半乳糖凝集素-3在特發性肺纖維化中作用的研究進展

王 丹，李芳偉，萬毅新

特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)是一種慢性、進行性、纖維化性間質性肺疾病，可能由于反復的肺泡上皮細胞損傷和隨后的異常愈合所引起，其潛在的發病機制尚未完全明確。IPF的病理表現涉及細胞外基質異常沉積、肌成纖維細胞分化、成纖維細胞增殖而凋亡減少，以及炎癥細胞異常浸潤等，引起肺實質結構進行性重塑、不可逆轉的瘢痕形成，最終導致肺功能下降、甚至衰竭[1]。IPF的治療目前仍有局限性，藥物治療方面吡非尼酮和尼達尼布對患者有中度療效，且副作用明顯、價格昂貴，肺移植因供體稀缺、排斥反應等受到限制[2]。目前IPF患者的生存期低、病死率高，迫切需要更安全有效的治療方案。

半乳糖凝集素-3(Galectin-3, Gal-3)與肺、心、肝等多種臟器纖維性疾病有關[3]。在肺纖維化動物模型中以及IPF患者中發現Gal-3可能是IPF發病的重要介質和有效的治療靶點[4-6]，但具體作用機制尚不明確。本文現就Gal-3及其抑制劑在IPF中的作用研究進展進行闡述，以期提供一定的臨床價值。

1 Gal-3

凝集素是在植物和動物中發現的，可與糖綴合物特異性結合的碳水化合物結合蛋白。半乳糖凝集素屬于動物凝集素家族，是一組水溶性、非糖基化的球狀蛋白，包含1個或2個130個氨基酸長的保守碳水化合物識別結構域，因對β-半乳糖苷衍生物的親和力及共有的氨基酸序列這兩種特點，區別于其他動物凝集素[7]。半乳糖凝集素在細胞質中合成，在細胞核、細胞質以及細胞外基質中發揮作用，但因沒有蛋白質通過“內質網-高爾基體”經典分泌途徑分泌所必需的信號序列，是通過細胞主動分泌方式分泌[7]。目前，哺乳動物中發現有15種半乳糖凝集素，分原型、嵌合型、串聯重復型三種類型。Gal-3是唯一的嵌合型，由人類14號染色體上的LGALS3基因編碼合成，具有一個羧基末端、中間的膠原樣重復序列和一個氨基末端[8]。在成人中，Gal-3普遍分布于造血組織、淋巴結、呼吸道等組織，既存在于細胞內、細胞外，也可以膜分子的形式存在，參與細胞信號調節、增殖、炎癥、免疫、血管生成、癌變、自噬調節等多種病理、生理過程[9]。目前研究發現，Gal-3可能主要通過促進炎癥、促進組織纖維化等過程參與肺纖維化的發生、發展。

2 Gal-3在IPF中的作用

2.1 Gal-3通過促進炎癥反應參與IPF的發生目前認為IPF主要是由肺泡和氣道上皮細胞受損引起[10]。組織在受損后會啟動一系列包括早期急性炎癥的修復過程，以恢復器官的完整性，這時引起白細胞在受損組織中滲透、激活和積聚，浸潤的白細胞不僅能激活成纖維細胞，還能自行產生膠原促進組織纖維化[11]。雖然炎癥對組織再生及愈合至關重要，但持續的炎癥可能會導致組織損傷、纖維化，甚至器官衰竭。Gal-3在髓系細胞(包括單核細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞)中高表達，肺泡巨噬細胞、上皮細胞和肺泡細胞是肺內Gal-3的主要來源[6,12]。研究發現，Gal-3在調節先天免疫以及促進急性和慢性炎癥中發揮重要作用。Gal-3能激活T淋巴細胞、B淋巴細胞、單核巨噬細胞和中性粒細胞[13-15]。在急性炎癥反應中，Gal-3促進單核細胞及巨噬細胞趨化、中性粒細胞清除及肥大細胞脫顆粒，并對中性粒細胞的凋亡有調理作用[16-17]。Gal-3作為模式識別受體和損傷相關模式分子促進炎癥小體的組裝，炎癥小體產生的白細胞介素-1(interleukin-1, IL-1)和IL-18促進炎癥反應，并激活未折疊的蛋白反應，未折疊的蛋白反應通過增強核因子-κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)和其他途徑來放大炎癥反應[18]。Gal-3通過激活細胞外ERK、AKT和JAK-STAT1信號通路，導致流感病毒和肺炎鏈球菌同時在感染期間促炎細胞因子的釋放失調[19]，并通過巨噬細胞NLRP3炎癥體激活促進宿主炎癥反應，從而增強H5N1禽流感病毒的致病作用[20]。Toll樣受體4(Toll-like receptors 4, TLR4)可促進涉及干擾素相關基因、白介素、趨化因子以及Gal-3表達的強烈炎癥反應，而Gal-3又可激活TLR4，兩者相互作用促進肺部炎癥進展[21]。Gal-3還可與細菌、病毒和真菌表面的聚糖結合，在識別病原體方面具有潛在作用[22]。最新研究發現，選擇性髓系細胞耗竭可降低小鼠肺組織中的(主要是中性粒細胞和肺泡巨噬細胞)Gal-3水平，繼而減少中性粒細胞募集和外滲，減輕脂多糖誘導的急性肺損傷以及博萊霉素誘導的肺纖維化[6,23]。Gal-3與新型冠狀病毒感染后的肺部炎癥和纖維化反應有關，新型冠狀病毒感染的肺巨噬細胞亞群形成由髓系細胞觸發受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2, TREM2)和Gal-3表達控制的促纖維化表型，從而觸發肺纖維化[24]。

因此，在肺組織受損后異常修復時，持續的炎癥反應誘發肺組織纖維化，Gal-3可能通過在炎癥反應中的積極作用參與IPF的發生、發展(圖1)，具體作用機制還需肺纖維化動物模型及IPF患者的體內外實驗研究進一步證實。

圖1 Gal-3在炎癥反應和促組織纖維化中的作用及相關分子機制

2.2 Gal-3通過促纖維化作用參與IPF的發生Nishi等[25]首先證明IPF患者BALF中的Gal-3升高，Gal-3誘導THP-1巨噬細胞產生腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和IL-8；刺激NIH-3T3成纖維細胞誘導遷移和膠原合成。TNF-α是一種纖維原性細胞因子，能夠通過巨噬細胞/單核細胞系模型誘導透明質酸-3的產生，可導致細胞外基質異常沉積[8]。Nishi等[25]亦發現患有其他間質性肺病的患者，如隱源性機化性肺炎、急性過敏性肺炎和傳染性支氣管炎在BALF中Gal-3無明顯增加，說明Gal-3表達增加在IPF和與膠原血管疾病相關的間質性肺炎中可能具有特異性。Mackinnon等[4]再次證明IPF患者BALF和血清中Gal-3特異性升高，且在IPF加重期血清Gal-3水平顯著升高，提示Gal-3可能是IPF疾病活動和加重的生物學標志物。Gal-3基因敲除小鼠和博萊霉素誘導的小鼠肺纖維化明顯減輕，表現為TGF-β誘導的上皮-間質轉化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)、肌成纖維細胞活化減少和膠原生成減少；Gal-3還降低了β-連環蛋白的磷酸化和核移位[4]。β-連環蛋白通過調節細胞周期蛋白-D1和基質金屬蛋白酶7(matrix metalloproteinase 7, MMP7)的表達，與EMT和肺組織重塑有關[26]。在對2 596例弗雷明翰心臟研究參與者進行隨訪發現，Gal-3濃度升高與肺間質異常和限制性肺功能障礙相關，提示Gal-3在肺纖維化早期有潛在作用[27]。Gal-3還能夠交聯包括TGF-β受體、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)受體和血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor, PDGF)受體促進纖維化形成[28-29]。TGF-β通過誘導IPF患者中的EMT、肌成纖維細胞活化、細胞外基質生成和肺泡上皮細胞凋亡而促進肺纖維化[30]。PDGF通過其促有絲分裂和趨化作用促進纖維化，還可以與TGF-β協同促進組織纖維化[31]。新型酪氨酸激酶抑制劑尼達尼布就是通過抑制PDGF、VEGF和成纖維細胞衍生生長因子(fibroblast growth factor, FGF)活性，減少膠原沉積和抑制促纖維化基因表達來減輕肺纖維化[32]。Gal-3還可以介導IL-4誘導的巨噬細胞替代激活，IL-4激活的巨噬細胞上調纖維化相關基因，刺激基質生成，進而促進組織纖維化[8]。研究還發現Gal-3是TREM2和分泌性磷蛋白1(secreted phosphorprotein 1, SPP1)協同作用最強的分子之一[33]，而TREM2和SPP1是促纖維化巨噬細胞亞群中的纖維化標志物[13]。TLR4與成纖維細胞活化和隨后的肺纖維化有關，小鼠模型中TLR4的成纖維細胞特異性缺失誘導肺纖維化顯著減少，Gal-3與TLR4的表達有相互促進的作用[21,34]。

綜上所述，Gal-3通過與巨噬細胞、成纖維細胞、肌成纖維細胞及一些促纖維化介質相互作用促進肺組織纖維化，參與IPF的發生、發展。

3 Gal-3抑制劑在肺纖維化中的治療潛力

因Gal-3在炎癥反應及促纖維化中的積極作用，使得在纖維化疾病中靶向抑制Gal-3的研究越來越多。目前針對Gal-3抑制劑在IPF治療中的研究主要為雙糖β-硫代半乳糖苷小分子TD139，其是Gal-3碳水化合物結合結構域的新型高親和力抑制劑[4]。在肺纖維化小鼠的體內外實驗中，TD139抑制Gal-3表達，阻斷TGF-β誘導的β-連環蛋白的激活，減輕TGF-β及博萊霉素誘導的肺損傷后的纖維化[4,35]。TD139的抗纖維化潛力集中在抑制分泌Gal-3的巨噬細胞的募集和活化，即抑制了局部肌成纖維細胞活化的主要驅動因素[23]。目前已進入臨床試驗的Gal-3抑制劑是吸入型TD139，在一項臨床試驗研究中，每天1次以干粉形式吸入給藥，持續2周，TD139在肺中高濃度聚集，抑制BALF中巨噬細胞Gal-3表達和與IPF相關的血漿生物標志物的表達，并表現出濃度依賴抑制。該實驗還證明吸入TD139在健康受試者和IPF患者中是安全、耐受性良好的，無明顯治療相關副作用，且TD139在肺中的濃度明顯高于血液中的濃度[36]。

目前還研發了一種單糖Gal-3抑制劑GB1107，在肺腺癌小鼠模型中經口給藥后證明對小鼠肺腺癌有一定的療效[37]。一項以糖類藥物作為內源性生物分子的獨特靶向載體或替代物研究發現，雙糖藥物(TD139替代物)從血液中迅速排出，而單糖藥物(GB1107替代物)無排泄跡象。這表明雙糖TD139不宜全身用藥，而GB1107替代物延長的生物半衰期則表明該藥可以全身用藥[38]。上述結果進一步說明吸入TD139治療適用于IPF患者。

4 結語

目前IPF病因及發病機制均不明確，患者預后不良，治療仍有局限性。Gal-3表達與IPF的發生、發展密切相關，在IPF患者肺泡灌洗液、肺組織勻漿、血清中發現Gal-3水平上升，且在IPF急性加重期顯著升高，表明Gal-3有作為IPF及IPF急性加重的生物學標志物的潛力。Gal-3作為一種有效的炎癥蛋白，參與炎癥反應的啟動和放大，是慢性肺損傷纖維化的重要驅動因素。Gal-3還可以通過促進成纖維細胞增殖、肌成纖維細胞活化增殖、EMT、細胞外基質異常沉積等促進肺組織纖維化。即Gal-3通過促進炎癥反應、促進肺組織纖維化參與IPF的發生、發展，但具體作用機制仍需更多的肺纖維化動物模型及IPF患者的體內外實驗研究進一步證實。對Gal-3抑制劑的臨床前實驗研究以及對吸入型TD139的臨床試驗，證明了靶向抑制Gal-3在肺纖維化中的治療潛力。值得期待的是，吸入TD139與吡非尼酮或尼達尼布聯合治療可能會使IPF患者獲得更好的治療效果，亦需后續試驗進行深入探究。