上皮-间质转化在肺部慢性高发性疾病中的研究进展

李志梅，姚冬

（桂林医学院附属医院，广西 桂林 541000）

0 引言

EMT 是由以转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）为核心的多种信号通路诱导的病理生理过程。在这个过程中，上皮细胞功能逐渐丧失并向间充质细胞转化，其标志性特点是E-cadherin 的减少和N-cadherin 表达的增加[1]。EMT 与胚胎发育、伤口愈合以及肿瘤细胞的发生和迁移等密切相关。近年来，许多研究证明EMT 与肺纤维化[2]、支气管哮喘[3,4]、慢性阻塞性肺疾病[5]、及肺癌[6]等肺部慢性高发性疾病的发生发展相关。因此，本文将对EMT 在常见肺部慢性高发性疾病中的作用，以及通过靶向EMT 对相关疾病的治疗进展展开综述。

1 上皮间充质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）概述

1.1 EMT 的概念及分型

当组织或细胞受到损伤或外来抗原( 如病毒、细菌等) 侵袭时，一系列信号级联反应激活免疫系统，引起炎症反应，导致紧密连接的极性上皮细胞转换为具有迁移能力的间质细胞，这一过程称为上皮间充质转化（epithelialmesenchymal transition，EMT）[7]。在TGF-β 家族、音猬因子因子（Sonic Hedgehog ，Shh）、Wnt/β-catenin, 纤维母细胞生长因子（fibroblast growth factor ，FGF）以及表皮生长因子（epidermal growth factor ，EGF）等信号作用下，EMT 相关的转录因子（包括Snail, ZEB, Twist 等）被激活，经过一系列级联反应，细胞上皮特性被抑制，间充质特性表达增加[8]。在正常情况下，形成上皮层的细胞表现出根尖基底极性，并通过紧密连接和贴壁连接横向连接在一起，贴壁连接由细胞表面上皮钙粘蛋白(E-cadherin)介导的，它的存在对上皮结构完整性有着至关重要的作用[9]。当EMT 被激活后，细胞的E-cadherin 表达被抑制，导致上皮细胞失去典型的紧密多边形铺路石状形态，逐渐转化为较为疏松的纺锤状间充质细胞形态，并表达间充质细胞相关标记物,包括神经钙粘蛋白(Ncadherin)、波形蛋白（vimentin），以及胶原蛋白（collagen）和纤维连接蛋白（fibronectin）等细胞外基质蛋白（extracellular matrix，ECM），这一系列变化使细胞运动性增强[10-12]。此外，金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）等胞外蛋白酶的表达增加导致ECM 的降解，从而使细胞更具转移性和侵袭性[13]。

1.2 EMT 的分类

EMT 与包括胚胎发育、伤口愈合和组织修复以及细胞迁移等密切相关。这些过程被细分为三个不同的类型。Ⅰ型EMT 与胚胎发育相关，是指胚胎着床至子宫上皮的过程中，滋养外胚层的原始上皮细胞发生EMT 并在内部细胞群内迁移，并发生间充质向上皮转化(MET)，形成细胞，细胞继续形成各种器官[9]；Ⅱ型EMT 主要与伤口愈合、组织再生和器官纤维化相关[14]。尽管被称为上皮间充质转变，但EMT 并不局限于上皮细胞，在内皮细胞和周细胞中，也观察到了相似的过程[15,16]。这表明这个过程不仅局限于上皮组织修复。Ⅲ型EMT 是目前研究最多的EMT 类型，它参与恶性细胞生长和转移。在EMT 进程中，E-Cadherin 的降低导致细胞间紧密连接的解除，因此，经分化的上皮细胞可以通过组织甚至血液自由迁移到损伤区域。然而，这一过程同样可以使癌细胞转移到远处的器官并形成继发性肿瘤[17,18]。

2 EMT 与肺部疾病关系

2.1 特发性肺纤维化(Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)

IPF 是一种慢性、进行性的间质性肺部疾病，病理过程比较复杂，是很多肺部疾病的终末阶段，确诊后存活期为3-5 年，目前尚无药物可根治[19,20]。IPF 通常被认为是遗传和环境因素交互作用的结果，在肺组织受到损伤时，肺泡上皮作为首先被攻击的细胞，肺泡上皮被异常激活,进而转化为产生ECM和胶原蛋白的肌成纤维细胞,这被认为是肺纤维化发生的主要原因[21]。目前，肌成纤维细胞被认为主要来自：1）原位肺成纤维细胞的增殖和分化；2）肺泡Ⅱ型上皮细胞（Alveolar typeⅡ epithelial cells，AT Ⅱ cells）经过EMT 转化；3）骨髓源性成纤维细胞以及循环祖细胞的转化[1]。大量ECM 的异常沉积，导致肺组织的不可逆改变以及正常肺功能的丧失[22]。

研究表明，TGF-β 能在体外诱导AT Ⅱ细胞EMT 的发生，从而导致肺纤维化[23]。但EMT 是否在人体内导致IPF 的发生，目前尚存在争议。Rock 等人利博来霉素诱导的小鼠肺纤维化转基因模型中跟踪AT-II 细胞的迁移，发现标记的AT-II 细胞没有向肌成纤维细胞转变[24]。然而近年来多项研究表明，EMT 是驱使肺泡上皮细胞转化为肌成纤维细胞的关键因素[25,26]，在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化过程中，EMT也在肺泡上皮细胞中发生[27,28]。并且最近有重要研究表明，在EMT 过程中，AT Ⅱ细胞中的ZEB1 介导的旁分泌信号通过形成促纤维化微环境来增强肺纤维化的局部肌成纤维细胞分化[8]，促进了间质纤维化的早期发展。

综上所述，尽管IPF 的详细发病机制尚未完全阐明，但目前大多数研究都认为EMT 在一定程度参与其发病过程[25-28]。在这些研究成果的基础上，进一步探索与EMT 相关的致病因素及信号通路，有可能为IPF 提供新的诊断标记物及治疗方案。

2.2 支气管哮喘

支气管哮喘是一种以气道炎症、气道重构和气道高反应性为特征的疾病[29]，其已成为影响全球3 亿人的严重公共卫生问题，我国是哮喘发病率和死亡率最高的国家[30,31]。哮喘气道炎症主要由辅助性 T 细胞( helper T cell，Th 细胞) 2 产生的细胞因子[如白细胞介素( interleukin，IL) -4、IL-5 和IL-13]介导的免疫反应所导致[32,33]。气道重塑是指气道基底膜增厚伴上皮下纤维化、上皮脱落和平滑肌肥大或增生[34]。正常情况下，损伤的上皮能够进行自我修复，然而哮喘患者气道中慢性炎症造成的持续损伤导致纤毛细胞的数量大大减少，使基膜表面仅部分覆盖有能够抵抗细胞凋亡的基膜细胞[34]。

Hackett 等在哮喘患者体内观察到了促EMT 标志物E-cadherin 的降低[35]，Johnson 等在尘螨诱导的小鼠哮喘模型中观察到了气道上皮细胞中连接蛋白E-cadherin 的降低和间充质相关蛋白Vimentin 等表达的升高[36]，由此可见，EMT能够参与哮喘发病。那么EMT 是如何参与哮喘发病的呢？近年多项研究表明，EMT 与哮喘气道重塑密切相关。Liu 等在哮喘患者和OVA 诱导的哮喘小鼠模型气道中观察到了气道EMT 和气道重塑[37]。

然而，哮喘中气道上皮作为气道受损的第一道屏障，其发生EMT 的驱动因素还未阐明。研究表明，Th2 介导的慢性炎症可以使嗜酸性粒细胞和巨噬细胞产生的TGF-β1 增加，导致气道中TGF-β1 水平升高，进而诱导EMT 和上皮下纤维化[36]。Haddad 等人通过提取重症哮喘患者外周血中的中性粒细胞，将其与原代气道上皮细胞共培养，发现重症哮喘患者的中性粒细胞能够诱导气道上皮细胞EMT，说明中性粒细胞作为EMT 诱导者和的TGF-β1 重要来源，可能在重症哮喘气道重塑和纤维化的发生发展中起重要作用[38]。Loffredo 等人通过分析哮喘患者的EMT 相关转录因子，发现哮喘患者的EMT 还涉及与转录因子持续改变相关的代谢和表观遗传学的调节，而不仅是由慢性炎症的损伤和修复所驱动[39]。

尽管EMT 与哮喘发病之间的机制尚未完全阐明，但进一步研究 EMT 在哮喘气道重塑中的机制是非常有必要的，对EMT 靶向干预可能是逆转哮喘气道重塑的新途径。

2.3 慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease, COPD）

COPD 是一种以呼吸困难、慢性咳嗽、咳痰主要表现，以持续性气流受限为主要特征的可以预防和治疗慢性气道炎症性疾病，反复的炎症损伤和组织修复可导致气道重塑[40,41]。COPD 通常是由长期吸烟引起的，据统计，超过50%的长期吸烟者患有COPD，估计到2030 年COPD 将成为世界第三大死亡原因[40,42]。

Sohal[43]等人在2010 年通过对48 名吸烟者（包括COPD罹患者与非罹患者）的肺组织通过免疫组化进行分析，发现与15 名未吸烟者相比，吸烟者支气管网状基底膜（Reticular basement membrane ，Rbm）断裂显著，且断裂程度与COPD患者吸烟史呈正相关。进一步发现吸烟者Rbm 裂隙内的基底上皮细胞中EMT 相关蛋白（S100A4、vimentin、EGFR、MMP-9）表达均较正常组明显增加，表明EMT 在吸烟者以及COPD 患者中能够促进气道重塑和纤维化。随后，在2013 年，西班牙[44]和国内[45]的研究者通过对COPD 患者的气道上皮细胞以及对气道组织进行分析，在其中均发现了E-cadherin的降低和N-cadherin 的上调。尽管这些研究无法表现EMT在COPD 患者体内的动态过程，但相似的结果在不同群体中均表现为EMT 在吸烟者中活跃，特别是吸烟导致的COPD 患者中提供了强有力的证据。研究者们还需要通过纵向研究以及细胞培养等方式，充分了解EMT 在COPD 炎症和气道重塑过程中的作用及发生机制。

2.4 肺癌

肺癌是世界上最常见的癌症，其中非小细胞肺癌（Nonsmall-cell lung cancer，NSCLC）占肺癌发病的85% 左右。EMT 与癌细胞的侵袭性和转移能力高度相关，在EMT 过程中，癌细胞不仅失去了自身的粘附性，呈现出更高的能动性和侵袭性，而且对细胞凋亡和化疗药物的抵抗力增强，甚至呈现出类似干细胞的特性[46]。

研究发现，与原位瘤相比，肺癌中表达有上皮标记物EpCAM 的循环肿瘤细胞（Circulating tumour cells，CTCs）量更少，不表达EpCAM 的CTC 与原位瘤在数量上相似，表明经历EMT 的肺癌CTC 失去其上皮表型[47]。研究者通过对125例初治期晚期肺癌患者进行追踪调查以及细胞学分析，发现在肺癌晚期的患者中，CTC 的增加预示着不良的预后，且来自EGFR 突变的NSCLC 的CTCs 表现出上皮向间充质转化的特征[48]。尽管有越来越多的研究表明EMT 与肺癌相关，但并没有直接证据证明EMT 动态参与到了肺癌的肿瘤转移过程中。

目前晚期肺癌治疗的主要方式为放化疗以及靶向药物治疗，近年多项研究表明，发生EMT 的癌细胞往往会对多种抗癌治疗失去敏感性[49,50]，针对这种特性，近期研究人员发现循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA ，ctDNA）的甲基化与癌细胞耐药性相关，这一过程可以从药理学上逆转，并在ctDNA中进行非侵入性监测，以预测其对治疗的耐药性，这也为肺癌的辅助治疗提供了更多的可能性[51]。

3 以EMT 为靶点的肺部疾病潜在治疗方向

随着对EMT 在多种肺部疾病中作用机制的研究日趋成熟，通过逆转或抑制EMT 来达到治疗疾病目的的尝试也日益增多。研究者通过使用三七总皂苷干预TGF-β1 刺激的体外培养的肺泡上皮细胞，发现与TGF-β1 组比较,三七总皂苷能够显著增加细胞的圆形度值、降低平滑肌肌动蛋白α（Alpha-smooth muscle actin，α-SMA）和纤连蛋白（Fibronectin, FN）的表达，并且能增加基质金属蛋白酶9（(matrix metalloprotein-9，MMP-9)的分泌量，减少基质金属蛋白酶抑制剂-1（tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1）的分泌量，这表明三七总皂苷能抑制肺泡上皮细胞的间质转化,促进细胞外基质分解[52]。并且，随后有研究发现，三七总皂还能够抑制肺癌A549 细胞上皮间质转化[53]，表明三七总皂苷具有治疗肺纤维化和肺癌的应用前景。与以上研究相似，刘涛等[54]使用积雪草苷干预TGF-β1 刺激的体外培养的肺泡上皮细胞后，通过Western blot 检测细胞中EMT标志蛋白Vimentin、E-cadherin 的表达水平，发现积雪草苷抑制TGF-β1 诱导肺泡上皮细胞增殖活性和EMT，减少细胞分泌炎症因子,并且调控细胞因子的表达,具有一定的抗肺纤维化作用。除肺部疾病外，针对EMT 的靶向治疗在其他系统疾病中也多有研究，研究者发现橙皮素通过调节mTOR 通路对TGF-β1 诱导的足细胞EMT 具有保护作用[55]，由此可见，橙皮素可能是抑制各种慢性肾脏病肾纤维化的一个良好天然候选药物。EMT 在肿瘤化疗耐药中起重要作用，研究显示，甲基莲心碱（Neferine，NEF）可以通过抑制miR-130b-5p 下调介导的EMT 来增强鼻咽癌紫杉醇耐药细胞系对紫杉醇的敏感性[55]。

4 总结与展望

综上，近年来EMT 与慢性肺部疾病之间的关系被广泛而深入的研究，然而其详细的参与机制还未完全阐明。逆转EMT 不仅能使肺纤维化、支气管哮喘以及COPD 的气道重塑以及气道炎症得以改善，还有利于改善肺癌的预后和耐药性。以EMT 为靶点对多种肺部疾病的治疗也得到了初步进展。因此，在肺部疾病中针对EMT 的研究具有重要意义，还需要进一步研究以明晰其参与机制进而拓宽治疗思路。