肺泡上皮細胞凋亡與特發性肺纖維化的研究進展

劉　建，劉燕梅(綜述)，王玉光※(審校)

(1.首都醫科大學附屬北京中醫醫院呼吸科，北京 100010； 2.北京中醫藥大學，北京 100700)

肺泡上皮細胞凋亡與特發性肺纖維化的研究進展

劉建1，劉燕梅2(綜述)，王玉光1※(審校)

(1.首都醫科大學附屬北京中醫醫院呼吸科，北京 100010； 2.北京中醫藥大學，北京 100700)

特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種表現為慢性進行性呼吸困難，干咳，杵狀指及體質量減輕的肺部疾病，多隱匿起病，患者平均生存時間為確診后的3～5年。IPF多見于50～70歲，發病率為4.6/10萬～7.4/10萬，患病率約為14/10萬[1]。傳統觀念認為纖維化形成源于肺實質慢性炎癥反應引起的早期肺泡損傷，但糖皮質激素聯合免疫抑制劑不能有效地治療IPF，使該假設難以成立。研究認為，IPF可能是肺泡上皮損傷和組織纖維化性異常修復的結果[2]。研究證實，在疾病早期，觀察到肺泡上皮細胞死亡的超微結構[3-4]，因此上皮細胞凋亡可能是IPF早期發生、發展的重要因素[5]?，F對以肺泡上皮細胞凋亡后組織異常修復為主的IPF發病機制的研究進展予以綜述。

1肺泡上皮細胞

肺泡表面覆蓋著兩種類型的上皮細胞，即Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮細胞[6]。肺泡I型上皮細胞呈扁平狀，覆蓋約90%的肺泡表面，其與基底膜、肺泡壁毛細血管內皮細胞共同組成氣血屏障，主要負責氣體交換。肺泡Ⅱ型上皮細胞(alveolar epithelial type Ⅱ，AT2)呈立方形，形體小，主要功能是合成和分泌肺泡表面活性物質。肺泡表面活性物質具有降低肺表面張力、維持肺泡直徑、防止肺泡塌陷及肺泡水腫的功能，并伴有其他重要的功能，如免疫防御。AT2是肺泡I型上皮細胞的祖細胞，參與肺泡上皮細胞損傷后的修復過程。

在正常條件下，肺泡上皮細胞受到損傷后，肺泡基底膜完整性遭到破壞，氣體交換功能異常，修復過程主要通過AT2的增殖、分化來完成。在IPF的病理條件下，AT2出現死亡，而損傷的修復由成纖維細胞參與完成。IPF的重要病理特征表現為成纖維細胞活躍增殖形成的纖維化灶。成纖維細胞灶是上皮細胞損傷和修復的部位，上皮細胞損傷后能分泌的多種介質促使成纖維細胞的遷移、增殖、分化，從而引起肺泡內廣泛的纖維化，最終導致進行性呼吸困難。但上皮細胞損傷后導致肺纖維化機制尚不完全清楚。目前認為，纖維化反應可能由多種因素共同參與，而不是由單一因素所觸發。多種研究通過建立病毒感染、煙霧刺激、胃食管反流以及環境暴露等肺纖維化動物模型來探討肺纖維化的可能發生機制，得出由于肺內致纖維化分子和抗纖維化分子間的失衡，誘導肺泡上皮細胞凋亡、成纖維細胞增殖和肺泡上皮-間質轉變，共同參與肺纖維化的形成。

因此，IPF的發病機制可能是肺泡上皮細胞損傷后的異常再上皮化和成纖維細胞異常增殖所致。

2肺纖維化與肺泡上皮細胞凋亡

細胞死亡有3種類型，包括凋亡、自噬和壞死。區別于壞死性細胞死亡，細胞凋亡和自噬是無炎癥反應參與的程序性細胞死亡，是對機體有利又必需的反應。IPF中的細胞死亡表現為上皮細胞損傷后的細胞凋亡，在疾病發生中起重要作用[5,7-9]。細胞凋亡在3個方面促進IPF的發展：①增加肺泡上皮細胞凋亡，阻止其正常再上皮化；②成纖維細胞和肌成纖維細胞出現凋亡抵抗，從而出現異常增殖；③清除凋亡細胞時引起局部持續的炎性狀態。在IPF患者及博萊霉素誘導肺纖維化動物模型的肺組織病理中可見增生的成纖維細胞，覆蓋于AT2凋亡增加的區域，而接近正常的肺區域亦能觀察到肺泡細胞的凋亡[9-10]。研究證實，誘導肺上皮細胞凋亡能導致肺組織發生纖維化反應[5,7]。因此，AT2凋亡在肺纖維化中作用重要，致力于修復AT2損傷可能逆轉IPF的發生和發展。

細胞凋亡的信號轉導通路主要包括外源性(死亡受體)通路和內源性(線粒體)通路[11]。細胞表面TNF受體超家族(包括Fas/CD95)與其配體FasL結合引發外源性通路，隨后，被招募銜接蛋白通過死亡效應域導致死亡誘導信號復合物的組成，并激活胱天蛋白酶(caspase)8/10。活化的caspase-8再激活下游的caspase(特別是caspase-3和caspase-7)，完成級聯反應，啟動細胞凋亡。內源性途徑開始于線粒體，與促凋亡因子B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2,bcl-2)家族(如Bax)活化有關。當細胞接受到凋亡信號時，胞內細胞色素C釋放和凋亡小體形成，caspase-9被激活，啟動caspase級聯，進而活化caspase-3和caspase-7，最終誘導細胞凋亡。

3IPF中肺泡上皮細胞凋亡的機制

3.1炎癥反應炎癥反應在IPF病理機制中的作用仍備受爭議。已經公認，炎癥不是IPF的始動因素，在IPF的發病中也起不到直接作用。但炎癥反應與IPF急性加重期仍有著密切的關系。因此人們提出“炎性紊亂”作為炎癥反應在IPF的發病過程中更合理解釋[12]。IPF在其炎癥反應階段形成局部促纖維化環境，包括白細胞介素4(interleukin 4，IL-4)、IL-5、IL-13，轉化生長因子β(transforming growth factor β， TGF-β)、血小板衍生生長因子及重組人結締組織生長因子等細胞因子的存在。

TGF-β對細胞的生長、分化和免疫功能均有重要的調節作用，基本參與組織修復的所有過程。TGF-β是已知的促纖維化關鍵性的細胞因子，其過度表達與纖維化疾病有關。它能趨化炎性細胞和成纖維細胞，促進IL-1、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)和血小板衍生生長因子的合成，并通過自我誘導的方式使細胞產生更多的TGF-β，維持局部炎性環境。在IPF患者中觀察到肺泡上皮細胞和肺泡巨噬細胞的TGF-β表達增加。TGF-β通過Smad的活化發揮其功能，轉錄因子家族Smad蛋白在細胞內進行依賴性磷酸化的穿梭動態調控TGF-β信號。TGF-β與其受體結合后激活Smad2和Smad3分子磷酸化，并與Smad4分子結合形成Smad復合物進入細胞核，調控相關基因的轉錄，完成生物學效應。通過敲除Smad3基因證實Smad3途徑在肺纖維化細胞外基質代謝中起重要作用[13]。TGF-β與肺纖維化的關系已經得到人們的共識，TGF-β是細胞外基質合成、沉積失調導致組織纖維化最重要的調節因子[14]。

TGF-β通過Fas-FasL途徑和激活caspase3的途徑誘導上皮細胞凋亡[15-16]。此外，局部炎癥微環境持續存在，其中炎性因子如TNF-α，也能誘導肺泡上皮細胞外FasL表達[17]，引起細胞凋亡外源性信號傳導、激活caspase級聯反應，誘導細胞凋亡。

3.2氧化應激多項研究表明氧化應激對IPF發生、發展的重要性。氧化應激是指體內活性氧類(reactive oxygen species,ROS)等高活性物質的生成過多，超出機體的代償能力，從而導致氧化/抗氧化失衡的狀態。ROS導致DNA、脂質和蛋白質等細胞成分氧化降解，損害肺泡上皮細胞結構和功能，引起肺纖維化疾病發生[18]。有研究觀察到暴露于ROS的細胞培養基內發生細胞凋亡，這可能與內源性細胞凋亡通路的激活有關；且抗氧化劑或抗凋亡蛋白過表達能保護ROS誘導的細胞死亡[19]。此外，暴露于ROS還可以激活蛋白激酶，通過活化外源性途徑導致細胞的凋亡[18]。肺內炎性細胞、肺實質細胞和肌成纖維細胞是氧自由基的來源，其中炎性細胞是其主要的來源[20]。ROS可能通過直接氧化損傷，以及細胞色素C釋放、DNA破碎、蛋白激酶途徑激活等過程增加細胞的凋亡[21-22]。

3.3內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)近年來，肺泡細胞ERS的研究及其在IPF發病機制中的影響吸引了人們相當大的興趣。最初，人們認為內質網應激只與家族性IPF的發展有關[23]。研究發現，石棉能觸發肺泡上皮細胞發生ERS導致細胞凋亡[24]。如今，在非家族性IPF肺泡細胞中，無表面蛋白突變的情況下，同樣觀察到ERS[25]。ERS產生的原因尚不明確，可能是缺氧、鈣離子平衡失調、自由基侵襲及藥物等多種因素誘發所致[26]。當上述因素使IPF上皮細胞的表面蛋白突變并導致蛋白折疊異常，則激活未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)。UPR可促進蛋白質的折疊和防止錯誤折疊蛋白質的積累，以達到維持細胞穩態的目的[27]。損傷持續存在，則會過度激活UPR導致未折疊蛋白大量積聚，從而激活細胞內的ERS，最終導致肺泡上皮細胞凋亡。同時也有可能是上皮細胞受傷后的再生過程中，為響應代謝需求而激活UPR使肺泡細胞進入ERS的狀態，造成細胞損傷。因此，在肺泡細胞的ERS可通過細胞凋亡誘導死亡、激活的纖維化反應[28]。

3.4端粒與端粒酶近年來發現，端粒和端粒酶在肺泡上皮細胞的損傷修復過程及肌成纖維細胞的增殖、分化中可能起重要作用。端粒是真核生物線性染色體末端的由重復的DNA序列組成冒狀結構，是細胞有絲分裂的“生物鐘”，決定了細胞的壽命。隨著細胞分裂次數增加，端粒長度進行性縮短，當端粒長度縮短到一定長度，就會激活DNA損傷反應，引起細胞凋亡[29]。而端粒酶是核糖核蛋白復合物，由人端粒酶逆轉錄酶、人端粒酶RNA原件及人端粒酶相關蛋白等構成。端粒酶的主要作用是維持端粒長度及其在染色體穩定中的作用[30]。端粒酶利用其自身RNA為模板，在人端粒酶逆轉錄酶的催化下，將重復序列合成到染色體末端，補償端粒的丟失部分，達到穩定端粒的目的。端粒酶相關基因突變、活性降低，與端粒的縮短密切相關，進而導致損傷的肺泡上皮細胞的修復出現異常促使IPF的發生[31]。這可能是家族性IPF發病的一個重要遺傳因素。研究證實，在家族性IPF和散發IPF中，人端粒酶逆轉錄酶、RNA等組分的編碼基因發生突變。端粒酶活化對博來霉素誘導肺泡上皮細胞凋亡可能產生保護作用[32]；反之，端粒酶活性降低可能導致纖維化疾病，可能的機制為：AT2的端粒酶水平下降造成端粒縮短，繼而使肺泡上皮細胞的再生能力下降，從而引發了IPF的纖維反應。

3.5其他因素除上述機制外，肺纖維化發生時仍有一些因素可以誘導肺泡上皮細胞發生凋亡。缺氧狀態通過缺氧誘導因子1α-p53軸增加上皮細胞的凋亡[33]。血管緊張素Ⅱ直接導致上皮細胞凋亡，而血管緊張素轉換酶抑制劑(如普利類藥物)能拮抗Fas介導的細胞凋亡[34]。一些具有MHC多態性的患者更易發展成IPF，可能與其誘導上皮細胞凋亡增加有關[35]。前列腺素E2是公認的對抗纖維化的物質，其在體內水平的降低可能引起上皮細胞凋亡的增加[36]。

4小結

縱觀IPF的發病機制的假說進展，目前尚不能完整地對IPF的發病機制做出全面、系統的解釋。盡管導致細胞損傷的眾多因素和機制以及隨后纖維化發生之間關系，仍缺乏可靠的循證醫學依據支持，但肺泡上皮細胞損傷作為肺纖維化發生的最初因素是目前最為學者們接受的理論假設。今后的研究中，靶向降低肺泡上皮細胞凋亡的藥物可能為防治IPF提供新的治療方案。

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摘要：特發性肺纖維化(IPF)是肺泡上皮細胞損傷、組織異常增生導致的肺部疾病。研究證實，發病機制為多種原因導致肺泡上皮細胞的損傷，最后導致成纖維細胞增殖和肌成纖維細胞聚集，形成成纖維細胞灶。上皮細胞凋亡可能是IPF 早期發生發展的重要因素。炎癥反應、細胞內張力、端粒酶活性等因素參與了肺泡上皮細胞凋亡，并在肺纖維化發病的早期階段起到重要作用。該文對IPF與肺泡上皮細胞凋亡及其機制進行綜述。

關鍵詞：特發性肺纖維化；肺泡上皮細胞；細胞凋亡

The Apoptosis of Lung Alveolar Epithelial Cell and Idiopathetic Pulmonary FibrosisLIUJian1，LIUyan-mei2，WANGYu-guang1.(1.DepartmentofRespiration，BeijingHospitalofTraditionalChineseMedicine，CapitalMedicalUniversity，Beijing100010，China; 2.BeijingUniversityofChineseMedicine,Beijing100070,China)

Abstract:Idiopathic pulmonary fibrosis(IPF) is a disease characterized by epithelial cell injury,proliferation of fibroblast and accumulation of myofibroblast,and formation of fibroblast foci.Apoptosis of epithelial cells may be the main initiator of the early development of IPF.Inflammatory response,tension in cells,telomerase activity and other factors may result in the cell apoptosis,playing an important role in the pathogenesis of pulmonary fibrosis in the initial stage.Here is to make a review of the mechanisms involved in alveolar cell apoptosis and their contribution to the development of IPF.

Key words：Idiopathetic pulmonary fibrosis； Alveolar epithelial cell； Apoptosis

收稿日期:2014-12-15修回日期:2015-01-26編輯:薛惠文

基金項目：北京市衛生系統高層次衛生技術人才培養計劃(2011-3-081)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.16.005

中圖分類號：R563

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)16-2893-03