特發(fā)性肺纖維化與代謝失調(diào)的研究進(jìn)展*

連娜琦， 毛 靖， 姜 淼， 魯芯羽， 趙鳳鳴， 席蓓莉， 齊 栩， 李 育△

（1南京中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)院·整合醫(yī)學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院/江蘇省人民醫(yī)院呼吸內(nèi)科，江蘇 南京 210029）

特發(fā)性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一種病因不明的慢性間質(zhì)性肺?。╥nterstitial lung disease，ILD），該病在放射學(xué)和病理組織學(xué)上表現(xiàn)為間質(zhì)性肺炎，并伴有實(shí)質(zhì)纖維化和過度膠原沉積。IPF 多發(fā)于65 歲以上的吸煙者，常伴進(jìn)行性呼吸困難和肺功能惡化，如不積極治療，確診后平均預(yù)期壽命僅有3～5年。隨著全球人口老齡化，IPF 對患者造成的生理、心理負(fù)擔(dān)以及對社會造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)預(yù)計(jì)會穩(wěn)步增加。抗纖維化藥物（尼達(dá)尼布和吡非尼酮）能夠延緩IPF 的進(jìn)展［1］，但存在嚴(yán)重耐受性問題。肺移植是治愈IPF患者的唯一方法，不過出于年齡以及其他基礎(chǔ)疾病等原因，該法僅適用于少數(shù)患者。亟需開發(fā)有效的IPF 診斷監(jiān)測方法以及新的IPF治療藥物。目前，IPF的發(fā)病機(jī)制仍不清楚，最新研究發(fā)現(xiàn)，代謝失調(diào)可能為IPF 的病因之一，這些改變涉及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）、氧化應(yīng)激和脂質(zhì)代謝等，其中脂質(zhì)代謝的作用尤為顯著，對IPF 患者的脂質(zhì)組學(xué)研究還顯示，脂肪酸、膽固醇及其他脂質(zhì)的合成和活性發(fā)生改變。這些改變可能在細(xì)胞的能量儲存、結(jié)構(gòu)維持和信號傳導(dǎo)中發(fā)揮一定作用。此外，IPF 的病理特征還表現(xiàn)為肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞（alveolar type Ⅱcells，AT2 細(xì)胞）的增殖及肺泡Ⅰ型上皮細(xì)胞的丟失，與正常人相比，IPF 患者AT2 細(xì)胞多種代謝途徑發(fā)生改變，這些改變可能與其線粒體動(dòng)力學(xué)變化存在聯(lián)系。支氣管肺泡灌洗術(shù)（bronohoalveolar lavage，BAL）是通過支氣管鏡將生理鹽水注入支氣管末端，隨后將生理鹽水吸出的一項(xiàng)檢查方法，該方法可收集肺泡表面有效液體，檢查其細(xì)胞成分和可溶性物質(zhì)，該法雖診斷特異性不如支氣管及肺穿刺活檢，但屬于非侵入性檢查，對于病情較重患者依然適用，因此該法為針對IPF患者最常用的一種臨床診斷、評價(jià)療效和預(yù)后方法。本文綜述了IPF患者支氣管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）蛋白組學(xué)研究成果以及AT2 細(xì)胞的代謝變化和IPF的代謝失調(diào)。

1 蛋白質(zhì)組學(xué)研究揭示IPF的代謝改變

纖維化疾病常伴隨碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和激素的代謝紊亂，而代謝失調(diào)在IPF發(fā)病機(jī)制中究竟扮演何種角色尚未知曉，針對IPF 患者BALF 的蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用揭示了IPF發(fā)病過程中的代謝改變。IPF患者的BALF 蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示，與其他ILD 患者和健康人的BALF 相比，IPF 患者BALF 中的失調(diào)蛋白多與核因子κB、過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptor γ，PPARγ）和c-Myc 等轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)。這三種基本的轉(zhuǎn)錄因子均能導(dǎo)致代謝紊亂［2-4］，其中PPARγ是脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子。通路富集分析表明，這些差異表達(dá)的蛋白與RAAS 和氧化應(yīng)激相關(guān)［5］。RAAS 也影響了脂質(zhì)代謝，據(jù)報(bào)道，醛固酮會刺激3T3-L1細(xì)胞和棕色前脂肪細(xì)胞分化為成熟脂肪細(xì)胞，從而上調(diào)脂肪因子基因的表達(dá)［6］，此外，醛固酮還能夠促進(jìn)前列腺素的釋放，尤其是由環(huán)加氧酶1（cyclooxygenase-1，COX-1）催化產(chǎn)生的前列腺素E2。COX 是產(chǎn)生脂質(zhì)介質(zhì)所必需的，研究證明IPF 患者肺部的上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞存在COX 的缺失［7］。RAAS激活還受氧化應(yīng)激調(diào)控，血管緊張素Ⅱ能夠誘導(dǎo)活性氧自由基的產(chǎn)生［8］，據(jù)報(bào)道，IPF 患者的活性氧自由基與活性氮自由基水平均升高［9］，而活性氧自由基產(chǎn)生過量可引發(fā)脂質(zhì)過氧化進(jìn)而造成細(xì)胞膜損傷。這些結(jié)果均表明RAAS 在IPF 發(fā)病機(jī)制中起重要作用，氧化應(yīng)激及脂質(zhì)代謝也在其中發(fā)揮部分作用。

有研究者通過蛋白組學(xué)研究比較了家族性和散發(fā)性IPF 患者的BALF，對差異表達(dá)蛋白的功能分析表明，氧化應(yīng)激在散發(fā)性IPF 的發(fā)病過程中尤為重要［10］。在該研究中，核因子κB 和c-Myc 再次發(fā)揮了中樞調(diào)節(jié)作用，雄激素受體也作為轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)了尿白蛋白、補(bǔ)體C3、過氧化物酶1 和纖維蛋白原等的蛋白表達(dá)，而雄激素受體作為類固醇激素受體家族的一員，能夠直接結(jié)合在纖維化發(fā)生相關(guān)基因PI3K、Foxo1和CREB啟動(dòng)子區(qū)域的調(diào)節(jié)亞基上，激活轉(zhuǎn)錄并發(fā)揮促纖維化功能［11］。另一方面，該研究證明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在家族性IPF中起著中心致病作用，而家族性IPF 患者脂肪酸的失調(diào)可能是導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹的關(guān)鍵［12］。對穩(wěn)定期和急性加重期IPF 患者的BALF進(jìn)行蛋白組學(xué)研究顯示肝X 受體和法尼醇X 受體差異表達(dá)，此二者均能激活脂質(zhì)代謝［13］，可能導(dǎo)致脂肪酸的失調(diào)，此外，這兩種受體還為巨噬細(xì)胞激活受體，在急性加重期IPF 患者中巨噬細(xì)胞激活尤為明顯［14］。該研究顯示，巨噬細(xì)胞激活并吞噬細(xì)胞外脂質(zhì)形成泡沫細(xì)胞的過程可能是IPF 由穩(wěn)定期向急性加重期演變的關(guān)鍵步驟［12］。脂質(zhì)代謝組學(xué)研究顯示穩(wěn)定期和急性加重期IPF 患者甘油三酯和磷脂酰膽堿存在顯著差異［15］，這可能是由于泡沫細(xì)胞的形成加速了疾病進(jìn)程。Landi 等［16］用全身性硬化癥型肺纖維化患者的BALF進(jìn)行了另一項(xiàng)蛋白質(zhì)組學(xué)研究，結(jié)果表明，脂質(zhì)代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)（如溶菌酶C、脂肪酸結(jié)合蛋白、視黃醇結(jié)合蛋白和血紅素結(jié)合蛋白）發(fā)生失調(diào)，且該過程在功能上與PPARγ 一致，這再一次證實(shí)纖維化的發(fā)生發(fā)展伴隨著脂質(zhì)代謝改變。

2 脂質(zhì)代謝失調(diào)與IPF纖維化的發(fā)生

在如前所述IPF患者的代謝變化中，脂質(zhì)代謝尤為關(guān)鍵，且轉(zhuǎn)錄因子PPARγ 在其中發(fā)揮重要功能，這種多效核激素受體參與了纖維化的病理過程。PPARγ是脂肪生成的主要調(diào)節(jié)因子，通過阻斷皮膚、肺和心臟等器官中的轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）發(fā)揮抗纖維化作用。在脂肪生成過程中，它決定了脂肪生成酶、脂聯(lián)素、胰島素依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4 和血管緊張素原（angiotensinogen）的mRNA 表達(dá)的增加，并影響脂質(zhì)和葡萄糖代謝。一線抗糖尿病藥物二甲雙胍通過調(diào)節(jié)代謝途徑、激活PPARγ 信號、抑制TGF-β、抑制膠原形成并誘導(dǎo)脂肪生成分化，發(fā)揮了抗纖維化作用［17］，但其在IPF 患者的臨床治療上卻并無療效［18］，然而，同樣能夠抑制TGF-β 的尼達(dá)尼布和吡非尼酮卻在臨床上表現(xiàn)出治療作用，這可能由于尼達(dá)尼布和吡非尼酮不具備與二甲雙胍類似的誘導(dǎo)脂肪生成分化的功能。在脂成纖維細(xì)胞分化時(shí)，PPARγ 能夠阻止肺氧化損傷，促進(jìn)中胚層分化并激活抗氧化防御機(jī)制。此外，PPARγ 也能間接刺激肺表面活性物質(zhì)的產(chǎn)生，增加肺的順應(yīng)性［19］。最近的另一項(xiàng)關(guān)于尼達(dá)尼布臨床試驗(yàn)顯示，尼達(dá)尼布治療IPF 患者一年后，患者BALF中載脂蛋白C3 上調(diào)，富集分析顯示這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于尼達(dá)尼布對PPARγ的上調(diào)［20］。

成纖維細(xì)胞生長因子1（fibroblast growth factor 1，F(xiàn)GF1）可在PPARγ 感知到不同的環(huán)境信號后驅(qū)動(dòng)脂肪重塑。FGF1是IPF患者中增長顯著的生長因子，并且與成纖維細(xì)胞生長因子受體（fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR）家族成員FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4 和肌成纖維細(xì)胞共同存在于基底細(xì)胞層、肌成纖維細(xì)胞灶和表面活性蛋白C 陽性的AT2 細(xì)胞中［21］，與能量的攝入關(guān)系密切的一種代謝調(diào)節(jié)劑，此外，PPARγ-FGF1 軸還與胰島素抵抗有關(guān)［22］。

視黃醇結(jié)合蛋白4（retinol-binding protein 4，RBP4）是IPF 患者BALF 中的另一種失調(diào)蛋白，主要由脂肪組織產(chǎn)生，是血液中視黃醇的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。已知RBP4 可調(diào)節(jié)脂質(zhì)、葡萄糖代謝和胰島素抵抗。RBP4-視黃醇復(fù)合物結(jié)合到STRA6 上，能夠激活JAK/STAT 信號通路，從而誘導(dǎo)抑制胰島素信號通路的細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)抑制因子3 以及調(diào)控脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的PPARγ 的基因表達(dá)［23］。JAK/STAT 通路對多種關(guān)鍵性代謝激素和細(xì)胞因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起著關(guān)鍵作用，包括生長激素、瘦蛋白、促紅細(xì)胞生成素、白細(xì)胞介素4、白細(xì)胞介素6 等。在肥胖和代謝疾病中常發(fā)生JAK/STAT 通路的失調(diào)。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道了JAK 抑制劑在肺纖維化病變中的應(yīng)用［24］，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎聯(lián)合ILD 患者使用JAK 抑制劑（如巴瑞克替尼）治療后，肺纖維化的病情逐漸穩(wěn)定［25］。

IPF 發(fā)病及病情發(fā)展過程中的脂質(zhì)代謝失調(diào)還源于脂聯(lián)素和瘦素的產(chǎn)生。脂聯(lián)素幾乎完全由脂肪細(xì)胞合成，是血漿中豐富的脂肪組織源性脂肪因子，參與脂質(zhì)代謝、胰島素增敏、細(xì)胞凋亡和炎癥，同時(shí)也是與癌變相關(guān)的多種免疫途徑中的關(guān)鍵分子。如D'Alessandro 等［26］報(bào)道，血清脂聯(lián)素濃度與一氧化碳彌散量和體重指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，可用于預(yù)測IPF 的預(yù)后。此外，BALF 中的脂聯(lián)素水平也與體重指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且與嗜酸性粒細(xì)胞所占百分比也成正比，此二者均為IPF 的不利預(yù)后因素［26］。血清瘦素水平也與肺纖維化的嚴(yán)重程度成正比，研究顯示瘦素能夠顯著促進(jìn)A549 細(xì)胞的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，減少自噬體形成，抑制LC3-Ⅰ到LC3-Ⅱ的脂化，并激活參與IPF發(fā)生和發(fā)展的PI3K/Akt/mTOR 通路，上調(diào)p62 的表達(dá)［27］。

3 AT2細(xì)胞代謝失調(diào)及線粒體動(dòng)力學(xué)改變

在過去二十年中，科學(xué)家們普遍認(rèn)為IPF發(fā)病是由于遺傳易感個(gè)體的肺泡上皮發(fā)生反復(fù)的微環(huán)境和/或內(nèi)源性損傷，與此同時(shí)肺泡上皮細(xì)胞凋亡增加、上皮修復(fù)異常，肺泡上皮細(xì)胞-成纖維細(xì)胞間的相互作用失調(diào)，最終促進(jìn)了間充質(zhì)的持續(xù)激活和細(xì)胞外基質(zhì)的沉積。然而，近年來研究者將IPF的研究重點(diǎn)放在了肺纖維化發(fā)生時(shí)的肺泡上皮細(xì)胞失調(diào)。肺表面活性蛋白C 對AT2 細(xì)胞具有重要意義，小鼠的肺表面活性蛋白C 發(fā)生突變后會發(fā)生自發(fā)性肺纖維化［28］，結(jié)果表明AT2 細(xì)胞失調(diào)可能是導(dǎo)致肺纖維化發(fā)生的重要原因。在成年人的肺部，AT2 細(xì)胞起著遠(yuǎn)端上皮干細(xì)胞的作用，因此在損傷肺泡的再生和修復(fù)中AT2 細(xì)胞至關(guān)重要。在正常組織再生過程中，AT2 細(xì)胞最終成熟為肺泡Ⅰ型細(xì)胞之前，獲得了前Ⅰ型肺泡過渡細(xì)胞的形態(tài)，并在此期間高表達(dá)衰老相關(guān)基因。IPF 肺中存在“前肺泡Ⅰ型過渡樣細(xì)胞”的積聚現(xiàn)象，且已有研究觀察到p53 依賴性AT2細(xì)胞衰老小鼠，敲減IPF 小鼠YAP1基因能夠抑制肺泡上皮細(xì)胞衰老并減輕IPF［29］，提示這種過渡性細(xì)胞衰老狀態(tài)的異常分化或持續(xù)存在可能阻止了正常肺泡再生，從而促進(jìn)纖維化的發(fā)展。

最近一項(xiàng)的轉(zhuǎn)錄組分析顯示IPF 患者AT2 細(xì)胞多種代謝途徑發(fā)生改變［30］，其中包括脂質(zhì)代謝，富含棕櫚酸酯飲食的IPF 患者的肺部飽和脂肪酸棕櫚酸酯濃度高于對照組，這表明高質(zhì)飲食與肺纖維化的發(fā)生之間存在聯(lián)系［31］，Romero 等［32］對該項(xiàng)研究做出評論，提出IPF功能失調(diào)的AT2細(xì)胞可能由于飽和脂肪酸濃度升高引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激而更易發(fā)生凋亡。目前已經(jīng)確定線粒體動(dòng)力學(xué)改變可能為AT2 細(xì)胞代謝變化的驅(qū)動(dòng)因素。線粒體生物發(fā)生、組裝（融合）、分解（裂變）和清除（自噬）的調(diào)節(jié)，統(tǒng)稱為線粒體動(dòng)力學(xué)，為滿足纖維化發(fā)生時(shí)增強(qiáng)的生物合成需求同時(shí)維持其上皮干細(xì)胞的功能，AT2 細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變。其中，線粒體融合是調(diào)節(jié)和滿足AT2細(xì)胞代謝需要的關(guān)鍵。線粒體融合和脂質(zhì)代謝通過破壞表面活性物質(zhì)的產(chǎn)生，影響AT2 細(xì)胞損傷修復(fù)及隨后的纖維化重塑［33］。表面活性物質(zhì)是一種肺表面活性脂蛋白復(fù)合物，它含有約90%的脂質(zhì)，可降低肺表面張力，防止肺泡塌陷，并發(fā)揮重要的免疫調(diào)節(jié)作用。由于線粒體的直接參與，脂肪酸的合成還可能受到胰島素抵抗、糖原生成或葡萄糖積累的影響，這些因素均可能導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)改變，導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生增加、線粒體生物發(fā)生減少和線粒體自噬失調(diào)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致AT2 細(xì)胞發(fā)生自噬異常、端?？s短、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)改變以及細(xì)胞衰老。

IPF 患者的AT2 細(xì)胞中線粒體生物發(fā)生增加與此同時(shí)線粒體自噬也發(fā)生改變［34］。肺表面活性蛋白C的突變會導(dǎo)致線粒體跨膜電位損失、線粒體生物量增加和線粒體自噬受損［35］。在細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激時(shí)，PINK1 能夠發(fā)揮線粒體保護(hù)作用以應(yīng)對異常升高的能量需求，AT2 細(xì)胞在化學(xué)誘導(dǎo)下發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)PINK1 的表達(dá)下調(diào)［36］，這一結(jié)果將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致的AT2 細(xì)胞調(diào)控功能障礙與IPF 中線粒體穩(wěn)態(tài)受損聯(lián)系起來。然而，無論是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激還是線粒體穩(wěn)態(tài)失調(diào)方面，IPF 上皮功能障礙對AT2細(xì)胞生物能量的影響均尚未明確。有研究者用博萊霉素和TGF-β 造肺纖維化小鼠模型并進(jìn)行遠(yuǎn)端肺上皮生物能功能評估，結(jié)果顯示兩種肺纖維化小鼠模型AT2細(xì)胞線粒體膜電位和氧耗均降低［37］，這一現(xiàn)象可能由于AT2 細(xì)胞甲狀腺激素的代謝發(fā)生了變化。甲狀腺激素模擬物能夠通過線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)器PPARγ輔激活因子1α而抑制纖維化，且有研究顯示能夠?qū)⑺牡饧谞钕侔彼酺4 轉(zhuǎn)化為活性的三碘甲狀腺原氨酸T3 的碘甲狀腺原氨酸去碘酶2 在IPF 肺中表達(dá)顯著上調(diào)。此外，甲狀腺功能減退還導(dǎo)致了IPF的不良預(yù)后［38］。

4 展望

近年來越來越多的研究觀察到肺、肝和腎纖維化等纖維化過程中會發(fā)生碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和激素的代謝紊亂，糾正這些代謝的改變或許能為治療纖維化提供新的策略。無論是IPF 患者BALF的蛋白質(zhì)組學(xué)還是從AT2 細(xì)胞的細(xì)胞生物學(xué)，代謝改變均能通過誘導(dǎo)纖維化的發(fā)生發(fā)展參與IPF 的發(fā)病過程，且脂質(zhì)代謝在其中扮演重要角色。在IPF的發(fā)生和發(fā)展過程中，脂質(zhì)代謝和纖維化的傷口愈合機(jī)制處于平衡狀態(tài)，環(huán)境和遺傳等多種因素均會影響脂質(zhì)代謝以及其他物質(zhì)的代謝從而打破它們之間的平衡，導(dǎo)致代謝及纖維化疾病。從代謝角度理解IPF 的病理學(xué)能讓我們更加全面了解IPF 的發(fā)病機(jī)制，從而為IPF 的預(yù)防、診斷及治療做出有益貢獻(xiàn)。目前有關(guān)IPF患者代謝改變的機(jī)制研究尚不深入，導(dǎo)致IPF 患者發(fā)生代謝改變的原因以及這些代謝改變造成的具體影響在未來還需進(jìn)一步研究。