GDF15与肺部疾病的研究进展

顾丽娜 王天真 陆菊 曹孟淑

1南京中医药大学中西医结合临床附属鼓楼医院呼吸与危重症医学科210008;2南京医科大学附属鼓楼临床医学院呼吸与危重症医学科210008

1997年,生长分化因子15(growth differentiation factor 15,GDF15)首次从人骨髓单核细胞系U937中分离出来[1]。GDF15作为自分泌调节因子在脂多糖刺激的巨噬细胞中能抑制肿瘤坏死因子α的产生,所以被命名为巨噬细胞抑制因子。因为GDF15参与细胞生长调节,所以又称作GDF15,属于转化生长因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)超家族远房成员之一[2]。GDF15基因位于人染色体19p12-13.1位点[3],其编码的蛋白具有TGF-β超家族的典型结构学特征,前体蛋白含308个氨基酸,经酶切后成为112个氨基酸的成熟蛋白,相对分子质量为25 000,通过二硫键连接成具有生物活性的同源二聚体,包含1个高度保守的7个半胱氨酸结构域[4]。

1 GDF15概述

1.1 GDF15及其受体 GDF15在人体组织包括肺、肾、肝、肌肉、脂肪和胎盘均有表达,妊娠期这些组织可分泌高水平的GDF15[5-8]。正常人外周血GDF15水平在100～1 200 ng/L之间[9],但在运动、组织损伤和许多疾病状态下包括癌症、心血管疾病、肾病和肺病,循环中的GDF15水平会增加[10]。在健康人群中,GDF15血清水平与年龄、甘油三酯呈正相关,与内生肌酐清除率呈负相关[9]。GDF15参与能量稳态及体质量的调节,目前发现其受体重组人神经胶质源神经营养因子受体α样蛋白(glial cell linederived neurotrophic factor receptor alpha-like,GFRAL)与GDF15特异性结合后可以调节代谢[11]。GFRAL蛋白与仅存在于脑干中的神经元表面上的受体酪氨酸激酶形成一种复合物,外周血中的GDF15与位于脑干后区的神经元细胞表面的GFRAL/受体酪氨酸激酶受体复合物结合,触发受体磷酸化和下游细胞内信号传导。GDF15通过这种信号影响到的神经回路包括孤束核、臂旁外侧核、中央杏仁核和下丘脑的神经元,从而减少饮食,最终导致体质量减轻。虽然GDF15属于TGF-β超家族成员,但有研究认为GDF15不能通过TGF-β受体进行传导[12]。

1.2 GDF15的生物学功能 GDF15生物学功能多种多样。研究发现GDF15在调控应激反应、参与调节巨噬细胞和炎症的活动、调节细胞凋亡方面均发挥重要作用[13]。Tiwari等[14]研究发现GDF15能保护肺内皮和上皮细胞抵抗高氧环境,而p53基因沉默显著降低GDF15的活性。Nickel等[15]研究证明GDF 15能引起AKT磷酸化,抑制肺血管内皮细胞的凋亡。然而,Kempf等[16]通过心肌梗塞实验模型发现,GDF15在内皮功能障碍的发展中发挥重要作用。GDF15能直接干扰趋化因子信号传导和整合素激活。此外,参与PI3K和AKT依赖性信号通路的心肌细胞中具有抗凋亡作用。

在纤维化方面,Hsiao等[17]证明重组GDF15能够抑制免疫细胞的活性,从而减少炎症因子产物,改善肝纤维化的发展。在肿瘤发生上,GDF15参与肿瘤的发生、发展、血管生成和转移[18]。在心血管系统中,心肌损伤在压力超负荷、心力衰竭、缺血再灌注损伤及动脉粥样硬化等条件下,GDF15的表达均显著升高[27]。在神经系统中,GDF15具有多种功能,可参与中枢神经系统退行性病变[28],是黑质多巴胺能神经元的保护因子[19]、运动和感觉神经元的新的营养因子[30]及脑血管疾病及脑损伤的预测因子。GDF15在不同组织或类型的细胞中作用机制的不同,可能与细胞表面不同GDF15亲和力的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β/活化素受体的差异表达有关[31]。

2 GDF15与肺部疾病的关系

肺脏是GDF15的重要靶器官,当肺脏处于炎症或应激状态时,肺组织中包括支气管和毛细支气管上皮细胞[21-22]、肺间质细胞[23]、巨噬细胞和肺血管内皮细胞[15]均能显著表达GDF15。

2.1 GDF15与COPD 在COPD患者中,外周血GDF15表达水平较正常人明显升高,而急性加重期患者GDF15水平较稳定期显著升高。另外,GDF15是COPD急性加重独立的预测因素[24]。GDF15的升高除与COPD患者年龄、吸烟、恶病质及贫血相关外[25],与COPD年恶化率、病死率增加以及第一秒用力呼气容积和FVC的下降速率均增加相关[26]。另外,COPD合并贫血患者GDF15水平显著高于不合并贫血患者。

COPD的发病与有害颗粒的吸入导致的慢性炎症反应有关,与非吸烟正常人相比,COPD吸烟患者的小气道上皮细胞中GDF15蛋白表达增加,主要集中在上皮的纤毛细胞。缺乏GDF15能减轻香烟烟雾诱导的小鼠肺部炎症反应,这说明COPD患者体内GDF15水平增加可能有助于香烟烟雾诱导的肺部炎症发展[27]。进一步研究发现气道上皮细胞产生GDF15,激活PI3K途径以促进黏蛋白的表达,调节香烟烟雾暴露肺气道黏膜免疫功能从而导致COPD的发病。Jiang等[23]研究发现GDF15的表达与COPD患者上皮细胞-间充质转化标志物上皮型钙黏蛋白呈负相关性,与波形蛋白呈正相关性。证明香烟烟雾提取物诱导的人小气道上皮细胞中,GDF15表达升高,从而引导上皮细胞-间充质转化的病理过程。病毒或细菌感染是COPD急性加重的重要原因,而人鼻病毒是其中最常见病毒。研究表明GDF15可促进肺人鼻病毒感染诱导的肺部炎症反应的发生[21]。

2.2 GDF15与肺栓塞 Lankeit等[28]对123例急性肺动脉栓塞(acute pulmonary embolism,APE)患者进行研究,APE患者血清GDF15水平明显高于健康患者组,并对APE的预后具有预测价值,对于入院时血清GDF15水平大于4 600 ng/L的APE患者,30 d内出现死亡或严重并发症的可能性更大。Duran等[29]也指出APE患者GDF15水平大于2 943 ng/L时,能更好的预测30 d总死亡率。然而Jenab等[30]研究发现,APE患者GDF15水平升高不仅与急性右心室超负荷有关,与潜在的合并症如心脏衰竭病史同样有关,并且APE患者GDF15水平不影响短期不良事件的发生。肺栓塞时血液GDF15升高与细胞应激和脏器功能受损有关,也可能由于心肌能量代谢的主要场所线粒体出现了明显的破坏[31]。Rossaint等[32]发现重组GDF15能减少血小板聚集,减缓血栓形成并延长出血时间。肺栓塞后所致的血管紧张素Ⅱ升高、缺血缺氧所致的心肌损伤、氧化应激和肺动脉高压、心肌能量代谢的主要场所线粒体明显的破坏等均能诱导心肌细胞及肺组织表达GDF15。因而GDF15的水平可以更全面的反映肺栓塞后的病理生理变化。

2.3 GDF15与肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension,PAH) GDF15在特发性PAH患者外周血中明显升高,外周血GDF15是与PAH预后有关的潜在标志物,并且GDF15水平与心脏指数和平均右心房压力相关[33]。血浆GDF15水平与先天性心脏病合并PAH患者肺血管系统压力增加的病理状态密切相关[34]。系统性硬化(systemic scleroderma,SSc)合并PAH患者不仅血浆中GDF15的水平升高,肺组织中GDF15蛋白表达也明显增加[35]。Nickel等[15]证明了GDF15在PAH患者的血管区域中强烈表达,尤其是在形成丛状病变的血管内皮细胞中。GDF15在血管平滑肌细胞中表达较低,在正常血管和具有中层肥大的重塑小动脉中均较低。当暴露于缺氧和层流剪切应力下,GDF15参与人肺微血管内皮细胞的平衡,能减少细胞凋亡数,因此GDF15可能在PAH患者丛状病变的演变和稳态中发挥作用[15]。

2.4 GDF15与肺癌 近年来研究发现肺癌患者外周血GDF15水平显著升高。恶性孤立性肺结节(solitary pulmonary nodules,SPNs)患者血清GDF 15水平显著高于良性患者或健康者,Ⅲ期肺癌患者显著高于Ⅰ～Ⅱ期患者,随着病程进展,GDF 15水平进一步升高。血清GDF 15诊断恶性SPNs具有很高敏感性和特异性[55-56]。另外,在部分缓解、稳定和疾病进展的肺癌患者之间,血清GDF15水平具有显著差异,可能成为化疗疗效评价的指标之一[36]。

Cekanova等[37]发现GDF15可能具有抑癌作用,GDF15高表达的小鼠,肺癌病灶数更少,肿瘤细胞凋亡明显增加。研究发现,GDF15能通过激活肿瘤抑制通路,如p53和早期生长应答蛋白EGR-1等发挥抑癌作用。p53是一种在癌细胞中经常发生突变和/或失活的主要抑癌蛋白,而GDF15是p53及其家族成员的转录靶基因,其启动子区域包含2个p53型反应元件[38]。GDF15还可以通过抑制肿瘤激活通路,如通过抑制Smad复合物的形成阻断TGF-β/Smad通路[39]。另外,多种抑制肿瘤进展的药物是通过促进GDF15的表达来发挥抗肿瘤效应的,如非甾体抗炎药可能通过EGR-1和Sp1结合位点诱导GDF15的表达,从而促进肿瘤细胞的凋亡,抑制肿瘤发生[40]。

相反,有研究表明GDF15可作为促癌基因,Ratnam等[41]研究发现GDF15作为一种核因子κB调节基因,由肿瘤细胞产生并在巨噬细胞中传递信号,是早期癌症发展的重要启动子。肿瘤细胞通过GDF15抑制TGF-β激活激酶活性,从而抑制核因子κB信号通道和下游产生的肿瘤坏死因子α与NO逃避巨噬细胞抗肿瘤作用。Urakawa等[42]在研究中发现巨噬细胞过表达GDF15导致细胞增殖和AKT、ERK1/2的磷酸化,促进了肿瘤细胞血管侵犯及淋巴结转移。GDF15是CDP138的关键下游效应物,CDP138通过GDF15介导TGF-β/SMAD信号激活,从而抵抗放射性治疗,促进肺癌转移[43]。

总之,外周血GDF15水平在肺癌早期诊断、预后估计、化疗疗效方面均作为生物标志物发挥作用。GDF15的抗肿瘤活性与微环境密切相关。作为抑癌基因,既能通过激活肿瘤抑制通路,又能抑制肿瘤促进通路,且GDF15基因可被多种抗肿瘤化合物诱导;作为促癌基因,GDF15是重要的下游效应基因,通过多种途径参与肿瘤细胞的增殖和迁移。

2.5 GDF15与肺纤维化 合并肺纤维化的SSc患者GDF15水平明显高于没有肺纤维化改变的SSc患者和健康对照[44]。de Jager等[45]研究表明激活的巨噬细胞产生GDF15,从而上调CCL2和CCR2的表达来进一步促进巨噬细胞的募集,导致SSc的发展和纤维化的发生。另外,SSc患者 “雷诺现象”出现的缺血和再灌注导致血管内皮损伤,GDF15可能通过抑制p53活性、上调HIF-1a表达和相关的下游血管生成信号来促进血管生成[46]。

Lambrecht等[47]研究表明,在小鼠肺纤维化进展过程中GDF15表达升高,但是敲除GDF15基因,肺纤维化的改变没有差别。GDF15基因敲除的小鼠肺成纤维细胞中,炎症和纤维化的IL-6、CCL2减少,说明GDF15参与了最初的炎症阶段,但GDF15对纤维化的发展并不具有决定性,在没有GDF15的情况下纤维化依然会继续发展。这可能是因为其他TGF-β家族成员可促进纤维化的发展,并且在缺乏GDF15的情况下更容易被诱导产生。重组GDF15在GDF15基因敲除的小鼠中,能直接抑制骨桥蛋白(osteopontin,OPN)的表达[48]。

Kim等[22]研究发现来自人肺泡上皮细胞的GDF15是一种成纤维细胞抑制因子。将人肺泡上皮细胞的GDF15基因沉默,在其培养基中,正常人成纤维细胞增殖和存活率都会增加。重组人GDF15能下调人成纤维细胞胶原蛋白1α和α-SMA水平,促进小鼠纤维化模型分离的成纤维细胞死亡,降低其增殖潜能。成纤维细胞的生长和激活在很大程度上依赖于TGF-SMAD信号通路,而体外细胞实验表明重组人GDF15肽段使P-Smad2/3表达降低,进一步用TGF-β1激活TGF信号通路,重组人GDF15肽段使磷酸化的TGF-β受体和Smad2/3均被抑制,另外细胞外基质的成分生长也被抑制。在没有间质性肺疾病的人肺组织内,GDF15沿肺泡壁广泛表达,但间质性肺疾病患者肺部几乎不表达,在肺纤维化模型小鼠中GDF15同样被抑制。每周2次用重组人GDF15肽段注射肺纤维化模型小鼠,小鼠存活率提高,肺组织中纤维化范围大幅减轻[22]。总之,GDF15在肺纤维化进展过程中表达升高,但是并不能促进纤维化进一步加重,反而有抑制纤维化进展的作用。这可能因为GDF15是TGF-β受体的部分激动剂[49]。一般来说,弱激动剂可以在没有完全激动剂的情况下刺激受体;但在有完全激动剂的情况下,其功能是使受体信号失活。考虑到肺纤维化患者肺中富含TGF-β的环境,GDF15可作为纤维化发生的抑制剂。

综上所述,GDF15生物学功能广泛,参与多种肺部疾病的发病过程,但GDF15在肺部疾病中具体的机制仍需要更进一步的研究。

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