TGF-β1 在放射性肺损伤中的促纤维化作用及其机制

梁鑫鑫 敖兴坤 周圣 辉 顾永清,2

1 南华大学衡阳医学院，衡阳 421001；2 军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所，放射生物学北京市重点实验室，北京 100850

转化生长因子β1（transforming growth factor，TGF-β1）是一种重要的成纤维细胞因子，参与体内众多生理过程。有研究结果显示，TGF-β1 在创面的愈合过程中至关重要，可刺激大量基质分子沉积和微血管生成，是导致纤维化疾病发生、病理性瘢痕增生的重要介质[1]。

我国肺癌及乳腺癌等胸部肿瘤的发病率居高不下，而放疗作为治疗肿瘤的主要手段之一，经济有效且能明显提高患者5 年治愈率[2]。在放疗过程中，肺作为受胸部放疗影响较大的器官，其自我修复能力相对较差，不能耐受高剂量的放疗[3]。放射性肺损伤（radiation-induced lung injury，RILI）在胸部肿瘤的治疗过程中发生率极高，绝大多数接受胸部照射的患者都会出现一定的症状，使其生存率大大降低，这对当前胸部肿瘤的治疗提出了极大的挑战[4]。放射性肺纤维化（radiation-induced pulmonary fibrosis，RIPF）是RILI的严重后果，其发生发展过程受到广泛关注。TGF-β1 在RILI 的发生发展中发挥着重要作用，但其具体的作用机制尚不清楚，我们对TGF-β1 在RILI 过程中的促纤维化作用及其机制的前沿进展进行综述。

1 TGF-β1 概述

TGF-β 是一种多向性、多效性的细胞因子，通常以自分泌或旁分泌的方式调节细胞的生长、分化和凋亡等功能[5]。TGF-β 有TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 3 种亚型，它们都属于由33 个结构上相关的细胞因子组成的TGF-β 超家族。TGF-β1 自被发现以来，其结构特点和生物学效应也得到了广泛的探究。迄今为止，TGF-β1 的染色体定位、基因结构、基因表达、蛋白结构、体内存在形式和信号传导等方面的研究基本明确[6]。TGF-β1 是由含有390 个氨基酸的大型蛋白前体经蛋白酶水解后所产生的含112 个氨基酸的多肽，其大多由机体内的实质细胞产生，可被分泌到细胞外。人体体液中的TGF-β1 可分为少量的活性TGF-β1 和大量的非活性TGF-β1，其活性在一定情况下可被蛋白酶、整合素及自由基等物质激活，激活后的TGF-β1 特异性地与细胞膜上的受体结合，从而产生生物活性[7-8]。 TGF-β1 共有3 种特异性受体，分别为TGF-β Ⅰ、TGF-β Ⅱ、TGF-βⅢ。TGF-β1在与相应的受体结合后可激活细胞质中的TGF-β/Smad 蛋白通路，该通路参与多种生物学过程，在纤维化过程中具有重要作用[9]。

在RILI 小鼠模型中，经电离辐射后，其肺组织中的TGF-β1 阳性细胞数显著增多，TGF-β1 的含量显著升高，且体内高浓度TGF-β1 的RILI 小鼠模型肺纤维化程度愈加严重[10]。Anscher 等[11]的研究结果显示，使用TGF-β1 的小分子抑制剂后，小鼠肺组织中TGF-β1 的含量显著降低，肺纤维化程度明显减轻。因此，TGF-β1 是决定RILI 发生与发展的关键因素。

2 TGF-β1 在RILI 中的促纤维化作用及其机制

TGF-β1 在多种纤维化疾病中发挥着重要作用：TGF-β1的过表达会导致小鼠心肌纤维化程度加重并使其对房颤的敏感性增加，不利于小鼠生存及预后[12]；TGF-β1/Smad3 信号通路的破环可防止单侧输尿管引起的肾小管间质纤维化[13]；Ueberham 等[14]在小鼠饮用水中添加TGF-β1，使其在血浆中的含量升高，在较短的周期内小鼠便出现了肝脏的纤维化。以上研究结果均可证实TGF-β1 的促纤维化作用强大且广泛。

RILI 可分为早、中、晚3 个阶段。早期主要以放射性肺炎（radiation-induced pneumonitis，RP）为主，表现为小血管和毛细血管损伤；中期主要表现为肺泡壁纤维母细胞浸润伴有间质肺纤维化；晚期主要表现为肺泡间隔进行性增厚、血管硬化、肺泡结构完全破坏形成RIPF，最终导致患者呼吸衰竭甚至死亡，极大地影响了患者的生存率及胸部肿瘤的治疗效果[15]。因此，寻找RP 向RIPF转变的分子机制尤为关键。

2.1 TGF-β1 在RILI 过程中的促纤维化作用

2000 年，Hakenjos 等[16]采用酶联免疫吸附测定法检测受辐射和假性辐射的大鼠肺成纤维细胞中TGF-β1 的含量，以此来明确电离辐射对大鼠肺成纤维细胞的影响，其研究结果表明，4 Gy 照射后TGF-β1 的表达水平增加了60%，最终导致大鼠肺成纤维细胞的克隆活性及终末分化水平升高。Zhao 等[17]研究发现，在平均肺部受辐射剂量大于20 Gy 的165 例非小细胞肺癌患者中，TGF-β1 表达水平升高的患者占66.7%。上述研究结果表明，TGF-β1 在小鼠和人体内都对电离辐射有较高的反应性，因此电离辐射有可能通过TGF-β1 介导RP 向RIPF 的转变。之后，研究者使用小干扰RNA 敲低人肺成纤维细胞中的TGF-β1 后发现，人肺成纤维细胞的凋亡率增加；敲低小鼠肺成纤维细胞中的TGF-β1后发现，一些辐射引起的肺部组织病理学变化，包括炎症、水肿、肺泡上皮细胞的TGF-β1 阳性反应以及肺间质巨噬细胞等都不明显，这表明下调TGF-β1 可有效抑制小鼠体内的炎症反应，阻断RP 向RIPF 的转变，减轻RIPF 症状，防御辐射引起的肺损伤[18]。在接受胸部照射的小鼠体内应用TGF-β1 上游激动因子缺氧诱导因子1α 的抑制剂（2-甲氧基雌二醇）后，可以有效抑制TGF-β1 的产生，其促纤维化作用被大大减弱，抑制了RIPF 的发生，有利于保护肺部正常组织[19]。综上，TGF-β1 在RILI 过程中具有较强的促纤维化作用，促进RP 向RIPF 发展。

2.2 TGF-β1 在RILI 过程中的促纤维化作用机制

2.2.1 TGF-β1 对成纤维细胞的增殖分化作用

RIPF 的特征是成纤维细胞和肌成纤维细胞聚集、产生大量胶原蛋白、炎症细胞浸润，同时细胞外基质重塑后肺泡间隔纤维化，肺泡闭塞，最终导致肺的氧交换能力丧失，危害患者生命[20]。肌成纤维细胞是导致肺中胶原和细胞外基质沉积的最主要的细胞。机体在组织损伤、炎症环境中可分泌各种促进纤维细胞生长的因子，其中TGF-β1是最重要的促纤维化生长因子。有研究结果表明，成纤维细胞可在TGF-β1 的作用下转化成肌成纤维细胞，使胶原生成增加，逐渐引起肺纤维化[21]。随后，Li 等[22]研究发现，TGF-β1 可通过增强单核细胞中白细胞介素1 的产生，促进成纤维细胞的有丝分裂，从而加速肺纤维化的产生。Huang等[23]研究发现，TGF-β1 可通过调控miR-424/Slit2 轴促进肺成纤维细胞的增殖分化，加重肺纤维化。上述研究结果表明，TGF-β1 通过影响成纤维细胞的增殖与分化，使肺成纤维细胞和肌成纤维细胞的数目增加，加速肺纤维化的产生。

2.2.2 TGF-β1 对细胞因子的趋化、诱导作用

炎症在RILI 的启动和发展过程中具有核心作用，而TGF-β1 可作为炎症反应中的重要趋化因子，趋化炎症细胞向血管壁边集。机体受到电离辐射后会导致血管内皮细胞黏附分子分泌增加，促成炎症细胞在血管壁聚集启动炎症[24]。Sohn 等[25]研究发现，单次大剂量局部照射小鼠肺2～3 周后，小鼠体内TGF-β1 的含量显著增加，小鼠支气管肺泡灌洗液中炎症细胞的数量增多，炎症因子水平也升高。Rana 等[26]研究发现，体内异常增多的TGF-β1 可诱导肺泡Ⅱ型上皮细胞衰老，而衰老的细胞会分泌衰老相关分泌表型，介导肺泡巨噬细胞的活化，增加炎症细胞因子的分泌。此外，电离辐射会引起体内活性氧和TGF-β1 水平异常升高，二者相互促进形成恶性循环，使细胞周期停滞并最终导致肺泡上皮细胞凋亡或坏死。凋亡或坏死的细胞又可以产生一系列炎症细胞因子，引起炎症风暴，加速RIPF 的发生[27]。综上，TGF-β1 不仅可以直接驱动炎症因子引起损伤部位产生炎症，还会通过促进细胞衰老、凋亡等途径加速RP 向RIPF 发展。

2.2.3 TGF-β1 启动并维持上皮细胞-间充质转化（epithelialmesenchymal transition，EMT）

EMT 是指上皮细胞在一定的条件下可转化为具有间质表型细胞的生物学过程。在炎症、损伤等不利因素下，肺上皮细胞可通过EMT 增加成纤维细胞的来源，参与肺纤维化过程[28]。电离辐射在体内和体外实验中均可诱导肺上皮细胞发生EMT，从而诱发RIPF。TGF-β1 作为EMT 的驱动剂一直备受关注。在原代人肺泡Ⅱ型上皮细胞中，经TGF-β1刺激后，EMT 的标志蛋白表达水平发生变化，并获得产生胶原蛋白的能力[29]，这说明TGF-β1 可驱使肺上皮细胞发生EMT。Chapman 等[30]给胸部肿瘤患者口服TGF-β1 受体激酶抑制剂表没食子儿茶素没食子酸酯后，比较患者血清及肺组织Western Blot 检测结果，发现表没食子儿茶素没食子酸酯可逆转肺纤维化患者体内的促纤维化状态，且EMT相关标志蛋白也出现回转，这进一步表明TGF-β1 可通过启动并维持EMT 参与RIPF 的形成。Zhou 等[31]也使用TGF-β1处理肺泡Ⅱ型上皮细胞，经蛋白质组学分析后发现，TGF-β1处理诱导了EMT 的特征，下调了细胞与细胞之间的黏附性以获得迁移特性，这也表明TGF-β1 对EMT 具有驱动作用。近年来，随着对TGF-β1 通过激发EMT 促进RP 向RIPF 转变机制的深入研究，TGF-β1 被认为是最经典的促EMT 因子，可通过介导不同的靶基因抑制上皮细胞标志蛋白表达，促进间充质细胞标志蛋白表达，从而促进EMT，加速RP 向RIPF 的发展。

2.2.4 通过非编码RNA 参与纤维化过程

近年来，有研究结果表明，miRNA、circRNA、lncRNA等非编码RNA 均参与疾病的发生、发展过程，尤其是在肿瘤和肺纤维化的进程中。TGF-β1 作为一种强大的促纤维化因子，可通过调控多种非编码RNA 促进肺纤维化形成。Wei 等[32]研究发现，TGF-β1 以时间和浓度依赖的方式使miR-133a 明显上调，并且直接诱导肌成纤维细胞分化，促进肺纤维化形成。此外，Pandit 等[33]研究发现，TGF-β1 通过调控Smad3 与Let-7d 的启动子结合，负性调控let-7d 的表达，促进EMT 过程，加速纤维化的发生。 此外，circRNA 和lncRNA 均可作为miRNA 的分子海绵发挥作用，如 TGF-β1 通过激活circRNA_0026344 调控miR-21/Smad7 信号轴促进肺纤维化[34]；lncRNA-ATB 经TGF-β1 处理后含量增多，并且通过海绵化miR-29b-2-5p 和miR-34c-p 促进肺纤维化[35]。不仅如此，miRNA、lncRNA 还能与mRNA 相互作用，在疾病中形成一个相互作用的调控网络。Liu 等[36]研究发现，在人肺泡上皮细胞中，有24 个mRNA、11 个miRNA 和33 个lncRNA 共同表达，它们可以通过调节TGF-β1 诱导的EMT过程来参与肺纤维化的过程。因此，电离辐射会使TGF-β1含量异常增多，而TGF-β1 又可以通过激活或抑制miR-133a、circRNA_0026344、lncRNA-ATB 等非编码RNA 的表达影响下游靶基因，从而促进肺纤维化形成，这表明受TGF-β1调控的非编码RNA 极有可能成为防治RIPF 的重要靶点，但具体机制仍需进一步探究。综上所述，疾病的发生路径可能是多种多样的，而非编码RNA 作为TGF-β1 促纤维化作用的助燃剂，其在RP 向RIPF 的发展过程中扮演的角色不容小觑。

3 小结与展望

随着在分子水平上对RILI 发生机制的深入研究，TGF-β1作为一种重要的因子也越来越受重视，广泛的医学研究结果证实，TGF-β1 作为主要的促纤维化细胞因子，在RILI的纤维化机制中起着重要作用。近年来，以TGF-β1 为切入点，许多研究者在RILI 的防治工作中做了许多的努力，研究结果层出不穷，然而由于RILI 的发生机制复杂，至今未研究清楚。因此，进一步研究TGF-β1 的促纤维化作用机制有助于挖掘其在防治RILI 中的作用，尤其是在RILI 整个发展过程中如何阻碍RP 向RIPF 发展这一关键难题。此外，对于寻找TGF-β1 的特异性抑制剂也是一个值得努力的方向，具有广阔的探索空间。相信未来在各方研究者的共同努力下，能以TGF-β1 及其信号通路为媒介使RILI 的防治取得一定成果，造福广大患者。

利益冲突所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明梁鑫鑫负责文献的收集与整理、综述的撰写；敖兴坤负责综述的审阅、建议的提出；周圣辉、顾永清负责综述的审阅与最终版本的修订