特發性肺纖維化發病機制的研究進展

楊偉強，趙峰

(空軍軍醫大學西京醫院呼吸與危重癥醫學科，西安 710032)

特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種原因不明的慢性、進行性纖維化肺部疾病，可引起周圍肺纖維化重塑，導致呼吸衰竭，主要見于老年人，是最常見的特發性間質性肺炎[1]。IPF的臨床表現主要為勞力性呼吸困難、慢性干咳或Velcro啰音、低肺一氧化碳彌散量[2]。IPF患者男性多于女性，大多數患者有吸煙史，診斷后平均生存時間2～4年，發病率隨年齡增長而升高，常見于60～70歲人群[3-6]。歐洲和北美地區每年IPF的發病率為(3～9)/10萬，亞洲和南美每年IPF發病率<4/10萬[7]。2011年美國胸科學會、歐洲呼吸學會、日本呼吸學會、拉丁美洲胸科協會發布的IPF指南指出，IPF的高危因素有吸煙、環境暴露、微生物感染、胃食管反流、遺傳因素等[8]。IPF病因不明、診斷困難、預后不良，是目前國內外研究的難點。目前認為，IPF發病機制與早期肺泡上皮細胞的反復損傷和異常修復有關，此外，多種細胞因子、信號通路、遺傳因素也在IPF的發生發展中起重要作用。現就IPF發病機制研究進展予以綜述。

1 細胞因子

1.1轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) TGF-β是一種多功能的細胞因子，在炎癥、損傷修復及纖維化中起重要作用[9]。TGF-β可誘導肺泡上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transformation，EMT)。TGF-β在IPF中被激活，TGF-β/Smad信號通路是IPF中研究較多的信號通路，TGF-β受體屬于具有內在Ser/Thr激酶活性的跨膜受體，與其Ⅰ型、Ⅱ型受體結合形成復合物，導致Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smad2/Smad3與Smad4形成復合體后發生核轉位，激活EMT下游轉錄因子的表達，促進EMT的發生，這是經典的TGF-β/Smad信號通路[10]。但TGF-β誘導Smad1和Smad5磷酸化的過程需要Ⅰ型TGF-β受體和Ⅰ型激活素A受體的參與，其中Ⅰ型TGF-β受體磷酸化并激活Ⅰ型激活素A受體，Ⅰ型激活素A受體誘導Smad1和Smad5磷酸化，Smad1和Smad5通路對TGF-β誘導的EMT具有重要作用[11]。在IPF中，TGF-β1調節成纖維細胞向組織損傷部位募集，通過抑制肺泡上皮細胞的增殖和凋亡或通過刺激成纖維細胞向肌成纖維細胞分化、合成細胞外基質(extracellular matrix，ECM)蛋白和通過基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)抑制ECM降解進而介導纖維化生成[12]。

1.2結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF) CTGF又名CCN2，是人臍靜脈內皮細胞中分離出的一種富含半胱氨酸的分泌蛋白。CTGF屬于即刻早期基因家族，在細胞黏附、遷移、增殖和分化以及血管生成、ECM沉積等生物學過程中發揮重要作用[13-14]。CTGF的過表達與纖維化有關。在IPF中，CTGF誘導成纖維細胞增殖和ECM沉積[15-16]。CTGF啟動子區存在TGF-β調控元件，故認為CTGF是TGF-β的下游靶基因，CTGF激活后，可協同加強TGF-β的作用，促進ECM沉積和纖維化[17]。

1.3成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor，FGF) FGF對調控發育過程中細胞的增殖、存活、遷移和分化行為起重要作用[18]。有研究報道，FGF與IPF的發病機制有關，在IPF患者的肺中檢測到FGF1和FGF2高表達，但是FGF2并不直接促進纖維化生成，而FGF1通過降解Ⅰ型TGF-β受體抑制肌成纖維細胞分化以及EMT而發揮抗纖維化作用[19-20]。FGF9和FGF18促進肺成纖維細胞存活和遷移，并抑制體外肌成纖維細胞分化[21]。

1.4其他因子 血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)被認為是促進肺纖維化的原因之一[22]。PDGF在纖維化疾病發病過程中對肌成纖維細胞的復制、存活和遷移起重要作用，可誘導促進成纖維細胞增殖，導致ECM沉積，并將纖維細胞招募至肺組織，促進肺的纖維化進展[23]。VEGF是一種血管生成因子，在纖維化肺中由肺泡Ⅱ型上皮細胞和肌成纖維細胞大量產生，血管生成的增加是缺氧條件刺激IPF進展的重要標志[24]。VEGF的生物學功能主要通過VEGF與VEGF受體1以及VEGF受體2結合進行調控。VEGF受體2被認為是內皮細胞中VEGF的主要信號轉導物，其通過激活黏著斑激酶直接激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路以及黏著斑激酶信號通路。激活的黏著斑激酶作為纖維化發生的關鍵分子通過與TGF-β等促纖維化因子結合而發揮作用[25]。VEGF通過誘導單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)和白細胞介素-8間接促進白細胞的遷移，從而直接影響ECM沉積。對博來霉素動物模型的研究發現，模型肺組織的VEGF表達增加，使用抗VEGF抗體抑制劑可減輕肺纖維化程度[26]。因此，VEGF可通過提高血管通透性以及炎癥細胞趨化性誘導肺纖維化。

2 信號通路

2.1Wnt信號通路 Wnt信號通路在物種進化過程中高度保守，在胚胎發育早期、器官形成、組織再生等生理過程中均具有重要作用[27]。Wnt信號通路分為經典信號通路和非經典信號通路，Wnt/β聯蛋白(β-catenin)信號通路是經典Wnt信號通路，包括Wnt家族分泌蛋白、跨膜受體Frizzled家族、糖原合成酶激酶3、結腸腺瘤性息肉病蛋白、軸抑制蛋白、β-catenin、轉錄因子TCF/LEF家族等。IPF患者肺組織Wnt/β-catenin信號通路被過度激活，Wnt1、Wnt7b、Wnt10b、Frizzled2、Frizzled3和淋巴細胞增強因子1的表達顯著增加[28]。對博來霉素誘導的肺纖維化模型的研究發現，抑制Wnt/β-catenin信號通路可減弱肺纖維化的程度[29]。

Wnt信號通路可能通過多種機制參與IPF形成。文獻表明，Wnt/β-catenin通路可抑制肺成纖維細胞凋亡，促進細胞增殖和分化，也可通過抑制糖原合成酶激酶3介導的磷酸化作用和β-catenin的降解作用促進ECM沉積[30]。Wnt/β-catenin信號通路與TGF-β1協同誘導ECM沉積，TGF-β1可誘導細胞外MMP誘導劑的產生，在肺泡Ⅱ型上皮細胞中表達，進一步刺激成纖維細胞通過Wnt/β-catenin信號通路產生某些MMP[31]。MMP的主要生物學功能是降解細胞外基質蛋白質，緩解肺間質纖維化。有研究表明，MMP-2/MMP-9可減緩肺纖維化的發展[32]。

2.2Shh(Sonic Hedgehog)信號通路 Hedgehog信號通路是調控胚胎發育的經典信號轉導通路，哺乳動物中存在Shh、Ihh(Indian Hedgehog)和Dhh(Desert Hedgehog)三個Hedgehog同源基因，Shh是表達最豐富的Hedgehog配體，在脊椎動物器官形態發生的過程中發揮重要作用[33]。有研究表明，急性肺損傷中Shh信號通路的表達下調，并誘導間充質擴增，對上皮細胞修復產生負面影響，導致肺組織異常修復與再生[34]。研究證實，IPF中Shh信號通路激活，且纖維化重塑區域可檢測到Shh及其效應分子的高表達[35]。Shh治療可增加成纖維細胞增殖、存活、遷移和ECM生成，在博來霉素誘導的肺纖維化動物模型的氣道和肺泡上皮細胞中檢測到Shh高表達，另有實驗表明，抑制Hedgehog信號通路不能防止肺纖維化，但是在纖維化階段Shh過度表達會導致肺纖維化惡化[36]。

2.3Notch信號通路 Notch信號通路是介導相鄰細胞間相互作用的信號通路，進化呈高度保守，參與細胞增殖、分化、凋亡等多種生理過程，對器官組織的正常發育和維持體內穩態具有重要作用[37]。Notch信號通路異常與組織纖維化有關，IPF中Notch通路被激活，肌成纖維細胞的凋亡抵抗在肺纖維化過程中發揮重要作用。在EMT過程中，Notch/CSL[C：CBF1/RBP-J κ；S：Su(H)；L：Lag-1]激活刺激血管平滑肌細胞中α平滑肌肌動蛋白的表達。博來霉素誘導的肺纖維化模型中，抑制間充質細胞Jagged1/Notch1信號通路可減弱肺纖維化程度[38]。

3 表觀遺傳學

表觀遺傳調控機制可能參與IPF的發病機制，尤其DNA甲基化、組蛋白修飾和微RNA(microRNA，miRNA)的變化可能是引發IPF的重要因素。胸腺細胞分化抗原-1(thymocyte differentiation antigen 1，Thy-1)又稱CD90，是一種在多種組織器官成纖維細胞表達的糖基磷脂酰基醇錨定的膜蛋白，參與神經再生、細胞凋亡、增殖和纖維化反應等[39]。Thy-1在正常成纖維細胞中表達，在IPF病灶內不表達。IPF患者中Thy-1啟動子甲基化，使成纖維細胞Thy-1表達降低，導致ECM沉積，纖維化程度加重[40-41]。IPF患者O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶表現為低甲基化，而IPF患者DNA甲基轉移酶3a和DNA甲基轉移酶3b的表達水平較高[42-43]。

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor gamma co-activator 1α，PGC1α)是一種調控線粒體生物合成的轉錄共激活因子，其表達異常與多種慢性疾病有關。線粒體功能障礙是發生肺纖維化的重要因素，線粒體穩態失衡可導致肺上皮細胞功能異常，影響肺損傷和修復[44]。IPF患者和博來霉素纖維化小鼠模型PGC1α表達均降低，PGC1α敲除小鼠更易受博來霉素誘導的肺纖維化的影響。研究表明，干擾肺成纖維細胞PGC1α的表達可影響細胞代謝、ECM沉積等[45]。另有研究發現，AMP活化蛋白激酶介導DNA甲基轉移酶1磷酸化可降低PGC1α啟動子DNA甲基化，從而影響線粒體功能[46]。

此外，大約10%的miRNA在IPF中異常表達，可對EMT產生影響，并調控細胞凋亡或ECM[47]。研究表明，IPF患者中miR-21、miR-155、miR-199a-5p和miR-200c表達顯著上調，而miR-31、let-7a和let-7d表達顯著降低[48]。miR-199a-5p通過靶向caveolin-1介導TGF-β誘導肺成纖維細胞活化[49]。IPF中大多數miRNA受TGF-β1的調控，通過其靶基因調控 TGF-β1信號通路。檢測博來霉素小鼠模型中miRNA表達的研究發現，miR-29表達下調[50]。IPF患者肺組織中miR-29的表達亦下調[51]。對TGF-β和miR-29靶點的分析表明，miR-29可能是TGF-β介導的與ECM相關的重要促進因子[50]。

4 其他因素

4.1遺傳因素 IPF與遺傳相關，大多數家族性IPF患者的編碼表面活性劑蛋白C、表面活性劑蛋白A2、端粒酶組件(端粒酶逆轉錄酶和端粒酶RNA組分)和與端粒生物學相關的基因發生突變[52]。散發性IPF最重要的遺傳風險因素是MUC5B基因啟動子區的常見變異rs35705950，雜合子患病風險增加6倍，純合子患病風險增加20倍[53-54]。全基因組關聯分析證實，端粒酶逆轉錄酶、MUC5B與IPF有關，同時還發現，新的基因FAM13A(4q22)、DSP(6p24)、OBFC1(10q24)、ATP11A(13q34)、DPP9(19p13)和染色體區7q22和15q14-15[55]。熊維寧團隊利用高通量測序技術首次揭示了中國漢族人群散發IPF患者的遺傳學危險因素，確定了2個致病性和10個功能失活突變體，占所有IPF病例的4.74%；負荷分析發現，CSF3R、DSP和LAMA3三個基因的罕見錯義突變在IPF患者中的變異負荷更高；等位基因關聯分析發現，rs3737002、rs2296160、rs1800470和rs35705950四個單核苷酸多態性位點可增加IPF的發病風險[56]。

4.2吸煙 針對IPF的薈萃分析表明，IPF發病率增加與吸煙有關[57]。既往研究發現，主動吸煙或曾吸煙者IPF的患病風險是非吸煙者的1.6倍[58]。另有研究表明，在IPF患者中，戒煙者的生存時間較非吸煙者和吸煙者更短，診斷IPF的吸煙者明顯較非吸煙者和戒煙者年輕[59]。但King等[60]研究發現，在IPF患者中，戒煙者的比例較高，吸煙者的生存時間較戒煙者或非吸煙者更長，吸煙者可能因吸煙而較早注意到相關癥狀，但往往到無法吸煙時才重視。研究顯示，吸煙可加重博來霉素誘導小鼠的肺纖維化程度，香煙煙霧提取物通過TGF-β1-Smad2/3和蛋白激酶B信號通路誘導肺成纖維細胞和胸膜間皮細胞中磷酸化-Smad2/3、磷酸化-蛋白激酶B的活化以及Ⅰ型膠原合成和細胞增殖[61]。

4.3年齡 IPF主要見于老年人群，且發病率隨年齡增加而顯著升高，故年齡被認為是IPF發生的高風險因素之一[62]。既往研究證明，65歲以上人群IPF的發病率和患病率較高[63]。Raghu等[64]的研究亦得到了證實。據統計，1999—2012年全球IPF的死亡率逐年上升，且與年齡呈正相關[65]。分離培養IPF患者人肺成纖維細胞的研究發現，人肺成纖維細胞衰老增強與衰老相關的分泌表型和β-半乳糖苷酶、p21、p16、p53表達上調以及增殖/凋亡減少有關；同時檢測到端粒變短和線粒體功能障礙，TGF-β處理細胞后，內質網應激標志物表達上調；端粒隨年齡增長而變短， IPF患者人肺成纖維細胞的端粒最短[66]。另有研究發現，IPF患者的端粒相對長度較短，隨年齡增長而呈下降趨勢[56]。隨著年齡的增長，DNA修復系統的活性逐漸降低，導致DNA錯誤累積，基因組穩定性受到破壞，有研究稱，IPF患者的基因組出現不穩定性[52-56]。

4.4環境、職業暴露 職業和環境因素與IPF亦相關，包括有機粉塵(畜牧、農業)、金屬和礦物粉塵、木屑、石棉和環境顆粒物等[67-68]。一項意大利的調查研究發現，農民、獸醫、園丁和冶金、鋼鐵工人以及暴露于金屬粉塵、煙霧和有機粉塵人群IPF的患病風險隨職業暴露時間的增加而升高，即高風險工作時間與IPF的風險存在劑量-反應關系，高風險工作時間越長，IPF的患病風險越大[69]。美國多中心病例對照研究發現，農業、畜牧、美發、飼養鳥類、石材切割拋光以及接觸金屬粉塵和植物粉塵或動物粉塵等職業與IPF相關，其中飼養鳥類和接觸植物或動物粉塵的工作與IPF關系最密切[70]。韓國對1 311例IPF患者的調查研究發現，接觸粉塵工人較未接觸粉塵工人更早出現IPF，且診斷時患者癥狀持續時間更長，病死率更高，表明職業性粉塵暴露也可能會影響IPF患者的預后[71]。

環境顆粒物與IPF有關。Conti等[72]對2005—2010年意大利北部長期接觸二氧化氮、臭氧以及顆粒物質與空氣動力學直徑<10 μm(PM10)和IPF發病率關系的研究表明，IPF的急性加重和惡化與二氧化氮、臭氧以及顆粒物質接觸有關，長期暴露于空氣污染環境中也可能影響IPF的發病率。Johannson等[73]的研究證實，空氣污染與IPF急性加重相關。Sesé等[74]研究發現，暴露于臭氧環境與IPF急性加重有關，暴露于PM10和PM2.5與IPF病死率升高有關。由此可見，環境、職業暴露可能與IPF的發病及病情進展有關。

5 小 結

IPF是一種受細胞因子、信號通路、遺傳等多因素影響的肺部纖維化疾病，發病因素較多，發病機制復雜，目前尚缺乏有效的治療藥物，患者平均生存期較短，現已成為國內外研究學者的研究熱點。隨著IPF研究的不斷深入，IPF的發病機制將逐漸清晰，為IPF治療提供充分的理論依據，有助于IPF的預防和治療。