肺纖維化和肺癌疾病共同信號通路及作用機制研究進展

任善發(fā), 崔夢奇, 暴嘉麗, 王 明, 肖 婷, 周紅剛

(南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室, 天津 300381)

特發(fā)性肺纖維化 (Idiopathic pulmonary fibrosis,IPF) 是一種病因不明的慢性進行性纖維化間質(zhì)性肺炎,其發(fā)病率和死亡率隨著年齡的增長而增加,并且多發(fā)于中老年人(55～75歲)[1]。肺纖維化主要表現(xiàn)為肌成纖維細胞增殖和細胞外基質(zhì)沉積,促進肺部重塑及纖維化的斑片狀區(qū)域的進展。肺纖維化患者診斷后3～5年的存活率為20～30%,中位生存期為2～5年。在肺纖維化患者中肺部其他疾病的發(fā)生率比正常人群顯著提高,最為經(jīng)典的就是肺癌(lung cancer,LC)。目前有調(diào)查顯示肺纖維化患者中肺癌發(fā)病率為2.7%至48%,較普通人患肺癌的發(fā)病率(2.0%～6.4%)明顯升高。肺纖維化合并肺癌給患者的生活質(zhì)量帶來嚴(yán)重威脅,并且提高了患者的死亡率。肺纖維化中位生存時間為38個月,肺癌中位生存期為26個月,肺纖維化合并肺癌的中位生存時間僅為13.1個月。近年來,不斷有研究發(fā)現(xiàn)肺纖維化和肺癌在發(fā)病機制以及信號通路上存在很多相似性。鑒于此,深入研究肺纖維化與肺癌疾病共同的調(diào)控機制,開發(fā)靶向二者共同關(guān)鍵調(diào)控環(huán)節(jié)的新型干預(yù)策略,有望成為控制肺纖維化合并肺癌疾病的重要研究方向。

1 肺纖維化與肺癌共同的細胞過程

1.1上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT):上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT)是指上皮細胞通過特定程序失去細胞極性和細胞間黏附,并獲得遷移和侵襲特性成為間充質(zhì)細胞的生物學(xué)過程。EMT是一種廣泛參與機體生理性調(diào)節(jié)和病理性改變的重要機制,在生理學(xué)方面,EMT可引起胚胎形成、傷口愈合和組織再生。在病理學(xué)方面,能引起組織纖維化、腫瘤發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及耐藥性的形成。肺的最遠端區(qū)域是復(fù)雜的肺泡系統(tǒng),肺泡上皮細胞分為Ⅰ型和Ⅱ型,Ⅰ型提供薄壁氣體交換表面,Ⅱ型充當(dāng)干細胞,有助于肺泡的更新和修復(fù)。肺纖維化的特點是大量的肌成纖維細胞在肺組織中持續(xù)激活,并且分泌大量的細胞外基質(zhì)成分比如I型膠原蛋白。一種現(xiàn)代理論認(rèn)為,組織損傷會伴隨著轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-β)的產(chǎn)生,TGF-β會誘導(dǎo)上皮細胞向間充質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化(EMT)即成纖維細胞/肌成纖維細胞,繼而促進纖維增殖。許多研究已經(jīng)表明Ⅱ型肺泡上皮細胞能夠在TGF-β的刺激下,分化成為纖維細胞/肌成纖維細胞并產(chǎn)生細胞外基質(zhì)[2]。最后,有幾種新興理論認(rèn)為肺動脈內(nèi)皮細胞、胸膜間皮細胞或肺周細胞是肺纖維化中肌成纖維細胞的重要來源[3]。癌癥的轉(zhuǎn)移與侵襲是癌癥難以治愈的關(guān)鍵原因,而EMT在此過程中發(fā)揮著重要作用。癌細胞在多種因素和細胞因子的誘導(dǎo)下發(fā)生EMT過程。在肺癌中,EMT信號的激活主要有TGF-β,IL-6,Ras,EGFR和AKT等。這些不同的生長因子激活不同的信號通路,從而激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子來直接或者間接的增加EMT-TFs的表達進而誘發(fā)EMT。EMT-TFs的過表達會有助于肺癌惡性腫瘤特性如侵襲性,轉(zhuǎn)移性和干性的發(fā)生[4]。此外,大量實驗顯示,肺癌的耐藥性與EMT也存在關(guān)聯(lián),這種抗性依賴于MCL1介導(dǎo)的抗凋亡途徑[5]。

1.2細胞增殖:有非常多的證據(jù)表明在肺纖維化和肺癌患者中都觀察到了增殖信號通路的持續(xù)激活。事實上,肌成纖維細胞通過自分泌TGFβ1維持其自身的生長,并部分喪失產(chǎn)生抗纖維化前列腺素E2(PGE2)的能力[6]。此外,它們對PGE2的抑制活性和其他抗增殖信號缺乏反應(yīng)。此外,血小板衍生生長因子(PDGF)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)和成纖維細胞生長因子(FGF)也與肺成纖維細胞的持續(xù)增殖信號傳導(dǎo)有關(guān)。癌細胞的異常增殖和持續(xù)的增殖信號可以說是癌細胞最基本的特征。

1.3細胞間通訊異常:細胞間通道由連接蛋白(Cxs)家族的蛋白質(zhì)組成,為細胞的代謝和電耦合提供條件。Cxs是細胞增殖和組織修復(fù)所必需的蛋白家族。其中,Cx43在成纖維細胞膜上含量最多,參與組織修復(fù)和傷口愈合。在傷口部位,Cx43的降低促進受損皮膚組織的修復(fù),增加細胞增殖和角質(zhì)形成細胞和成纖維細胞的遷移。因此,Cx43的下調(diào)與TGF-β表達水平的增加和膠原蛋白的產(chǎn)生與肌成纖維細胞分化的加速有關(guān),三者共同促進組織修復(fù)與傷口愈合[7]。在IPF成纖維細胞中,Cx43表達強烈下調(diào),導(dǎo)致成纖維細胞增殖失去控制,從而造成傷口的異常修復(fù),形成肺纖維化病灶。同樣,小鼠和人肺癌的癌細胞系的Cx43表達水平同樣下降,這導(dǎo)致細胞間通訊減少,細胞從接觸抑制中得到釋放,進而導(dǎo)致腫瘤細胞不受控制的增殖[8]。

1.4組織損傷與凝血級聯(lián):肺泡結(jié)構(gòu)的損傷會導(dǎo)致血管通透性增加,在傷口愈合的早期階段,內(nèi)皮和上皮損傷會激活凝血級聯(lián)反應(yīng),然后通過內(nèi)皮細胞和內(nèi)皮祖細胞(EPC)的增殖形成新血管。凝血蛋白酶對傷口愈合具有多種細胞作用。特別是,組織因子依賴性途徑是肺纖維化發(fā)病機制的核心,并促進促凝狀態(tài),同時纖溶酶原激活、活性纖溶和蛋白C的抑制劑水平增加。通過一系列的凝血級聯(lián)反應(yīng),促凝/纖溶失衡,蛋白酶激活受體家族收到活化后誘導(dǎo)成纖維細胞分化為肌成纖維細胞,導(dǎo)致肺纖維化的發(fā)生[9]。

肺癌和血栓形成之間的關(guān)聯(lián)自1865年就已得到認(rèn)可。它被認(rèn)為是雙向關(guān)聯(lián)；癌癥與靜脈血栓栓塞(VTE)的風(fēng)險增加有關(guān),而凝血級聯(lián)反應(yīng)的激活會增強腫瘤細胞的增殖、血管生成和轉(zhuǎn)移。尤其是蛋白酶激活受體(PARs)家族在癌癥領(lǐng)域的研究已經(jīng)有很多,實驗表明在肺癌患者的肺組織中PARs的表達量比正常組織高很多[10]。因此針對PARs靶點也開發(fā)了很多抗凝策略來治療肺癌與肺纖維化。

1.5炎癥反應(yīng):炎癥是一種免疫反應(yīng),用于修復(fù)由感染因子、環(huán)境刺激和內(nèi)源性刺激物引起的組織損傷。無法解決的急性炎癥會導(dǎo)致慢性炎癥,其特征是炎癥組織微環(huán)境中巨噬細胞和淋巴細胞的持續(xù)激活以及促炎細胞因子IL-1β、IL-6、IL-17和TNF-α水平升高。在肺纖維化和肺癌發(fā)生發(fā)展過程中都伴隨著慢性炎癥的癥狀。研究發(fā)現(xiàn)[11],肺纖維化中最主要的炎癥細胞為M2表型巨噬細胞,它會產(chǎn)生有助于炎癥反應(yīng)的細胞因子,導(dǎo)致組織微環(huán)境中上皮細胞、基質(zhì)細胞和免疫細胞之間穩(wěn)態(tài)相互作用的崩潰,從而導(dǎo)致成纖維細胞向肌成纖維細胞轉(zhuǎn)變進而導(dǎo)致肺纖維化,造成細胞外基質(zhì)(ECM)成分沉積。在肺癌中也發(fā)現(xiàn)了M2表型巨噬細胞,并促進血管生成、激活間充質(zhì)細胞、重塑基質(zhì)和抑制效應(yīng)T細胞反應(yīng)的能力來支持腫瘤生長。另一方面,浸潤性T淋巴細胞在腫瘤進展和抑制中起著至關(guān)重要的作用。盡管它們在肺纖維化中的作用仍不清楚,但是在肺纖維化的初始階段觀察到T淋巴細胞數(shù)量和功能缺失[12]。

2 肺纖維化與肺癌共同的信號通路

研究發(fā)現(xiàn),肺纖維化與肺癌存在許多共同信號通路的異常激活,主要包括Wnt/β-catenin通路、Sonic Hedgehog(Shh)通路、Notch通路、PI3K/AKT/mTOR通路、TGF-β/smad通路等。

2.1Wnt/β-catenin 通路:Wnt/β-catenin 通路在肺纖維化和肺癌患者的肺組織中均存在過度表達。該通路調(diào)節(jié)參與組織侵襲的分子的表達,如基質(zhì)溶解素、層粘連蛋白和細胞周期蛋白-D1,從而誘導(dǎo)EMT過程。在肺纖維化中,氣管損傷誘導(dǎo)的Ⅱ型肺泡上皮細胞中的經(jīng)典通路就是Wnt/β-catenin信號激活促進間質(zhì)成纖維細胞的激活,而持續(xù)性刺激,最終導(dǎo)致肺纖維化。經(jīng)典Wnt/β-catenin信號的激活會促進血管周圍的成纖維細胞向肌成纖維細胞轉(zhuǎn)變,這也導(dǎo)致ECM積累和肺纖維化形成[13]。Wnt信號通路在肺癌中被激活后,通路相關(guān)蛋白TCF/LEF在肺癌模型中表達顯著增加,從而激活Sox-2、c-myc、cyclin D1等下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。其中關(guān)鍵分子Wnt1、β-catenin、cyclin D1 及Sox-2在肺癌組織中的表達量均有不同程度的升高[14]。

2.2Sonic Hedgehog (Shh)通路:Shh通路也在肺纖維化中異常激活。Shh通路的過度表達促進了上皮細胞對凋亡的易感性增加和成纖維細胞對凋亡的抵抗力增加[15]。該通路也在腫瘤發(fā)生的早期被癌癥干細胞重新激活,并通過旁分泌作用影響其他腫瘤細胞,導(dǎo)致腫瘤生長、腫瘤擴散和EMT[16]。在肺癌中,shh通路的重新激活參與了對肺癌的所有主要治療的抗性的發(fā)展。

2.3Notch通路:Notch通路也在成纖維細胞中重新激活,并誘導(dǎo)成纖維細胞中的α-SMA表達,并介導(dǎo)成纖維細胞的EMT[17]。同樣,Notch信號通路的異常表達是NSCLC患者中相對常見的事件。Notch信號可促進NSCLC細胞的增殖或抑制NSCLC細胞的凋亡。已經(jīng)證明,Notch信號通路的成員可能是預(yù)測NSCLC患者進展和預(yù)后的潛在生物標(biāo)志物。

2.4PI3K/AKT/mTOR通路:PI3K/AKT/mTOR通路在肺纖維化等纖維增殖性疾病中也表現(xiàn)出失調(diào)。具體而言,TGF-β可能激活細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1和2(ERK1/2),該通路的靶基因激活其他信號通路,包括調(diào)節(jié)增殖的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt通路和細胞凋亡。在用TGF-β刺激后,PI3K在增殖和分化為肌成纖維細胞中的作用已得到證實[18]。口服PI3K通路抑制劑可顯著預(yù)防博萊霉素誘導(dǎo)的大鼠肺纖維化。PI3K/AKT/mTOR通路的失調(diào)也涉及NSCLC,并且與癌癥轉(zhuǎn)移和侵襲有關(guān)。此外,該通路的異常在鱗狀細胞肺癌(SQC)中比在肺腺癌(ADC)中更常見[19]。目前已經(jīng)使用PI3K通路作為靶點開發(fā)了治療性抑制劑,并且正在許多癌癥中評估它們對腫瘤生長和存活的影響。

2.5TGF-β/Smad通路:研究表明,TGF-β表達水平在肺纖維化病變的區(qū)域大大提高。TGF-β通過促進胞外基質(zhì)受體的轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白形成,從而促進ECM的沉積或者通過選擇性抑制膠原酶的合成、誘導(dǎo)膠原酶抑制物的產(chǎn)生或抑制蛋白酶抑制劑表達與激活,最終使膠原降解減少,有效的促進了ECM介導(dǎo)肺纖維化生成。此外,在肺纖維化中,TGF-β1調(diào)節(jié)成纖維細胞向肺損傷部位的募集,能夠抑制表面活性物質(zhì)形成并增加上皮細胞的凋亡,刺激成纖維細胞向肌成纖維細胞分化。

在肺癌發(fā)生的早期,TGF-β通過誘導(dǎo)正常和惡變前細胞的細胞停滯和細胞凋亡而起到腫瘤抑制作用。但是,當(dāng)癌細胞獲得致癌突變或失去腫瘤抑制基因功能時,TGF-β通過刺激腫瘤細胞的EMT而起到腫瘤促進劑的作用。TGF-β是EMT的強啟動子,通過Smad或非Smad信號通路的TGF-β可以誘導(dǎo)幾種EMT-TF的表達,例如Snail1,Snail2,Zeb1/2和Twist。遷移性和侵入性間充質(zhì)樣腫瘤細胞從原發(fā)性病變部位滲入血管或淋巴管,然后轉(zhuǎn)移到遠處,從而形成轉(zhuǎn)移性腫瘤。

綜上所述,肺纖維化和肺癌都是嚴(yán)重的肺部疾病,并且肺纖維化患者有很大幾率會演化進展為肺癌。本文綜述了肺纖維化與肺癌共同存在的細胞過程和信號通路,對尋找肺纖維化與肺癌共同靶點具有重要啟示意義。因此,對于肺纖維化合并肺癌患者,一方面需要研究抗癌藥物是否可能發(fā)揮有效的抗纖維化作用,另一方面,非常需要前瞻性地將目前已批準(zhǔn)的抗纖維化藥物(或正在研究的藥物)作為肺纖維化合并肺癌患者臨床試驗治療的藥物。