细胞因子对肺纤维化的影响及机制研究进展

毛雪丽 张娜 赵鹏飞 张丽 刘子豪 卢锦辉 侯皓中 张芳芳

肺纤维化(pulmonary fibrosis，PF)是一种由吸烟、病毒感染、环境污染、遗传易感性和药物等多种因素导致的慢性进行性纤维化疾病，其病理学特点主要是弥漫性炎症细胞浸润、成纤维细胞灶形成、细胞外基质(extracellular matrix，ECM)异常沉积、肺泡结构严重破坏。PF患者的病情往往呈进行性发展，轻度PF主要表现为劳力性呼吸困难，严重时发展为进行性呼吸困难，晚期患者多因心肺功能衰竭而死亡。目前对PF的发病机制尚不明确，临床上亦缺乏有效治疗药物，且预后较差[1]。因此加强对PF发病机制的研究及相关治疗药物的研发至关重要。近年来，国内外科学家对PF的研究越来越多，且大量研究结果表明，细胞因子在肺纤维化的进展中起关键作用。因此，本文对近年来多种细胞因子在PF进程中的作用和机制研究进展做一综述。

一、生长因子

1.转化生长因子-β(Transforming growth factor-β，TGF-β)在肺组织中主要由肺泡巨噬细胞、上皮细胞等合成分泌，在肺纤维化过程中发挥关键作用，也是目前PF研究中了解最深入的细胞因子。目前已发现的转化生长因子超家族主要包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3和TGF-β1β2四种亚型，它们结构相似，功能相关。相应的，在细胞表面存在着Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型TGF-β受体。在PF发病和进展中，发挥主要作用的是TGF-β1，其由肺泡巨噬细胞活化产生，可与成纤维细胞膜上的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β受体结合形成三聚体复合物，同时使Ⅱ型受体磷酸化，从而激活Smad家族蛋白。Smad蛋白是TGF-β信号通路中的递质分子，其中Smad2、3蛋白被磷酸化，活化的Smad2、3(P-Smad2、3)与TGF-βⅠ型受体分离，然后和Smad4结合形成复合体，携带信号传入细胞核内，转录因子被激活，胶原蛋白合成增多，致使胶原在肺间质和肺泡间过度沉积，最终导致肺纤维化的形成[2]。最近有人在基因层面对PF的发展做了研究，发现PF患者的肺中显示出miRNA的失调，并研究了人和小鼠miRNA在肺纤维化中的作用。其中有一个lncRNAs是长度超过200个核苷酸的RNA转录本[3]。Savary及其同事报道了lncRNA DNM3OS(DNM3相反链/反义RNA)作为TGF-β信号传导中的miRNA储库，被证明是用TGF-β1刺激的人肺成纤维细胞系MRC-5中的RNA测序和小RNA测序的最强诱导的lncRNA之一。 但DNM3 mRNA(及其编码的miR-3120)不受TGF-β调节，表明DNM3OS可能不起介导其宿主基因顺式作用RNA的作用，而是介导TGF-β信号组分的反式作用RNA的作用[4]。由于TGF-β1可以诱导肺泡上皮细胞发生上皮间质转化(EMT)，同时使成纤维细胞分裂增殖，并向肌成纤维细胞转化，肌成纤维细胞被认为是PF的标志性细胞。因此，TGF-β1被称为最有效的成纤维细胞激活剂。

2.血小板衍生生长因子(Platelet-derived growth factor，PDGF)又称血小板源性生长因子，是由肺泡上皮细胞、血管内皮细胞和肺泡巨噬细胞等合成分泌的一种多肽类调节因子，TGF-β1和TNF可以调节其表达。在肺纤维化的进程中，PDGF主要是由肺组织损伤部位的肺泡巨噬细胞产生，一方面能够通过受损伤的肺上皮细胞，穿越细胞膜屏障进入肺泡间质内，趋化间质细胞；另一方面与TGF-β1功能相似，还可诱导成纤维细胞增殖分化，刺激成纤维细胞分泌胶原蛋白[5]，但作用机制可能与TGF-β1有所不同。Patel等在研究中发现，PDGF诱导肺纤维化并不依赖于Smad3蛋白信号通路，其对细胞外基质表现为“非侵袭性”现象[6]。

3.结缔组织生长因子(Connective tissue growth factor，CTGF)属于CCN家族的成员，在许多细胞和组织中都有表达，正常情况下表达水平较低，但在纤维化和癌变的组织中表达水平明显升高。其表达与它的四个不连续的蛋白区域有关，分别是生长因子结合结构域、整联蛋白识别的功能基序、肝素和蛋白多糖结合结构域以及二聚化基序。CTGF的主要功能是调节和协调涉及细胞表面蛋白多糖，细胞外基质的关键组分和生长因子的信号传导反应，而纤维化过程中主要是由于CTGF依赖性信号的异常扩增导致终止组织修复失败[7]；除此之外，TGF-β还可刺激细胞分泌CTGF，在纤维化的过程中主要促进成纤维细胞的增生、趋化、黏附以及合成ECM，而且CTGF是TGF-β信号传导途径下游的协同介质[8]，高水平表达时，可以加快纤维化的进程。

4.胰岛素样生长因子-1(Insulin-like growth factor-1，IGF-1)可以调节人体组织器官的生长发育。在肺纤维化进程中，IGF-1和IGF结合蛋白 (IGFBP)特别是IGFBP-3、IGFBP-4和IGFBP-5共同介导而发挥作用[9]，而且纤维化的程度和IGF-1以及IGFBP的表达水平有关。

二、白细胞介素

白细胞介素(Interleukine,IL)是一类主要由淋巴细胞、单核/巨噬细胞产生，在免疫调节和炎症中发挥重要作用的细胞因子。目前已命名的有38种，各类IL之间的作用各有不同。大量研究表明免疫调节紊乱在肺纤维化的发展中有着至关重要的作用，而IL作为细胞因子中的一大家族，在肺纤维化形成的诸多环节中都扮演了重要角色。

多种IL在肺纤维化的进展中与其他细胞因子相互作用，构成了复杂的细胞因子网络。目前研究比较明确的是IL-13具有强大的促纤维化作用，虽然具体机制还不明确，但有研究指出Th2细胞可分泌IL-4与IL-13，此两类因子一方面可通过上调miR-142-5P的表达来抑制细胞因子信号抑制物1(SOCS1)对信号转导与转录激活因子6(STAT6)的负反馈调节以长期维持STAT6的磷酸化；另一方面也通过下调miR-130a-3p的表达而减缓对过氧化物酶体增殖物激活受体g(PPARg)的抑制，上述两方面协同发挥对M2型巨噬细胞的激活作用，激活的M2型巨噬细胞分泌促纤维细胞因子从而推动纤维化的发展[10]。

在肺纤维化的进程中，IL-6的表达可能有双向作用。早期炎症浸润阶段Ⅱ型肺泡上皮细胞IL-6的表达提高，上调的IL-6经IL-6/PI3K/Akt和IL-6/Stat3信号轴调节肺泡表面活性物质的表达而起到保护肺泡上皮细胞的作用，即扮演着抗纤维化的角色。但在肺纤维化初步建立后，IL-6又起着促纤维化的作用[14]，IL-6通过结合受体形成复合物的方式发挥作用，其信号通路分为经典途径和反式途径两种。经典途径中IL-6与mIL-6Ra及gp130结合传导信号，而mIL-6Ra在肺泡巨噬细胞经蛋白酶ADAM17加工后形成的sIL-6Ra也可与IL-6结合，从而构成了反式途径，经由这一信号通路，IL-6可促进PF患者肺部成纤维细胞的增殖以及胶原蛋白的沉积，对肺纤维化的发展起到促进作用[15]。

三、趋化因子

趋化因子主要由巨噬细胞、树突状细胞等合成分泌，参与炎症反应并在其中起核心作用。几乎所有的趋化因子都含有半胱氨酸，根据其分子氨基端半胱氨酸残基的位置、数量和排列顺序，可将趋化因子分为CXC、CC、CX3C、C四个亚家族。其中在PF的发展中发挥主要作用的为CXC和CC两大类。

CXC类根据是否有Glu-lzu-Arg基团分为两类，即：ELR+，ELR-。ELR+CXC趋化因子参与促进肺部和支气管的血管生成，是促进PF进程中血管重塑的重要因素[16]。在肺毛细血管内皮细胞上表达的CXCR7起到保护上皮细胞的作用。Cao Z等研究表明施用CXCR7激动剂可促进肺泡修复并减少纤维化[17]。其机制可能是通过抑制Jag1-Notch途径来减弱内皮间充质转化。

MCP-1是CC类趋化因子，研究表明MCP-1主要受体CCR2对小鼠肺纤维化的发展有抑制作用，其机制可能为MCP-1与其受体结合后抑制了前列腺素的合成[18]，从而促进了纤维化的发展。另一种直接导致PF的重要CC类趋化因子是CCL18，其可通过激活转录因子Sp1和c-Myb刺激胶原蛋白mRNA及蛋白质的产生[19]，从而加速胶原沉积。

在炎症反应阶段，CCR5和CXCR3主要表达于Th1细胞，而其配体存在于炎症反应的局部病灶中。在炎症反应后期，Th2相关的趋化因子CCL17和CCL22高表达，巨噬细胞和纤维细胞被大量募集，从而产生大量的细胞外基质和胶原纤维，导致肺纤维化的不可逆性形成[20]。

四、肿瘤坏死因子

肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)主要分为TNF-α和TNF-β两类，其中TNF-α主要由活化的单核/巨噬细胞产生，TNF-β由活化的T细胞、NK细胞等产生。TNF-α通过启动TNFR1和TNFR2信号转导途径在肺纤维中发挥作用，其中TNFR1较TNFR2更敏感。Pryhuber G S等研究证明敲除TNFR基因的小鼠肺纤维化的发生率明显降低[21]。

在肺纤维化的进程中，一方面TNF-α参与急性炎症反应过程，通过促进Ⅱ型肺泡细胞的凋亡抑制肺损伤的修复[22]；另一方面TNF-α促进肺部常驻间充质干细胞(LR-MSCs)分化为肌成纤维细胞[23]。PF成纤维细胞分泌的TNF-α可以修饰邻近成纤维细胞的行为，从而诱导正常成纤维细胞与纤维蛋白的附着以及整联蛋白α5(Integrin α5，ITGA5)的升高，最终可能导致成纤维细胞在肺中大量聚集[24]，胶原合成增加。

TNF-α主要通过NF-κB途径发挥作用，其机制可能与Wnt/β-catenin信号转导通路有关，TNF-α基因转录启动区或增强子上有NF-κB的结合位点，两者相互促进，共同调控肺纤维化的发展[25]。

五、干扰素

干扰素(Interferon,IFN)可分为IFN-γ、IFN-α、IFN-β三类，其中在PF的发展中起主要作用的为IFN-γ。IFN-γ是由活化的T细胞、NK细胞及NKT细胞产生的具有高度生物活性的一种细胞因子。IFN-γ可以抑制Ⅰ型胶原蛋白基因α2(COL1A2)转录，也可通过JAK1/STAT1途径激活Smad7，抑制Smad3和Smad4的活化，从而抑制TGF-β/Smad信号传导通路，减少胶原蛋白合成及ECM 的沉积，延缓纤维化的发展[26]。IFN-γ还可以调节Th1和Th2细胞因子之间的相对平衡，抑制Th1优势转变为Th2优势，间接发挥抗纤维化作用[27]。Miyamasu M等研究证明IFN-γ具有抑制成纤维细胞分泌嗜酸粒细胞趋化因子，减轻炎症反应，减少肺组织损伤的作用[28]。

六、集落刺激因子

粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)是PF中一种重要的前炎症细胞因子。可活化T细胞、B细胞、成纤维细胞、单核-巨噬细胞和血管内皮细胞。GM-CSF在PF的发病过程中可能起重要作用。

研究证明PF大鼠模型肺组织中GM-CSF水平在炎症早期明显升高，GM-CSF能促进单核巨噬细胞的增殖并与TNF的表达密切相关[29-30]。GM-CSF还能趋化中性粒细胞和单核细胞并加强其作用，从而加速肺部炎症的发展[29]。还可增加TGF-β的表达，进而调节肺纤维化的进程[31]。

但GM-CSF对肺纤维化的发展也可能有抑制作用，姜寒水等认为可能是通过动员自体骨髓源性细胞，下调TGF-β，降低基质金属蛋白酶/组织金属蛋白酶抑制剂比例，从而抑制纤维化的进展[32]。而Moore B B等认为可能是有效的抗纤维化类花生酸PGE2的产生受损延缓了纤维化发展[33]。

七、总结展望

随着近年来对PF发病机制的不断深入研究，细胞因子在PF的进程中扮演的角色越来越明确，其作用机制也逐渐被研究者们所揭示。虽然各种细胞因子的作用不是孤立的，它们交互关联，形成了一个复杂的细胞因子网络，但各类因子各有特点，主要作用于肺纤维化形成的不同环节，从而根据各类细胞因子在肺纤维化发病进程中的特异性表达，为PF的进一步研究及相关临床药物研发提供新的思路。但由于技术限制及机体的复杂性，部分细胞因子的作用机制阐明仅由动物试验推测而来，缺乏有效的实验依据。相信随着免疫学及分子生物学的不断发展，对细胞因子在PF中作用机制的研究能获得明确的结果。