成纖維細胞生長因子10與呼吸系統疾病防治

宋 娟， 侯東妮， 童 琳*， 宋元林*

1. 復旦大學附屬中山醫院呼吸與危重癥醫學科，上海 200032 2. 上海市呼吸病研究所，上海 200032 3. 復旦大學呼吸病研究所，上海 200032

成纖維細胞生長因子10(fibroblast growth factor-10，FGF-10)是在20世紀90年代被發現的1種分泌型生長因子[1-2]。FGF-10可參與脊椎動物胚胎發育中多種臟器的形成，具有促進上皮細胞增生和傷口愈合作用。FGF-10在肺的胚胎發育過程以及成年肺組織損傷修復中起著重要作用，對肺內干細胞庫的穩態和活化發揮著重要調控作用[2-3]。因此，其在肺部疾病的預防和治療中具有潛在價值。

1 FGF-10的生物學特性

從系統進化角度來講，22個FGF基因可以劃分為7個亞家族(FGF-1、FGF-4、FGF-7、FGF-8、FGF-9、FGF-11、FGF-15/19，表1)。這7個亞家族又可根據其各自的生物學功能被分為：經典分泌型FGF(FGF-1、FGF-4、FGF-7、FGF-8、FGF-9亞家族)、內分泌型FGF(FGF-15/19亞家族)和胞內FGF(FGF-11亞家族)。其中FGF-10最早是由Emoto等[1]從人肺組織中分離出來的包含208個氨基酸的單鏈多肽，具有肝素結合特性，由于其與角質細胞生長因子(keratinocyte growth factor，KGF，又名FGF-7)在性質、功能、結構等方面的相似性而被命名為角質細胞生長因子-2(keratinocyte growth factor-2，KGF-2)。FGF-10是FGF-7亞家族的一員，其表達受Wnt信號通路的調控。3D類器官模型研究[2]發現，FGF和Wnt信號通路的協同作用對肺上皮的發育和損傷后修復起著至關重要的作用，分泌的細胞主要為成纖維細胞等間充質來源細胞。間質來源的分泌型FGF-10與細胞外基質中的硫酸乙酰肝素蛋白多糖(heparin sulfate proteoglycans, HSPG)緊密結合，后者對穩定FGF-10的結構、限制FGF-10彌散、增加其與FGF受體的親和力發揮著重要作用[3]。FGF-10-HSPG-FGFR2二聚體的形成激活下游受體酪氨酸激酶。FGF-10與其受體(fibroblast growth factor receptor-2-Ⅲb, FGFR2Ⅲb)結合后，活化下游RAS-促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)或磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B, PKB，可稱AKT)信號通路。FGF-10主要與成纖維細胞生長因子受體FGFR2Ⅲb結合，也能以較低的親和力與FGFR1Ⅲb結合。同樣結合于FGFR2Ⅲb受體，FGF-7結合受體后導致受體降解，細胞增殖；而FGF-10結合受體后，促進受體回收，細胞遷移。進一步研究[4]顯示，FGF-10結合FGFR2Ⅲb受體后，使受體734位酪氨酸快速磷酸化，進而募集PI3K和SH3結構域結合蛋白4(SH3-domain binding protein 4, SH3BP4)形成復合體，促進受體回收(圖1)。

圖1 FGF與FGFR作用示意圖

表1 FGF的分類及主要功能

FGF:fibroblast growth factor, 成纖維細胞生長因子；-：功能暫不明確。

FGF-10有著多種生物學功能。作用于上皮細胞，FGF-10可促進細胞遷移、分化和增殖，通過旁分泌的方式促進間質-上皮相互作用。FGF-10可促進傷口愈合，減少瘢痕生成。在脊椎動物胚胎發育時，FGF-10參與支氣管、肺、四肢等多種臟器的形成。

2 FGF-10在胚胎肺發育中的作用

FGF-10對肺分支形態正常發育非常重要。肺發育期間肺泡上皮祖細胞的分化、增殖和存活受FGF-10調控。在肺發育早期，視黃酸和無翅型MMTV整合位點家族成員5a(wingless-type MMTV integration site family, member A, Wnt5a)刺激早期FGF-10表達[5-6]，FGF-10主要在遠端肺間質和氣管腹側面的間質中富集，對于調節上皮增殖和譜系分化、驅動上皮細胞損傷后修復起著重要作用。FGF-10通過激活Akt活化上皮細胞β-連環蛋白(β-catenin)信號，防止遠端上皮祖細胞分化為表達Y染色體性別決定區域基因2(sex determining region Y-box 2, SOX2)的氣道上皮細胞[3]，遠離FGF-10的上皮細胞逐漸分化成SOX2陽性氣道上皮細胞。FGF-10也可以調節近端上皮分化，如FGF-10抑制SOX2陽性氣道上皮細胞分化為纖毛細胞，促進其向基底細胞方向分化[7]。

FGF-10/FGFR2在小鼠肺上皮分支正常形態的形成中起重要作用。FGF-10-/-小鼠因為肺臟發育不良出生后即死亡，雖然有胚胎氣管形成，但是隨后的肺芽形成被破壞[8]。FGF-10的刺激對管狀肺芽特定的生長方向起重要作用。當肺芽延長時，靠近肺芽末端間質中形成FGF-10表達高峰；當末端分支或側芽發生時，則分別形成2個FGF-10表達高峰，單一表達峰或雙表達峰受肺芽末端與肺邊界的距離影響，距離較遠時形成單峰，距離近時則形成雙峰[9]。

此外，FGF-10-ETS異構體(E26 transformation-specific variant，ETV)-Sonic hedgehog(SHH)反饋抑制環路在肺發育過程中調控支氣管分支的形成。在胚胎肺分支形成的過程中，FGF-10誘導末端氣道上皮表達骨生成蛋白4(bone morphogenetic protein-4, BMP-4)和SHH，后兩者又可反饋抑制鄰近間質中FGF-10的表達。Hippo信號在進化過程中高度保守，對于調節器官形態、干細胞行為等非常重要，Hippo信號可通過阻斷FGF-10和β-catenin來促進肺上皮祖細胞的譜系定向[10]，具體見圖2。此外，BMP-4還能促進間充質向支氣管旁平滑肌分化，延緩上皮增殖，輔助調節肺分支的發生。FGF-10-鼠類肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viral oncogene, KRAS)-SOX9信號驅動肺芽分支，以此來拮抗其過早分化[7]。

圖2 末端氣道上皮細胞與間質細胞相互作用

FGF-10的精密調節對正常肺形態的發生至關重要。FGF-10在胚胎肺發育中并不單獨發揮作用，FGF-1和FGF-9可能通過自分泌形式介導FGF-10的信號轉導和肺上皮分支形成。與FGF-9主要促進近端肺上皮如纖毛細胞和基底細胞的增殖和分化不同，FGF-7和FGF-10可直接誘導遠端肺上皮分化。此外,在肺發育的假腺管期，FGF-9-FGFR3通過PI3K信號通路抑制遠端上皮細胞的分化，FGF-10-FGFR2Ⅲb更多依賴MAPK信號通路促進上皮細胞增殖和分化，兩者在一定程度上維持相對平衡[11]。

胚肺發育過程中，曾出現2波FGF-10陽性細胞，第1波FGF-10陽性細胞可轉化為支氣管旁和血管旁平滑肌細胞及脂成纖維細胞；第2波轉化為脂成纖維細胞和1種Nkx2.1(-) E-Cad(-) Epcam(+) Pro-Spc(+)的未知細胞[12]。在成年肺中，FGF-10陽性細胞群則是組織原位間充質干細胞庫。FGF-10信號對肺發育晚期脂成纖維細胞的形成具有重要影響。

3 FGF-10在呼吸系統疾病發病機制中的作用

3.1 支氣管肺發育不良 支氣管肺發育不良多發生于感染或受炎癥反應刺激的早產兒，其病理機制是由于囊狀氣道的發育停滯，囊狀氣道分支減少導致成熟肺泡數量減少。FGF-10的分泌缺陷與支氣管肺發育不良有關，患兒肺組織中多發現FGF-10表達下調[13]。正常FGF-10在肺間質細胞中的表達可被微生物產物或炎癥反應干擾，這種干擾主要由核因子-κB(nuclear factor κB, NF-κB)信號介導，活化NF-κB入核并激活相關基因的轉錄表達，除了激活促炎基因的表達，NF-κB也可抑制正常發育過程中重要基因的表達[14]。在實驗小鼠模型中，Toll樣受體2(Toll-like receptor 2, TLR2)或Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)的激活抑制FGF-10表達，進而導致囊狀氣道發育停滯[13]。炎癥信號導致的FGF-10表達抑制與NF-κB依賴的NF-κB p65(RELA)、SP1/SP3和FGF-10啟動子相互作用有關[14]。此外，有團隊在小鼠模型中發現microRNA-421可靶向沉默FGF-10，可能與支氣管肺發育不良的發生相關[15]。

3.2 慢性阻塞性肺疾病 FGF-10與慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的發生有關。普通人群中高達26%的人存在氣道分支異常，增加了COPD的患病風險[16]。FGF-10基因無功能突變的雜合子患者，因單倍體基因劑量不足，患者肺功能檢查提示不可逆性氣流受限(提示患有COPD)[17]。此外，COPD易感性與FGF-10基因單核苷酸多態性存在關聯。研究[18]顯示，FGF-10基因rs2973644和rs10473352多態性位點可能與中國北方漢族COPD患者易感性相關，rs1011814多態性位點與COPD的嚴重程度相關,rs1448044多態性位點與肺功能下降相關。肺發育早期關鍵基因(如FGF-10)的突變可導致肺結構的異常，在長期環境因素(如煙草暴露)的影響下增加疾病的患病風險。

3.3 肺 癌 FGF-10對肺癌細胞具有調控作用。FGF-10可使腫瘤細胞自我更新能力降低，體外給予肺癌細胞FGF-10刺激，可減少腫瘤干細胞的富集，從而減少化療抵抗的腫瘤干細胞組成，使得肺癌細胞對化療藥物敏感[19]。

3.4 可吸入顆粒物相關呼吸系統疾病 可吸入顆粒物(particulate matter, PM)與多種呼吸系統疾病相關，急性大劑量暴露主要表現為肺部炎癥細胞浸潤增加和血漿蛋白滲出增加，FGF-10預處理可以抑制高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein, HMGB1)-TLR4信號通路來減輕PM誘導的炎癥反應[20]。FGF-10有抗氧化作用，可降低活性氧的生成，以此來拮抗PM引起的細胞毒性，進一步減少銅綠假單胞菌對上皮的侵襲[21]。

3.5 特發性肺纖維化 特發性肺纖維化是一種病因不明的進展型、間質性肺病，治療手段有限，病死率高，主要表現為活化肌成纖維細胞的聚集和細胞外基質蛋白的沉積，以及由此而造成的肺泡結構和功能的破壞，氣血交換受阻。肺纖維化小鼠模型研究[22]發現，FGF-10+細胞可以促進活化肌成纖維細胞的形成，在疾病緩解期，后者又可獲得脂成纖維細胞的特性；此外，特發性肺纖維化患者肺組織中FGF-10的表達明顯上調，以成熟的纖維化病變最為明顯，然而，早期損傷后重塑區域活躍的纖維化病灶中FGF-10的表達水平則較低，FGF-10有可能拮抗促纖維化的細胞因子(如TGF-β1)從而起到保護作用。

4 FGF-10在急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)防治中的作用

4.1 ARDS ARDS的病因是刺激因素對肺造成急性損傷，由此造成缺氧性的呼吸衰竭，以難治性低氧血癥、非心源性肺水腫、呼吸困難為臨床表現。ARDS的病理生理特征主要為肺容積減少，順應性下降，通氣/血流比例失調。其病理機制包括失控的炎癥反應，廣泛的內皮細胞和上皮細胞損傷，導致氣血屏障通透性增加，肺間質及肺泡內廣泛的液體滲出，肺泡內透明膜形成。ARDS是多種公共衛生急癥如甲流、SARS、COVID-19等致死的重要病因，據統計全球每年有超過300萬ARDS患者,總體死亡率約為40%[1]。國內外對ARDS進行了大規模的研究，但是在臨床實際應用中，ARDS的治療迄今尚缺乏有效的手段。

4.2 FGF-10對肺泡上皮細胞具有保護作用 在脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)引起的急性肺損傷模型中，FGF-10的表達顯著下調，損傷修復期FGF-10又可上調表達[23]。體外實驗[24-25]顯示，FGF-10通過活化MAPK通路，能夠減輕石棉、過氧化物和機械牽張力造成的肺泡上皮損傷。FGF-10對肺泡上皮細胞具有促進增殖作用，FGF-10使過氧化氫刺激的肺泡上皮細胞內細胞周期蛋白含量顯著升高，打破過氧化氫引起的G0/G1期阻滯，促使細胞從G0/G1期向S期過渡，從而進入分裂增殖期[24]。FGF-10轉基因小鼠研究[26]顯示，FGF-10可顯著減輕博來霉素誘導的肺部炎癥損傷和纖維化，增加存活的肺泡Ⅱ型上皮細胞的數量。

另外，在博來霉素誘導的急性肺損傷模型中，FGF-10-FGFR2Ⅲb信號可驅動遠端氣道上皮p63+/Scgb1a1+/SOX2+的支氣管上皮干細胞去分化成新的基底細胞,后者可進一步分化成Ⅰ型肺泡上皮和Ⅱ型肺泡上皮，從而啟動損傷后修復，FGF-10-FGFR2Ⅲb對維持新生基底細胞的干性、誘導其分化十分重要[27]。FGF-10可預防高原肺水腫，降低死亡率，改善氧合，減少氣血屏障的破壞[28]。FGF-10還可以通過激活PI3K/Thr308/AKT信號通路、抑制NF-κB信號通路雙向調控Treg細胞和Th17細胞的平衡，從而緩解急性肺損傷[29]。此外，FGF-10對LPS、機械通氣、缺血再灌注引起的急性肺損傷均有保護作用[30-32]。在銅綠假單胞菌感染性重癥肺炎小鼠模型中，FGF-10通過增加肺內細菌清除、增加肺泡巨噬細胞的數量及促進肺內源性間充質干細胞增生來降低死亡率[33]。但在大部分動物模型中，FGF-10均為提前2～3 d氣道內滴注給藥，FGF-10能發揮預防肺損傷作用。一項采用損傷后給藥的研究[34]顯示，FGF-10仍有一定抗肺損傷作用，但與預防性給藥相比，作用不及預防性給藥顯著。

5 FGF-10在肺部的作用機制研究進展

FGF-10對急性肺損傷具有保護作用，對于FGF-10在肺內發揮作用的機制研究仍在探索中，目前已知的機制主要包括FGF-10對上皮細胞、內皮細胞、肺間充質干細胞3個方面(圖3)。

圖3 FGF-10在肺部主要作用示意圖

5.1 上皮細胞 有研究[30]發現，FGF-10能促進氣道上皮細胞和肺泡Ⅱ型上皮細胞的增殖，增殖的肺泡Ⅱ型上皮細胞可通過遷移覆蓋損傷的上皮，以修復和維護氣血屏障的完整性。急性肺損傷時，肺表面活性蛋白的表達明顯降低，FGF-10可增加表面活性蛋白(SP-A、SP-C)的合成，從而改善表面活性物質自穩態，對氣血屏障的穩定有一定作用[30-31]。位于遠端間質中表達FGF-10的細胞被認為是支氣管旁平滑肌細胞的祖細胞[35]。當氣道上皮被臭氧、博來霉素或萘損傷時，存活的上皮細胞分泌Wnt7b，Wnt7b活化支氣管旁平滑肌細胞巢，使其表達FGF-10[35]。從細胞巢分泌的FGF-10隨后作用于Club干細胞亞群(1種位于氣道上皮的干細胞)，打破靜息狀態，誘導增殖和啟動上皮修復[35]。這種旁分泌作用對于活化尚存活的Club細胞非常重要。氣道被萘損傷后，活化支氣管旁平滑肌細胞分泌FGF-10，活化Club細胞內的Notch信號，誘導鋅指轉錄因子(Snai1)表達。隨后Club細胞經歷短暫的上皮間質轉化過程，以啟動修復程序[36]。

5.2 內皮細胞 FGF-10對內皮細胞也有作用。體外研究[28,32]證實，FGF-10可上調AKT，抑制因缺氧誘導的肺微血管內皮細胞凋亡，FGF-10的這種抗凋亡作用可被PI3K抑制或EGFR抑制劑部分阻斷。此外，在急性心肌梗死小鼠模型中，FGF-10可有效減輕心肌炎癥和纖維化，抑制心室擴張，促進內皮細胞增殖，進而增加小動脈和毛細血管的穩定性，對心血管系統發揮保護作用[37]。

5.3 間充質干細胞 有研究[38]發現，間充質干細胞表面表達FGF-10受體，FGF-10對肺組織原位間充質干細胞具有調控作用。氣道內滴注FGF-10可動員肺間充質干細胞，這些肺間充質干細胞可通過肺泡灌洗的方法被提取并分離培養[38]。將這部分肺間充質干細胞體外培養擴增后回輸至急性肺損傷的大鼠肺內，可有效減輕肺損傷，促進損傷修復[38]。表達譜分析顯示，FGF-10動員的肺原位間充質干細胞與骨髓間充質干細胞具有不同的功能特性和細胞內信號活化特征。這可能是肺間充質干細胞對肺損傷的保護作用優于骨髓間充質干細胞的原因之一[38]。因此，FGF-10可能通過動員肺間充質干細胞，從而發揮肺損傷保護作用。此外，本課題組前期比較過不同給藥方式對FGF-10動員肺間充質干細胞的影響[38]，發現FGF-10氣道內滴注給藥后3 d，可通過支氣管肺泡灌洗液分離到肺間充質干細胞，而FGF-10通過靜脈給藥或磷酸鹽緩沖液(phosphate buffer saline, PBS)氣道內滴注后則難以分離到肺間充質干細胞。

6 FGF-10用于治療人類疾病的安全性研究

美國人類基因組公司進行多項臨床試驗[39]，將FGF-10用于治療潰瘍性結腸炎、糖尿病靜脈潰瘍、化療所致的口腔黏膜炎等難治性上皮損傷，證實了FGF-10用于人體的安全性。新生源公司曾進行FGF-10用于淺Ⅱ度燒傷的Ⅲ期臨床試驗，前期研究結果顯示其安全性良好。此外，本課題組連續觀察了動物FGF-10氣道內滴注給藥后數月，未發現有致器官纖維化作用[28]。

綜上所述，FGF-10參與細胞增殖、遷移、分化、凋亡以及胚胎發育等生理過程的調控，能動員肺間充質干細胞，促進損傷修復，抑制纖維化。其生物學特性以及對胚胎和出生后動物的作用及機制仍未充分闡明，其中包括FGF-10動員肺間充質干細胞的機制，仍需進一步深入研究。FGF-10對各種刺激因子造成的急性肺損傷及氣道損傷均有保護作用，使用FGF-10重組蛋白治療肺部疾病目前正在探索中，有望獲得突破性進展。FGF-10作為一種旁分泌作用的蛋白，更適合局部給藥，對FGF-10重組蛋白局部給藥的研究將為FGF-10應用于人類疾病治療提供新策略。