GDF15與肺部疾病的研究進(jìn)展

顧麗娜 王天真 陸菊 曹孟淑

1南京中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合臨床附屬鼓樓醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科210008;2南京醫(yī)科大學(xué)附屬鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科210008

1997年,生長分化因子15(growth differentiation factor 15,GDF15)首次從人骨髓單核細(xì)胞系U937中分離出來[1]。GDF15作為自分泌調(diào)節(jié)因子在脂多糖刺激的巨噬細(xì)胞中能抑制腫瘤壞死因子α的產(chǎn)生,所以被命名為巨噬細(xì)胞抑制因子。因?yàn)镚DF15參與細(xì)胞生長調(diào)節(jié),所以又稱作GDF15,屬于轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)超家族遠(yuǎn)房成員之一[2]。GDF15基因位于人染色體19p12-13.1位點(diǎn)[3],其編碼的蛋白具有TGF-β超家族的典型結(jié)構(gòu)學(xué)特征,前體蛋白含308個(gè)氨基酸,經(jīng)酶切后成為112個(gè)氨基酸的成熟蛋白,相對分子質(zhì)量為25 000,通過二硫鍵連接成具有生物活性的同源二聚體,包含1個(gè)高度保守的7個(gè)半胱氨酸結(jié)構(gòu)域[4]。

1 GDF15概述

1.1 GDF15及其受體 GDF15在人體組織包括肺、腎、肝、肌肉、脂肪和胎盤均有表達(dá),妊娠期這些組織可分泌高水平的GDF15[5-8]。正常人外周血GDF15水平在100～1 200 ng/L之間[9],但在運(yùn)動、組織損傷和許多疾病狀態(tài)下包括癌癥、心血管疾病、腎病和肺病,循環(huán)中的GDF15水平會增加[10]。在健康人群中,GDF15血清水平與年齡、甘油三酯呈正相關(guān),與內(nèi)生肌酐清除率呈負(fù)相關(guān)[9]。GDF15參與能量穩(wěn)態(tài)及體質(zhì)量的調(diào)節(jié),目前發(fā)現(xiàn)其受體重組人神經(jīng)膠質(zhì)源神經(jīng)營養(yǎng)因子受體α樣蛋白(glial cell linederived neurotrophic factor receptor alpha-like,GFRAL)與GDF15特異性結(jié)合后可以調(diào)節(jié)代謝[11]。GFRAL蛋白與僅存在于腦干中的神經(jīng)元表面上的受體酪氨酸激酶形成一種復(fù)合物,外周血中的GDF15與位于腦干后區(qū)的神經(jīng)元細(xì)胞表面的GFRAL/受體酪氨酸激酶受體復(fù)合物結(jié)合,觸發(fā)受體磷酸化和下游細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)。GDF15通過這種信號影響到的神經(jīng)回路包括孤束核、臂旁外側(cè)核、中央杏仁核和下丘腦的神經(jīng)元,從而減少飲食,最終導(dǎo)致體質(zhì)量減輕。雖然GDF15屬于TGF-β超家族成員,但有研究認(rèn)為GDF15不能通過TGF-β受體進(jìn)行傳導(dǎo)[12]。

1.2 GDF15的生物學(xué)功能 GDF15生物學(xué)功能多種多樣。研究發(fā)現(xiàn)GDF15在調(diào)控應(yīng)激反應(yīng)、參與調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞和炎癥的活動、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡方面均發(fā)揮重要作用[13]。Tiwari等[14]研究發(fā)現(xiàn)GDF15能保護(hù)肺內(nèi)皮和上皮細(xì)胞抵抗高氧環(huán)境,而p53基因沉默顯著降低GDF15的活性。Nickel等[15]研究證明GDF 15能引起AKT磷酸化,抑制肺血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡。然而,Kempf等[16]通過心肌梗塞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn),GDF15在內(nèi)皮功能障礙的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。GDF15能直接干擾趨化因子信號傳導(dǎo)和整合素激活。此外,參與PI3K和AKT依賴性信號通路的心肌細(xì)胞中具有抗凋亡作用。

在纖維化方面,Hsiao等[17]證明重組GDF15能夠抑制免疫細(xì)胞的活性,從而減少炎癥因子產(chǎn)物,改善肝纖維化的發(fā)展。在腫瘤發(fā)生上,GDF15參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、血管生成和轉(zhuǎn)移[18]。在心血管系統(tǒng)中,心肌損傷在壓力超負(fù)荷、心力衰竭、缺血再灌注損傷及動脈粥樣硬化等條件下,GDF15的表達(dá)均顯著升高[27]。在神經(jīng)系統(tǒng)中,GDF15具有多種功能,可參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變[28],是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的保護(hù)因子[19]、運(yùn)動和感覺神經(jīng)元的新的營養(yǎng)因子[30]及腦血管疾病及腦損傷的預(yù)測因子。GDF15在不同組織或類型的細(xì)胞中作用機(jī)制的不同,可能與細(xì)胞表面不同GDF15親和力的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β/活化素受體的差異表達(dá)有關(guān)[31]。

2 GDF15與肺部疾病的關(guān)系

肺臟是GDF15的重要靶器官,當(dāng)肺臟處于炎癥或應(yīng)激狀態(tài)時(shí),肺組織中包括支氣管和毛細(xì)支氣管上皮細(xì)胞[21-22]、肺間質(zhì)細(xì)胞[23]、巨噬細(xì)胞和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞[15]均能顯著表達(dá)GDF15。

2.1 GDF15與COPD 在COPD患者中,外周血GDF15表達(dá)水平較正常人明顯升高,而急性加重期患者GDF15水平較穩(wěn)定期顯著升高。另外,GDF15是COPD急性加重獨(dú)立的預(yù)測因素[24]。GDF15的升高除與COPD患者年齡、吸煙、惡病質(zhì)及貧血相關(guān)外[25],與COPD年惡化率、病死率增加以及第一秒用力呼氣容積和FVC的下降速率均增加相關(guān)[26]。另外,COPD合并貧血患者GDF15水平顯著高于不合并貧血患者。

COPD的發(fā)病與有害顆粒的吸入導(dǎo)致的慢性炎癥反應(yīng)有關(guān),與非吸煙正常人相比,COPD吸煙患者的小氣道上皮細(xì)胞中GDF15蛋白表達(dá)增加,主要集中在上皮的纖毛細(xì)胞。缺乏GDF15能減輕香煙煙霧誘導(dǎo)的小鼠肺部炎癥反應(yīng),這說明COPD患者體內(nèi)GDF15水平增加可能有助于香煙煙霧誘導(dǎo)的肺部炎癥發(fā)展[27]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氣道上皮細(xì)胞產(chǎn)生GDF15,激活PI3K途徑以促進(jìn)黏蛋白的表達(dá),調(diào)節(jié)香煙煙霧暴露肺氣道黏膜免疫功能從而導(dǎo)致COPD的發(fā)病。Jiang等[23]研究發(fā)現(xiàn)GDF15的表達(dá)與COPD患者上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化標(biāo)志物上皮型鈣黏蛋白呈負(fù)相關(guān)性,與波形蛋白呈正相關(guān)性。證明香煙煙霧提取物誘導(dǎo)的人小氣道上皮細(xì)胞中,GDF15表達(dá)升高,從而引導(dǎo)上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的病理過程。病毒或細(xì)菌感染是COPD急性加重的重要原因,而人鼻病毒是其中最常見病毒。研究表明GDF15可促進(jìn)肺人鼻病毒感染誘導(dǎo)的肺部炎癥反應(yīng)的發(fā)生[21]。

2.2 GDF15與肺栓塞 Lankeit等[28]對123例急性肺動脈栓塞(acute pulmonary embolism,APE)患者進(jìn)行研究,APE患者血清GDF15水平明顯高于健康患者組,并對APE的預(yù)后具有預(yù)測價(jià)值,對于入院時(shí)血清GDF15水平大于4 600 ng/L的APE患者,30 d內(nèi)出現(xiàn)死亡或嚴(yán)重并發(fā)癥的可能性更大。Duran等[29]也指出APE患者GDF15水平大于2 943 ng/L時(shí),能更好的預(yù)測30 d總死亡率。然而Jenab等[30]研究發(fā)現(xiàn),APE患者GDF15水平升高不僅與急性右心室超負(fù)荷有關(guān),與潛在的合并癥如心臟衰竭病史同樣有關(guān),并且APE患者GDF15水平不影響短期不良事件的發(fā)生。肺栓塞時(shí)血液GDF15升高與細(xì)胞應(yīng)激和臟器功能受損有關(guān),也可能由于心肌能量代謝的主要場所線粒體出現(xiàn)了明顯的破壞[31]。Rossaint等[32]發(fā)現(xiàn)重組GDF15能減少血小板聚集,減緩血栓形成并延長出血時(shí)間。肺栓塞后所致的血管緊張素Ⅱ升高、缺血缺氧所致的心肌損傷、氧化應(yīng)激和肺動脈高壓、心肌能量代謝的主要場所線粒體明顯的破壞等均能誘導(dǎo)心肌細(xì)胞及肺組織表達(dá)GDF15。因而GDF15的水平可以更全面的反映肺栓塞后的病理生理變化。

2.3 GDF15與肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH) GDF15在特發(fā)性PAH患者外周血中明顯升高,外周血GDF15是與PAH預(yù)后有關(guān)的潛在標(biāo)志物,并且GDF15水平與心臟指數(shù)和平均右心房壓力相關(guān)[33]。血漿GDF15水平與先天性心臟病合并PAH患者肺血管系統(tǒng)壓力增加的病理狀態(tài)密切相關(guān)[34]。系統(tǒng)性硬化(systemic scleroderma,SSc)合并PAH患者不僅血漿中GDF15的水平升高,肺組織中GDF15蛋白表達(dá)也明顯增加[35]。Nickel等[15]證明了GDF15在PAH患者的血管區(qū)域中強(qiáng)烈表達(dá),尤其是在形成叢狀病變的血管內(nèi)皮細(xì)胞中。GDF15在血管平滑肌細(xì)胞中表達(dá)較低,在正常血管和具有中層肥大的重塑小動脈中均較低。當(dāng)暴露于缺氧和層流剪切應(yīng)力下,GDF15參與人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的平衡,能減少細(xì)胞凋亡數(shù),因此GDF15可能在PAH患者叢狀病變的演變和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用[15]。

2.4 GDF15與肺癌 近年來研究發(fā)現(xiàn)肺癌患者外周血GDF15水平顯著升高。惡性孤立性肺結(jié)節(jié)(solitary pulmonary nodules,SPNs)患者血清GDF 15水平顯著高于良性患者或健康者,Ⅲ期肺癌患者顯著高于Ⅰ～Ⅱ期患者,隨著病程進(jìn)展,GDF 15水平進(jìn)一步升高。血清GDF 15診斷惡性SPNs具有很高敏感性和特異性[55-56]。另外,在部分緩解、穩(wěn)定和疾病進(jìn)展的肺癌患者之間,血清GDF15水平具有顯著差異,可能成為化療療效評價(jià)的指標(biāo)之一[36]。

Cekanova等[37]發(fā)現(xiàn)GDF15可能具有抑癌作用,GDF15高表達(dá)的小鼠,肺癌病灶數(shù)更少,腫瘤細(xì)胞凋亡明顯增加。研究發(fā)現(xiàn),GDF15能通過激活腫瘤抑制通路,如p53和早期生長應(yīng)答蛋白EGR-1等發(fā)揮抑癌作用。p53是一種在癌細(xì)胞中經(jīng)常發(fā)生突變和/或失活的主要抑癌蛋白,而GDF15是p53及其家族成員的轉(zhuǎn)錄靶基因,其啟動子區(qū)域包含2個(gè)p53型反應(yīng)元件[38]。GDF15還可以通過抑制腫瘤激活通路,如通過抑制Smad復(fù)合物的形成阻斷TGF-β/Smad通路[39]。另外,多種抑制腫瘤進(jìn)展的藥物是通過促進(jìn)GDF15的表達(dá)來發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)的,如非甾體抗炎藥可能通過EGR-1和Sp1結(jié)合位點(diǎn)誘導(dǎo)GDF15的表達(dá),從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡,抑制腫瘤發(fā)生[40]。

相反,有研究表明GDF15可作為促癌基因,Ratnam等[41]研究發(fā)現(xiàn)GDF15作為一種核因子κB調(diào)節(jié)基因,由腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生并在巨噬細(xì)胞中傳遞信號,是早期癌癥發(fā)展的重要啟動子。腫瘤細(xì)胞通過GDF15抑制TGF-β激活激酶活性,從而抑制核因子κB信號通道和下游產(chǎn)生的腫瘤壞死因子α與NO逃避巨噬細(xì)胞抗腫瘤作用。Urakawa等[42]在研究中發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞過表達(dá)GDF15導(dǎo)致細(xì)胞增殖和AKT、ERK1/2的磷酸化,促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞血管侵犯及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。GDF15是CDP138的關(guān)鍵下游效應(yīng)物,CDP138通過GDF15介導(dǎo)TGF-β/SMAD信號激活,從而抵抗放射性治療,促進(jìn)肺癌轉(zhuǎn)移[43]。

總之,外周血GDF15水平在肺癌早期診斷、預(yù)后估計(jì)、化療療效方面均作為生物標(biāo)志物發(fā)揮作用。GDF15的抗腫瘤活性與微環(huán)境密切相關(guān)。作為抑癌基因,既能通過激活腫瘤抑制通路,又能抑制腫瘤促進(jìn)通路,且GDF15基因可被多種抗腫瘤化合物誘導(dǎo);作為促癌基因,GDF15是重要的下游效應(yīng)基因,通過多種途徑參與腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移。

2.5 GDF15與肺纖維化 合并肺纖維化的SSc患者GDF15水平明顯高于沒有肺纖維化改變的SSc患者和健康對照[44]。de Jager等[45]研究表明激活的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生GDF15,從而上調(diào)CCL2和CCR2的表達(dá)來進(jìn)一步促進(jìn)巨噬細(xì)胞的募集,導(dǎo)致SSc的發(fā)展和纖維化的發(fā)生。另外,SSc患者 “雷諾現(xiàn)象”出現(xiàn)的缺血和再灌注導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷,GDF15可能通過抑制p53活性、上調(diào)HIF-1a表達(dá)和相關(guān)的下游血管生成信號來促進(jìn)血管生成[46]。

Lambrecht等[47]研究表明,在小鼠肺纖維化進(jìn)展過程中GDF15表達(dá)升高,但是敲除GDF15基因,肺纖維化的改變沒有差別。GDF15基因敲除的小鼠肺成纖維細(xì)胞中,炎癥和纖維化的IL-6、CCL2減少,說明GDF15參與了最初的炎癥階段,但GDF15對纖維化的發(fā)展并不具有決定性,在沒有GDF15的情況下纖維化依然會繼續(xù)發(fā)展。這可能是因?yàn)槠渌鸗GF-β家族成員可促進(jìn)纖維化的發(fā)展,并且在缺乏GDF15的情況下更容易被誘導(dǎo)產(chǎn)生。重組GDF15在GDF15基因敲除的小鼠中,能直接抑制骨橋蛋白(osteopontin,OPN)的表達(dá)[48]。

Kim等[22]研究發(fā)現(xiàn)來自人肺泡上皮細(xì)胞的GDF15是一種成纖維細(xì)胞抑制因子。將人肺泡上皮細(xì)胞的GDF15基因沉默,在其培養(yǎng)基中,正常人成纖維細(xì)胞增殖和存活率都會增加。重組人GDF15能下調(diào)人成纖維細(xì)胞膠原蛋白1α和α-SMA水平,促進(jìn)小鼠纖維化模型分離的成纖維細(xì)胞死亡,降低其增殖潛能。成纖維細(xì)胞的生長和激活在很大程度上依賴于TGF-SMAD信號通路,而體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明重組人GDF15肽段使P-Smad2/3表達(dá)降低,進(jìn)一步用TGF-β1激活TGF信號通路,重組人GDF15肽段使磷酸化的TGF-β受體和Smad2/3均被抑制,另外細(xì)胞外基質(zhì)的成分生長也被抑制。在沒有間質(zhì)性肺疾病的人肺組織內(nèi),GDF15沿肺泡壁廣泛表達(dá),但間質(zhì)性肺疾病患者肺部幾乎不表達(dá),在肺纖維化模型小鼠中GDF15同樣被抑制。每周2次用重組人GDF15肽段注射肺纖維化模型小鼠,小鼠存活率提高,肺組織中纖維化范圍大幅減輕[22]?？傊?GDF15在肺纖維化進(jìn)展過程中表達(dá)升高,但是并不能促進(jìn)纖維化進(jìn)一步加重,反而有抑制纖維化進(jìn)展的作用。這可能因?yàn)镚DF15是TGF-β受體的部分激動劑[49]。一般來說,弱激動劑可以在沒有完全激動劑的情況下刺激受體;但在有完全激動劑的情況下,其功能是使受體信號失活?？紤]到肺纖維化患者肺中富含TGF-β的環(huán)境,GDF15可作為纖維化發(fā)生的抑制劑。

綜上所述,GDF15生物學(xué)功能廣泛,參與多種肺部疾病的發(fā)病過程,但GDF15在肺部疾病中具體的機(jī)制仍需要更進(jìn)一步的研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突