糖尿病肺纖維化發病機制的研究進展

付庭呂，高明朗，李 寧，耿 慶

(武漢大學人民醫院胸外科，湖北 武漢 430060)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是一種以胰島素絕對缺乏或胰島素相對不足伴胰島素抵抗、持續高血糖為特征的全身代謝紊亂疾病。近30多年來，我國DM患病率顯著增加，目前仍逐年上升，2015～2017年已達到11.2%[1]。糖尿病腎纖維化和心肌纖維化已被人們所公認并被廣泛研究[2-3]。肺擁有豐富的肺泡-毛細血管網絡和結締組織，研究證明[4-5]，肺也是DM并發癥的靶器官之一，高血糖可誘導肺纖維化病變，但其發病機制目前仍知之甚少。該文首次系統綜述了糖尿病肺纖維化的潛在機制，旨為探究其深層機制提供探究思路，以及為開發其治療藥物提供參考依據。

1 糖尿病肺纖維化的臨床特征

糖尿病肺纖維化(diabetic pulmonary fibrosis，DPF)是指DM患者在長期高血糖刺激下，可誘發肺部纖維化病變，是DM的主要并發癥之一。前期研究顯示，DPF患者的臨床特征主要有肺功能、影像學和病理學3個方面的異常。其肺功能降低，呈限制性通氣功能障礙改變，表現為除第1 秒用力呼氣容積/用力肺活量升高外，其余肺功能指標如第1 秒用力呼氣容積、用力肺活量、一氧化碳彌散量等均顯著降低；影像學異常為高分辨率CT圖像呈條索狀、網格狀改變，與典型的特發性肺纖維化的影像學改變(呈UIP型，包括網格型和蜂窩型)相似；病理學異常以顯著的纖維化病變為特征，主要表現為肺泡間隔和肺血管基底膜增厚及大量的炎性細胞浸潤。

2 糖尿病肺纖維化的發病機制

DPF的發病機制是多因素的、高度復雜的，具體機制尚不清楚。目前DPF的潛在機制主要有自主神經病變、肺微血管病變、晚期糖基化終末產物(advanced glycosylation end products，AGES)、氧化應激、炎癥反應、上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition ，EMT)與內皮間質轉化(endothelial-mesenchymal transition，EndMT)、細胞衰老與DNA的損傷修復等。

2.1 自主神經病變糖尿病神經病變是DM常見的慢性并發癥，影響約一半的DM患者。糖尿病自主神經病變是指在排除其他原因后，在DM或DM前期代謝紊亂的情況下發生的自主神經系統紊亂。糖尿病自主神經病變可影響心血管、胃腸、泌尿生殖系統及舒縮功能，在DPF中也發揮著巨大作用，其作用機制與長期高血糖、AGES積聚、氧化應激、炎癥反應、脂質代謝異常等密切相關[6]。DM患者若血糖控制不良，極易導致肺自主神經病變，主要表現為氣道口徑增加、支氣管擴張、肺表面活性物質產生受損、低氧通氣反應受損、分泌物動員和黏液纖毛清除受損等[4]。此外，高血糖誘發自主神經病變，還會損害呼吸神經肌肉功能，導致肺容積減少、肺功能下降，加速DM患者限制性并發癥的發生發展[7]。因此，預防糖尿病自主神經病變可改善DPF對機體的影響，提高患者生活質量。

2.2 肺微血管病變血管損傷在DM的病理生理學中起著核心作用。DM常見的并發癥如視網膜病變、神經病變、腎病和心血管功能障礙等幾乎均由血管損傷引起。研究表明高血糖可誘導肺間質纖維化改變和肺泡微血管病變[5]，故DPF的損傷機制可能源于肺部微血管損傷。DM患者在長期高血糖刺激下，可誘導血小板高反應性、炎癥以及氧化應激等，進一步導致肺血管內皮損傷，最終導致肺泡上皮和肺毛細血管基底膜增厚、肺毛細血管血容量減少以及源于通氣灌注比例失調的彌散功能受損[8]。此外，Matsubara等[9]對35例解剖后的DM組和26例解剖后的非DM組的肺進行組織病理學研究顯示DM患者肺泡毛細血管壁、肺小動脈壁和肺泡壁明顯增厚；在多種DM動物模型中也可觀察到肺泡上皮、肺血管基底膜明顯增厚，及更明顯的纖維化病變[10-11]。總之，這些影響均歸因于與DM微血管病變相關的肺毛細血管損傷，進一步深入研究非常有價值。

2.3 晚期糖基化終末產物AGES是指高血糖引起膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質的非酶糖基化，對DM并發癥至關重要。晚期糖基化終末產物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGES)是AGES的細胞表面受體，在肺組織中分布廣泛，其主要作用為清除AGES。正常情況下AGES在肺中的分布僅限于較低的基礎水平，但在DM患者中，長期高血糖刺激將導致AGES在肺組織中積聚，誘發氧化應激、炎癥、EMT等，使肺結構重建，進而導致肺纖維化。胸部和肺部富含膠原蛋白和彈性蛋白等細胞外基質(extracellular matrix，ECM)成分，ECM的過度產生，特別是高血糖導致ECM的非酶蛋白糖基化，可導致胸腔和肺實質的基質硬化，不可逆轉地重塑肺組織結構，促進肺纖維化的進展，從而限制肺的生理作用[12]。前期研究檢測到AGES在鏈脲佐菌素誘導的DM小鼠模型的肺組織內大量積累，故AGES可能是加速高血糖患者肺纖維化的重要因素之一。此外，在RAGES(-/-)小鼠中存在自發性肺纖維化樣改變，重建RAGES能有效地恢復并逆轉病理異常[13]。因此，減少AGES在肺組織內的積聚，維持AGES和RAGES的均衡可能是延緩或逆轉DPF的重要方法。

2.4 氧化應激氧化應激是指細胞和組織的氧化和抗氧化系統之間失衡，即活性氧(reactive oxygen species，ROS)、活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的過度產生或抗氧化防御系統能力下降的結果。ROS、RNS的主要生成位點是線粒體電子傳遞鏈、內質網、過氧化物酶體等，其中線粒體是ROS的主要來源和靶點，與DM的發病機制密切相關。DM患者，在長期高血糖的刺激下，肺部的膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質易發生非酶糖基化，進而促使機體產生過多的ROS、RNS，損害抗氧化防御系統，導致氧化與抗氧化失衡，最終誘發氧化應激。氧化應激可以直接損傷細胞或者DNA，也可以通過激活多種細胞內信號通路如核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶、應激激活蛋白激酶、氨基己糖通路、蛋白激酶C、AGES/RAGES等間接損傷細胞，并進一步刺激促炎細胞因子和促纖維化細胞因子的表達，從而導致內皮損傷、炎癥反應、膠原堆積和ECM沉積，最終誘發肺纖維化[14]。研究表明，血管緊張素II可通過激活NADPH氧化酶介導的亞硝化損傷誘導DPF[15]；由活性氧和活性氮激活的NF-κB的抑制劑對鏈脲佐菌素誘導的DM大鼠肺損傷有保護作用[16]。綜上所述，氧化應激在DPF的發生發展中有著極其重要的作用，值得我們進一步探究更深層次的作用機制。

2.5 炎癥反應炎癥反應貫穿于DM的整個病程，在DPF的發生發展中扮演著不可或缺的作用。在DM高血糖刺激下，線粒體受損產生大量ROS，并通過損害自噬-溶酶體系統，促進巨噬細胞極化為促炎M1表型，誘發炎癥反應，最終導致DPF的發生[17]。此外，高血糖也可以通過激活NF-κB促炎信號通路和NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體，使機體分泌大量的炎性細胞因子，誘發DPF。Chen等[11]的研究結果表明間充質干細胞通過調節Sirtuin3可抑制NF-κB促炎信號通路及NLRP3炎癥小體的激活，進而減輕炎癥反應并有效地減輕DPF；Eren等[16]證實,在鏈脲佐菌素誘導的DM大鼠中，NF-κB抑制劑可以減少肺泡基底膜厚度及間質內單核細胞浸潤，發揮肺保護的作用。總之，DPF作為DM的并發癥之一，抗炎治療不容忽視。

2.6 上皮間質轉化及內皮間質轉化組織纖維化是大多數DM并發癥的共同點，而肌成纖維細胞是病理性ECM堆積的關鍵介質。在病理情況下，肌成纖維細胞不受限制的激活將導致ECM的過度沉積，從而誘發組織纖維化。肌成纖維細胞來源于不同的前體細胞，主要包括成纖維細胞、骨髓來源的間充質細胞，以及發生表型轉換的上皮和內皮細胞[18]。肺組織內上皮細胞和內皮細胞儲備相當豐富，故EMT和EndMT在DPF的發生發展中也不容忽視。

EMT是指一種完全分化的上皮細胞向間充質表型轉化，形成成纖維細胞和肌成纖維細胞的過程，其特征是成纖維細胞標志物如α-平滑肌肌動蛋白和波形蛋白表達增加，而上皮細胞標志物如E-鈣粘蛋白表達減少。DM患者在長期高血糖刺激下，導致肺組織內AGES積聚、氧化應激和炎癥反應等的發生，進一步導致異常的上皮細胞轉化為成纖維細胞和肌成纖維細胞，并產生過量的ECM，破壞組織結構，最終誘發肺纖維化[18]。已有研究證明,EMT通過激活LOX-1/TGF-β1/KLF6信號通路參與DPF的病理過程[19]；高胰島素血癥通過激活PI3K/Akt/GSK3β/β-Catenin通路促進EMT和纖維化[20]。

EndMT是指一種完全分化的內皮細胞向間充質表型轉化。研究表明EndMT在肺部疾病如肺動脈高壓、特發性肺纖維化、新型冠狀病毒感染后肺纖維化等中發揮重要作用[18,21-22]。前期研究表明，當人臍靜脈內皮細胞暴露于高糖環境中時，可觸發其向間充質表型轉變；同時，在DM患者肺組織中，也能檢測到內皮標志物減少，間充質表型標志物及纖維化標志物明顯增加，并且DM患者肺組織免疫熒光示肺血管周有大量的纖維化標志物累積，因此猜測DPF可能始于肺血管周，且其機制可能是肺血管內皮細胞發生了EndMT，值得進一步深入探究。綜上所述，DM患者在長期高血糖刺激下可誘導EndMT，導致血管舒張和收縮之間的失衡、血管炎癥等，最終誘發DPF。

2.7 細胞衰老及DNA損傷修復DM相關器官纖維化是一個以細胞衰老加劇為標志的日益嚴重的健康問題。細胞衰老是由促衰老應激源引起的穩定復制停滯的進化保守狀態，其發病機制主要包括端粒磨損、氧化應激、DNA損傷和蛋白質組不穩定[23]。最新研究表明，DPF和DNA損傷直接相關，DNA損傷后，修復潛能缺陷，將觸發代謝和轉錄變化，激活衰老相關的分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)如白細胞介素、炎性細胞因子和生長因子的活躍分泌，激活級聯反應，導致肺容量減少、呼吸困難和炎癥，肺功能將不可逆的受損，最終誘發肺纖維化[24]。DNA修復能力與還原糖的還原能力直接相關，當2型肺泡上皮細胞暴露于還原糖時，可使氧化還原平衡向NADH偏移(NAD+到NADH)，NADH通過減弱直接參與DNA修復的Sirtuin或PARP信號來影響DNA修復系統的完整性[25]。據報道，RAGES是DNA損傷-修復的主要調節因子，RAGES的喪失與永久性DNA斷裂信號、細胞衰老和纖維化密切相關[13]。綜上所述，細胞衰老及DNA損傷在DPF中的作用目前雖只嶄露頭角，但其中蘊含的意義巨大，值得進一步挖掘探究。

3 總結與展望

DPF作為DM的肺部并發癥，在大量臨床和實驗研究的支持下，已漸漸被人們所認可。但由于肺部擁有豐富的肺泡-毛細血管網絡，儲備巨大，DM肺部并發癥發生較其他組織器官晚，大部分DM患者肺部并發癥處于亞臨床狀態，只有當合并肺部疾患損傷肺功能時，DM肺部并發癥才會大大提前，醫務工作者和DM患者需加大關注力度。目前對DPF的作用機制知之甚少，該文系統綜述了DPF在自主神經病變、肺微血管病變、AGES、氧化應激、炎癥反應、EMT與EndMT、DNA的損傷與細胞衰老等方面的作用機制，但各個作用機制之間并非毫無關聯，而是相互影響，相互促進的(Fig 1)，同時，DPF仍缺乏行之有效的治療措施，深入探究其新機制以及開發安全有效的新藥物勢在必行。

Fig 1 Pathogenesis of diabetic pulmonary fibrosisDiabetic pulmonary fibrosis can be induced by long-term hyperglycemia through seven main mechanisms including autonomic neuropathy, pulmonary microangiopathy, accumulation of advanced glycosylation end products, oxidative stress, inflammation, epithelial-mesenchymal transition and endothelial-mesenchymal transition, DNA damage and cell senescence. They do not work alone, but interact and influence each other to induce diabetic pulmonary fibrosis.