上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化在慢性阻塞性肺疾病氣道重塑中的作用

鄒義敏

浙江省呼吸疾病診治及研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,杭州 310009

COPD 的特點(diǎn)為持續(xù)性氣流受限,其主要病理基礎(chǔ)是氣道重塑和肺實(shí)質(zhì)毀損。氣道重塑的本質(zhì)是細(xì)胞外基質(zhì)合成與降解失衡所導(dǎo)致的組織纖維化形成,其主要效應(yīng)細(xì)胞是成纖維細(xì)胞[1]。成纖維細(xì)胞來(lái)源可能有3個(gè)途徑：組織局部成纖維細(xì)胞增殖、血液循環(huán)纖維細(xì)胞的募集、上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化 （epithelial-mesenchymal transition,EMT）途徑[2]。EMT 這一現(xiàn)象最早是在觀察雞胚胎發(fā)育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的,由Hay[3]于20世紀(jì)70年代后期正式提出。EMT 不僅在胚胎發(fā)育,而且在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移、損傷修復(fù)、器官纖維化中起重要的作用。EMT 是否參與了COPD 發(fā)病以及其具體作用機(jī)制如何,本文就此作一綜述。

1 氣道上皮與COPD

氣道上皮組織表面由纖毛細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、Clara細(xì)胞和基底細(xì)胞組成；纖毛細(xì)胞從氣管到遠(yuǎn)端呼吸性細(xì)支氣管均可見(jiàn),隨著氣道直徑的減小,纖毛細(xì)胞的高度由假?gòu)?fù)層柱狀細(xì)胞向單層柱狀細(xì)胞遞減,這些氣道上皮細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞間上皮緊密連接形成有效的物理屏障,抵御病原體和有害物質(zhì)的侵襲[4]。重要的是,氣道上皮也是啟動(dòng)肺部先天免疫反應(yīng)的第一道防線[5]。

煙草煙霧等有害物質(zhì)長(zhǎng)期暴露可損傷氣道上皮組織導(dǎo)致COPD 發(fā)生。COPD 病理改變包括肺氣腫、慢性支氣管炎和肺血管改變[6]。大氣道病變可見(jiàn)纖毛倒伏、上皮鱗狀化生、黏液腺肥大、網(wǎng)狀基底膜破裂、黏膜下基質(zhì)增多、氣道平滑肌增生肥厚等。黏液分泌過(guò)多和黏液細(xì)胞增生是大氣道病變的特征,而炎癥和纖維化是小氣道病變最重要的病理改變。COPD 的氣流受限是由外周而非中央氣道管腔大小決定的,正常人肺內(nèi)小氣道 （直徑＜2 mm）氣流阻力微乎其微,但對(duì)于COPD 患者來(lái)說(shuō)小氣道卻是氣流阻塞的最主要部位。反復(fù)的氣道損傷-修復(fù)循環(huán)導(dǎo)致氣道重塑,這種病變?cè)缬诜螝饽[形成[7]；相對(duì)于肺氣腫而言,小氣道重塑是COPD 氣流受限的主要原因[8]。氣道重塑纖維沉積過(guò)多的主要效應(yīng)細(xì)胞是成纖維細(xì)胞,其來(lái)源仍未完全知曉。

2 EMT

2.1 EMT 的概念 上皮細(xì)胞在各種誘發(fā)因素作用下,經(jīng)過(guò)多方面生化改變,失去與基底膜連接的細(xì)胞極性等上皮表型,而獲得較高的遷移與侵襲、抗凋亡和降解細(xì)胞外基質(zhì)的能力等間質(zhì)表型,這一生物過(guò)程稱為EMT。即細(xì)胞從具有緊密連接、立方形、極性和缺乏動(dòng)力的上皮細(xì)胞表型,轉(zhuǎn)化為細(xì)胞間作用松散、梭形的、無(wú)極性、活動(dòng)力強(qiáng)和能產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)的間質(zhì)細(xì)胞表型。EMT 在胚胎發(fā)育、腫瘤轉(zhuǎn)移、損傷修復(fù)、器官纖維化中起重要作用[9]。

最新研究指出,體內(nèi)EMT 的顯著特征從上皮狀態(tài)到間充質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變通常是不完全的,導(dǎo)致細(xì)胞停留在同時(shí)保留上皮和間充質(zhì)特征的中間狀態(tài)。重要的是,這些不同的中間狀態(tài)具體取決于所在的生物學(xué)環(huán)境[10]。因此,EMT并不是全或無(wú)的二元過(guò)程,而應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)性的動(dòng)態(tài)過(guò)程[11]。

2.2 EMT 分型

2.2.1 EMT 亞型1 該類型發(fā)生在胚胎發(fā)育形成的正常生理過(guò)程中。中胚層原始間充質(zhì)細(xì)胞通過(guò)EMT 的方式形成,隨后,中胚層的間充質(zhì)細(xì)胞通過(guò) “間充質(zhì)細(xì)胞-上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化”的方式,產(chǎn)生次級(jí)上皮細(xì)胞,最后形成中胚層和內(nèi)胚層結(jié)構(gòu)中分化發(fā)育成熟的上皮細(xì)胞。此類型只完成胚胎器官發(fā)育,而不會(huì)形成纖維化。

2.2.2 EMT 亞型2 該類型發(fā)生在成熟組織細(xì)胞被持續(xù)炎癥等刺激因素所導(dǎo)致的損傷修復(fù)過(guò)程中,由上皮細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞直接轉(zhuǎn)分化為成纖維細(xì)胞,最終結(jié)果是導(dǎo)致纖維化。

2.2.3 EMT 亞型3 該類型發(fā)生在上皮來(lái)源腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移過(guò)程中。在原腫塊處第一步由上皮性腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為轉(zhuǎn)移性瘤細(xì)胞,接著遷移到遠(yuǎn)處形成繼發(fā)性腫瘤結(jié)節(jié)。此類型不是導(dǎo)致纖維化,而是轉(zhuǎn)分化成轉(zhuǎn)移性瘤細(xì)胞,導(dǎo)致腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移[11]。

2.3 EMT 生物標(biāo)志物 EMT 的發(fā)生過(guò)程除了形態(tài)學(xué)改變明顯之外,也會(huì)發(fā)生較多生化改變。上皮組織具有明顯的極性,細(xì)胞間結(jié)合緊密,其連接方式有緊密連接、橋粒連接和縫隙連接,由閉鎖蛋白、閉合蛋白、細(xì)胞角蛋白等構(gòu)成,E-cadherin為其主要成分[12]。因此,使用的上皮細(xì)胞標(biāo)志物主要有E-cadherin、細(xì)胞角蛋白等。間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物常用的有波形蛋白、成纖維細(xì)胞特異性蛋白1（fibroblast-specific protein-1,FSP1）、α-平滑肌肌動(dòng)蛋白等。波形蛋白是存在于大多數(shù)間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的中間絲,與微管及肌動(dòng)蛋白一起組成細(xì)胞骨架。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白包括纖連蛋白、層黏連蛋白、I型膠原蛋白等,也可用作EMT 間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物[13]。

3 EMT與COPD氣道重塑

損傷后的肺穩(wěn)態(tài)取決于肺組織上皮組織完整性的有效恢復(fù),病理性損傷-修復(fù)循環(huán)導(dǎo)致纖維化在許多肺部疾病中被關(guān)注,包括肺間質(zhì)纖維化、COPD、哮喘、囊性纖維化、肺移植閉塞性細(xì)支氣管炎等[14]。目前認(rèn)為,分泌細(xì)胞外基質(zhì)的成纖維細(xì)胞池?cái)?shù)量的增加可能有3種來(lái)源：組織局部成纖維細(xì)胞增殖、血液循環(huán)成纖維干細(xì)胞的募集、EMT 途徑。EMT 在肺發(fā)育和肺癌中的作用被廣泛接受,但是EMT 在氣道纖維化疾病中的存在和作用不是很清楚,可能與缺乏對(duì)細(xì)胞環(huán)境可塑性和異質(zhì)性的認(rèn)識(shí)有關(guān)[15]。

較多體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)氣道上皮細(xì)胞具備發(fā)生EMT 的潛力。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β （transforming growth factor-β,TGF-β）是一種有效的EMT 誘導(dǎo)劑,早在十年前,Kuroishi等[16]首先報(bào)道小鼠原代氣道上皮細(xì)胞在TGF-β1 作用下可發(fā)生EMT,實(shí)驗(yàn)采用TGF-β1 刺激原代培養(yǎng)的小鼠氣道上皮細(xì)胞,14 d后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞表型標(biāo)志物表達(dá)明顯減少,而α-平滑肌肌動(dòng)蛋白、波形蛋白等間質(zhì)細(xì)胞表型標(biāo)志物表達(dá)明顯增多,并且免疫熒光染色提示上皮細(xì)胞標(biāo)志物和間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物共表達(dá)現(xiàn)象。Doerner等[17]接著在人支氣管上皮細(xì)胞系和人原代上皮細(xì)胞也證實(shí)可誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞發(fā)生EMT。眾所周知,吸煙和生物燃料煙霧暴露是COPD 重要的危險(xiǎn)因素。最近有研究采用煙草煙霧提取物可誘導(dǎo)不吸煙者、吸煙者和COPD 患者的原代支氣管上皮細(xì)胞發(fā)生EMT,其機(jī)制可能是通過(guò)活性氧自由基的產(chǎn)生從而促進(jìn)TGF-β1的表達(dá),同時(shí)降低環(huán)磷酸腺苷的水平[18]。通過(guò)人支氣管上皮細(xì)胞系 （16HBE）,使用尼古丁、木材煙霧凝集物等刺激細(xì)胞72 h后,也觀察到上皮細(xì)胞形態(tài)向成纖維細(xì)胞樣改變,上皮細(xì)胞表型標(biāo)志物與間質(zhì)細(xì)胞表型標(biāo)志物共表達(dá),呈現(xiàn)EMT 特征性改變[19-20]。

目前,EMT 在COPD 氣道重塑中作用的體內(nèi)研究并不多。在大氣道方面,Sohal等[21-22]通過(guò)支氣管鏡活檢大氣道上皮組織,進(jìn)行EMT 標(biāo)志物免疫組織化學(xué)染色,對(duì)比分析吸煙COPD 患者、既往吸煙COPD 患者、吸煙肺功能正常者、不吸煙肺功能正常者4組之間的網(wǎng)狀基底膜破裂程度和EMT 標(biāo)志物染色情況,結(jié)果顯示COPD 患者和吸煙者的氣道上皮基底層細(xì)胞處可見(jiàn)到FSP1 和波形蛋白雙染陽(yáng)性并伴有表皮生長(zhǎng)因子受體表達(dá)增長(zhǎng)的細(xì)胞；部分細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞角蛋白與FSP1 共染色,這些強(qiáng)烈提示上皮細(xì)胞通過(guò)網(wǎng)狀基底膜破裂處遷移進(jìn)入上皮下固有層,分化為成纖維細(xì)胞樣間質(zhì)細(xì)胞,產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)導(dǎo)致氣道重塑,首次揭示體內(nèi)EMT 參與COPD 患者的氣道重塑的證據(jù)。與Sohal等[21]的研究選取大氣道組織標(biāo)本不同,有文獻(xiàn)報(bào)道在吸煙COPD 患者小氣道組織標(biāo)本也觀察到了EMT 參與氣道重塑的依據(jù)[18,23]。Gohy等[24]通過(guò)手術(shù)切除肺組織標(biāo)本,在小氣道和大氣道活檢中均證實(shí)COPD 患者的傳導(dǎo)氣道管壁組織上都存在EMT 特征,并首次發(fā)現(xiàn)COPD 氣道上皮EMT 改變與氣道上皮下纖維沉積和氣流受限呈正相關(guān)。大鼠被暴露于生物燃料煙霧7個(gè)月來(lái)制作生物燃料相關(guān)COPD 動(dòng)物模型,通過(guò)免疫組織化學(xué)染色發(fā)現(xiàn)上皮下成纖維細(xì)胞數(shù)增加明顯,并在小氣道上皮組織發(fā)現(xiàn)ECadherin和FSP1共染色的細(xì)胞,證實(shí)EMT 參與了生物燃料煙霧暴露相關(guān)氣道重塑的發(fā)生[20]。

盡管體內(nèi)、體外研究均提供了一些證據(jù)提示EMT 與COPD 的氣道重塑密切相關(guān),但EMT 在體內(nèi)應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)完整的過(guò)程,而目前的研究提供的僅僅是其中的部分片段,需要探索更好的能夠動(dòng)態(tài)觀察的實(shí)驗(yàn)方法,來(lái)全程追蹤EMT 在體內(nèi)發(fā)生、進(jìn)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及具體誘發(fā)機(jī)制。

4 EMT信號(hào)通路

各EMT 亞型無(wú)論是在胚胎發(fā)生期間還是在諸如癌癥等發(fā)病機(jī)制中,能被多種生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、激素和細(xì)胞外某些因素所誘導(dǎo)和調(diào)節(jié),包括TGF-β、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子等,其中,TGF-β作為一個(gè)強(qiáng)力、主要的誘發(fā)因子研究最多,越來(lái)越多的研究證實(shí)Smad經(jīng)典通路和多條非Smad通路 （包括絲裂原活化蛋白激酶通路、Rho樣GTP酶信號(hào)通路、磷脂酰肌醇3-激酶通路）共同參與了TGF-β 誘導(dǎo)的EMT,引起三大轉(zhuǎn)錄因子家族（Snail家族、ZEB家族、b HLH 家族）表達(dá)改變,這些轉(zhuǎn)錄因子最后導(dǎo)致上皮標(biāo)志性蛋白的基因表達(dá)受抑制,而間質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)被激活[25]。這些靶基因中一部分是Ecadherin、閉鎖蛋白、緊密連接蛋白等的抑制因子,以及纖連蛋白、N 鈣黏蛋白等的活化因子；還有一些作為EMT過(guò)程的信號(hào)分子,聯(lián)系不同的信號(hào)通路,發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。此外,Shh信號(hào)通路、Wnt/β-catenin和Notch信號(hào)通路等也參與EMT 發(fā)生,這些通路之間似乎相互串聯(lián),并取決于受影響的特定上皮或內(nèi)皮細(xì)胞類型,從而對(duì)EMT起一定的調(diào)節(jié)作用[26]。

5 EMT研究的臨床意義

COPD 是一種發(fā)病率、致殘率和病死率均高的慢性氣道疾病,目前尚無(wú)有效延緩肺功能下降的治療藥物,迫切需要深入研究COPD 的發(fā)病機(jī)制,尋找新的治療靶點(diǎn)。目前的大多數(shù)研究都集中在疾病終末期,而COPD 患者幾乎一半以上的小氣道在疾病早期階段已被破壞,導(dǎo)致肺功能下降。EMT 在COPD 早期患者的大、小氣道中都存在,與肺功能的下降顯著相關(guān),其發(fā)病可能通過(guò)最初的上皮細(xì)胞損傷激活而觸發(fā),要改變疾病軌跡,關(guān)鍵是要了解吸煙者早期損傷上皮細(xì)胞的機(jī)制,EMT 可能在COPD 氣道重塑的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[11,27]。雖然目前臨床上還沒(méi)有EMT 特異性的治療藥物,但新出現(xiàn)的證據(jù)表明,一些目前使用的藥物可能會(huì)影響EMT 的過(guò)程。一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究顯示,與安慰劑相比,吸入丙酸氟替卡松6個(gè)月以上可抑制COPD 患者大氣道中EMT 相關(guān)的部分改變,但似乎無(wú)法完全消除,這是第一次報(bào)道吸入激素在COPD中的抗EMT 作用研究[28]。矽肺動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn),吡非尼酮可降低肺組織中TGF-β1和Smad2/3的表達(dá),進(jìn)而抑制EMT 過(guò)程和肺纖維化,其作用可能與TGF-β1/Smad信號(hào)通路有關(guān)[29]。Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)尿激酶型纖溶酶原激活劑受體在COPD 患者小氣道上皮中的表達(dá)增加,使用Sh RNA 靶向沉默尿激酶型纖溶酶原激活劑受體可以抑制煙草煙霧誘導(dǎo)的人小氣道上皮細(xì)胞的EMT 發(fā)生。盡管看到了新的希望,但是目前為止,能阻斷COPD 氣道上皮發(fā)生EMT 的治療手段的相關(guān)研究報(bào)道還很少。

綜上所述,氣道上皮是呼吸道抵御外界刺激損傷的第一道防線,反復(fù)的損傷-修復(fù)循環(huán)導(dǎo)致氣道重塑,而EMT可能是COPD 發(fā)病及進(jìn)展的重要機(jī)制,已有初步研究表明拮抗EMT 信號(hào)通路可能有助于減輕COPD 氣道重塑。今后需要進(jìn)一步明確EMT 參與COPD 氣道重塑的作用機(jī)制,尋找更有效的治療靶點(diǎn),來(lái)改善COPD 患者的肺功能和預(yù)后。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突