环氧合酶2和前列腺素E2在肺纤维化发病中的作用

王颜华

（中日友好医院 急诊科，北京 100029）

肺纤维化（pulmonary fibrosis，PF）是一类成纤维细胞（fibroblast，Fb）过度增殖，并向肌成纤维细胞（myofibroblast，mFb）转化，产生大量胶原（collagen，COL）等细胞外基质导致肺脏顺应性和弥散功能下降的疾病。它是多种弥漫性肺实质疾病的共同病理改变和最终通路，已知的很多因素，如感染、风湿免疫性疾病、急性肺损伤、粉尘吸入、放化疗等都可以引起PF，此外还有相当部分病因未知的特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）。PF 病程一旦启动，在某些因素的诱导下将持续进展，最终导致患者呼吸衰竭和多脏器功能衰竭而亡，至今尚无有效的治疗，诊断后平均生存期不足5年[1，2]。PF 的诊断依靠临床症状和影像学检查，虽然有一些概念上的认识，但是具体发病机制尚不十分清楚[3]。尽管如此，大量的研究表明，环氧合酶2（cyclooxygenase 2，COX-2）及其催化产物前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2） 可能是抑制Fb 增殖和转化的关键物质，现将此方面的研究做一综述。

1 肺纤维化的认识

目前普遍认为，PF 是由肺泡上皮细胞不可修复的损伤引起Fb 过度地增殖和转化，大量细胞外基质沉淀而成。肺泡上皮修复异常可能涉及Wnt 信号通路的异常激活，也可能与端粒酶功能障碍性缩短有关。比较清楚的是生长因子、 细胞因子和其他介质与肺内固有细胞的相互作用对PF 反应进展具有重要作用，其中转化生长因子（transforming growth factor-β1，TGF-β1） 促纤维化作用研究较为明确。最终PF 的效应细胞为肺固有Fb 和循环来源Fb，它们在促纤维化因子的作用下转化为mFb，后者能过表达α 平滑肌肌动蛋白 （α-SMA）、COL 和金属蛋白酶组织抑制剂-2，并抵抗PGE2 的增殖抑制作用[4，5]。

2 COX-2 和PGE2

COX-2 是经刺激能迅速产生的诱导酶，主要定位于核膜和内质网，还可见于核内。人的COX-2 基因片段长约8.3kb，定位于第一号染色体q25.2～25.3，含有10 个外显子和9 个内含子，mRNA 长约4kb，编码604 个氨基酸残基组成的多肽。COX-2 的表达调控主要在转录水平上，在COX-2 基因的5’端包含一个保守的启动子元件TATA 盒和多个顺势调控元件，如白介素（interleukin，IL）6 核因子、激活蛋白-2、核转录因子-kb、环腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）反应元件等。细胞受到刺激后由蛋白激酶C 和Ras 介导的信号转导并作用于5’ 端转录，诱导COX-2 的表达，这些细胞外的刺激因素主要有某些细胞因子、生长因子、炎性介质、致癌剂以及一些癌基因产物等； 抗炎因子如IL-4 和10 以及糖皮质激素可以抑制COX-2 的表达，有研究发现多种药物可以通过影响组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HAT）的活性及共激活复合体来诱导COX-2[6]。

PGE2 是一种脂质分子，由广泛存在的花生四烯酸（arachidonic acid，AA）代谢产生，通过自分泌、旁分泌和内分泌的方式与受体结合从而发挥强大的生物化学作用。在磷脂酶A2 的催化下，细胞膜磷脂中的AA 被氧化环化并释放；游离的AA 被呈递到内质网或者核膜，经过限速酶COX-2 的催化形成PGH2；PGH2 在PGE2 合成酶的作用下生成PGE2。PGH2 也可以在相应的PG 异构酶的作用下合成PGF、PGD 和PGI 等，因此各种PG 异构酶组织分布和相互竞争是影响PGE2 合成的一个因素。相对来讲在肺脏，内皮细胞没有PGI 合成酶；膜型PGE2 合成酶出现在大多数细胞中负责合成PGE2，但是呼吸道上皮细胞中却没有。PGE2 发挥生物学作用主要通过与其受体结合并激活下游信号通，至今已知的PGE2 受体有4 种：EP1、EP2、EP3 和EP4，它们都是7 次跨膜的G 蛋白耦联受体，其中EP1 可以升高细胞内Ca2+水平，EP2 和EP4 可以升高细胞内cAMP 水平，而EP3 则降低细胞内cAMP 水平。

3 COX/PGE2 和肺纤维化

2009年，Coward 等人发现IPF 患者COX-2 表达缺陷是因为组蛋白乙酰化水平减低：COX-2 基因promoter 区募集HAT 减少同时转录共抑制复合体增多，导致组蛋白H3和H4 乙酰化减低，基因的转录受阻。在经典的PF 动物模型中，气管内注入博来霉素后，7～10d 会有明显的炎症反应，COX-2 的表达和PGE2 的合成会大幅增加，但是随着纤维化的进展，COX-2/PGE2 的水平明显下降。博来霉素诱导小鼠的PF 实验显示，COX-2 基因敲除的小鼠PF 的程度明显重于野生型，而且无论是基因特异性敲除还是应用COX 抑制剂，都能加重博来霉素诱导的PF。在博来霉素诱导下，野生型小鼠PGE2 主要是由COX-2 介导产生；COX-2 杂合子小鼠PGE2 合成受限，同时PF 程度加重，体现在肺脏COL 含量明显增加；COX-2 全敲小鼠因为COX-1 代偿性过表达，PGE2 水平反而高于野生型，最终炎症反应和纤维化程度跟野生型相比反而没有变化。很多动物实验通过补给PGE2 对PF 起到了保护性的作用，这种保护性作用主要体现在以下几方面：（1） 调节呼吸道上皮损伤的愈合；（2）抑制Fb 的增殖；（3）抑制COL 的合成；（4）抑制TGF-β1 的转化作用；（5）调节一些与炎症和修复相关的细胞因子如IL-8、IL-12、 单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和粒巨噬细胞集落刺激因子（CG-CSF）等[7～9]。另外有一些研究报道细胞因子、 炎性介质和药物诸如CGCSF、MCP-1 与CC 趋化因子受体2、cys-白三烯、血管紧张素受体抑制剂Losartan 和大蒜素等能通过促进PGE2 合成发挥抗纤维化的作用。

大量研究表明，PGE2 的抗纤维化作用主要是通过EP2 受体介导的。EP2 升高的cAMP 可以通过激活下游的蛋白激酶A （protein kinase A，PKA） 或者交换蛋白（exchange protein），不但能够抑制Fb 的增殖和COL 的合成，而且能够拮抗TGF-β1 的作用抑制Fb 向mFb 转化，抑制α-SMA 的表达。此外cAMP 还能够抑制Akt，促进肺Fb 的凋亡[10]。密歇根大学医学院做了大量关于PF 与PGE2 受体的研究。他们首先报道了PGE2 通过EP2 受体激活PTEN基因增加cAMP，进而抑制TGF-β1 诱导的Fb 向mFb 的转化，同时抑制COL 合成和Fb 的增殖。后来他们比较博来霉素诱导不同EP 基因缺陷动物的PF 程度，发现EP2敲除的动物PF 最严重，其次是EP4 基因缺陷的小鼠，这进一步印证了EP2 表达缺失而非EP1 或EP3 与致纤维化损伤密切相关。IPF 患者除了COX-2 表达和PGE2 生成减少，还表现出对PGE2 抗纤维化作用的抵抗，这种反应可能是由cAMP/PKA 下游的反应元件结合蛋白磷酸化降低引起的，也可能跟EP2 受体下调有关。IPF 患者表达EP2下降可能有2 个原因：EP2 基因的过甲基化和PTEN 基因的缺失—PTEN 可以上调EP2 的表达，同时PGE2 可以增强PTEN 的活性。在体外实验中，诱导PF 的药物博来霉素就能够下调肺Fb 的EP2 受体表达。此外Liu 等的实验表明，各种升高细胞内cAMP 的物质如异丙肾上腺素和腺苷酸环化酶活化剂forskolin 都能抑制肺Fb 的增殖和转化。这些都说明EP2/cAMP 及其下游的信号通路是PGE2 抗纤维化的重要机制[11]。鉴于TGF-β1 的Smad 信号通路研究得比较清楚，很多人认为PGE2 可能通过干扰SMAD 磷酸化及入核，从而抑制TGF-β1 的转化作用。但是Thomas 等则报道PGE2 抑制TGF-β1 的机制不依赖Smad 通路，而是通过影响细胞骨架结构如黏着斑等来实现的。PGE2 能够抑制IL-1β 诱导的血小板源生长因子α 受体的表达，这可能也是PGE2 抑制增殖的一个机制。除了EP2/cAMP 通路，PGE2 还可能通过线粒体途径、死亡受体途径，下调存活素、上调Fas 受体等多种途径促进肺Fb 的凋亡[12，13]。

虽然COX2/PGE2 的抗纤维化作用得到广泛的认可，但是实际临床工作中对于PF 患者的治疗抗炎药物还是经常用到的，不管是激素还是非甾体类抗炎药物，它们或是用于发热喘憋的对症处理，或是联合其他药物一同抗纤维化[1，14]。近年来也出现了许多与COX2/PGE2 抗纤维化相反的实验结果报道。其中E.Lappi 等发现IPF、石棉肺和隐源性机化性肺炎患者的增生性和/或化生性肺上皮细胞高表达COX2。Moore 等也在部分博来霉素诱导的小鼠PF 模型中发现PGE2 水平是增高的。在博来霉素诱导的小鼠PF模型中，留取d14、d21 和d28 血液和肺组织检测，结果发现： 虽然正常组小鼠也有表达，模型组肺泡间质内的COX-2 在d14 和d21 表达增强，d28 表达减弱但仍高于正常组；正常组小鼠仅有少量PGE2，主要分布于支气管和肺泡上皮，模型组PGE2 于d14 表达最高，主要分布于上皮细胞和肺泡炎性细胞周围，d21 和d28 逐渐减低，但仍高于正常组；此外TGF-β1 和表皮生长因子EGFR 在模型组表达增强，且随着时间延长表达增加。

在百草枯诱导的大鼠PF 模型中，d28 取血清、BALF和肺组织检测COX-2 和PGE2 亦均高表达[15，16]。在人胚肺Fb-MRC5 上，TGF-β1 促进该细胞转化和增殖的同时可以诱导COX-2 的表达，而通过siRNA 抑制COX-2 的表达，可以减弱TGF-β1 的促转化和增殖作用，其机制可能为抑制COX-2 能够降低Notch 信号通路中Notch1 和Jagged1的表达[17]。邱岳等通过博来霉素诱导大鼠PF，发现造模14d 开始予以右归饮干预20d，大鼠的PF 程度明显减轻，而这种改善作用主要与降低血清和肺组织中PGE2 水平相关，后期他们深入研究相关机制发现，PF 模型肺组织中PGE2 水平明显升高，实变区肺泡壁上可见大量异常增生的Ⅱ型肺泡上皮，且此类细胞高表达EP2 受体； 同时PF模型呼吸性细支气管周围的肺泡管和肺泡腔内有大量巨噬细胞聚集，右归饮干预可以提高巨噬细胞EP3 的表达，从而发挥抗炎作用，缓解PF 的进展[18]。目前专家共识推荐的只有吡啡尼酮、 尼达尼布可能延缓PF 患者的肺功能下降，但是这些药的效果并不理想，也无法逆转其PF 的自然病程； 我国的中医中药对于PF 的机理和治疗有一些独特的临床研究[19]。上海中医药大学邵长荣教授带领团队进行矽肺肺纤维化的临床科研工作，研制成的成化纤煎治疗IFP 取得一定效，此方剂的作用机制就是降低包括血清TNF-α 、TGF- β、COX2 水平，抑制炎症反应[20]。鉴于PGE2性质不稳定，检测起来比较困难，但是它经15-羟基前列腺素脱氢酶 （15-PDGH） 代谢后形成的终末产物PGEMUM （7 alpha-hydroxy-5，11-diketotetranor-prosta-1，16-dioic acid），却比较稳定且易于检测[21]。Tsugumi 等发现慢性间质性肺炎患者的PGE-MUM 水平是升高的，而且PGE-MUM 水平与患者纤维化程度的CT 评分正相关，与患者肺弥散功能负相关。他们认为鉴于肺脏是PGE2 产生和代谢的主要场所，患者的PGE-MUM 水平可以反映肺的PGE2 水平。

值得注意的是，这些相关性仅限于纤维化程度CT 评分在1、2、3 级的患者，4 级已经重度纤维化重构的患者PGE-MUM 反而是降低的[22]。其实这与我们普遍接受的观念是一致的： 肺损伤后至纤维化早期，炎症反应明显，COX2/PGE2 表达增高，PF 晚期COX2/PGE2 表达减低。这种变化涉及到不可忽视却尚未明确的问题：PGE2 的细胞来源是肺泡上皮细胞、血管内皮细胞、原位的肺Fb 还是循环来源Fb？ 有人认为肺泡上皮细胞是PGE2 的主要来源，因为肺受损时肺泡上皮细胞首当其冲，而且它可以同时表达2 种类型的COX；确实也有实验通过免疫组化的方法在IPF 病理切片上染色COX2，结果表明，覆盖在受损的肺组织表面的肺泡上皮细胞很可能是PGE2 的来源。很多细胞实验通过干预手段上调肺FbCOX2/PGE2 表达来抑制其增殖和转化，但直接给予PGE2 刺激或者与高表达PGE2 的肺泡上皮细胞共孵育，肺FbEP2 受体表达下降，这是否说明肺Fb 是通过自分泌PGE2 来抑制纤维化，而不是外源性的或旁分泌的，其中的具体机制有待组织或者人体试验进一步研究探索。