肺發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路調(diào)控作用機(jī)制及發(fā)育源性肺疾病發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

張子堯，耿慶

武漢大學(xué)人民醫(yī)院胸外科，武漢430000

肺發(fā)育缺陷是導(dǎo)致新生兒及兒童肺部疾病的重要因素。人類肺發(fā)育從胚胎期一直延續(xù)至青春期。人類肺發(fā)育起源于腹側(cè)前腸內(nèi)胚層。肺發(fā)育過(guò)程可劃分為5 個(gè)時(shí)期，分別為胚胎期（妊娠3～7 周時(shí)，在形成原始腸道后，肺芽出現(xiàn)在前腸內(nèi)胚層，代表肺發(fā)育的開(kāi)始）、假腺體期（妊娠7～16 周時(shí)氣道上皮開(kāi)始生長(zhǎng)并從近端向遠(yuǎn)端分化，階段結(jié)束時(shí)形成氣道，完成血管發(fā)育）、小管期（妊娠16～24 周時(shí)形成氣血屏障，形成肺泡囊和原始肺泡管，肺間質(zhì)組織變?。⒛倚纹冢ㄈ焉?4 周～出生前，形成原始終端空域和肺泡二型上皮細(xì)胞，肺泡細(xì)胞分泌表面活性物質(zhì)）、肺泡期（妊娠晚期～出生后3 年，形成肺泡二級(jí)隔膜，生成肺微血管，以最大化肺泡的氣體交換表面積）。人類肺發(fā)育的前四期在子宮內(nèi)完成，肺泡期主要在新生兒出生后進(jìn)行。肺發(fā)育過(guò)程中需要多種信號(hào)因子及信號(hào)通路的參與，而這些調(diào)控因子在肺發(fā)育的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。改變肺發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子的表達(dá)及信號(hào)通路的活性，可導(dǎo)致肺發(fā)育異常甚至出現(xiàn)肺部疾病?，F(xiàn)將肺發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路調(diào)控作用機(jī)制及發(fā)育源性肺疾病發(fā)病機(jī)制的最新研究進(jìn)展綜述如下，旨在為肺部疾病的預(yù)防、診斷和治療提供理論基礎(chǔ)。

1 肺發(fā)育相關(guān)信號(hào)通路在肺發(fā)育中的調(diào)控作用機(jī)制

人體肺發(fā)育依賴上皮－間質(zhì)的相互作用。上皮－間質(zhì)細(xì)胞間的信號(hào)通路主要有由上皮細(xì)胞表達(dá)的Wingless/ Integrated（WNT）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子－β（Transforming Growth Factors-β，TGF-β）、Sonic Hedgehog（SHH）信號(hào)通路等；由間質(zhì)細(xì)胞分泌的成纖維生長(zhǎng)因子（Fibroblast Growth Factor，F(xiàn)GF）等參與胚胎肺發(fā)育的調(diào)控。

1.1 WNT 信號(hào)傳導(dǎo)通路在肺發(fā)育中的調(diào)控作用機(jī)制 WNT 信號(hào)傳導(dǎo)通路有多種，WNT2、WNT2b、WNT7b、WNT5a 和WNT11 均參與了肺發(fā)育過(guò)程［1-2］。妊娠期胎兒可通過(guò)WNT 的自分泌和旁分泌機(jī)制調(diào)節(jié)胎肺上皮細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育。在肺發(fā)育過(guò)程中，WNT2 和WNT2b 表達(dá)于前腸中胚層，通過(guò)促進(jìn)肺內(nèi)胚層的最早標(biāo)志物Nkx2-1 的表達(dá)參與肺芽形成。WNT2 缺失導(dǎo)致小鼠肺發(fā)育不良，WNT2 和WNT2b 同時(shí)缺失則導(dǎo)致肺完全不發(fā)育［1］。而在氣道上皮細(xì)胞中WNT7b、WNT5a表達(dá)最明顯［3］，WNT7b 缺失可導(dǎo)致與WNT2-/-小鼠相似的肺發(fā)育不良表型，Wnt5A 則能夠刺激肺內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、增殖和分化［4］。WNT11 在小鼠胎肺的上皮和間充質(zhì)中均有表達(dá)，參與非經(jīng)典WNT 信號(hào)通路，從而在肺發(fā)育中發(fā)揮重要作用［5］。而在成年后，WNT 基因家族可能通過(guò)多種機(jī)制促成肺纖維化。Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)在肺成纖維細(xì)胞中誘導(dǎo)抗凋亡和促纖維化表型，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖和肌成纖維細(xì)胞分化和存活。

1.2 TGF-β 信號(hào)通路在肺發(fā)育中的調(diào)控作用機(jī)制 TGF-β家族可調(diào)節(jié)多種不同器官系統(tǒng)中的細(xì)胞增殖、分化和凋亡。TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3均在胚胎肺發(fā)育的過(guò)程中發(fā)揮重要作用［6］。TGF-β1早在小鼠E11就由肺原始導(dǎo)管的間質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞分泌，并與Ⅰ型和Ⅲ型膠原、纖維連接蛋白共定位［7］。在小鼠中，TGF-β1已被證明可抑制分支形態(tài)發(fā)生［8］。相反，在大鼠肺體外培養(yǎng)中，抑制TGF-β2則會(huì)對(duì)分支產(chǎn)生負(fù)面影響［9］。這些表明TGF-β 家族會(huì)影響發(fā)育過(guò)程中肺分支形態(tài)發(fā)生。除此之外，TGF-β1還會(huì)破壞上皮分化并抑制表面活性蛋白A、B 和C 的合成［10］。這些觀察結(jié)果支持TGF-β 的雙向作用。總之，TGF-β在正常肺發(fā)育過(guò)程中以高水平表達(dá)，對(duì)于肺分支形態(tài)發(fā)生和上皮細(xì)胞分化以及表面活性劑合成的成熟特別重要。TGF-β還參與肺損傷后的正常組織修復(fù)，TGF-β 水平的增加導(dǎo)致肺間質(zhì)的產(chǎn)生增加和降解減少，在介導(dǎo)各種肺部疾病的纖維化組織重塑中起關(guān)鍵作用。

1.3 SHH信號(hào)通路在肺發(fā)育中的調(diào)控作用機(jī)制 SHH信號(hào)通路是促進(jìn)人體全身臟器發(fā)育的主要通路之一。在胚胎期前腸內(nèi)胚層中就已經(jīng)出現(xiàn)SHH 蛋白表達(dá)［11］。分泌蛋白SHH 在人胚胎發(fā)育過(guò)程中起重要調(diào)控作用，由位于7號(hào)染色體上的Shh基因控制合成。胚胎細(xì)支氣管形成及細(xì)化階段SHH 蛋白表達(dá)達(dá)到最高峰，提示在胚胎肺發(fā)育過(guò)程中SHH 蛋白起重要作用［12］。抑制細(xì)胞SHH 表達(dá)可抑制胎兒肺成纖維細(xì)胞的增殖。阻斷SHH 信號(hào)通路可導(dǎo)致胚胎肺發(fā)育中斷，而過(guò)表達(dá)的SHH 信號(hào)通路也同樣影響胚胎肺發(fā)育。BELLUSCI 等［13］應(yīng)用肺泡表面活性物質(zhì)C 的啟動(dòng)子刺激小鼠肺組織SHH 蛋白過(guò)度表達(dá)，導(dǎo)致大量間充質(zhì)和典型肺泡缺失，出生后小鼠因無(wú)法呼吸死亡，但其肺組織病變程度較SHH 基因敲除的小鼠輕。

1.4 FGF 信號(hào)通路在肺發(fā)育中的調(diào)控作用機(jī)制 FGF信號(hào)通路在胚胎肺發(fā)育和出生后肺部細(xì)胞的增殖分化中起重要的作用。FGF家族成員在肺發(fā)育中可影響細(xì)胞增殖、細(xì)胞形態(tài)學(xué)、細(xì)胞分化及器官發(fā)生時(shí)遷移［14］。發(fā)育過(guò)程中肺組織中可見(jiàn)FGF1、FGF7及FGF9等表達(dá)。FGF10是肺發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心，也是必需。SEKINE 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF10-/-的小鼠在發(fā)育過(guò)程中不形成肺。FGF10可與位于胎兒呼吸道上皮細(xì)胞上的受體FGF2RⅢb 結(jié)合，啟動(dòng)FGF相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，影響肺泡細(xì)胞的增殖、分化［16］。同時(shí)，F(xiàn)GF10 還可通過(guò)自分泌調(diào)控肺間充質(zhì)細(xì)胞的分化［17］。FGF信號(hào)的異常傳導(dǎo)與成年慢性肺疾病的發(fā)生機(jī)制同樣息息相關(guān)。FGF-1 通過(guò)體外和體內(nèi)TGF-β 受體Ⅰ的蛋白酶體降解抑制肌成纖維細(xì)胞分化和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化發(fā)揮抗纖維化作用。總之，F(xiàn)GF信號(hào)傳導(dǎo)既調(diào)控肺的發(fā)育，又參與肺部疾病的發(fā)生。

2 發(fā)育源性肺疾病的發(fā)病機(jī)制

發(fā)育時(shí)期的機(jī)械通氣、高氧、氣壓傷、感染等不良暴露因素可損害正常的胚胎、嬰兒的正常生長(zhǎng)發(fā)育［18］。肺發(fā)育是多因素共同協(xié)調(diào)作用下的復(fù)雜過(guò)程，易受外源性因素的影響。人類肺發(fā)育從胎兒一直延續(xù)到青春期不良環(huán)境的作用時(shí)間窗較長(zhǎng)［19］。宮內(nèi)和出生后早期的不良暴露可導(dǎo)致肺結(jié)構(gòu)和功能的改變，這種改變隨著年齡的增長(zhǎng)、肺功能的自然下降而變得明顯，導(dǎo)致兒童期或成年后肺疾病的易感［20］。圍產(chǎn)期的損傷，包括宮內(nèi)生長(zhǎng)受限、早產(chǎn)、高氧或毒性物質(zhì)暴露等，可導(dǎo)致肺重塑障礙及肺疾病易感［20］。哮喘、慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）和肺纖維化等發(fā)育源性肺疾病的發(fā)病可能與肺發(fā)育密切相關(guān)。

2.1 發(fā)育源性哮喘的發(fā)病機(jī)制 哮喘是由多種細(xì)胞參與的氣道慢性炎癥，與氣道高反應(yīng)性相關(guān)。胎兒期暴露于尼古丁的兒童氣道反應(yīng)性增高，并且這一改變持續(xù)到成年期［21］。一項(xiàng)對(duì)6 000 例兒童的10年縱向研究［22］結(jié)果發(fā)現(xiàn)，宮內(nèi)尼古丁暴露與哮喘的發(fā)病呈獨(dú)立相關(guān)。產(chǎn)前尼古丁暴露比產(chǎn)后暴露更易導(dǎo)致兒童哮喘等下呼吸道疾病。孕期外源糖皮質(zhì)激素暴露增加兒童期氣道阻塞及哮喘的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)［23］。宮內(nèi)生長(zhǎng)受限是哮喘的確定危險(xiǎn)因素，動(dòng)物試驗(yàn)表明宮內(nèi)生長(zhǎng)受限子代的肺血管和內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、肺泡化受阻。

小鼠母體高甲基供體飲食會(huì)引起子代小鼠氣道的炎癥，以及血清IgE 水平的增加和氣道高反應(yīng)性，上述表型變化與子代小鼠體內(nèi)炎癥介質(zhì)Run3x的基因高甲基化有關(guān)［24］。而尼古丁暴露誘導(dǎo)臍帶血中多種基因，包括CYP1A1、GF1 及FOXP3 等基因的甲基化改變，進(jìn)而導(dǎo)致兒童期哮喘的發(fā)生［21］。孕期尼古丁暴露的子代臍血中芳香烴受體抑制因子的甲基化水平降低，這種表觀遺傳變化直至子代7歲時(shí)仍存在。宮內(nèi)尼古丁暴露后整體和基因特異性甲基化的改變［25］。宮內(nèi)尼古丁暴露可直接引起胎兒肺組織中哮喘相關(guān)基因DPP10 甲基化改變［26］。不僅如此，煙霧暴露的表觀遺傳效應(yīng)可引起肺發(fā)育的跨代遺傳，祖母吸煙可引起孫代哮喘發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加［22］。

2.2 發(fā)育源性COPD 的發(fā)病機(jī)制 COPD 是常見(jiàn)的成人肺疾病之一。生命早期的肺損傷與COPD 的發(fā)展至關(guān)重要［27］。2008年有學(xué)者［28］首次提出COPD 本質(zhì)上是兒科疾病。宮內(nèi)和早期尼古丁霧暴露、宮內(nèi)生長(zhǎng)受限、低出生體質(zhì)量、下呼吸道感染等，是COPD 發(fā)病的重要危險(xiǎn)因素［27，29］。發(fā)育期的尼古丁暴露損害了非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物、綿羊和大鼠的肺生長(zhǎng)和肺泡化進(jìn)程，加速成年后COPD 的進(jìn)展［27］。孕期母親吸煙時(shí)，尼古丁可穿過(guò)胎盤(pán)，導(dǎo)致胎盤(pán)血管阻力升高、子宮血流減少，通過(guò)缺氧造成胎兒肺發(fā)育受損。產(chǎn)前存在尼古丁暴露的子代肺泡壁較厚、氣道平滑肌增加、膠原沉積增加、氣道高反應(yīng)性伴氣流受限。此外，產(chǎn)前尼古丁暴露還可通過(guò)刺激上皮細(xì)胞生長(zhǎng)和肺分支，導(dǎo)氣道變得常而取之，引起呼氣流量減少。母親孕期每天吸煙10 支會(huì)使后代患慢性阻塞性肺病的風(fēng)險(xiǎn)增加1.7 倍，出生后在家庭環(huán)境中母親每天抽10 支煙對(duì)后代氣流限制的影響與子女個(gè)人吸煙10 年的影響相同［29］。除宮內(nèi)尼古丁暴露外，早產(chǎn)、宮內(nèi)生長(zhǎng)受限及低出生體重均為成年后COPD 發(fā)病的危險(xiǎn)因素［27］。上述患兒可出現(xiàn)肺活體表面積減少、空氣阻隔加厚和肺重減輕，動(dòng)物模型表明這些變化一直持續(xù)到成年［27］。BROSTROM 等［30］前瞻性研究了低出生體質(zhì)量、早產(chǎn)與COPD 發(fā)病的關(guān)系，最后研究發(fā)現(xiàn)，1 早產(chǎn)（＜35 周）或出生體質(zhì)量低者患COPD的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

一項(xiàng)薈萃分析［31］研究了母親吸煙與新生兒外周血450 000 個(gè)CpG 位點(diǎn)DNA 甲基化之間的聯(lián)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙霧暴露的子代中超過(guò)6 000 個(gè)CpG 的甲基化存在全基因組差異，這些甲基化異常的基因部分與吸煙導(dǎo)致的肺疾病有關(guān)，而這種基因甲基化的差異會(huì)持續(xù)作用到兒童期。有一項(xiàng)報(bào)道［32］提供了圍產(chǎn)期損傷后人類肺組織中DNA 甲基化改變的直接證據(jù)，該研究對(duì)160 例COPD 成年肺手術(shù)組織和78 例胎兒肺組織標(biāo)本的DNA 進(jìn)行了全基因組甲基化對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)煙霧暴露的胎兒肺組織中肺發(fā)育相關(guān)調(diào)控基因Hippo、PI3K/AKTWNT、TGF-β等的甲基化水平產(chǎn)生了改變，這一表觀遺傳修飾與吸煙的COPD 患者一致，作者認(rèn)為甲基化網(wǎng)絡(luò)模塊的重疊支持COPD 的發(fā)育起源。還有研究對(duì)尼古丁暴露胎兒肺組織和胎盤(pán)樣本的DNA 進(jìn)行了表觀基因組分析，結(jié)果顯示宮內(nèi)尼古丁暴露與DNA 甲基化改變之間存在關(guān)聯(lián)［26］。

2.3 發(fā)育源性肺纖維化的發(fā)病機(jī)制 肺纖維化是以成纖維細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積以及肺泡結(jié)構(gòu)破壞為特征的慢性肺部疾病。TGF-β是公認(rèn)的促肺纖維化因子，在發(fā)育中的胎猴肺中過(guò)表達(dá)TGF-β 除了導(dǎo)致肺發(fā)育不良外，還導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)和胸膜的進(jìn)行性纖維化［33］。孕期母親尼古丁暴露，導(dǎo)致TGF-β/Smad3 信號(hào)通路的編程改變，從而引起子代大鼠肺間質(zhì)增厚，膠原沉積增加，伴有肺組織及血清中TGF-β表達(dá)增加［34］。宮內(nèi)生長(zhǎng)受限的子代大鼠成年后也可出現(xiàn)肺纖維化征象［35］。生后高氧暴露引起的肺損傷可導(dǎo)致大鼠的肺纖維化，并且母體的尼古丁暴露可加重這一表型［36］。新生兒期的高氧暴露可使大鼠對(duì)博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺纖維化敏感性增加［37］。此外，動(dòng)物研究［38］提示，孕期常用藥物地塞米松暴露在促進(jìn)肺成熟同時(shí)損害出生后的肺發(fā)育；影響二級(jí)間隔形成，導(dǎo)致肺泡總數(shù)減少。

綜上所述，WNT、TGF-β 及SHH 信號(hào)通路等可能是調(diào)控肺發(fā)育的關(guān)鍵信號(hào)通路。不良暴露可能會(huì)導(dǎo)致炎癥介質(zhì)（Run3x、CYP1A1、GF1 及FOXP3）及肺發(fā)育相關(guān)調(diào)控基因（Hippo、PI3K/AKTWNT、TGFβ）異常甲基化，導(dǎo)致哮喘、COPD 和肺纖維化等發(fā)育源性肺疾病。