肌成纤维细胞在哮喘气道重塑中的作用

左 蓓 陈兴无

肌成纤维细胞(myofibroblast，MF)是一种介于平滑肌细胞(smooth muscle cell，SMC)和成纤维细胞(fibroblast，FB)之间的特殊类型的细胞，是一类分化了的FB，具有活跃的增殖和分泌胶原的能力，是细胞外基质(extracellular matrix，EMC)的主要来源［1］。大多数情况下MF以表达α-平滑肌肌动蛋白(αsmooth muscle actin，α-SMA)为主，具有一定的收缩潜能。在一些正常组织器官(如肺、肾、肝、皮肤等)的结缔组织中仅有少量MF存在，常在结缔组织损伤修复过程中一过性出现，但在慢性疾病过程中组织MF可以大量增殖并持续存在，导致皮肤疤痕挛缩，肺纤维化，肝硬化，肾脏纤维化，动脉粥样斑块形成等病理过程。哮喘病理生理特征涉及气道高反应性与气道重塑［2］。气道重塑是指气道在慢性炎症刺激下所发生的气道壁的结构改变，主要表现为ECM沉积、气道平滑肌(airway smooth muscle，ASM)增厚、上皮下纤维化等。研究表明，哮喘患者气道重塑过程中肌纤维母细胞数量明显增多，提示MF参与哮喘的气道重塑过程。现就MF在哮喘气道重塑中的作用综述如下。

一、MF的特点和作用

MF是一种特殊类型的平滑肌样细胞，最早由Gabbiani等于1971年提出，其超微结构类似于FB，不同点在于其细胞外型较FB大且不规则，胞核卵圆或不规则，有多个深的折叠，有丰富的粗面内质网、高尔基复合体，细胞间，细胞与基膜间有多种连接，质膜下有平行排列且密集的微丝束。微丝在免疫电镜下可见有α-SMA抗体附着，证实微丝为α-SMA肌动蛋白，这是MF的主要免疫组织化学特征，使MF有了平滑肌细胞的收缩功能。但MF不同于真正的平滑肌细胞，一般不表达结蛋白。近年来对其作用有较多的研究，其主要功能是分泌大量ECM参与组织修复。在MF与创伤愈合实验性中发现，激活的FB可以分化为MF，其有超强的分泌细胞外基质蛋白的能力，并表达α-SMA促进创口的收缩，在创口愈合过程中发挥着必不可少的作用。病理状态下涉及组织器官的纤维化，如在肝、肾及肺的纤维化病灶中，肌成纤维细胞大量激活、增殖因而占有主要地位，是炎性损伤后ECM沉积，结构重塑，器官本身细胞功能破坏的关键细胞。另外有报道提示MF的出现对肿瘤细胞的侵袭和转移有一定的限制作用，可能由于间质内此类细胞的增生、收缩和胶原纤维形成可包绕肿瘤细胞而延缓肿瘤的浸润过程，限制肿瘤细胞进入血管和神经周围间隙而发生播散。

二、MF的来源

MF是一类分化了的FB，在一些正常组织器官(如肺、肾、肝、皮肤等)的结缔组织中仅有少量存在，常在结缔组织损伤修复过程中一过性出现。病理条件下，MF在各种炎症介质及细胞因子作用下被大量激活增殖并持续存在，其分泌过多的ECM可导致组织器官的纤维化改变。关于MF的来源可能有以下几条途径:

1.局部FB的转化［3］:这是MF的主要来源。哮喘气道重塑过程中平滑肌细胞增生肥大，胶原沉积，上皮下纤维化，FB增殖并且分化为特异性表达α-SMA的MF。肺间质纤维化的病理过程也包括平滑肌增生、肥大、胶原沉积及纤维细胞的形成，这些与哮喘早期气道重塑的病理过程相似，因此某些参与肺间质纤维化的重要炎症因子，可能在哮喘早期气道重塑中也同样发挥重要的作用。转化生长因子-β(transforming growth factor，TGF-β)被认为是组织器官纤维化最关键的细胞因子之一。已知TGF-β可诱导多种组织FB转分化为MF，并诱导MF分泌ECM和促进结缔组织蛋白合成［4］。体外实验也证明TGF-β1作用于人胚肺FB，可引起细胞内α-SMAmRNA和蛋白表达的水平增强，并逐渐向MF转分化。Vignola等［5］用免疫细胞化学染色和原位杂交的对照研究发现，哮喘患者支气管壁合成TGF-β的细胞主要为气道上皮细胞、FB和嗜酸性粒细胞，并且支气管上皮、黏膜中TGF-β免疫反应性增高与基底膜增厚、FB增生呈正相关。陈兴无等［6］通过建立人气道上皮细胞16HBE与人支气管成纤维细胞的共培养，并用免疫荧光及Western blot分析，结果显示损伤气道上皮细胞诱导了上皮下成纤维细胞(sub-epithelial fibroblasts，SEF)的α-SMA过表达;而用TGF-β中和抗体则对损伤气道上皮细胞诱导SEF的α-SMA表达有不同程度的抑制作用。除了TGF-β，其他细胞因子如结缔组织生成因子(connective tissue growth factor，CTGF)、白介素-4(interleukin-4，IL-4)、白介素-3(interleukin-3，IL-3)及内皮素等，都能通过各自信号转导途径促进FB转分化为MF，并可协同TGF-β促进MF的生成和增殖［7-9］。

2.气道上皮细胞的转化［10］:成熟的上皮细胞在特定环境作用下，可以表现出可塑性，在与其周围间质的相互作用过程中，虽然丧失部分上皮细胞特征如细胞间连接丢失、细胞极性丧失，但却获得了一些间质细胞的特征，如浸润性和迁移游走能力，这种现象被称为上皮间充质转化(epithelial mesenchymal transition，EMT)。EMT在肾脏，肝脏，晶状体及肺等器官组织的纤维化来源中扮演重要角色。在EMT过程中上皮细胞主要发生以下两个方面的变化:①上皮细胞表型如:钙黏蛋白、β-连环蛋白等逐渐丧失，而获得间质细胞的表型如:α-SAM蛋白、Snail蛋白、波形蛋白、N钙黏素等;②上皮细胞极性丧失，与周围细胞的联系减少，细胞的运动与迁徙能力增强。间质成纤维细胞就是具有间质细胞表型的一类细胞，而MF则是一类活化的间质成纤维细胞，表达独特的分子标记蛋白α-SAM。在一些细胞因子如TGF-β等的刺激下，这些在EMT过程中生成的间质成纤维细胞就可以转变为MF。因此上皮细胞被认为是MF的又一来源。张敏等［11］用低浓度的多聚左旋精氨酸(poly-L-arginine，PLA)(一种嗜酸性粒细胞阳离子蛋白类似物)反复刺激支气管上皮细胞株16HBE-14o模拟哮喘的慢性炎症过程，发现部分细胞出现了肌纤维母细胞表型的转化，即表达肌纤维母细胞表型的标记物α-SMA。这一现象提示，气道上皮细胞在反复的慢性损伤过程中部分受损伤细胞未能正常愈合而出现表型发生改变，并向肌纤维母细胞转化。Emiko等在一个体外研究中发现，转染了腺病毒EIA基因的气道上皮细胞能够表达间质表型标记物α-SMA和波形蛋白(vimentin)而发生表型改变。由此可以证实，气道上皮细胞在不同的损伤因素作用下能向肌纤维母细胞转化。微环境对于EMT的形成有很大的影响，这是由于当微环境被激活之后会出现不同的细胞因子，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、TGF-β、肿瘤坏死因子-β(tumor necrosis factor-β，TNF-β)、胰岛素样生长因子(insulinlike growth factors，IGF)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)等，这些因子加快了上皮细胞EMT的产生。其中TGF-β是EMT的主要诱导因子，已被证实在肝、肾、肺等许多组织器官的纤维化中起到重要作用，其通过依赖Smad和非依赖Smad的方式诱导纤维化中EMT的发生［12-13］。以往的研究已发现，损伤的气道上皮细胞分泌TGF-β增多。在张敏等［11］研究中用PLA反复损伤气道上皮细胞系16HBE-14o，在气道上皮细胞系16HBE-14o反复损伤、修复过程中，有部分细胞α-SMA表达阳性，TGF-β的刺激增加了α-SMA阳性细胞数，并延缓了损伤后16HBE-14o的修复。据此推测，可能气道上皮细胞这种潜在转化为肌纤维母细胞的作用，参与了哮喘的气道重塑过程。

3.血液中纤维细胞的转化:Bucala等［14］在损伤修复的模型中发现了外周血纤维细胞的存在，并通过其生长特性及独一无二的表型首次将其命名为外周血纤维细胞。血液中的纤维细胞是一种CD34+细胞，骨髓基质细胞也表达CD34抗原，故纤维细胞一直被认为来源于骨髓基质［15］。外周血纤维细胞参与机体的损伤修复和肝纤维化、肺纤维化、哮喘、硬皮病的病理过程。当组织损伤时，外周血纤维细胞随血流进入伤口，定位于ECM沉积区，合成胶原和基质蛋白参与损伤愈合，还可通过分泌基质金属酶参与重塑反应。对哮喘患者进行气管内活检发现，哮喘患者气道纤维化与同时表达CD34抗原和胶原蛋白的纤维细胞有关。Schmidt等［16］报道，由过敏原导致的哮喘患者的支气管壁纤维化与表达CD34纤维细胞存在有关，但其CD34表达与α-SAM表达呈负相关。并且发现TGF-β及ET-1在下调CD34表达的同时上调α-SAM的表达，在TGF-β作用下纤维细胞还能进一步分化成熟为FB。CD34抗原在体内外均随时间延长表达减少，可能反映纤维细胞表型的转变，这与其在特殊的组织微环境中分化成熟、表达α-SAM有关。某些介质如TGF-β、IL-1、次级淋巴细胞趋化因子(SLC)、CXCL12以及血清淀粉样物质P可以影响纤维细胞的功能、增殖能力、分化为MF的能力以及转运特性。

三、MF在哮喘气道重塑中的作用

1.上皮下纤维化:尸检和支气管黏膜活检表明哮喘患者存在基底膜增厚。网状基底膜(reticular basemet membrane，RBM)增厚是哮喘的重要特征之一，RBM的增厚主要由于胶原Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ增多所致，故又称上皮下纤维化［17］。近年来研究发现哮喘患者支气管上皮基底膜下存在一类特殊的FB-MF，并且数量较正常人明显增加［18］。MF与哮喘患者支气管上皮下纤维化的发生有密切关系。FB转化为MF后，合成细胞外基质及胶原(特别是Ⅰ型胶原)的能力大大增强，其中Ⅰ型胶原、明胶酶B(MMP-9)、TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4、TGF-β的基因表达均增强，而胶原酶-1(MMP-1)和明胶酶A(MMP-2)的表达没有区别，因此胶原降解的速度要低于其分泌速度，导致了胶原沉积［19］。对哮喘患者和健康受试者纤维支气管镜检物行免疫组化印迹和计算机辅助图像分析证实哮喘患者Ⅲ型胶原、V型胶原、黏合素在上皮下沉积与局部MMP-9、TIMP-1表达增高有关，MMP-9的表达强度大于T1MP-1，表明MMP-9、TIMP-1活性失调与呼吸道重塑有关。

2.支气管平滑肌的肥厚:研究表明，同正常气道相比哮喘患者气道壁中的ASM细胞数量增加了2～3倍。目前认为，哮喘患者ASM增厚增生性改变是由于FB、外膜细胞、MF的分化和逆分化的结果。其中一个原因是MF的参与，从超微结构特征来讲，因MF含有α-肌动蛋白与肌纤维母细胞是不同的。这些细胞被认为是代表特殊细胞形态消失后的肌细胞，后者向上皮下区域移动形成新的ASM束。由于肥大和(或)增生引起的ASM的增加可以解释严重哮喘患者大部分气道腔的狭窄和气道管径的缩小。增生、肥厚的平滑肌不仅影响气道管径的收缩力，而且导致管壁增厚，引起气道狭窄。

3.分泌细胞因子、生长因子和炎性介质:MF具有很强的合成和分泌功能，它能产生细胞因子、生长因子和炎性介质，如白介素-1(IL-1)、白介素-6(IL-6)、TNF-α、TGF-β、血小板源性生长因子(plateletderived growth factor，PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)、一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)等。这些细胞因子都是炎性介质，因此MF也具有炎性细胞的特性。MF通过分泌这些细胞因子，募集炎性细胞，使与哮喘相关的炎症程度加强、时间延长，从而形成一个炎症反应自我激发的正反馈。持续存在的炎症反应导致纤维化因子TGF-β高水平表达，TGF-β对MF表型的诱导和维持有重要的作用，还能诱导嗜酸性粒细胞、巨噬细胞、B淋巴细胞、单核细胞、中性粒细胞和肥大细胞等许多炎症细胞趋化，在哮喘的慢性气道炎症和气道重塑中起着重要作用。

四、结语

MF是一种活化了的FB，其来源复杂，具有活跃的增殖和分泌胶原的能力，在各种炎症介质及细胞因子作用下被激活增殖并持续存在，可能参与哮喘气道上皮下纤维化、支气管平滑肌增生肥大等气道重塑过程。抑制MF的转化和活化有可能作为预防哮喘气道重塑的一个途径，但目前对该细胞了解仍不是很清楚，尚需进一步研究。

1 Eyden B.Electron microscopy in the study of myofibroblastic iesions［J］.Semin Diagn Pathol，2003，20(1):13-24.

2 Vignola AM，Mirabella F，Costanzo G，et al.Airway Remodeling in Asthma［J］.Chest，2003，123(3 Suppl):417S-22S.

3 Nihlberg K，Larsen K，Hultgårdh-Nilsson A，et al.Tissue fibrocytes in patients with mild asthma:A possible link to thickness of reticular basement membrane［J］.Respir Res，2006，29(7):50.

4 Halwani R，Al-Muhsen S，Al-Jahdali H，et al.Role of transforming growth factor-β in airway remodeling in asthma［J］.Am J Respir Cell Mol Biol，2011，44(2):127-133.

5 Vignola AM，Chanez P，Chiappara G，et al.Transforming growth factor-beta expression in mucosal biopsies in asthma and chronic bronchitis［J］.Am J Respir Crit Care Med，1997，156(2):591-599.

6 陈兴无，徐 军.气道损伤上皮细胞诱导成纤维细胞转分化的病理意义及离子基础［J］.中国结核和呼吸杂志，2007，30(9):691-696.

7 Burgess JK，Johnson PR，Ge Q，et al.Expression of connective tissue growth factor in asthmatic airway smooth muscle cells［J］.Am J Respir Crit Care Med，2003，167(1):71-77.

8 Saito A，Okazaki H，Sugawara I，et al.Potential action of IL-4 and IL-13 as fibrogenic factors on lung fibroblasts in vitro［J］.Int Arch Allergy Immunol，2003，132(2):168-176.

9 Hashimoto S，Gon Y，Takeshita I，et al.IL-4 and IL-13 induce myofibroblastic phenotype of human lung fibroblasts through c-Jun NH2-terminal kinase-dependent pathway［J］.J Allergy Clin Immunol，2001，107(6):1001-1008.

10 Michalik M，Pierzchalska M，Legutko A，et al.Asthmatic bronchial fibroblasts demonstrate enhanced potential to differentiate into myofibroblasts in culture［J］.Med Sci Monit，2009，15(7):BR194-201.

11 张 敏，吴 壮，徐 军.损伤气道上皮组织转化在气道重塑中的作用［J］.医学研究生学报，2004，17(11):966-969.

12 Doerner AM，Zuraw BL.TGF-β1 induced epithelial to mesenchymal transition(EMT)in human bronchial epithelial cells is enhanced by IL-1β but not abrogated by corticosteroids［J］.Respir Res，2009，10:100.

13 Hackett TL，Warner SM，Stefanowicz D，et al.Induction of epithelial-mesenchymal transition in primary airway epithelial cells from patients with asthma by transforming growth factor-beta 1［J］.Am J Respir Crit Care Med，2009，180(2):122-33.

14 Bucala R，Spiegel L A，Chesney J，et al.Circulating fibrocytes define a new leukocyte subpopulation that mediates tissue repair［J］.Mol Med，1994，1(1):71-81.

15 Dolgachev VA，Ullenbruch MR，Lukacs NW，et al.Role of stem cell factor and bone marrow-derived fibroblasts in airway remodeling［J］.Am J Pathol，2009，174(2):390-400.

16 Schmidt M，Sun G，Stacey MA，et al.Identification of circulating fibrocytes as precursors of bronchial myofibroblasts in asthma［J］.J Immunol，2003，171(1):380-389.

17 Westergren-Thorsson G，Larsen K，Nihlberg K，et al.Pathological airway remodelling in inflammation Clin［J］.Respir J，2010，1:1-8.

18 苏斌虓，倪殿涛.哮喘气道重塑中嗜酸粒细胞与成纤维细胞的相互作用［J］.国外医学呼吸系统分册，2005，25(9):687-689.

19 Eric SW，Rachelle GA，Atrasz BH，et al.Negative regulation of myofibroblast differentiation by PTEN［J］.Am J Respir Crit Care Med，2006，173(1):112-121.