纖維粘連蛋白在后發(fā)性白內(nèi)障纖維化進(jìn)展中的作用研究現(xiàn)狀

許文皓，林淑華，賈寓潔，趙 健，賈法力，曹婉瑩，姜麗蘭，李英俊，2

references for clinical treatment of PCO. In this paper, the research status of fibronectin in PCO in recent years is reviewed.

0 引言

白內(nèi)障是世界范圍內(nèi)致盲的重要原因，植入人工晶狀體可以有效治療白內(nèi)障[1-3]。然而，約20%～50%的成人和100%的兒童患者術(shù)后可發(fā)生后囊膜混濁[4]。后發(fā)性白內(nèi)障(posterior capsular opacification，PCO)是患者術(shù)后視力再次下降的主要原因，也是白內(nèi)障囊外摘除和人工晶狀體植入術(shù)后最常見的并發(fā)癥，是多種因素和綜合作用導(dǎo)致的，對患者術(shù)后視覺質(zhì)量有重要影響。白內(nèi)障術(shù)后殘留的晶狀體上皮細(xì)胞(lens epithelial cells，LECs)向后囊膜移行、增殖并遮擋光學(xué)區(qū)，并轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)，內(nèi)嵌的肌纖維母細(xì)胞和畸變的晶狀體纖維細(xì)胞形成混合物時就會發(fā)生PCO[5]。

纖維粘連蛋白(fibronection，F(xiàn)N)，又稱纖維連接蛋白，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的ECM蛋白，在凝血、胚胎發(fā)育等多種生理過程中都是必不可少的[6-8]。人血漿中的FN是由肝臟產(chǎn)生的致密的可溶性蛋白質(zhì)，因此在體液中含量較高[9]。而組織中的FN則由自身供給，更具開放的構(gòu)象，并能組裝成不溶性纖維[8-9]。在組織損傷后，血漿中纖維結(jié)合蛋白復(fù)合體與纖維蛋白原在早期形成暫時性ECM，這些ECM是傷口初期閉合所必需的[10]。雖然FN通常能快速集中在傷口愈合和組織修復(fù)的部位，但在PCO發(fā)展中殘留的LECs分泌的FN呈慢性沉積[8，11]。此外，F(xiàn)N的沉積還能促進(jìn)富含Ⅰ型膠原的繼發(fā)性瘢痕形成[12]。FN是許多生長因子的細(xì)胞外儲存庫，且FN可在傷口愈合反應(yīng)和纖維化疾病中發(fā)揮多種作用，在PCO后囊皺褶過程中通過FN沉積、調(diào)節(jié)gremlin-1和骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信號起負(fù)面調(diào)節(jié)作用[13-15]，但術(shù)后殘留的LECs自主產(chǎn)生FN的過程尚不清楚。目前，已知FN在PCO發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮多種作用，本文就FN在PCO纖維化進(jìn)展中的應(yīng)用做一系統(tǒng)闡述。

1 纖維粘連蛋白的分子結(jié)構(gòu)

FN是一種糖蛋白，分子量230～270kDa，通常以二聚體的形式存在，每個單體由3個單元組成，即12個Ⅰ型結(jié)構(gòu)域、2個Ⅱ型結(jié)構(gòu)域和15～17個Ⅲ型結(jié)構(gòu)域，3個單元共占FN序列的90%。Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)同源物存在于其他生物分子中，這表明FN是通過外顯子改組進(jìn)化而來[6，16]。盡管起源于單個基因，但已經(jīng)鑒定出多達(dá)20種不同的人類FN變體和12種不同的嚙齒動物FN亞型，這表明了物種和組織發(fā)育特有的不同剪接機(jī)制。雖然FN中的所有Ⅲ型結(jié)構(gòu)域都具有同源結(jié)構(gòu)，但研究表明，F(xiàn)N中的每個Ⅲ型結(jié)構(gòu)域在機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性方面差異很大[16-17]。結(jié)構(gòu)域的類型和結(jié)構(gòu)域數(shù)的特征，再加上它們的相對位置和FN的整體三級構(gòu)型，使得FN作為ECM中的生物分子具有獨(dú)特的屬性。目前，多項研究已證實FN及其亞型在遷移、分化、信號傳遞、成人傷口愈合和整體組織健康中發(fā)揮重要作用。

2 ECM與FN的關(guān)系

ECM既是組織的結(jié)構(gòu)支架，又是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)因子。在胚胎發(fā)育和傷口愈合過程中，這些纖維在組裝臨時ECM方面起關(guān)鍵作用。細(xì)胞中的FN可組裝成粘彈性纖維，可以結(jié)合40多種不同的生長因子和細(xì)胞因子。在包括癌癥、纖維性疾病等疾病狀態(tài)下，纖維集合體的表達(dá)也經(jīng)常上調(diào)?？扇苄陨L因子與FN纖維的結(jié)合改變了這些蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而其他ECM蛋白(包括膠原、彈性蛋白和蛋白多糖)與FN纖維的結(jié)合促進(jìn)了ECM的成熟和組織特異性。研究表明，ECM能激活轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor β，TGF-β)信號通路，而FN能將潛在的TGF-β置于ECM上，最終FN沉積導(dǎo)致LECs纖維化[11，18]。TGF-β信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是LECs發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的主要誘導(dǎo)者，表達(dá)包括FN在內(nèi)的許多“纖維化”標(biāo)志物，在PCO的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色[19]。

白內(nèi)障術(shù)后殘留的LECs發(fā)生創(chuàng)傷愈合反應(yīng)，產(chǎn)生的肌纖維母細(xì)胞、晶狀體纖維細(xì)胞和“纖維化的ECM”可造成視力損害，其中表達(dá)和組裝LECs產(chǎn)生的纖維性ECM分子需經(jīng)FN介導(dǎo)，而纖維性ECM分子由白內(nèi)障術(shù)后殘留晶狀體細(xì)胞產(chǎn)生。LECs在發(fā)生EMT過程中產(chǎn)生肌成纖維細(xì)胞，并持續(xù)分裂，開始覆蓋后囊膜，合成“纖維化的ECM”，ECM為細(xì)胞附著提供支架，最終形成纖維化PCO遮擋光學(xué)區(qū)進(jìn)而引起光散射[20]。在其他傷口愈合相關(guān)病理過程中，F(xiàn)N同樣參與纖維性ECM組裝的初始支架[16]。研究表明，成人白內(nèi)障術(shù)后后囊Col1a1和Col1a2基因的表達(dá)可以增加2倍，這兩個基因編碼合成“促纖維化”的Ⅰ型膠原，而FN不僅是Ⅰ型膠原組裝的支架，還可觸發(fā)EMT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[21-22]。FN通過將潛在的TGF-β系于ECM上，并在激活“纖維化的ECM”的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用，由此可見，F(xiàn)N是表達(dá)和組裝晶狀體細(xì)胞產(chǎn)生纖維化ECM分子所必需的[23]。

3 纖維基質(zhì)組裝過程中FN的作用

在纖維基質(zhì)組裝中發(fā)揮關(guān)鍵作用的活動包括FN亞基的二聚化，將FN定位到細(xì)胞表面的細(xì)胞結(jié)合位點及將FN二聚體結(jié)合成完整纖維的過程。然而，每個FN二聚體都有多個整合素和FN結(jié)合位點，在損傷發(fā)生時，整合素開始將構(gòu)象展開為線性化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步將其結(jié)構(gòu)域延伸到擴(kuò)展的形態(tài)，從而允許在連續(xù)的迭代過程中沉積更多的可溶性FN。隨后FN在組織中局部產(chǎn)生，并組裝成不溶性纖維[9，24]，待重塑后以促進(jìn)富含Ⅰ型膠原和其他纖維性ECM蛋白的繼發(fā)性瘢痕的形成[12，14，25-26]。研究表明，F(xiàn)N是ECM纖維部分組裝的主要調(diào)節(jié)者，能廣泛調(diào)節(jié)ECM分子，但該結(jié)論尚未能在體內(nèi)研究得到證實[11，27-28]。另有研究發(fā)現(xiàn)，晶狀體細(xì)胞需要借助FN上調(diào)ECM成分的mRNA表達(dá)和基質(zhì)組裝，包括Ⅰ型膠原、Tenascin C和Periostin[29]。但一些報道持相反意見，認(rèn)為FN聚合進(jìn)入ECM是Ⅰ型膠原和凝血酶反應(yīng)蛋白-1沉積所必需的，而維持ECM需要FN的持續(xù)聚合[30-31]。也有研究認(rèn)為在LECs纖維化進(jìn)展過程中，LECs產(chǎn)生的FN并非ECM蛋白和凝血酶反應(yīng)蛋白-1的基質(zhì)沉積所必需，盡管在這一過程中，血小板反應(yīng)素-1的沉積減弱，可能是由于LECs周圍沉積了少量外源性FN足以進(jìn)行ECM和凝血酶反應(yīng)蛋白-1的組裝，或LECs產(chǎn)生了其他組裝介質(zhì)[32-33]?？傊?，細(xì)胞FN在體內(nèi)纖維化疾病的基質(zhì)形成中具有雙重作用，因為其既是纖維化ECM基因表達(dá)所必需的，也是其蛋白產(chǎn)物組裝所必需的。

4 TGF-β家族信號轉(zhuǎn)導(dǎo)誘導(dǎo)FN表達(dá)

4.1TGF-β調(diào)節(jié)LECs的EMT過程TGF-β是LECs發(fā)生EMT的主要誘導(dǎo)物，表達(dá)多種“纖維化”標(biāo)志物，其中包括FN[19]。研究表明，盡管FN組裝失敗減弱了LECs向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，但FN仍具備PCO后囊皺褶的負(fù)調(diào)節(jié)能力[15]。然而，白內(nèi)障術(shù)后殘留的LECs自主產(chǎn)生的細(xì)胞FN的功能還不是很清楚。采用TGF-β處理LECs后，即可導(dǎo)致EMT，誘導(dǎo)LECs增殖和遷移。當(dāng)TGF-β信號通路被激活時，TGF-β與TGF-β結(jié)合蛋白(latent TGF-β binding proteins，LTBPs)結(jié)合后發(fā)揮類伴侶功能并被合并到ECM中啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。在整合素系統(tǒng)中表達(dá)和下游信號傳導(dǎo)細(xì)胞過程同樣發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)N直接或間接地與LTBPs及其亞型結(jié)合，通過TGF-β誘導(dǎo)纖維化，從而促進(jìn)PCO的發(fā)展進(jìn)程。在小鼠白內(nèi)障手術(shù)模型中，術(shù)后24h殘留的LECs中FN mRNA水平上調(diào)，術(shù)后48h時在表達(dá)纖維化標(biāo)志物的LECs周圍首先檢測到FN，這與可檢測到的TGF-β信號的時間點一致[34]。有報道稱，培養(yǎng)的雞LECs暴露于血漿FN可以激活細(xì)胞內(nèi)源性產(chǎn)生的TGF-β，表明FN在PCO的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用[35]。人體內(nèi)FN可分為血漿FN和細(xì)胞FN，前者主要由肝細(xì)胞合成，后者由多種細(xì)胞產(chǎn)生，包括成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、肌細(xì)胞和滑膜細(xì)胞。房水中大部分FN通過調(diào)節(jié)TGF-β信號通路抑制EMT，可見FN通過房水途徑在持續(xù)性纖維化PCO中起關(guān)鍵作用，小部分FN分子呈遞到整合素所必需的開放構(gòu)象中。總體而言，外源性FN，如存在于血、房水中的FN，被認(rèn)為是PCO病理學(xué)生長因子的負(fù)調(diào)節(jié)因子，而細(xì)胞內(nèi)源性FN通過TGF-β依賴途徑介導(dǎo)持續(xù)性纖維化PCO。

4.2FN和gremlin-1及BMP共同介導(dǎo)TGF-β信號通路眾所周知，TGF-β信號通路的開放介導(dǎo)纖維化PCO的發(fā)展，而在血漿FN上電鍍分離的胚胎晶狀體細(xì)胞可以激活TGF-β信號[35]。體外細(xì)胞模型中，F(xiàn)N對于潛在的TGF-β復(fù)合體進(jìn)入ECM也是至關(guān)重要的[13，36]。然而，在PCO纖維化條件下，內(nèi)源性細(xì)胞FN的產(chǎn)生和TGF-β信號誘導(dǎo)之間的關(guān)系還沒有在體內(nèi)被探索。在小鼠白內(nèi)障手術(shù)模型中發(fā)現(xiàn)，術(shù)后48h，LECs中g(shù)remlin-1蛋白的表達(dá)顯著上調(diào)，而BMP mRNA和蛋白的表達(dá)水平顯著降低，由此可見在PCO模型的發(fā)病機(jī)制中，gremlin-1蛋白起促纖維化作用[37-39]。gremlin-1蛋白是BMP信號的拮抗劑，而BMP信號可以在上皮細(xì)胞中發(fā)揮抗纖維化作用，并可以抵消TGF-β信號通路的作用[37]。原代LECs的體外研究表明，BMP信號激動劑BMP-7可以抑制TGF-β介導(dǎo)的EMT[40]。為進(jìn)一步了解術(shù)后FN如何調(diào)節(jié)BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，Shihan等[29]測試了gremlin-1蛋白或TGF-β對LECs纖維化的作用是否包括拮抗BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，研究發(fā)現(xiàn)BMP信號在24、48h均保持高水平。因此，盡管LECs纖維化處于抑制狀態(tài)，BMP和TGF-β信號都可能在同一細(xì)胞中保持高水平。上述研究結(jié)果表明：(1)在gremlin-1蛋白或TGF-β激活的情況下，即使BMP信號被激活并保持高濃度水平，仍然會發(fā)生纖維化；(2)FN對BMP信號的影響是通過調(diào)節(jié)gremlin-1蛋白表達(dá)和TGF-β通路激活來介導(dǎo)的。gremlin-1作為TGF-β信號激活劑和BMP信號拮抗劑在PCO等纖維化疾病中允許血漿FN組裝成基質(zhì)所必需的整合素上調(diào)，從而組裝成纖維化ECM?？傮w而言，F(xiàn)N可能在調(diào)節(jié)TGF-β途徑激活的PCO進(jìn)展中發(fā)揮多功能作用，包括調(diào)節(jié)TGF-β途徑激動劑的基因表達(dá)和激活潛伏的TGF-β。

5 FN與整合素相互作用推動PCO的發(fā)展

因αvβ1整合素為FN的受體，并在細(xì)胞或ECM附著、細(xì)胞遷移和牽引力傳遞中的作用而被認(rèn)為是PCO的治療靶點。穩(wěn)定的可溶性FN與細(xì)胞表面整合素結(jié)合，整合素聚集并可逆地與FN結(jié)合，其中αvβ1和αvβ3整合素是FN的主要結(jié)合對象，這兩種整合素通過粘著斑復(fù)合物與肌動蛋白細(xì)胞骨架結(jié)合[41]；雖然αvβ3整合素在缺乏β1整合素的情況下可以介導(dǎo)FN原纖維的組裝[42]，但FN原纖維的組裝通常是由αvβ1整合素介導(dǎo)的。另外，肌成纖維細(xì)胞擁有的收縮力是暴露FN中促進(jìn)FN纖維形成的隱蔽結(jié)合位點所必需的[43]，但這些隱蔽結(jié)合位點的位置和數(shù)量尚不清楚。由于FN是術(shù)后LECs中上調(diào)的幾種整合素受體的已知配體，細(xì)胞FN不僅對下游整合素信號通路很重要，而且對增強(qiáng)術(shù)后LECs中幾種整合素受體的蛋白表達(dá)也是必要的。另外，激活的TGF-β1與αvβ1整合素之間的交叉信號可以修復(fù)術(shù)后LECs中下游整合素信號的缺陷，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞修復(fù)過程[34]。對于LECs的損傷，F(xiàn)N是增殖和遷移過程中不可或缺的調(diào)節(jié)因子。整合素可以通過至少3種方式介導(dǎo)LECs中潛伏的TGF-β及TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三種異構(gòu)體的激活，而TGF-β信號可以上調(diào)它們的表達(dá)，表明FN與TGF-β導(dǎo)致的纖維化及作為配體與整合素結(jié)合推動了PCO中LECs的EMT過程，并可能導(dǎo)致其他EMT疾病的發(fā)生發(fā)展。

6 小結(jié)

據(jù)估計，纖維化對組織結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致了全世界至少1/3的自然死亡[44]。雖然許多研究已經(jīng)明確了導(dǎo)致纖維化的途徑，但目前對活化的成纖維細(xì)胞或肌成纖維細(xì)胞在最初的損傷消除后，繼續(xù)纖維化的機(jī)制知之甚少。因此，F(xiàn)N因其在傷口愈合反應(yīng)和纖維化中的重要作用而被廣泛研究。然而，多數(shù)關(guān)于FN的研究都是以細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ)的，因此很難與體內(nèi)傷口愈合關(guān)聯(lián)起來。為數(shù)不多的關(guān)于細(xì)胞FN功能的體內(nèi)研究中，大多只涉及FN在傷口愈合中作用的一個方面，因為多數(shù)組織由多種細(xì)胞類型組成，具有復(fù)雜的相互作用。而晶狀體的細(xì)胞類型組成相對簡單，白內(nèi)障手術(shù)后殘留的細(xì)胞由單層上皮細(xì)胞組成，這些上皮細(xì)胞經(jīng)過EMT形成肌纖維母細(xì)胞，其行為類似于導(dǎo)致其他纖維疾病的肌纖維母細(xì)胞[45]。細(xì)胞FN是一種在不同水平上調(diào)節(jié)細(xì)胞行為的多功能蛋白，長期以來一直被認(rèn)為其與晶狀體發(fā)育和纖維化的PCO病因有關(guān)[46]。FN一直被認(rèn)為是PCO的纖維化標(biāo)志物，并與PCO的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，包括診斷PCO活動和預(yù)后。外源性的FN，如血液-房水中的FN，被認(rèn)為在PCO中起重要作用，也是PCO病理過程涉及的生長因子的負(fù)調(diào)節(jié)因子。FN的多功能提供了對PCO發(fā)病機(jī)制的新理解，并確定了治療和預(yù)防纖維性PCO的新靶點，為開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灪团R床研究提供了新思路。