肺纤维化发病机制的研究进展

孙佳 张广平 李晗 叶祖光

1辽宁师范大学生命科学学院，大连116000；2中国中医科学院中药研究所，北京100075

肺纤维化是以肺间质弥漫性渗出、浸润和纤维化为主要病变的疾病，其基本形成过程包含肺组织的炎性损伤、炎症细胞的移动、炎症介质的释放、损伤的调整及结构修复停滞等缘由而引发的纤维化及瘢痕，病变部位首先涉及肺间质、肺泡上皮细胞和肺血管。肺纤维化是间质性肺疾病，其病理学的特点为肺泡上皮细胞损伤和增殖、基底膜剥蚀、肺泡实变和成纤维细胞病变，最后患者出现进行性呼吸困难、咳嗽、呼吸生理机能受限及气体交换障碍等症状[1]。炎症细胞、细胞因子、肌成纤维细胞、上皮间质转化 (epithelial-mesenchymal transition，EMT)、蛋白酶系统、脂质过氧化作用以及信号转导机制等在纤维化发生和发展过程中起着关键性作用[2]。由于其病因复杂，发病机制尚不明确，临床上传统的治疗方法存在很多不足，特别是在肺纤维化的中期和晚期时治疗效果欠佳，病死率较高，因此急需大量的实验方法用于研究该病的发病机制，有助于为临床治疗提供较好的实验依据[3-4]。

1 特异性因子

肺纤维化病变产生的炎症细胞可直接生成特异性因子，它们也可通过肺上皮细胞、内皮细胞及间质细胞间接表达生成。研究表明，一种细胞可分泌合成多种细胞因子，不同种类细胞因子相互作用、互相影响，构成复杂的肺细胞因子网络。一些细胞除了形成细胞因子外还存在细胞凋亡，细胞凋亡在肺炎症、纤维化的发生中也起到了重要的作用[5]。比如：在初期病变时，肺巨噬细胞凋亡有利于消除炎症、清除受损细胞、重新构建肺部结构以及保持肺功能；但在晚期随着巨噬细胞大量凋亡，又对机体产生损害作用。

1.1 转化生长因子 β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1) TGF-β1主要由巨噬细胞、肺上皮细胞、成纤维细胞、嗜酸粒细胞分泌，是导致肺纤维化的关键性细胞因子，可促进细胞增殖、分化、黏附、修复和基质形成，诱导肺成纤维细胞生成，刺激成纤维细胞合成大量胶原。TGF-β1是如今发现的促使细胞外基质沉积最强的因子，其生物学作用是通过它的信号转导途径来完成的，TGF-β1细胞内信号转导途径需要细胞质内Smad蛋白家族的共同参与[6]，并且其能诱导间质细胞中细胞外基质的蛋白表达[7-8]。TGF-β1可以促进肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、血小板衍生生长因子 (platelet derived growth factor，PDGF)的产生，但是研究显示其不足以引起永久性肺纤维化。

1.2 TNF-α TNF-α是在炎症因子刺激下，机体组织产生的细胞免疫预防因子。它能引起炎症反应以及间质细胞的增殖分化；可以引发肿瘤出血，进一步杀伤体外培育的肿瘤细胞；同时也能促进内皮细胞形成黏附分子，进而加强与白细胞的黏附。研究发现TNF-α能促进中性粒细胞的聚集，激活间质组织释放蛋白水解酶。樊茂蓉等[9]认为TNF-α可刺激其他炎症因子的表达，加强炎症反应，使成纤维细胞增殖，纤维母细胞合成胶原増加，直接或间接地促进细胞外基质的合成。在肺纤维化模型中发现肺部有TNF-α大量合成，并且TNF-α基因转录水平高于正常肺组织[10]，TNF-α大量合成可以促进肺纤维化的形成。

1.3 IL IL是一种细胞因子，与其受体相结合后激活细胞内信号转导通路发挥作用。IL-1由单核巨噬细胞形成，可以直接或间接促进细胞因子的形成，并且影响肺纤维化，它能使黏附分子分泌增多，使白细胞进入肺间质，促使肺成纤维细胞生成胶原和氨基多糖，引发间质性肺纤维化。IL-4在早期炎症反应时能够抑制T淋巴细胞的产生，在晚期炎症反应时可以促进肺纤维化的形成[11]。IL-6可通过JAK-STAT途径诱导胶原的产生，抑制胶原的降解。IL-7可以经过Smad7抑制TGF-β形成胶原。IL-8对血管增生和细胞外基质沉积有一定程度的促进作用[12]。IL-10在快速炎症反应时，可以通过减少TGF-β的表达，降低胶原的沉积；在纤维化的后期，它可通过上调TGF-β的表达，促进肺纤维化。IL-12和IL-13既可以减轻肺部炎症的形成，同时也能减轻纤维化的形成。

1.4 内皮素 (endothelin，ET) ET是由21种氨基酸组成的多肽，具有3种同分异构体，分别为ET-1、ET-2、ET-3[5]。它能促进血管收缩，同时还可以促进成纤维细胞和内皮细胞DNA的合成，并进一步增加成纤维细胞。

1.5 PDGF PDGF是由A、B 2条链构成，有AA、BB、AB 3种构造。PDGF通过自分泌和旁分泌的形式发挥作用。PDGF通过促进成纤维细胞的增殖导致肺纤维化，当器官受损时，巨噬细胞和血小板等大量分泌PDGF，导致细胞增殖，炎症反应加重，这是肺纤维化形成的主要原因[10]。

1.6 结缔组织生长因子 (connective tissue growth factor，CTGF) CTGF是1991年Bradham等[13]在脐静脉内皮细胞发现的，它由349个氨基酸组成，相对分子质量为34 000～38 000，是富含半胱氨酸的分泌肽。CTGF能刺激Ⅰ、Ⅲ型胶原和纤维连接蛋白的合成，促使细胞外基质沉积。CTGF能引发成纤维细胞有丝分裂，进一步促使成纤维细胞的形成。研究发现，CTGF和TGF-β1的表达呈明显正相关，可以导致肺纤维化的形成。实验证明，CTGF可以促进细胞迁移、增殖、分化，并且在其他疾病的发生、发展过程中也有一定的影响[14]。

1.7 γ-干扰素 (interferon-γ，IFN-γ) IFN-γ是一种重要的抑制肺纤维化形成的功能因子。研究发现，在肺损伤早期IFN-γ表达增高，它可以抑制胶原的产生，同时还可以促进胶原的降解，进而抑制肺纤维化的形成。IFN-γ经过调整TGF-β的作用影响肺纤维化，在某种条件下，IFN-γ相当于竞争性抑制剂，它的信号传导蛋白与细胞内Smad-7连接，竞争性抑制TGF-β信号传导通路，进一步阻断合成胶原蛋白的信号[15]。

1.8 黏附分子 黏附分子由细胞形成并黏附于细胞表面，可增加细胞与细胞之间或细胞与基质之间的相互作用，细胞黏附分子在许多生理或病理中都有很重要的作用，包括细胞的信号传导、生长、分化、炎症与创伤愈合等。在肺纤维化的初期，黏附分子经由黏附作用活化和趋化炎症细胞，传递信息，释放蛋白酶和活性氧，使内皮细胞和基底膜受损，各种细胞因子和生长因子进入肺间质可以引发细胞增殖和基质的增加。实验证明，博来霉素致肺纤维化大鼠肺泡上皮细胞、肺泡巨噬细胞、肺血管内皮细胞黏附分子的表达明显增强，证明在肺间质细胞增殖以及细胞外基质蛋白的形成过程中黏附分子发挥了一定的作用[16]。

1.9 趋化因子 趋化因子是趋化白细胞作用的因子，主要包含单核细胞趋化蛋白3、单核细胞趋化蛋白1、干扰素诱生蛋白10等。趋化因子能诱导炎性细胞的趋化、活化、细胞因子的调整、黏附分子的表达和单核细胞的分化。实验发现，博来霉素造模大鼠中趋化因子在0～20 d显著上升，表明趋化因子有可能参与肺纤维化的早期病变[17]。

1.10 核转录因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB) NF-κB是调控炎症反应的主要因子。在静息的状态下，NF-κB与它的抑制剂IκB结合，NF-κB无活性。IκB磷酸化使NF-κB激活，引起一系列级联放大反应而调整基因转录，因此抑制NF-κB的活性对肺纤维化的大鼠有保护作用[18-19]。TNF-α基因的启动子可以与NF-κB结合，因此在肺纤维化中NF-κB的表达受TNF-α调控。在博来霉素致肺纤维化模型中大量炎性基因表达，NF-κB作为多功能核转录因子，能够促进多种细胞因子、黏附分子和趋化因子的基因转录，进而形成肺泡炎和肺纤维化。

2 肌成纤维细胞

肌成纤维细胞可以形成和分泌细胞外基质，是肺纤维化形成过程中细胞外基质的首要来源。很多细胞因子和信号蛋白参与肌成纤维细胞的分化和转分化过程，其主要是参与α-平滑肌肌动蛋白 (α-smooth muscle action，α-SMA)的表达，由此认为α-SMA是肌成纤维细胞特有的标志蛋白。肌成纤维细胞在PDGF、TGF-β等细胞因子的作用下活化，合成α-SMA蛋白[20]。其中最主要的是通过TGF-β在形态上刺激肌成纤维细胞的分化，改变纤维组织母细胞，使α-SMA过度表达，引发胶原合成和细胞外基质的过量沉积，组织结构发生改变[21]。

3 EMT在特发性肺纤维化中的作用

EMT是指圆形的上皮细胞转化为梭形的间质细胞，失去上皮细胞的特征，获得间质细胞的特征，并在结构上进行细胞骨架重排，丢失上皮细胞之间黏附性的过程[22-24]。大部分生长因子、激素都可以导致EMT的发生，如TGF-β、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子等[25]。EMT在形成肺损伤和肺纤维化的过程中，主要存在于肺泡上皮和气道上皮，因肺泡上皮是肺纤维化合成的重要参与者，所以EMT可以增加肺纤维化的生成。在肺泡上皮损伤时，肺泡Ⅱ型上皮细胞 (alveolar epithelial cellⅡ，AECⅡ)分裂、脱颗粒转化为AECⅠ，修复受损的上皮细胞[26-27]。在急性肺损伤修复时，AECⅡ也可以转化为AECⅠ，修复肺泡上皮，同时可以减少肺纤维化的合成，完整的肺泡上皮层可以抑制肺成纤维细胞的增生和基质的沉淀，然而肺损伤后修复肺泡上皮受阻，也会加强肺纤维化。在慢性肺损伤时，因为致病因素不断作用，伴随着AECⅡ增生，影响AECⅠ的转化，导致细胞因子、炎症趋化因子、细胞黏附分子等的产生，同时也会导致纤维细胞向肌成纤维细胞的转分化，进一步加剧肺纤维化的形成[28]。

4 基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinase,MMP)及金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)

MMP为一类同源性很强的内肽酶的总称，TIMP是它特有的组织抑制因子[29]。MMP/TIMP比例的失调不利于降解肺泡间质细胞外基质，将会导致细胞外基质大量沉积，从而引起肺纤维化[30]。许多MMP的成员与肺纤维化的发生和发展有密切的关系，如MMP-1、MMP-7。研究发现，特发性肺纤维化早期患者血清和支气管肺泡灌洗液中MMP-1水平高于健康对照组，并且亚临床肺间质性疾病患者血清和支气管肺泡灌洗液中MMP-7水平高于健康对照组，肺纤维化时MMP-7的水平更高。这样就可以看出MMP-1在肺纤维化早期炎性细胞浸润阶段升高，MMP-7主要存在于肺纤维化的基质重建中，MMP-7水平的高与低可以直接反映特发性肺纤维化的严重程度[31]。

5 氧化应激

生物体的氧化应激常与自由基的增加同时存在，通过自由基介导的氧化应激是引起氧化损伤的主要原因。氧化应激是机体在外界和内部氧化作用刺激下所产生的非特异性应答反应，应激反应也可以理解为机体通过增加氧消耗来适应内外环境。当肺组织氧化和抗氧化失衡时支气管表面的活性氧、谷胱甘肽和一氧化氮表达量降低，形成单核细胞和表皮细胞的异常调节。在肺纤维化的早期肺泡炎阶段，局部肺组织抗氧化剂减少，活化的肺泡巨噬细胞和中性粒细胞产生大量的氧自由基，加强白细胞趋化游走和血管通透性，导致DNA解链和细胞膜形成脂质过氧化，引发血管内皮细胞受损和炎症反应。血管内皮细胞损伤后，细胞基底代谢紊乱，黏附分子过量表达，暴露基底膜，聚集激活血小板，引起凝血。释放多种活性物质，诱导成纤维细胞、平滑肌细胞的增生，合成胶原增加，引起炎症细胞的趋化和微循环障碍，加剧肺纤维化的形成[2]。

6 肺纤维化相关信号转导途径

6.1 信号转导及转录活化蛋白 (signal transducer and activator of transcription，STAT)信号转导途径 STAT是细胞内信号转导和表达调控的蛋白。在博来霉素致肺纤维化1 d后STAT1逐渐增多，7 d后STAT1达到最高值，28 d后STAT1有所下降，但与对照组相比差异仍有统计学意义[32]。有学者认为IFN-γ可以抑制胶原的合成：(1)IFN-γ信号转导蛋白与细胞内的Smad7分子结合，经过抑制TGF-β信号转导通路抑制胶原的合成；(2)IFN-γ与受体结合后，信号进入细胞内，细胞核中的转录蛋白STAT1被激活，竞争性抑制TGF-β的信号转导，可以通过减弱TGF-β的作用抑制胶原的合成[33]。

JAK和STAT功能密切相关，共同构成JAK-STAT信号转导通路。细胞因子和其受体结合后可以激活JAK，细胞因子将在受体细胞内发生磷酸化，导致STAT中的SH2磷酸化，STAT进入细胞核中，与DNA的特定位点结合，调控基因的表达。大量实验表明IL-7需要通过JAK-STAT信号转导途径抑制TGF-β的表达[34]。

6.2 MAPK信号转导途径 许多研究表明，引起肺纤维化的多个因子都可以通过MAPK信号转导通路被激活。Hashimoto等[35]证明了MAPK信号转导途径可以诱导人肺成纤维细胞向肌成纤维细胞分化：(1)TGF-β1诱导人肺成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化存在时间和剂量依赖性；(2)TGF-β1诱导JNK、p38MAPK和ERK磷酸化同时增强活性；(3)CEP-1347、SB203580与PD98059等抑制剂可以减弱TGF-β1激发的JNK、p38、MAPK与ERK的活性；(4)CEP-1347可以通过剂量依赖效应减弱TGF-β1诱导人肺成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化。说明人肺成纤维细胞向肌成纤维细胞转化时能被TGF-β1诱导，并且JNK在其中起调控作用。

6.3 TGF-β信号通路与Smad蛋白家族调控 目前对于TGF-β诱导的细胞外基质和胶原沉积的机制尚未明确。很多研究表明环孢素A拮抗TGF-β是通过直接抑制JunD的活性发挥作用，而IFN-γ则通过STAT信号转导通路发挥作用。环孢素A和IFN-γ可抑制TGF-β引起的信号转导，同时抑制胶原沉积，从而达到医治肺纤维化的目的。

Smad蛋白家族可以调控TGF-β信号，Smad2和Smad3是TGF-β上的丝氨酸和苏氨酸激酶受体下游细胞的靶位点，虽然Smad2和Smad3在TGF-β信号通路上非常重要，但是文献对其相关报道较少。Zhao和Geverd[36]对博来霉素致肺纤维化大鼠模型进行研究，发现在造模3 d后Smad3转录水平明显下降，并在8～12 d持续下降，但Smad2没有明显的变化。进一步观察TGF-β对Smad3表达的影响时，发现Smad3蛋白可以从细胞浆直接转移到细胞核内，并且TGF-β能阻止Smad3转录水平的下调，所以说明TGF-β信号转导是由负反馈方式来控制的。冀红[37]研究表明沉默FUT8基因能够抑制TGF-β/Smad2/3信号转导途径，同时抑制肌成纤维细胞表型的转化，导致TGF-β/Smad2/3下游的α-SMA、MMP-9和TIMP-1的表达。这些研究为进一步认识肺间质纤维化的翻译和之后的修饰等机制提供了线索，成为治疗肺间质纤维化的新方法。Gauldie等[38]研究表明在TGF-β/Smad信号通路中Smad7起着非常重要的作用，它可以通过沉默整个信号通路来达到抑制TGF-β的作用。Smad7通过竞争性抑制与细胞膜上TGF-β受体结合，阻断TGF-β信号在细胞浆内的传导，使下游信号紊乱引起TGF-β信号转导通路失活[39]。但是Smad7的过表达能恢复TGF-β/Smad通路的平衡，起到抵抗肺纤维化的作用[40]。屈艳等[41]研究表明大黄酸可以提高Smad7的表达，通过上调Smad7干扰TGF-β/Smad信号通路，最终减少细胞外基质的沉积。

6.4 CD40-CD40L系统 CD40-CD40L系统是成纤维细胞和其他结构细胞的一个主要活化剂。CD40是TNF-α中的一员，最早认为它存在于B细胞表面。CD40-CD40L在活化的T细胞表面相互作用，可以刺激T细胞产生细胞因子，如IL-4、IL-6和IFN-γ等，还可以刺激B细胞变成浆细胞。CD40L存在于活化的T细胞、活化的肥大细胞和嗜酸粒细胞表面，其主要是在活化的血小板上。所以CD40-CD40L系统可以活化急性肺损伤后产生的血小板和炎症细胞。CD40-CD40L可以诱导人体成纤维细胞中的前列腺素E2的产生，后者可以促进2型细胞因子IL-5、IL-10的合成，抑制1型细胞因子IFN-γ、IL-12的产生。因此，前列腺素E2可以通过影响1型和2型细胞因子进一步影响肺纤维化[5]。

7 结语

肺纤维化是一种慢性呼吸系统疾病，患病后治愈率较小，肺的呼吸功能严重受损，最终会因呼吸衰竭而死亡。肺纤维化的发生和发展是一个非常复杂的过程，随着环境污染增多，引起或加剧气管炎、肺炎、哮喘等气管及肺部疾病，最终加大了肺纤维化的发病率。在肺纤维化的早期涉及到炎症细胞因子、生长因子、肌成纤维细胞、EMT、MMP/TIMP、氧化应激和相关的信号转导通路等。但上述生物标记物在肺纤维化的早期诊断中的敏感度和特异度不是很理想，因此在肺纤维化早期敏感度相关方面的研究是必要的。同时肺纤维化的发病机制非常复杂，在分子层次上的研究还较少，因此不同通路的多靶点协同治疗将成为肺纤维化治疗的新趋势。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突