TGF-β1/Smads信号通路在纤维化疾病中的研究进展

陈希琦，张晓双，周永坤，朱 勇

纤维化属炎症变质、渗出、增生三阶段中增生阶段的主要组分；纤维化疾病是各种损伤因素如炎症、创伤、出血、药物、放射线等导致的细胞外基质生成与降解失衡，造成胶原在组织内异常沉积，出现器质结构改变，广泛的纤维化后的结构重塑会致使脏器功能的障碍，最终可导致死亡[1]。纤维化进程几乎涵盖所有的脏器和组织，主要有肺及支气管、肝脏、心肌、肾脏、腹膜和皮肤等。不同的组织的纤维化往往具有相类似的病理学特征。目前公认的最重要的致纤维化因子是转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)，Smads蛋白家族是其下游激活蛋白，TGF-β1/Smads信号转导通路参与了纤维化的进程。

1 TGF-β1/Smads的组成及通路传导

在调控组织器官纤维化机制中，TGF-β1/Smads是最主要的信号通路。它由TGF-β1、TGF-β受体蛋白(TβR)、Smads蛋白家族及相关调控基因等组成。TGF-β1是一种多功能的细胞因子，在细胞的增殖、迁移、凋亡和组织的损伤修复、免疫功能的调节等方面起到重要的作用[2-4]，TGF-β 超家族中分为四种亚型 (TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β1β2)，在未激活前以前体 LTGF-β 形式存在于细胞内[5]，在组织纤维化中TGF-β1的表达量远超过其他几类亚型，是诱导纤维化的最强细胞因子[6]。

TGF-β1/Smads信号通路的受体有3类，信号的转导应答主要依赖I型(TβRⅠ)和Ⅱ型(TβRⅡ)两种受体，目前已经发现人类基因可以编码7种TβRI和5种TβRⅡ[7]。TβRⅢ型受体是指由内皮糖蛋白和β蛋白聚糖等组成的辅助性受体[8]。Ⅰ型及Ⅱ型受体均只有一个跨膜结构域，同时具有丝/苏氨酸激酶活性，配体与受体相结合，形成稳定的异源四聚体复合物介导下游信号传递。

按照各Smads蛋白不同的构成与功能，Smads家族可分成三种类型，第一种是受体活化型R-Smads，是TβRI的直接效应分子，成员组成有Smad1、2、3、5、8，其中Smad2、3可作为转录因子介导了TGF-β类信号转导，目前研究比较深入。第2类是通用型Co-Smads，只包括Smad4，其本身不具有转录活性，但它作为R-Smads的转录共同子介入对下游靶基因的调控，是R-Smads行使转录功能所不可缺失的。第3类受体抑制型I-Smads，包括Smad6、Smad7，是通路的负反馈调节因子，能够减弱信号转导强度，同时也能被别的信号通路诱导表达，如STAT3也可以来调控其表达[9]，因而可成为TGF-β1/Smads与其他信号通路联通的节点。

TGF-β1/Smads信号通路的传导过程经历3个阶段:(1)跨膜，配体与受体结合，将信号转导进胞内；(2)胞内转导，Smads蛋白参与，将信号转入核内；(3)核内调控靶基因转录，合成蛋白，调节生物学行为。具体过程是TGF-β1首先与细胞膜上的TβRII受体结合并使之磷酸化，TβRⅠ被磷酸化的TβRⅡ募集，结合成多聚体而活化，活化的TβRI在细胞内磷酸化R-Smads中的Smad2/3，组成p-Smad2/3，其与受体分离后与Smad4形成复合物进入细胞核内，在核内调控靶基因的转录，产生生物学效应，同时Smad6、7能够拮抗R-Smads/Co-Smad的信号，起到负反馈调节作用[10]。

2 TGF-β1/Smads与肝纤维化

肝纤维化(liver fibrosis，LF)是因为各种致病因素造成肝脏长期慢性的损伤，如病毒、异常代谢、大量饮酒和过度的免疫反应等，造成肝细胞外基质过度沉积的一种初期可逆的修复过程[11]。肝硬化如得不到抑制可导致肝硬化和肝癌的发生。TGF-β1是调控肝纤维化的重要细胞因子，在肝细胞受到损伤等因素后会大量分泌，参与炎症的免疫调节，诱导细胞分化，是肝纤维化进一步加重的原因之一[12]。肝星形细胞(hepaticstellatecell，HSC)是肝纤维化的主要效应细胞，HSC在外界因素作用下通过TGF-β1/Smads通路可被诱导为肌成纤维细胞(myofibroblasts，MBs)[13]，MBs分泌的胶原、纤连蛋白等组成了细胞外基质，过多的细胞外基质形成及降解失衡，导致了细胞外基质沉积，从而发展为肝纤维化。通过药物抑制此调节通路可抑制人肝星状细胞的纤维化作用，王国泰等发现姜黄素可通过抑制TGF-β1/Smad2，从而有效抑制LX-2人肝星状细胞Smad2的磷酸化，减少α-SMA蛋白分泌，并且可抑制LX-2细胞的增殖和转化，从而抑制肝纤维化进程[14]。

3 TGF-β1/Smads与肺纤维化

肺纤维化是一种间质性肺病，具有进行性、不可逆的特点，其主要病理变化是成纤维细胞增殖、活化导致细胞外基质过度积累，并伴有炎症和损伤所致肺组织结构破坏和功能丧失，最终出现呼吸衰竭而死亡。TGF-β1是控制肺纤维化发生、发展的关键调控因子[15]，广泛表达于气管上皮、血管内皮、肺泡巨噬细胞等细胞中，其功能的发挥依赖于Smads蛋白的信号转导及调控[16]。在肺纤维化大鼠模型中，TGF-β1、Smad3蛋白的表达显著上调，使用高选择性的Smad3特异性抑制剂可有效抑制TGF-β1诱导的p-Smad3，并可减弱TGF-β1转录活性，抑制TGF-β1诱导的成纤维细胞分化，减少Ⅰ型及Ⅱ型胶原在细胞外基质中的产生和沉积，从而抑制肺纤维化的发展[17]。

4 TGF-β1/Smads与肾纤维化

各类肾脏疾病进展到终末期，其共同的病理学基础是肾纤维化。其病理学特征是肾小球硬化、肾内血管硬化和间质纤维化等，是由多种致病因素驱动的病理过程。其中涉及到了炎症、缺氧、成纤维细胞的增殖与活化、上皮间充质转化、多种细胞因子的作用及信号级联反应等过程。在受到炎症、损伤、缺氧、高糖等因素作用后，肾脏内相关组织及细胞产生TGF-β1，通过调控细胞内下游Smads蛋白，可诱导发生上皮间充质转化，成纤维细胞分化活化，促进细胞外基质的合成和沉积。TGF-β1/Smads可促进2型上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的发生[18]，使肾上皮细胞丧失极性和黏附特征，部分转化为成纤维细胞，最终导致ECM合成与沉积[19]。而EMT转化来的成纤维细胞也会产生TGF-β1，进一步加速肾纤维化进程。另外TGF-β1/Smads还可以通过上调成纤维细胞生长因子(FGF-2)和PDGF受体等促纤维化因子来发挥作用[20]。汪国敏发现清化固肾排毒颗粒具有一定的抗肾纤维化的作用，证实药物可通过降低TGF-β1和α-SMA的表达来抑制EMT和细胞外基质的过度沉积，改善肾纤维化的作用[21]。吉晶在研究抗纤灵方对肾纤维化大鼠干预作用时发现，抗纤灵方可改善肾功能，减少肾纤维化面积，降低肾脏损伤，下调TGF-β1、Smad2、Smad3mRNA及蛋白水平，上调Samd7mRNA及蛋白的表达，证实抗纤灵方可通过调控TGF-β1/Smads来干预肾纤维化进程[22]。

5 TGF-β1/Smads与心肌纤维化

大多数心血管疾病的发生均伴随着心肌细胞纤维化，可导致心室壁僵硬，心室的舒张功能异常，冠状动脉储备能力下降，最终可致心律失常、心力衰竭甚至心源性猝死。纤维化的心肌病理学检查发现，细胞外基质的合成-降解失调，间质中胶原大量聚集，并且排列紊乱[23]。因此抑制心肌成纤维细胞过度增殖及细胞外基质的异常沉积，纠正胶原的合成与降解失衡是预防心肌纤维化重要措施[24]。TGF-β1/Smads在心肌纤维化的进程中起着关键性的作用[25]，是公认的心肌纤维化信号通路[26]。研究发现，当心室壁机械压力增大，心肌组织及血液循环中AngⅡ、内皮素水平上升，可活化TGF-β1，进而激活TGF-β1/Smads信号转导途径，调控基因的转录，诱导成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，分泌胶原，细胞外基质的沉积增加，同时活化的TGF-β1也可直接上调基质金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitorof metalloproteinase，TIMPs)、下调基质金属蛋白酶(MMPs)的水平，引起细胞外基质沉积和降解失衡，从而促进纤维化的形成[27]。在心肌梗死大鼠模型中，参附注射液能够抑制TGF-β1/Smads信号通路的活化，下调Smad2、Smad3，增加Smad7，抑制心肌纤维化和心肌重构的进程[28]。由此可见，TGF-β1/Smads信号通路是治疗心肌纤维化的重要靶点。

6 TGF-β1/Smads与腹膜纤维化

在肾脏替代疗法中，血液透析与腹膜透析相比，后者对血流动力学的影响更小，更接近于正常的生理代谢，并且操作相对简单，能够保护残余肾脏功能。但长期的腹膜透析，在透析液的作用下易出现腹膜纤维化，最终导致腹膜的超滤功能衰竭，制约着长期腹膜透析的发展[29]。间皮-间充质转化(mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)属于上皮-间充质转化的一种，即腹膜间皮细胞在炎症、损伤等因素作用下发生表型转化为肌成纤维细胞。越来越多的证据揭示MMT可能是腹膜纤维化的始动和可逆的关键环节，对MMT的逆转可能成为预防腹膜纤维化的新靶点。而诱导MMT的关键细胞因子就是TGF-β1，通过经典Smads和非Smads信号通路诱导腹膜纤维化的产生。史伟文[30]等通过大鼠实验研究发现，褪黑素可通过TGF-β1/Smads信号通路拮抗腹膜透析相关的腹膜纤维化，药物干预组大鼠腹膜组织中转化生长因子-β1、MCP-1、α-SMA较模型对照组明显降低。

7 TGF-β1/Smads与瘢痕

皮肤瘢痕增生是以成纤维细胞(fibroblast，Fb)过度增殖，胶原等细胞外基质过量沉积为病理特征的修复过程，其病因包括外伤、烧伤、手术后或无明显诱因等。主要表现在超过原创口界限，成增生性、瘤样生长，同时伴奇痒、疼痛或灼热。瘢痕不仅破坏美观，严重增生的瘢痕疙瘩会影响周围组织的功能，甚至出现畸形，严重影响身心健康。尽管瘢痕增生发病率较高，但对其有效的治疗方法尚未明确。由于此过程中的效应细胞为肌成纤维细胞，因此抑制TGF-β1介导的成纤维细胞向肌成纤维细胞活化就成为预防增生性瘢痕的重要靶点[31]。动物实验研究证明[32]，皮损内注射曲安奈德能有效抑制兔耳增生性瘢痕的形成，其机制在于通过抑制TGF-β1的表达、NF-kB炎症信号通路的过度激活，从而减轻瘢痕组织的过度纤维化。杨逸璇等[33]针对烫伤大鼠应用石榴皮多酚软膏抑制增生性瘢痕形成的研究证实，药物通过降低TGF-β1、Smads4表达抑制增生性瘢痕的形成。

8 TGF-β1/Smads腹腔粘连

腹腔粘连(abdominal adhesion,Ad)是腹腔内肠管与肠管、腹膜、腹内器官表面之间出现的异常黏附[34]，常见的原因为腹部手术创伤继发引起，另外也可由腹腔内感染、创伤、脏器缺血、出血、异物甚至肿瘤等原因导致，也有极少是先天异常导致。腹腔粘连是盆、腹腔手术无法避免的并发症，可出现慢性盆腹腔的疼痛，严重者出现粘连性肠梗阻，如非手术治疗无法缓解，再次行手术探查解除梗阻又可造成新的粘连形成，形成恶性循环。腹腔粘连的本质也是一种纤维化疾病，目前研究涉及到凝血与纤溶系统的失衡、炎症免疫、腹膜间皮细胞、成纤维细胞、上皮间充质转化、细胞外基质的沉积、血管的生成等方面。其中TGF-β1/Smads介导间皮-间充质转化在粘连带形成中至关重要，可诱导腹膜间皮细胞向成纤维细胞分化，进而分泌大量胶原及细胞外基质，导致粘连的发生[35]。有研究指出[36]通过对于腹腔粘连大鼠应用穿心莲内酯，证实通过调控Smads通路及抑制炎症反应可以抑制大鼠腹腔粘连的发生发展。钩藤碱[37]可以降低腹膜液中的TGF-β1及结缔组织生长因子，即该药理活动的潜在机制与抑制TGF-β1/Smads信号通路相关。

9 TGF-β1/Smads与宫腔粘连

宫腔粘连(intrauterine adhesion,IUA)是宫腔在手术、炎症、放射损伤、异物等导致子宫内膜纤维化，造成宫腔及宫颈管壁不同程度的闭塞。主要症状是月经量少、闭经、继发性不孕或习惯性流产、慢性盆腔疼痛等，宫腔粘连和腹腔粘连均属于损伤后修复障碍的结果，都是纤维化疾病的一种，子宫内膜过度的纤维化改变和细胞外基质沉积是其最主要的病理特征，TGF-β1是目前发现的最重要的致纤维化因子，可激活其下游Smads蛋白家族，调控相关基因表达，诱导EMT，使成纤维细胞分泌大量胶原并减少对细胞外基质的降解，是纤维化形成的重要启动因素。在探讨含激酶受体KDR在宫腔粘连中的作用机制时发现[38]，IUA大鼠内膜组织KDR的mRNA和蛋白表达明显增高，KDR的表达也与IUA成正相关，注射si-KDA可以增加子宫内膜腺体数量，减少纤维化的面积，抑制KDA可能通过TGF-β1/Smads信号通路和上调MMP-9的表达来阻止IUA的发生和发展。Ning等[39]发现IUA患者子宫内膜组织miR-326下调，miR-326水平与TGF-β1、α-SMA、COL1N1等表达呈负相关，且miR-326的过表达通过下调促纤维化基因对于子宫内膜纤维化进行抑制。故TGF-β1/Smads是宫腔粘连过程中的重要通路，也是抑制其进程、改善临床症状的主要靶点。

10 总结与展望

纤维化疾病的治疗目前尚无特效药物，临床治疗非常棘手，往往是由多种细胞、基因、传导通路共同作用的结果，发病机制尚不完全明确。目前来看TGF-β1/Smads是影响纤维化进程的经典信号传导途径，在多种组织器官纤维化的发生、发展中起到关键的调控作用，针对此通路的研究也越来越多，抗TGF-β1抗体及其它通路抑制剂能有效阻止组织纤维化的进展，但也带来其他的严重的副作用，目前无法应用于临床。故有效、安全的抗纤维化治疗策略有待于进一步的探究。