Hedgehog 信號通路與急性肺損傷疾病進(jìn)展

鄭曉文 趙春菱 劉江華 張劍鋒*

作者單位：1.廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院（530027）

2.廣西醫(yī)科大學(xué)

急性肺損傷（ALI）/急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）可由膿毒癥、肺炎、創(chuàng)傷、急性胰腺炎、胃內(nèi)容物吸入、瀕臨溺水等多種疾病和情況引起，以彌漫性肺泡損傷、肺水腫形成、中性粒細(xì)胞源性炎癥和表面活性物質(zhì)功能障礙為特征［1］。ALI 病情兇險，進(jìn)展快，整體預(yù)后差，死亡率高，目前尚缺乏特效的臨床治療方法。

Hedgehog 信號通路與Wnt，TGF-Beta/BMP 及Notch 一起參與人胚胎發(fā)育和成年組織形態(tài)改變、腫瘤發(fā)生中起到重要的作用。已有研究表明HH 信號在早期及出生后的肺發(fā)育、成年肺的修復(fù)及再生中都是必需的。這些年在HH 信號通路與肺部疾病中的作用研究持續(xù)增多，這些研究的加快揭示HH 信號通路在急性肺損傷的發(fā)生、發(fā)展以及隨后的損傷修復(fù)中的作用機(jī)制，通過HH 信號通路抑制劑或激活劑的臨床使用的開展，勢必在急性肺損傷早期預(yù)警、控制疾病進(jìn)展、改善預(yù)后各方面發(fā)揮重要作用。

1 Hedeghog 信號通路在胚胎發(fā)育及成體器官中的作用

Hedgehog 信號通路最早在果蠅的身上發(fā)現(xiàn)，作為一個重要的胚胎發(fā)育調(diào)節(jié)性因子，在細(xì)胞的增殖、遷移和分化起關(guān)鍵性作用，具有空間、時間和濃度依賴性［2］。Hedgehog 信號通路在脊柱動物中呈保守狀態(tài)，在哺乳動物的發(fā)育中高度激活，特別是神經(jīng)管和骨骼中，但是隨即沉默在大多數(shù)成年組織中。然而，一些產(chǎn)后的器官，比如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肺臟，在損傷后依靠持續(xù)的Hh 信號通路來維持組織的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和修復(fù)。脊柱動物有3 種Hedgehog的同源基因，包括sonic Hedgehog（Shh）、indian Hedgehog（Ihh）和desert Hedgehog（Dhh）。Hedgehog（HH）途徑通過旁分泌激活平滑（Smo）介導(dǎo)的下游信號事件來協(xié)調(diào)胚胎發(fā)育過程中多個器官的組織-組織相互作用［3］。

既往的研究表明Hedgehog（Hh）信號通路在胚胎發(fā)生、組織模式形成、器官形成中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用。SHH 還影響細(xì)胞的命運(yùn)，促進(jìn)其增殖、抑制神經(jīng)細(xì)胞的分化和調(diào)控血管直徑加粗、變長和分叉，影響基質(zhì)細(xì)胞分泌眾多新生血管因子［4］。主要同胞外的Hedgehog 蛋白、細(xì)胞膜表面的特異性受體Patched 及相關(guān)蛋白Smoothened、胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子Gli 組成。SHH 配體與信號通路的下游成份密切相關(guān)，是以配體依賴作為主要激活方式。Hedgehog 信號通路的靶基因常常是生長因子或生長因子受體，包括IGF-2、VEGF 和PDGFR［5］。近年發(fā)現(xiàn)，Hh 信號對成熟機(jī)體的血管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能也有重要影響。在成年小鼠血管內(nèi)皮細(xì)胞與外膜成纖維細(xì)胞均可檢測到Ptc-1 的表達(dá)，給予Hh刺激后成纖維細(xì)胞Ptc-1 表達(dá)明顯上調(diào)［6］。在小鼠后肢缺血模型，給予Shh 處理能明顯增加毛細(xì)血管的密度與血流，且在角膜血管形成試驗中，Shh 對于大的具有成熟分支的血管形成也有促進(jìn)作用，其機(jī)制可能與Shh 上調(diào)成纖維細(xì)胞血管生成素（angiopoietin）與VEGF 的表達(dá)有關(guān)，使用Shh 抗體阻斷此通路后能夠明顯抑制新生血管形成［7］。

2 HH 信號通路參與肺臟的胚胎發(fā)育及穩(wěn)態(tài)維持

在沒有損傷等增殖刺激的情況下，出生后的組織靜默被認(rèn)為是一種常規(guī)狀態(tài)。既往研究已經(jīng)證明，某些胚胎發(fā)育程序在成年器官中被異常地重新激活，以驅(qū)動修復(fù)和再生，但尚不清楚在細(xì)胞周轉(zhuǎn)率非常低的肺等器官中如何維持靜默［8］。Tien Peng 證明［9］，在新生肺內(nèi)胚祖細(xì)胞表達(dá)的Shh，可協(xié)調(diào)心肺中胚祖細(xì)胞向各種心和肺間充質(zhì)細(xì)胞系的分化。Hedgehog（HH）途徑在胚胎發(fā)育過程中通過旁分泌激活Smo 介導(dǎo)的下游信號事件來協(xié)調(diào)心肺中胚祖細(xì)胞向各種心和肺間充質(zhì)細(xì)胞系的分化。肺形態(tài)發(fā)生需要Hh信號，Hh 信號隨后通過調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞的靜止和修復(fù)而參與肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)。 呼吸道損傷修復(fù)期上皮組織內(nèi)Hh 信號通路被廣泛激活，調(diào)控干細(xì)胞/祖細(xì)胞的增殖分化，促進(jìn)組織修復(fù)。

Hogan BL 等人研究表明，成年肺臟的穩(wěn)態(tài)是一種需要積極維持的狀態(tài)，并受Hedgehog 信號的調(diào)節(jié)［10］。在出生后肺內(nèi)動態(tài)平衡期間，上皮特異性缺失Hedgehog 會導(dǎo)致鄰近肺間充質(zhì)的增殖性擴(kuò)張。在上皮損傷的急性期初始階段Hedgehog 信號隨著間質(zhì)的增殖而下調(diào)，但隨著穩(wěn)態(tài)的恢復(fù)，在損傷修復(fù)過程中恢復(fù)到基線水平。急性上皮損傷時Hedgehog 的激活減弱了肺間充質(zhì)的增殖擴(kuò)張，而Hedgehog信號的失活則阻止了損傷修復(fù)過程中靜止?fàn)顟B(tài)的恢復(fù)。因此總結(jié)Hedgehog 還通過間充質(zhì)反饋機(jī)制調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞的靜止和再生，以應(yīng)對損傷。這些結(jié)果表明，Hedgehog 協(xié)調(diào)的間質(zhì)相互作用積極維持了出生后肺組織的動態(tài)平衡，損傷過程中Hedgehog 的反常調(diào)節(jié)導(dǎo)致了肺的異常修復(fù)和再生。

3 HH 信號通路通過上皮相關(guān)機(jī)制參與急性肺損傷修復(fù)

ALI/ARDS 臨床表現(xiàn)為肺順應(yīng)性降低、嚴(yán)重低氧血癥和雙側(cè)肺浸潤。而嚴(yán)重肺水腫可稀釋肺泡表面活性物質(zhì)，導(dǎo)致肺泡塌陷和肺不張，通氣/血流比例失調(diào)，進(jìn)一步加重缺氧和酸中毒。傳統(tǒng)ALI 治療方法包括：肺保護(hù)性機(jī)械通氣、保守性液體治療等，但均未從根本上修復(fù)肺上皮細(xì)胞與肺內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能障礙、改善肺功能、降低病死率。

研究者通過脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的急性肺損傷（ALI）相關(guān)的SHH 信號通路對小鼠急性肺損傷（ALI）的保護(hù)作用。使用HH 阻斷劑環(huán)巴胺預(yù)處理動物模型。通過HE 染色組織切片觀察肺損傷、肺組織損傷評分半定量、肺組織濕/干重比（W/D）測量肺組織質(zhì)量變化，使用Realtime-PCR檢測肺組織TNF-α、SHH、PtC、GLI1 的mRNA 表達(dá)水平，用Western blot 方法檢測肺組織SHH 和GLI1 蛋白水平的表達(dá)，得出結(jié)論LPS 誘導(dǎo)的ALI 可激活SHH 信號通路，上調(diào)SHH 表達(dá)可減輕肺損傷，參與受損肺組織的修復(fù)［11］。

肺損傷后完整上皮的恢復(fù)是恢復(fù)肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵。損傷后的最初過程包括急性炎癥反應(yīng)，免疫細(xì)胞的募集，上皮細(xì)胞在自體分泌的臨時基質(zhì)上的擴(kuò)散和遷移［12］。已知SHH 信號通路在正常發(fā)育肺中可能低水平表達(dá)于氣道上皮細(xì)胞，并在肺纖維化和肺肺纖維化相關(guān)的炎性疾病以及肺部腫瘤中表達(dá)可顯著升高。數(shù)據(jù)顯示Shh 主要表達(dá)在成人肺上皮細(xì)胞的近端氣道的Scgb1a1+club 上皮細(xì)胞，零星表達(dá)在纖毛上皮和Sftpc+肺泡II 型上皮細(xì)胞。Shh 是成人肺的主要配體，表達(dá)于近端氣道和遠(yuǎn)端肺泡上皮。GLI2+肺間充質(zhì)細(xì)胞是HH 受體，存在于近端和遠(yuǎn)端間充質(zhì)中。HH 信號活性在近端氣道間充質(zhì)中高，但在遠(yuǎn)端肺泡間充質(zhì)中低，這表明HH 靶基因Gli1，ptch1 和Ptch2 在近端間充質(zhì)中富集［13］。SHH 信號通路的靶基因常是生長因子或生長因子受體，包括胰島素樣生長因子2（IGF-2）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和血小板衍生生長因子受體α（PDGFR 衍）［14］。

肺泡毛細(xì)血管膜（pulmonary microvascular endothelial，PMVEC）是肺部微循環(huán)血液與肺泡之間的屏障，由肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞、基底膜以及肺泡上皮細(xì)胞組成。肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞（PMVECs）在急性肺損傷的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。研究者在脂多糖（LPS）損傷的PMVECs 中，將細(xì)胞分為6 組：對照組、LPS 組、rhShh 組、LPS+rhShh 組、rhShh+環(huán)多巴胺組、LPS+rhShh+環(huán)多巴胺組。發(fā)現(xiàn)Shh、ptch1 和Gli1在大鼠PMVECs 中有表達(dá)，當(dāng)細(xì)胞受到LPS 處理后，它們的表達(dá)降低。另一方面，LPS 抑制大鼠PMVECs 活性，引起細(xì)胞損傷。Shh 激活Hedgehog 信號通路可提高LPS 預(yù)處理后PMVECs 的活性。因此，Hedgehog 信號通路對LPS 損傷PMVECs 具有保護(hù)作用。表明Sonic hedgehog（Shh）作為Hedgehog 信號通路的啟動蛋白，在減輕內(nèi)皮損傷、促進(jìn)內(nèi)皮屏障功能修復(fù)方面可能具有的優(yōu)勢［15］。

在組織器官損失修復(fù)過程中，發(fā)育途徑“重新再現(xiàn)”體現(xiàn)了廣義的再生醫(yī)學(xué)，重現(xiàn)發(fā)育過程并重建器官。學(xué)者認(rèn)為某些發(fā)育途徑永遠(yuǎn)不會被關(guān)閉，而是被重新調(diào)整用途，以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和器官功能。HH 信號途徑從發(fā)育到成年，通路活性從未消失，由于在不同發(fā)育時期的激活不同區(qū)域而產(chǎn)生不同后果，從而對損失進(jìn)行修復(fù)。由于激活程度的不同，產(chǎn)生不同后果，同時在這個過程中，多個關(guān)鍵的信號通路在調(diào)節(jié)過程中起重要作用，包括Rho GTP 酶、MAP 激酶通路、STAT3 和Wnt。修復(fù)機(jī)制的因子的釋放，協(xié)調(diào)過程涉及整合素、基質(zhì)材料（纖維連接蛋白、膠原、層粘連蛋白）、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP-1、MMP-7、MMP-9）、局灶性粘連和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的過程，以促進(jìn)細(xì)胞的擴(kuò)散和遷移。目前SHH 蛋白激活劑和SMO 拮抗劑HH 抑制劑在腫瘤靶向腫瘤中發(fā)揮重要輔助作用，期待HH 信號途徑在急性肺損傷修復(fù)的啟動因素以及參與修復(fù)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的進(jìn)一步的研究，成果應(yīng)用于改善急性肺損傷疾病進(jìn)展。