細胞因子對肺纖維化的影響及機制研究進展

毛雪麗 張娜 趙鵬飛 張麗 劉子豪 盧錦輝 侯皓中 張芳芳

肺纖維化(pulmonary fibrosis，PF)是一種由吸煙、病毒感染、環境污染、遺傳易感性和藥物等多種因素導致的慢性進行性纖維化疾病，其病理學特點主要是彌漫性炎癥細胞浸潤、成纖維細胞灶形成、細胞外基質(extracellular matrix，ECM)異常沉積、肺泡結構嚴重破壞。PF患者的病情往往呈進行性發展，輕度PF主要表現為勞力性呼吸困難，嚴重時發展為進行性呼吸困難，晚期患者多因心肺功能衰竭而死亡。目前對PF的發病機制尚不明確，臨床上亦缺乏有效治療藥物，且預后較差[1]。因此加強對PF發病機制的研究及相關治療藥物的研發至關重要。近年來，國內外科學家對PF的研究越來越多，且大量研究結果表明，細胞因子在肺纖維化的進展中起關鍵作用。因此，本文對近年來多種細胞因子在PF進程中的作用和機制研究進展做一綜述。

一、生長因子

1.轉化生長因子-β(Transforming growth factor-β，TGF-β)在肺組織中主要由肺泡巨噬細胞、上皮細胞等合成分泌，在肺纖維化過程中發揮關鍵作用，也是目前PF研究中了解最深入的細胞因子。目前已發現的轉化生長因子超家族主要包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3和TGF-β1β2四種亞型，它們結構相似，功能相關。相應的，在細胞表面存在著Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型TGF-β受體。在PF發病和進展中，發揮主要作用的是TGF-β1，其由肺泡巨噬細胞活化產生，可與成纖維細胞膜上的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β受體結合形成三聚體復合物，同時使Ⅱ型受體磷酸化，從而激活Smad家族蛋白。Smad蛋白是TGF-β信號通路中的遞質分子，其中Smad2、3蛋白被磷酸化，活化的Smad2、3(P-Smad2、3)與TGF-βⅠ型受體分離，然后和Smad4結合形成復合體，攜帶信號傳入細胞核內，轉錄因子被激活，膠原蛋白合成增多，致使膠原在肺間質和肺泡間過度沉積，最終導致肺纖維化的形成[2]。最近有人在基因層面對PF的發展做了研究，發現PF患者的肺中顯示出miRNA的失調，并研究了人和小鼠miRNA在肺纖維化中的作用。其中有一個lncRNAs是長度超過200個核苷酸的RNA轉錄本[3]。Savary及其同事報道了lncRNA DNM3OS(DNM3相反鏈/反義RNA)作為TGF-β信號傳導中的miRNA儲庫，被證明是用TGF-β1刺激的人肺成纖維細胞系MRC-5中的RNA測序和小RNA測序的最強誘導的lncRNA之一。 但DNM3 mRNA(及其編碼的miR-3120)不受TGF-β調節，表明DNM3OS可能不起介導其宿主基因順式作用RNA的作用，而是介導TGF-β信號組分的反式作用RNA的作用[4]。由于TGF-β1可以誘導肺泡上皮細胞發生上皮間質轉化(EMT)，同時使成纖維細胞分裂增殖，并向肌成纖維細胞轉化，肌成纖維細胞被認為是PF的標志性細胞。因此，TGF-β1被稱為最有效的成纖維細胞激活劑。

2.血小板衍生生長因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)又稱血小板源性生長因子，是由肺泡上皮細胞、血管內皮細胞和肺泡巨噬細胞等合成分泌的一種多肽類調節因子，TGF-β1和TNF可以調節其表達。在肺纖維化的進程中，PDGF主要是由肺組織損傷部位的肺泡巨噬細胞產生，一方面能夠通過受損傷的肺上皮細胞，穿越細胞膜屏障進入肺泡間質內，趨化間質細胞；另一方面與TGF-β1功能相似，還可誘導成纖維細胞增殖分化，刺激成纖維細胞分泌膠原蛋白[5]，但作用機制可能與TGF-β1有所不同。Patel等在研究中發現，PDGF誘導肺纖維化并不依賴于Smad3蛋白信號通路，其對細胞外基質表現為“非侵襲性”現象[6]。

3.結締組織生長因子(Connective tissue growth factor，CTGF)屬于CCN家族的成員，在許多細胞和組織中都有表達，正常情況下表達水平較低，但在纖維化和癌變的組織中表達水平明顯升高。其表達與它的四個不連續的蛋白區域有關，分別是生長因子結合結構域、整聯蛋白識別的功能基序、肝素和蛋白多糖結合結構域以及二聚化基序。CTGF的主要功能是調節和協調涉及細胞表面蛋白多糖，細胞外基質的關鍵組分和生長因子的信號傳導反應，而纖維化過程中主要是由于CTGF依賴性信號的異常擴增導致終止組織修復失敗[7]；除此之外，TGF-β還可刺激細胞分泌CTGF，在纖維化的過程中主要促進成纖維細胞的增生、趨化、黏附以及合成ECM，而且CTGF是TGF-β信號傳導途徑下游的協同介質[8]，高水平表達時，可以加快纖維化的進程。

4.胰島素樣生長因子-1(Insulin-like growth factor-1，IGF-1)可以調節人體組織器官的生長發育。在肺纖維化進程中，IGF-1和IGF結合蛋白 (IGFBP)特別是IGFBP-3、IGFBP-4和IGFBP-5共同介導而發揮作用[9]，而且纖維化的程度和IGF-1以及IGFBP的表達水平有關。

二、白細胞介素

白細胞介素(Interleukine,IL)是一類主要由淋巴細胞、單核/巨噬細胞產生，在免疫調節和炎癥中發揮重要作用的細胞因子。目前已命名的有38種，各類IL之間的作用各有不同。大量研究表明免疫調節紊亂在肺纖維化的發展中有著至關重要的作用，而IL作為細胞因子中的一大家族，在肺纖維化形成的諸多環節中都扮演了重要角色。

多種IL在肺纖維化的進展中與其他細胞因子相互作用，構成了復雜的細胞因子網絡。目前研究比較明確的是IL-13具有強大的促纖維化作用，雖然具體機制還不明確，但有研究指出Th2細胞可分泌IL-4與IL-13，此兩類因子一方面可通過上調miR-142-5P的表達來抑制細胞因子信號抑制物1(SOCS1)對信號轉導與轉錄激活因子6(STAT6)的負反饋調節以長期維持STAT6的磷酸化；另一方面也通過下調miR-130a-3p的表達而減緩對過氧化物酶體增殖物激活受體g(PPARg)的抑制，上述兩方面協同發揮對M2型巨噬細胞的激活作用，激活的M2型巨噬細胞分泌促纖維細胞因子從而推動纖維化的發展[10]。

在肺纖維化的進程中，IL-6的表達可能有雙向作用。早期炎癥浸潤階段Ⅱ型肺泡上皮細胞IL-6的表達提高，上調的IL-6經IL-6/PI3K/Akt和IL-6/Stat3信號軸調節肺泡表面活性物質的表達而起到保護肺泡上皮細胞的作用，即扮演著抗纖維化的角色。但在肺纖維化初步建立后，IL-6又起著促纖維化的作用[14]，IL-6通過結合受體形成復合物的方式發揮作用，其信號通路分為經典途徑和反式途徑兩種。經典途徑中IL-6與mIL-6Ra及gp130結合傳導信號，而mIL-6Ra在肺泡巨噬細胞經蛋白酶ADAM17加工后形成的sIL-6Ra也可與IL-6結合，從而構成了反式途徑，經由這一信號通路，IL-6可促進PF患者肺部成纖維細胞的增殖以及膠原蛋白的沉積，對肺纖維化的發展起到促進作用[15]。

三、趨化因子

趨化因子主要由巨噬細胞、樹突狀細胞等合成分泌，參與炎癥反應并在其中起核心作用。幾乎所有的趨化因子都含有半胱氨酸，根據其分子氨基端半胱氨酸殘基的位置、數量和排列順序，可將趨化因子分為CXC、CC、CX3C、C四個亞家族。其中在PF的發展中發揮主要作用的為CXC和CC兩大類。

CXC類根據是否有Glu-lzu-Arg基團分為兩類，即：ELR+，ELR-。ELR+CXC趨化因子參與促進肺部和支氣管的血管生成，是促進PF進程中血管重塑的重要因素[16]。在肺毛細血管內皮細胞上表達的CXCR7起到保護上皮細胞的作用。Cao Z等研究表明施用CXCR7激動劑可促進肺泡修復并減少纖維化[17]。其機制可能是通過抑制Jag1-Notch途徑來減弱內皮間充質轉化。

MCP-1是CC類趨化因子，研究表明MCP-1主要受體CCR2對小鼠肺纖維化的發展有抑制作用，其機制可能為MCP-1與其受體結合后抑制了前列腺素的合成[18]，從而促進了纖維化的發展。另一種直接導致PF的重要CC類趨化因子是CCL18，其可通過激活轉錄因子Sp1和c-Myb刺激膠原蛋白mRNA及蛋白質的產生[19]，從而加速膠原沉積。

在炎癥反應階段，CCR5和CXCR3主要表達于Th1細胞，而其配體存在于炎癥反應的局部病灶中。在炎癥反應后期，Th2相關的趨化因子CCL17和CCL22高表達，巨噬細胞和纖維細胞被大量募集，從而產生大量的細胞外基質和膠原纖維，導致肺纖維化的不可逆性形成[20]。

四、腫瘤壞死因子

腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)主要分為TNF-α和TNF-β兩類，其中TNF-α主要由活化的單核/巨噬細胞產生，TNF-β由活化的T細胞、NK細胞等產生。TNF-α通過啟動TNFR1和TNFR2信號轉導途徑在肺纖維中發揮作用，其中TNFR1較TNFR2更敏感。Pryhuber G S等研究證明敲除TNFR基因的小鼠肺纖維化的發生率明顯降低[21]。

在肺纖維化的進程中，一方面TNF-α參與急性炎癥反應過程，通過促進Ⅱ型肺泡細胞的凋亡抑制肺損傷的修復[22]；另一方面TNF-α促進肺部常駐間充質干細胞(LR-MSCs)分化為肌成纖維細胞[23]。PF成纖維細胞分泌的TNF-α可以修飾鄰近成纖維細胞的行為，從而誘導正常成纖維細胞與纖維蛋白的附著以及整聯蛋白α5(Integrin α5，ITGA5)的升高，最終可能導致成纖維細胞在肺中大量聚集[24]，膠原合成增加。

TNF-α主要通過NF-κB途徑發揮作用，其機制可能與Wnt/β-catenin信號轉導通路有關，TNF-α基因轉錄啟動區或增強子上有NF-κB的結合位點，兩者相互促進，共同調控肺纖維化的發展[25]。

五、干擾素

干擾素(Interferon,IFN)可分為IFN-γ、IFN-α、IFN-β三類，其中在PF的發展中起主要作用的為IFN-γ。IFN-γ是由活化的T細胞、NK細胞及NKT細胞產生的具有高度生物活性的一種細胞因子。IFN-γ可以抑制Ⅰ型膠原蛋白基因α2(COL1A2)轉錄，也可通過JAK1/STAT1途徑激活Smad7，抑制Smad3和Smad4的活化，從而抑制TGF-β/Smad信號傳導通路，減少膠原蛋白合成及ECM 的沉積，延緩纖維化的發展[26]。IFN-γ還可以調節Th1和Th2細胞因子之間的相對平衡，抑制Th1優勢轉變為Th2優勢，間接發揮抗纖維化作用[27]。Miyamasu M等研究證明IFN-γ具有抑制成纖維細胞分泌嗜酸粒細胞趨化因子，減輕炎癥反應，減少肺組織損傷的作用[28]。

六、集落刺激因子

粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)是PF中一種重要的前炎癥細胞因子。可活化T細胞、B細胞、成纖維細胞、單核-巨噬細胞和血管內皮細胞。GM-CSF在PF的發病過程中可能起重要作用。

研究證明PF大鼠模型肺組織中GM-CSF水平在炎癥早期明顯升高，GM-CSF能促進單核巨噬細胞的增殖并與TNF的表達密切相關[29-30]。GM-CSF還能趨化中性粒細胞和單核細胞并加強其作用，從而加速肺部炎癥的發展[29]。還可增加TGF-β的表達，進而調節肺纖維化的進程[31]。

但GM-CSF對肺纖維化的發展也可能有抑制作用，姜寒水等認為可能是通過動員自體骨髓源性細胞，下調TGF-β，降低基質金屬蛋白酶/組織金屬蛋白酶抑制劑比例，從而抑制纖維化的進展[32]。而Moore B B等認為可能是有效的抗纖維化類花生酸PGE2的產生受損延緩了纖維化發展[33]。

七、總結展望

隨著近年來對PF發病機制的不斷深入研究，細胞因子在PF的進程中扮演的角色越來越明確，其作用機制也逐漸被研究者們所揭示。雖然各種細胞因子的作用不是孤立的，它們交互關聯，形成了一個復雜的細胞因子網絡，但各類因子各有特點，主要作用于肺纖維化形成的不同環節，從而根據各類細胞因子在肺纖維化發病進程中的特異性表達，為PF的進一步研究及相關臨床藥物研發提供新的思路。但由于技術限制及機體的復雜性，部分細胞因子的作用機制闡明僅由動物試驗推測而來，缺乏有效的實驗依據。相信隨著免疫學及分子生物學的不斷發展，對細胞因子在PF中作用機制的研究能獲得明確的結果。