糖尿病肺纖維化發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

付庭呂，高明朗，李 寧，耿 慶

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院胸外科，湖北 武漢 430060)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一種以胰島素絕對(duì)缺乏或胰島素相對(duì)不足伴胰島素抵抗、持續(xù)高血糖為特征的全身代謝紊亂疾病。近30多年來(lái)，我國(guó)DM患病率顯著增加，目前仍逐年上升，2015～2017年已達(dá)到11.2%[1]。糖尿病腎纖維化和心肌纖維化已被人們所公認(rèn)并被廣泛研究[2-3]。肺擁有豐富的肺泡-毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)和結(jié)締組織，研究證明[4-5]，肺也是DM并發(fā)癥的靶器官之一，高血糖可誘導(dǎo)肺纖維化病變，但其發(fā)病機(jī)制目前仍知之甚少。該文首次系統(tǒng)綜述了糖尿病肺纖維化的潛在機(jī)制，旨為探究其深層機(jī)制提供探究思路，以及為開(kāi)發(fā)其治療藥物提供參考依據(jù)。

1 糖尿病肺纖維化的臨床特征

糖尿病肺纖維化(diabetic pulmonary fibrosis，DPF)是指DM患者在長(zhǎng)期高血糖刺激下，可誘發(fā)肺部纖維化病變，是DM的主要并發(fā)癥之一。前期研究顯示，DPF患者的臨床特征主要有肺功能、影像學(xué)和病理學(xué)3個(gè)方面的異常。其肺功能降低，呈限制性通氣功能障礙改變，表現(xiàn)為除第1 秒用力呼氣容積/用力肺活量升高外，其余肺功能指標(biāo)如第1 秒用力呼氣容積、用力肺活量、一氧化碳彌散量等均顯著降低；影像學(xué)異常為高分辨率CT圖像呈條索狀、網(wǎng)格狀改變，與典型的特發(fā)性肺纖維化的影像學(xué)改變(呈UIP型，包括網(wǎng)格型和蜂窩型)相似；病理學(xué)異常以顯著的纖維化病變?yōu)樘卣?，主要表現(xiàn)為肺泡間隔和肺血管基底膜增厚及大量的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)。

2 糖尿病肺纖維化的發(fā)病機(jī)制

DPF的發(fā)病機(jī)制是多因素的、高度復(fù)雜的，具體機(jī)制尚不清楚。目前DPF的潛在機(jī)制主要有自主神經(jīng)病變、肺微血管病變、晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycosylation end products，AGES)、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition ，EMT)與內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)、細(xì)胞衰老與DNA的損傷修復(fù)等。

2.1 自主神經(jīng)病變糖尿病神經(jīng)病變是DM常見(jiàn)的慢性并發(fā)癥，影響約一半的DM患者。糖尿病自主神經(jīng)病變是指在排除其他原因后，在DM或DM前期代謝紊亂的情況下發(fā)生的自主神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。糖尿病自主神經(jīng)病變可影響心血管、胃腸、泌尿生殖系統(tǒng)及舒縮功能，在DPF中也發(fā)揮著巨大作用，其作用機(jī)制與長(zhǎng)期高血糖、AGES積聚、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、脂質(zhì)代謝異常等密切相關(guān)[6]。DM患者若血糖控制不良，極易導(dǎo)致肺自主神經(jīng)病變，主要表現(xiàn)為氣道口徑增加、支氣管擴(kuò)張、肺表面活性物質(zhì)產(chǎn)生受損、低氧通氣反應(yīng)受損、分泌物動(dòng)員和黏液纖毛清除受損等[4]。此外，高血糖誘發(fā)自主神經(jīng)病變，還會(huì)損害呼吸神經(jīng)肌肉功能，導(dǎo)致肺容積減少、肺功能下降，加速DM患者限制性并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展[7]。因此，預(yù)防糖尿病自主神經(jīng)病變可改善DPF對(duì)機(jī)體的影響，提高患者生活質(zhì)量。

2.2 肺微血管病變血管損傷在DM的病理生理學(xué)中起著核心作用。DM常見(jiàn)的并發(fā)癥如視網(wǎng)膜病變、神經(jīng)病變、腎病和心血管功能障礙等幾乎均由血管損傷引起。研究表明高血糖可誘導(dǎo)肺間質(zhì)纖維化改變和肺泡微血管病變[5]，故DPF的損傷機(jī)制可能源于肺部微血管損傷。DM患者在長(zhǎng)期高血糖刺激下，可誘導(dǎo)血小板高反應(yīng)性、炎癥以及氧化應(yīng)激等，進(jìn)一步導(dǎo)致肺血管內(nèi)皮損傷，最終導(dǎo)致肺泡上皮和肺毛細(xì)血管基底膜增厚、肺毛細(xì)血管血容量減少以及源于通氣灌注比例失調(diào)的彌散功能受損[8]。此外，Matsubara等[9]對(duì)35例解剖后的DM組和26例解剖后的非DM組的肺進(jìn)行組織病理學(xué)研究顯示DM患者肺泡毛細(xì)血管壁、肺小動(dòng)脈壁和肺泡壁明顯增厚；在多種DM動(dòng)物模型中也可觀察到肺泡上皮、肺血管基底膜明顯增厚，及更明顯的纖維化病變[10-11]?？傊@些影響均歸因于與DM微血管病變相關(guān)的肺毛細(xì)血管損傷，進(jìn)一步深入研究非常有價(jià)值。

2.3 晚期糖基化終末產(chǎn)物AGES是指高血糖引起膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質(zhì)的非酶糖基化，對(duì)DM并發(fā)癥至關(guān)重要。晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGES)是AGES的細(xì)胞表面受體，在肺組織中分布廣泛，其主要作用為清除AGES。正常情況下AGES在肺中的分布僅限于較低的基礎(chǔ)水平，但在DM患者中，長(zhǎng)期高血糖刺激將導(dǎo)致AGES在肺組織中積聚，誘發(fā)氧化應(yīng)激、炎癥、EMT等，使肺結(jié)構(gòu)重建，進(jìn)而導(dǎo)致肺纖維化。胸部和肺部富含膠原蛋白和彈性蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)成分，ECM的過(guò)度產(chǎn)生，特別是高血糖導(dǎo)致ECM的非酶蛋白糖基化，可導(dǎo)致胸腔和肺實(shí)質(zhì)的基質(zhì)硬化，不可逆轉(zhuǎn)地重塑肺組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)肺纖維化的進(jìn)展，從而限制肺的生理作用[12]。前期研究檢測(cè)到AGES在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DM小鼠模型的肺組織內(nèi)大量積累，故AGES可能是加速高血糖患者肺纖維化的重要因素之一。此外，在RAGES(-/-)小鼠中存在自發(fā)性肺纖維化樣改變，重建RAGES能有效地恢復(fù)并逆轉(zhuǎn)病理異常[13]。因此，減少AGES在肺組織內(nèi)的積聚，維持AGES和RAGES的均衡可能是延緩或逆轉(zhuǎn)DPF的重要方法。

2.4 氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激是指細(xì)胞和組織的氧化和抗氧化系統(tǒng)之間失衡，即活性氧(reactive oxygen species，ROS)、活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的過(guò)度產(chǎn)生或抗氧化防御系統(tǒng)能力下降的結(jié)果。ROS、RNS的主要生成位點(diǎn)是線粒體電子傳遞鏈、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過(guò)氧化物酶體等，其中線粒體是ROS的主要來(lái)源和靶點(diǎn)，與DM的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。DM患者，在長(zhǎng)期高血糖的刺激下，肺部的膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質(zhì)易發(fā)生非酶糖基化，進(jìn)而促使機(jī)體產(chǎn)生過(guò)多的ROS、RNS，損害抗氧化防御系統(tǒng)，導(dǎo)致氧化與抗氧化失衡，最終誘發(fā)氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激可以直接損傷細(xì)胞或者DNA，也可以通過(guò)激活多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路如核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶、應(yīng)激激活蛋白激酶、氨基己糖通路、蛋白激酶C、AGES/RAGES等間接損傷細(xì)胞，并進(jìn)一步刺激促炎細(xì)胞因子和促纖維化細(xì)胞因子的表達(dá)，從而導(dǎo)致內(nèi)皮損傷、炎癥反應(yīng)、膠原堆積和ECM沉積，最終誘發(fā)肺纖維化[14]。研究表明，血管緊張素II可通過(guò)激活NADPH氧化酶介導(dǎo)的亞硝化損傷誘導(dǎo)DPF[15]；由活性氧和活性氮激活的NF-κB的抑制劑對(duì)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DM大鼠肺損傷有保護(hù)作用[16]。綜上所述，氧化應(yīng)激在DPF的發(fā)生發(fā)展中有著極其重要的作用，值得我們進(jìn)一步探究更深層次的作用機(jī)制。

2.5 炎癥反應(yīng)炎癥反應(yīng)貫穿于DM的整個(gè)病程，在DPF的發(fā)生發(fā)展中扮演著不可或缺的作用。在DM高血糖刺激下，線粒體受損產(chǎn)生大量ROS，并通過(guò)損害自噬-溶酶體系統(tǒng)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化為促炎M1表型，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致DPF的發(fā)生[17]。此外，高血糖也可以通過(guò)激活NF-κB促炎信號(hào)通路和NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體，使機(jī)體分泌大量的炎性細(xì)胞因子，誘發(fā)DPF。Chen等[11]的研究結(jié)果表明間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)Sirtuin3可抑制NF-κB促炎信號(hào)通路及NLRP3炎癥小體的激活，進(jìn)而減輕炎癥反應(yīng)并有效地減輕DPF；Eren等[16]證實(shí),在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DM大鼠中，NF-κB抑制劑可以減少肺泡基底膜厚度及間質(zhì)內(nèi)單核細(xì)胞浸潤(rùn)，發(fā)揮肺保護(hù)的作用?？傊?，DPF作為DM的并發(fā)癥之一，抗炎治療不容忽視。

2.6 上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化及內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化組織纖維化是大多數(shù)DM并發(fā)癥的共同點(diǎn)，而肌成纖維細(xì)胞是病理性ECM堆積的關(guān)鍵介質(zhì)。在病理情況下，肌成纖維細(xì)胞不受限制的激活將導(dǎo)致ECM的過(guò)度沉積，從而誘發(fā)組織纖維化。肌成纖維細(xì)胞來(lái)源于不同的前體細(xì)胞，主要包括成纖維細(xì)胞、骨髓來(lái)源的間充質(zhì)細(xì)胞，以及發(fā)生表型轉(zhuǎn)換的上皮和內(nèi)皮細(xì)胞[18]。肺組織內(nèi)上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞儲(chǔ)備相當(dāng)豐富，故EMT和EndMT在DPF的發(fā)生發(fā)展中也不容忽視。

EMT是指一種完全分化的上皮細(xì)胞向間充質(zhì)表型轉(zhuǎn)化，形成成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞的過(guò)程，其特征是成纖維細(xì)胞標(biāo)志物如α-平滑肌肌動(dòng)蛋白和波形蛋白表達(dá)增加，而上皮細(xì)胞標(biāo)志物如E-鈣粘蛋白表達(dá)減少。DM患者在長(zhǎng)期高血糖刺激下，導(dǎo)致肺組織內(nèi)AGES積聚、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)等的發(fā)生，進(jìn)一步導(dǎo)致異常的上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞，并產(chǎn)生過(guò)量的ECM，破壞組織結(jié)構(gòu)，最終誘發(fā)肺纖維化[18]。已有研究證明,EMT通過(guò)激活LOX-1/TGF-β1/KLF6信號(hào)通路參與DPF的病理過(guò)程[19]；高胰島素血癥通過(guò)激活PI3K/Akt/GSK3β/β-Catenin通路促進(jìn)EMT和纖維化[20]。

EndMT是指一種完全分化的內(nèi)皮細(xì)胞向間充質(zhì)表型轉(zhuǎn)化。研究表明EndMT在肺部疾病如肺動(dòng)脈高壓、特發(fā)性肺纖維化、新型冠狀病毒感染后肺纖維化等中發(fā)揮重要作用[18,21-22]。前期研究表明，當(dāng)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞暴露于高糖環(huán)境中時(shí)，可觸發(fā)其向間充質(zhì)表型轉(zhuǎn)變；同時(shí)，在DM患者肺組織中，也能檢測(cè)到內(nèi)皮標(biāo)志物減少，間充質(zhì)表型標(biāo)志物及纖維化標(biāo)志物明顯增加，并且DM患者肺組織免疫熒光示肺血管周有大量的纖維化標(biāo)志物累積，因此猜測(cè)DPF可能始于肺血管周，且其機(jī)制可能是肺血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生了EndMT，值得進(jìn)一步深入探究。綜上所述，DM患者在長(zhǎng)期高血糖刺激下可誘導(dǎo)EndMT，導(dǎo)致血管舒張和收縮之間的失衡、血管炎癥等，最終誘發(fā)DPF。

2.7 細(xì)胞衰老及DNA損傷修復(fù)DM相關(guān)器官纖維化是一個(gè)以細(xì)胞衰老加劇為標(biāo)志的日益嚴(yán)重的健康問(wèn)題。細(xì)胞衰老是由促衰老應(yīng)激源引起的穩(wěn)定復(fù)制停滯的進(jìn)化保守狀態(tài)，其發(fā)病機(jī)制主要包括端粒磨損、氧化應(yīng)激、DNA損傷和蛋白質(zhì)組不穩(wěn)定[23]。最新研究表明，DPF和DNA損傷直接相關(guān)，DNA損傷后，修復(fù)潛能缺陷，將觸發(fā)代謝和轉(zhuǎn)錄變化，激活衰老相關(guān)的分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)如白細(xì)胞介素、炎性細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的活躍分泌，激活級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致肺容量減少、呼吸困難和炎癥，肺功能將不可逆的受損，最終誘發(fā)肺纖維化[24]。DNA修復(fù)能力與還原糖的還原能力直接相關(guān)，當(dāng)2型肺泡上皮細(xì)胞暴露于還原糖時(shí)，可使氧化還原平衡向NADH偏移(NAD+到NADH)，NADH通過(guò)減弱直接參與DNA修復(fù)的Sirtuin或PARP信號(hào)來(lái)影響DNA修復(fù)系統(tǒng)的完整性[25]。據(jù)報(bào)道，RAGES是DNA損傷-修復(fù)的主要調(diào)節(jié)因子，RAGES的喪失與永久性DNA斷裂信號(hào)、細(xì)胞衰老和纖維化密切相關(guān)[13]。綜上所述，細(xì)胞衰老及DNA損傷在DPF中的作用目前雖只嶄露頭角，但其中蘊(yùn)含的意義巨大，值得進(jìn)一步挖掘探究。

3 總結(jié)與展望

DPF作為DM的肺部并發(fā)癥，在大量臨床和實(shí)驗(yàn)研究的支持下，已漸漸被人們所認(rèn)可。但由于肺部擁有豐富的肺泡-毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)，儲(chǔ)備巨大，DM肺部并發(fā)癥發(fā)生較其他組織器官晚，大部分DM患者肺部并發(fā)癥處于亞臨床狀態(tài)，只有當(dāng)合并肺部疾患損傷肺功能時(shí)，DM肺部并發(fā)癥才會(huì)大大提前，醫(yī)務(wù)工作者和DM患者需加大關(guān)注力度。目前對(duì)DPF的作用機(jī)制知之甚少，該文系統(tǒng)綜述了DPF在自主神經(jīng)病變、肺微血管病變、AGES、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、EMT與EndMT、DNA的損傷與細(xì)胞衰老等方面的作用機(jī)制，但各個(gè)作用機(jī)制之間并非毫無(wú)關(guān)聯(lián)，而是相互影響，相互促進(jìn)的(Fig 1)，同時(shí)，DPF仍缺乏行之有效的治療措施，深入探究其新機(jī)制以及開(kāi)發(fā)安全有效的新藥物勢(shì)在必行。

Fig 1 Pathogenesis of diabetic pulmonary fibrosisDiabetic pulmonary fibrosis can be induced by long-term hyperglycemia through seven main mechanisms including autonomic neuropathy, pulmonary microangiopathy, accumulation of advanced glycosylation end products, oxidative stress, inflammation, epithelial-mesenchymal transition and endothelial-mesenchymal transition, DNA damage and cell senescence. They do not work alone, but interact and influence each other to induce diabetic pulmonary fibrosis.