肺纤维化和肺癌疾病共同信号通路及作用机制研究进展

任善发, 崔梦奇, 暴嘉丽, 王 明, 肖 婷, 周红刚

(南开大学药物化学生物学国家重点实验室, 天津 300381)

特发性肺纤维化 (Idiopathic pulmonary fibrosis,IPF) 是一种病因不明的慢性进行性纤维化间质性肺炎,其发病率和死亡率随着年龄的增长而增加,并且多发于中老年人(55～75岁)[1]。肺纤维化主要表现为肌成纤维细胞增殖和细胞外基质沉积,促进肺部重塑及纤维化的斑片状区域的进展。肺纤维化患者诊断后3～5年的存活率为20～30%,中位生存期为2～5年。在肺纤维化患者中肺部其他疾病的发生率比正常人群显著提高,最为经典的就是肺癌(lung cancer,LC)。目前有调查显示肺纤维化患者中肺癌发病率为2.7%至48%,较普通人患肺癌的发病率(2.0%～6.4%)明显升高。肺纤维化合并肺癌给患者的生活质量带来严重威胁,并且提高了患者的死亡率。肺纤维化中位生存时间为38个月,肺癌中位生存期为26个月,肺纤维化合并肺癌的中位生存时间仅为13.1个月。近年来,不断有研究发现肺纤维化和肺癌在发病机制以及信号通路上存在很多相似性。鉴于此,深入研究肺纤维化与肺癌疾病共同的调控机制,开发靶向二者共同关键调控环节的新型干预策略,有望成为控制肺纤维化合并肺癌疾病的重要研究方向。

1 肺纤维化与肺癌共同的细胞过程

1.1上皮间充质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT):上皮间充质转化(Epithelial-Mesenchymal Transition,EMT)是指上皮细胞通过特定程序失去细胞极性和细胞间黏附,并获得迁移和侵袭特性成为间充质细胞的生物学过程。EMT是一种广泛参与机体生理性调节和病理性改变的重要机制,在生理学方面,EMT可引起胚胎形成、伤口愈合和组织再生。在病理学方面,能引起组织纤维化、肿瘤发生、发展、转移及耐药性的形成。肺的最远端区域是复杂的肺泡系统,肺泡上皮细胞分为Ⅰ型和Ⅱ型,Ⅰ型提供薄壁气体交换表面,Ⅱ型充当干细胞,有助于肺泡的更新和修复。肺纤维化的特点是大量的肌成纤维细胞在肺组织中持续激活,并且分泌大量的细胞外基质成分比如I型胶原蛋白。一种现代理论认为,组织损伤会伴随着转化生长因子(TGF-β)的产生,TGF-β会诱导上皮细胞向间充质细胞转化(EMT)即成纤维细胞/肌成纤维细胞,继而促进纤维增殖。许多研究已经表明Ⅱ型肺泡上皮细胞能够在TGF-β的刺激下,分化成为纤维细胞/肌成纤维细胞并产生细胞外基质[2]。最后,有几种新兴理论认为肺动脉内皮细胞、胸膜间皮细胞或肺周细胞是肺纤维化中肌成纤维细胞的重要来源[3]。癌症的转移与侵袭是癌症难以治愈的关键原因,而EMT在此过程中发挥着重要作用。癌细胞在多种因素和细胞因子的诱导下发生EMT过程。在肺癌中,EMT信号的激活主要有TGF-β,IL-6,Ras,EGFR和AKT等。这些不同的生长因子激活不同的信号通路,从而激活转录调控因子来直接或者间接的增加EMT-TFs的表达进而诱发EMT。EMT-TFs的过表达会有助于肺癌恶性肿瘤特性如侵袭性,转移性和干性的发生[4]。此外,大量实验显示,肺癌的耐药性与EMT也存在关联,这种抗性依赖于MCL1介导的抗凋亡途径[5]。

1.2细胞增殖:有非常多的证据表明在肺纤维化和肺癌患者中都观察到了增殖信号通路的持续激活。事实上,肌成纤维细胞通过自分泌TGFβ1维持其自身的生长,并部分丧失产生抗纤维化前列腺素E2(PGE2)的能力[6]。此外,它们对PGE2的抑制活性和其他抗增殖信号缺乏反应。此外,血小板衍生生长因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)和成纤维细胞生长因子(FGF)也与肺成纤维细胞的持续增殖信号传导有关。癌细胞的异常增殖和持续的增殖信号可以说是癌细胞最基本的特征。

1.3细胞间通讯异常:细胞间通道由连接蛋白(Cxs)家族的蛋白质组成,为细胞的代谢和电耦合提供条件。Cxs是细胞增殖和组织修复所必需的蛋白家族。其中,Cx43在成纤维细胞膜上含量最多,参与组织修复和伤口愈合。在伤口部位,Cx43的降低促进受损皮肤组织的修复,增加细胞增殖和角质形成细胞和成纤维细胞的迁移。因此,Cx43的下调与TGF-β表达水平的增加和胶原蛋白的产生与肌成纤维细胞分化的加速有关,三者共同促进组织修复与伤口愈合[7]。在IPF成纤维细胞中,Cx43表达强烈下调,导致成纤维细胞增殖失去控制,从而造成伤口的异常修复,形成肺纤维化病灶。同样,小鼠和人肺癌的癌细胞系的Cx43表达水平同样下降,这导致细胞间通讯减少,细胞从接触抑制中得到释放,进而导致肿瘤细胞不受控制的增殖[8]。

1.4组织损伤与凝血级联:肺泡结构的损伤会导致血管通透性增加,在伤口愈合的早期阶段,内皮和上皮损伤会激活凝血级联反应,然后通过内皮细胞和内皮祖细胞(EPC)的增殖形成新血管。凝血蛋白酶对伤口愈合具有多种细胞作用。特别是,组织因子依赖性途径是肺纤维化发病机制的核心,并促进促凝状态,同时纤溶酶原激活、活性纤溶和蛋白C的抑制剂水平增加。通过一系列的凝血级联反应,促凝/纤溶失衡,蛋白酶激活受体家族收到活化后诱导成纤维细胞分化为肌成纤维细胞,导致肺纤维化的发生[9]。

肺癌和血栓形成之间的关联自1865年就已得到认可。它被认为是双向关联；癌症与静脉血栓栓塞(VTE)的风险增加有关,而凝血级联反应的激活会增强肿瘤细胞的增殖、血管生成和转移。尤其是蛋白酶激活受体(PARs)家族在癌症领域的研究已经有很多,实验表明在肺癌患者的肺组织中PARs的表达量比正常组织高很多[10]。因此针对PARs靶点也开发了很多抗凝策略来治疗肺癌与肺纤维化。

1.5炎症反应:炎症是一种免疫反应,用于修复由感染因子、环境刺激和内源性刺激物引起的组织损伤。无法解决的急性炎症会导致慢性炎症,其特征是炎症组织微环境中巨噬细胞和淋巴细胞的持续激活以及促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-17和TNF-α水平升高。在肺纤维化和肺癌发生发展过程中都伴随着慢性炎症的症状。研究发现[11],肺纤维化中最主要的炎症细胞为M2表型巨噬细胞,它会产生有助于炎症反应的细胞因子,导致组织微环境中上皮细胞、基质细胞和免疫细胞之间稳态相互作用的崩溃,从而导致成纤维细胞向肌成纤维细胞转变进而导致肺纤维化,造成细胞外基质(ECM)成分沉积。在肺癌中也发现了M2表型巨噬细胞,并促进血管生成、激活间充质细胞、重塑基质和抑制效应T细胞反应的能力来支持肿瘤生长。另一方面,浸润性T淋巴细胞在肿瘤进展和抑制中起着至关重要的作用。尽管它们在肺纤维化中的作用仍不清楚,但是在肺纤维化的初始阶段观察到T淋巴细胞数量和功能缺失[12]。

2 肺纤维化与肺癌共同的信号通路

研究发现,肺纤维化与肺癌存在许多共同信号通路的异常激活,主要包括Wnt/β-catenin通路、Sonic Hedgehog(Shh)通路、Notch通路、PI3K/AKT/mTOR通路、TGF-β/smad通路等。

2.1Wnt/β-catenin 通路:Wnt/β-catenin 通路在肺纤维化和肺癌患者的肺组织中均存在过度表达。该通路调节参与组织侵袭的分子的表达,如基质溶解素、层粘连蛋白和细胞周期蛋白-D1,从而诱导EMT过程。在肺纤维化中,气管损伤诱导的Ⅱ型肺泡上皮细胞中的经典通路就是Wnt/β-catenin信号激活促进间质成纤维细胞的激活,而持续性刺激,最终导致肺纤维化。经典Wnt/β-catenin信号的激活会促进血管周围的成纤维细胞向肌成纤维细胞转变,这也导致ECM积累和肺纤维化形成[13]。Wnt信号通路在肺癌中被激活后,通路相关蛋白TCF/LEF在肺癌模型中表达显著增加,从而激活Sox-2、c-myc、cyclin D1等下游靶基因的转录。其中关键分子Wnt1、β-catenin、cyclin D1 及Sox-2在肺癌组织中的表达量均有不同程度的升高[14]。

2.2Sonic Hedgehog (Shh)通路:Shh通路也在肺纤维化中异常激活。Shh通路的过度表达促进了上皮细胞对凋亡的易感性增加和成纤维细胞对凋亡的抵抗力增加[15]。该通路也在肿瘤发生的早期被癌症干细胞重新激活,并通过旁分泌作用影响其他肿瘤细胞,导致肿瘤生长、肿瘤扩散和EMT[16]。在肺癌中,shh通路的重新激活参与了对肺癌的所有主要治疗的抗性的发展。

2.3Notch通路:Notch通路也在成纤维细胞中重新激活,并诱导成纤维细胞中的α-SMA表达,并介导成纤维细胞的EMT[17]。同样,Notch信号通路的异常表达是NSCLC患者中相对常见的事件。Notch信号可促进NSCLC细胞的增殖或抑制NSCLC细胞的凋亡。已经证明,Notch信号通路的成员可能是预测NSCLC患者进展和预后的潜在生物标志物。

2.4PI3K/AKT/mTOR通路:PI3K/AKT/mTOR通路在肺纤维化等纤维增殖性疾病中也表现出失调。具体而言,TGF-β可能激活细胞外信号调节蛋白激酶1和2(ERK1/2),该通路的靶基因激活其他信号通路,包括调节增殖的磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt通路和细胞凋亡。在用TGF-β刺激后,PI3K在增殖和分化为肌成纤维细胞中的作用已得到证实[18]。口服PI3K通路抑制剂可显著预防博莱霉素诱导的大鼠肺纤维化。PI3K/AKT/mTOR通路的失调也涉及NSCLC,并且与癌症转移和侵袭有关。此外,该通路的异常在鳞状细胞肺癌(SQC)中比在肺腺癌(ADC)中更常见[19]。目前已经使用PI3K通路作为靶点开发了治疗性抑制剂,并且正在许多癌症中评估它们对肿瘤生长和存活的影响。

2.5TGF-β/Smad通路:研究表明,TGF-β表达水平在肺纤维化病变的区域大大提高。TGF-β通过促进胞外基质受体的转录、翻译和蛋白形成,从而促进ECM的沉积或者通过选择性抑制胶原酶的合成、诱导胶原酶抑制物的产生或抑制蛋白酶抑制剂表达与激活,最终使胶原降解减少,有效的促进了ECM介导肺纤维化生成。此外,在肺纤维化中,TGF-β1调节成纤维细胞向肺损伤部位的募集,能够抑制表面活性物质形成并增加上皮细胞的凋亡,刺激成纤维细胞向肌成纤维细胞分化。

在肺癌发生的早期,TGF-β通过诱导正常和恶变前细胞的细胞停滞和细胞凋亡而起到肿瘤抑制作用。但是,当癌细胞获得致癌突变或失去肿瘤抑制基因功能时,TGF-β通过刺激肿瘤细胞的EMT而起到肿瘤促进剂的作用。TGF-β是EMT的强启动子,通过Smad或非Smad信号通路的TGF-β可以诱导几种EMT-TF的表达,例如Snail1,Snail2,Zeb1/2和Twist。迁移性和侵入性间充质样肿瘤细胞从原发性病变部位渗入血管或淋巴管,然后转移到远处,从而形成转移性肿瘤。

综上所述,肺纤维化和肺癌都是严重的肺部疾病,并且肺纤维化患者有很大几率会演化进展为肺癌。本文综述了肺纤维化与肺癌共同存在的细胞过程和信号通路,对寻找肺纤维化与肺癌共同靶点具有重要启示意义。因此,对于肺纤维化合并肺癌患者,一方面需要研究抗癌药物是否可能发挥有效的抗纤维化作用,另一方面,非常需要前瞻性地将目前已批准的抗纤维化药物(或正在研究的药物)作为肺纤维化合并肺癌患者临床试验治疗的药物。