糖尿病肺纤维化发病机制的研究进展

付庭吕，高明朗，李 宁，耿 庆

(武汉大学人民医院胸外科，湖北 武汉 430060)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一种以胰岛素绝对缺乏或胰岛素相对不足伴胰岛素抵抗、持续高血糖为特征的全身代谢紊乱疾病。近30多年来，我国DM患病率显著增加，目前仍逐年上升，2015～2017年已达到11.2%[1]。糖尿病肾纤维化和心肌纤维化已被人们所公认并被广泛研究[2-3]。肺拥有丰富的肺泡-毛细血管网络和结缔组织，研究证明[4-5]，肺也是DM并发症的靶器官之一，高血糖可诱导肺纤维化病变，但其发病机制目前仍知之甚少。该文首次系统综述了糖尿病肺纤维化的潜在机制，旨为探究其深层机制提供探究思路，以及为开发其治疗药物提供参考依据。

1 糖尿病肺纤维化的临床特征

糖尿病肺纤维化(diabetic pulmonary fibrosis，DPF)是指DM患者在长期高血糖刺激下，可诱发肺部纤维化病变，是DM的主要并发症之一。前期研究显示，DPF患者的临床特征主要有肺功能、影像学和病理学3个方面的异常。其肺功能降低，呈限制性通气功能障碍改变，表现为除第1 秒用力呼气容积/用力肺活量升高外，其余肺功能指标如第1 秒用力呼气容积、用力肺活量、一氧化碳弥散量等均显著降低；影像学异常为高分辨率CT图像呈条索状、网格状改变，与典型的特发性肺纤维化的影像学改变(呈UIP型，包括网格型和蜂窝型)相似；病理学异常以显著的纤维化病变为特征，主要表现为肺泡间隔和肺血管基底膜增厚及大量的炎性细胞浸润。

2 糖尿病肺纤维化的发病机制

DPF的发病机制是多因素的、高度复杂的，具体机制尚不清楚。目前DPF的潜在机制主要有自主神经病变、肺微血管病变、晚期糖基化终末产物(advanced glycosylation end products，AGES)、氧化应激、炎症反应、上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition ，EMT)与内皮间质转化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)、细胞衰老与DNA的损伤修复等。

2.1 自主神经病变糖尿病神经病变是DM常见的慢性并发症，影响约一半的DM患者。糖尿病自主神经病变是指在排除其他原因后，在DM或DM前期代谢紊乱的情况下发生的自主神经系统紊乱。糖尿病自主神经病变可影响心血管、胃肠、泌尿生殖系统及舒缩功能，在DPF中也发挥着巨大作用，其作用机制与长期高血糖、AGES积聚、氧化应激、炎症反应、脂质代谢异常等密切相关[6]。DM患者若血糖控制不良，极易导致肺自主神经病变，主要表现为气道口径增加、支气管扩张、肺表面活性物质产生受损、低氧通气反应受损、分泌物动员和黏液纤毛清除受损等[4]。此外，高血糖诱发自主神经病变，还会损害呼吸神经肌肉功能，导致肺容积减少、肺功能下降，加速DM患者限制性并发症的发生发展[7]。因此，预防糖尿病自主神经病变可改善DPF对机体的影响，提高患者生活质量。

2.2 肺微血管病变血管损伤在DM的病理生理学中起着核心作用。DM常见的并发症如视网膜病变、神经病变、肾病和心血管功能障碍等几乎均由血管损伤引起。研究表明高血糖可诱导肺间质纤维化改变和肺泡微血管病变[5]，故DPF的损伤机制可能源于肺部微血管损伤。DM患者在长期高血糖刺激下，可诱导血小板高反应性、炎症以及氧化应激等，进一步导致肺血管内皮损伤，最终导致肺泡上皮和肺毛细血管基底膜增厚、肺毛细血管血容量减少以及源于通气灌注比例失调的弥散功能受损[8]。此外，Matsubara等[9]对35例解剖后的DM组和26例解剖后的非DM组的肺进行组织病理学研究显示DM患者肺泡毛细血管壁、肺小动脉壁和肺泡壁明显增厚；在多种DM动物模型中也可观察到肺泡上皮、肺血管基底膜明显增厚，及更明显的纤维化病变[10-11]。总之，这些影响均归因于与DM微血管病变相关的肺毛细血管损伤，进一步深入研究非常有价值。

2.3 晚期糖基化终末产物AGES是指高血糖引起胶原蛋白和弹性蛋白等蛋白质的非酶糖基化，对DM并发症至关重要。晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products，RAGES)是AGES的细胞表面受体，在肺组织中分布广泛，其主要作用为清除AGES。正常情况下AGES在肺中的分布仅限于较低的基础水平，但在DM患者中，长期高血糖刺激将导致AGES在肺组织中积聚，诱发氧化应激、炎症、EMT等，使肺结构重建，进而导致肺纤维化。胸部和肺部富含胶原蛋白和弹性蛋白等细胞外基质(extracellular matrix，ECM)成分，ECM的过度产生，特别是高血糖导致ECM的非酶蛋白糖基化，可导致胸腔和肺实质的基质硬化，不可逆转地重塑肺组织结构，促进肺纤维化的进展，从而限制肺的生理作用[12]。前期研究检测到AGES在链脲佐菌素诱导的DM小鼠模型的肺组织内大量积累，故AGES可能是加速高血糖患者肺纤维化的重要因素之一。此外，在RAGES(-/-)小鼠中存在自发性肺纤维化样改变，重建RAGES能有效地恢复并逆转病理异常[13]。因此，减少AGES在肺组织内的积聚，维持AGES和RAGES的均衡可能是延缓或逆转DPF的重要方法。

2.4 氧化应激氧化应激是指细胞和组织的氧化和抗氧化系统之间失衡，即活性氧(reactive oxygen species，ROS)、活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的过度产生或抗氧化防御系统能力下降的结果。ROS、RNS的主要生成位点是线粒体电子传递链、内质网、过氧化物酶体等，其中线粒体是ROS的主要来源和靶点，与DM的发病机制密切相关。DM患者，在长期高血糖的刺激下，肺部的胶原蛋白和弹性蛋白等蛋白质易发生非酶糖基化，进而促使机体产生过多的ROS、RNS，损害抗氧化防御系统，导致氧化与抗氧化失衡，最终诱发氧化应激。氧化应激可以直接损伤细胞或者DNA，也可以通过激活多种细胞内信号通路如核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、丝裂原活化蛋白激酶、应激激活蛋白激酶、氨基己糖通路、蛋白激酶C、AGES/RAGES等间接损伤细胞，并进一步刺激促炎细胞因子和促纤维化细胞因子的表达，从而导致内皮损伤、炎症反应、胶原堆积和ECM沉积，最终诱发肺纤维化[14]。研究表明，血管紧张素II可通过激活NADPH氧化酶介导的亚硝化损伤诱导DPF[15]；由活性氧和活性氮激活的NF-κB的抑制剂对链脲佐菌素诱导的DM大鼠肺损伤有保护作用[16]。综上所述，氧化应激在DPF的发生发展中有着极其重要的作用，值得我们进一步探究更深层次的作用机制。

2.5 炎症反应炎症反应贯穿于DM的整个病程，在DPF的发生发展中扮演着不可或缺的作用。在DM高血糖刺激下，线粒体受损产生大量ROS，并通过损害自噬-溶酶体系统，促进巨噬细胞极化为促炎M1表型，诱发炎症反应，最终导致DPF的发生[17]。此外，高血糖也可以通过激活NF-κB促炎信号通路和NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎症小体，使机体分泌大量的炎性细胞因子，诱发DPF。Chen等[11]的研究结果表明间充质干细胞通过调节Sirtuin3可抑制NF-κB促炎信号通路及NLRP3炎症小体的激活，进而减轻炎症反应并有效地减轻DPF；Eren等[16]证实,在链脲佐菌素诱导的DM大鼠中，NF-κB抑制剂可以减少肺泡基底膜厚度及间质内单核细胞浸润，发挥肺保护的作用。总之，DPF作为DM的并发症之一，抗炎治疗不容忽视。

2.6 上皮间质转化及内皮间质转化组织纤维化是大多数DM并发症的共同点，而肌成纤维细胞是病理性ECM堆积的关键介质。在病理情况下，肌成纤维细胞不受限制的激活将导致ECM的过度沉积，从而诱发组织纤维化。肌成纤维细胞来源于不同的前体细胞，主要包括成纤维细胞、骨髓来源的间充质细胞，以及发生表型转换的上皮和内皮细胞[18]。肺组织内上皮细胞和内皮细胞储备相当丰富，故EMT和EndMT在DPF的发生发展中也不容忽视。

EMT是指一种完全分化的上皮细胞向间充质表型转化，形成成纤维细胞和肌成纤维细胞的过程，其特征是成纤维细胞标志物如α-平滑肌肌动蛋白和波形蛋白表达增加，而上皮细胞标志物如E-钙粘蛋白表达减少。DM患者在长期高血糖刺激下，导致肺组织内AGES积聚、氧化应激和炎症反应等的发生，进一步导致异常的上皮细胞转化为成纤维细胞和肌成纤维细胞，并产生过量的ECM，破坏组织结构，最终诱发肺纤维化[18]。已有研究证明,EMT通过激活LOX-1/TGF-β1/KLF6信号通路参与DPF的病理过程[19]；高胰岛素血症通过激活PI3K/Akt/GSK3β/β-Catenin通路促进EMT和纤维化[20]。

EndMT是指一种完全分化的内皮细胞向间充质表型转化。研究表明EndMT在肺部疾病如肺动脉高压、特发性肺纤维化、新型冠状病毒感染后肺纤维化等中发挥重要作用[18,21-22]。前期研究表明，当人脐静脉内皮细胞暴露于高糖环境中时，可触发其向间充质表型转变；同时，在DM患者肺组织中，也能检测到内皮标志物减少，间充质表型标志物及纤维化标志物明显增加，并且DM患者肺组织免疫荧光示肺血管周有大量的纤维化标志物累积，因此猜测DPF可能始于肺血管周，且其机制可能是肺血管内皮细胞发生了EndMT，值得进一步深入探究。综上所述，DM患者在长期高血糖刺激下可诱导EndMT，导致血管舒张和收缩之间的失衡、血管炎症等，最终诱发DPF。

2.7 细胞衰老及DNA损伤修复DM相关器官纤维化是一个以细胞衰老加剧为标志的日益严重的健康问题。细胞衰老是由促衰老应激源引起的稳定复制停滞的进化保守状态，其发病机制主要包括端粒磨损、氧化应激、DNA损伤和蛋白质组不稳定[23]。最新研究表明，DPF和DNA损伤直接相关，DNA损伤后，修复潜能缺陷，将触发代谢和转录变化，激活衰老相关的分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)如白细胞介素、炎性细胞因子和生长因子的活跃分泌，激活级联反应，导致肺容量减少、呼吸困难和炎症，肺功能将不可逆的受损，最终诱发肺纤维化[24]。DNA修复能力与还原糖的还原能力直接相关，当2型肺泡上皮细胞暴露于还原糖时，可使氧化还原平衡向NADH偏移(NAD+到NADH)，NADH通过减弱直接参与DNA修复的Sirtuin或PARP信号来影响DNA修复系统的完整性[25]。据报道，RAGES是DNA损伤-修复的主要调节因子，RAGES的丧失与永久性DNA断裂信号、细胞衰老和纤维化密切相关[13]。综上所述，细胞衰老及DNA损伤在DPF中的作用目前虽只崭露头角，但其中蕴含的意义巨大，值得进一步挖掘探究。

3 总结与展望

DPF作为DM的肺部并发症，在大量临床和实验研究的支持下，已渐渐被人们所认可。但由于肺部拥有丰富的肺泡-毛细血管网络，储备巨大，DM肺部并发症发生较其他组织器官晚，大部分DM患者肺部并发症处于亚临床状态，只有当合并肺部疾患损伤肺功能时，DM肺部并发症才会大大提前，医务工作者和DM患者需加大关注力度。目前对DPF的作用机制知之甚少，该文系统综述了DPF在自主神经病变、肺微血管病变、AGES、氧化应激、炎症反应、EMT与EndMT、DNA的损伤与细胞衰老等方面的作用机制，但各个作用机制之间并非毫无关联，而是相互影响，相互促进的(Fig 1)，同时，DPF仍缺乏行之有效的治疗措施，深入探究其新机制以及开发安全有效的新药物势在必行。

Fig 1 Pathogenesis of diabetic pulmonary fibrosisDiabetic pulmonary fibrosis can be induced by long-term hyperglycemia through seven main mechanisms including autonomic neuropathy, pulmonary microangiopathy, accumulation of advanced glycosylation end products, oxidative stress, inflammation, epithelial-mesenchymal transition and endothelial-mesenchymal transition, DNA damage and cell senescence. They do not work alone, but interact and influence each other to induce diabetic pulmonary fibrosis.