肺间质纤维基质重建与肺纤维化的研究进展

孙旭明 何振华 陈林

Kogan等[1]研究了IPF的肺组织重建机制。发现肺组织重构与肺纤维化的发生是一个复杂的过程，参与的因素较多，如细胞因子，细胞间基质的改变，纤维细胞的增殖等。肺纤维化阶段主要表现为基质重建即肺成纤维细胞异常增殖，ECM的过度沉积。由肺纤维化的早期损伤降解阶段发展而来。现阶段肺间质纤维基质重建以成纤维细胞、胶原、MMP/TIMP、TGF-β的作用最受人们重视。

1 成纤维细胞与基质重建和肺纤维化的关系

肺成纤维细胞(fibro-blast，LF)是肺纤维化发展过程中合成和分泌细胞外基质(Extracellular medium，ECM)的主要效应细胞。其过度增生及合成胶原增多为纤维化期的主要特征。LF在肺纤维化过程中有着重要的作用。LF几乎能合成全部有ECM降解活性的基质金属蛋白酶(MMPs)及其抑制剂(TIMPs)。新的观点认为，在IPF的发病最初就有成纤维细胞灶的形成，伴或不伴间质性炎症，最终形成肺纤维化[2]。成纤维细胞灶主要由成肌纤维细胞(Myofibroblasts)构成，后者是肺纤维化发病和进展过程中细胞外基质的主要来源，兼具成纤维细胞和平滑肌细胞的性质。各种原因通过不同的方式和途径作用于肺成肌纤维细胞，形成肺纤维化。LF主要是通过自身的异常转型增殖形成肺的成纤维灶和大量分泌ECM，介导ECM的大量沉积并逐渐取代正常的肺细胞组织，引起肺部结构的异常重塑。肺纤维化过程中，众多细胞因子对FB的增殖转型起着重要的调控作用。其中TGF-β1是促进成纤维细胞(myofibroblast，MB)激活向肌成纤维细胞转化的关键因子[3]。Smads通路是成纤维细胞-肌成纤维细胞的转化的主要通路。在多种细胞因子及自身还可以通过作用于一些其他的细胞或刺激自身共同作用下，LF转型分化为MB，大量分泌ECM，同时由于MMPs/TIMPS系统平衡被破坏，导致ECM异常聚集。成纤维细胞和肌成纤维细胞合成并且释放大量各型胶原。如肺内Fb合成Ⅳ型胶原可能是通过TGF-β1/Smad依赖的信号途径实现的[4]。并通过下调MMPs(Matrix met alloproteinase，MMPs)和上调组织金属蛋白酶抑制物(Tissue inhibitor ofmet alloproteinases，TIMPs)抑制胶原降解。Ⅳ型胶原的反复产生和降解在肺纤维化启动过程中发挥重要的作用[5]。

2 TGF-β与基质重建和肺纤维化关系

2.1 TGF-β与肺纤维化4在TGF-β家族中参与纤维化的主要是TGF-β1。TGF-β1是目前已知的对胶原合成最直接和有效的刺激剂，被认为是致纤维化的关键性细胞因子[6]。肺内高浓度TGF-β1会导致肺组织细胞外基质沉积显著增加[7]。而其从细胞膜到细胞核的细胞内信号转导是由Smad蛋白所介导的。

TGF-β1致肺纤维化机制主要包括：①大量资料证明TGF-β1/smad3途径导致纤维化，给予smad3敲除的大鼠注射活性TGF-β1因子，由于阻碍了TGF-β1诱导基质基因、组织蛋白酶抑制剂(TIMP-1)的表达，从而阻碍基质积聚，不会促进瘢痕形成和纤维化发生[7]。反之，未敲除smad3的大鼠出现明显肺纤维化。Smad3在炎症向慢性纤维化进展中发挥了重要作用[12]，在炎症的早期阶段和修复阶段是下调的，而在胶原表达阶段是上调的。②在啮齿动物的实验模型中TGF-β1的过分表达可以导致蛋白酶抑制因子，例如金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)、纤溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)的调节，最终导致基质的异常积聚和纤维形成。③TGF-β1对ECM生成和沉积有强有力的调节作用，它能调节平滑肌细胞增殖、诱导成纤维细胞转化为肌成纤维细胞从而产生ECM，并且能够刺激肺成纤维细胞有丝分裂及ECM的合成和沉积，调节细胞黏附和细胞之间的相互作用，而ECM对细胞的增殖和分化也具有控制作用，并且TGF-β1可能是通过ECM实现其对细胞的双向调节。因此，TGF-β1可增强胶原合成、促进FB向肌成纤维细胞(myofibroblast，MF)转化导致ECM合成和沉积，共同诱导肺纤维化发生。

研究表明[8]，其致纤维化的作用即促进胶原基因转录的分子机制与Smad家族的信号转导有关。Smad基因编码的蛋白都是TGF-β家族的特异性细胞内信号转导分子。此外，TGF-β1还通过介导的ERK通路：丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase MAPK)家族ERK1/2信号通路密切相关，两者共同调控相应的靶分子转录而致肺纤维化。

2.2 TGF-β1调节MMP/TIMP MMPs和TIMPs基因表达是受多种细胞因子、生长因子等的调控，如TNF-α可以诱导成纤维细胞MMP-9和胶原酶表达，TGF-β在转录水平和转录后水平上调MMP-2和 TIMP-1，但对 MMP-1、-3和 TIMP-2表达则具有下调作用。正常细胞外基质的代谢有赖MMPs/TIMPs系统的平衡，已有研究证实，TGF-β1通过调节MMP/TIMP在IPF中起重要作用。TGF-β能显著增加成纤维细胞和角质细胞的MMP-2、MMP-9的表达同时下调TIMP-2的表达，可能在肺纤维化的发生发展过程中起重要作用。

杨冲禹等[9]研究观察了 TGF-β1转基因小鼠肺组织中TGF-β1表达及其对 MMPs/TIMPs系统活性的影响，以及MMPs/TIMPs系统表达紊乱与肺纤维化发生的相关性。结果发现转基因小鼠肺组织内高水平TGF-β1蛋白抑制了MMP-9表达，对MMP-2、MMP-3和MMP-13表达无显著影响，显著增加TIMP-1、TIMP-2和，TIMP-3表达。Liu等[10]亦研究表明：TGF-β1能够调节MMP-9和TIMPs的表达，而且这种调节作用具有显著的细胞/组织特异性。如在人肺来源的成纤维细胞中，TGF-β1能够经Smad7信号通路抑制 MMP-9的表达。可见，肺内高浓度的 TGF-β1通过抑制MMP-9表达，及增加TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 表达，使 MMPs/TIMPs平衡向 TIMPs倾斜，导致肺组织中出现一个降解低下的微环境，减少细胞外基质降解，增加胶原、纤粘蛋白和弹性蛋白等细胞外基质沉积，导致肺纤维化的产生。

3 MMPs/TIMPs与基质重建和肺纤维化的关系

近年研究表明，MMP和TIMP局部表达失衡，可在肺部产生不利于 ECM的降解，导致肺泡间质 ECM过度沉积[11]。MMPs/TIMPs比例平衡一旦在调控基质重塑过程中遭到破坏，就会导致肺纤维化，此观点在一些研究中己得到部分证实。MMPs/TIMPs系统对细胞外基质重建具有重要的调控作用。基质金属蛋白酶(MMPs)是分解细胞外基质的主要酶类，基质金属蛋白酶组织抑制物(TIMPS)则特异性的抑制MMPs对ECM的分解作用。MMPs/TIMPS系统是控制ECM代谢平衡的关键系统。

MMPs及TIMPs在肺纤维化形成过程中的作用比较复杂。在不同原因及不同时期的肺纤维化时，MMPs及TIMPs活性和表达形式可能不同。在肺纤维化形成早期以炎性损伤为主，MMPs和TIMPs呈同步升高。早期MMPs主要产生肺损伤作用。在肺纤维化阶段主表现为基质重建，MMPs的活性可随病情发展逐渐降低;TIMPs作用也上调，可抑制MMPs的活性。MMPs/TIMPs的失衡，减少ECM的降解，从而引起ECM积聚和沉积，发展为肺纤维化。

章巍等[12]在博来霉素诱导肺纤维化形成过程中，发现早期肺组织的病理学变化以肺泡炎症为主，肺组织内MMP-2/9活性增高;后期以纤维化为主，肺组织基质金属蛋白酶组织抑制剂-1/2(TIMP-1/2)表达明显增加，MMP-2/9活性则有所下降。MMP-9和TIMP-1参与了肺纤维化中肺组织的重构，尤其在特发性肺纤维化发病过程中。研究亦表明肺损伤的早期MMP活性增强，破坏了细胞的基质;其TIMP相应增加，TIMP在肺纤维化期活性增强，抑制了肺组织正常的修复和胶原的降解，导致间质纤维化发生。在肺纤维化形成过程中，MMP在早期的损伤阶段参与了ECM和基底膜的降解，在后期的修复阶段对肺组织结构的重塑起重要的调节作用。可见，早期MMP/TIMP比值升高及后期MMP/TIMP比值的降低均可促进纤维化的形成。这提示MMP/TIMP比例失衡在肺纤维化形成中具有重要作用。

许多MMPs的成员与肺纤维化的发生和发展有密切关系，如MMP-7被发现是肺纤维化发生的重要因素之一。MMP1在炎性损伤阶段表达是可能是增高的，而在肺纤维化修复阶段基质重建过程中的活性是降低的，而MMP7在基质重塑中活性是增高的。Zhou等[13]研究了IPF和结节病患者血清和支气管肺泡灌洗液(BALF)中MMP-1和MMP-7的变化。结果发现。肺纤维化早期MMP-1高于健康对照组，亚临床肺间质性疾病患者的血清和BALF种MMP-7高于健康对照组，肺纤维化阶段MMP-7含量则更高。因此，推断MMP-1主要在早期肺纤维化炎性细胞浸润阶段升高。然而MMP-7在肺纤维化阶段基质重建中高于炎症细胞阶段。且MMP-7可能为IPF临床严重程度的生物标志。当然，判断IPF的严重程度，还需结合患者的临床特征。

除了MMP-7之外，还有多种已被发现的MMP成员，通过与MMP-7相似的机制参与组织的重构，在肺纤维化中有重要的作用。

综上所述。MMPs/TIMPs在肺纤维化过程中发挥重要作用，某些具体作用机制还有待进一步研究。近年研究认为抑制损伤阶段MMPs的过度表达、纤维化期TIMPs的过度产生，将是阻止纤维化基质重建的重要途径之一，有望为肺间质纤维化治疗提供新的思路。

肺纤维化是一种慢性进行性疾病，其病因复杂、发病机理尚不十分清楚，其发病机制的许多环节还未完全明确，总而言之，肺组织重构和肺纤维化并不是两个分开的过程，都有大量的细胞因子和众多的因素参与进来。目前人们为了控制肺组织的重构和对抗肺纤维化的发生，采取了多种措施，但还没有理想的治疗方法。进一步研究肺组织重构和肺纤维化的发生机制，将会为临床提供更好的治疗和预防肺纤维化的方法，意义深远。

[1]Kogan EA，Tyong FV，Demura SA.The mechanism of lung tissue remodeling in the progression of idiopathic pulmonary fibrosis.Arkh Patol，2010，72(4)：30-36.

[2]Selman M，Thannickal V J，Pardo A，et al.Idiopathic pulmonary fibro-sis：pathogenesis and therapeutic approaches.Drugs，2004，64(4)：405-430.

[3]Willis B C，Borok Z.TGF-beta-induced EMT：mechanisms and implications for fibrotic lung disease.Am J Physiol Lung CellMolphysio，2007，293(3)：525-534.

[4]Tian Y C，Chen Y C，Hung C C，et al.J Am Soc Nephrol，2006，17(10)：2792-2798.

[5]Fligiel S E，Standiford T，Fligiel H M，et al.Human Pathol，2006，37(4)：422-430.

[6]Yussef H，Andrea PM，Domicnic TK，et al.Host predisosition by endogenous Ttransforming Growth Factor-β1overexpression promotes pulmonary fibrosis following bleomycin injury.Inflamm(Lond)，2007，4：18.

[7]Gao J，Liu PQ.Connective tissue growth factor and its role in cardiovascular disease.Med Recap，2006，12(20)：1219-1221.

[8]Kamaraju A K，Roberts A B.Role of Rho/ROCK and p38 mAP kinase pathways in transforming growth factor-beta-mediated Smad-dependentgrowth inhibition ofhuman breast carcinoma cellsin vi-vo.JBiolChem，2005，280(2)：1024-1036.

[9]杨冲禹，刘莉，张涛，等.基质金属蛋白酶及其组织抑制物在小鼠肺纤维发生中的作用.中华内科杂志，2006，45(7)：589-590.

[10]Liu R，Ahmed KM，Nantajit D，et al.Therapeutic effects of a-lipoic acid on bleomycin-induced pulmonary fibrosis in rats.Int JMol Med，2007，19：865-873.

[11]Wynn T A.Cellular and molecular mechanisms of fibrosis.Pathol，2008，214(2)：199-210.

[12]章巍，刘新民，李海潮，等.博来霉素致大鼠肺纤维化模型肺组织MMP-2、MMP-9、MT1-MMP 及TIMP-1、TIMP-2的表达. 北京大学学报(医学版)，2002，34(6)：716.

[13]Zhou LF，Jiang L，Li ZH，Kang J.Change of matrix met alloproteinase-1 and matrix met alloproteinase-7 in serum and bronchoalveolar lavage fluid of patients with idiopathic pulmonary fibrosis and sarcoidosis.Zhonghua Jie He He Hu Xi Za Zhi，2010，33(6)：441-444.