特发性肺纤维化发病机制的研究进展

2020-02-16杨伟强赵峰

医学综述 2020年9期

杨伟强，赵峰

(空军军医大学西京医院呼吸与危重症医学科，西安 710032)

特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种原因不明的慢性、进行性纤维化肺部疾病，可引起周围肺纤维化重塑，导致呼吸衰竭，主要见于老年人，是最常见的特发性间质性肺炎[1]。IPF的临床表现主要为劳力性呼吸困难、慢性干咳或Velcro啰音、低肺一氧化碳弥散量[2]。IPF患者男性多于女性，大多数患者有吸烟史，诊断后平均生存时间2～4年，发病率随年龄增长而升高，常见于60～70岁人群[3-6]。欧洲和北美地区每年IPF的发病率为(3～9)/10万，亚洲和南美每年IPF发病率<4/10万[7]。2011年美国胸科学会、欧洲呼吸学会、日本呼吸学会、拉丁美洲胸科协会发布的IPF指南指出，IPF的高危因素有吸烟、环境暴露、微生物感染、胃食管反流、遗传因素等[8]。IPF病因不明、诊断困难、预后不良，是目前国内外研究的难点。目前认为，IPF发病机制与早期肺泡上皮细胞的反复损伤和异常修复有关，此外，多种细胞因子、信号通路、遗传因素也在IPF的发生发展中起重要作用。现就IPF发病机制研究进展予以综述。

1 细胞因子

1.1转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) TGF-β是一种多功能的细胞因子，在炎症、损伤修复及纤维化中起重要作用[9]。TGF-β可诱导肺泡上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transformation，EMT)。TGF-β在IPF中被激活，TGF-β/Smad信号通路是IPF中研究较多的信号通路，TGF-β受体属于具有内在Ser/Thr激酶活性的跨膜受体，与其Ⅰ型、Ⅱ型受体结合形成复合物，导致Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smad2/Smad3与Smad4形成复合体后发生核转位，激活EMT下游转录因子的表达，促进EMT的发生，这是经典的TGF-β/Smad信号通路[10]。但TGF-β诱导Smad1和Smad5磷酸化的过程需要Ⅰ型TGF-β受体和Ⅰ型激活素A受体的参与，其中Ⅰ型TGF-β受体磷酸化并激活Ⅰ型激活素A受体，Ⅰ型激活素A受体诱导Smad1和Smad5磷酸化，Smad1和Smad5通路对TGF-β诱导的EMT具有重要作用[11]。在IPF中，TGF-β1调节成纤维细胞向组织损伤部位募集，通过抑制肺泡上皮细胞的增殖和凋亡或通过刺激成纤维细胞向肌成纤维细胞分化、合成细胞外基质(extracellular matrix，ECM)蛋白和通过基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)抑制ECM降解进而介导纤维化生成[12]。

1.2结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF) CTGF又名CCN2，是人脐静脉内皮细胞中分离出的一种富含半胱氨酸的分泌蛋白。CTGF属于即刻早期基因家族，在细胞黏附、迁移、增殖和分化以及血管生成、ECM沉积等生物学过程中发挥重要作用[13-14]。CTGF的过表达与纤维化有关。在IPF中，CTGF诱导成纤维细胞增殖和ECM沉积[15-16]。CTGF启动子区存在TGF-β调控元件，故认为CTGF是TGF-β的下游靶基因，CTGF激活后，可协同加强TGF-β的作用，促进ECM沉积和纤维化[17]。

1.3成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF) FGF对调控发育过程中细胞的增殖、存活、迁移和分化行为起重要作用[18]。有研究报道，FGF与IPF的发病机制有关，在IPF患者的肺中检测到FGF1和FGF2高表达，但是FGF2并不直接促进纤维化生成，而FGF1通过降解Ⅰ型TGF-β受体抑制肌成纤维细胞分化以及EMT而发挥抗纤维化作用[19-20]。FGF9和FGF18促进肺成纤维细胞存活和迁移，并抑制体外肌成纤维细胞分化[21]。

1.4其他因子血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)被认为是促进肺纤维化的原因之一[22]。PDGF在纤维化疾病发病过程中对肌成纤维细胞的复制、存活和迁移起重要作用，可诱导促进成纤维细胞增殖，导致ECM沉积，并将纤维细胞招募至肺组织，促进肺的纤维化进展[23]。VEGF是一种血管生成因子，在纤维化肺中由肺泡Ⅱ型上皮细胞和肌成纤维细胞大量产生，血管生成的增加是缺氧条件刺激IPF进展的重要标志[24]。VEGF的生物学功能主要通过VEGF与VEGF受体1以及VEGF受体2结合进行调控。VEGF受体2被认为是内皮细胞中VEGF的主要信号转导物，其通过激活黏着斑激酶直接激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路以及黏着斑激酶信号通路。激活的黏着斑激酶作为纤维化发生的关键分子通过与TGF-β等促纤维化因子结合而发挥作用[25]。VEGF通过诱导单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)和白细胞介素-8间接促进白细胞的迁移，从而直接影响ECM沉积。对博来霉素动物模型的研究发现，模型肺组织的VEGF表达增加，使用抗VEGF抗体抑制剂可减轻肺纤维化程度[26]。因此，VEGF可通过提高血管通透性以及炎症细胞趋化性诱导肺纤维化。

2 信号通路

2.1Wnt信号通路 Wnt信号通路在物种进化过程中高度保守，在胚胎发育早期、器官形成、组织再生等生理过程中均具有重要作用[27]。Wnt信号通路分为经典信号通路和非经典信号通路，Wnt/β联蛋白(β-catenin)信号通路是经典Wnt信号通路，包括Wnt家族分泌蛋白、跨膜受体Frizzled家族、糖原合成酶激酶3、结肠腺瘤性息肉病蛋白、轴抑制蛋白、β-catenin、转录因子TCF/LEF家族等。IPF患者肺组织Wnt/β-catenin信号通路被过度激活，Wnt1、Wnt7b、Wnt10b、Frizzled2、Frizzled3和淋巴细胞增强因子1的表达显著增加[28]。对博来霉素诱导的肺纤维化模型的研究发现，抑制Wnt/β-catenin信号通路可减弱肺纤维化的程度[29]。

Wnt信号通路可能通过多种机制参与IPF形成。文献表明，Wnt/β-catenin通路可抑制肺成纤维细胞凋亡，促进细胞增殖和分化，也可通过抑制糖原合成酶激酶3介导的磷酸化作用和β-catenin的降解作用促进ECM沉积[30]。Wnt/β-catenin信号通路与TGF-β1协同诱导ECM沉积，TGF-β1可诱导细胞外MMP诱导剂的产生，在肺泡Ⅱ型上皮细胞中表达，进一步刺激成纤维细胞通过Wnt/β-catenin信号通路产生某些MMP[31]。MMP的主要生物学功能是降解细胞外基质蛋白质，缓解肺间质纤维化。有研究表明，MMP-2/MMP-9可减缓肺纤维化的发展[32]。

2.2Shh(Sonic Hedgehog)信号通路 Hedgehog信号通路是调控胚胎发育的经典信号转导通路，哺乳动物中存在Shh、Ihh(Indian Hedgehog)和Dhh(Desert Hedgehog)三个Hedgehog同源基因，Shh是表达最丰富的Hedgehog配体，在脊椎动物器官形态发生的过程中发挥重要作用[33]。有研究表明，急性肺损伤中Shh信号通路的表达下调，并诱导间充质扩增，对上皮细胞修复产生负面影响，导致肺组织异常修复与再生[34]。研究证实，IPF中Shh信号通路激活，且纤维化重塑区域可检测到Shh及其效应分子的高表达[35]。Shh治疗可增加成纤维细胞增殖、存活、迁移和ECM生成，在博来霉素诱导的肺纤维化动物模型的气道和肺泡上皮细胞中检测到Shh高表达，另有实验表明，抑制Hedgehog信号通路不能防止肺纤维化，但是在纤维化阶段Shh过度表达会导致肺纤维化恶化[36]。

2.3Notch信号通路 Notch信号通路是介导相邻细胞间相互作用的信号通路，进化呈高度保守，参与细胞增殖、分化、凋亡等多种生理过程，对器官组织的正常发育和维持体内稳态具有重要作用[37]。Notch信号通路异常与组织纤维化有关，IPF中Notch通路被激活，肌成纤维细胞的凋亡抵抗在肺纤维化过程中发挥重要作用。在EMT过程中，Notch/CSL[C：CBF1/RBP-J κ；S：Su(H)；L：Lag-1]激活刺激血管平滑肌细胞中α平滑肌肌动蛋白的表达。博来霉素诱导的肺纤维化模型中，抑制间充质细胞Jagged1/Notch1信号通路可减弱肺纤维化程度[38]。

3 表观遗传学

表观遗传调控机制可能参与IPF的发病机制，尤其DNA甲基化、组蛋白修饰和微RNA(microRNA，miRNA)的变化可能是引发IPF的重要因素。胸腺细胞分化抗原-1(thymocyte differentiation antigen 1，Thy-1)又称CD90，是一种在多种组织器官成纤维细胞表达的糖基磷脂酰基醇锚定的膜蛋白，参与神经再生、细胞凋亡、增殖和纤维化反应等[39]。Thy-1在正常成纤维细胞中表达，在IPF病灶内不表达。IPF患者中Thy-1启动子甲基化，使成纤维细胞Thy-1表达降低，导致ECM沉积，纤维化程度加重[40-41]。IPF患者O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶表现为低甲基化，而IPF患者DNA甲基转移酶3a和DNA甲基转移酶3b的表达水平较高[42-43]。

过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor gamma co-activator 1α，PGC1α)是一种调控线粒体生物合成的转录共激活因子，其表达异常与多种慢性疾病有关。线粒体功能障碍是发生肺纤维化的重要因素，线粒体稳态失衡可导致肺上皮细胞功能异常，影响肺损伤和修复[44]。IPF患者和博来霉素纤维化小鼠模型PGC1α表达均降低，PGC1α敲除小鼠更易受博来霉素诱导的肺纤维化的影响。研究表明，干扰肺成纤维细胞PGC1α的表达可影响细胞代谢、ECM沉积等[45]。另有研究发现，AMP活化蛋白激酶介导DNA甲基转移酶1磷酸化可降低PGC1α启动子DNA甲基化，从而影响线粒体功能[46]。

此外，大约10%的miRNA在IPF中异常表达，可对EMT产生影响，并调控细胞凋亡或ECM[47]。研究表明，IPF患者中miR-21、miR-155、miR-199a-5p和miR-200c表达显著上调，而miR-31、let-7a和let-7d表达显著降低[48]。miR-199a-5p通过靶向caveolin-1介导TGF-β诱导肺成纤维细胞活化[49]。IPF中大多数miRNA受TGF-β1的调控，通过其靶基因调控 TGF-β1信号通路。检测博来霉素小鼠模型中miRNA表达的研究发现，miR-29表达下调[50]。IPF患者肺组织中miR-29的表达亦下调[51]。对TGF-β和miR-29靶点的分析表明，miR-29可能是TGF-β介导的与ECM相关的重要促进因子[50]。

4 其他因素

4.1遗传因素 IPF与遗传相关，大多数家族性IPF患者的编码表面活性剂蛋白C、表面活性剂蛋白A2、端粒酶组件(端粒酶逆转录酶和端粒酶RNA组分)和与端粒生物学相关的基因发生突变[52]。散发性IPF最重要的遗传风险因素是MUC5B基因启动子区的常见变异rs35705950，杂合子患病风险增加6倍，纯合子患病风险增加20倍[53-54]。全基因组关联分析证实，端粒酶逆转录酶、MUC5B与IPF有关，同时还发现，新的基因FAM13A(4q22)、DSP(6p24)、OBFC1(10q24)、ATP11A(13q34)、DPP9(19p13)和染色体区7q22和15q14-15[55]。熊维宁团队利用高通量测序技术首次揭示了中国汉族人群散发IPF患者的遗传学危险因素，确定了2个致病性和10个功能失活突变体，占所有IPF病例的4.74%；负荷分析发现，CSF3R、DSP和LAMA3三个基因的罕见错义突变在IPF患者中的变异负荷更高；等位基因关联分析发现，rs3737002、rs2296160、rs1800470和rs35705950四个单核苷酸多态性位点可增加IPF的发病风险[56]。

4.2吸烟针对IPF的荟萃分析表明，IPF发病率增加与吸烟有关[57]。既往研究发现，主动吸烟或曾吸烟者IPF的患病风险是非吸烟者的1.6倍[58]。另有研究表明，在IPF患者中，戒烟者的生存时间较非吸烟者和吸烟者更短，诊断IPF的吸烟者明显较非吸烟者和戒烟者年轻[59]。但King等[60]研究发现，在IPF患者中，戒烟者的比例较高，吸烟者的生存时间较戒烟者或非吸烟者更长，吸烟者可能因吸烟而较早注意到相关症状，但往往到无法吸烟时才重视。研究显示，吸烟可加重博来霉素诱导小鼠的肺纤维化程度，香烟烟雾提取物通过TGF-β1-Smad2/3和蛋白激酶B信号通路诱导肺成纤维细胞和胸膜间皮细胞中磷酸化-Smad2/3、磷酸化-蛋白激酶B的活化以及Ⅰ型胶原合成和细胞增殖[61]。

4.3年龄 IPF主要见于老年人群，且发病率随年龄增加而显著升高，故年龄被认为是IPF发生的高风险因素之一[62]。既往研究证明，65岁以上人群IPF的发病率和患病率较高[63]。Raghu等[64]的研究亦得到了证实。据统计，1999—2012年全球IPF的死亡率逐年上升，且与年龄呈正相关[65]。分离培养IPF患者人肺成纤维细胞的研究发现，人肺成纤维细胞衰老增强与衰老相关的分泌表型和β-半乳糖苷酶、p21、p16、p53表达上调以及增殖/凋亡减少有关；同时检测到端粒变短和线粒体功能障碍，TGF-β处理细胞后，内质网应激标志物表达上调；端粒随年龄增长而变短， IPF患者人肺成纤维细胞的端粒最短[66]。另有研究发现，IPF患者的端粒相对长度较短，随年龄增长而呈下降趋势[56]。随着年龄的增长，DNA修复系统的活性逐渐降低，导致DNA错误累积，基因组稳定性受到破坏，有研究称，IPF患者的基因组出现不稳定性[52-56]。

4.4环境、职业暴露职业和环境因素与IPF亦相关，包括有机粉尘(畜牧、农业)、金属和矿物粉尘、木屑、石棉和环境颗粒物等[67-68]。一项意大利的调查研究发现，农民、兽医、园丁和冶金、钢铁工人以及暴露于金属粉尘、烟雾和有机粉尘人群IPF的患病风险随职业暴露时间的增加而升高，即高风险工作时间与IPF的风险存在剂量-反应关系，高风险工作时间越长，IPF的患病风险越大[69]。美国多中心病例对照研究发现，农业、畜牧、美发、饲养鸟类、石材切割抛光以及接触金属粉尘和植物粉尘或动物粉尘等职业与IPF相关，其中饲养鸟类和接触植物或动物粉尘的工作与IPF关系最密切[70]。韩国对1 311例IPF患者的调查研究发现，接触粉尘工人较未接触粉尘工人更早出现IPF，且诊断时患者症状持续时间更长，病死率更高，表明职业性粉尘暴露也可能会影响IPF患者的预后[71]。

环境颗粒物与IPF有关。Conti等[72]对2005—2010年意大利北部长期接触二氧化氮、臭氧以及颗粒物质与空气动力学直径<10 μm(PM10)和IPF发病率关系的研究表明，IPF的急性加重和恶化与二氧化氮、臭氧以及颗粒物质接触有关，长期暴露于空气污染环境中也可能影响IPF的发病率。Johannson等[73]的研究证实，空气污染与IPF急性加重相关。Sesé等[74]研究发现，暴露于臭氧环境与IPF急性加重有关，暴露于PM10和PM2.5与IPF病死率升高有关。由此可见，环境、职业暴露可能与IPF的发病及病情进展有关。