Hedgehog 信号通路与急性肺损伤疾病进展

郑晓文 赵春菱 刘江华 张剑锋*

作者单位：1.广西医科大学第二附属医院（530027）

2.广西医科大学

急性肺损伤（ALI）/急性呼吸窘迫综合征（ARDS）可由脓毒症、肺炎、创伤、急性胰腺炎、胃内容物吸入、濒临溺水等多种疾病和情况引起，以弥漫性肺泡损伤、肺水肿形成、中性粒细胞源性炎症和表面活性物质功能障碍为特征［1］。ALI 病情凶险，进展快，整体预后差，死亡率高，目前尚缺乏特效的临床治疗方法。

Hedgehog 信号通路与Wnt，TGF-Beta/BMP 及Notch 一起参与人胚胎发育和成年组织形态改变、肿瘤发生中起到重要的作用。已有研究表明HH 信号在早期及出生后的肺发育、成年肺的修复及再生中都是必需的。这些年在HH 信号通路与肺部疾病中的作用研究持续增多，这些研究的加快揭示HH 信号通路在急性肺损伤的发生、发展以及随后的损伤修复中的作用机制，通过HH 信号通路抑制剂或激活剂的临床使用的开展，势必在急性肺损伤早期预警、控制疾病进展、改善预后各方面发挥重要作用。

1 Hedeghog 信号通路在胚胎发育及成体器官中的作用

Hedgehog 信号通路最早在果蝇的身上发现，作为一个重要的胚胎发育调节性因子，在细胞的增殖、迁移和分化起关键性作用，具有空间、时间和浓度依赖性［2］。Hedgehog 信号通路在脊柱动物中呈保守状态，在哺乳动物的发育中高度激活，特别是神经管和骨骼中，但是随即沉默在大多数成年组织中。然而，一些产后的器官，比如中枢神经系统、肺脏，在损伤后依靠持续的Hh 信号通路来维持组织的内环境稳定和修复。脊柱动物有3 种Hedgehog的同源基因，包括sonic Hedgehog（Shh）、indian Hedgehog（Ihh）和desert Hedgehog（Dhh）。Hedgehog（HH）途径通过旁分泌激活平滑（Smo）介导的下游信号事件来协调胚胎发育过程中多个器官的组织-组织相互作用［3］。

既往的研究表明Hedgehog（Hh）信号通路在胚胎发生、组织模式形成、器官形成中发挥着重要调节作用。SHH 还影响细胞的命运，促进其增殖、抑制神经细胞的分化和调控血管直径加粗、变长和分叉，影响基质细胞分泌众多新生血管因子［4］。主要同胞外的Hedgehog 蛋白、细胞膜表面的特异性受体Patched 及相关蛋白Smoothened、胞内的转录因子Gli 组成。SHH 配体与信号通路的下游成份密切相关，是以配体依赖作为主要激活方式。Hedgehog 信号通路的靶基因常常是生长因子或生长因子受体，包括IGF-2、VEGF 和PDGFR［5］。近年发现，Hh 信号对成熟机体的血管系统结构与功能也有重要影响。在成年小鼠血管内皮细胞与外膜成纤维细胞均可检测到Ptc-1 的表达，给予Hh刺激后成纤维细胞Ptc-1 表达明显上调［6］。在小鼠后肢缺血模型，给予Shh 处理能明显增加毛细血管的密度与血流，且在角膜血管形成试验中，Shh 对于大的具有成熟分支的血管形成也有促进作用，其机制可能与Shh 上调成纤维细胞血管生成素（angiopoietin）与VEGF 的表达有关，使用Shh 抗体阻断此通路后能够明显抑制新生血管形成［7］。

2 HH 信号通路参与肺脏的胚胎发育及稳态维持

在没有损伤等增殖刺激的情况下，出生后的组织静默被认为是一种常规状态。既往研究已经证明，某些胚胎发育程序在成年器官中被异常地重新激活，以驱动修复和再生，但尚不清楚在细胞周转率非常低的肺等器官中如何维持静默［8］。Tien Peng 证明［9］，在新生肺内胚祖细胞表达的Shh，可协调心肺中胚祖细胞向各种心和肺间充质细胞系的分化。Hedgehog（HH）途径在胚胎发育过程中通过旁分泌激活Smo 介导的下游信号事件来协调心肺中胚祖细胞向各种心和肺间充质细胞系的分化。肺形态发生需要Hh信号，Hh 信号随后通过调节上皮细胞的静止和修复而参与肺内稳态。 呼吸道损伤修复期上皮组织内Hh 信号通路被广泛激活，调控干细胞/祖细胞的增殖分化，促进组织修复。

Hogan BL 等人研究表明，成年肺脏的稳态是一种需要积极维持的状态，并受Hedgehog 信号的调节［10］。在出生后肺内动态平衡期间，上皮特异性缺失Hedgehog 会导致邻近肺间充质的增殖性扩张。在上皮损伤的急性期初始阶段Hedgehog 信号随着间质的增殖而下调，但随着稳态的恢复，在损伤修复过程中恢复到基线水平。急性上皮损伤时Hedgehog 的激活减弱了肺间充质的增殖扩张，而Hedgehog信号的失活则阻止了损伤修复过程中静止状态的恢复。因此总结Hedgehog 还通过间充质反馈机制调节上皮细胞的静止和再生，以应对损伤。这些结果表明，Hedgehog 协调的间质相互作用积极维持了出生后肺组织的动态平衡，损伤过程中Hedgehog 的反常调节导致了肺的异常修复和再生。

3 HH 信号通路通过上皮相关机制参与急性肺损伤修复

ALI/ARDS 临床表现为肺顺应性降低、严重低氧血症和双侧肺浸润。而严重肺水肿可稀释肺泡表面活性物质，导致肺泡塌陷和肺不张，通气/血流比例失调，进一步加重缺氧和酸中毒。传统ALI 治疗方法包括：肺保护性机械通气、保守性液体治疗等，但均未从根本上修复肺上皮细胞与肺内皮细胞的屏障功能障碍、改善肺功能、降低病死率。

研究者通过脂多糖（LPS）诱导的急性肺损伤（ALI）相关的SHH 信号通路对小鼠急性肺损伤（ALI）的保护作用。使用HH 阻断剂环巴胺预处理动物模型。通过HE 染色组织切片观察肺损伤、肺组织损伤评分半定量、肺组织湿/干重比（W/D）测量肺组织质量变化，使用Realtime-PCR检测肺组织TNF-α、SHH、PtC、GLI1 的mRNA 表达水平，用Western blot 方法检测肺组织SHH 和GLI1 蛋白水平的表达，得出结论LPS 诱导的ALI 可激活SHH 信号通路，上调SHH 表达可减轻肺损伤，参与受损肺组织的修复［11］。

肺损伤后完整上皮的恢复是恢复肺内稳态的关键。损伤后的最初过程包括急性炎症反应，免疫细胞的募集，上皮细胞在自体分泌的临时基质上的扩散和迁移［12］。已知SHH 信号通路在正常发育肺中可能低水平表达于气道上皮细胞，并在肺纤维化和肺肺纤维化相关的炎性疾病以及肺部肿瘤中表达可显著升高。数据显示Shh 主要表达在成人肺上皮细胞的近端气道的Scgb1a1+club 上皮细胞，零星表达在纤毛上皮和Sftpc+肺泡II 型上皮细胞。Shh 是成人肺的主要配体，表达于近端气道和远端肺泡上皮。GLI2+肺间充质细胞是HH 受体，存在于近端和远端间充质中。HH 信号活性在近端气道间充质中高，但在远端肺泡间充质中低，这表明HH 靶基因Gli1，ptch1 和Ptch2 在近端间充质中富集［13］。SHH 信号通路的靶基因常是生长因子或生长因子受体，包括胰岛素样生长因子2（IGF-2）、血管内皮生长因子（VEGF）和血小板衍生生长因子受体α（PDGFR 衍）［14］。

肺泡毛细血管膜（pulmonary microvascular endothelial，PMVEC）是肺部微循环血液与肺泡之间的屏障，由肺微血管内皮细胞、基底膜以及肺泡上皮细胞组成。肺微血管内皮细胞（PMVECs）在急性肺损伤的发病机制中起重要作用。研究者在脂多糖（LPS）损伤的PMVECs 中，将细胞分为6 组：对照组、LPS 组、rhShh 组、LPS+rhShh 组、rhShh+环多巴胺组、LPS+rhShh+环多巴胺组。发现Shh、ptch1 和Gli1在大鼠PMVECs 中有表达，当细胞受到LPS 处理后，它们的表达降低。另一方面，LPS 抑制大鼠PMVECs 活性，引起细胞损伤。Shh 激活Hedgehog 信号通路可提高LPS 预处理后PMVECs 的活性。因此，Hedgehog 信号通路对LPS 损伤PMVECs 具有保护作用。表明Sonic hedgehog（Shh）作为Hedgehog 信号通路的启动蛋白，在减轻内皮损伤、促进内皮屏障功能修复方面可能具有的优势［15］。

在组织器官损失修复过程中，发育途径“重新再现”体现了广义的再生医学，重现发育过程并重建器官。学者认为某些发育途径永远不会被关闭，而是被重新调整用途，以维持细胞内稳态和器官功能。HH 信号途径从发育到成年，通路活性从未消失，由于在不同发育时期的激活不同区域而产生不同后果，从而对损失进行修复。由于激活程度的不同，产生不同后果，同时在这个过程中，多个关键的信号通路在调节过程中起重要作用，包括Rho GTP 酶、MAP 激酶通路、STAT3 和Wnt。修复机制的因子的释放，协调过程涉及整合素、基质材料（纤维连接蛋白、胶原、层粘连蛋白）、基质金属蛋白酶（MMP-1、MMP-7、MMP-9）、局灶性粘连和细胞骨架结构的过程，以促进细胞的扩散和迁移。目前SHH 蛋白激活剂和SMO 拮抗剂HH 抑制剂在肿瘤靶向肿瘤中发挥重要辅助作用，期待HH 信号途径在急性肺损伤修复的启动因素以及参与修复的信号转导途径的进一步的研究，成果应用于改善急性肺损伤疾病进展。