纤维粘连蛋白在后发性白内障纤维化进展中的作用研究现状

许文皓，林淑华，贾寓洁，赵 健，贾法力，曹婉莹，姜丽兰，李英俊，2

references for clinical treatment of PCO. In this paper, the research status of fibronectin in PCO in recent years is reviewed.

0 引言

白内障是世界范围内致盲的重要原因，植入人工晶状体可以有效治疗白内障[1-3]。然而，约20%～50%的成人和100%的儿童患者术后可发生后囊膜混浊[4]。后发性白内障(posterior capsular opacification，PCO)是患者术后视力再次下降的主要原因，也是白内障囊外摘除和人工晶状体植入术后最常见的并发症，是多种因素和综合作用导致的，对患者术后视觉质量有重要影响。白内障术后残留的晶状体上皮细胞(lens epithelial cells，LECs)向后囊膜移行、增殖并遮挡光学区，并转变为纤维状细胞外基质(extracellular matrix，ECM)，内嵌的肌纤维母细胞和畸变的晶状体纤维细胞形成混合物时就会发生PCO[5]。

纤维粘连蛋白(fibronection，FN)，又称纤维连接蛋白，是一种结构复杂的ECM蛋白，在凝血、胚胎发育等多种生理过程中都是必不可少的[6-8]。人血浆中的FN是由肝脏产生的致密的可溶性蛋白质，因此在体液中含量较高[9]。而组织中的FN则由自身供给，更具开放的构象，并能组装成不溶性纤维[8-9]。在组织损伤后，血浆中纤维结合蛋白复合体与纤维蛋白原在早期形成暂时性ECM，这些ECM是伤口初期闭合所必需的[10]。虽然FN通常能快速集中在伤口愈合和组织修复的部位，但在PCO发展中残留的LECs分泌的FN呈慢性沉积[8，11]。此外，FN的沉积还能促进富含Ⅰ型胶原的继发性瘢痕形成[12]。FN是许多生长因子的细胞外储存库，且FN可在伤口愈合反应和纤维化疾病中发挥多种作用，在PCO后囊皱褶过程中通过FN沉积、调节gremlin-1和骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信号起负面调节作用[13-15]，但术后残留的LECs自主产生FN的过程尚不清楚。目前，已知FN在PCO发病机制中发挥多种作用，本文就FN在PCO纤维化进展中的应用做一系统阐述。

1 纤维粘连蛋白的分子结构

FN是一种糖蛋白，分子量230～270kDa，通常以二聚体的形式存在，每个单体由3个单元组成，即12个Ⅰ型结构域、2个Ⅱ型结构域和15～17个Ⅲ型结构域，3个单元共占FN序列的90%。Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型结构域的结构同源物存在于其他生物分子中，这表明FN是通过外显子改组进化而来[6，16]。尽管起源于单个基因，但已经鉴定出多达20种不同的人类FN变体和12种不同的啮齿动物FN亚型，这表明了物种和组织发育特有的不同剪接机制。虽然FN中的所有Ⅲ型结构域都具有同源结构，但研究表明，FN中的每个Ⅲ型结构域在机械和化学稳定性方面差异很大[16-17]。结构域的类型和结构域数的特征，再加上它们的相对位置和FN的整体三级构型，使得FN作为ECM中的生物分子具有独特的属性。目前，多项研究已证实FN及其亚型在迁移、分化、信号传递、成人伤口愈合和整体组织健康中发挥重要作用。

2 ECM与FN的关系

ECM既是组织的结构支架，又是细胞信号转导的调节因子。在胚胎发育和伤口愈合过程中，这些纤维在组装临时ECM方面起关键作用。细胞中的FN可组装成粘弹性纤维，可以结合40多种不同的生长因子和细胞因子。在包括癌症、纤维性疾病等疾病状态下，纤维集合体的表达也经常上调。可溶性生长因子与FN纤维的结合改变了这些蛋白的信号转导，而其他ECM蛋白(包括胶原、弹性蛋白和蛋白多糖)与FN纤维的结合促进了ECM的成熟和组织特异性。研究表明，ECM能激活转化生长因子-β(transforming growth factor β，TGF-β)信号通路，而FN能将潜在的TGF-β置于ECM上，最终FN沉积导致LECs纤维化[11，18]。TGF-β信号转导是LECs发生上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的主要诱导者，表达包括FN在内的许多“纤维化”标志物，在PCO的发生发展中扮演重要角色[19]。

白内障术后残留的LECs发生创伤愈合反应，产生的肌纤维母细胞、晶状体纤维细胞和“纤维化的ECM”可造成视力损害，其中表达和组装LECs产生的纤维性ECM分子需经FN介导，而纤维性ECM分子由白内障术后残留晶状体细胞产生。LECs在发生EMT过程中产生肌成纤维细胞，并持续分裂，开始覆盖后囊膜，合成“纤维化的ECM”，ECM为细胞附着提供支架，最终形成纤维化PCO遮挡光学区进而引起光散射[20]。在其他伤口愈合相关病理过程中，FN同样参与纤维性ECM组装的初始支架[16]。研究表明，成人白内障术后后囊Col1a1和Col1a2基因的表达可以增加2倍，这两个基因编码合成“促纤维化”的Ⅰ型胶原，而FN不仅是Ⅰ型胶原组装的支架，还可触发EMT信号转导[21-22]。FN通过将潜在的TGF-β系于ECM上，并在激活“纤维化的ECM”的信号转导通路中发挥关键作用，由此可见，FN是表达和组装晶状体细胞产生纤维化ECM分子所必需的[23]。

3 纤维基质组装过程中FN的作用

在纤维基质组装中发挥关键作用的活动包括FN亚基的二聚化，将FN定位到细胞表面的细胞结合位点及将FN二聚体结合成完整纤维的过程。然而，每个FN二聚体都有多个整合素和FN结合位点，在损伤发生时，整合素开始将构象展开为线性化结构，进一步将其结构域延伸到扩展的形态，从而允许在连续的迭代过程中沉积更多的可溶性FN。随后FN在组织中局部产生，并组装成不溶性纤维[9，24]，待重塑后以促进富含Ⅰ型胶原和其他纤维性ECM蛋白的继发性瘢痕的形成[12，14，25-26]。研究表明，FN是ECM纤维部分组装的主要调节者，能广泛调节ECM分子，但该结论尚未能在体内研究得到证实[11，27-28]。另有研究发现，晶状体细胞需要借助FN上调ECM成分的mRNA表达和基质组装，包括Ⅰ型胶原、Tenascin C和Periostin[29]。但一些报道持相反意见，认为FN聚合进入ECM是Ⅰ型胶原和凝血酶反应蛋白-1沉积所必需的，而维持ECM需要FN的持续聚合[30-31]。也有研究认为在LECs纤维化进展过程中，LECs产生的FN并非ECM蛋白和凝血酶反应蛋白-1的基质沉积所必需，尽管在这一过程中，血小板反应素-1的沉积减弱，可能是由于LECs周围沉积了少量外源性FN足以进行ECM和凝血酶反应蛋白-1的组装，或LECs产生了其他组装介质[32-33]。总之，细胞FN在体内纤维化疾病的基质形成中具有双重作用，因为其既是纤维化ECM基因表达所必需的，也是其蛋白产物组装所必需的。

4 TGF-β家族信号转导诱导FN表达

4.1TGF-β调节LECs的EMT过程TGF-β是LECs发生EMT的主要诱导物，表达多种“纤维化”标志物，其中包括FN[19]。研究表明，尽管FN组装失败减弱了LECs向肌成纤维细胞的转化，但FN仍具备PCO后囊皱褶的负调节能力[15]。然而，白内障术后残留的LECs自主产生的细胞FN的功能还不是很清楚。采用TGF-β处理LECs后，即可导致EMT，诱导LECs增殖和迁移。当TGF-β信号通路被激活时，TGF-β与TGF-β结合蛋白(latent TGF-β binding proteins，LTBPs)结合后发挥类伴侣功能并被合并到ECM中启动信号转导。在整合素系统中表达和下游信号传导细胞过程同样发现，FN直接或间接地与LTBPs及其亚型结合，通过TGF-β诱导纤维化，从而促进PCO的发展进程。在小鼠白内障手术模型中，术后24h残留的LECs中FN mRNA水平上调，术后48h时在表达纤维化标志物的LECs周围首先检测到FN，这与可检测到的TGF-β信号的时间点一致[34]。有报道称，培养的鸡LECs暴露于血浆FN可以激活细胞内源性产生的TGF-β，表明FN在PCO的发病机制中起着重要作用[35]。人体内FN可分为血浆FN和细胞FN，前者主要由肝细胞合成，后者由多种细胞产生，包括成纤维细胞、软骨细胞、肌细胞和滑膜细胞。房水中大部分FN通过调节TGF-β信号通路抑制EMT，可见FN通过房水途径在持续性纤维化PCO中起关键作用，小部分FN分子呈递到整合素所必需的开放构象中。总体而言，外源性FN，如存在于血、房水中的FN，被认为是PCO病理学生长因子的负调节因子，而细胞内源性FN通过TGF-β依赖途径介导持续性纤维化PCO。

4.2FN和gremlin-1及BMP共同介导TGF-β信号通路众所周知，TGF-β信号通路的开放介导纤维化PCO的发展，而在血浆FN上电镀分离的胚胎晶状体细胞可以激活TGF-β信号[35]。体外细胞模型中，FN对于潜在的TGF-β复合体进入ECM也是至关重要的[13，36]。然而，在PCO纤维化条件下，内源性细胞FN的产生和TGF-β信号诱导之间的关系还没有在体内被探索。在小鼠白内障手术模型中发现，术后48h，LECs中gremlin-1蛋白的表达显著上调，而BMP mRNA和蛋白的表达水平显著降低，由此可见在PCO模型的发病机制中，gremlin-1蛋白起促纤维化作用[37-39]。gremlin-1蛋白是BMP信号的拮抗剂，而BMP信号可以在上皮细胞中发挥抗纤维化作用，并可以抵消TGF-β信号通路的作用[37]。原代LECs的体外研究表明，BMP信号激动剂BMP-7可以抑制TGF-β介导的EMT[40]。为进一步了解术后FN如何调节BMP信号转导，Shihan等[29]测试了gremlin-1蛋白或TGF-β对LECs纤维化的作用是否包括拮抗BMP信号转导，研究发现BMP信号在24、48h均保持高水平。因此，尽管LECs纤维化处于抑制状态，BMP和TGF-β信号都可能在同一细胞中保持高水平。上述研究结果表明：(1)在gremlin-1蛋白或TGF-β激活的情况下，即使BMP信号被激活并保持高浓度水平，仍然会发生纤维化；(2)FN对BMP信号的影响是通过调节gremlin-1蛋白表达和TGF-β通路激活来介导的。gremlin-1作为TGF-β信号激活剂和BMP信号拮抗剂在PCO等纤维化疾病中允许血浆FN组装成基质所必需的整合素上调，从而组装成纤维化ECM。总体而言，FN可能在调节TGF-β途径激活的PCO进展中发挥多功能作用，包括调节TGF-β途径激动剂的基因表达和激活潜伏的TGF-β。

5 FN与整合素相互作用推动PCO的发展

因αvβ1整合素为FN的受体，并在细胞或ECM附着、细胞迁移和牵引力传递中的作用而被认为是PCO的治疗靶点。稳定的可溶性FN与细胞表面整合素结合，整合素聚集并可逆地与FN结合，其中αvβ1和αvβ3整合素是FN的主要结合对象，这两种整合素通过粘着斑复合物与肌动蛋白细胞骨架结合[41]；虽然αvβ3整合素在缺乏β1整合素的情况下可以介导FN原纤维的组装[42]，但FN原纤维的组装通常是由αvβ1整合素介导的。另外，肌成纤维细胞拥有的收缩力是暴露FN中促进FN纤维形成的隐蔽结合位点所必需的[43]，但这些隐蔽结合位点的位置和数量尚不清楚。由于FN是术后LECs中上调的几种整合素受体的已知配体，细胞FN不仅对下游整合素信号通路很重要，而且对增强术后LECs中几种整合素受体的蛋白表达也是必要的。另外，激活的TGF-β1与αvβ1整合素之间的交叉信号可以修复术后LECs中下游整合素信号的缺陷，从而调节细胞修复过程[34]。对于LECs的损伤，FN是增殖和迁移过程中不可或缺的调节因子。整合素可以通过至少3种方式介导LECs中潜伏的TGF-β及TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三种异构体的激活，而TGF-β信号可以上调它们的表达，表明FN与TGF-β导致的纤维化及作为配体与整合素结合推动了PCO中LECs的EMT过程，并可能导致其他EMT疾病的发生发展。

6 小结

据估计，纤维化对组织结构的破坏导致了全世界至少1/3的自然死亡[44]。虽然许多研究已经明确了导致纤维化的途径，但目前对活化的成纤维细胞或肌成纤维细胞在最初的损伤消除后，继续纤维化的机制知之甚少。因此，FN因其在伤口愈合反应和纤维化中的重要作用而被广泛研究。然而，多数关于FN的研究都是以细胞培养为基础的，因此很难与体内伤口愈合关联起来。为数不多的关于细胞FN功能的体内研究中，大多只涉及FN在伤口愈合中作用的一个方面，因为多数组织由多种细胞类型组成，具有复杂的相互作用。而晶状体的细胞类型组成相对简单，白内障手术后残留的细胞由单层上皮细胞组成，这些上皮细胞经过EMT形成肌纤维母细胞，其行为类似于导致其他纤维疾病的肌纤维母细胞[45]。细胞FN是一种在不同水平上调节细胞行为的多功能蛋白，长期以来一直被认为其与晶状体发育和纤维化的PCO病因有关[46]。FN一直被认为是PCO的纤维化标志物，并与PCO的发病机制密切相关，包括诊断PCO活动和预后。外源性的FN，如血液-房水中的FN，被认为在PCO中起重要作用，也是PCO病理过程涉及的生长因子的负调节因子。FN的多功能提供了对PCO发病机制的新理解，并确定了治疗和预防纤维性PCO的新靶点，为开展严谨的实验和临床研究提供了新思路。