氣體信號(hào)分子對(duì)特發(fā)性肺纖維化的作用機(jī)制研究進(jìn)展

李傲寒 白 羽 王茜茜 陳穎卿

大連大學(xué)醫(yī)學(xué)院慢性病研究中心，遼寧大連 116622

特發(fā)性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是以組織內(nèi)肺成纖維細(xì)胞過度增殖，細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）過度積聚為病理特征的一種間質(zhì)性肺疾病[1]。IPF 患者診斷后的平均生存期僅為2～4 年，5 年生存率為20%～25%，死亡率高于多數(shù)腫瘤[2]。目前國(guó)家藥監(jiān)局批準(zhǔn)的IPF 治療藥物主要有糖皮質(zhì)激素、吡非尼酮和尼達(dá)尼布，但這些藥物治療效果具有個(gè)體差異且毒副作用大[3]，因此尋找低毒性有效治療IPF 藥物已成為研究熱點(diǎn)。一氧化氮（nitrogen monoxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氫（hydrogen sulfide，H2S）等氣體信號(hào)分子是一種維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)且半衰期較短的小分子[4]，對(duì)肺纖維化的進(jìn)程具有一定的干預(yù)作用，然而其分子調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步探討。本文將從以上3 種氣體信號(hào)分子對(duì)IPF 的干預(yù)機(jī)制及臨床應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 NO 對(duì)肺纖維化疾病的調(diào)控作用

NO 是L-精氨酸氧化成瓜氨酸過程中的副產(chǎn)物，需三種一氧化氮合成酶（nitrogen monoxide synthase，NOS）的調(diào)控，包括神經(jīng)元NOS（neuronal nitric oxide synthase，nNOS 或NOS1）、誘導(dǎo)型NOS（inducible nitric oxide synthase，iNOS 或NOS2）和內(nèi)皮型NOS（endothelial nitric oxide synthase，eNOS 或NOS3）[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)博萊霉素（Bleomycin，BLM）可激活核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）上調(diào)iNOS 和NLRP3促進(jìn)肺組織內(nèi)纖維化的發(fā)生，并且發(fā)現(xiàn)降低肺組織中iNOS 的表達(dá)可以抑制肺纖維化；而NO可通過S-亞硝基化的方式抑制NLRP3 炎癥小體的組裝，抑制白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β 的分泌，進(jìn)而改善肺纖維化[7-9]。因此，過多NO 對(duì)肺纖維化具有惡化作用，而一定量的NO 可調(diào)節(jié)相關(guān)炎癥反應(yīng)從而改善肺纖維化的發(fā)生。見圖1。

四氫生物蝶呤（tetrahydrobiopterin，BH4）是NOS的輔助因子，低水平的BH4 會(huì)使NOS 解耦聯(lián)，從而產(chǎn)生少量NO、超氧化物和過氧亞硝酸鹽，導(dǎo)致血管氧化應(yīng)激反應(yīng)及內(nèi)皮功能的障礙[10]。研究顯示，IPF 患者血清中存在大量硝基酪氨酸和活性氧，提示BH4 減少可促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)而影響纖維化的發(fā)生與發(fā)展[10-12]。另外，BH4 的氧化產(chǎn)物BH2 可以競(jìng)爭(zhēng)性地與NOS 結(jié)合，進(jìn)而干擾BH4 激活NOS[13-14]。因此，BH4/BH2 的比值降低也會(huì)引起NOS 解耦聯(lián)。通過口服BH4 可提高血中BH4 含量改善BLM 誘導(dǎo)的大鼠肺動(dòng)脈高壓和肺纖維化[10]。見圖1。

圖1 一氧化氮對(duì)肺纖維化的治療作用及其分子調(diào)控機(jī)制

綜上所述，NO/NLRP3 信號(hào)軸和NOS 輔助因子BH4 可能是以后治療肺纖維化的有效靶點(diǎn)，其分子作用機(jī)制還有待進(jìn)一步探究。

2 CO 對(duì)肺纖維化疾病的干預(yù)及其調(diào)控作用

CO 是由血紅素氧合酶（heme oxygenase，HO）降解血紅素而生成[15]。CO 可通過自分泌或旁分泌與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）的調(diào)節(jié)亞單位血紅素鐵結(jié)合，使其構(gòu)型發(fā)生改變而被激活，然后催化GTP 生成環(huán)磷酸鳥苷cGMP 發(fā)揮松弛平滑肌、血管擴(kuò)張等有益生物學(xué)效應(yīng)[16-17]，這可能是治療肺纖維化的重要機(jī)制。CO 還可以預(yù)防缺氧性肺動(dòng)脈高壓，對(duì)肺移植、哮喘和缺血再灌注損傷等非損傷性疾病具有保護(hù)作用[16，17]。在臨床Ⅱ期研究中發(fā)現(xiàn)，IPF患者使用低劑量（100～200 ppm）CO 氣體可有效降低基質(zhì)金屬蛋白酶7（matrix metalloproteinase 7，MMP7）水平，從而改善肺纖維化，但MMP7 是否可以作為CO治療的直接靶點(diǎn)還有待進(jìn)一步研究[18]。另外CO 可以通過增加p21Cip1 的表達(dá)或降低細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白A 和D 水平，從而抑制成纖維細(xì)胞的增殖而減緩肺纖維化[19]。見圖2。

圖2 一氧化碳對(duì)肺纖維化的治療作用及其分子調(diào)控機(jī)制

3 H2S 對(duì)肺纖維化疾病的干預(yù)及其調(diào)控作用

H2S 是繼NO 和CO 后發(fā)現(xiàn)的第三種內(nèi)源性氣體信號(hào)分子。H2S 主要由L-半胱氨酸在胱硫醚-β-合成酶（cystathionine β-lyase，CBE）、胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine γ-lyase，CSE）及3-巰基丙酮酸硫基轉(zhuǎn)移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST）降解半胱氨酸而生成[20-21]。研究顯示，內(nèi)源性H2S 可通過抗氧化、抗炎及抗衰老作用抑制炎癥因子的釋放，進(jìn)而保護(hù)肺部損傷而引起的肺纖維化[22]。

3.1 H2S 通過其抗氧化機(jī)制改善肺纖維化

氧化應(yīng)激反應(yīng)可誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞凋亡和肌成纖維細(xì)胞活化導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)的沉積進(jìn)而形成纖維灶[23-25]，與肺纖維化的發(fā)生與發(fā)展有密切聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，H2S 可通過促使NF-E2 相關(guān)因子2（nuclear erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的核轉(zhuǎn)移，上調(diào)肺組織中HO-1 和硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx-1）的蛋白表達(dá)，增強(qiáng)對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)的耐受性，進(jìn)而抑制肺纖維化的進(jìn)程[26]。見圖3。

3.2 H2S 通過抗炎作用改善肺纖維化

慢性肺部炎癥及感染可促使肺成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞形成組織纖維化[27]；有研究顯示，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylin-ositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）/缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）信號(hào)通路的激活可促進(jìn)肺纖維化的進(jìn)程，而注射NaHS 溶液給予外源性H2S 可抑制AKT 磷酸化與HIF-1α 的表達(dá)，減輕肺纖維化早期的炎癥反應(yīng)，從而改善肺纖維化[28]。綜上所述，外源性及內(nèi)源性H2S 可通過其抗炎作用改善并延緩肺纖維化的進(jìn)程。見圖3。

3.3 H2S 通過抑制上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelialmesenchymal transition，EMT）改善肺纖維化

EMT 是纖維化發(fā)展中的重要機(jī)制[9]。其中TGFβ1/Smads 信號(hào)通路可誘發(fā)EMT，TGF-β 可與受體蛋白結(jié)合通過酶解或酸性微環(huán)境釋放后與TGF-βR2 結(jié)合，繼而激活Smads 家族蛋白調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[29-30]，造成膠原沉積。結(jié)締組織生長(zhǎng)因子（connective tissue growth factor，CTGF）是介導(dǎo)TGF-β 通路的重要下游基因，研究發(fā)現(xiàn)BLM 誘導(dǎo)的IPF 中，TGF-β1 及CTGF 蛋白表達(dá)均顯著升高[28]，但給予外源性H2S 可以顯著降低TGF-β1 及CTGF 蛋白表達(dá)，還可以下調(diào)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）及抑制Ⅰ型膠原蛋白和Ⅲ型膠原蛋白表達(dá)，從而起到抗纖維化的作用[31-33]。見圖3。

圖3 硫化氫對(duì)肺纖維化的治療作用及其分子調(diào)控機(jī)制

3.4 H2S 的抗衰老作用改善肺纖維化

細(xì)胞衰老是一種不可逆的細(xì)胞周期停滯的狀態(tài)，與IPF 的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)[34]。p53 和p21 細(xì)胞衰老的標(biāo)志物，正常生理狀況下可通過E3 泛素連接酶小鼠雙微體2（murine double minute 2，MDM2）的作用泛素化降解[35-36]，BLM 誘導(dǎo)的肺纖維化中，p53 與p21 兩者的表達(dá)顯著增加[37-38]。H2S 可通過MDM2 的介導(dǎo)降解p53[39]，還可通過減少血管緊張素Ⅱ抑制成纖維細(xì)胞的異常增殖[38]，進(jìn)而抑制肺纖維化的發(fā)生。見圖3。

隨著對(duì)H2S 在肺纖維化中的作用及其分子調(diào)控機(jī)制的深入研究，H2S 可通過其抗炎、抗氧化及抗衰老作用防治肺纖維化的進(jìn)程，其供體也有望成為臨床對(duì)肺纖維化的一種新型治療手段。

4 結(jié)論及展望

目前治療肺纖維化的藥物十分有限，迫切尋找低毒且有效治療肺纖維化的新型藥物。近年，氣體療法已成為防治IPF 的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)近5 年氣體信號(hào)分子對(duì)IPF 的分子干預(yù)機(jī)制進(jìn)行了研究和探討，總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：不同的氣體信號(hào)分子對(duì)肺纖維化的調(diào)控機(jī)制各不相同，NO 主要通過調(diào)節(jié)相關(guān)炎癥反應(yīng)進(jìn)而改善纖維化的發(fā)生；CO 通過增加p21Cip1 的表達(dá)及降低細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白A 和D 水平，從而抑制成纖維細(xì)胞的增殖改善肺纖維化；H2S 主要通過其抗氧化、抗炎、抑制EMT 發(fā)生和細(xì)胞衰老等各種分子機(jī)制改善肺纖維化。盡管已有大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)支持氣體信號(hào)分子的抗肺纖維化作用，但相應(yīng)臨床研究尚未展開，需要更多的臨床試驗(yàn)去驗(yàn)證，并為今后利用氣體療法防治IPF 提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。