糖酵解在特發(fā)性肺纖維化中的作用及機制研究進展

杜香林 霍如婕 田新瑞

特發(fā)性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis, IPF) 是一種慢性、進展性纖維化間質(zhì)性肺炎,臨床表現(xiàn)為呼吸困難和肺功能的進行性惡化[1]。目前病因不明,中位生存期為診斷后的3-5年,在美國,IPF的患病率報告為10-60例/100000例,并且呈現(xiàn)上升趨勢[2,3]。該疾病的組織學(xué)類型是普通型間質(zhì)性肺炎,表現(xiàn)為肺泡上皮細胞反復(fù)損傷和肺泡結(jié)構(gòu)破壞,肺成纖維細胞活化為肌成纖維細胞和巨噬細胞釋放促纖維化介質(zhì)誘導(dǎo)細胞外基質(zhì)大量沉積[4]。尼達尼布和吡非尼酮能夠減緩疾病進展,改善預(yù)后,被批準用于IPF的抗纖維化治療[5,6]。但是,兩種抗纖維化藥物不能逆轉(zhuǎn)IPF[7],肺移植仍是目前唯一能夠提高患者生存質(zhì)量和延長生存期的治療方式[8]。

IPF與多種生物學(xué)過程異常有關(guān),包括氧化劑/抗氧劑失調(diào)、細胞凋亡、血管重塑、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及代謝失調(diào)等[9,10]。盡管已經(jīng)進行了廣泛的研究,但目前對于IPF潛在的病理生理機制仍然知之甚少。近年來,許多研究表明有氧糖酵解在IPF的進展中起重要作用[11,12]。糖酵解參與成纖維細胞/肌成纖維細胞活化、細胞外基質(zhì)沉積和內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化。糖酵解酶及其代謝產(chǎn)物的增加,促進了肌成纖維細胞的分化和細胞外基質(zhì)的沉積,在IPF發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用[13]。本文就糖酵解在IPF中的作用機制及抑制異常糖代謝的藥物綜述如下。

一、成纖維細胞的糖酵解異常

糖酵解途徑中有己糖激酶2 (hexokinase 2, HK2) 、磷酸果糖激酶-1 (phosphofructokinase-1, PFK1) 和丙酮酸激酶M2 (pyruvate kinase isozyme type M2, PKM2) 催化的三個不可逆反應(yīng)。糖酵解在無氧條件下產(chǎn)生丙酮酸后,發(fā)酵成乳酸或被氧化為乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)。Warburg發(fā)現(xiàn)在有氧條件下也可發(fā)生糖酵解,葡萄糖攝取率高,增強的糖酵解有助于增加乳酸的生成,該過程常見于腫瘤細胞[14]。越來越多的研究表明,Warburg效應(yīng)在非腫瘤疾病中起關(guān)鍵作用[15]。纖維化肺組織具有高度代謝活性,IPF患者肺組織的有氧糖酵解水平上調(diào)[11,16],可以滿足肺成纖維細胞的高代謝需求。糖酵解相較氧化磷酸化循環(huán)速度更快,增加了中間體的產(chǎn)生,這些中間體作為增加細胞外基質(zhì)的基礎(chǔ)[13]。同時其副產(chǎn)物的產(chǎn)生對肌成纖維細胞的分化具有重要作用。

IPF患者的肺成纖維細胞中的糖酵解代謝相關(guān)酶水平顯著上調(diào),介導(dǎo)纖維化進程。HK2是負責在糖酵解的第一步中產(chǎn)生6-磷酸葡萄糖的酶,HK2在特發(fā)性肺纖維化患者的肺成纖維細胞中升高,促纖維化因子TGF-β通過Smad 2/3和c-Myc誘導(dǎo)HK2在小鼠和人肺成纖維細胞中的積累,增加了這些細胞中的糖酵解[17]。此外,Smad 2/3依賴性 TGF-β1信號也介導(dǎo)纖維化肺組織中6-磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二酸酶3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2, 6-bisphosphatases 3, PFKFB3) 表達上調(diào),增加糖酵解。PFKFB3是一種產(chǎn)生2,6雙磷酸果糖 (F2,6P2) 的代謝酶,F2, 6P2是限速酶PFK-1的有效變構(gòu)激活劑[18]。PFKFB3參與小鼠和人的肺肌成纖維細胞分化,抑制PFKFB3能夠逆轉(zhuǎn)IPF肌成纖維細胞的促纖維化表型。3PO是PFKFB3的抑制劑,3PO能顯著減弱了TGF-β和博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型的膠原沉積,抑制小鼠肺中的糖酵解和肺纖維化[19]。另外有研究顯示,在脂多糖誘導(dǎo)的肺纖維化模型中,肺成纖維細胞通過激活PI3K-Akt-mTOR/PFKFB3通路,上調(diào)PFKFB3的表達進而增強糖酵解,促進膠原合成[20]。研究發(fā)現(xiàn)PFKFB3不僅存在于纖維化肺組織中,也存在于正常小鼠的肺上皮細胞、基質(zhì)細胞和巨噬細胞中[19],但這些細胞誘導(dǎo)PFKFB3在肺纖維化的發(fā)病機制尚有待進一步研究。

PKM2是催化糖酵解的最后一步,是糖酵解的關(guān)鍵酶之一。PKM2通過直接與Smad7相互作用和增強TGF-β1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而促進纖維化進程。PKM2缺失可明顯減輕博來霉素誘導(dǎo)的纖維化進程、肌成纖維細胞分化和TGF-β1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活[21]。

乳酸作為一種重要的纖維原性細胞因子,是糖酵解的主要副產(chǎn)物[22]。IPF患者肺組織中乳酸和乳酸脫氫酶-5 (lactate dehydrogenase-5, LDH-5) 濃度升高,LDH-5過表達增加乳酸產(chǎn)生,同時降低pH值。乳酸通過pH依賴性的方式激活TGF-β,誘導(dǎo)肌成纖維細胞的分化。TGF-β誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子-1α (hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α) 表達,HIF-1α過表達與LDH-5過表達可與低劑量TGF-β協(xié)同誘導(dǎo)肌成纖維細胞分化[23]。此外,糖酵解的增強導(dǎo)致三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物琥珀酸增加,琥珀酸的蓄積抑制了HIF-1α的羥化,導(dǎo)致了HIF-1α穩(wěn)定,進而促進了肌成纖維細胞的分化。HIF-1α在肺肌成纖維細胞中上調(diào),是肌成纖維細胞分化所必需的,抑制糖酵解可減少肌成纖維細胞中的HIF-1α[19]。

此外,與非IPF纖維化間質(zhì)性肺病患者相比,IPF患者有較高的勞力性和靜息性低氧血癥的累積發(fā)生率[24]。Alexandra等研究發(fā)現(xiàn),低氧條件下,正常肺成纖維細胞加強了對培養(yǎng)基中葡萄糖的吸收,葡萄糖轉(zhuǎn)運體1(glucose transporter 1, GLUT1)和己糖激酶Ⅱ表達上調(diào)。在低氧條件下,MRC5肺成纖維細胞表現(xiàn)出丙酮酸激酶水平下降并顯著誘導(dǎo)丙酮酸的功能形式。磷酸化的丙酮酸脫氫酶在低氧狀態(tài)下保持穩(wěn)定。成纖維細胞在缺氧環(huán)境下沒有向無氧糖酵解途徑轉(zhuǎn)變,而是通過有氧途徑獲得能量[25]。但該項研究反映的是成纖維細胞對急性缺氧的代謝反應(yīng)。因此,在低氧條件下,肺內(nèi)成纖維細胞的代謝調(diào)控機制仍需進一步研究。

二、巨噬細胞的糖酵解異常

糖酵解的增強不僅發(fā)生在肺成纖維細胞中,在巨噬細胞中糖酵解也增強。巨噬細胞極化在特發(fā)性肺纖維化的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。在組織損傷早期階段,M1型巨噬細胞通過分泌促炎性細胞因子促進炎癥反應(yīng)。在肺纖維化發(fā)展的中后期階段,巨噬細胞向M2極化,M2型巨噬細胞通過分泌趨化因子、TGF-β、血小板源性生長因子和基質(zhì)金屬蛋白酶等,介導(dǎo)成纖維細胞的增殖和活化,促進肺纖維化的發(fā)展[26-28]。抑制M2型巨噬細胞的極化,減弱M2型巨噬細胞在肺泡中的浸潤,可以抑制博來霉素誘導(dǎo)的大鼠肺纖維化[29]。

通過調(diào)節(jié)糖代謝可以改變M1/M2型巨噬細胞極化的平衡。纖維化肺泡巨噬細胞糖酵解增強,糖酵解相關(guān)介質(zhì)(如HK2、磷酸果糖激酶、PFKFB3、肝臟磷酸果糖激酶[phosphofructokinase liver type, PFKL)、乳酸脫氫酶B (lactate dehydrogenase B, LDHB)和 GLUT1等]的表達顯著增加[30]。

有氧糖酵解產(chǎn)生的高乳酸是Warburg效應(yīng)的本質(zhì)特征,乳酸刺激能夠顯著增加巨噬細胞中的促纖維化因子的表達,如血小板源性生長因子、血管內(nèi)皮生長因子和血小板反應(yīng)素1等。在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中發(fā)現(xiàn),相較正常小鼠,IPF小鼠肺中存在增強的組蛋白乳酸化,乳酸通過在其啟動子處誘導(dǎo)組蛋白乳酸化來誘導(dǎo)肺泡巨噬細胞中促纖維化介質(zhì)的表達。在M1巨噬細胞極化后期,組蛋白乳酸化增強,可誘導(dǎo)M2樣基因的表達。肌成纖維細胞通過乙酰轉(zhuǎn)移酶p300介導(dǎo)組蛋白乳酸化,促進巨噬細胞極化[31]。

脂多糖相關(guān)的巨噬細胞 M1 極化主要由糖酵解驅(qū)動,而IL-4驅(qū)動的巨噬細胞 M2 替代極化則依賴于氧化磷酸化和脂肪酸氧化[32]。丙酮酸激酶是糖酵解的關(guān)鍵酶,其中PKM2是脂多糖激活巨噬細胞糖酵解的關(guān)鍵因素,PKM2的激活減弱了脂多糖誘導(dǎo)的促炎M1巨噬細胞表型,同時促進了M2巨噬細胞的典型特征[33]。HK2抑制劑2-DG抑制糖酵解能夠減弱M2標志物的表達[34]。在博來霉素和TGF-β誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中,Xie等[30]發(fā)現(xiàn)使用PFKFB3抑制劑3PO處理細胞,能夠減弱M2標志物的表達,HK2抑制劑2-DG甚至能逆轉(zhuǎn)原纖維化M2樣基因。以上均表明糖酵解對M2巨噬細胞的激活具有重要作用。Wang等[35]研究發(fā)現(xiàn)2-DG對糖酵解和氧化磷酸化聯(lián)合抑制時,通過阻斷JAK-STAT6通路的激活及其所依賴的基因的表達,進而抑制M2型巨噬細胞的分化。在氧化磷酸化保持活性的情況下,糖酵解對巨噬細胞向M2型的極化不是必須的。但在氧化磷酸化受損的情況下,抑制糖酵解和氧化磷酸化會減少細胞內(nèi)ATP的含量,并抑制M2型巨噬細胞的分化。糖酵解在肺纖維化巨噬細胞極化的作用機制需進一步研究確定。

此外,研究發(fā)現(xiàn),慢性缺氧狀態(tài)下,巨噬細胞葡萄糖攝取、乳酸分泌和ATP合成減少。慢性缺氧條件下的巨噬細胞很少通過糖酵解利用葡萄糖獲得能量,而是優(yōu)先將葡萄糖高效轉(zhuǎn)運至非典型戊糖磷酸途徑,提供核苷酸從頭合成所必須的五碳核苷酸,產(chǎn)生NADPH用于維持氧化還原穩(wěn)態(tài)適應(yīng)慢性缺氧[36]。關(guān)于低氧條件下,IPF患者巨噬細胞的代謝機制尚有待進一步探討。

三、藥物干預(yù)糖酵解過程治療肺纖維化

安羅替尼是一種酪氨酸酶抑制劑,目前已被批準用于晚期非小細胞肺癌的治療[37]。有研究報道,安羅替尼可通過抑制TGF-β信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑減輕博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化,抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化并促進肺泡上皮細胞的凋亡[38]。研究發(fā)現(xiàn)安羅替尼可以抑制博來霉素誘導(dǎo)纖維化小鼠肺中PFKFB3的表達。安羅替尼通過下調(diào)多聚胞嘧啶結(jié)合蛋白3 (poly C binding protein 3, PCBP3) 、減少PFKFB3翻譯和抑制肌成纖維細胞中的糖酵解來發(fā)揮抗纖維化作用。安羅替尼可以顯著逆轉(zhuǎn)博來霉素誘導(dǎo)的肺功能下降,并且安羅替尼降低了博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺中的膠原沉積。進一步研究發(fā)現(xiàn),安羅替尼治療降低了纖維連接蛋白、Ⅰ型膠原和α-SMA的表達。以上均表明安洛替尼可減輕博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化。此外,對于已建立的纖維化病灶,安羅替尼可以在體內(nèi)加速纖維化的消退[39]。

Alamandine (ALA) 是一種RAS家族的新成員,既往研究表明可以通過減輕氧化應(yīng)激損傷和通過MrgD受體誘導(dǎo)自噬來抑制博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化[40]。Wang等[41]發(fā)現(xiàn)ALA可以通過抑制糖酵解進而抑制成纖維細胞的激活。ALA在蛋白和轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)PFKFB3和HK2的表達,并誘導(dǎo)它們通過自噬-溶酶體途徑降解。ALA不僅降低了纖維化肺中PFKFB3和HK2的水平,而且還降低了Ⅰ型膠原、PFKFB3和HK2的共定位。ALA/MrgD軸通過激活Parkin/LC3介導(dǎo)的線粒體自噬來抵消糖酵解,從而抑制TGF-β1誘導(dǎo)的肺成纖維細胞激活。在博來霉素誘導(dǎo)的小鼠纖維化模型中。使用ALA (50 μg/kg/day)治療14天后,顯著減少了肺組織內(nèi)膠原的沉積,并且ALA可以改善肺纖維化的呼吸力學(xué),ALA治療后的小鼠動態(tài)順應(yīng)性 [(0.47 ± 0.04) cmH2O/mL]與健康小鼠[(0.48 ± 0.02) cmH2O/mL]相近[42]。

IR-780是一種具有親脂陽離子性質(zhì)的七甲川花菁染料,有良好的熒光特性和線粒體靶向能力[43]。IR-780能夠選擇性地積累到受損的肺組織和成纖維細胞線粒體中,可以輕度抑制成纖維細胞中的琥珀酸脫氫酶來抑制糖酵解,下調(diào)TGF-β1誘導(dǎo)的成纖維細胞的增殖能力,進而抑制肺纖維化和呼吸功能障礙。同時IR-780可以表征HIF-1或糖酵解過度活躍的細胞群,并且糖酵解會增強IR-780在細胞中的滯留,并可能導(dǎo)致琥珀酸脫氫酶A受到重度抑制和肌成纖維細胞中活性氧過多,選擇性的誘導(dǎo)肌成纖維細胞的凋亡[44]。

DACT2是DACT基因家族成員之一,在各種器官的組織發(fā)育、修復(fù)和再生中起著重要作用[45]。體外實驗證實過表達DACT2可顯著抑制TGF-β誘導(dǎo)的肺肌成纖維細胞中α-SMA和I型膠原的上調(diào)。DACT2通過下調(diào)乳酸脫氫酶A的表達,抑制有氧糖酵解和肺肌成纖維細胞的分化,從而可以作為肺纖維化的治療靶點[46]。

高遷移率族蛋白1 (high mobility group box1, HMGB1) 主要表達于肺泡巨噬細胞,在肺纖維化中HMGB1升高,體外研究顯示HMGB1通過濃度依賴性的方式增強有氧糖酵解。HMGB1通過上調(diào)HIF-1α的表達,誘導(dǎo)有氧糖酵解增加,上調(diào)乳酸水平,促進成纖維細胞增殖和細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生[47]。有許多研究顯示HMGB1抑制劑可明顯減輕肺纖維化[48,49]。但目前尚無直接證據(jù)證明HMGB1抑制劑通過抑制糖酵解途徑減輕肺纖維化,未來需進一步的研究來探索HMGB1抑制劑對糖酵解途徑的影響及其減輕肺纖維化的機制。

四、總結(jié)與展望

有氧糖酵解在IPF進展和調(diào)節(jié)巨噬細胞表型分化中有重要作用,闡明糖酵解在肺纖維化中的作用及機制對于 IPF的診斷和治療至關(guān)重要。本文闡述了HK2、PKM2、PFKFB3、乳酸和琥珀酸等酶或代謝產(chǎn)物的異常表達在特發(fā)性肺纖維化中的調(diào)控機制以及在巨噬細胞分化中作用。此外,一些抑制糖酵解藥物已經(jīng)在IPF相關(guān)實驗中證實具有良好的抗纖維化作用,未來的研究需要針對糖酵解相關(guān)酶在IPF發(fā)病機制中的具體作用及靶向藥物調(diào)控機制開展大量的體內(nèi)外實驗研究和臨床試驗,為IPF的治療提供新的策略。