脂肪酸代謝重編程在肺纖維化中的研究進(jìn)展

白 璐，王佳新，王 雪，曾 巍，宋美月，張?zhí)锾?，?婧*

1. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院 呼吸與共病全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100005；2. 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院 生物系 生命科學(xué)中心，北京100084；3. 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 呼吸科，黑龍江 哈爾濱150001

肺纖維化是以炎性反應(yīng)和細(xì)胞外基質(zhì)沉積為特征的一組肺部疾病,主要累及肺間質(zhì)和肺泡腔,導(dǎo)致肺組織異常修復(fù)引起不可逆損傷。其病因非常復(fù)雜,發(fā)病機(jī)制不清晰,目前缺乏有效的治療方法, 預(yù)后極差,死亡率高。近年來進(jìn)行了大量研究,指出肺纖維化中肺泡上皮細(xì)胞凋亡、巨噬細(xì)胞M2極化以及成纖維細(xì)胞活化是該病發(fā)生發(fā)展的核心機(jī)制,但影響它們的關(guān)鍵因素和分子機(jī)制仍然不明確。最近的研究指出肺纖維化中存在脂肪酸代謝重編程,影響肺部炎性反應(yīng)、纖維化和氧化應(yīng)激。然而,脂肪酸代謝的每個(gè)環(huán)節(jié)如何影響肺纖維化的具體機(jī)制尚不清楚。本綜述討論肺纖維化中脂肪酸代謝重編程,為進(jìn)一步探索肺纖維化的發(fā)病機(jī)制和尋找針對(duì)脂肪酸代謝的治療靶點(diǎn)提供新的思路。

1 脂肪酸代謝重編程

在正常肺組織中,脂肪酸的代謝過程是精確調(diào)控的,涉及脂肪酸的合成、攝取、氧化和衍生等多個(gè)環(huán)節(jié)。這些過程確保肺部細(xì)胞能夠高效利用脂肪酸作為能量來源,同時(shí)維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和各種生物活性分子的合成。脂肪酸代謝的這種平衡狀態(tài)對(duì)維持肺部正常功能至關(guān)重要。然而,在肺纖維化的病理狀態(tài)下,這種平衡被打破,出現(xiàn)脂肪酸代謝重編程,即脂肪酸的從頭合成、攝取和氧化等過程發(fā)生改變,以適應(yīng)疾病狀態(tài)下細(xì)胞的能量和代謝需求。在此過程中,脂肪酸的異常代謝導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂,影響細(xì)胞死亡和炎性反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)纖維化進(jìn)程。同時(shí),脂肪酸代謝產(chǎn)物如前列腺素和白三烯等,通過影響炎性反應(yīng)和纖維化細(xì)胞的活性,進(jìn)一步加劇疾病的進(jìn)展。因此,肺纖維化中脂肪酸代謝重編程不僅是對(duì)疾病環(huán)境的一種適應(yīng)性響應(yīng),也可能成為加重疾病的重要因素。

2 脂肪酸代謝重編程參與肺纖維化的研究進(jìn)展

2.1 脂肪酸從頭合成改變脂肪酸組分參與肺纖維化

在肺纖維化疾病狀態(tài)下,脂肪酸組分經(jīng)常發(fā)生顯著改變。特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)患者肺部棕櫚酸水平升高,硬脂酸水平降低[1]。在博來霉素(bleomycin,BLM)誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中,肺組織中的多不飽和脂肪酸水平升高。所以,不同的脂肪酸可能對(duì)肺纖維化發(fā)揮不同的作用。

外源補(bǔ)充不同的脂肪酸可以產(chǎn)生抗纖維化或抗炎效果。在BLM誘導(dǎo)的小鼠模型中,外源補(bǔ)充硬脂酸通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β1通路降低小鼠肺部羥脯氨酸水平[1]。Omega-3不飽和脂肪酸通過產(chǎn)生抗炎活性物質(zhì)改善BLM小鼠肺部炎性反應(yīng)[2]。

脂肪酸組分的內(nèi)源性調(diào)節(jié)主要受到脂肪酸鏈延長酶家族成員6(elongation of long-chain fatty acids family member 6,Elovl6)和硬脂酰輔酶A去飽和酶-1的調(diào)控。IPF患者以及BLM誘導(dǎo)小鼠的肺組織中Elovl6表達(dá)降低[3]。Elovl6-/-小鼠的肺組織中棕櫚油酸增加,硬脂酸減少。肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞中Elovl6發(fā)揮抗凋亡、抗氧化和抗纖維化的保護(hù)作用[3]。類似地,硬脂酰輔酶A去飽和酶-1通過抑制小鼠肺部內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)揮抗纖維化作用[4]。值得注意的是,在兩項(xiàng)研究中,脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)表現(xiàn)出對(duì)于纖維化相反的作用。過表達(dá)Fasn通過減少線粒體膜電位變化、活性氧產(chǎn)生及肺泡上皮細(xì)胞死亡減輕BLM小鼠肺纖維化[5]。然而TGF-β通路活化依賴FASN,可能是由于纖維化環(huán)境需要脂肪酸大量合成提供營養(yǎng)[6]。

2.2 脂肪酸攝取轉(zhuǎn)運(yùn)體參與肺纖維化

除了從頭合成,細(xì)胞還可以從胞外環(huán)境攝取脂肪酸。外源性脂肪酸通常以甘油三酯的形式由血漿脂蛋白轉(zhuǎn)運(yùn),脂蛋白脂肪酶將其水解,然后脂肪酸通過脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸或被動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。細(xì)胞攝取長鏈脂肪酸需要借助轉(zhuǎn)運(yùn)體,包括CD36、質(zhì)膜相關(guān)脂肪酸結(jié)合蛋白(plasma membrane-associated fatty acid-binding protein,FABPpm)和脂肪酸轉(zhuǎn)位酶(fatty acid transport proteins,FATPs)。

CD36在促進(jìn)肺纖維化的過程中起著關(guān)鍵作用。肺巨噬細(xì)胞膜上的CD36協(xié)助細(xì)胞攝取凋亡肺泡上皮細(xì)胞釋放的氧化磷脂[7]。氧化磷脂的積累導(dǎo)致巨噬細(xì)胞發(fā)生促纖維化表型轉(zhuǎn)化。同時(shí),巨噬細(xì)胞表面的CD36激活Src家族激酶Lyn,進(jìn)而上調(diào)TGF-β的表達(dá),進(jìn)一步促進(jìn)肺纖維化發(fā)展[7]。

然而關(guān)于FABP和FATP在肺纖維化中的作用研究較少。但在多種肺癌患者腫瘤組織以及細(xì)胞系中均檢測到FATP3蛋白表達(dá)水平顯著升高,且在細(xì)胞系中敲低編碼FATP3的基因明顯降低肺癌細(xì)胞系的增殖速率,提示FATP3加重肺癌疾病進(jìn)展[8]。而FABP5通過促進(jìn)肺自然殺傷細(xì)胞成熟,抑制肺癌轉(zhuǎn)移[9]?？紤]到肺纖維化中免疫細(xì)胞異常激活,肌成纖維細(xì)胞過度增殖,FABP5和FATP3可能影響炎性反應(yīng)和纖維化過程,參與肺纖維化。

2.3 脂肪酸氧化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及關(guān)鍵酶參與肺纖維化

脂肪酸β氧化是脂肪酸產(chǎn)生生物能量的主要途徑,其產(chǎn)生的大量乙酰輔酶A和三磷酸腺苷,用于三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量。在肺纖維化疾病中,肌成纖維細(xì)胞大量增殖,導(dǎo)致肺部纖維灶處于缺氧狀態(tài),脂肪酸氧化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和關(guān)鍵酶增強(qiáng)脂肪酸氧化過程,以供應(yīng)更多能量。

過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR-γ)是調(diào)節(jié)脂肪酸氧化最關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子。大多數(shù)研究主要關(guān)注PPAR-γ的激動(dòng)劑如GED-0507[10],其在體內(nèi)外的肺纖維化模型中均顯示出抗纖維化活性。此外,還有一些與PPAR-γ密切相關(guān)的小分子化合物,如培美貝特[11],在肺纖維化動(dòng)物模型中也顯示出明確的治療效果。

一氧化氮、不飽和脂肪酸和亞油酸之間的非酶反應(yīng)分別生成10硝基油酸和12硝基亞油酸,稱為硝化脂肪酸(nitrated fatty acids,NFA),是PPAR-γ的生理活化劑。在體外實(shí)驗(yàn)中,NFA上調(diào)PPAR-γ的表達(dá),并阻斷TGF-β誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞分化。在BLM誘導(dǎo)的小鼠體內(nèi),NFA抑制肺泡上皮細(xì)胞凋亡、成纖維細(xì)胞分化和增殖、膠原蛋白和α-平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá),同時(shí)加速膠原降解[12]。作為內(nèi)源性化合物,NFA可能比合成的PPAR-γ激動(dòng)劑更安全,具有不可忽視的治療潛力。值得關(guān)注的是,通過對(duì)PPAR-γ表觀調(diào)控抑制DNA甲基化,抑制PPAR-γ的表達(dá)也對(duì)肺纖維化有治療效果[13]。

除了PPAR-γ,脂肪酸氧化關(guān)鍵酶肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine acyl transferase 1,CPT1)在肺纖維化的進(jìn)展中也發(fā)揮作用。上調(diào)CPT1A的表達(dá)可以增強(qiáng)脂肪酸氧化,從而阻止肺泡巨噬細(xì)胞活化[14]。APN/CPT1A介導(dǎo)的脂肪酸氧化可以通過激活自噬來抗纖維化[15]。然而,研究發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞中CPT1A與B淋巴細(xì)胞瘤(BCL)-2結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡抵抗和組織纖維化[16]。目前對(duì)于CPT1A的研究相對(duì)較少,仍需進(jìn)一步探索。

2.4 脂肪酸衍生物影響肺纖維化發(fā)展

脂肪酸衍生物來自細(xì)胞膜磷脂水解釋放的游離花生四烯酸,經(jīng)過環(huán)氧化酶途徑或脂氧化酶途徑產(chǎn)生。通過對(duì)矽肺病患者和小鼠模型的肺組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序和驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)病肺中參與花生四烯酸環(huán)氧化酶途徑的前列腺素D2合酶和血栓素A2合酶的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)顯著增加,提示花生四烯酸衍生物可能影響肺纖維化的發(fā)展[17]。

花生四烯酸經(jīng)環(huán)氧化酶途徑生成的前列腺素和血栓烷等生物活性物質(zhì)在肺纖維化中發(fā)揮不同的作用。前列腺素D2具有抗纖維化的作用。在人支氣管成纖維細(xì)胞中,激活前列腺素D2受體顯著降低TGF-β1誘導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞分化、增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成,并且減少白細(xì)胞介素-6和纖溶酶原激活物抑制劑-1[18]。前列腺素E2通過與人肌成纖維細(xì)胞上的EP2受體結(jié)合,促使肌成纖維細(xì)胞去分化,從而發(fā)揮抗纖維化效果。相反,前列腺素F2則通過促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞增殖,加劇纖維化過程[19]。前列環(huán)素類似物曲前列尼爾通過激活cAMP-AKT-CREB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,促進(jìn)線粒體自噬,抑制成纖維細(xì)胞增殖[20]。另一種前列環(huán)素類似物,伊洛前列素,阻止香煙煙霧誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化,并改善E-鈣黏蛋白的缺失[21]。前列環(huán)素類似物曲前列尼爾和伊洛前列素在肺纖維化臨床前研究中的效果評(píng)價(jià)以及機(jī)制探索,加速兩藥的臨床轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。

而花生四烯酸通過脂氧化酶途徑轉(zhuǎn)化為白三烯,在肺纖維化的發(fā)展中可能具有促進(jìn)作用。白三烯的過度產(chǎn)生可能加劇肺部組織的炎性反應(yīng)和纖維化過程。因此,使用白三烯受體拮抗劑,如孟魯司特,顯示出積極的治療潛力。孟魯司特能有效減少砷誘導(dǎo)的人支氣管上皮細(xì)胞中活性氧的產(chǎn)生,進(jìn)一步抑制蛋白激酶B-核因子κB信號(hào)通路激活和下游的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[22]。

3 靶向脂肪酸代謝藥物對(duì)肺纖維化的治療效果

在肺纖維化臨床前研究中,靶向脂肪酸代謝的藥物治療效果可觀。因此,一些臨床試驗(yàn)已經(jīng)啟動(dòng),旨在評(píng)估針對(duì)脂肪酸代謝的藥物在肺纖維化患者中的療效和安全性。然而,目前只有針對(duì)脂肪酸衍生環(huán)節(jié)的藥物進(jìn)入臨床研究,轉(zhuǎn)化研究較為局限。

大部分研究著眼于前列環(huán)素類似物。目前有4項(xiàng)注冊(cè)臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行,旨在評(píng)估針對(duì)IPF的前列環(huán)素類似物曲前列尼爾的療效和安全性(NCT04905693、NCT05943535、NCT05255991、NCT04708782)。另外,還有幾項(xiàng)臨床試驗(yàn)旨在評(píng)估口服(NCT02603068)、靜脈或皮下注射(NCT00705133)以及吸入(NCT00703339、NCT02633293、NCT05572996、NCT02630316)前列尼爾治療肺纖維化-肺動(dòng)脈高壓共病的療效。INCREASE研究(NCT02630316)發(fā)現(xiàn),吸入曲前列尼爾明顯改善患者的運(yùn)動(dòng)能力和用力肺活量[23],且具有長期療效[24]。同時(shí),伊洛前列素作為另一種前列環(huán)素類似物,也在進(jìn)行治療肺纖維化-肺動(dòng)脈高壓共病的臨床試驗(yàn)(NCT00439543和NCT00109681)[24]。

此外,對(duì)于造血前列腺素D合酶的選擇性和可逆性抑制劑ZL-2102,正在進(jìn)行慢性阻塞性肺疾病、哮喘及IPF患者的耐受性和藥代動(dòng)力學(xué)研究(NCT02397005)。

4 問題與展望

肺纖維化是一種病因復(fù)雜、預(yù)后差的疾病,缺乏有效的治療方法。深入探究肺纖維化的發(fā)病機(jī)制,尋找新的治療靶點(diǎn),是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界亟需解決的問題,具有重要的科學(xué)意義和臨床價(jià)值。脂肪酸代謝過程中關(guān)鍵酶及相關(guān)物質(zhì)可能在肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮著不同的作用,一些能夠預(yù)防和修復(fù)肺損傷,而另一些能夠誘導(dǎo)和促進(jìn)肺纖維化形成。如何在這些過程中找到平衡點(diǎn),仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此,深入理解脂肪酸代謝的雙重性質(zhì)對(duì)于治療肺纖維化至關(guān)重要。通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)錄因子、外源性調(diào)整脂肪酸組分,可以有效抑制肺部炎性反應(yīng)、巨噬細(xì)胞促纖維化表型轉(zhuǎn)化及成纖維細(xì)胞活化,對(duì)于治療肺纖維化具有重要意義。

雖然目前已有前列環(huán)素類似物和前列腺素D合酶抑制劑進(jìn)入臨床試驗(yàn),但針對(duì)脂肪酸代謝其他環(huán)節(jié)的藥物仍處于臨床前研究階段,通過這些新型藥物調(diào)控脂肪酸代謝,有望為肺纖維化治療提供新策略。然而,要將這些研究成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用,還需要進(jìn)行更多的臨床研究以驗(yàn)證其有效性和安全性。

未來的研究可以探索不同給藥形式或者藥物聯(lián)合應(yīng)用的策略,以提高藥物療效和治療方案多樣性。例如,通過納米藥物遞送系統(tǒng)、基因編輯技術(shù)和靶向治療策略,以便更好地靶向脂肪酸代謝,進(jìn)一步提升治療效果。