糖代謝與肺纖維化相關(guān)的研究進(jìn)展

殷娥高，劉永駿，楊眉，董昭興

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院呼吸與危重癥一病區(qū)，昆明 650101)

肺纖維化是一種病因不明的進(jìn)行性、多因素、致命性肺部疾病，其特征主要包括炎癥、肺泡上皮細(xì)胞損傷、成纖維細(xì)胞過度增殖以及間質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)大量沉積[1-2]。肺纖維化主要表現(xiàn)為健康組織被改變的ECM取代、肺泡結(jié)構(gòu)被破壞，從而導(dǎo)致肺順應(yīng)性下降、氣體交換被破壞，最終導(dǎo)致呼吸衰竭和死亡[3]。近年來，對(duì)肺纖維化發(fā)病機(jī)制的研究和治療均取得了一定進(jìn)展，但確診患者的平均生存周期僅為3～5年[2]。新型抗纖維化藥物(吡非尼酮和尼達(dá)尼布)可延緩肺纖維化的進(jìn)展，但并不能阻止或逆轉(zhuǎn)肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。目前，肺移植手術(shù)仍是肺纖維化相對(duì)有效的治療方法，但由于供體稀缺且費(fèi)用昂貴，其臨床應(yīng)用受到限制[4]。因此，尋找新的減緩肺纖維化進(jìn)程或逆轉(zhuǎn)肺纖維化的治療方法顯得尤為重要。肺纖維化是一種與代謝相關(guān)的疾病，糖代謝的改變?cè)诜卫w維化形成中起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解及其代謝產(chǎn)物與慢性肺部疾病[如特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)]的嚴(yán)重程度和進(jìn)展均相關(guān)[5-9]。因此，靶向糖代謝的相關(guān)治療可能為肺纖維化患者帶來新希望?，F(xiàn)就糖代謝與肺纖維化相關(guān)的研究進(jìn)展予以綜述。

1 糖代謝概述

糖代謝是指葡萄糖、糖原等在體內(nèi)進(jìn)行的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。葡萄糖是哺乳動(dòng)物細(xì)胞主要的能量和物質(zhì)來源，不僅可為機(jī)體提供腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)，還可為各種合成代謝途徑提供代謝物[10]。糖代謝主要包括以線粒體為主要功能單位進(jìn)行的氧化磷酸化和在胞質(zhì)中進(jìn)行的糖酵解[11]。葡萄糖被葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter，GLUT)吸收到細(xì)胞內(nèi)，并在胞質(zhì)中通過糖酵解代謝為丙酮酸，這一過程可產(chǎn)生少量的ATP。在正常細(xì)胞中，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸主要進(jìn)入線粒體，被丙酮酸脫氫酶復(fù)合體氧化為乙酰輔酶A，然后乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)并氧化磷酸化生成ATP。氧化磷酸化是細(xì)胞能量來源的主要方式。糖酵解是一個(gè)代謝過程，這個(gè)過程涉及的細(xì)胞酶主要包括己糖激酶(hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructose kinase，PFK)、6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-雙磷酸酶(6-phosphofructose-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase，PFKFB)和丙酮酸激酶等，可調(diào)控糖酵解速率。

2 糖代謝在肺纖維化中的作用

肺纖維化的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，隨著其發(fā)病率和病死率的升高，肺纖維化逐漸成為嚴(yán)重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。目前關(guān)于糖代謝異常在肺纖維化形成中的作用機(jī)制研究越來越多，包括糖代謝與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的相互作用、糖代謝通過影響ECM的產(chǎn)生參與膠原的生成以及糖代謝過程本身對(duì)肺纖維化形成的影響等。

2.1TGF-β與糖代謝雙向調(diào)節(jié)在肺纖維化中的作用 TGF-β是導(dǎo)致組織、器官纖維化發(fā)生發(fā)展的主要細(xì)胞因子，是一種強(qiáng)有力的肺纖維化調(diào)節(jié)因子。因此，針對(duì)TGF-β下游的靶向治療或改變TGF-β介導(dǎo)的纖維化代謝環(huán)境，可能是一種替代和更有前景的治療方法。研究證實(shí)，糖酵解的代謝產(chǎn)物、糖代謝相關(guān)的酶等均可影響TGF-β活性及TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[8，12-14]；同時(shí)，TGF-β也可以調(diào)節(jié)糖代謝[7-8]。

糖酵解及其代謝產(chǎn)物乳酸的生成可促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞分化，進(jìn)而促進(jìn)TGF-β的分泌[8,12-13]。在正反饋回路中，乳酸積累引起的pH值降低與TGF-β活性增加有關(guān)，TGF-β活性增加可促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)-1α和乳酸脫氫酶5將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，同時(shí)又可降低微環(huán)境的酸堿度，進(jìn)一步增強(qiáng)TGF-β的活性和肌成纖維細(xì)胞的分化[14]。但在體外應(yīng)用PFKFB3抑制劑部分阻斷糖酵解可抑制TGF-β的促纖維化作用，進(jìn)而抑制TGF-β和博來霉素誘導(dǎo)的模型小鼠肺纖維化的發(fā)展[12]。因此，糖酵解是TGF-β活性及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)因素之一。

利用氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)IPF進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，TGF-β介導(dǎo)的糖酵解激活可降低葡萄糖水平，升高糖酵解中間產(chǎn)物(如葡萄糖6-磷酸、二羥丙酮磷酸和乳酸)水平和增加細(xì)胞外液的酸化，同時(shí)還可增加葡萄糖-6-磷酸和葡萄糖、乳酸-丙酮酸的產(chǎn)物/底物比[8]。而纖維組織對(duì)18F-氟脫氧葡萄糖攝取增加表明，糖酵解激活也發(fā)生在體內(nèi)[15]。雖然多種細(xì)胞類型可能是IPF中18F-氟脫氧葡萄糖攝取增加的原因，但在TGF-β誘導(dǎo)的成肌纖維細(xì)胞體外分化過程中糖酵解作用增加，而靶向糖酵解治療可減輕小鼠的肺纖維化[12，16]。TGF-β可通過直接誘導(dǎo)糖酵解相關(guān)的酶(包括HK和PFK)上調(diào)糖酵解水平[17]。而HK2是催化糖酵解的關(guān)鍵，Yin等[18]研究證實(shí)，TGF-β可通過Smad 2/3和轉(zhuǎn)錄因子c-Myc誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞HK2的積累，這對(duì)于TGF-β刺激的促纖維化因子表達(dá)、細(xì)胞遷移和集落形成是必需的；該研究還證實(shí)了IPF患者的成纖維細(xì)胞中HK2豐度增加以及在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中抑制HK2可減少促纖維化標(biāo)志物(膠原蛋白、纖維連接蛋白及其可變剪接片段、α平滑肌肌動(dòng)蛋白和結(jié)締組織生長(zhǎng)因子)的表達(dá)，同時(shí)穩(wěn)定和改善肺功能。TGF-β還可通過間接途徑上調(diào)糖酵解水平，如通過HIF-1α激活丙酮酸脫氫酶激酶1，而丙酮酸脫氫酶激酶1可通過丙酮酸脫氫酶調(diào)節(jié)丙酮酸進(jìn)入檸檬酸循環(huán)[19]。TGF-β的調(diào)節(jié)需要HIF-1α，通過基因敲除或藥物抑制TGF-β-HIF-1α-丙酮酸脫氫酶激酶1軸，可減輕肺纖維化[7,20]。另外，糖酵解還可通過增加三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物琥珀酸穩(wěn)定HIF-1α水平，促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞分化[12]?？梢姡琓GF-β通過直接或間接方式調(diào)節(jié)糖代謝，參與并調(diào)控肺纖維化的發(fā)生。同時(shí)，TGF-β還可調(diào)節(jié)纖維化過程中沉默信息調(diào)節(jié)因子3的表達(dá)，促進(jìn)超氧化物歧化酶2和異檸檬酸脫氫酶2的乙?；?，若小鼠缺失沉默信息調(diào)節(jié)因子3可導(dǎo)致還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽比值升高、異檸檬酸脫氫酶2活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致氧化應(yīng)激的防御能力降低[21]，而氧化應(yīng)激可導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞損傷以及成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化。由此可見，無論是肺纖維化患者還是肺纖維化動(dòng)物模型其糖代謝過程中的中間產(chǎn)物、相關(guān)的酶等均發(fā)生改變，提示糖代謝參與并調(diào)控肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。

2.2糖代謝通過影響ECM合成在肺纖維化中的作用 在肺纖維化的形成過程中，活化的成纖維細(xì)胞/肌成纖維細(xì)胞促進(jìn)了ECM的沉積。病理上，纖維化的特征是ECM穩(wěn)態(tài)失衡。ECM的過度積聚導(dǎo)致組織纖維化，而膠原蛋白是纖維組織的主要結(jié)構(gòu)蛋白，葡萄糖代謝可為膠原蛋白的生成提供能量及物質(zhì)基礎(chǔ)；成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)迅速，需要大量的ATP維持其生長(zhǎng)，但膠原蛋白的分泌依賴于糖酵解和氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP，細(xì)胞ATP合成減少抑制了膠原蛋白的分泌[22-23]。de Paz-Lugo等[24]研究證實(shí)，糖代謝的中間代謝產(chǎn)物3-磷酸甘油酸可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甘氨酸，而膠原蛋白的合成對(duì)甘氨酸最敏感，其次為脯氨酸和賴氨酸。因此，糖代謝過程中產(chǎn)生的能量及中間代謝產(chǎn)物均可影響膠原蛋白的產(chǎn)生。

ECM的動(dòng)態(tài)平衡需要膠原蛋白生成與膠原蛋白降解之間的平衡，而膠原蛋白的生成和降解主要是由成纖維細(xì)胞等介導(dǎo)。糖酵解除了在ECM合成代謝中起直接作用，糖酵解增強(qiáng)對(duì)成纖維細(xì)胞(ECM的主要產(chǎn)生者)的激活也很重要。在許多纖維化疾病(包括肝硬化[25]、腎纖維化[26]和IPF[16])中糖酵解水平均上調(diào)，這有助于成纖維細(xì)胞的活化。Xie等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在IPF模型中，TGF-β通過誘導(dǎo)肺成纖維細(xì)胞中的PFKFB3，增加PFK1介導(dǎo)的糖酵解激活；PFKFB3基因敲除或使用PFKFB3抑制劑均可抑制TGF-β誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化。Zhao等[9]通過對(duì)IPF患者肺組織和正常人肺組織的代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，早期糖酵解代謝產(chǎn)物葡萄糖和果糖-6-磷酸水平無變化，但晚期糖酵解代謝產(chǎn)物果糖-1,6-雙磷酸和磷酸烯醇丙酮酸水平均較正常人肺組織顯著降低。高遷移率族蛋白B1是一種高度保守的DNA剪切蛋白，富集于細(xì)胞核[1]。Xu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，高遷移率族蛋白B1可通過上調(diào)HIF-1α的表達(dá)促進(jìn)有氧糖酵解的增加，從而促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和ECM的產(chǎn)生，影響肺纖維化的形成和進(jìn)展?？梢?，糖代謝通過影響ECM的合成在肺纖維化形成中發(fā)揮抑制或促進(jìn)作用。

2.3GLUT在肺纖維化中的作用 GLUT是一類調(diào)控葡萄糖由細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的跨膜蛋白家族，參與糖代謝、炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答等過程[28]。目前已發(fā)現(xiàn)的GLUT共有14種，包括 GLUT1～12、H+依賴性肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)體和 GLUT14。GLUT(大多數(shù)情況下為GLUT1)上調(diào)以及葡萄糖攝取和代謝增加均與多種疾病相關(guān)。Chen等[29]研究發(fā)現(xiàn)，代謝狀態(tài)的改變和氧化應(yīng)激均可調(diào)節(jié)GLUT1的表達(dá)。然而，GLUT1表達(dá)上調(diào)又可影響纖維化形成。Andrianifahanana等[30]在IPF患者和博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維中均觀察到GLUT1表達(dá)增加，同時(shí)證實(shí)GLUT1的表達(dá)是由TGF-β成纖維細(xì)胞和原代細(xì)胞誘導(dǎo)的，且是TGF-β促纖維化作用所必需的，抑制GLUT1活性和(或)表達(dá)可減弱TGF-β驅(qū)動(dòng)的纖維化過程，包括細(xì)胞增殖和促纖維化介質(zhì)的產(chǎn)生。El-Chemaly等[31]研究顯示，IPF患者纖維化和蜂窩樣區(qū)域的氟脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描攝取增加，而GLUT1是氟脫氧葡萄糖的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在纖維化肺中紅細(xì)胞和炎癥細(xì)胞均表達(dá)GLUT1。表明IPF患者的18F-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描攝取是由新生血管形成區(qū)域內(nèi)的炎癥細(xì)胞和紅細(xì)胞所驅(qū)動(dòng)的。因此，18F-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描可檢測(cè)肺纖維化中的炎癥和新生血管形成。Cho等[32]研究證實(shí)，GLUT1依賴性糖酵解在老年小鼠的肺組織中被激活，GLUT1的遺傳和藥物抑制作用降低了小鼠原代成纖維細(xì)胞中α平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá)，而增加GLUT1介導(dǎo)的葡萄糖攝取和代謝可能會(huì)促使衰老的成纖維細(xì)胞進(jìn)入高炎癥狀態(tài)，并增加前炎癥介質(zhì)的激活。GLUT1缺乏可降低黑素瘤缺乏因子2炎癥小體的表達(dá)水平和功能，而黑素瘤缺乏因子2缺乏的小鼠在肺炎鏈球菌感染后表現(xiàn)出肺纖維化顯著減輕，即在繼發(fā)肺炎鏈球菌感染期間，巨噬細(xì)胞中的GLUT1依賴性糖酵解通過激活黑素瘤缺乏因子2炎癥小體，調(diào)節(jié)肺纖維化[33]。

研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B、HIF-1α、c-Myc和p53對(duì)細(xì)胞增殖和信號(hào)通路的影響均與GLUT的調(diào)控有關(guān)[34]。如p53是一種轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)多種與生長(zhǎng)控制有關(guān)的基因和微RNA的表達(dá)，是抑制腫瘤的關(guān)鍵，p53通過對(duì)參與葡萄糖代謝的多種酶的轉(zhuǎn)錄控制，抑制GLUT1和GLUT4的轉(zhuǎn)錄[35]。機(jī)體抗氧化體系失衡在肺纖維化發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用，突變體p53是一種新的p53誘導(dǎo)蛋白，具有調(diào)節(jié)糖酵解和保護(hù)氧化應(yīng)激的功能，與代謝穩(wěn)態(tài)關(guān)系密切，可降低細(xì)胞中2,6-雙磷酸果糖水平，從而抑制糖酵解作用、降低細(xì)胞內(nèi)活性氧類水平[36]。

3 靶向糖代謝對(duì)肺纖維化的作用

目前，糖酵解過程中的關(guān)鍵酶(HK、PFK和丙酮酸激酶)、代謝產(chǎn)物丙酮酸或乳酸的生成已成為肺纖維化藥物治療的靶點(diǎn)。Ding等[26]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用2-脫氧葡萄糖抑制HK可減少腎成纖維細(xì)胞的有氧糖酵解，導(dǎo)致環(huán)境pH值增加、乳酸積累減少、TGF-β相關(guān)纖維化標(biāo)志物(纖維連接蛋白和α平滑肌肌動(dòng)蛋白)表達(dá)減少。Yin等[18]給予博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化模型小鼠HK2抑制劑Lonidamine治療，結(jié)果顯示小鼠促纖維化基因的表達(dá)減少，同時(shí)肺功能穩(wěn)定。Xie等[12]在肺成纖維細(xì)胞中靶向HK(應(yīng)用2-脫氧葡萄糖或3-溴丙酮酸)和PFK[應(yīng)用3-(3-吡啶基)-1-(4-吡啶基)- 2-丙烯-1-酮]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌成纖維細(xì)胞的糖酵解水平降低，同時(shí)相關(guān)的抗纖維化表型變化減少，如肌成纖維細(xì)胞分化、收縮和膠原沉積。此外，Cho等[32]的研究證實(shí)，藥物抑制GLUT1可減輕博萊霉素誘導(dǎo)的老年小鼠肺纖維化的形成。因此，針對(duì)糖代謝改變的治療可能為抗纖維化提供一種新方向。但由于纖維化是多方面的，非靶點(diǎn)的糖酵解抑制可能會(huì)產(chǎn)生一定的不良反應(yīng)；且由于代謝的復(fù)雜性，若只抑制一種酶或一種途徑，細(xì)胞還可以通過其他途徑進(jìn)行補(bǔ)償。因此，需進(jìn)一步完善糖代謝在肺纖維化中的機(jī)制研究，運(yùn)用合理的聯(lián)合方案治療纖維化疾病可能成為未來治療的方向。

4 小 結(jié)

糖代謝的改變是許多器官纖維化的重要致病過程。逆轉(zhuǎn)糖代謝可能成為減輕多種器官纖維化的一種有前景的治療策略?；谔谴x復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，目前對(duì)糖代謝的認(rèn)識(shí)尚存在局限性，相信隨著研究的不斷深入，與肺纖維化相關(guān)的糖代謝機(jī)制會(huì)逐步被闡明。抑制或靶向糖代謝途徑中的關(guān)鍵酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體或代謝產(chǎn)物以及改變細(xì)胞微環(huán)境均可以為尋找新的肺纖維化治療方法提供依據(jù)，不僅限于肺部疾病，還包括其他對(duì)纖維化敏感的器官系統(tǒng)疾病。因此，未來特定靶向糖代謝或?qū)⒊蔀榉卫w維化臨床診斷、治療的重要手段。