CTGF又名CCN2，是人臍靜脈內(nèi)皮細胞中分離出的一種富含半胱氨酸的分泌蛋白。CTGF屬于即刻早期基因家族，在細胞黏附、遷移、增殖和分化以及血管生成、ECM沉積等生物學(xué)過程中發(fā)揮重要作用[13-14]。CTGF的過表達與纖維化有關(guān)。在IPF中，CTGF誘導(dǎo)成纖維細胞增殖和ECM沉積[15-16]。CTGF啟動子區(qū)存在TGF-β調(diào)控元件，故認為CTGF是TGF-β的下游靶基因，CTGF激活后，可協(xié)同加強TGF-β的作用，促進ECM沉積和纖維化[17]。

1.3成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF) FGF對調(diào)控發(fā)育過程中細胞的增殖、存活、遷移和分化行為起重要作用[18]。有研究報道，F(xiàn)GF與IPF的發(fā)病機制有關(guān)，在IPF患者的肺中檢測到FGF1和FGF2高表達，但是FGF2并不直接促進纖維化生成，而FGF1通過降解Ⅰ型TGF-β受體抑制肌成纖維細胞分化以及EMT而發(fā)揮抗纖維化作用[19-20]。FGF9和FGF18促進肺成纖維細胞存活和遷移，并抑制體外肌成纖維細胞分化[21]。

1.4其他因子 血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)被認為是促進肺纖維化的原因之一[22]。PDGF在纖維化疾病發(fā)病過程中對肌成纖維細胞的復(fù)制、存活和遷移起重要作用，可誘導(dǎo)促進成纖維細胞增殖，導(dǎo)致ECM沉積，并將纖維細胞招募至肺組織，促進肺的纖維化進展[23]。VEGF是一種血管生成因子，在纖維化肺中由肺泡Ⅱ型上皮細胞和肌成纖維細胞大量產(chǎn)生，血管生成的增加是缺氧條件刺激IPF進展的重要標志[24]。VEGF的生物學(xué)功能主要通過VEGF與VEGF受體1以及VEGF受體2結(jié)合進行調(diào)控。VEGF受體2被認為是內(nèi)皮細胞中VEGF的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)物，其通過激活黏著斑激酶直接激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路以及黏著斑激酶信號通路。激活的黏著斑激酶作為纖維化發(fā)生的關(guān)鍵分子通過與TGF-β等促纖維化因子結(jié)合而發(fā)揮作用[25]。VEGF通過誘導(dǎo)單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)和白細胞介素-8間接促進白細胞的遷移，從而直接影響ECM沉積。對博來霉素動物模型的研究發(fā)現(xiàn)，模型肺組織的VEGF表達增加，使用抗VEGF抗體抑制劑可減輕肺纖維化程度[26]。因此，VEGF可通過提高血管通透性以及炎癥細胞趨化性誘導(dǎo)肺纖維化。

2 信號通路

2.1Wnt信號通路 Wnt信號通路在物種進化過程中高度保守，在胚胎發(fā)育早期、器官形成、組織再生等生理過程中均具有重要作用[27]。Wnt信號通路分為經(jīng)典信號通路和非經(jīng)典信號通路，Wnt/β聯(lián)蛋白(β-catenin)信號通路是經(jīng)典Wnt信號通路，包括Wnt家族分泌蛋白、跨膜受體Frizzled家族、糖原合成酶激酶3、結(jié)腸腺瘤性息肉病蛋白、軸抑制蛋白、β-catenin、轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF家族等。IPF患者肺組織Wnt/β-catenin信號通路被過度激活，Wnt1、Wnt7b、Wnt10b、Frizzled2、Frizzled3和淋巴細胞增強因子1的表達顯著增加[28]。對博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化模型的研究發(fā)現(xiàn)，抑制Wnt/β-catenin信號通路可減弱肺纖維化的程度[29]。

Wnt信號通路可能通過多種機制參與IPF形成。文獻表明，Wnt/β-catenin通路可抑制肺成纖維細胞凋亡，促進細胞增殖和分化，也可通過抑制糖原合成酶激酶3介導(dǎo)的磷酸化作用和β-catenin的降解作用促進ECM沉積[30]。Wnt/β-catenin信號通路與TGF-β1協(xié)同誘導(dǎo)ECM沉積，TGF-β1可誘導(dǎo)細胞外MMP誘導(dǎo)劑的產(chǎn)生，在肺泡Ⅱ型上皮細胞中表達，進一步刺激成纖維細胞通過Wnt/β-catenin信號通路產(chǎn)生某些MMP[31]。MMP的主要生物學(xué)功能是降解細胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)，緩解肺間質(zhì)纖維化。有研究表明，MMP-2/MMP-9可減緩肺纖維化的發(fā)展[32]。

2.2Shh(Sonic Hedgehog)信號通路 Hedgehog信號通路是調(diào)控胚胎發(fā)育的經(jīng)典信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，哺乳動物中存在Shh、Ihh(Indian Hedgehog)和Dhh(Desert Hedgehog)三個Hedgehog同源基因，Shh是表達最豐富的Hedgehog配體，在脊椎動物器官形態(tài)發(fā)生的過程中發(fā)揮重要作用[33]。有研究表明，急性肺損傷中Shh信號通路的表達下調(diào)，并誘導(dǎo)間充質(zhì)擴增，對上皮細胞修復(fù)產(chǎn)生負面影響，導(dǎo)致肺組織異常修復(fù)與再生[34]。研究證實，IPF中Shh信號通路激活，且纖維化重塑區(qū)域可檢測到Shh及其效應(yīng)分子的高表達[35]。Shh治療可增加成纖維細胞增殖、存活、遷移和ECM生成，在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化動物模型的氣道和肺泡上皮細胞中檢測到Shh高表達，另有實驗表明，抑制Hedgehog信號通路不能防止肺纖維化，但是在纖維化階段Shh過度表達會導(dǎo)致肺纖維化惡化[36]。

2.3Notch信號通路 Notch信號通路是介導(dǎo)相鄰細胞間相互作用的信號通路，進化呈高度保守，參與細胞增殖、分化、凋亡等多種生理過程，對器官組織的正常發(fā)育和維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用[37]。Notch信號通路異常與組織纖維化有關(guān)，IPF中Notch通路被激活，肌成纖維細胞的凋亡抵抗在肺纖維化過程中發(fā)揮重要作用。在EMT過程中，Notch/CSL[C：CBF1/RBP-J κ；S：Su(H)；L：Lag-1]激活刺激血管平滑肌細胞中α平滑肌肌動蛋白的表達。博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化模型中，抑制間充質(zhì)細胞Jagged1/Notch1信號通路可減弱肺纖維化程度[38]。

3 表觀遺傳學(xué)

表觀遺傳調(diào)控機制可能參與IPF的發(fā)病機制，尤其DNA甲基化、組蛋白修飾和微RNA(microRNA，miRNA)的變化可能是引發(fā)IPF的重要因素。胸腺細胞分化抗原-1(thymocyte differentiation antigen 1，Thy-1)又稱CD90，是一種在多種組織器官成纖維細胞表達的糖基磷脂酰基醇錨定的膜蛋白，參與神經(jīng)再生、細胞凋亡、增殖和纖維化反應(yīng)等[39]。Thy-1在正常成纖維細胞中表達，在IPF病灶內(nèi)不表達。IPF患者中Thy-1啟動子甲基化，使成纖維細胞Thy-1表達降低，導(dǎo)致ECM沉積，纖維化程度加重[40-41]。IPF患者O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶表現(xiàn)為低甲基化，而IPF患者DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3a和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3b的表達水平較高[42-43]。

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor gamma co-activator 1α，PGC1α)是一種調(diào)控線粒體生物合成的轉(zhuǎn)錄共激活因子，其表達異常與多種慢性疾病有關(guān)。線粒體功能障礙是發(fā)生肺纖維化的重要因素，線粒體穩(wěn)態(tài)失衡可導(dǎo)致肺上皮細胞功能異常，影響肺損傷和修復(fù)[44]。IPF患者和博來霉素纖維化小鼠模型PGC1α表達均降低，PGC1α敲除小鼠更易受博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化的影響。研究表明，干擾肺成纖維細胞PGC1α的表達可影響細胞代謝、ECM沉積等[45]。另有研究發(fā)現(xiàn)，AMP活化蛋白激酶介導(dǎo)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1磷酸化可降低PGC1α啟動子DNA甲基化，從而影響線粒體功能[46]。

此外，大約10%的miRNA在IPF中異常表達，可對EMT產(chǎn)生影響，并調(diào)控細胞凋亡或ECM[47]。研究表明，IPF患者中miR-21、miR-155、miR-199a-5p和miR-200c表達顯著上調(diào)，而miR-31、let-7a和let-7d表達顯著降低[48]。miR-199a-5p通過靶向caveolin-1介導(dǎo)TGF-β誘導(dǎo)肺成纖維細胞活化[49]。IPF中大多數(shù)miRNA受TGF-β1的調(diào)控，通過其靶基因調(diào)控 TGF-β1信號通路。檢測博來霉素小鼠模型中miRNA表達的研究發(fā)現(xiàn)，miR-29表達下調(diào)[50]。IPF患者肺組織中miR-29的表達亦下調(diào)[51]。對TGF-β和miR-29靶點的分析表明，miR-29可能是TGF-β介導(dǎo)的與ECM相關(guān)的重要促進因子[50]。

4 其他因素

4.1遺傳因素 IPF與遺傳相關(guān)，大多數(shù)家族性IPF患者的編碼表面活性劑蛋白C、表面活性劑蛋白A2、端粒酶組件(端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶和端粒酶RNA組分)和與端粒生物學(xué)相關(guān)的基因發(fā)生突變[52]。散發(fā)性IPF最重要的遺傳風(fēng)險因素是MUC5B基因啟動子區(qū)的常見變異rs35705950，雜合子患病風(fēng)險增加6倍，純合子患病風(fēng)險增加20倍[53-54]。全基因組關(guān)聯(lián)分析證實，端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶、MUC5B與IPF有關(guān)，同時還發(fā)現(xiàn)，新的基因FAM13A(4q22)、DSP(6p24)、OBFC1(10q24)、ATP11A(13q34)、DPP9(19p13)和染色體區(qū)7q22和15q14-15[55]。熊維寧團隊利用高通量測序技術(shù)首次揭示了中國漢族人群散發(fā)IPF患者的遺傳學(xué)危險因素，確定了2個致病性和10個功能失活突變體，占所有IPF病例的4.74%；負荷分析發(fā)現(xiàn)，CSF3R、DSP和LAMA3三個基因的罕見錯義突變在IPF患者中的變異負荷更高；等位基因關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，rs3737002、rs2296160、rs1800470和rs35705950四個單核苷酸多態(tài)性位點可增加IPF的發(fā)病風(fēng)險[56]。

4.2吸煙 針對IPF的薈萃分析表明，IPF發(fā)病率增加與吸煙有關(guān)[57]。既往研究發(fā)現(xiàn)，主動吸煙或曾吸煙者IPF的患病風(fēng)險是非吸煙者的1.6倍[58]。另有研究表明，在IPF患者中，戒煙者的生存時間較非吸煙者和吸煙者更短，診斷IPF的吸煙者明顯較非吸煙者和戒煙者年輕[59]。但King等[60]研究發(fā)現(xiàn)，在IPF患者中，戒煙者的比例較高，吸煙者的生存時間較戒煙者或非吸煙者更長，吸煙者可能因吸煙而較早注意到相關(guān)癥狀，但往往到無法吸煙時才重視。研究顯示，吸煙可加重博來霉素誘導(dǎo)小鼠的肺纖維化程度，香煙煙霧提取物通過TGF-β1-Smad2/3和蛋白激酶B信號通路誘導(dǎo)肺成纖維細胞和胸膜間皮細胞中磷酸化-Smad2/3、磷酸化-蛋白激酶B的活化以及Ⅰ型膠原合成和細胞增殖[61]。

4.3年齡 IPF主要見于老年人群，且發(fā)病率隨年齡增加而顯著升高，故年齡被認為是IPF發(fā)生的高風(fēng)險因素之一[62]。既往研究證明，65歲以上人群IPF的發(fā)病率和患病率較高[63]。Raghu等[64]的研究亦得到了證實。據(jù)統(tǒng)計，1999—2012年全球IPF的死亡率逐年上升，且與年齡呈正相關(guān)[65]。分離培養(yǎng)IPF患者人肺成纖維細胞的研究發(fā)現(xiàn)，人肺成纖維細胞衰老增強與衰老相關(guān)的分泌表型和β-半乳糖苷酶、p21、p16、p53表達上調(diào)以及增殖/凋亡減少有關(guān)；同時檢測到端粒變短和線粒體功能障礙，TGF-β處理細胞后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標志物表達上調(diào)；端粒隨年齡增長而變短， IPF患者人肺成纖維細胞的端粒最短[66]。另有研究發(fā)現(xiàn)，IPF患者的端粒相對長度較短，隨年齡增長而呈下降趨勢[56]。隨著年齡的增長，DNA修復(fù)系統(tǒng)的活性逐漸降低，導(dǎo)致DNA錯誤累積，基因組穩(wěn)定性受到破壞，有研究稱，IPF患者的基因組出現(xiàn)不穩(wěn)定性[52-56]。

4.4環(huán)境、職業(yè)暴露 職業(yè)和環(huán)境因素與IPF亦相關(guān)，包括有機粉塵(畜牧、農(nóng)業(yè))、金屬和礦物粉塵、木屑、石棉和環(huán)境顆粒物等[67-68]。一項意大利的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民、獸醫(yī)、園丁和冶金、鋼鐵工人以及暴露于金屬粉塵、煙霧和有機粉塵人群IPF的患病風(fēng)險隨職業(yè)暴露時間的增加而升高，即高風(fēng)險工作時間與IPF的風(fēng)險存在劑量-反應(yīng)關(guān)系，高風(fēng)險工作時間越長，IPF的患病風(fēng)險越大[69]。美國多中心病例對照研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)、畜牧、美發(fā)、飼養(yǎng)鳥類、石材切割拋光以及接觸金屬粉塵和植物粉塵或動物粉塵等職業(yè)與IPF相關(guān)，其中飼養(yǎng)鳥類和接觸植物或動物粉塵的工作與IPF關(guān)系最密切[70]。韓國對1 311例IPF患者的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，接觸粉塵工人較未接觸粉塵工人更早出現(xiàn)IPF，且診斷時患者癥狀持續(xù)時間更長，病死率更高，表明職業(yè)性粉塵暴露也可能會影響IPF患者的預(yù)后[71]。

環(huán)境顆粒物與IPF有關(guān)。Conti等[72]對2005—2010年意大利北部長期接觸二氧化氮、臭氧以及顆粒物質(zhì)與空氣動力學(xué)直徑<10 μm(PM10)和IPF發(fā)病率關(guān)系的研究表明，IPF的急性加重和惡化與二氧化氮、臭氧以及顆粒物質(zhì)接觸有關(guān)，長期暴露于空氣污染環(huán)境中也可能影響IPF的發(fā)病率。Johannson等[73]的研究證實，空氣污染與IPF急性加重相關(guān)。Sesé等[74]研究發(fā)現(xiàn)，暴露于臭氧環(huán)境與IPF急性加重有關(guān)，暴露于PM10和PM2.5與IPF病死率升高有關(guān)。由此可見，環(huán)境、職業(yè)暴露可能與IPF的發(fā)病及病情進展有關(guān)。

5 小 結(jié)

IPF是一種受細胞因子、信號通路、遺傳等多因素影響的肺部纖維化疾病，發(fā)病因素較多，發(fā)病機制復(fù)雜，目前尚缺乏有效的治療藥物，患者平均生存期較短，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究學(xué)者的研究熱點。隨著IPF研究的不斷深入，IPF的發(fā)病機制將逐漸清晰，為IPF治療提供充分的理論依據(jù)，有助于IPF的預(yù)防和治療。