細胞因子對肺纖維化的影響及機制研究進展

毛雪麗 張娜 趙鵬飛 張麗 劉子豪 盧錦輝 侯皓中 張芳芳

肺纖維化(pulmonary fibrosis，PF)是一種由吸煙、病毒感染、環(huán)境污染、遺傳易感性和藥物等多種因素導(dǎo)致的慢性進行性纖維化疾病，其病理學(xué)特點主要是彌漫性炎癥細胞浸潤、成纖維細胞灶形成、細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)異常沉積、肺泡結(jié)構(gòu)嚴重破壞。PF患者的病情往往呈進行性發(fā)展，輕度PF主要表現(xiàn)為勞力性呼吸困難，嚴重時發(fā)展為進行性呼吸困難，晚期患者多因心肺功能衰竭而死亡。目前對PF的發(fā)病機制尚不明確，臨床上亦缺乏有效治療藥物，且預(yù)后較差[1]。因此加強對PF發(fā)病機制的研究及相關(guān)治療藥物的研發(fā)至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外科學(xué)家對PF的研究越來越多，且大量研究結(jié)果表明，細胞因子在肺纖維化的進展中起關(guān)鍵作用。因此，本文對近年來多種細胞因子在PF進程中的作用和機制研究進展做一綜述。

一、生長因子

1.轉(zhuǎn)化生長因子-β(Transforming growth factor-β，TGF-β)在肺組織中主要由肺泡巨噬細胞、上皮細胞等合成分泌，在肺纖維化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，也是目前PF研究中了解最深入的細胞因子。目前已發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化生長因子超家族主要包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3和TGF-β1β2四種亞型，它們結(jié)構(gòu)相似，功能相關(guān)。相應(yīng)的，在細胞表面存在著Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型TGF-β受體。在PF發(fā)病和進展中，發(fā)揮主要作用的是TGF-β1，其由肺泡巨噬細胞活化產(chǎn)生，可與成纖維細胞膜上的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β受體結(jié)合形成三聚體復(fù)合物，同時使Ⅱ型受體磷酸化，從而激活Smad家族蛋白。Smad蛋白是TGF-β信號通路中的遞質(zhì)分子，其中Smad2、3蛋白被磷酸化，活化的Smad2、3(P-Smad2、3)與TGF-βⅠ型受體分離，然后和Smad4結(jié)合形成復(fù)合體，攜帶信號傳入細胞核內(nèi)，轉(zhuǎn)錄因子被激活，膠原蛋白合成增多，致使膠原在肺間質(zhì)和肺泡間過度沉積，最終導(dǎo)致肺纖維化的形成[2]。最近有人在基因?qū)用鎸F的發(fā)展做了研究，發(fā)現(xiàn)PF患者的肺中顯示出miRNA的失調(diào)，并研究了人和小鼠miRNA在肺纖維化中的作用。其中有一個lncRNAs是長度超過200個核苷酸的RNA轉(zhuǎn)錄本[3]。Savary及其同事報道了lncRNA DNM3OS(DNM3相反鏈/反義RNA)作為TGF-β信號傳導(dǎo)中的miRNA儲庫，被證明是用TGF-β1刺激的人肺成纖維細胞系MRC-5中的RNA測序和小RNA測序的最強誘導(dǎo)的lncRNA之一。 但DNM3 mRNA(及其編碼的miR-3120)不受TGF-β調(diào)節(jié)，表明DNM3OS可能不起介導(dǎo)其宿主基因順式作用RNA的作用，而是介導(dǎo)TGF-β信號組分的反式作用RNA的作用[4]。由于TGF-β1可以誘導(dǎo)肺泡上皮細胞發(fā)生上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，同時使成纖維細胞分裂增殖，并向肌成纖維細胞轉(zhuǎn)化，肌成纖維細胞被認為是PF的標(biāo)志性細胞。因此，TGF-β1被稱為最有效的成纖維細胞激活劑。

2.血小板衍生生長因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)又稱血小板源性生長因子，是由肺泡上皮細胞、血管內(nèi)皮細胞和肺泡巨噬細胞等合成分泌的一種多肽類調(diào)節(jié)因子，TGF-β1和TNF可以調(diào)節(jié)其表達。在肺纖維化的進程中，PDGF主要是由肺組織損傷部位的肺泡巨噬細胞產(chǎn)生，一方面能夠通過受損傷的肺上皮細胞，穿越細胞膜屏障進入肺泡間質(zhì)內(nèi)，趨化間質(zhì)細胞；另一方面與TGF-β1功能相似，還可誘導(dǎo)成纖維細胞增殖分化，刺激成纖維細胞分泌膠原蛋白[5]，但作用機制可能與TGF-β1有所不同。Patel等在研究中發(fā)現(xiàn)，PDGF誘導(dǎo)肺纖維化并不依賴于Smad3蛋白信號通路，其對細胞外基質(zhì)表現(xiàn)為“非侵襲性”現(xiàn)象[6]。

3.結(jié)締組織生長因子(Connective tissue growth factor，CTGF)屬于CCN家族的成員，在許多細胞和組織中都有表達，正常情況下表達水平較低，但在纖維化和癌變的組織中表達水平明顯升高。其表達與它的四個不連續(xù)的蛋白區(qū)域有關(guān)，分別是生長因子結(jié)合結(jié)構(gòu)域、整聯(lián)蛋白識別的功能基序、肝素和蛋白多糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域以及二聚化基序。CTGF的主要功能是調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)涉及細胞表面蛋白多糖，細胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組分和生長因子的信號傳導(dǎo)反應(yīng)，而纖維化過程中主要是由于CTGF依賴性信號的異常擴增導(dǎo)致終止組織修復(fù)失敗[7]；除此之外，TGF-β還可刺激細胞分泌CTGF，在纖維化的過程中主要促進成纖維細胞的增生、趨化、黏附以及合成ECM，而且CTGF是TGF-β信號傳導(dǎo)途徑下游的協(xié)同介質(zhì)[8]，高水平表達時，可以加快纖維化的進程。

4.胰島素樣生長因子-1(Insulin-like growth factor-1，IGF-1)可以調(diào)節(jié)人體組織器官的生長發(fā)育。在肺纖維化進程中，IGF-1和IGF結(jié)合蛋白 (IGFBP)特別是IGFBP-3、IGFBP-4和IGFBP-5共同介導(dǎo)而發(fā)揮作用[9]，而且纖維化的程度和IGF-1以及IGFBP的表達水平有關(guān)。

二、白細胞介素

白細胞介素(Interleukine,IL)是一類主要由淋巴細胞、單核/巨噬細胞產(chǎn)生，在免疫調(diào)節(jié)和炎癥中發(fā)揮重要作用的細胞因子。目前已命名的有38種，各類IL之間的作用各有不同。大量研究表明免疫調(diào)節(jié)紊亂在肺纖維化的發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用，而IL作為細胞因子中的一大家族，在肺纖維化形成的諸多環(huán)節(jié)中都扮演了重要角色。

多種IL在肺纖維化的進展中與其他細胞因子相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的細胞因子網(wǎng)絡(luò)。目前研究比較明確的是IL-13具有強大的促纖維化作用，雖然具體機制還不明確，但有研究指出Th2細胞可分泌IL-4與IL-13，此兩類因子一方面可通過上調(diào)miR-142-5P的表達來抑制細胞因子信號抑制物1(SOCS1)對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子6(STAT6)的負反饋調(diào)節(jié)以長期維持STAT6的磷酸化；另一方面也通過下調(diào)miR-130a-3p的表達而減緩對過氧化物酶體增殖物激活受體g(PPARg)的抑制，上述兩方面協(xié)同發(fā)揮對M2型巨噬細胞的激活作用，激活的M2型巨噬細胞分泌促纖維細胞因子從而推動纖維化的發(fā)展[10]。

在肺纖維化的進程中，IL-6的表達可能有雙向作用。早期炎癥浸潤階段Ⅱ型肺泡上皮細胞IL-6的表達提高，上調(diào)的IL-6經(jīng)IL-6/PI3K/Akt和IL-6/Stat3信號軸調(diào)節(jié)肺泡表面活性物質(zhì)的表達而起到保護肺泡上皮細胞的作用，即扮演著抗纖維化的角色。但在肺纖維化初步建立后，IL-6又起著促纖維化的作用[14]，IL-6通過結(jié)合受體形成復(fù)合物的方式發(fā)揮作用，其信號通路分為經(jīng)典途徑和反式途徑兩種。經(jīng)典途徑中IL-6與mIL-6Ra及gp130結(jié)合傳導(dǎo)信號，而mIL-6Ra在肺泡巨噬細胞經(jīng)蛋白酶ADAM17加工后形成的sIL-6Ra也可與IL-6結(jié)合，從而構(gòu)成了反式途徑，經(jīng)由這一信號通路，IL-6可促進PF患者肺部成纖維細胞的增殖以及膠原蛋白的沉積，對肺纖維化的發(fā)展起到促進作用[15]。

三、趨化因子

趨化因子主要由巨噬細胞、樹突狀細胞等合成分泌，參與炎癥反應(yīng)并在其中起核心作用。幾乎所有的趨化因子都含有半胱氨酸，根據(jù)其分子氨基端半胱氨酸殘基的位置、數(shù)量和排列順序，可將趨化因子分為CXC、CC、CX3C、C四個亞家族。其中在PF的發(fā)展中發(fā)揮主要作用的為CXC和CC兩大類。

CXC類根據(jù)是否有Glu-lzu-Arg基團分為兩類，即：ELR+，ELR-。ELR+CXC趨化因子參與促進肺部和支氣管的血管生成，是促進PF進程中血管重塑的重要因素[16]。在肺毛細血管內(nèi)皮細胞上表達的CXCR7起到保護上皮細胞的作用。Cao Z等研究表明施用CXCR7激動劑可促進肺泡修復(fù)并減少纖維化[17]。其機制可能是通過抑制Jag1-Notch途徑來減弱內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化。

MCP-1是CC類趨化因子，研究表明MCP-1主要受體CCR2對小鼠肺纖維化的發(fā)展有抑制作用，其機制可能為MCP-1與其受體結(jié)合后抑制了前列腺素的合成[18]，從而促進了纖維化的發(fā)展。另一種直接導(dǎo)致PF的重要CC類趨化因子是CCL18，其可通過激活轉(zhuǎn)錄因子Sp1和c-Myb刺激膠原蛋白mRNA及蛋白質(zhì)的產(chǎn)生[19]，從而加速膠原沉積。

在炎癥反應(yīng)階段，CCR5和CXCR3主要表達于Th1細胞，而其配體存在于炎癥反應(yīng)的局部病灶中。在炎癥反應(yīng)后期，Th2相關(guān)的趨化因子CCL17和CCL22高表達，巨噬細胞和纖維細胞被大量募集，從而產(chǎn)生大量的細胞外基質(zhì)和膠原纖維，導(dǎo)致肺纖維化的不可逆性形成[20]。

四、腫瘤壞死因子

腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)主要分為TNF-α和TNF-β兩類，其中TNF-α主要由活化的單核/巨噬細胞產(chǎn)生，TNF-β由活化的T細胞、NK細胞等產(chǎn)生。TNF-α通過啟動TNFR1和TNFR2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在肺纖維中發(fā)揮作用，其中TNFR1較TNFR2更敏感。Pryhuber G S等研究證明敲除TNFR基因的小鼠肺纖維化的發(fā)生率明顯降低[21]。

在肺纖維化的進程中，一方面TNF-α參與急性炎癥反應(yīng)過程，通過促進Ⅱ型肺泡細胞的凋亡抑制肺損傷的修復(fù)[22]；另一方面TNF-α促進肺部常駐間充質(zhì)干細胞(LR-MSCs)分化為肌成纖維細胞[23]。PF成纖維細胞分泌的TNF-α可以修飾鄰近成纖維細胞的行為，從而誘導(dǎo)正常成纖維細胞與纖維蛋白的附著以及整聯(lián)蛋白α5(Integrin α5，ITGA5)的升高，最終可能導(dǎo)致成纖維細胞在肺中大量聚集[24]，膠原合成增加。

TNF-α主要通過NF-κB途徑發(fā)揮作用，其機制可能與Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有關(guān)，TNF-α基因轉(zhuǎn)錄啟動區(qū)或增強子上有NF-κB的結(jié)合位點，兩者相互促進，共同調(diào)控肺纖維化的發(fā)展[25]。

五、干擾素

干擾素(Interferon,IFN)可分為IFN-γ、IFN-α、IFN-β三類，其中在PF的發(fā)展中起主要作用的為IFN-γ。IFN-γ是由活化的T細胞、NK細胞及NKT細胞產(chǎn)生的具有高度生物活性的一種細胞因子。IFN-γ可以抑制Ⅰ型膠原蛋白基因α2(COL1A2)轉(zhuǎn)錄，也可通過JAK1/STAT1途徑激活Smad7，抑制Smad3和Smad4的活化，從而抑制TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)通路，減少膠原蛋白合成及ECM 的沉積，延緩纖維化的發(fā)展[26]。IFN-γ還可以調(diào)節(jié)Th1和Th2細胞因子之間的相對平衡，抑制Th1優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)門h2優(yōu)勢，間接發(fā)揮抗纖維化作用[27]。Miyamasu M等研究證明IFN-γ具有抑制成纖維細胞分泌嗜酸粒細胞趨化因子，減輕炎癥反應(yīng)，減少肺組織損傷的作用[28]。

六、集落刺激因子

粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)是PF中一種重要的前炎癥細胞因子?？苫罨疶細胞、B細胞、成纖維細胞、單核-巨噬細胞和血管內(nèi)皮細胞。GM-CSF在PF的發(fā)病過程中可能起重要作用。

研究證明PF大鼠模型肺組織中GM-CSF水平在炎癥早期明顯升高，GM-CSF能促進單核巨噬細胞的增殖并與TNF的表達密切相關(guān)[29-30]。GM-CSF還能趨化中性粒細胞和單核細胞并加強其作用，從而加速肺部炎癥的發(fā)展[29]。還可增加TGF-β的表達，進而調(diào)節(jié)肺纖維化的進程[31]。

但GM-CSF對肺纖維化的發(fā)展也可能有抑制作用，姜寒水等認為可能是通過動員自體骨髓源性細胞，下調(diào)TGF-β，降低基質(zhì)金屬蛋白酶/組織金屬蛋白酶抑制劑比例，從而抑制纖維化的進展[32]。而Moore B B等認為可能是有效的抗纖維化類花生酸PGE2的產(chǎn)生受損延緩了纖維化發(fā)展[33]。

七、總結(jié)展望

隨著近年來對PF發(fā)病機制的不斷深入研究，細胞因子在PF的進程中扮演的角色越來越明確，其作用機制也逐漸被研究者們所揭示。雖然各種細胞因子的作用不是孤立的，它們交互關(guān)聯(lián)，形成了一個復(fù)雜的細胞因子網(wǎng)絡(luò)，但各類因子各有特點，主要作用于肺纖維化形成的不同環(huán)節(jié)，從而根據(jù)各類細胞因子在肺纖維化發(fā)病進程中的特異性表達，為PF的進一步研究及相關(guān)臨床藥物研發(fā)提供新的思路。但由于技術(shù)限制及機體的復(fù)雜性，部分細胞因子的作用機制闡明僅由動物試驗推測而來，缺乏有效的實驗依據(jù)。相信隨著免疫學(xué)及分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，對細胞因子在PF中作用機制的研究能獲得明確的結(jié)果。