放射性肺損傷的發生機制及防治進展

張坤 韓霞 陳紹水

濱州醫學院附屬醫院腫瘤科，濱州 256600

肺是對電離輻射最敏感的器官之一，放射性肺損傷（radiation induced lung injury，RILI）主要包括2個階段：早期階段稱為放射性肺炎（radiation pneumonitis，RP），其特征是輻射所致的急性肺組織炎癥；晚期階段稱為放射性肺纖維化（radiation induced lung fibrosis，RILF），是由慢性肺組織損傷修復引起的不可逆的臨床綜合征［1］。早期階段多發生在肺部放療的前1～3個月，晚期階段則多發生于放療3～6個月以后，二者之間沒有明確時間界限，可認為是一個連續的、逐漸演變的病理過程。RILI 的臨床表現包括干咳、咯血、呼吸急促、胸痛、發熱、胸腔積液及氣胸等，嚴重的甚至可出現呼吸衰竭［1-2］。RILI 嚴重影響患者的生活質量，它限制了有效殺死腫瘤細胞所需的輻射劑量。RILI 后期所致RILF 因其進行性和不可逆轉的肺組織破壞和肺功能惡化的特點，可最終導致呼吸衰竭和死亡［3］，因此，探索RILI 的發生機制及防治措施成為必要。

RILI的病理生理

放射線通過直接破壞肺泡上皮細胞（AEC）和血管內皮細胞，導致肺泡屏障功能喪失。炎癥反應在幾天或幾周內可引起血管通透性及細胞因子釋放的增加［4-5］。AEC 損傷后，肺泡表面活性物質減少，肺泡張力將發生變化，導致肺的順應性降低、肺泡塌陷和不張。此外，由于血管內皮細胞損傷及血管通透性的增加，血漿蛋白、各種炎性細胞、炎性因子會滲入肺泡腔，促使肺泡透明膜形成，肺泡氧交換功能發生障礙。巨噬細胞的聚集和活化也可促進組織缺氧的發展，刺激活性氧（ROS）和活性氮的產生，進而導致DNA、脂質和蛋白質的氧化損傷，由此進一步導致AEC和血管內皮細胞的損傷或凋亡，引發一系列炎性反應和單核細胞、淋巴細胞、粒細胞的趨化，這些細胞同時分泌大量的細胞因子如轉化生長因子-β（TGF-β）、γ-干擾素（IFN-γ）、內皮素-1、白細胞介素-4（IL-4）、IL-13 等，這些因子會聚集更多的炎性細胞［2］。TGF-β的激活會誘導成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，并表達α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）［6-7］，α-SMA可賦予肌成纖維細胞強的收縮特性。可以說成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化是由TGF-β1驅動的。一旦激活，這些細胞產生過量的細胞外基質［6-8］，導致肺組織收縮，并增加肺泡-毛細血管間隔厚度，膠原蛋白廣泛沉積于肺間質和肺泡內，使得肺泡間隙塌陷，導致不可逆的肺彌散功能受損［9］和限制性通氣功能不全，即RILF。具體見圖1。

圖1 RILI的病理生理

RILI發生發展中的關鍵細胞和細胞因子

RILI 是由基因調控的多種細胞和分子參與的復雜過程，如AEC 和血管內皮細胞、輔助性T 細胞（Th 細胞）、巨噬細胞、成纖維細胞及肌成纖維細胞、癌癥相關成纖維細胞（CAF）、TGF-β、IL-4、IL-13、IFN-γ、前列腺素E2等，下面就上述細胞和分子分別作出闡述。

1、細胞

1.1、AEC 和血管內皮細胞 電離輻射可以通過損傷DNA、蛋白質、脂質等引起AEC 和血管內皮細胞損傷或凋亡［10］。當AEC 和血管內皮細胞受到損傷時，細胞連接被破壞，肺組織屏障受損，大量滲出的血液和炎癥細胞聚集在肺泡腔，進一步聚集成纖維細胞，誘導其分化為肌成纖維細胞。激活的肌成纖維細胞然后分泌血管緊張素和H2O2，進而誘導AEC 凋亡［11］。AEC 和血管內皮細胞的損傷導致大量促炎和促纖維化細胞因子的分泌，其中最重要的便是TGF-β1。TGF-β1 濃度升高可誘導AECⅡ的上皮-間質轉化（EMT）和微血管內皮細胞的內皮-間質轉化（EndMT）［12］。在EMT和EndMT過程中，極化的AEC 和內皮細胞失去其極性和特異性標志物，增加間充質標志物（波形蛋白、Ⅰ型和Ⅲ型膠原、α-SMA 等）的表達，并向間質遷移，獲得與間充質細胞類似的表型。此外，最近的研究結果表明，接受EMT的AEC Ⅱ細胞通過旁分泌信號激活局部成纖維細胞來促進促纖維化的微環境［13］。

1.2、Th 細胞 Th1/Th2 比例失衡在 RILI 的發生發展中起重要作用［14］。當肺組織受到電離輻射時，Th1 細胞主要通過分泌IFN-γ 來發揮作用，而Th2 細胞主要通過分泌IL-4 和 IL-13 來發揮作用。Th1 來源的 IFN-γ 具有顯著的抗纖維化和免疫調節作用［15］，并可激活M1 型巨噬細胞，誘導其一氧化氮合酶的表達，即經典活化的巨噬細胞；Th1 免疫反應過度主要導致急性RP。而Th2 來源的IL-4 和IL-13 可激活M2 型巨噬細胞，促進其精氨酸酶-1 的活性，即旁路激活的巨噬細胞。IL-4 和IL-13 與TGF-β1 共刺激膠原合成，在組織重塑和纖維化中發揮重要作用［16-17］，Th2免疫反應過度主要導致慢性RILF。

1.3、巨噬細胞 肺巨噬細胞在RILI 中主要有以下幾個功能：促進ROS 誘導的ROS 級聯反應；誘導炎癥風暴；加速肺纖維化進程［18］。肺受到電離輻射時會產生大量ROS，因ROS而損傷的AEC和血管內皮細胞會招募巨噬細胞遷移至肺部損傷部位并分泌各種促炎因子，隨后，炎癥介導蛋白和促氧化酶上調，導致ROS進一步增加，同時刺激線粒體產生自由基，這個過程即ROS 誘導的ROS 級聯反應［19］。巨噬細胞不僅可以產生大量ROS，還能被ROS 誘導發生極化反應［18］。RILI早期高濃度ROS可以促進巨噬細胞M1型極化，M1 型巨噬細胞通過分泌多種促炎因子誘導炎癥風暴，促進RP 的 發 展［20］。 RILI 晚 期 ，低 濃 度 ROS 可 促 進 IL-4 和IL-13 誘導的M2 型巨噬細胞極化。M2 型巨噬細胞通過分泌TGF-β1、血小板源性生長因子（PDGF）等可促進成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞以及EMT，進一步促進RILF 的發生。此外，M2 型巨噬細胞中精氨酸酶活性的增加最終可促進脯氨酸的合成，而脯氨酸是合成膠原所必需的物質。

1.4、成纖維細胞和肌成纖維細胞 RILF 發展的最后一步是成纖維細胞分化形成肌成纖維細胞，肌成纖維細胞可來源于多種細胞，如原位成纖維細胞、循環成纖維細胞、血管周圍間充質細胞和AEC。成纖維細胞和肌成纖維細胞的聚集是由TGF-β1、PDGF、基質細胞衍生因子-1（SDF-1）和其他因素誘導的，其中最重要的是TGF-β1［21］，在正常的修復過程中，肌成纖維細胞收縮受損區域，AEC 和內皮細胞分裂遷移，修復受損的上皮和內皮。然而，當組織遭受持續性損傷時，慢性炎癥和異常修復過程可導致細胞外基質過度分泌和沉積，最終導致纖維化和結構改變。

1.5、CAF 放療除了引起RILI外，還被認為有助于CAF的激活。CAF 是腫瘤內一組不同的間質細胞，在表觀遺傳學和表型上不同于正常的成纖維細胞。CAF 的主要細胞來源是腫瘤微環境轉化的正常成纖維細胞，CAF 通過分泌生長因子和細胞因子來調節細胞外基質的組成，從而調節腫瘤的增殖、侵襲和轉移潛力。有研究表明，CAF 可以通過形成限制腫瘤生長和遷移可能性的物理屏障來減緩腫瘤的進展［22］。放療對CAF 的影響是一個正在進行的研究問題，有數據支持輻射可以改變CAF，導致腫瘤進展能力的喪失［23］。然而，也有研究表明，輻射后的成纖維細胞可以誘導癌細胞的EMT，并通過提高TGF-β水平來促進侵襲性［24-25］。

2、細胞因子

TGF-β 包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 這3 種異構體，其中TGF-β1是致纖維化的關鍵因子，主要由M2型巨噬細胞產生，TGF-β1 的生物學功能包括［26］：（1）趨化炎癥細胞和單核巨噬細胞，并可誘導它們釋放多種細胞因子；（2）促進成纖維細胞增殖并誘導其分化為肌成纖維細胞；（3）促進膠原蛋白生成、細胞外基質沉積并抑制基質降解。TGF-β/Smad信號通路在RILI 的發生和發展過程中至關重要，Smad 2/3 是TGF-β1 的細胞質效應分子，它可以磷酸化并與Smad 4 結合，然后移位到細胞核中調節靶基因的轉錄，包括編碼Ⅰ型和Ⅲ型膠原的基因［27］。TGF-β刺激間質成纖維細胞表達纖維性膠原和纖維連接蛋白，可導致肺泡區硬化和氣體交換減少。

IL-4 主要由Th2 細胞分泌，是其標志性細胞因子之一。IL-4可促進T細胞向Th2細胞分化，促進Th2來源細胞因子的表達，抑制Th1 細胞的活性。IL-4 與RILF 密切相關。在特發性肺纖維化（IPF）患者和RILI患者血清中，IL-4顯著升高。在體外，當用IL-4 處理成纖維細胞時，Ⅰ型、Ⅲ型膠原和纖維連接蛋白的表達顯著增加。IL-13 和IL-4 一樣主要由Th2 細胞分泌，二者功能相似，均可誘導M2 型巨噬細胞極化。IL-13也是一種重要的促纖維化因子。

IFN-γ 主要由 Th1 細胞分泌，是 Th1 細胞的主要效應因子，具有顯著的抗纖維化和免疫調節作用［15］。IFN-γ 能抑制 IL-4、IL-13 和 TGF-β1 功能的發揮，放大 Th1 應答，交叉抑制Th2 細胞的分化和功能，以及Th2 細胞衍生因子的表達。IFN-γ能夠誘導Smad 7的表達，阻斷Smad 3的激活，進而阻斷TGF-β/Smad信號通路發揮抗纖維化作用。

前列腺素E2 在多種疾病中發揮促炎介質的作用。然而，在肺組織中，前列腺素E2 在限制炎癥反應和組織修復過程中發揮著獨特的作用。前列腺素E2 可抑制TGF-β 的分泌，抑制T 細胞向Th2 細胞的遷移和分化，抑制成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化。肺照射早期產生多種細胞因子，刺激成纖維細胞產生大量前列腺素E2，而前列腺素E2 對細胞因子的產生具有負反饋調節作用，并能下調成纖維細胞的功能。在肺照射后期，隨著成纖維細胞向肌成纖維細胞分化的增加和AEC 的持續損傷，前列腺素E2的生成減少，從而導致免疫反應的持續激活。

RILI的治療

1、靶向TGF-β

TGF-β 在RILI 的發展中起著核心作用。抑制TGF-β和/或其下游信號通路是預防RILI 的一個有力策略。LY2157299（Galunisertib）能特異性地抑制 TGF-β 受體Ⅰ，并已被證實用于IPF 的Ⅱ期臨床試驗［28］。另一種限制TGF-β1 活性的方法是使用特異性小干擾核糖核酸（siRNA）。Lu 等［29］的研究表明，在小鼠模型中，使用TGF-β1-siRNA 顯著減弱了整個胸部照射后血清TGF-β1水平的增加，并改善了炎癥跡象。吡非尼酮可抑制細胞中TGF-β 的產生，延緩IPF 病情發展，是一種被批準用于治療IPF 的藥物，它通過下調促纖維化細胞因子、抑制肺成纖維細胞增殖和減少細胞外基質沉積來對抗TGF-β 信號［14］。最近，在RILF 小鼠模型中使用吡非尼酮顯示出中位生存時間延長、肺組織中膠原蛋白和纖維化的積累減少。在實驗條件下，吡非尼酮還降低了TGF-β1 水平和Smad 3 的磷酸化［30］。

2、酪氨酸激酶抑制劑（TKI）——尼達尼布、伊馬替尼

受體酪氨酸激酶信號分子家族與纖維化疾病密切相關。尼達尼布是一種多靶點的TKI，能阻斷PDGF 受體α 和β、成纖維細胞生長因子受體以及血管內皮生長因子受體，具有較好的抗炎和抗肺纖維化作用。尼達尼布可預防RP，減少肺纖維化發生率，De Ruysscher等［31］在小鼠模型中發現尼達尼布可減輕部分肺照射后的RILF，且無不良反應。尼達尼布具有強大的抗炎、抗纖維化作用，已在2014 年被美國食品藥品監督管理局（FDA）批準用于治療IPF［32］。伊馬替尼為PDGF 受體抑制劑，已被報道可減輕RILI 及氣管內滴注鹽酸誘導的大鼠急性肺損傷［33］，尤其對減輕RILF 較為明顯。即使在急性炎癥消退后給予伊馬替尼，也能減輕小鼠RILF［34］。但需要注意的是，伊馬替尼本身可以引起藥物性肺損傷，包括間質性肺炎及肺纖維化。

3、抗氧化劑——氨磷汀

氨磷汀是一種巰基化合物，巰基化合物的主要作用機制是利用其側鏈的活潑巰基與自由基結合，中和自由基以保護自身蛋白上的巰基不被氧化［35］。氨磷汀傳統上用于減輕放化療期間累積的腎毒性及口干［36］。氨磷汀可使接受放療的非小細胞肺癌患者的急性肺毒性的發生風險降低。然而，氨磷汀可引起惡心、低血壓、心肌梗死等不良反應，靜脈給藥耐受性差，限制了其臨床應用。

4、血管緊張素轉換酶抑制劑（ACEI）和血管緊張素-Ⅱ受體拮抗劑（ARB）

ACEI 和ARB 通過靶向炎癥和纖維化途徑而有助于減輕RILI。ARB 可拮抗血管緊張素-Ⅱ對TGF-β 表達的刺激。ACEI 具有顯著的抗纖維化活性。趙春陽等［37］的研究表明，ACEI 可有效降低RILI 的發生率，且ACEI 類藥物對RILI的治療效果不受患者性別及年齡的影響。盡管有強有力的臨床證據，ACEI和ARB 仍需在前瞻性試驗中行進一步研究。

5、他汀類及己酮可可堿

他汀類藥物可以通過抑制Rho/ROCK 通路抑制RILF的進展。Ziegler 等［38］研究發現洛伐他汀可保護肺組織免受放療誘導的凋亡。Monceau 等［39］發現普伐他汀、辛伐他汀等可以防治和逆轉肺纖維化。己酮可可堿是一種磷酸二酯酶抑制劑，可下調促炎細胞因子的產生。臨床前研究顯示己酮可可堿可降低腫瘤壞死因子的mRNA 和蛋白水平。在一項小型安慰劑對照的Ⅱ期臨床研究中，己酮可可堿減少了重度肺炎的發生，并減少了肺功能損害［40］。然而，由于納入的患者數量較少，進一步的隨機對照試驗是必要的。

6、靶向結締組織生長因子（CTGF）、TANK 結合激酶1（TBK1）、鞘氨醇-1磷酸受體3（S1PR3）

CTGF 是一種基質細胞蛋白，參與組織重塑、肌成纖維細胞分化、黏附和血管生成。Bickelhaupt 等［41］的研究證明，抑制CTGF 可以減緩RILF 的發展，甚至在治療環境中逆轉纖維化過程。此外，在RILF 的小鼠模型中，針對CTGF 設計的中和抗體FG-3019（PamrevLumab）似乎比吡非尼酮或尼達尼布更有效。然而，盡管在IPF 中成功地完成了PamrevLumab 的第二階段臨床試驗［42］，但其預防 RILI 的潛力還需要進一步評估。TBK1 作為一個重要的上游信號分子，可通過AKT-ERK 信號通路調節輻射誘導的EMT。Qu等［43］的研究顯示，TBK1抑制劑可以減輕RILI并保護小鼠抵抗電離輻射，為預防RILI 提供了一種新的策略。Gong 等［44］的研究發現，S1PR3 缺乏可使RILF 逆轉，同時伴有EMT 相關蛋白（α-SMA）的抑制。S1PR3缺陷的AEC一直抑制EMT過程的改變和纖維化的形成。此外，S1PR3 被指定為miRNA-495-3p 的靶基因之一。miRNA-495-3p 抑制AEC中S1PR3 表達，而miRNA-495-3p 過表達抑制S1PR3/Smad 2/3 通路及EMT 過程。總的來說，miRNA-495-3p 可能通過抑制靶基因S1PR3而在纖維化形成的EMT過程中起到負調控作用。這些結果建立了S1PR3 基因、EMT 過程和纖維化之間的聯系，表明S1PR3 的藥理阻斷是治療RILF 的潛在策略。

7、間充質干細胞（MSC）

MSC治療RILI的具體機制尚未完全清楚。MSC是具有多向分化潛能的細胞群，其通過歸巢至肺損傷部位并分化成不同類型的肺細胞，包括AECⅠ/Ⅱ細胞和內皮細胞，并分泌細胞因子起到免疫調節、抗炎、抗纖維化、參與修復的作用［45］。Shao 等［46］的研究也表明，脂肪源性 MSC 可以通過Wnt/β-catenin 信號通路抑制 RILF。目前 MSC 治療 RILI 在動物模型中已經取得很好的進展，利用自體MSC開展治療，既解決了移植排斥反應和道德倫理問題，也保證了腫瘤放療的成功率［47］。

8、其他

He 等［3］提出衰老細胞可能在 RILF 中起致病作用。然而，所有這些發現都是在小鼠暴露于高劑量胸部照射后觀察到的?？顾ダ蟿┑拈_發可能會提供驗證衰老細胞在人類RILF中的作用的機會。

肺纖維化發展的主要組成部分之一是免疫系統失衡?？梢酝茰y，免疫反應從促纖維化途徑的轉變可以減輕和/或預防肺纖維化。胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤寡脫氧核糖核苷酸可以刺激促炎細胞因子的產生，并在小鼠模型中顯示出對RILF發展的保護作用［48-49］。

自噬作為一種進化保守的細胞內降解途徑，對細胞內平衡至關重要。一些研究表明，自噬在IPF、囊性肺纖維化、矽肺和吸煙性肺纖維化等肺纖維化疾病中具有重要作用。靶向自噬可能是肺纖維化疾病治療干預的一條新途徑［50］。

郝志強等［51］的研究發現，胸部深部熱療能有效預防非小細胞肺癌患者放療后RILI的發生。王遠飛等［52］的研究發現亞低溫［（34±1）℃］治療能提高RILI 大鼠的抗氧化能力、抗炎癥能力及抗凋亡能力，與臨床常用藥氨磷汀作用效果相近。

中醫藥是一個偉大的寶庫。多數研究者認為電離輻射屬“火熱毒邪”，易灼傷人體津液，損傷正氣和陰血。RILI的發病機制主要是本虛標實、熱毒、氣虛、陰傷、血瘀。中醫治療RILI主要原則是養陰生津、清熱解毒、健脾和胃、化痰祛瘀［53］。

精氨酸是健康成年人體中多種物質合成所必要的氮載體，具有免疫調節活性且能夠減輕炎性反應的作用，有研究表明，精氨酸通過產生大量一氧化氮等或產生免疫作用預防或治療肺損傷［54］，但其對RILI的作用有待進一步探索。

小結與展望

RILI 是胸部惡性腫瘤放療后的常見并發癥，尤其是后期形成的肺纖維化，嚴重影響患者的生活質量及臨床預后。RILI 的病理過程是一個由基因調控、多種細胞及分子參與的復雜的急慢性炎癥、持續性損傷及過度修復過程。目前針對RILI 尚缺乏特異性診斷標準，臨床上懷疑RILI 時應首先排除腫瘤進展及微生物感染。對于RILI的治療國內外學者研究較多，除外糖皮質激素、抗氧化劑等基礎用藥，靶向治療、MSC 治療、細胞衰老、自噬等似乎是更具潛力的治療研究方向，然而這類藥物大多處于臨床前階段，未來需要加大對此的研究。總體而言，隨著醫學技術的不斷進步，RILI的發生發展機制、診斷防治措施將會不斷完善。真正實現減少并發癥的同時提升放療療效、改善患者預后，這需要國內外臨床科研工作者的共同努力。