特发性肺纤维化与代谢失调的研究进展*

连娜琦， 毛 靖， 姜 淼， 鲁芯羽， 赵凤鸣， 席蓓莉， 齐 栩， 李 育△

（1南京中医药大学医学院·整合医学学院，江苏 南京 210023；2南京医科大学第一附属医院/江苏省人民医院呼吸内科，江苏 南京 210029）

特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一种病因不明的慢性间质性肺病（interstitial lung disease，ILD），该病在放射学和病理组织学上表现为间质性肺炎，并伴有实质纤维化和过度胶原沉积。IPF 多发于65 岁以上的吸烟者，常伴进行性呼吸困难和肺功能恶化，如不积极治疗，确诊后平均预期寿命仅有3～5年。随着全球人口老龄化，IPF 对患者造成的生理、心理负担以及对社会造成的经济负担预计会稳步增加。抗纤维化药物（尼达尼布和吡非尼酮）能够延缓IPF 的进展［1］，但存在严重耐受性问题。肺移植是治愈IPF患者的唯一方法，不过出于年龄以及其他基础疾病等原因，该法仅适用于少数患者。亟需开发有效的IPF 诊断监测方法以及新的IPF治疗药物。目前，IPF的发病机制仍不清楚，最新研究发现，代谢失调可能为IPF 的病因之一，这些改变涉及肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）、氧化应激和脂质代谢等，其中脂质代谢的作用尤为显著，对IPF 患者的脂质组学研究还显示，脂肪酸、胆固醇及其他脂质的合成和活性发生改变。这些改变可能在细胞的能量储存、结构维持和信号传导中发挥一定作用。此外，IPF 的病理特征还表现为肺泡Ⅱ型上皮细胞（alveolar type Ⅱcells，AT2 细胞）的增殖及肺泡Ⅰ型上皮细胞的丢失，与正常人相比，IPF 患者AT2 细胞多种代谢途径发生改变，这些改变可能与其线粒体动力学变化存在联系。支气管肺泡灌洗术（bronohoalveolar lavage，BAL）是通过支气管镜将生理盐水注入支气管末端，随后将生理盐水吸出的一项检查方法，该方法可收集肺泡表面有效液体，检查其细胞成分和可溶性物质，该法虽诊断特异性不如支气管及肺穿刺活检，但属于非侵入性检查，对于病情较重患者依然适用，因此该法为针对IPF患者最常用的一种临床诊断、评价疗效和预后方法。本文综述了IPF患者支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）蛋白组学研究成果以及AT2 细胞的代谢变化和IPF的代谢失调。

1 蛋白质组学研究揭示IPF的代谢改变

纤维化疾病常伴随碳水化合物、脂类、蛋白质和激素的代谢紊乱，而代谢失调在IPF发病机制中究竟扮演何种角色尚未知晓，针对IPF 患者BALF 的蛋白质组学应用揭示了IPF发病过程中的代谢改变。IPF患者的BALF 蛋白质组学和生物信息学分析结果显示，与其他ILD 患者和健康人的BALF 相比，IPF 患者BALF 中的失调蛋白多与核因子κB、过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferators-activated receptor γ，PPARγ）和c-Myc 等转录因子相关。这三种基本的转录因子均能导致代谢紊乱［2-4］，其中PPARγ是脂质代谢的关键调控因子。通路富集分析表明，这些差异表达的蛋白与RAAS 和氧化应激相关［5］。RAAS 也影响了脂质代谢，据报道，醛固酮会刺激3T3-L1细胞和棕色前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞，从而上调脂肪因子基因的表达［6］，此外，醛固酮还能够促进前列腺素的释放，尤其是由环加氧酶1（cyclooxygenase-1，COX-1）催化产生的前列腺素E2。COX 是产生脂质介质所必需的，研究证明IPF 患者肺部的上皮细胞和巨噬细胞存在COX 的缺失［7］。RAAS激活还受氧化应激调控，血管紧张素Ⅱ能够诱导活性氧自由基的产生［8］，据报道，IPF 患者的活性氧自由基与活性氮自由基水平均升高［9］，而活性氧自由基产生过量可引发脂质过氧化进而造成细胞膜损伤。这些结果均表明RAAS 在IPF 发病机制中起重要作用，氧化应激及脂质代谢也在其中发挥部分作用。

有研究者通过蛋白组学研究比较了家族性和散发性IPF 患者的BALF，对差异表达蛋白的功能分析表明，氧化应激在散发性IPF 的发病过程中尤为重要［10］。在该研究中，核因子κB 和c-Myc 再次发挥了中枢调节作用，雄激素受体也作为转录因子上调了尿白蛋白、补体C3、过氧化物酶1 和纤维蛋白原等的蛋白表达，而雄激素受体作为类固醇激素受体家族的一员，能够直接结合在纤维化发生相关基因PI3K、Foxo1和CREB启动子区域的调节亚基上，激活转录并发挥促纤维化功能［11］。另一方面，该研究证明内质网应激在家族性IPF中起着中心致病作用，而家族性IPF 患者脂肪酸的失调可能是导致内质网肿胀的关键［12］。对稳定期和急性加重期IPF 患者的BALF进行蛋白组学研究显示肝X 受体和法尼醇X 受体差异表达，此二者均能激活脂质代谢［13］，可能导致脂肪酸的失调，此外，这两种受体还为巨噬细胞激活受体，在急性加重期IPF 患者中巨噬细胞激活尤为明显［14］。该研究显示，巨噬细胞激活并吞噬细胞外脂质形成泡沫细胞的过程可能是IPF 由稳定期向急性加重期演变的关键步骤［12］。脂质代谢组学研究显示稳定期和急性加重期IPF 患者甘油三酯和磷脂酰胆碱存在显著差异［15］，这可能是由于泡沫细胞的形成加速了疾病进程。Landi 等［16］用全身性硬化症型肺纤维化患者的BALF进行了另一项蛋白质组学研究，结果表明，脂质代谢相关的蛋白质（如溶菌酶C、脂肪酸结合蛋白、视黄醇结合蛋白和血红素结合蛋白）发生失调，且该过程在功能上与PPARγ 一致，这再一次证实纤维化的发生发展伴随着脂质代谢改变。

2 脂质代谢失调与IPF纤维化的发生

在如前所述IPF患者的代谢变化中，脂质代谢尤为关键，且转录因子PPARγ 在其中发挥重要功能，这种多效核激素受体参与了纤维化的病理过程。PPARγ是脂肪生成的主要调节因子，通过阻断皮肤、肺和心脏等器官中的转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）发挥抗纤维化作用。在脂肪生成过程中，它决定了脂肪生成酶、脂联素、胰岛素依赖性葡萄糖转运蛋白4 和血管紧张素原（angiotensinogen）的mRNA 表达的增加，并影响脂质和葡萄糖代谢。一线抗糖尿病药物二甲双胍通过调节代谢途径、激活PPARγ 信号、抑制TGF-β、抑制胶原形成并诱导脂肪生成分化，发挥了抗纤维化作用［17］，但其在IPF 患者的临床治疗上却并无疗效［18］，然而，同样能够抑制TGF-β 的尼达尼布和吡非尼酮却在临床上表现出治疗作用，这可能由于尼达尼布和吡非尼酮不具备与二甲双胍类似的诱导脂肪生成分化的功能。在脂成纤维细胞分化时，PPARγ 能够阻止肺氧化损伤，促进中胚层分化并激活抗氧化防御机制。此外，PPARγ 也能间接刺激肺表面活性物质的产生，增加肺的顺应性［19］。最近的另一项关于尼达尼布临床试验显示，尼达尼布治疗IPF 患者一年后，患者BALF中载脂蛋白C3 上调，富集分析显示这一现象的产生是由于尼达尼布对PPARγ的上调［20］。

成纤维细胞生长因子1（fibroblast growth factor 1，FGF1）可在PPARγ 感知到不同的环境信号后驱动脂肪重塑。FGF1是IPF患者中增长显著的生长因子，并且与成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptor，FGFR）家族成员FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4 和肌成纤维细胞共同存在于基底细胞层、肌成纤维细胞灶和表面活性蛋白C 阳性的AT2 细胞中［21］，与能量的摄入关系密切的一种代谢调节剂，此外，PPARγ-FGF1 轴还与胰岛素抵抗有关［22］。

视黄醇结合蛋白4（retinol-binding protein 4，RBP4）是IPF 患者BALF 中的另一种失调蛋白，主要由脂肪组织产生，是血液中视黄醇的主要转运蛋白。已知RBP4 可调节脂质、葡萄糖代谢和胰岛素抵抗。RBP4-视黄醇复合物结合到STRA6 上，能够激活JAK/STAT 信号通路，从而诱导抑制胰岛素信号通路的细胞因子信号传导抑制因子3 以及调控脂质稳态的PPARγ 的基因表达［23］。JAK/STAT 通路对多种关键性代谢激素和细胞因子的信号转导起着关键作用，包括生长激素、瘦蛋白、促红细胞生成素、白细胞介素4、白细胞介素6 等。在肥胖和代谢疾病中常发生JAK/STAT 通路的失调。最近的一项研究报道了JAK 抑制剂在肺纤维化病变中的应用［24］，类风湿关节炎联合ILD 患者使用JAK 抑制剂（如巴瑞克替尼）治疗后，肺纤维化的病情逐渐稳定［25］。

IPF 发病及病情发展过程中的脂质代谢失调还源于脂联素和瘦素的产生。脂联素几乎完全由脂肪细胞合成，是血浆中丰富的脂肪组织源性脂肪因子，参与脂质代谢、胰岛素增敏、细胞凋亡和炎症，同时也是与癌变相关的多种免疫途径中的关键分子。如D'Alessandro 等［26］报道，血清脂联素浓度与一氧化碳弥散量和体重指数呈负相关，可用于预测IPF 的预后。此外，BALF 中的脂联素水平也与体重指数呈负相关，且与嗜酸性粒细胞所占百分比也成正比，此二者均为IPF 的不利预后因素［26］。血清瘦素水平也与肺纤维化的严重程度成正比，研究显示瘦素能够显著促进A549 细胞的上皮-间充质转化，减少自噬体形成，抑制LC3-Ⅰ到LC3-Ⅱ的脂化，并激活参与IPF发生和发展的PI3K/Akt/mTOR 通路，上调p62 的表达［27］。

3 AT2细胞代谢失调及线粒体动力学改变

在过去二十年中，科学家们普遍认为IPF发病是由于遗传易感个体的肺泡上皮发生反复的微环境和/或内源性损伤，与此同时肺泡上皮细胞凋亡增加、上皮修复异常，肺泡上皮细胞-成纤维细胞间的相互作用失调，最终促进了间充质的持续激活和细胞外基质的沉积。然而，近年来研究者将IPF的研究重点放在了肺纤维化发生时的肺泡上皮细胞失调。肺表面活性蛋白C 对AT2 细胞具有重要意义，小鼠的肺表面活性蛋白C 发生突变后会发生自发性肺纤维化［28］，结果表明AT2 细胞失调可能是导致肺纤维化发生的重要原因。在成年人的肺部，AT2 细胞起着远端上皮干细胞的作用，因此在损伤肺泡的再生和修复中AT2 细胞至关重要。在正常组织再生过程中，AT2 细胞最终成熟为肺泡Ⅰ型细胞之前，获得了前Ⅰ型肺泡过渡细胞的形态，并在此期间高表达衰老相关基因。IPF 肺中存在“前肺泡Ⅰ型过渡样细胞”的积聚现象，且已有研究观察到p53 依赖性AT2细胞衰老小鼠，敲减IPF 小鼠YAP1基因能够抑制肺泡上皮细胞衰老并减轻IPF［29］，提示这种过渡性细胞衰老状态的异常分化或持续存在可能阻止了正常肺泡再生，从而促进纤维化的发展。

最近一项的转录组分析显示IPF 患者AT2 细胞多种代谢途径发生改变［30］，其中包括脂质代谢，富含棕榈酸酯饮食的IPF 患者的肺部饱和脂肪酸棕榈酸酯浓度高于对照组，这表明高质饮食与肺纤维化的发生之间存在联系［31］，Romero 等［32］对该项研究做出评论，提出IPF功能失调的AT2细胞可能由于饱和脂肪酸浓度升高引起的内质网应激而更易发生凋亡。目前已经确定线粒体动力学改变可能为AT2 细胞代谢变化的驱动因素。线粒体生物发生、组装（融合）、分解（裂变）和清除（自噬）的调节，统称为线粒体动力学，为满足纤维化发生时增强的生物合成需求同时维持其上皮干细胞的功能，AT2 细胞线粒体动力学发生改变。其中，线粒体融合是调节和满足AT2细胞代谢需要的关键。线粒体融合和脂质代谢通过破坏表面活性物质的产生，影响AT2 细胞损伤修复及随后的纤维化重塑［33］。表面活性物质是一种肺表面活性脂蛋白复合物，它含有约90%的脂质，可降低肺表面张力，防止肺泡塌陷，并发挥重要的免疫调节作用。由于线粒体的直接参与，脂肪酸的合成还可能受到胰岛素抵抗、糖原生成或葡萄糖积累的影响，这些因素均可能导致线粒体动力学改变，导致活性氧产生增加、线粒体生物发生减少和线粒体自噬失调，从而进一步导致AT2 细胞发生自噬异常、端粒缩短、蛋白质稳态改变以及细胞衰老。

IPF 患者的AT2 细胞中线粒体生物发生增加与此同时线粒体自噬也发生改变［34］。肺表面活性蛋白C的突变会导致线粒体跨膜电位损失、线粒体生物量增加和线粒体自噬受损［35］。在细胞发生应激时，PINK1 能够发挥线粒体保护作用以应对异常升高的能量需求，AT2 细胞在化学诱导下发生内质网应激时PINK1 的表达下调［36］，这一结果将内质网应激导致的AT2 细胞调控功能障碍与IPF 中线粒体稳态受损联系起来。然而，无论是在内质网应激还是线粒体稳态失调方面，IPF 上皮功能障碍对AT2细胞生物能量的影响均尚未明确。有研究者用博莱霉素和TGF-β 造肺纤维化小鼠模型并进行远端肺上皮生物能功能评估，结果显示两种肺纤维化小鼠模型AT2细胞线粒体膜电位和氧耗均降低［37］，这一现象可能由于AT2 细胞甲状腺激素的代谢发生了变化。甲状腺激素模拟物能够通过线粒体生物发生的主要调节器PPARγ辅激活因子1α而抑制纤维化，且有研究显示能够将四碘甲状腺氨酸T4 转化为活性的三碘甲状腺原氨酸T3 的碘甲状腺原氨酸去碘酶2 在IPF 肺中表达显著上调。此外，甲状腺功能减退还导致了IPF的不良预后［38］。

4 展望

近年来越来越多的研究观察到肺、肝和肾纤维化等纤维化过程中会发生碳水化合物、脂类、蛋白质和激素的代谢紊乱，纠正这些代谢的改变或许能为治疗纤维化提供新的策略。无论是IPF 患者BALF的蛋白质组学还是从AT2 细胞的细胞生物学，代谢改变均能通过诱导纤维化的发生发展参与IPF 的发病过程，且脂质代谢在其中扮演重要角色。在IPF的发生和发展过程中，脂质代谢和纤维化的伤口愈合机制处于平衡状态，环境和遗传等多种因素均会影响脂质代谢以及其他物质的代谢从而打破它们之间的平衡，导致代谢及纤维化疾病。从代谢角度理解IPF 的病理学能让我们更加全面了解IPF 的发病机制，从而为IPF 的预防、诊断及治疗做出有益贡献。目前有关IPF患者代谢改变的机制研究尚不深入，导致IPF 患者发生代谢改变的原因以及这些代谢改变造成的具体影响在未来还需进一步研究。