特发性肺纤维化衰老相关发病机制及治疗的研究进展

2022-03-29韩闪陈茂庆刘晓秋

临床内科杂志 2022年3期

韩闪陈茂庆刘晓秋

特发性肺纤维化(IPF)是一种病因未明的进行性、不可逆性、致死性的肺间质性疾病。IPF的发病及其进展机制尚不清楚。IPF无法治愈，目前的抗纤维化治疗只能部分阻止纤维化的进程[1]。既往研究结果显示，IPF是一种衰老相关性疾病，约2/3的IPF患者年龄超过60岁，平均诊断年龄为66岁[2]。IPF常发生于老年人，而很少发生于年轻人，提示年龄和此疾病相关。然而衰老促进肺纤维化的机制尚不明确。IPF可能同衰老过程有共同的病理生理机制[3]，衰老的特征在肺纤维化形成中的作用是目前探讨的热点[4]。本文主要对IPF衰老相关发病机制及治疗进展进行综述。

一、基因的不稳定性与IPF

随着年龄增加而引起的DNA累积损伤是公认的衰老特征。随着年龄增长，当异常基因持续存在时，会破坏细胞基因组的稳定性，从而导致细胞稳态失调。研究表明，与健康人群相比，50%的IPF患者痰液样本中细胞表现出基因改变、微卫星不稳定性(MSI)或杂合性丧失(LOH)，且IPF患者肺蜂窝结构中也存在MSI。在IPF患者中，基因微卫星不稳定性和基因丢失的基因学改变最为常见[5]，细胞核及线粒体DNA累计损伤伴随整个衰老过程[6]。总之，IPF患者肺细胞存在慢性DNA损伤。尽管IPF的主要病因尚不清楚,但是对部分患者而言,基因异常如表面活性蛋白A2(SFTPA2)、表面活性剂蛋白C(SFTPC)、ELMO/CED-12结构域2(ELMOD2),粘蛋白5B(MUC5B)、转化生长因子(TGF)-β1和两个端粒酶基因(hTERT和hTR)均被认为是肺纤维化的危险因素。新的证据表明，DNA修复机制的增强可能延长IPF患者的寿命和治疗衰老相关疾病[7]。

二、端粒磨损与IPF

在众多衰老学说中，端粒缩短被认为是细胞衰老最有影响的机制[8]，端粒缩短时激活DNA引起细胞衰老和凋亡。端粒缩短是IPF的一个危险因素[9]，端粒酶突变也是家族性IPF的最常见原因。此外，即使在缺乏端粒酶突变的情况下，端粒耗损在IPF患者中也较常见[9]。近年来，端粒缩短引起IPF的机制研究有一些进展。有研究者通过检测基因组发现，IPF可由端粒酶的RNA组件(TERC)和端粒酶逆转录酶基因(TERT)突变引起[10]。还有研究者推测，在IPF早期，成纤维细胞中端粒酶处于激活状态可促进纤维细胞大量增殖，而后期由于肺组织中TGF-β1增加，增强了下游的Smad家族成员3(SMAD3)的表达，驱使端粒酶活性改变和端粒的缩短，从而影响有丝分裂细胞染色体的稳定性，导致肺泡上皮细胞(AEC)复制性衰老[11]。

三、表观遗传学改变与IPF

在衰老过程中还涉及DNA甲基化、组蛋白乙酰化修饰和微小RNA(miRNA，miR)等许多表观遗传学机制。

1.DNA甲基化和组蛋白乙酰化与IPF：DNA甲基化是一种表观遗传修饰，被称为表观遗传老化时钟。DNA甲基化很可能是表观遗传改变参与IPF发病的机制之一。越来越多的研究表明，IPF病理机制中异常的DNA甲基化改变了许多基因的表达[12-13]。体内和体外DNA甲基化导致肺成纤维细胞的细胞表面蛋白Thy-1(CD90)沉默，促进成纤维细胞分化及抗凋亡[12]。研究证实，在IPF患者的成纤维病灶中，Thy-1阴性的成纤维细胞内存在Thy-1启动子甲基化[14]。IPF患者DNA甲基化模式发生改变，然而这些变化如何参与与衰老过程相关机制仍不清楚，有待进一步研究。组蛋白乙酰化后修饰也参与DNA转录的调节。衰老可以改变组蛋白乙酰化。研究表明,一个随衰老而改变表达模式的组蛋白去乙酰酶家族(sirtuins)可能是原因之一[15]。其中，SIRT1、SIRT3、SIRT6和SIRT7对IPF抑制有积极作用。如SIRT1通过其启动子区的组蛋白去乙酰化抑制衰老相关分泌表型(SASP)因子。近年来，Sanders等[16]报道了组蛋白乙酰化的药理调节对博来霉素诱导的小鼠肺纤维化的改善作用，为IPF的治疗提供了新途径。

2.miRNA：近期研究表明，在IPF发展过程中有两类miRNA：促纤维化的miRNA和抗纤维化的miRNA。这两类miRNA失衡或改变与IPF进程密切相关。已经有部分miRNA被证明与肺纤维化的发病机制密切相关[17]。在纤维化的肺组织中，多种miRNA如miR-21、miR-96、miR154出现高表达，且与肺纤维化密切相关，而miR-29、miR-155、miR-200和miR326表达降低[18]。研究表明，miRNA-29的低表达是肺纤维化进展的原因。采用miRNA-29基因治疗降低了博来霉素所致的胶原合成，逆转了肺纤维化，表明miRNA-29可能成为治疗肺纤维化的新方法[18]。miR-155超表达也可以减弱TGF-β对纤维母细胞增殖、迁移和胶原蛋白合成的刺激作用[19]。因此，采用miRNA类似物、恢复或增强miRNA的功能或使用miRNA靶向抑制剂可能是预防或逆转IPF进展的有效方法[20]。

四、自噬作用与IPF

据报道，IPF患者肺组织的自噬活性降低，可能有助于快速和持续的成纤维细胞分化和对肺成纤维细胞凋亡的抵抗作用，且使AEC衰老永久化[21]。衰老小鼠肺损伤后出现自噬活性降低，有研究者发现，阻断Toll样受体(TLR)2可抑制博来霉素诱导的肺纤维化的发生和发展,而阻断TLR4却具有加重肺纤维化的作用，产生这种差异的原因在于阻断TLR4会强烈抑制自噬反应，提示自噬对炎症和纤维化的清除具有关键作用[22]。自噬可清除炎症诱导物、慢性炎症及损伤的细胞器,是抑制IPF发生的重要机制。目前基于这一观点,激活自噬的药物可能是抗组织纤维化的新选择[23]。干扰素γ是强大的自噬激动剂[24]，能够改善患者症状和肺功能并延长生存时间。IPF患者肺部自噬不足与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)持续激活有关。衰老有助于降低在基础和饥饿条件下诱导mTOR途径激活介导的自噬作用。作用于PI3K/AKT/mTOR信号通路的雷帕霉素可明显改善饥饿诱导的IPF成纤维细胞自噬和凋亡[25]。

五、SASP与IPF

衰老不仅是细胞周期的停滞，而且衰老的细胞还可分泌SASP调节组织微环境。SASP是年龄相关性炎症的主要驱动因素[26]。衰老的AEC通过增加SASP的表达促进肺成纤维细胞的活化。SASP可促进局部和潜在的全身炎症，破坏组织细胞，并增强细胞向恶性转化。IPF患者肺组织中成纤维细胞和肌成纤维细胞呈现出应激和衰老的表型，分泌一系列因子，包括TGF-β、白细胞介素(IL)-6、IL-1β和基质金属蛋白酶(MMP)-12，在调节IPF的纤维化和炎症方面具有重要作用[27]，表明SASP是IPF病理学的重要介质。

六、线粒体功能异常与IPF

线粒体完整性受损和功能受损是衰老的特征，越来越多证据表明其与肺纤维化也有关。研究表明，IPF患者线粒体具有明显形态学缺陷，IPF患者线粒体稳态调节蛋白PUNK1、PARK2和NFR1表达水平明显降低[28]。此外，线粒体完整性受损包括有丝分裂减少导致线粒体累计损伤,线粒体分裂可促进细胞凋亡。PINK1和PINK2介导的线粒体吞噬在老年性肺疾病的发病机制中具有重要作用[29]，如慢性阻塞性肺疾病和IPF。IPF患者线粒体功能障碍表现为线粒体超氧化物歧化酶(SOD)、DNA应激及雷帕霉素复合体1(mTORC1)的激活。线粒体在肺纤维化中的保护作用与其在活性氧平衡中的作用密切相关。然而关于线粒体功能和线粒体相关的活性氧自由基(ROS)对IPF的作用了解较少。既往研究结果提示，线粒体相关的ROS存在于TGF-β信号通路和促纤维化基因表达过程中[30]。ROS的失衡可能会驱动TGF-β1通路激活，TGF-β1的活性增强会引起ECM的变化，并促进线粒体功能障碍和活性氧生成，增强了对纤维化的易感性。另外介导肺纤维化过程中产生ROS的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)4存在于线粒体中[31]。NOX4水平增加导致超氧化物形成，提示NOX4在成纤维细胞老化中起作用。在老年小鼠纤维化的实验中，NOX4基因和靶向治疗可减轻细胞衰老，且逆转持续性纤维化。上述研究结果均支持细胞氧化应激稳态失衡促进衰老相关的持续纤维化和促纤维化的肌成纤维细胞表型。通过改变作用于线粒体的靶点可为IPF治疗提供治疗方案。

七、间充质干细胞功能障碍与IPF

干细胞功能障碍发生于包括IPF在内的许多衰老相关的疾病中。既往研究证明来自IPF患者的间充质干细胞(MSCs)处于衰老转态。与年龄匹配的对照组比较，IPF患者衰老的MSCs具有旁分泌诱导衰老的能力，可诱导正常老年成纤维细胞衰老，且参与纤维化过程。衰老的MSCs迁移并分化为AEC且修复受损肺组织的能力下降。

从目前的研究来看，间充质干细胞主要从5个方面对肺纤维化起作用，即端粒的调节、减少氧化应激、补充耗竭的干细胞、调节细胞免疫、调节细胞外基质。然而目前支持使用间充质细胞治疗IPF患者的前期临床数据较少，需要在未来的研究中关注其使用时间、理想的剂量及给药途径。因此在估计临床结果和转化应用到临床时必须考虑这些可变因素[32]。

八、内质网应激与IPF

AEC损伤和修复失衡与肺纤维化的发病机制有关。在IPF患者肺组织中观察到AEC存在内质网应激[33]。GRP78为内质网稳态的关键调节因子，GRP78基因敲除的小鼠显示出现内质网应激，TGF-β/SMAD信号通路激活，肺损伤更严重，纤维化更持久[32]。且老龄化鼠的Ⅱ型AEC中GRP78减少，此现象在IPF患者中也较常见。内质网应激抑制剂牛黄去氧胆酸可改善GRP78基因敲除的小鼠和IPF患者AEC内质网应激和纤维化。上述研究结果都支持内质网应激导致IPF上皮细胞功能障碍，并提示内质网应激可能是衰老与IPF相互关联的机制之一。内质网应激和功能障碍的调节有望成为肺纤维化的治疗方案[34]。

九、肺损伤修复异常与IPF

衰老与损伤的器官功能相关，且可增加肺损伤及肺纤维化进展的易感性。多种因素与肺损伤后的纤维过程中肺组织修复异常有关[35]，包括促纤维化生长因子生成增多如TGF-β1和纤维粘连素表达、过多的基质糖蛋白聚集及MMPs的表达异常。在肺纤维化进展过程中，肺纤维化病灶内出现以细胞表面标志物Thy-1低表达为特征的成纤维细胞亚群[36]。Liu等[36]采用博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型和Thy-1基因敲除小鼠研究Thy-1在肺纤维化形成中的作用，发现在纤维化形成过程中，Thy-1表达缺失，衰老肺的成纤维细胞中Thy-1表达减少，Thy-1基因敲除小鼠表现出持续的纤维化重塑和肺损伤修复异常。与年轻肺相比，衰老肺出现肺损伤后的修复异常。综上，衰老肺出现肺损伤后的修复异常参与肺纤维化的发病机制。