肺泡上皮细胞凋亡与特发性肺纤维化的研究进展

刘　建，刘燕梅(综述)，王玉光※(审校)

(1.首都医科大学附属北京中医医院呼吸科，北京 100010； 2.北京中医药大学，北京 100700)

肺泡上皮细胞凋亡与特发性肺纤维化的研究进展

刘建1，刘燕梅2(综述)，王玉光1※(审校)

(1.首都医科大学附属北京中医医院呼吸科，北京 100010； 2.北京中医药大学，北京 100700)

特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种表现为慢性进行性呼吸困难，干咳，杵状指及体质量减轻的肺部疾病，多隐匿起病，患者平均生存时间为确诊后的3～5年。IPF多见于50～70岁，发病率为4.6/10万～7.4/10万，患病率约为14/10万[1]。传统观念认为纤维化形成源于肺实质慢性炎症反应引起的早期肺泡损伤，但糖皮质激素联合免疫抑制剂不能有效地治疗IPF，使该假设难以成立。研究认为，IPF可能是肺泡上皮损伤和组织纤维化性异常修复的结果[2]。研究证实，在疾病早期，观察到肺泡上皮细胞死亡的超微结构[3-4]，因此上皮细胞凋亡可能是IPF早期发生、发展的重要因素[5]。现对以肺泡上皮细胞凋亡后组织异常修复为主的IPF发病机制的研究进展予以综述。

1肺泡上皮细胞

肺泡表面覆盖着两种类型的上皮细胞，即Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮细胞[6]。肺泡I型上皮细胞呈扁平状，覆盖约90%的肺泡表面，其与基底膜、肺泡壁毛细血管内皮细胞共同组成气血屏障，主要负责气体交换。肺泡Ⅱ型上皮细胞(alveolar epithelial type Ⅱ，AT2)呈立方形，形体小，主要功能是合成和分泌肺泡表面活性物质。肺泡表面活性物质具有降低肺表面张力、维持肺泡直径、防止肺泡塌陷及肺泡水肿的功能，并伴有其他重要的功能，如免疫防御。AT2是肺泡I型上皮细胞的祖细胞，参与肺泡上皮细胞损伤后的修复过程。

在正常条件下，肺泡上皮细胞受到损伤后，肺泡基底膜完整性遭到破坏，气体交换功能异常，修复过程主要通过AT2的增殖、分化来完成。在IPF的病理条件下，AT2出现死亡，而损伤的修复由成纤维细胞参与完成。IPF的重要病理特征表现为成纤维细胞活跃增殖形成的纤维化灶。成纤维细胞灶是上皮细胞损伤和修复的部位，上皮细胞损伤后能分泌的多种介质促使成纤维细胞的迁移、增殖、分化，从而引起肺泡内广泛的纤维化，最终导致进行性呼吸困难。但上皮细胞损伤后导致肺纤维化机制尚不完全清楚。目前认为，纤维化反应可能由多种因素共同参与，而不是由单一因素所触发。多种研究通过建立病毒感染、烟雾刺激、胃食管反流以及环境暴露等肺纤维化动物模型来探讨肺纤维化的可能发生机制，得出由于肺内致纤维化分子和抗纤维化分子间的失衡，诱导肺泡上皮细胞凋亡、成纤维细胞增殖和肺泡上皮-间质转变，共同参与肺纤维化的形成。

因此，IPF的发病机制可能是肺泡上皮细胞损伤后的异常再上皮化和成纤维细胞异常增殖所致。

2肺纤维化与肺泡上皮细胞凋亡

细胞死亡有3种类型，包括凋亡、自噬和坏死。区别于坏死性细胞死亡，细胞凋亡和自噬是无炎症反应参与的程序性细胞死亡，是对机体有利又必需的反应。IPF中的细胞死亡表现为上皮细胞损伤后的细胞凋亡，在疾病发生中起重要作用[5,7-9]。细胞凋亡在3个方面促进IPF的发展：①增加肺泡上皮细胞凋亡，阻止其正常再上皮化；②成纤维细胞和肌成纤维细胞出现凋亡抵抗，从而出现异常增殖；③清除凋亡细胞时引起局部持续的炎性状态。在IPF患者及博莱霉素诱导肺纤维化动物模型的肺组织病理中可见增生的成纤维细胞，覆盖于AT2凋亡增加的区域，而接近正常的肺区域亦能观察到肺泡细胞的凋亡[9-10]。研究证实，诱导肺上皮细胞凋亡能导致肺组织发生纤维化反应[5,7]。因此，AT2凋亡在肺纤维化中作用重要，致力于修复AT2损伤可能逆转IPF的发生和发展。

细胞凋亡的信号转导通路主要包括外源性(死亡受体)通路和内源性(线粒体)通路[11]。细胞表面TNF受体超家族(包括Fas/CD95)与其配体FasL结合引发外源性通路，随后，被招募衔接蛋白通过死亡效应域导致死亡诱导信号复合物的组成，并激活胱天蛋白酶(caspase)8/10。活化的caspase-8再激活下游的caspase(特别是caspase-3和caspase-7)，完成级联反应，启动细胞凋亡。内源性途径开始于线粒体，与促凋亡因子B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2,bcl-2)家族(如Bax)活化有关。当细胞接受到凋亡信号时，胞内细胞色素C释放和凋亡小体形成，caspase-9被激活，启动caspase级联，进而活化caspase-3和caspase-7，最终诱导细胞凋亡。

3IPF中肺泡上皮细胞凋亡的机制

3.1炎症反应炎症反应在IPF病理机制中的作用仍备受争议。已经公认，炎症不是IPF的始动因素，在IPF的发病中也起不到直接作用。但炎症反应与IPF急性加重期仍有着密切的关系。因此人们提出“炎性紊乱”作为炎症反应在IPF的发病过程中更合理解释[12]。IPF在其炎症反应阶段形成局部促纤维化环境，包括白细胞介素4(interleukin 4，IL-4)、IL-5、IL-13，转化生长因子β(transforming growth factor β， TGF-β)、血小板衍生生长因子及重组人结缔组织生长因子等细胞因子的存在。

TGF-β对细胞的生长、分化和免疫功能均有重要的调节作用，基本参与组织修复的所有过程。TGF-β是已知的促纤维化关键性的细胞因子，其过度表达与纤维化疾病有关。它能趋化炎性细胞和成纤维细胞，促进IL-1、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)和血小板衍生生长因子的合成，并通过自我诱导的方式使细胞产生更多的TGF-β，维持局部炎性环境。在IPF患者中观察到肺泡上皮细胞和肺泡巨噬细胞的TGF-β表达增加。TGF-β通过Smad的活化发挥其功能，转录因子家族Smad蛋白在细胞内进行依赖性磷酸化的穿梭动态调控TGF-β信号。TGF-β与其受体结合后激活Smad2和Smad3分子磷酸化，并与Smad4分子结合形成Smad复合物进入细胞核，调控相关基因的转录，完成生物学效应。通过敲除Smad3基因证实Smad3途径在肺纤维化细胞外基质代谢中起重要作用[13]。TGF-β与肺纤维化的关系已经得到人们的共识，TGF-β是细胞外基质合成、沉积失调导致组织纤维化最重要的调节因子[14]。

TGF-β通过Fas-FasL途径和激活caspase3的途径诱导上皮细胞凋亡[15-16]。此外，局部炎症微环境持续存在，其中炎性因子如TNF-α，也能诱导肺泡上皮细胞外FasL表达[17]，引起细胞凋亡外源性信号传导、激活caspase级联反应，诱导细胞凋亡。

3.2氧化应激多项研究表明氧化应激对IPF发生、发展的重要性。氧化应激是指体内活性氧类(reactive oxygen species,ROS)等高活性物质的生成过多，超出机体的代偿能力，从而导致氧化/抗氧化失衡的状态。ROS导致DNA、脂质和蛋白质等细胞成分氧化降解，损害肺泡上皮细胞结构和功能，引起肺纤维化疾病发生[18]。有研究观察到暴露于ROS的细胞培养基内发生细胞凋亡，这可能与内源性细胞凋亡通路的激活有关；且抗氧化剂或抗凋亡蛋白过表达能保护ROS诱导的细胞死亡[19]。此外，暴露于ROS还可以激活蛋白激酶，通过活化外源性途径导致细胞的凋亡[18]。肺内炎性细胞、肺实质细胞和肌成纤维细胞是氧自由基的来源，其中炎性细胞是其主要的来源[20]。ROS可能通过直接氧化损伤，以及细胞色素C释放、DNA破碎、蛋白激酶途径激活等过程增加细胞的凋亡[21-22]。

3.3内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)近年来，肺泡细胞ERS的研究及其在IPF发病机制中的影响吸引了人们相当大的兴趣。最初，人们认为内质网应激只与家族性IPF的发展有关[23]。研究发现，石棉能触发肺泡上皮细胞发生ERS导致细胞凋亡[24]。如今，在非家族性IPF肺泡细胞中，无表面蛋白突变的情况下，同样观察到ERS[25]。ERS产生的原因尚不明确，可能是缺氧、钙离子平衡失调、自由基侵袭及药物等多种因素诱发所致[26]。当上述因素使IPF上皮细胞的表面蛋白突变并导致蛋白折叠异常，则激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)。UPR可促进蛋白质的折叠和防止错误折叠蛋白质的积累，以达到维持细胞稳态的目的[27]。损伤持续存在，则会过度激活UPR导致未折叠蛋白大量积聚，从而激活细胞内的ERS，最终导致肺泡上皮细胞凋亡。同时也有可能是上皮细胞受伤后的再生过程中，为响应代谢需求而激活UPR使肺泡细胞进入ERS的状态，造成细胞损伤。因此，在肺泡细胞的ERS可通过细胞凋亡诱导死亡、激活的纤维化反应[28]。

3.4端粒与端粒酶近年来发现，端粒和端粒酶在肺泡上皮细胞的损伤修复过程及肌成纤维细胞的增殖、分化中可能起重要作用。端粒是真核生物线性染色体末端的由重复的DNA序列组成冒状结构，是细胞有丝分裂的“生物钟”，决定了细胞的寿命。随着细胞分裂次数增加，端粒长度进行性缩短，当端粒长度缩短到一定长度，就会激活DNA损伤反应，引起细胞凋亡[29]。而端粒酶是核糖核蛋白复合物，由人端粒酶逆转录酶、人端粒酶RNA原件及人端粒酶相关蛋白等构成。端粒酶的主要作用是维持端粒长度及其在染色体稳定中的作用[30]。端粒酶利用其自身RNA为模板，在人端粒酶逆转录酶的催化下，将重复序列合成到染色体末端，补偿端粒的丢失部分，达到稳定端粒的目的。端粒酶相关基因突变、活性降低，与端粒的缩短密切相关，进而导致损伤的肺泡上皮细胞的修复出现异常促使IPF的发生[31]。这可能是家族性IPF发病的一个重要遗传因素。研究证实，在家族性IPF和散发IPF中，人端粒酶逆转录酶、RNA等组分的编码基因发生突变。端粒酶活化对博来霉素诱导肺泡上皮细胞凋亡可能产生保护作用[32]；反之，端粒酶活性降低可能导致纤维化疾病，可能的机制为：AT2的端粒酶水平下降造成端粒缩短，继而使肺泡上皮细胞的再生能力下降，从而引发了IPF的纤维反应。

3.5其他因素除上述机制外，肺纤维化发生时仍有一些因素可以诱导肺泡上皮细胞发生凋亡。缺氧状态通过缺氧诱导因子1α-p53轴增加上皮细胞的凋亡[33]。血管紧张素Ⅱ直接导致上皮细胞凋亡，而血管紧张素转换酶抑制剂(如普利类药物)能拮抗Fas介导的细胞凋亡[34]。一些具有MHC多态性的患者更易发展成IPF，可能与其诱导上皮细胞凋亡增加有关[35]。前列腺素E2是公认的对抗纤维化的物质，其在体内水平的降低可能引起上皮细胞凋亡的增加[36]。

4小结

纵观IPF的发病机制的假说进展，目前尚不能完整地对IPF的发病机制做出全面、系统的解释。尽管导致细胞损伤的众多因素和机制以及随后纤维化发生之间关系，仍缺乏可靠的循证医学依据支持，但肺泡上皮细胞损伤作为肺纤维化发生的最初因素是目前最为学者们接受的理论假设。今后的研究中，靶向降低肺泡上皮细胞凋亡的药物可能为防治IPF提供新的治疗方案。

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摘要：特发性肺纤维化(IPF)是肺泡上皮细胞损伤、组织异常增生导致的肺部疾病。研究证实，发病机制为多种原因导致肺泡上皮细胞的损伤，最后导致成纤维细胞增殖和肌成纤维细胞聚集，形成成纤维细胞灶。上皮细胞凋亡可能是IPF 早期发生发展的重要因素。炎症反应、细胞内张力、端粒酶活性等因素参与了肺泡上皮细胞凋亡，并在肺纤维化发病的早期阶段起到重要作用。该文对IPF与肺泡上皮细胞凋亡及其机制进行综述。

关键词：特发性肺纤维化；肺泡上皮细胞；细胞凋亡

The Apoptosis of Lung Alveolar Epithelial Cell and Idiopathetic Pulmonary FibrosisLIUJian1，LIUyan-mei2，WANGYu-guang1.(1.DepartmentofRespiration，BeijingHospitalofTraditionalChineseMedicine，CapitalMedicalUniversity，Beijing100010，China; 2.BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100070,China)

Abstract:Idiopathic pulmonary fibrosis(IPF) is a disease characterized by epithelial cell injury,proliferation of fibroblast and accumulation of myofibroblast,and formation of fibroblast foci.Apoptosis of epithelial cells may be the main initiator of the early development of IPF.Inflammatory response,tension in cells,telomerase activity and other factors may result in the cell apoptosis,playing an important role in the pathogenesis of pulmonary fibrosis in the initial stage.Here is to make a review of the mechanisms involved in alveolar cell apoptosis and their contribution to the development of IPF.

Key words：Idiopathetic pulmonary fibrosis； Alveolar epithelial cell； Apoptosis

收稿日期:2014-12-15修回日期:2015-01-26编辑:薛惠文

基金项目：北京市卫生系统高层次卫生技术人才培养计划(2011-3-081)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.16.005

中图分类号：R563

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)16-2893-03