特發(fā)性肺纖維化發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

鄧曉玲，許 飛

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，南昌 330006)

特發(fā)性肺纖維化(IPF)是一種與衰老相關(guān)的肺間質(zhì)纖維化疾病，以常見的間質(zhì)性肺炎的組織病理學(xué)模式為特征，好發(fā)于中老年人群，以逐漸加重的呼吸困難和肺功能不可逆下降為特征，預(yù)后不良[1]，非移植患者的中位生存期在診斷后約3～5年[2]，到目前為止，提高生存率仍舊是一個(gè)極難攻克的難關(guān)[3]。由于IPF的發(fā)病機(jī)制尚不明確，在疾病的最初表現(xiàn)和最終診斷上會(huì)有時(shí)間延遲，對疾病診治也帶來極大的挑戰(zhàn)[4]。為此，筆者就近年來關(guān)于IPF的流行病學(xué)、發(fā)病機(jī)制、間質(zhì)機(jī)制及表觀遺傳學(xué)等的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在加強(qiáng)對IPF的的認(rèn)識(shí)和管理，為疾病診治提供思路。

1 IPF的流行病學(xué)

間質(zhì)性肺疾病(ILDs)是一類具有許多共同的臨床表現(xiàn)和病理生理特征疾病的總稱，有一部分ILDs發(fā)展成慢性進(jìn)展-纖維化表型，而特發(fā)性肺纖維化的定義是一種慢性進(jìn)展性纖維化間質(zhì)性肺炎[1]，可視為進(jìn)展性纖維化的原型[5-6]，但只有部分患者會(huì)出現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化，對疾病的發(fā)展和表型轉(zhuǎn)換知之甚少。越來越多的研究表明各種損傷及應(yīng)激導(dǎo)致的肺泡上皮細(xì)胞衰老以及肺組織的過早衰老是IPF的重要發(fā)病機(jī)制。據(jù)報(bào)道[7-9]在整個(gè)歐洲和北美，每年每10萬人中約有2.8～19例IPF；加拿大的數(shù)據(jù)分析報(bào)告[10]估計(jì)發(fā)病率為每10萬人18.7例；而俄羅斯每年的發(fā)病率為每10萬人中有4～6例[11]；全球發(fā)病率最低的是亞洲(韓國、中國臺(tái)灣地區(qū)和日本)，發(fā)病率為每年每10萬人1.2～4.16例[7]。IPF的患病率隨著年齡的增長而增加，男性患者比例高于女性，大部分患者診斷時(shí)>50歲，在英國85%的IPF患者的年齡>70歲[8,10-12]。以年齡作為參考的話，在加拿大50～59歲年齡段內(nèi)的患病率為每10萬人中有25.9例，而當(dāng)年齡段劃分到≥90歲時(shí)患病率上升至每10萬人507.0例[10]，有小部分患者(0.5%～3.7%)可出現(xiàn)家族性IPF，其發(fā)病年齡可能更早[12-13]。

2 發(fā)病機(jī)制

在各種類型的間質(zhì)性肺疾病中，IPF因其獨(dú)特的不良預(yù)后和對傳統(tǒng)治療的無反應(yīng)而備受關(guān)注。許多IPF患者發(fā)生的呼吸機(jī)能惡化與死亡的高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，這些呼吸機(jī)能的惡化被稱為IPF急性加重[14]，IPF的急性加重代表其潛在疾病過程的內(nèi)在加速，可能是由病毒感染、微吸入或環(huán)境污染等隱性應(yīng)激源引發(fā)[15-16]。

2.1 IPF的病理特征

肺IPF的大體外觀顯示特征性纖維化，沿肺葉下段分布，胸膜下加重。胸膜表面呈波狀或鵝卵石樣外觀，這些區(qū)域在切面上分別對應(yīng)肺泡擴(kuò)大和纖維性回縮區(qū)域。典型的間質(zhì)性肺炎的鏡下表現(xiàn)為空間和時(shí)間上的異質(zhì)性，這種病變的空間異質(zhì)性導(dǎo)致了斑片狀纖維化反應(yīng)，這種反應(yīng)在繼發(fā)性肺小葉的外周部分顯著，而在小葉的中央部分不明顯；而時(shí)間異質(zhì)性的表現(xiàn)為病變從肺小葉的邊緣向中心移動(dòng)時(shí)，肺損傷模式從慢性變?yōu)榧毙?，常見的特發(fā)性肺纖維化繼發(fā)間質(zhì)性肺炎常以少量的炎癥和肺組織的不均勻受累為特征。

2.2 IPF遺傳易感性

家族群集、遺傳性多系統(tǒng)疾病中肺纖維化的發(fā)生以及暴露于相似水平的纖維化因子的人類不同易感性支持了IPF具有遺傳易感性。GAHL等[17-19]研究者通過對Hermansky-Pudlak綜合征和先天性角化不良患者家系中基因分析，首次提出HPS基因突變以及DKC、TERT和TERC基因突變與特發(fā)性肺纖維化之間存在聯(lián)系，并為對其他形式肺纖維化家系的遺傳分析提供了依據(jù)。在RENZONI等[20]的研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑蛋白C(SPC)和表面活性劑蛋白A2(SPA2)由Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(ATⅡ)合成，并且這2個(gè)基因的突變與IPF有關(guān)。IPF被認(rèn)為是一種復(fù)雜的遺傳疾病，至少與7個(gè)基因(MUC5B、TERT、TERC、RTEL1、PARN、SFTPC和SFTPA2)核苷酸序列中的11個(gè)突變有關(guān)，而這些基因突變都可能導(dǎo)致上皮損傷后的異?；謴?fù)[21]。

2.3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

當(dāng)細(xì)胞對蛋白質(zhì)合成的需求與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成、加工和包裝所需蛋白質(zhì)的能力不平衡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。為了應(yīng)對這種壓力，細(xì)胞激活未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)以匹配內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白生產(chǎn)能力，通常內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)有助于細(xì)胞生存，但是如果壓力過大或持續(xù)時(shí)間過長，UPR不能滿足需求，則終端UPR被激活導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和UPR的激活也有助于肺纖維化的重建[22-23]。

2.4 轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)的激活

在正常條件下，TGF-β以其非活性形式與LAP結(jié)合，LAP與二價(jià)鍵連接到潛在的TGF-β結(jié)合蛋白，并與細(xì)胞外基質(zhì)交聯(lián)。在肺纖維化的發(fā)展過程中，肺泡上皮細(xì)胞表達(dá)的整聯(lián)蛋白αvβ6水平升高[24]，可以與LAP的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列結(jié)合[25]，αvβ6的結(jié)合僅限于TGF-β1和TGF-β3異構(gòu)體，通過這種介體與受體結(jié)合，會(huì)使得表達(dá)αvβ6的上皮細(xì)胞活化，從而誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白/肌球蛋白介導(dǎo)的上皮細(xì)胞收縮，這種收縮拉動(dòng)了結(jié)合在上皮細(xì)胞上的潛在TGF-β。但由于活性TGF-β似乎沒有釋放成可溶形式，因此這種收縮是局部的且空間受限的區(qū)域中誘導(dǎo)TGF-β的活化和信號傳導(dǎo)。肺上皮細(xì)胞損傷激活表達(dá)αvβ6誘發(fā)TGF-β激活，另外與TGF-β激活相關(guān)的可能過程包括抑制肺泡上皮細(xì)胞的增殖，將成纖維細(xì)胞分化為成肌纖維細(xì)胞以及激活促進(jìn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的程序使得IPF患者肺部的TGF-β水平增高[25-26]。

2.5 上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)過程

EMT是在特定生長因子激活后上皮細(xì)胞獲得與間充質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的分子和細(xì)胞生理特征的過程，其中TGF-β是非常重要的因素之一。EMT在組織損傷和重塑過程中被激活，肺泡細(xì)胞在IPF患者中表現(xiàn)出EMT的證據(jù)是基于上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞相關(guān)蛋白在IPF肺內(nèi)共定位的研究[27-29]。這種導(dǎo)致上皮細(xì)胞表達(dá)間質(zhì)細(xì)胞相關(guān)基因的分子重編程發(fā)生在3種生物學(xué)環(huán)境中:發(fā)育、癌癥和纖維化[30]，不論生物學(xué)背景如何，這3種EMT亞型的許多分子途徑都是重疊的，比如說上皮細(xì)胞的生長因子激活會(huì)觸發(fā)一組特定蛋白(如Slug、FSP1、αSMA等)的上調(diào)，同時(shí)又下調(diào)其他蛋白(如E-cadherin、Syndecan1等)，蛋白質(zhì)表達(dá)的這些變化導(dǎo)致上皮細(xì)胞失去極性和緊密連接，并變得更具活動(dòng)性，更加利于纖維化的發(fā)展[30]。

3 間質(zhì)機(jī)制

上皮細(xì)胞功能障礙與重塑的肺組織內(nèi)過量膠原蛋白沉積之間的關(guān)系，簡單的用上皮細(xì)胞受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導(dǎo)致TGF-β活化以及上皮細(xì)胞向分泌膠原的間充質(zhì)細(xì)胞過渡來解釋是完全不夠的，肺部重塑和纖維化的發(fā)展更有可能取決于潛在的基因突變，UPR激活和(或)EMT失調(diào)的上皮細(xì)胞與成纖維細(xì)胞之間的相互作用，而這個(gè)僅僅是被上皮細(xì)胞整合蛋白αvβ6激活的TGF-β刺激成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的系列反應(yīng)，上皮細(xì)胞和間質(zhì)之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

3.1 纖維細(xì)胞

纖維細(xì)胞是骨髓來源的間充質(zhì)細(xì)胞，可以通過它們在造血前體標(biāo)志物CD34或CD45和間充質(zhì)細(xì)胞蛋白Ⅰ型膠原蛋白的共表達(dá)而在循環(huán)或組織中鑒定[31]。有研究[32-33]提出纖維細(xì)胞可能是通過直接產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白)、分化為成纖維細(xì)胞或成肌纖維細(xì)胞，和產(chǎn)生誘導(dǎo)膠原蛋白沉積的細(xì)胞因子來促進(jìn)肺纖維化的發(fā)展。在IPF患者的循環(huán)中[34-36]和肺實(shí)質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了纖維細(xì)胞，另外循環(huán)纖維細(xì)胞百分比的增加與IPF患者的疾病惡化相關(guān)[36]，此外IPF患者的循環(huán)纖維細(xì)胞占總白細(xì)胞數(shù)量>5%的預(yù)后會(huì)更差[36]。

纖維細(xì)胞表達(dá)趨化因子受體CXCR4[33-34]和CCR2[37]，而IPF肺中的肺泡上皮表達(dá)CXCL12，CXCR4和CCR2的配體[35,38]，由此可猜測肺泡上皮可能是通過將纖維細(xì)胞募集到IPF肺中發(fā)揮作用。

3.2 成纖維細(xì)胞

在正常的傷口愈合過程中，不需要的成纖維細(xì)胞通過凋亡通路的激活被清除。與正常成纖維細(xì)胞不同，IPF成纖維細(xì)胞具有抗凋亡和更強(qiáng)的增殖能力。在上皮損傷誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞活動(dòng)后，成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞似乎組織成成纖維細(xì)胞灶，這先于終末期纖維損傷的出現(xiàn)。上皮細(xì)胞功能障礙和上皮-間充質(zhì)信號異常導(dǎo)致成纖維細(xì)胞活化以及基質(zhì)沉積和肺部重塑，這種慢性激活似乎導(dǎo)致IPF成纖維細(xì)胞發(fā)生纖維化的病理改變[39-40]。肌成纖維細(xì)胞是IPF肺中描述的經(jīng)典病理性成纖維細(xì)胞表型[41]。包括TGF-β在內(nèi)的幾種因子都可以引起成纖維細(xì)胞分化為肌成纖維細(xì)胞。與肺成纖維細(xì)胞相比，肌成纖維細(xì)胞分泌過量的基質(zhì)，包括I型膠原[42]，這種過多的基質(zhì)沉積可能導(dǎo)致病理性肺纖維化和重塑。

3.3 肌成纖維細(xì)胞

肌成纖維細(xì)胞是表達(dá)成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞特征的細(xì)胞，并通過它們表達(dá)α-SMA蛋白來鑒定。成纖維細(xì)胞在TGF-β等介質(zhì)的作用下分化為成肌成纖維細(xì)胞，另外EMT被認(rèn)為是肌成纖維細(xì)胞的另一個(gè)來源[23,43]。與肺成纖維細(xì)胞相比，肌成纖維細(xì)胞定位于成纖維細(xì)胞灶處并分泌過量的基質(zhì)并沉積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重塑[20，26,44]。

3.4 膠原蛋白

在IPF患者的肺部有多余的膠原蛋白沉積在細(xì)胞外基質(zhì)中。膠原蛋白也被基質(zhì)金屬蛋白(MMP)家族在細(xì)胞外降解。有研究者[44]猜想病理性纖維灶可能代表基質(zhì)成分沉積和降解之間的不適當(dāng)平衡，但是有研究[45]證實(shí)形成薄壁組織上皮和內(nèi)皮下層的細(xì)胞外基質(zhì)的基底膜無法直接進(jìn)入受損組織，為了破壞這種物理屏障，MMP會(huì)裂解一種或多種細(xì)胞外基質(zhì)成分，從而允許其細(xì)胞外滲到受損部位或從受損部位滲出。MMP的存在也有利弊，比如一些單獨(dú)的MMP(MMP1和MMP7)有助于IPF的進(jìn)展和不良結(jié)局，而其他一些(MMP19)似乎對IPF疾病又具有保護(hù)作用。

3.5 凝血級聯(lián)

凝血級聯(lián)反應(yīng)在肺纖維化中被激活，裂解的凝血因子具有主要的促炎和促纖維化作用，活化的血小板/內(nèi)皮細(xì)胞釋放成纖維介質(zhì)，包括血小板衍生生長因子(PDGF)和TGF-β[46]。

4 表觀遺傳學(xué)

通過表觀遺傳影響調(diào)控基因表達(dá)也是一種重要的機(jī)制，外界環(huán)境或其他壓力可以誘導(dǎo)細(xì)胞、組織或有機(jī)體的表型發(fā)生持久的變化[47]。表觀遺傳變化包括DNA甲基化、組蛋白修飾或microRNA表達(dá)的改變[47-48]。暴露于煙草煙霧[49-50]、空氣污染[51]和老化[52]等環(huán)境壓力下可導(dǎo)致表觀遺傳DNA的變化。

5 總結(jié)

特發(fā)性肺纖維化是一種復(fù)雜的疾病，治療難度大，死亡率高。藥物研發(fā)和生物技術(shù)已多次嘗試尋找治療IPF的有效方法，但迄今為止，對治療干預(yù)的所有嘗試都失敗了。臨床試驗(yàn)失敗的原因有很多，包括疾病的異質(zhì)性，缺乏容易測量的臨床終點(diǎn)，最重要的是缺乏對疾病進(jìn)展的潛在分子機(jī)制的理解。越來越多的證據(jù)[47-50,52]表明，肺泡上皮細(xì)胞凋亡可能是該病的初始觸發(fā)因素，遺傳背景和環(huán)境暴露均可能導(dǎo)致這一結(jié)果，并啟動(dòng)了肺泡上皮細(xì)胞凋亡“衰老相關(guān)分泌途徑”最終導(dǎo)致全身性疾病，但并非所有處于這種環(huán)境下的人都一定會(huì)發(fā)展出與臨床相關(guān)的疾病，這還要取決于接觸這些因素的程度和持續(xù)時(shí)間。在疾病的起始階段，上皮細(xì)胞功能障礙的分子介質(zhì)如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、TGF-β過度激活、生長因子，趨化因子分泌會(huì)導(dǎo)致EMT、纖維細(xì)胞募集和成纖維細(xì)胞分化。這些過程使得疾病進(jìn)入進(jìn)展階段，在此階段病理性間充質(zhì)細(xì)胞釋放出異常類型和數(shù)量的基質(zhì)蛋白，這些基質(zhì)蛋白導(dǎo)致了肺的重塑。另外成纖維細(xì)胞內(nèi)病理改變的基質(zhì)或表觀遺傳變化可能導(dǎo)致間充質(zhì)細(xì)胞活化，也可能是進(jìn)行性纖維化的前饋通路。為了開發(fā)新的IPF療法，需要對IPF每個(gè)階段中激活的特定分子途徑之間的關(guān)系有一個(gè)更清晰地了解，要針對疾病治療的哪個(gè)階段以及針對疾病的一個(gè)階段是否足以減緩病情發(fā)展，或者有效治療是否需要同時(shí)靶向疾病每個(gè)階段中的分子途徑。所以當(dāng)務(wù)之急是找到疾病的始作俑者，以便患者能在臨床中更早被發(fā)現(xiàn)，也許能得到更充分的治療，IPF是一種涉及多種途徑的復(fù)雜疾病，未來的最佳治療方法可能會(huì)是涉及針對多種途徑的聯(lián)合藥物。