特發性肺纖維化中氧化應激調控機制的研究進展

郭春玉 綜述 張詩晨，方 軍,3 審校

特發性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis, IPF) 是一種慢性、進行性、纖維性的間質性肺炎，其病因及發病機制尚未完全闡明。目前其治療方法多偏重于對癥，治療效果卻并不明顯，且確診后五年生存率小于50%，中位生存期僅約3年。IPF的危險因素包括微生物感染、吸煙、放療或化療、長期吸入粉塵或石棉等職業和環境暴露等。IPF的病理生理學改變主要是由肺泡上皮細胞反復持續性的微損傷與損傷修復失調，其病理特征主要表現為肺泡上皮細胞損傷、炎性細胞浸潤、胞外基質的大量堆積、上皮-間質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)、成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉化(fibroblast -myofibroblast transition, FMT)，最終造成氣體交換及呼吸功能受損。許多研究表明，氧化應激是肺纖維化的主要致病機制之一，IPF的發生與活性氧 (reactive oxygen species, ROS)蓄積導致氧化還原平衡紊亂相關。此外，氧化應激與轉化生長因子(transforming growth factor, TGF)-β的交互作用對促進肺纖維化有重要意義。該文主要就氧化應激在IPF的發生發展中相關調控機制的研究進展進行綜述。

1 人體內的氧化物及其生物學作用

1.1 氧化物與肺損傷

人體內氧化物與抗氧化物維持動態平衡，當細胞內的抗氧化物不能中和氧化物時發生的不平衡即為“氧化應激”。氧化應激不僅損傷DNA、蛋白質及脂質，還會改變胞內信號通路、甚至基因的表達，此外，還可通過氧化修飾促進異常細胞生長、炎癥和其他生理過程。ROS的慢性過量產生可刺激Ⅰ型膠原的過表達，并引發炎癥反應。而肺是人體中最容易發生氧化-抗氧化失衡的器官之一，肺的氧分壓明顯高于心臟、肝臟及大腦中的，而且不斷暴露于內源性或外源性氧化物，包括香煙煙霧、空氣顆粒物、粉塵、電離輻射等。

2 氧化應激對炎癥的影響

2.2 ROS對巨噬細胞極化的調控作用

此外，氧化應激可誘導巨噬細胞的極化，巨噬細胞的極化在肺組織損傷修復調控中發揮著重要作用。目前的研究認為，在炎癥初期巨噬細胞通過分泌促炎因子(如IL-12、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-23、TNF-α等)和趨化因子并產生NO和ROS繼而經細胞毒作用發揮殺傷病原微生物的作用，這個過程被稱為巨噬細胞M1表型(即經典活化型巨噬細胞)極化。隨后，巨噬細胞向M2表型(即替代活化型巨噬細胞)極化，M2型巨噬細胞能夠促進受損組織的修復與重塑。然而，IPF主要是由持續性的微損傷與損傷修復失調所造成的。在此過程中，M2型巨噬細胞可以：① 促進成纖維細胞的聚集與增殖；② 產生金屬蛋白酶組織抑制因子；③ 誘導EMT與FMT，從而促進肺纖維化的進程。超氧化物HO由超氧化物歧化酶(SODs)代謝生成，這個過程可調控巨噬細胞的極化。線粒體氧化應激產生的Cu-SOD、Zn-SOD通過對組蛋白去甲基化酶Jmjd3的氧化還原反應調控來誘導和維持M2型巨噬細胞，從而加速肺纖維化的進程。

3 氧化應激對間質纖維化進程調控作用

3.1 ROS對肺纖維化進程的影響

持續性的肺部損傷可產生ROS，而ROS可引起肺泡上皮細胞的凋亡和基底膜的損傷和間質向上皮的轉化，破壞肺結構，損害肺泡氣體交換等。肺泡Ⅱ型細胞損傷產生ROS引起氧化應激反應，不僅能誘導上皮細胞凋亡，還可以激活細胞內的信號通路，上調促纖維化因子合成與釋放，最終導致肺組織損傷和纖維化。同時氧化應激觸發的胞內信號能刺激纖維增生和促纖維化因子的表達，針對氧化-抗氧化平衡的干預則可改善肺損傷動物模型的纖維化進展。

3.2 NOX4對肺纖維化的調控作用

在肺中與氧化應激調控相關的酶主要是NOX家族。其中，NOX2是呼吸爆發的關鍵成分，可使巨噬細胞和非特異性免疫系統的其他細胞將氧氣轉化為ROS用于宿主防御。然而NOX4在體內調控許多生理與病理過程，包括細胞分化、免疫防御與組織纖維化。NOX4被認為是線粒體功能障礙的中介，表明線粒體電子傳遞鏈與NOX4兩個氧化應激系統之間存在交叉。NOX4介導的氧化應激可調控TGF-β誘導的成纖維細胞的分化、細胞骨架的活力以及轉錄調節。TGF-β在組織纖維化進程中起著基礎性的作用。TGF-β是一種多功能蛋白，其主要生物學作用之一就是促進成纖維細胞的募集與基質蛋白的合成，同時TGF-β還可以通過誘導金屬蛋白酶抑制劑的表達抑制基質降解。不僅TGF-β可以誘導NOX4的表達，NOX4依賴的氧化還原反應信號通路同樣可以通過前反饋的機制激活TGF-β/Smad信號通路。此外，近年的研究表明NOX4可誘導肺上皮細胞死亡、成纖維細胞分化和膠原沉積，說明NOX4在肺纖維化中發揮著重要作用。同時，NOX4可以介導IPF成纖維細胞對衰老和凋亡的抵抗。有研究表明ROS生成酶NOX4的異常上調，加上核因子E2相關因子2 (nuclear factor elytroid-derived factor 2-related factor, Nrf-2)誘導的缺失，會導致持續的氧化還原失衡，使正常修復的細胞擁有抗凋亡表型。并且在纖維化的衰老小鼠模型中對NOX4的靶向干預能夠減弱衰老、抗凋亡的肌成纖維細胞表型，并導致持續性纖維化的逆轉。因此，通過靶向干預NOX4的表達可能是治療或緩解IPF的有效策略。

3.3 氧化應激對EMT與FMT進程的影響

EMT與FMT是肺纖維化進展的重要過程。EMT是上皮樣細胞向間充質樣細胞轉化的過程，其主要發生在胚胎形成、組織修復和腫瘤轉移過程中。在EMT過程中，上皮細胞標志物如E-鈣黏蛋白丟失，同時間充質細胞標志物如整合素、纖維連接蛋白等表達。氧化應激誘導線粒體DNA (mtDNA)損進肺泡上皮細胞凋亡和肺纖維化，其中TGF-β是一種關鍵且獨立的促纖維化細胞因子。在器官纖維化的發展過程中，氧化應激通過激活TGF-β表達參與了對EMT進程的調控。HO是EMT與FMT過程中TGF-β信號通路的中介。有研究表明抑制HIF-1α/TGF-β信號通路對肺泡上皮EMT具有抑制作用。肌成纖維細胞是活化的成纖維細胞，而肌成纖維細胞在表型與結構上與平滑肌細胞相似，具有收縮性、遷移性并表達α-SMA和胞外基質，此外，肌成纖維細胞內氧化產物增多，凋亡敏感性降低。TGF-β通過上調NOX4從而介導HO的產生調控肌成纖維細胞的分化。

4 體內的抗氧化應激調控系統

4.1 體內的抗氧化物

人體內所有器官都能表達各種抗氧化物和細胞調控因子，從而參與氧化應激反應。人體內源性的抗氧化防御系統包括：① 低分子質量的抗氧化物，如維生素E、褪黑素、谷胱甘肽(GSH)、尿酸等；② 抗氧化酶，如SODs、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)；③ Ⅱ相反應解毒酶，如谷胱甘肽巰基轉移酶(GST)同工酶、NADP(H)、醌氧化還原酶(NQO1)等；④ 應激反應蛋白，如血紅素加氧酶(HO-1)、鐵蛋白等；⑤ 黏蛋白類和金屬結合蛋白，如乳鐵蛋白、轉鐵蛋白、金屬硫蛋白等；此外，Nrf-2可誘導大多數抗氧化物與解毒酶的表達。這些抗氧化酶以細胞特異性的方式表達于支氣管、肺泡上皮細胞和肺巨噬細胞，持續保護肺部免受氧化損傷。

4.2 抗氧化反應的關鍵轉錄因子Nrf-2

Nrf-2是體內抗氧化反應原件(ARE)的主要調節物，并介導細胞保護性蛋白的表達。體內大量的Ⅱ相反應解毒酶與應激反應蛋白誘導型HO-1都受轉錄因子Nrf-2的調控，該轉錄因子是維持細胞氧化還原平衡和減少嚴重氧化損傷的必要的上游調節因子。Nrf-2屬于通過與β-球蛋白基因座控制區高敏感位點NF-E2/AP-1基序結合激活轉錄調控的蛋白之一，它屬于bZip基因的一個子集，共享一個保守的CNC結構域。在哺乳動物中，CNC家族由4個關系密切的蛋白——p45-NFE2、Nrf-1、Nrf-2和Nrf-3，以及Bach1和Bach2兩個遠親蛋白組成。Kelch-like ECH相關蛋白1(Keap1)是Nrf-2的天然抑制劑，可將Nrf-2限制在胞質中并通過26 S蛋白酶體促進Nrf-2的降解。應激包括過氧化微環境會損害Keap1對Nrf-2進行泛素化降解的能力，并可誘導新合成的Nrf-2入核與ARE結合。一旦氧化還原反應恢復或有害物質被代謝消除就會引發終止信號，Keap1入核與Nrf-2結合后將其轉運回胞質中進行降解。此外，Nrf-2可被磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)、PKC、c-Jun、N -末端激酶(JNK)和胞外信號調節蛋白激酶(ERK)磷酸化后上調，而p38 MAPK對Nrf-2通路呈雙向調控。Nrf-2參與多種抗氧化相關基因表達的調控，包括：NQO1、HO-1、GSTA1等。Nrf-2可激活對二氧化硅暴露誘導的EMT和TGF-β/Smad信號通路的抑制作用，從而發揮抗氧化與抗纖維化的作用。最近有研究表明，氧化應激、細胞凋亡和炎癥都參與早期的肺纖維化進程，而通過激活Keap1/Nrf-2信號通路可起到對肺纖維化保護作用。Nrf-2作為上游轉錄調控因子對體內抗氧化系統的調控可能是IPF的有效治療策略。

5 結語

目前，IPF的發病機制尚未完全闡明，氧化應激被認為在IPF的進程中扮演著不可或缺的角色。其中，NOX4對肺泡上皮細胞死亡、成纖維細胞分化和膠原沉積的調控在IPF發生發展過程中起著重要作用。相反，Nrf-2-ARE系統所介導的抗氧化相關基因表達是肺免受氧化損傷的重要調控系統之一。因此，針對氧化應激機制相關的治療策略，如靶向抑制或下調NOX的表達、拮抗NOX4的作用或促進Nrf-2的表達，可能是有效地治療或緩解IPF的潛在治療策略。