脂肪酸代謝重編程在肺纖維化中的研究進展

白 璐，王佳新，王 雪，曾 巍，宋美月，張田甜，王 婧*

1. 中國醫學科學院基礎醫學研究所 北京協和醫學院基礎學院 呼吸與共病全國重點實驗室，北京100005；2. 清華大學醫學院 生物系 生命科學中心，北京100084；3. 哈爾濱醫科大學第二附屬醫院 呼吸科，黑龍江 哈爾濱150001

肺纖維化是以炎性反應和細胞外基質沉積為特征的一組肺部疾病,主要累及肺間質和肺泡腔,導致肺組織異常修復引起不可逆損傷。其病因非常復雜,發病機制不清晰,目前缺乏有效的治療方法, 預后極差,死亡率高。近年來進行了大量研究,指出肺纖維化中肺泡上皮細胞凋亡、巨噬細胞M2極化以及成纖維細胞活化是該病發生發展的核心機制,但影響它們的關鍵因素和分子機制仍然不明確。最近的研究指出肺纖維化中存在脂肪酸代謝重編程,影響肺部炎性反應、纖維化和氧化應激。然而,脂肪酸代謝的每個環節如何影響肺纖維化的具體機制尚不清楚。本綜述討論肺纖維化中脂肪酸代謝重編程,為進一步探索肺纖維化的發病機制和尋找針對脂肪酸代謝的治療靶點提供新的思路。

1 脂肪酸代謝重編程

在正常肺組織中,脂肪酸的代謝過程是精確調控的,涉及脂肪酸的合成、攝取、氧化和衍生等多個環節。這些過程確保肺部細胞能夠高效利用脂肪酸作為能量來源,同時維持細胞膜的穩定性和各種生物活性分子的合成。脂肪酸代謝的這種平衡狀態對維持肺部正常功能至關重要。然而,在肺纖維化的病理狀態下,這種平衡被打破,出現脂肪酸代謝重編程,即脂肪酸的從頭合成、攝取和氧化等過程發生改變,以適應疾病狀態下細胞的能量和代謝需求。在此過程中,脂肪酸的異常代謝導致細胞功能紊亂,影響細胞死亡和炎性反應,進而促進纖維化進程。同時,脂肪酸代謝產物如前列腺素和白三烯等,通過影響炎性反應和纖維化細胞的活性,進一步加劇疾病的進展。因此,肺纖維化中脂肪酸代謝重編程不僅是對疾病環境的一種適應性響應,也可能成為加重疾病的重要因素。

2 脂肪酸代謝重編程參與肺纖維化的研究進展

2.1 脂肪酸從頭合成改變脂肪酸組分參與肺纖維化

在肺纖維化疾病狀態下,脂肪酸組分經常發生顯著改變。特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)患者肺部棕櫚酸水平升高,硬脂酸水平降低[1]。在博來霉素(bleomycin,BLM)誘導的肺纖維化小鼠模型中,肺組織中的多不飽和脂肪酸水平升高。所以,不同的脂肪酸可能對肺纖維化發揮不同的作用。

外源補充不同的脂肪酸可以產生抗纖維化或抗炎效果。在BLM誘導的小鼠模型中,外源補充硬脂酸通過抑制轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β1通路降低小鼠肺部羥脯氨酸水平[1]。Omega-3不飽和脂肪酸通過產生抗炎活性物質改善BLM小鼠肺部炎性反應[2]。

脂肪酸組分的內源性調節主要受到脂肪酸鏈延長酶家族成員6(elongation of long-chain fatty acids family member 6,Elovl6)和硬脂酰輔酶A去飽和酶-1的調控。IPF患者以及BLM誘導小鼠的肺組織中Elovl6表達降低[3]。Elovl6-/-小鼠的肺組織中棕櫚油酸增加,硬脂酸減少。肺泡Ⅱ型上皮細胞中Elovl6發揮抗凋亡、抗氧化和抗纖維化的保護作用[3]。類似地,硬脂酰輔酶A去飽和酶-1通過抑制小鼠肺部內質網應激發揮抗纖維化作用[4]。值得注意的是,在兩項研究中,脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)表現出對于纖維化相反的作用。過表達Fasn通過減少線粒體膜電位變化、活性氧產生及肺泡上皮細胞死亡減輕BLM小鼠肺纖維化[5]。然而TGF-β通路活化依賴FASN,可能是由于纖維化環境需要脂肪酸大量合成提供營養[6]。

2.2 脂肪酸攝取轉運體參與肺纖維化

除了從頭合成,細胞還可以從胞外環境攝取脂肪酸。外源性脂肪酸通常以甘油三酯的形式由血漿脂蛋白轉運,脂蛋白脂肪酶將其水解,然后脂肪酸通過脂肪酸轉運體介導的主動運輸或被動擴散進入細胞。細胞攝取長鏈脂肪酸需要借助轉運體,包括CD36、質膜相關脂肪酸結合蛋白(plasma membrane-associated fatty acid-binding protein,FABPpm)和脂肪酸轉位酶(fatty acid transport proteins,FATPs)。

CD36在促進肺纖維化的過程中起著關鍵作用。肺巨噬細胞膜上的CD36協助細胞攝取凋亡肺泡上皮細胞釋放的氧化磷脂[7]。氧化磷脂的積累導致巨噬細胞發生促纖維化表型轉化。同時,巨噬細胞表面的CD36激活Src家族激酶Lyn,進而上調TGF-β的表達,進一步促進肺纖維化發展[7]。

然而關于FABP和FATP在肺纖維化中的作用研究較少。但在多種肺癌患者腫瘤組織以及細胞系中均檢測到FATP3蛋白表達水平顯著升高,且在細胞系中敲低編碼FATP3的基因明顯降低肺癌細胞系的增殖速率,提示FATP3加重肺癌疾病進展[8]。而FABP5通過促進肺自然殺傷細胞成熟,抑制肺癌轉移[9]。考慮到肺纖維化中免疫細胞異常激活,肌成纖維細胞過度增殖,FABP5和FATP3可能影響炎性反應和纖維化過程,參與肺纖維化。

2.3 脂肪酸氧化相關轉錄因子及關鍵酶參與肺纖維化

脂肪酸β氧化是脂肪酸產生生物能量的主要途徑,其產生的大量乙酰輔酶A和三磷酸腺苷,用于三羧酸循環產生能量。在肺纖維化疾病中,肌成纖維細胞大量增殖,導致肺部纖維灶處于缺氧狀態,脂肪酸氧化相關轉錄因子和關鍵酶增強脂肪酸氧化過程,以供應更多能量。

過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR-γ)是調節脂肪酸氧化最關鍵的轉錄因子。大多數研究主要關注PPAR-γ的激動劑如GED-0507[10],其在體內外的肺纖維化模型中均顯示出抗纖維化活性。此外,還有一些與PPAR-γ密切相關的小分子化合物,如培美貝特[11],在肺纖維化動物模型中也顯示出明確的治療效果。

一氧化氮、不飽和脂肪酸和亞油酸之間的非酶反應分別生成10硝基油酸和12硝基亞油酸,稱為硝化脂肪酸(nitrated fatty acids,NFA),是PPAR-γ的生理活化劑。在體外實驗中,NFA上調PPAR-γ的表達,并阻斷TGF-β誘導的成纖維細胞分化。在BLM誘導的小鼠體內,NFA抑制肺泡上皮細胞凋亡、成纖維細胞分化和增殖、膠原蛋白和α-平滑肌肌動蛋白的表達,同時加速膠原降解[12]。作為內源性化合物,NFA可能比合成的PPAR-γ激動劑更安全,具有不可忽視的治療潛力。值得關注的是,通過對PPAR-γ表觀調控抑制DNA甲基化,抑制PPAR-γ的表達也對肺纖維化有治療效果[13]。

除了PPAR-γ,脂肪酸氧化關鍵酶肉堿脂酰轉移酶1(carnitine acyl transferase 1,CPT1)在肺纖維化的進展中也發揮作用。上調CPT1A的表達可以增強脂肪酸氧化,從而阻止肺泡巨噬細胞活化[14]。APN/CPT1A介導的脂肪酸氧化可以通過激活自噬來抗纖維化[15]。然而,研究發現巨噬細胞中CPT1A與B淋巴細胞瘤(BCL)-2結合,導致細胞凋亡抵抗和組織纖維化[16]。目前對于CPT1A的研究相對較少,仍需進一步探索。

2.4 脂肪酸衍生物影響肺纖維化發展

脂肪酸衍生物來自細胞膜磷脂水解釋放的游離花生四烯酸,經過環氧化酶途徑或脂氧化酶途徑產生。通過對矽肺病患者和小鼠模型的肺組織進行轉錄組測序和驗證,發現病肺中參與花生四烯酸環氧化酶途徑的前列腺素D2合酶和血栓素A2合酶的mRNA和蛋白質表達顯著增加,提示花生四烯酸衍生物可能影響肺纖維化的發展[17]。

花生四烯酸經環氧化酶途徑生成的前列腺素和血栓烷等生物活性物質在肺纖維化中發揮不同的作用。前列腺素D2具有抗纖維化的作用。在人支氣管成纖維細胞中,激活前列腺素D2受體顯著降低TGF-β1誘導的肌成纖維細胞分化、增殖和細胞外基質合成,并且減少白細胞介素-6和纖溶酶原激活物抑制劑-1[18]。前列腺素E2通過與人肌成纖維細胞上的EP2受體結合,促使肌成纖維細胞去分化,從而發揮抗纖維化效果。相反,前列腺素F2則通過促進肌成纖維細胞增殖,加劇纖維化過程[19]。前列環素類似物曲前列尼爾通過激活cAMP-AKT-CREB信號轉導通路,促進線粒體自噬,抑制成纖維細胞增殖[20]。另一種前列環素類似物,伊洛前列素,阻止香煙煙霧誘導的肺上皮細胞向間充質細胞轉化,并改善E-鈣黏蛋白的缺失[21]。前列環素類似物曲前列尼爾和伊洛前列素在肺纖維化臨床前研究中的效果評價以及機制探索,加速兩藥的臨床轉化實驗。

而花生四烯酸通過脂氧化酶途徑轉化為白三烯,在肺纖維化的發展中可能具有促進作用。白三烯的過度產生可能加劇肺部組織的炎性反應和纖維化過程。因此,使用白三烯受體拮抗劑,如孟魯司特,顯示出積極的治療潛力。孟魯司特能有效減少砷誘導的人支氣管上皮細胞中活性氧的產生,進一步抑制蛋白激酶B-核因子κB信號通路激活和下游的上皮-間充質轉化[22]。

3 靶向脂肪酸代謝藥物對肺纖維化的治療效果

在肺纖維化臨床前研究中,靶向脂肪酸代謝的藥物治療效果可觀。因此,一些臨床試驗已經啟動,旨在評估針對脂肪酸代謝的藥物在肺纖維化患者中的療效和安全性。然而,目前只有針對脂肪酸衍生環節的藥物進入臨床研究,轉化研究較為局限。

大部分研究著眼于前列環素類似物。目前有4項注冊臨床試驗正在進行,旨在評估針對IPF的前列環素類似物曲前列尼爾的療效和安全性(NCT04905693、NCT05943535、NCT05255991、NCT04708782)。另外,還有幾項臨床試驗旨在評估口服(NCT02603068)、靜脈或皮下注射(NCT00705133)以及吸入(NCT00703339、NCT02633293、NCT05572996、NCT02630316)前列尼爾治療肺纖維化-肺動脈高壓共病的療效。INCREASE研究(NCT02630316)發現,吸入曲前列尼爾明顯改善患者的運動能力和用力肺活量[23],且具有長期療效[24]。同時,伊洛前列素作為另一種前列環素類似物,也在進行治療肺纖維化-肺動脈高壓共病的臨床試驗(NCT00439543和NCT00109681)[24]。

此外,對于造血前列腺素D合酶的選擇性和可逆性抑制劑ZL-2102,正在進行慢性阻塞性肺疾病、哮喘及IPF患者的耐受性和藥代動力學研究(NCT02397005)。

4 問題與展望

肺纖維化是一種病因復雜、預后差的疾病,缺乏有效的治療方法。深入探究肺纖維化的發病機制,尋找新的治療靶點,是當今醫學界亟需解決的問題,具有重要的科學意義和臨床價值。脂肪酸代謝過程中關鍵酶及相關物質可能在肺纖維化的發生和發展中發揮著不同的作用,一些能夠預防和修復肺損傷,而另一些能夠誘導和促進肺纖維化形成。如何在這些過程中找到平衡點,仍然是一項挑戰。因此,深入理解脂肪酸代謝的雙重性質對于治療肺纖維化至關重要。通過調節關鍵酶和轉錄因子、外源性調整脂肪酸組分,可以有效抑制肺部炎性反應、巨噬細胞促纖維化表型轉化及成纖維細胞活化,對于治療肺纖維化具有重要意義。

雖然目前已有前列環素類似物和前列腺素D合酶抑制劑進入臨床試驗,但針對脂肪酸代謝其他環節的藥物仍處于臨床前研究階段,通過這些新型藥物調控脂肪酸代謝,有望為肺纖維化治療提供新策略。然而,要將這些研究成果轉化為臨床應用,還需要進行更多的臨床研究以驗證其有效性和安全性。

未來的研究可以探索不同給藥形式或者藥物聯合應用的策略,以提高藥物療效和治療方案多樣性。例如,通過納米藥物遞送系統、基因編輯技術和靶向治療策略,以便更好地靶向脂肪酸代謝,進一步提升治療效果。