胰腺纤维化与TGF-β1/Smad信号转导机制的研究进展

宋敏敏　陈尼维



·综述·

胰腺纤维化与TGF-β1/Smad信号转导机制的研究进展

宋敏敏陈尼维

流行病学资料表明，慢性胰腺炎(CP)的发病率呈逐年升高趋势，而胰腺纤维化是CP的重要病理特征之一。近年来的研究发现，胰腺星状细胞(PSC)可能是导致胰腺纤维化的主要始动细胞和效应细胞，其静止型可在转化生长因子-β1(TGF-β1)的作用下转变为活化型，导致细胞外基质(ECM)大量生成并最终进展为纤维化。TGF-β1主要将刺激信号经由细胞质中的Smad蛋白来调节PSC的表达，TGF-β1/Smad信号通路在胰腺纤维化过程中可能起着重要作用。此文主要就PSC及信号通路与胰腺纤维化的发生、发展的研究进展作一综述。

胰腺纤维化；胰腺星状细胞；TGF-β1；Smad蛋白

近年来，慢性胰腺炎(CP)的发病率呈上升趋势，在中老年男性中尤为显著[1]。有研究统计了英国1988年至1990年以及1999年至2000年间因胰腺炎住院的人数，发现急性胰腺炎(AP)患者增加了43%，而CP患者却增加了一倍之多。另有研究收集了1988年至1997年间德国Lunerburg州的胰腺疾病发病率，发现CP的发病率也在逐年上升。中国尚无有关CP的流行病学发病的确切资料，但是发病率亦在逐年增加[2]。胰腺实质纤维化具有进行性、不可逆性的特点，其病理特征为胰腺腺泡损伤、白细胞浸润和胰腺实质纤维化，从而使腺体萎缩或胰管变形，胰腺部分或广泛的纤维化或钙化，可引起胰腺内、外分泌功能的部分或全部丧失[3]，导致一系列的临床症状或疾病发生。胰腺实质纤维化的发生发展主要与下列因素有关。

1　胰腺星状细胞

近年来的研究发现，活化的胰腺星状细胞(PSC)与胰腺纤维化的发生密切相关，在胰腺纤维化的起始和进展中发挥核心作用。研究证实胰腺纤维化的发生主要与细胞外基质(ECM)的沉积和降解失衡有关，胰腺内静止型的PSC在细胞因子的调节下转变为活化型，产生Ⅰ型、m型胶原及纤连蛋白等ECM成分，导致ECM大量生成[4-5]。参与ECM降解的是一种肽链内切酶——基质金属蛋白酶(MMP)，这种酶的活性受到基质金属蛋白酶抑制剂(TIMP)的调控，许多细胞因子通过影响MMP和TIMP的表达，从而调控ECM的降解[6]。郑振江等[7]通过研究胰腺纤维化动物模型及人慢性胰腺炎术后标本，证实胰腺纤维化与PSC的激活密切相关。有研究发现，胰腺纤维化区域均可见活化的PSC与胶原蛋白mRNA、前胶原蛋白mRNA表达位置一致，提示活化的PSC是胰腺纤维化胶原蛋白生成的主要来源[8]。Apte等[9]和Sri Manjari等[10]发现在胰腺纤维化中活化的PSC能够分泌MMP及TIMP，且对两者的表达失衡，使MMP/TIMP比值下调，引起ECM降解减少，最终引起ECM大量沉积，导致胰腺纤维化。以上研究表明，PSC在胰腺纤维化中发挥了核心作用[11]。

PSC的活化涉及多种细胞因子，主要包括转化生长因子-β(TGF-β)、血小板生长因子、肿瘤坏死因子、白细胞介素等[12]，其中TGF-β被认为是诱导PSC发生转化激活的主要信号因子，在胰腺纤维化中起关键作用[13]。

2　TGF-β1/Smad信号途径

TGF-β1在体细胞中所占比例较高(>90%)，活性较强，在器官发生慢性炎性反应或纤维化时，间质细胞中TGF-β1表达增加，且实质细胞被启动表达TGF-β1，大量表达的TGF-β1能够促进静止型的PSC转变为活化型，刺激ECM合成，参与组织修复和纤维化形成[14-15]。王瑜萍等[16]在雨蛙素诱导的大鼠胰腺纤维化模型实验中发现，TGF-β mRNA在48 h以后即可被检测到，且其蛋白含量在第2天达到峰值，利用TGF-β的中和抗体作用于该模型可以发现，Ⅰ型胶原蛋白和TGF-β水平均明显降低。Vogelmann等[17]在转基因胰腺纤维化小鼠模型中发现，与对照组相比较，模型组小鼠胰腺组织中TGF-β1大量表达，且活化型的PSC生成增加及ECM堆积。上述研究结果表明，在胰腺纤维化形成过程中TGF-β1是激活PSC的重要细胞因子之一。

近年研究发现，TGF-β1主要通过TGF-β/Smad蛋白途径激活PSC。Smad蛋白是TGF-β1受体激酶的关键作用底物[18]，将配体与受体相互作用的信号由胞质传递至胞核，进一步调节靶基因的转录。TGF-β/Smad蛋白途径如下：TGF-β1首先识别并与跨膜蛋白的TGF-β的Ⅱ型受体(TβRⅡ)结合，此时TβRⅡ发生自身磷酸化，磷酸化后的TβRⅡ结合TGF-β的Ⅰ型受体(TβRⅠ)，形成TβRⅡ-(TGF-β1)-TβRⅠ三聚体复合物[2]，该复合物随后将信号传递给下游的Smad2和Smad3蛋白，使之发生磷酸化并发生构象改变，随后从受体TβRⅠ上解离并与Smad4分子结合，形成Smad复合物[2,19]，该复合物随即由胞质转移至胞核，在胞核内其可直接与靶基因启动子特定DNA序列结合，或在其他转录因子协同作用下与DNA结合，共同调节靶基因的表达[20]。TGF-β1通过上述途径活化PSC，进而改变PSC功能，包括促进α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的表达，增加ECM的合成，减少MMP的表达等，从而促进纤维化的形成。Zhang等[13]研究发现，胰腺纤维化组织中TGF-β1可以上调Smad3的表达，大量Smad3的表达能够激活PSC，促使更多的胶原和纤维蛋白生成。张淑坤等[21]在对大鼠慢性胰腺纤维化模型的研究中发现，与正常对照组相比较，模型组大鼠胰腺组织中TGF-β1及TGF-β Ⅱ型受体mRNA 的表达明显升高，证实TGF-β1是胰腺组织的致纤维化因子，并提示TGF-β1可能通过上调相应受体的表达，在大鼠慢性胰腺炎、胰腺纤维化发生发展过程中起重要作用。

有研究表明，TGF-β信号转导包括两种Smad蛋白依赖途径，即TGF-β/Smad3依赖途径和TGF-β/Smad2依赖途径。

2.1通路限制型Smad

Smad3是TGF-β1/Smad3信号途径的关键因子，其表达水平直接影响胶原蛋白的激活和表达。Zion等[22]通过给予胰腺纤维化小鼠常山酮，发现与对照组相比较，模型组小鼠中胶原蛋白和纤连蛋白表达显著减少，胰腺组织纤维化程度明显改善，提示常山酮可以抑制胰腺组织中Smad3磷酸化，活化的Smad3表达下调可抑制TGF-β/Smad3信号通路，使活化型的PSC表达减少；常山酮还具有抑制PSC增生及金属蛋白酶-2活性的作用。以上研究表明Smad3信号与胰腺纤维化密切相关。

Smad2和Smad3均属于通路限制型Smad，且在TGF-β/Smad通路中竞争性地结合TGF-β受体，并均可与Smad4结合，参与靶基因的表达，但两者在TGF-β介导的信号转导中的作用却不完全相同。Meng等[23]利用Smad2、Smad3的野生型与负显性突变体，研究其对原代鼠肝星状细胞的作用发现，与Smad2过表达或者负显性突变体细胞相比较，Smad3过表达的细胞表现出纤连蛋白及Ⅰ型胶原蛋白沉积增加，细胞趋化能力加强，但增殖未见明显提高。研究发现，在眼部的晶状体上皮细胞中阻断Smad3可以阻断TGF-β对于细胞增殖和细胞外基质产生的调节作用，阻断Smad2可以阻断TGF-β对于细胞迁移和 α-SMA产生的调节作用。只有阻断Smad2和Smad3信号转导通路，才可以有效阻断TGF-β的增殖、迁移以及ECM产生的调节作用[24]。但TGF-β/Smad2、TGF-β/Smad3信号通路在引起胰腺纤维化进展中的具体作用机制目前尚不完全清楚。

2.2抑制型 Smad

Smad7是拮抗TGF-β信号通路的细胞内抑制性调控蛋白。有研究发现，Smad7可与Smad2、Smad3蛋白竞争性结合TGF-β受体，随后Smad7募集Smad泛素化调节因子(Smurf)至TGF-β受体，促进TGF-β受体泛素化和降解，进一步竞争性抑制Smad2、Smad3磷酸化和异源Smad复合物的形成，阻断TGF-β信号转位至细胞核，从而抑制PSC激活[25-26]。Smad7还可通过与细胞核中的DNA结合来抑制TGF-β1诱导的R-Smad-Smad4-DNA复合物形成，从而负反馈调节TGF-β的信号转导[27]；其还能通过抑制TGF-β介导的TIMP1的过度表达，减少胶原纤维的生成和ECM的大量沉积，从而抑制纤维化的发生[28]。He等[3]在胰腺大量表达Smad7蛋白的转基因小鼠模型实验中，重复给予模型组和对照组雨蛙素，结果发现对照组胰腺发生纤维化，而模型组胰腺组织内Ⅰ型胶原蛋白和纤连蛋白含量显著减少，此外，实验还发现活化型PSC的标志物α-SMA表达明显减少，从而证实了Smad7的大量表达能够抑制TGF-β诱导的ECM积聚，进而抑制胰腺纤维化的形成。

2.3通路限制型Smad与抑制型Smad蛋白间的相互作用

马松林等[29]研究发现，在胰腺纤维化组织中TGF-β1、Smad3的表达明显高于正常胰腺组织，而Smad7的表达则低于正常胰腺组织；胰腺纤维化组织中TGF-β1的表达与Smad3的表达呈正相关，而与Smad7的表达呈负相关。Fukasawa等[30]发现，Smad7对Smad2/3的抑制作用增强可间接延缓纤维化的发展。Qian等[18]给予过度表达Smad7的小鼠博来霉素以诱导肺纤维化，发现Smad3的表达及活性被抑制，TGF-β1及PSC合成纤维蛋白减少，肺纤维化明显改善。因此认为，Smad3的高表达和(或)Smad7的低表达可能促进胰腺纤维化的发生发展。

Smad3和Smad7两种信号分子在PSC活化及TGF-β1/Smad信号转导中起重要作用。Smad3的高表达可促进PSC的活化，活化的PSC可抑制Smad7的表达[30]，从而引起ECM大量生成，最终导致纤维化。Smad7的高表达可通过抑制TGF-β1的产生和(或)TGF-β1/Smad信号通路的转导，进而阻断胰腺纤维化的进展。因此，通过靶向性抑制Smad3和(或)上调Smad7的表达有望治疗慢性胰腺纤维化。

3　小结

胰腺纤维化的本质是以胶原蛋白为主的ECM合成增多，而降解相对减少，两者失去动态平衡，致使过多的ECM沉积于胰腺组织。已有研究表明，PSC在胰腺纤维化的起始和进展中发挥核心作用。TGF-β1通过活化PSC，促进活化型的PSC合成ECM，抑制ECM降解，在调节ECM代谢的过程中发挥了重要作用。因此，具有活性的TGF-β1主要经TGF-β1/Smad信号转导通路，进一步传递信号至细胞核，参与PSC的活化。其中，Smad3和Smad7在胰腺纤维化信号途径中起着不同的介导作用，Smad3的高表达与Smad7的低表达可促进胰腺纤维化的发生发展。

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(本文编辑：周骏)

200233上海交通大学附属第六人民医院消化内科

陈尼维，Email: chenniwei@163.com

10.3969/j.issn.1673-534X.2016.04.006

2016-3-10)