TGF-β1/Smads信號通路在纖維化疾病中的研究進(jìn)展

陳希琦，張曉雙，周永坤，朱 勇

纖維化屬炎癥變質(zhì)、滲出、增生三階段中增生階段的主要組分；纖維化疾病是各種損傷因素如炎癥、創(chuàng)傷、出血、藥物、放射線等導(dǎo)致的細(xì)胞外基質(zhì)生成與降解失衡，造成膠原在組織內(nèi)異常沉積，出現(xiàn)器質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，廣泛的纖維化后的結(jié)構(gòu)重塑會(huì)致使臟器功能的障礙，最終可導(dǎo)致死亡[1]。纖維化進(jìn)程幾乎涵蓋所有的臟器和組織，主要有肺及支氣管、肝臟、心肌、腎臟、腹膜和皮膚等。不同的組織的纖維化往往具有相類似的病理學(xué)特征。目前公認(rèn)的最重要的致纖維化因子是轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)，Smads蛋白家族是其下游激活蛋白，TGF-β1/Smads信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與了纖維化的進(jìn)程。

1 TGF-β1/Smads的組成及通路傳導(dǎo)

在調(diào)控組織器官纖維化機(jī)制中，TGF-β1/Smads是最主要的信號通路。它由TGF-β1、TGF-β受體蛋白(TβR)、Smads蛋白家族及相關(guān)調(diào)控基因等組成。TGF-β1是一種多功能的細(xì)胞因子，在細(xì)胞的增殖、遷移、凋亡和組織的損傷修復(fù)、免疫功能的調(diào)節(jié)等方面起到重要的作用[2-4]，TGF-β 超家族中分為四種亞型 (TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β1β2)，在未激活前以前體 LTGF-β 形式存在于細(xì)胞內(nèi)[5]，在組織纖維化中TGF-β1的表達(dá)量遠(yuǎn)超過其他幾類亞型，是誘導(dǎo)纖維化的最強(qiáng)細(xì)胞因子[6]。

TGF-β1/Smads信號通路的受體有3類，信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)應(yīng)答主要依賴I型(TβRⅠ)和Ⅱ型(TβRⅡ)兩種受體，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人類基因可以編碼7種TβRI和5種TβRⅡ[7]。TβRⅢ型受體是指由內(nèi)皮糖蛋白和β蛋白聚糖等組成的輔助性受體[8]。Ⅰ型及Ⅱ型受體均只有一個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，同時(shí)具有絲/蘇氨酸激酶活性，配體與受體相結(jié)合，形成穩(wěn)定的異源四聚體復(fù)合物介導(dǎo)下游信號傳遞。

按照各Smads蛋白不同的構(gòu)成與功能，Smads家族可分成三種類型，第一種是受體活化型R-Smads，是TβRI的直接效應(yīng)分子，成員組成有Smad1、2、3、5、8，其中Smad2、3可作為轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)了TGF-β類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，目前研究比較深入。第2類是通用型Co-Smads，只包括Smad4，其本身不具有轉(zhuǎn)錄活性，但它作為R-Smads的轉(zhuǎn)錄共同子介入對下游靶基因的調(diào)控，是R-Smads行使轉(zhuǎn)錄功能所不可缺失的。第3類受體抑制型I-Smads，包括Smad6、Smad7，是通路的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子，能夠減弱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)強(qiáng)度，同時(shí)也能被別的信號通路誘導(dǎo)表達(dá)，如STAT3也可以來調(diào)控其表達(dá)[9]，因而可成為TGF-β1/Smads與其他信號通路聯(lián)通的節(jié)點(diǎn)。

TGF-β1/Smads信號通路的傳導(dǎo)過程經(jīng)歷3個(gè)階段:(1)跨膜，配體與受體結(jié)合，將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)胞內(nèi)；(2)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)，Smads蛋白參與，將信號轉(zhuǎn)入核內(nèi)；(3)核內(nèi)調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄，合成蛋白，調(diào)節(jié)生物學(xué)行為。具體過程是TGF-β1首先與細(xì)胞膜上的TβRII受體結(jié)合并使之磷酸化，TβRⅠ被磷酸化的TβRⅡ募集，結(jié)合成多聚體而活化，活化的TβRI在細(xì)胞內(nèi)磷酸化R-Smads中的Smad2/3，組成p-Smad2/3，其與受體分離后與Smad4形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，在核內(nèi)調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，同時(shí)Smad6、7能夠拮抗R-Smads/Co-Smad的信號，起到負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用[10]。

2 TGF-β1/Smads與肝纖維化

肝纖維化(liver fibrosis，LF)是因?yàn)楦鞣N致病因素造成肝臟長期慢性的損傷，如病毒、異常代謝、大量飲酒和過度的免疫反應(yīng)等，造成肝細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積的一種初期可逆的修復(fù)過程[11]。肝硬化如得不到抑制可導(dǎo)致肝硬化和肝癌的發(fā)生。TGF-β1是調(diào)控肝纖維化的重要細(xì)胞因子，在肝細(xì)胞受到損傷等因素后會(huì)大量分泌，參與炎癥的免疫調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)細(xì)胞分化，是肝纖維化進(jìn)一步加重的原因之一[12]。肝星形細(xì)胞(hepaticstellatecell，HSC)是肝纖維化的主要效應(yīng)細(xì)胞，HSC在外界因素作用下通過TGF-β1/Smads通路可被誘導(dǎo)為肌成纖維細(xì)胞(myofibroblasts，MBs)[13]，MBs分泌的膠原、纖連蛋白等組成了細(xì)胞外基質(zhì)，過多的細(xì)胞外基質(zhì)形成及降解失衡，導(dǎo)致了細(xì)胞外基質(zhì)沉積，從而發(fā)展為肝纖維化。通過藥物抑制此調(diào)節(jié)通路可抑制人肝星狀細(xì)胞的纖維化作用，王國泰等發(fā)現(xiàn)姜黃素可通過抑制TGF-β1/Smad2，從而有效抑制LX-2人肝星狀細(xì)胞Smad2的磷酸化，減少α-SMA蛋白分泌，并且可抑制LX-2細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)化，從而抑制肝纖維化進(jìn)程[14]。

3 TGF-β1/Smads與肺纖維化

肺纖維化是一種間質(zhì)性肺病，具有進(jìn)行性、不可逆的特點(diǎn)，其主要病理變化是成纖維細(xì)胞增殖、活化導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)過度積累，并伴有炎癥和損傷所致肺組織結(jié)構(gòu)破壞和功能喪失，最終出現(xiàn)呼吸衰竭而死亡。TGF-β1是控制肺纖維化發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)控因子[15]，廣泛表達(dá)于氣管上皮、血管內(nèi)皮、肺泡巨噬細(xì)胞等細(xì)胞中，其功能的發(fā)揮依賴于Smads蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控[16]。在肺纖維化大鼠模型中，TGF-β1、Smad3蛋白的表達(dá)顯著上調(diào)，使用高選擇性的Smad3特異性抑制劑可有效抑制TGF-β1誘導(dǎo)的p-Smad3，并可減弱TGF-β1轉(zhuǎn)錄活性，抑制TGF-β1誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞分化，減少Ⅰ型及Ⅱ型膠原在細(xì)胞外基質(zhì)中的產(chǎn)生和沉積，從而抑制肺纖維化的發(fā)展[17]。

4 TGF-β1/Smads與腎纖維化

各類腎臟疾病進(jìn)展到終末期，其共同的病理學(xué)基礎(chǔ)是腎纖維化。其病理學(xué)特征是腎小球硬化、腎內(nèi)血管硬化和間質(zhì)纖維化等，是由多種致病因素驅(qū)動(dòng)的病理過程。其中涉及到了炎癥、缺氧、成纖維細(xì)胞的增殖與活化、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化、多種細(xì)胞因子的作用及信號級聯(lián)反應(yīng)等過程。在受到炎癥、損傷、缺氧、高糖等因素作用后，腎臟內(nèi)相關(guān)組織及細(xì)胞產(chǎn)生TGF-β1，通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)下游Smads蛋白，可誘導(dǎo)發(fā)生上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，成纖維細(xì)胞分化活化，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成和沉積。TGF-β1/Smads可促進(jìn)2型上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的發(fā)生[18]，使腎上皮細(xì)胞喪失極性和黏附特征，部分轉(zhuǎn)化為成纖維細(xì)胞，最終導(dǎo)致ECM合成與沉積[19]。而EMT轉(zhuǎn)化來的成纖維細(xì)胞也會(huì)產(chǎn)生TGF-β1，進(jìn)一步加速腎纖維化進(jìn)程。另外TGF-β1/Smads還可以通過上調(diào)成纖維細(xì)胞生長因子(FGF-2)和PDGF受體等促纖維化因子來發(fā)揮作用[20]。汪國敏發(fā)現(xiàn)清化固腎排毒顆粒具有一定的抗腎纖維化的作用，證實(shí)藥物可通過降低TGF-β1和α-SMA的表達(dá)來抑制EMT和細(xì)胞外基質(zhì)的過度沉積，改善腎纖維化的作用[21]。吉晶在研究抗纖靈方對腎纖維化大鼠干預(yù)作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，抗纖靈方可改善腎功能，減少腎纖維化面積，降低腎臟損傷，下調(diào)TGF-β1、Smad2、Smad3mRNA及蛋白水平，上調(diào)Samd7mRNA及蛋白的表達(dá)，證實(shí)抗纖靈方可通過調(diào)控TGF-β1/Smads來干預(yù)腎纖維化進(jìn)程[22]。

5 TGF-β1/Smads與心肌纖維化

大多數(shù)心血管疾病的發(fā)生均伴隨著心肌細(xì)胞纖維化，可導(dǎo)致心室壁僵硬，心室的舒張功能異常，冠狀動(dòng)脈儲(chǔ)備能力下降，最終可致心律失常、心力衰竭甚至心源性猝死。纖維化的心肌病理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞外基質(zhì)的合成-降解失調(diào)，間質(zhì)中膠原大量聚集，并且排列紊亂[23]。因此抑制心肌成纖維細(xì)胞過度增殖及細(xì)胞外基質(zhì)的異常沉積，糾正膠原的合成與降解失衡是預(yù)防心肌纖維化重要措施[24]。TGF-β1/Smads在心肌纖維化的進(jìn)程中起著關(guān)鍵性的作用[25]，是公認(rèn)的心肌纖維化信號通路[26]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)心室壁機(jī)械壓力增大，心肌組織及血液循環(huán)中AngⅡ、內(nèi)皮素水平上升，可活化TGF-β1，進(jìn)而激活TGF-β1/Smads信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，分泌膠原，細(xì)胞外基質(zhì)的沉積增加，同時(shí)活化的TGF-β1也可直接上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(tissue inhibitorof metalloproteinase，TIMPs)、下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的水平，引起細(xì)胞外基質(zhì)沉積和降解失衡，從而促進(jìn)纖維化的形成[27]。在心肌梗死大鼠模型中，參附注射液能夠抑制TGF-β1/Smads信號通路的活化，下調(diào)Smad2、Smad3，增加Smad7，抑制心肌纖維化和心肌重構(gòu)的進(jìn)程[28]。由此可見，TGF-β1/Smads信號通路是治療心肌纖維化的重要靶點(diǎn)。

6 TGF-β1/Smads與腹膜纖維化

在腎臟替代療法中，血液透析與腹膜透析相比，后者對血流動(dòng)力學(xué)的影響更小，更接近于正常的生理代謝，并且操作相對簡單，能夠保護(hù)殘余腎臟功能。但長期的腹膜透析，在透析液的作用下易出現(xiàn)腹膜纖維化，最終導(dǎo)致腹膜的超濾功能衰竭，制約著長期腹膜透析的發(fā)展[29]。間皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)屬于上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的一種，即腹膜間皮細(xì)胞在炎癥、損傷等因素作用下發(fā)生表型轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞。越來越多的證據(jù)揭示MMT可能是腹膜纖維化的始動(dòng)和可逆的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對MMT的逆轉(zhuǎn)可能成為預(yù)防腹膜纖維化的新靶點(diǎn)。而誘導(dǎo)MMT的關(guān)鍵細(xì)胞因子就是TGF-β1，通過經(jīng)典Smads和非Smads信號通路誘導(dǎo)腹膜纖維化的產(chǎn)生。史偉文[30]等通過大鼠實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素可通過TGF-β1/Smads信號通路拮抗腹膜透析相關(guān)的腹膜纖維化，藥物干預(yù)組大鼠腹膜組織中轉(zhuǎn)化生長因子-β1、MCP-1、α-SMA較模型對照組明顯降低。

7 TGF-β1/Smads與瘢痕

皮膚瘢痕增生是以成纖維細(xì)胞(fibroblast，F(xiàn)b)過度增殖，膠原等細(xì)胞外基質(zhì)過量沉積為病理特征的修復(fù)過程，其病因包括外傷、燒傷、手術(shù)后或無明顯誘因等。主要表現(xiàn)在超過原創(chuàng)口界限，成增生性、瘤樣生長，同時(shí)伴奇癢、疼痛或灼熱。瘢痕不僅破壞美觀，嚴(yán)重增生的瘢痕疙瘩會(huì)影響周圍組織的功能，甚至出現(xiàn)畸形，嚴(yán)重影響身心健康。盡管瘢痕增生發(fā)病率較高，但對其有效的治療方法尚未明確。由于此過程中的效應(yīng)細(xì)胞為肌成纖維細(xì)胞，因此抑制TGF-β1介導(dǎo)的成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞活化就成為預(yù)防增生性瘢痕的重要靶點(diǎn)[31]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證明[32]，皮損內(nèi)注射曲安奈德能有效抑制兔耳增生性瘢痕的形成，其機(jī)制在于通過抑制TGF-β1的表達(dá)、NF-kB炎癥信號通路的過度激活，從而減輕瘢痕組織的過度纖維化。楊逸璇等[33]針對燙傷大鼠應(yīng)用石榴皮多酚軟膏抑制增生性瘢痕形成的研究證實(shí)，藥物通過降低TGF-β1、Smads4表達(dá)抑制增生性瘢痕的形成。

8 TGF-β1/Smads腹腔粘連

腹腔粘連(abdominal adhesion,Ad)是腹腔內(nèi)腸管與腸管、腹膜、腹內(nèi)器官表面之間出現(xiàn)的異常黏附[34]，常見的原因?yàn)楦共渴中g(shù)創(chuàng)傷繼發(fā)引起，另外也可由腹腔內(nèi)感染、創(chuàng)傷、臟器缺血、出血、異物甚至腫瘤等原因?qū)е?，也有極少是先天異常導(dǎo)致。腹腔粘連是盆、腹腔手術(shù)無法避免的并發(fā)癥，可出現(xiàn)慢性盆腹腔的疼痛，嚴(yán)重者出現(xiàn)粘連性腸梗阻，如非手術(shù)治療無法緩解，再次行手術(shù)探查解除梗阻又可造成新的粘連形成，形成惡性循環(huán)。腹腔粘連的本質(zhì)也是一種纖維化疾病，目前研究涉及到凝血與纖溶系統(tǒng)的失衡、炎癥免疫、腹膜間皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化、細(xì)胞外基質(zhì)的沉積、血管的生成等方面。其中TGF-β1/Smads介導(dǎo)間皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在粘連帶形成中至關(guān)重要，可誘導(dǎo)腹膜間皮細(xì)胞向成纖維細(xì)胞分化，進(jìn)而分泌大量膠原及細(xì)胞外基質(zhì)，導(dǎo)致粘連的發(fā)生[35]。有研究指出[36]通過對于腹腔粘連大鼠應(yīng)用穿心蓮內(nèi)酯，證實(shí)通過調(diào)控Smads通路及抑制炎癥反應(yīng)可以抑制大鼠腹腔粘連的發(fā)生發(fā)展。鉤藤堿[37]可以降低腹膜液中的TGF-β1及結(jié)締組織生長因子，即該藥理活動(dòng)的潛在機(jī)制與抑制TGF-β1/Smads信號通路相關(guān)。

9 TGF-β1/Smads與宮腔粘連

宮腔粘連(intrauterine adhesion,IUA)是宮腔在手術(shù)、炎癥、放射損傷、異物等導(dǎo)致子宮內(nèi)膜纖維化，造成宮腔及宮頸管壁不同程度的閉塞。主要癥狀是月經(jīng)量少、閉經(jīng)、繼發(fā)性不孕或習(xí)慣性流產(chǎn)、慢性盆腔疼痛等，宮腔粘連和腹腔粘連均屬于損傷后修復(fù)障礙的結(jié)果，都是纖維化疾病的一種，子宮內(nèi)膜過度的纖維化改變和細(xì)胞外基質(zhì)沉積是其最主要的病理特征，TGF-β1是目前發(fā)現(xiàn)的最重要的致纖維化因子，可激活其下游Smads蛋白家族，調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)，誘導(dǎo)EMT，使成纖維細(xì)胞分泌大量膠原并減少對細(xì)胞外基質(zhì)的降解，是纖維化形成的重要啟動(dòng)因素。在探討含激酶受體KDR在宮腔粘連中的作用機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)[38]，IUA大鼠內(nèi)膜組織KDR的mRNA和蛋白表達(dá)明顯增高，KDR的表達(dá)也與IUA成正相關(guān)，注射si-KDA可以增加子宮內(nèi)膜腺體數(shù)量，減少纖維化的面積，抑制KDA可能通過TGF-β1/Smads信號通路和上調(diào)MMP-9的表達(dá)來阻止IUA的發(fā)生和發(fā)展。Ning等[39]發(fā)現(xiàn)IUA患者子宮內(nèi)膜組織miR-326下調(diào)，miR-326水平與TGF-β1、α-SMA、COL1N1等表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，且miR-326的過表達(dá)通過下調(diào)促纖維化基因?qū)τ谧訉m內(nèi)膜纖維化進(jìn)行抑制。故TGF-β1/Smads是宮腔粘連過程中的重要通路，也是抑制其進(jìn)程、改善臨床癥狀的主要靶點(diǎn)。

10 總結(jié)與展望

纖維化疾病的治療目前尚無特效藥物，臨床治療非常棘手，往往是由多種細(xì)胞、基因、傳導(dǎo)通路共同作用的結(jié)果，發(fā)病機(jī)制尚不完全明確。目前來看TGF-β1/Smads是影響纖維化進(jìn)程的經(jīng)典信號傳導(dǎo)途徑，在多種組織器官纖維化的發(fā)生、發(fā)展中起到關(guān)鍵的調(diào)控作用，針對此通路的研究也越來越多，抗TGF-β1抗體及其它通路抑制劑能有效阻止組織纖維化的進(jìn)展，但也帶來其他的嚴(yán)重的副作用，目前無法應(yīng)用于臨床。故有效、安全的抗纖維化治療策略有待于進(jìn)一步的探究。