脂肪酸代谢重编程在肺纤维化中的研究进展

白 璐，王佳新，王 雪，曾 巍，宋美月，张田甜，王 婧*

1. 中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 呼吸与共病全国重点实验室，北京100005；2. 清华大学医学院 生物系 生命科学中心，北京100084；3. 哈尔滨医科大学第二附属医院 呼吸科，黑龙江 哈尔滨150001

肺纤维化是以炎性反应和细胞外基质沉积为特征的一组肺部疾病,主要累及肺间质和肺泡腔,导致肺组织异常修复引起不可逆损伤。其病因非常复杂,发病机制不清晰,目前缺乏有效的治疗方法, 预后极差,死亡率高。近年来进行了大量研究,指出肺纤维化中肺泡上皮细胞凋亡、巨噬细胞M2极化以及成纤维细胞活化是该病发生发展的核心机制,但影响它们的关键因素和分子机制仍然不明确。最近的研究指出肺纤维化中存在脂肪酸代谢重编程,影响肺部炎性反应、纤维化和氧化应激。然而,脂肪酸代谢的每个环节如何影响肺纤维化的具体机制尚不清楚。本综述讨论肺纤维化中脂肪酸代谢重编程,为进一步探索肺纤维化的发病机制和寻找针对脂肪酸代谢的治疗靶点提供新的思路。

1 脂肪酸代谢重编程

在正常肺组织中,脂肪酸的代谢过程是精确调控的,涉及脂肪酸的合成、摄取、氧化和衍生等多个环节。这些过程确保肺部细胞能够高效利用脂肪酸作为能量来源,同时维持细胞膜的稳定性和各种生物活性分子的合成。脂肪酸代谢的这种平衡状态对维持肺部正常功能至关重要。然而,在肺纤维化的病理状态下,这种平衡被打破,出现脂肪酸代谢重编程,即脂肪酸的从头合成、摄取和氧化等过程发生改变,以适应疾病状态下细胞的能量和代谢需求。在此过程中,脂肪酸的异常代谢导致细胞功能紊乱,影响细胞死亡和炎性反应,进而促进纤维化进程。同时,脂肪酸代谢产物如前列腺素和白三烯等,通过影响炎性反应和纤维化细胞的活性,进一步加剧疾病的进展。因此,肺纤维化中脂肪酸代谢重编程不仅是对疾病环境的一种适应性响应,也可能成为加重疾病的重要因素。

2 脂肪酸代谢重编程参与肺纤维化的研究进展

2.1 脂肪酸从头合成改变脂肪酸组分参与肺纤维化

在肺纤维化疾病状态下,脂肪酸组分经常发生显著改变。特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)患者肺部棕榈酸水平升高,硬脂酸水平降低[1]。在博来霉素(bleomycin,BLM)诱导的肺纤维化小鼠模型中,肺组织中的多不饱和脂肪酸水平升高。所以,不同的脂肪酸可能对肺纤维化发挥不同的作用。

外源补充不同的脂肪酸可以产生抗纤维化或抗炎效果。在BLM诱导的小鼠模型中,外源补充硬脂酸通过抑制转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β1通路降低小鼠肺部羟脯氨酸水平[1]。Omega-3不饱和脂肪酸通过产生抗炎活性物质改善BLM小鼠肺部炎性反应[2]。

脂肪酸组分的内源性调节主要受到脂肪酸链延长酶家族成员6(elongation of long-chain fatty acids family member 6,Elovl6)和硬脂酰辅酶A去饱和酶-1的调控。IPF患者以及BLM诱导小鼠的肺组织中Elovl6表达降低[3]。Elovl6-/-小鼠的肺组织中棕榈油酸增加,硬脂酸减少。肺泡Ⅱ型上皮细胞中Elovl6发挥抗凋亡、抗氧化和抗纤维化的保护作用[3]。类似地,硬脂酰辅酶A去饱和酶-1通过抑制小鼠肺部内质网应激发挥抗纤维化作用[4]。值得注意的是,在两项研究中,脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)表现出对于纤维化相反的作用。过表达Fasn通过减少线粒体膜电位变化、活性氧产生及肺泡上皮细胞死亡减轻BLM小鼠肺纤维化[5]。然而TGF-β通路活化依赖FASN,可能是由于纤维化环境需要脂肪酸大量合成提供营养[6]。

2.2 脂肪酸摄取转运体参与肺纤维化

除了从头合成,细胞还可以从胞外环境摄取脂肪酸。外源性脂肪酸通常以甘油三酯的形式由血浆脂蛋白转运,脂蛋白脂肪酶将其水解,然后脂肪酸通过脂肪酸转运体介导的主动运输或被动扩散进入细胞。细胞摄取长链脂肪酸需要借助转运体,包括CD36、质膜相关脂肪酸结合蛋白(plasma membrane-associated fatty acid-binding protein,FABPpm)和脂肪酸转位酶(fatty acid transport proteins,FATPs)。

CD36在促进肺纤维化的过程中起着关键作用。肺巨噬细胞膜上的CD36协助细胞摄取凋亡肺泡上皮细胞释放的氧化磷脂[7]。氧化磷脂的积累导致巨噬细胞发生促纤维化表型转化。同时,巨噬细胞表面的CD36激活Src家族激酶Lyn,进而上调TGF-β的表达,进一步促进肺纤维化发展[7]。

然而关于FABP和FATP在肺纤维化中的作用研究较少。但在多种肺癌患者肿瘤组织以及细胞系中均检测到FATP3蛋白表达水平显著升高,且在细胞系中敲低编码FATP3的基因明显降低肺癌细胞系的增殖速率,提示FATP3加重肺癌疾病进展[8]。而FABP5通过促进肺自然杀伤细胞成熟,抑制肺癌转移[9]。考虑到肺纤维化中免疫细胞异常激活,肌成纤维细胞过度增殖,FABP5和FATP3可能影响炎性反应和纤维化过程,参与肺纤维化。

2.3 脂肪酸氧化相关转录因子及关键酶参与肺纤维化

脂肪酸β氧化是脂肪酸产生生物能量的主要途径,其产生的大量乙酰辅酶A和三磷酸腺苷,用于三羧酸循环产生能量。在肺纤维化疾病中,肌成纤维细胞大量增殖,导致肺部纤维灶处于缺氧状态,脂肪酸氧化相关转录因子和关键酶增强脂肪酸氧化过程,以供应更多能量。

过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR-γ)是调节脂肪酸氧化最关键的转录因子。大多数研究主要关注PPAR-γ的激动剂如GED-0507[10],其在体内外的肺纤维化模型中均显示出抗纤维化活性。此外,还有一些与PPAR-γ密切相关的小分子化合物,如培美贝特[11],在肺纤维化动物模型中也显示出明确的治疗效果。

一氧化氮、不饱和脂肪酸和亚油酸之间的非酶反应分别生成10硝基油酸和12硝基亚油酸,称为硝化脂肪酸(nitrated fatty acids,NFA),是PPAR-γ的生理活化剂。在体外实验中,NFA上调PPAR-γ的表达,并阻断TGF-β诱导的成纤维细胞分化。在BLM诱导的小鼠体内,NFA抑制肺泡上皮细胞凋亡、成纤维细胞分化和增殖、胶原蛋白和α-平滑肌肌动蛋白的表达,同时加速胶原降解[12]。作为内源性化合物,NFA可能比合成的PPAR-γ激动剂更安全,具有不可忽视的治疗潜力。值得关注的是,通过对PPAR-γ表观调控抑制DNA甲基化,抑制PPAR-γ的表达也对肺纤维化有治疗效果[13]。

除了PPAR-γ,脂肪酸氧化关键酶肉碱脂酰转移酶1(carnitine acyl transferase 1,CPT1)在肺纤维化的进展中也发挥作用。上调CPT1A的表达可以增强脂肪酸氧化,从而阻止肺泡巨噬细胞活化[14]。APN/CPT1A介导的脂肪酸氧化可以通过激活自噬来抗纤维化[15]。然而,研究发现巨噬细胞中CPT1A与B淋巴细胞瘤(BCL)-2结合,导致细胞凋亡抵抗和组织纤维化[16]。目前对于CPT1A的研究相对较少,仍需进一步探索。

2.4 脂肪酸衍生物影响肺纤维化发展

脂肪酸衍生物来自细胞膜磷脂水解释放的游离花生四烯酸,经过环氧化酶途径或脂氧化酶途径产生。通过对矽肺病患者和小鼠模型的肺组织进行转录组测序和验证,发现病肺中参与花生四烯酸环氧化酶途径的前列腺素D2合酶和血栓素A2合酶的mRNA和蛋白质表达显著增加,提示花生四烯酸衍生物可能影响肺纤维化的发展[17]。

花生四烯酸经环氧化酶途径生成的前列腺素和血栓烷等生物活性物质在肺纤维化中发挥不同的作用。前列腺素D2具有抗纤维化的作用。在人支气管成纤维细胞中,激活前列腺素D2受体显著降低TGF-β1诱导的肌成纤维细胞分化、增殖和细胞外基质合成,并且减少白细胞介素-6和纤溶酶原激活物抑制剂-1[18]。前列腺素E2通过与人肌成纤维细胞上的EP2受体结合,促使肌成纤维细胞去分化,从而发挥抗纤维化效果。相反,前列腺素F2则通过促进肌成纤维细胞增殖,加剧纤维化过程[19]。前列环素类似物曲前列尼尔通过激活cAMP-AKT-CREB信号转导通路,促进线粒体自噬,抑制成纤维细胞增殖[20]。另一种前列环素类似物,伊洛前列素,阻止香烟烟雾诱导的肺上皮细胞向间充质细胞转化,并改善E-钙黏蛋白的缺失[21]。前列环素类似物曲前列尼尔和伊洛前列素在肺纤维化临床前研究中的效果评价以及机制探索,加速两药的临床转化实验。

而花生四烯酸通过脂氧化酶途径转化为白三烯,在肺纤维化的发展中可能具有促进作用。白三烯的过度产生可能加剧肺部组织的炎性反应和纤维化过程。因此,使用白三烯受体拮抗剂,如孟鲁司特,显示出积极的治疗潜力。孟鲁司特能有效减少砷诱导的人支气管上皮细胞中活性氧的产生,进一步抑制蛋白激酶B-核因子κB信号通路激活和下游的上皮-间充质转化[22]。

3 靶向脂肪酸代谢药物对肺纤维化的治疗效果

在肺纤维化临床前研究中,靶向脂肪酸代谢的药物治疗效果可观。因此,一些临床试验已经启动,旨在评估针对脂肪酸代谢的药物在肺纤维化患者中的疗效和安全性。然而,目前只有针对脂肪酸衍生环节的药物进入临床研究,转化研究较为局限。

大部分研究着眼于前列环素类似物。目前有4项注册临床试验正在进行,旨在评估针对IPF的前列环素类似物曲前列尼尔的疗效和安全性(NCT04905693、NCT05943535、NCT05255991、NCT04708782)。另外,还有几项临床试验旨在评估口服(NCT02603068)、静脉或皮下注射(NCT00705133)以及吸入(NCT00703339、NCT02633293、NCT05572996、NCT02630316)前列尼尔治疗肺纤维化-肺动脉高压共病的疗效。INCREASE研究(NCT02630316)发现,吸入曲前列尼尔明显改善患者的运动能力和用力肺活量[23],且具有长期疗效[24]。同时,伊洛前列素作为另一种前列环素类似物,也在进行治疗肺纤维化-肺动脉高压共病的临床试验(NCT00439543和NCT00109681)[24]。

此外,对于造血前列腺素D合酶的选择性和可逆性抑制剂ZL-2102,正在进行慢性阻塞性肺疾病、哮喘及IPF患者的耐受性和药代动力学研究(NCT02397005)。

4 问题与展望

肺纤维化是一种病因复杂、预后差的疾病,缺乏有效的治疗方法。深入探究肺纤维化的发病机制,寻找新的治疗靶点,是当今医学界亟需解决的问题,具有重要的科学意义和临床价值。脂肪酸代谢过程中关键酶及相关物质可能在肺纤维化的发生和发展中发挥着不同的作用,一些能够预防和修复肺损伤,而另一些能够诱导和促进肺纤维化形成。如何在这些过程中找到平衡点,仍然是一项挑战。因此,深入理解脂肪酸代谢的双重性质对于治疗肺纤维化至关重要。通过调节关键酶和转录因子、外源性调整脂肪酸组分,可以有效抑制肺部炎性反应、巨噬细胞促纤维化表型转化及成纤维细胞活化,对于治疗肺纤维化具有重要意义。

虽然目前已有前列环素类似物和前列腺素D合酶抑制剂进入临床试验,但针对脂肪酸代谢其他环节的药物仍处于临床前研究阶段,通过这些新型药物调控脂肪酸代谢,有望为肺纤维化治疗提供新策略。然而,要将这些研究成果转化为临床应用,还需要进行更多的临床研究以验证其有效性和安全性。

未来的研究可以探索不同给药形式或者药物联合应用的策略,以提高药物疗效和治疗方案多样性。例如,通过纳米药物递送系统、基因编辑技术和靶向治疗策略,以便更好地靶向脂肪酸代谢,进一步提升治疗效果。