上皮间充质转化与呼吸系统疾病研究进展*

陈冠颖 俞万钧 王华英

1 宁波大学医学院，浙江省宁波市 315211； 2 宁波大学附属人民医院呼吸与危重症医学科

上皮间充质转化是指上皮细胞逐渐失去其原有的特性和功能，并获得间质细胞(成纤维样细胞)表型的过程。在20世纪70年代末，Elizabeth Hay首先观察到EMT的过程及其在胚胎发育中的重要性，提出该概念并展开讨论。随后，EMT在胚胎发育、原肠胚形成以及神经嵴、心脏和其他器官的发育和成熟中的重要作用被陆续发现。1985年，Stocker等[1]证明，成纤维细胞的培养上清能够诱导犬肾上皮细胞分散和迁移。EMT还与组织器官的修复、慢性炎症、纤维化以及多种肿瘤的发展有关，包括肿瘤的转移和耐药性[2]。EMT被划分为三种不同类型：第一种发生在胚胎发育过程中，第二种与组织损伤修复有关，第三种类型发生在癌症的发展过程中。

1 EMT的细胞改变及调控

1.1 细胞状态变化 上皮细胞在上皮间充质转化的过程中发生了重大变化，可分为四大功能转变：基因转录调控的转变、细胞骨架和运动能力的变化、细胞黏附功能变化以及细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的成分改变。值得注意的是，无论是生理发育过程还是在病理状态下，从上皮细胞到间充质细胞的状态转变往往是不完全的，导致细胞处在中间状态，同时保留有上皮和间充质的特征。由于EMT的程度取决于不同的生长环境，因此EMT不会导致单一的间充质状态，而是导致具有不同程度上皮和间充质特征的多样化中间状态[3]。

EMT过程中，细胞间的紧密连接丢失，上皮特异性标记如细胞角蛋白(Cytokeratins)、E-钙粘蛋白(E-cadherin)等表达下调，间充质标记如纤维连接蛋白、α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)、N-钙粘蛋白(N-cadherin)和波形蛋白(Vimentin)的表达增加。细胞角蛋白是上皮细胞特有的中间丝，在EMT过程中，细胞被重编程转而表达波形蛋白。成纤维细胞特异性蛋白-1(Fibroblast specific protein-1,FSP-1)与细胞迁移能力增加、肿瘤侵袭性以及更差的肺癌预后相关，在EMT过程中获得表达。α-SMA也是评估EMT的一个常用指标，α-SMA的表达是肌成纤维细胞的特征，肌成纤维细胞通过分泌过多的细胞外基质导致气道重塑和纤维化。此外，紧密连接相关蛋白如Occludins和ZO-1、闭合蛋白(claudins)和E-cadherin在EMT中表达下调，引起细胞间连接的分离。

1.2 EMT的调控 EMT是通过复杂的分子途径调节的，这些作用途径包括microRNAs、表观遗传调控和翻译后的选择性剪接[4]。目前的研究表明大量细胞因子和转录因子参与调控EMT过程，细胞因子包括转化生长因子β(Transforming growth factor β,TGF-β)、表皮生长因子(Epidermal growth factor,EGF)、胰岛素样生长因子(Insulin like growth factor,IGF)、成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor,FGF)等，转录因子包括Snail、Slug、Twist、β-catenin、ZEB-1/ZEB-2和Tcf/LEF等[5]。这些转录因子已被证明可与参与转录调控的多种蛋白(包括在表观遗传修饰中发挥作用的蛋白分子)相互作用，与之共同形成调控复合物。TGF-β是目前EMT中研究最广泛的细胞因子之一，可通过Smad信号通路的激活引起Zeb2和Snail的上调，进而抑制E-cadherin、ZO-1、Occludin等的表达[6]。此外，细胞外基质如胶原或缺氧条件，在与细胞因子和转录因子相互作用并诱导EMT中也发挥着重要作用。

2 EMT在慢性阻塞性肺疾病中的作用

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)以肺气肿为特征，同时伴有气道重塑和炎症，并且与肺癌密切相关[7]。气道阻塞会导致COPD患者的气流受限，而香烟烟雾引起的气道重构是其重要原因[8]，但气道重塑的机制目前尚未完全阐明。EMT过程可能是这一病理过程中一个重要的潜在机制。近几年的研究表明，上皮间充质转化在吸烟者和COPD患者的气道中进展活跃[9]，气道上皮和网状基底膜裂隙的细胞中出现更多的EMT相关转录因子和间充质标记物，而且与肺功能下降和戒烟相关。此外，几种细胞外基质降解酶，如基质金属蛋白酶2、基质金属蛋白酶9、基质金属蛋白酶12、弹力蛋白、FSP-1也被发现表达升高[10]。

TGF-β和SHH信号通路被证明在诱导慢性阻塞性肺疾病和EMT时受到显著激活，是COPD发生EMT的主要通路。Nishioka等[11]将COPD患者的肺成纤维细胞培养基与人支气管上皮细胞(Human bronchial epithelial cells, HBEs)共培养后发现成纤维细胞条件培养基能诱导后者部分上皮间质转化，这表明慢性阻塞性肺疾病中常驻的成纤维细胞和上皮细胞之间的相互作用可能是驱动上皮间质转化的关键因素。

EMT已经被证明与良性肺疾病如COPD转变为肺恶性肿瘤有关。吸烟是肺癌和慢性阻塞性肺疾病有一个共同的病因。此外，即使戒烟后，慢性阻塞性肺疾病的存在可使肺癌的发病风险增加4～5倍，这表明慢性阻塞性肺病的特定机制可能与肺癌的发展有关。研究发现肿瘤内的EMT活性与未受肿瘤影响的气道壁上皮的EMT活性密切相关，这表明气道壁的EMT活性水平可以潜在地用作最有可能发展为COPD和肺癌的吸烟者的标志物[12]。这些研究结果明确地表明，EMT是慢性阻塞性肺疾病和肺癌之间存在的潜在联系。

3 EMT在支气管哮喘中的作用

哮喘是一种复杂的气道慢性炎症性疾病，其表现为可逆性气流受限、气道高反应性和气道重塑[13]。Johnson等[14]通过尘螨诱导的小鼠哮喘模型发现β-半乳糖苷酶标记的气道上皮细胞逐渐失去上皮特征如E-cadherin、Occludin，而间充质标记物如波形蛋白、α-SMA等表达增加，并迁移到上皮下组织，这为慢性哮喘小鼠模型发生EMT提供了证据。作者认为该哮喘模型中，由Th2细胞主导的慢性炎症增加了嗜酸性粒细胞、成纤维细胞、巨噬细胞和平滑肌细胞分泌的TGF-β，并储存在细胞外基质中，进而诱发EMT。卵清蛋白(Ovalbumin,OVA)哮喘模型小鼠是最常用的哮喘动物模型，在研究中被观察到支气管周围炎性细胞浸润增加、平滑肌层增厚和胶原沉积，伴有间充质标志物表达增加及上皮标志物表达减少[15-16]，Liu等[17]同时在哮喘患者及OVA哮喘模型小鼠中观察到了EMT现象，这些研究表明哮喘的气道重塑过程伴随着EMT的发生。

一般认为哮喘是一种过敏性炎症，其特征是气道的嗜酸性粒细胞浸润。有研究发现经气管内滴注嗜酸性粒细胞可以诱发小鼠气道上皮EMT，体外肺上皮细胞与嗜酸性粒细胞共培养也获得了同样结果[17-18]，进一步说明气道嗜酸性粒细胞炎性浸润可以促进EMT。然而，有观点认为目前哮喘肺组织中的上皮间质转化是有争议的，原因是与慢性阻塞性肺病不同，成人哮喘患者的肺气道上皮组织中没有表现出活跃EMT的核心结构特征，如网状基底膜断裂、细胞增生或血管过多的迹象。

4 EMT在特发性肺纤维化中的作用

特发性肺纤维化(IPF)是一种原因不明的进行性纤维化肺疾病，随着病程的发展，肺组织形成纤维化瘢痕，从而阻碍氧气的肺内交换，并导致呼吸困难。由于缺少有效的治疗手段，目前IPF患者确诊后的中位生存期仅2～5年[19]。该疾病的主要病理特征是纤维化区大量的成纤维细胞聚集，并分泌大量的细胞外基质，形成成纤维细胞病灶(Fibroblast foci，FF)[20]。这些成纤维细胞病灶出现在正常组织和纤维化组织之间，是组织纤维化和疤痕的形成中心[21]。FF的形成主要有三种假说，包括组织常驻成纤维细胞来源、骨髓源性成纤维祖细胞来源以及肺泡上皮细胞经EMT而来，目前越来越多的证据支持肺泡上皮细胞来源说。IPF患者成纤维细胞病灶周围正常组织中的肺泡上皮细胞被证实同时表达上皮和间充质标志物[22]，且小鼠肺纤维化模型中的细胞谱系示踪实验也表明肺纤维化小鼠气道的间充质表型细胞来源于上皮组织[23]，这些研究成果都将FF的形成源头指向EMT。

IPF中EMT的激活可能有几种潜在的触发因素，除了TGF-β、Notch和Wnt/β-catenin等公认EMT相关的信号通路，近些年来的研究发现miRNAs、内质网应激和未折叠蛋白反应(Unfolded protein response, UPR)等在肺纤维化中的EMT过程中也发挥着重要作用，是目前研究的热点。虽然TGF-β抑制剂如比菲尼酮已被广泛用于延缓肺纤维化进展，但目前临床上仍缺乏特效药物。已有研究表明多种miRNAs能影响Smad蛋白的表达进而调控TGF-β1诱导的EMT[24]，此外，Liu等[25]发现组蛋白去乙酰化酶(HDAC)能通过诱导内质网应激促进肺上皮细胞EMT，这些新发现可能为IPF的治疗提供新的靶点。

5 EMT在肺癌中的作用

癌变的上皮细胞可以通过3型上皮间充质转化发生迁移，侵入周围组织间质，并通过血液和淋巴系统扩散到远处形成癌症的侵袭和转移。发生EMT的细胞可能获得对凋亡的抗性和循环肿瘤细胞表型[26]，研究表明，EMT与肿瘤发病率的增加、对多种治疗方案耐药性的产生、免疫逃避、代谢改变和基因组的不稳定性息息相关。

在非小细胞肺癌中，上皮间充质转化表型与耐药性、EGFR(表皮生长因子受体)突变和肿瘤干细胞的形成密切相关，其特征在于丰富的肿瘤干细胞表型和更强的癌变潜能[27]。研究表明E-钙粘蛋白和连环蛋白表达的减少或丧失是非小细胞肺癌的不利预后因素，而波形蛋白和Snail蛋白的表达也与非小细胞肺癌的恶性表型相关[2]。此外，吉非替尼耐药的A549表现出纺锤形形态以及间充质标记波形蛋白的较高水平表达，并伴随着E-钙粘蛋白的降低，提示存在上皮间质转化。而激活非小细胞肺癌细胞中的TGF-β信号可诱导EMT，使肿瘤细胞对埃罗替尼不敏感；并且在进行埃罗替尼治疗前，埃罗替尼耐药的间充质表型细胞已经存在于细胞系和肿瘤中。Tripathi等[28]研究发现EMT可以诱导肿瘤细胞产生对T细胞介导免疫反应的免疫逃避，间充质表型的非小细胞肺癌细胞表达低水平的免疫蛋白酶体，并抑制CD8+T细胞相关抗原的呈递，而免疫蛋白酶体缺乏与非小细胞肺癌预后不良相关。

综上所述，目前关于EMT在纤维化和肿瘤中的意义逐渐得到揭示，人们也意识到EMT并不是一个双终点的二元过程。但关于抗EMT药物的研究还相对较少，主要为体外实验，人体和临床研究尤其稀少，因此对于EMT的治疗方案目前仍处于起步阶段。随着研究的逐渐深入， EMT和呼吸道疾病的相关机制得到阐明，可为其在部分肺部疾病的治疗上提供新的治疗策略。