特发性肺纤维化发病机制研究进展

邓晓玲，许 飞

(南昌大学第一附属医院呼吸与危重症医学科，南昌 330006)

特发性肺纤维化(IPF)是一种与衰老相关的肺间质纤维化疾病，以常见的间质性肺炎的组织病理学模式为特征，好发于中老年人群，以逐渐加重的呼吸困难和肺功能不可逆下降为特征，预后不良[1]，非移植患者的中位生存期在诊断后约3～5年[2]，到目前为止，提高生存率仍旧是一个极难攻克的难关[3]。由于IPF的发病机制尚不明确，在疾病的最初表现和最终诊断上会有时间延迟，对疾病诊治也带来极大的挑战[4]。为此，笔者就近年来关于IPF的流行病学、发病机制、间质机制及表观遗传学等的研究进展进行综述，旨在加强对IPF的的认识和管理，为疾病诊治提供思路。

1 IPF的流行病学

间质性肺疾病(ILDs)是一类具有许多共同的临床表现和病理生理特征疾病的总称，有一部分ILDs发展成慢性进展-纤维化表型，而特发性肺纤维化的定义是一种慢性进展性纤维化间质性肺炎[1]，可视为进展性纤维化的原型[5-6]，但只有部分患者会出现这样的转化，对疾病的发展和表型转换知之甚少。越来越多的研究表明各种损伤及应激导致的肺泡上皮细胞衰老以及肺组织的过早衰老是IPF的重要发病机制。据报道[7-9]在整个欧洲和北美，每年每10万人中约有2.8～19例IPF；加拿大的数据分析报告[10]估计发病率为每10万人18.7例；而俄罗斯每年的发病率为每10万人中有4～6例[11]；全球发病率最低的是亚洲(韩国、中国台湾地区和日本)，发病率为每年每10万人1.2～4.16例[7]。IPF的患病率随着年龄的增长而增加，男性患者比例高于女性，大部分患者诊断时>50岁，在英国85%的IPF患者的年龄>70岁[8,10-12]。以年龄作为参考的话，在加拿大50～59岁年龄段内的患病率为每10万人中有25.9例，而当年龄段划分到≥90岁时患病率上升至每10万人507.0例[10]，有小部分患者(0.5%～3.7%)可出现家族性IPF，其发病年龄可能更早[12-13]。

2 发病机制

在各种类型的间质性肺疾病中，IPF因其独特的不良预后和对传统治疗的无反应而备受关注。许多IPF患者发生的呼吸机能恶化与死亡的高风险相关，这些呼吸机能的恶化被称为IPF急性加重[14]，IPF的急性加重代表其潜在疾病过程的内在加速，可能是由病毒感染、微吸入或环境污染等隐性应激源引发[15-16]。

2.1 IPF的病理特征

肺IPF的大体外观显示特征性纤维化，沿肺叶下段分布，胸膜下加重。胸膜表面呈波状或鹅卵石样外观，这些区域在切面上分别对应肺泡扩大和纤维性回缩区域。典型的间质性肺炎的镜下表现为空间和时间上的异质性，这种病变的空间异质性导致了斑片状纤维化反应，这种反应在继发性肺小叶的外周部分显著，而在小叶的中央部分不明显；而时间异质性的表现为病变从肺小叶的边缘向中心移动时，肺损伤模式从慢性变为急性，常见的特发性肺纤维化继发间质性肺炎常以少量的炎症和肺组织的不均匀受累为特征。

2.2 IPF遗传易感性

家族群集、遗传性多系统疾病中肺纤维化的发生以及暴露于相似水平的纤维化因子的人类不同易感性支持了IPF具有遗传易感性。GAHL等[17-19]研究者通过对Hermansky-Pudlak综合征和先天性角化不良患者家系中基因分析，首次提出HPS基因突变以及DKC、TERT和TERC基因突变与特发性肺纤维化之间存在联系，并为对其他形式肺纤维化家系的遗传分析提供了依据。在RENZONI等[20]的研究发现表面活性剂蛋白C(SPC)和表面活性剂蛋白A2(SPA2)由Ⅱ型肺泡上皮细胞(ATⅡ)合成，并且这2个基因的突变与IPF有关。IPF被认为是一种复杂的遗传疾病，至少与7个基因(MUC5B、TERT、TERC、RTEL1、PARN、SFTPC和SFTPA2)核苷酸序列中的11个突变有关，而这些基因突变都可能导致上皮损伤后的异常恢复[21]。

2.3 内质网应激

当细胞对蛋白质合成的需求与内质网合成、加工和包装所需蛋白质的能力不平衡时，就会产生内质网应激。为了应对这种压力，细胞激活未折叠蛋白反应(UPR)以匹配内质网的蛋白生产能力，通常内质网应激反应有助于细胞生存，但是如果压力过大或持续时间过长，UPR不能满足需求，则终端UPR被激活导致细胞凋亡，内质网应激和UPR的激活也有助于肺纤维化的重建[22-23]。

2.4 转化生长因子-β(TGF-β)的激活

在正常条件下，TGF-β以其非活性形式与LAP结合，LAP与二价键连接到潜在的TGF-β结合蛋白，并与细胞外基质交联。在肺纤维化的发展过程中，肺泡上皮细胞表达的整联蛋白αvβ6水平升高[24]，可以与LAP的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列结合[25]，αvβ6的结合仅限于TGF-β1和TGF-β3异构体，通过这种介体与受体结合，会使得表达αvβ6的上皮细胞活化，从而诱导肌动蛋白/肌球蛋白介导的上皮细胞收缩，这种收缩拉动了结合在上皮细胞上的潜在TGF-β。但由于活性TGF-β似乎没有释放成可溶形式，因此这种收缩是局部的且空间受限的区域中诱导TGF-β的活化和信号传导。肺上皮细胞损伤激活表达αvβ6诱发TGF-β激活，另外与TGF-β激活相关的可能过程包括抑制肺泡上皮细胞的增殖，将成纤维细胞分化为成肌纤维细胞以及激活促进上皮间质转化(EMT)的程序使得IPF患者肺部的TGF-β水平增高[25-26]。

2.5 上皮细胞间质转化(EMT)过程

EMT是在特定生长因子激活后上皮细胞获得与间充质细胞相关的分子和细胞生理特征的过程，其中TGF-β是非常重要的因素之一。EMT在组织损伤和重塑过程中被激活，肺泡细胞在IPF患者中表现出EMT的证据是基于上皮细胞和间充质细胞相关蛋白在IPF肺内共定位的研究[27-29]。这种导致上皮细胞表达间质细胞相关基因的分子重编程发生在3种生物学环境中:发育、癌症和纤维化[30]，不论生物学背景如何，这3种EMT亚型的许多分子途径都是重叠的，比如说上皮细胞的生长因子激活会触发一组特定蛋白(如Slug、FSP1、αSMA等)的上调，同时又下调其他蛋白(如E-cadherin、Syndecan1等)，蛋白质表达的这些变化导致上皮细胞失去极性和紧密连接，并变得更具活动性，更加利于纤维化的发展[30]。

3 间质机制

上皮细胞功能障碍与重塑的肺组织内过量胶原蛋白沉积之间的关系，简单的用上皮细胞受到内质网应激，导致TGF-β活化以及上皮细胞向分泌胶原的间充质细胞过渡来解释是完全不够的，肺部重塑和纤维化的发展更有可能取决于潜在的基因突变，UPR激活和(或)EMT失调的上皮细胞与成纤维细胞之间的相互作用，而这个仅仅是被上皮细胞整合蛋白αvβ6激活的TGF-β刺激成纤维细胞产生的系列反应，上皮细胞和间质之间的关系还有待进一步的研究和验证。

3.1 纤维细胞

纤维细胞是骨髓来源的间充质细胞，可以通过它们在造血前体标志物CD34或CD45和间充质细胞蛋白Ⅰ型胶原蛋白的共表达而在循环或组织中鉴定[31]。有研究[32-33]提出纤维细胞可能是通过直接产生细胞外基质蛋白(Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白)、分化为成纤维细胞或成肌纤维细胞，和产生诱导胶原蛋白沉积的细胞因子来促进肺纤维化的发展。在IPF患者的循环中[34-36]和肺实质中都发现了纤维细胞，另外循环纤维细胞百分比的增加与IPF患者的疾病恶化相关[36]，此外IPF患者的循环纤维细胞占总白细胞数量>5%的预后会更差[36]。

纤维细胞表达趋化因子受体CXCR4[33-34]和CCR2[37]，而IPF肺中的肺泡上皮表达CXCL12，CXCR4和CCR2的配体[35,38]，由此可猜测肺泡上皮可能是通过将纤维细胞募集到IPF肺中发挥作用。

3.2 成纤维细胞

在正常的伤口愈合过程中，不需要的成纤维细胞通过凋亡通路的激活被清除。与正常成纤维细胞不同，IPF成纤维细胞具有抗凋亡和更强的增殖能力。在上皮损伤诱导成纤维细胞活动后，成纤维细胞和肌成纤维细胞似乎组织成成纤维细胞灶，这先于终末期纤维损伤的出现。上皮细胞功能障碍和上皮-间充质信号异常导致成纤维细胞活化以及基质沉积和肺部重塑，这种慢性激活似乎导致IPF成纤维细胞发生纤维化的病理改变[39-40]。肌成纤维细胞是IPF肺中描述的经典病理性成纤维细胞表型[41]。包括TGF-β在内的几种因子都可以引起成纤维细胞分化为肌成纤维细胞。与肺成纤维细胞相比，肌成纤维细胞分泌过量的基质，包括I型胶原[42]，这种过多的基质沉积可能导致病理性肺纤维化和重塑。

3.3 肌成纤维细胞

肌成纤维细胞是表达成纤维细胞和平滑肌细胞特征的细胞，并通过它们表达α-SMA蛋白来鉴定。成纤维细胞在TGF-β等介质的作用下分化为成肌成纤维细胞，另外EMT被认为是肌成纤维细胞的另一个来源[23,43]。与肺成纤维细胞相比，肌成纤维细胞定位于成纤维细胞灶处并分泌过量的基质并沉积导致结构重塑[20，26,44]。

3.4 胶原蛋白

在IPF患者的肺部有多余的胶原蛋白沉积在细胞外基质中。胶原蛋白也被基质金属蛋白(MMP)家族在细胞外降解。有研究者[44]猜想病理性纤维灶可能代表基质成分沉积和降解之间的不适当平衡，但是有研究[45]证实形成薄壁组织上皮和内皮下层的细胞外基质的基底膜无法直接进入受损组织，为了破坏这种物理屏障，MMP会裂解一种或多种细胞外基质成分，从而允许其细胞外渗到受损部位或从受损部位渗出。MMP的存在也有利弊，比如一些单独的MMP(MMP1和MMP7)有助于IPF的进展和不良结局，而其他一些(MMP19)似乎对IPF疾病又具有保护作用。

3.5 凝血级联

凝血级联反应在肺纤维化中被激活，裂解的凝血因子具有主要的促炎和促纤维化作用，活化的血小板/内皮细胞释放成纤维介质，包括血小板衍生生长因子(PDGF)和TGF-β[46]。

4 表观遗传学

通过表观遗传影响调控基因表达也是一种重要的机制，外界环境或其他压力可以诱导细胞、组织或有机体的表型发生持久的变化[47]。表观遗传变化包括DNA甲基化、组蛋白修饰或microRNA表达的改变[47-48]。暴露于烟草烟雾[49-50]、空气污染[51]和老化[52]等环境压力下可导致表观遗传DNA的变化。

5 总结

特发性肺纤维化是一种复杂的疾病，治疗难度大，死亡率高。药物研发和生物技术已多次尝试寻找治疗IPF的有效方法，但迄今为止，对治疗干预的所有尝试都失败了。临床试验失败的原因有很多，包括疾病的异质性，缺乏容易测量的临床终点，最重要的是缺乏对疾病进展的潜在分子机制的理解。越来越多的证据[47-50,52]表明，肺泡上皮细胞凋亡可能是该病的初始触发因素，遗传背景和环境暴露均可能导致这一结果，并启动了肺泡上皮细胞凋亡“衰老相关分泌途径”最终导致全身性疾病，但并非所有处于这种环境下的人都一定会发展出与临床相关的疾病，这还要取决于接触这些因素的程度和持续时间。在疾病的起始阶段，上皮细胞功能障碍的分子介质如内质网应激、TGF-β过度激活、生长因子，趋化因子分泌会导致EMT、纤维细胞募集和成纤维细胞分化。这些过程使得疾病进入进展阶段，在此阶段病理性间充质细胞释放出异常类型和数量的基质蛋白，这些基质蛋白导致了肺的重塑。另外成纤维细胞内病理改变的基质或表观遗传变化可能导致间充质细胞活化，也可能是进行性纤维化的前馈通路。为了开发新的IPF疗法，需要对IPF每个阶段中激活的特定分子途径之间的关系有一个更清晰地了解，要针对疾病治疗的哪个阶段以及针对疾病的一个阶段是否足以减缓病情发展，或者有效治疗是否需要同时靶向疾病每个阶段中的分子途径。所以当务之急是找到疾病的始作俑者，以便患者能在临床中更早被发现，也许能得到更充分的治疗，IPF是一种涉及多种途径的复杂疾病，未来的最佳治疗方法可能会是涉及针对多种途径的联合药物。