肺发育相关信号通路调控作用机制及发育源性肺疾病发病机制研究进展

张子尧，耿庆

武汉大学人民医院胸外科，武汉430000

肺发育缺陷是导致新生儿及儿童肺部疾病的重要因素。人类肺发育从胚胎期一直延续至青春期。人类肺发育起源于腹侧前肠内胚层。肺发育过程可划分为5 个时期，分别为胚胎期（妊娠3～7 周时，在形成原始肠道后，肺芽出现在前肠内胚层，代表肺发育的开始）、假腺体期（妊娠7～16 周时气道上皮开始生长并从近端向远端分化，阶段结束时形成气道，完成血管发育）、小管期（妊娠16～24 周时形成气血屏障，形成肺泡囊和原始肺泡管，肺间质组织变薄）、囊形期（妊娠24 周～出生前，形成原始终端空域和肺泡二型上皮细胞，肺泡细胞分泌表面活性物质）、肺泡期（妊娠晚期～出生后3 年，形成肺泡二级隔膜，生成肺微血管，以最大化肺泡的气体交换表面积）。人类肺发育的前四期在子宫内完成，肺泡期主要在新生儿出生后进行。肺发育过程中需要多种信号因子及信号通路的参与，而这些调控因子在肺发育的过程中发挥重要作用。改变肺发育过程中关键调节因子的表达及信号通路的活性，可导致肺发育异常甚至出现肺部疾病。现将肺发育相关信号通路调控作用机制及发育源性肺疾病发病机制的最新研究进展综述如下，旨在为肺部疾病的预防、诊断和治疗提供理论基础。

1 肺发育相关信号通路在肺发育中的调控作用机制

人体肺发育依赖上皮－间质的相互作用。上皮－间质细胞间的信号通路主要有由上皮细胞表达的Wingless/ Integrated（WNT）、转化生长因子－β（Transforming Growth Factors-β，TGF-β）、Sonic Hedgehog（SHH）信号通路等；由间质细胞分泌的成纤维生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）等参与胚胎肺发育的调控。

1.1 WNT 信号传导通路在肺发育中的调控作用机制 WNT 信号传导通路有多种，WNT2、WNT2b、WNT7b、WNT5a 和WNT11 均参与了肺发育过程［1-2］。妊娠期胎儿可通过WNT 的自分泌和旁分泌机制调节胎肺上皮细胞和间质细胞的发育。在肺发育过程中，WNT2 和WNT2b 表达于前肠中胚层，通过促进肺内胚层的最早标志物Nkx2-1 的表达参与肺芽形成。WNT2 缺失导致小鼠肺发育不良，WNT2 和WNT2b 同时缺失则导致肺完全不发育［1］。而在气道上皮细胞中WNT7b、WNT5a表达最明显［3］，WNT7b 缺失可导致与WNT2-/-小鼠相似的肺发育不良表型，Wnt5A 则能够刺激肺内皮细胞的迁移、增殖和分化［4］。WNT11 在小鼠胎肺的上皮和间充质中均有表达，参与非经典WNT 信号通路，从而在肺发育中发挥重要作用［5］。而在成年后，WNT 基因家族可能通过多种机制促成肺纤维化。Wnt/β-连环蛋白信号在肺成纤维细胞中诱导抗凋亡和促纤维化表型，促进成纤维细胞增殖和肌成纤维细胞分化和存活。

1.2 TGF-β 信号通路在肺发育中的调控作用机制 TGF-β家族可调节多种不同器官系统中的细胞增殖、分化和凋亡。TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3均在胚胎肺发育的过程中发挥重要作用［6］。TGF-β1早在小鼠E11就由肺原始导管的间质细胞和上皮细胞分泌，并与Ⅰ型和Ⅲ型胶原、纤维连接蛋白共定位［7］。在小鼠中，TGF-β1已被证明可抑制分支形态发生［8］。相反，在大鼠肺体外培养中，抑制TGF-β2则会对分支产生负面影响［9］。这些表明TGF-β 家族会影响发育过程中肺分支形态发生。除此之外，TGF-β1还会破坏上皮分化并抑制表面活性蛋白A、B 和C 的合成［10］。这些观察结果支持TGF-β 的双向作用。总之，TGF-β在正常肺发育过程中以高水平表达，对于肺分支形态发生和上皮细胞分化以及表面活性剂合成的成熟特别重要。TGF-β还参与肺损伤后的正常组织修复，TGF-β 水平的增加导致肺间质的产生增加和降解减少，在介导各种肺部疾病的纤维化组织重塑中起关键作用。

1.3 SHH信号通路在肺发育中的调控作用机制 SHH信号通路是促进人体全身脏器发育的主要通路之一。在胚胎期前肠内胚层中就已经出现SHH 蛋白表达［11］。分泌蛋白SHH 在人胚胎发育过程中起重要调控作用，由位于7号染色体上的Shh基因控制合成。胚胎细支气管形成及细化阶段SHH 蛋白表达达到最高峰，提示在胚胎肺发育过程中SHH 蛋白起重要作用［12］。抑制细胞SHH 表达可抑制胎儿肺成纤维细胞的增殖。阻断SHH 信号通路可导致胚胎肺发育中断，而过表达的SHH 信号通路也同样影响胚胎肺发育。BELLUSCI 等［13］应用肺泡表面活性物质C 的启动子刺激小鼠肺组织SHH 蛋白过度表达，导致大量间充质和典型肺泡缺失，出生后小鼠因无法呼吸死亡，但其肺组织病变程度较SHH 基因敲除的小鼠轻。

1.4 FGF 信号通路在肺发育中的调控作用机制 FGF信号通路在胚胎肺发育和出生后肺部细胞的增殖分化中起重要的作用。FGF家族成员在肺发育中可影响细胞增殖、细胞形态学、细胞分化及器官发生时迁移［14］。发育过程中肺组织中可见FGF1、FGF7及FGF9等表达。FGF10是肺发育调控网络的核心，也是必需。SEKINE 等［15］研究发现，FGF10-/-的小鼠在发育过程中不形成肺。FGF10可与位于胎儿呼吸道上皮细胞上的受体FGF2RⅢb 结合，启动FGF相关的信号传导通路，影响肺泡细胞的增殖、分化［16］。同时，FGF10 还可通过自分泌调控肺间充质细胞的分化［17］。FGF信号的异常传导与成年慢性肺疾病的发生机制同样息息相关。FGF-1 通过体外和体内TGF-β 受体Ⅰ的蛋白酶体降解抑制肌成纤维细胞分化和上皮间质转化发挥抗纤维化作用。总之，FGF信号传导既调控肺的发育，又参与肺部疾病的发生。

2 发育源性肺疾病的发病机制

发育时期的机械通气、高氧、气压伤、感染等不良暴露因素可损害正常的胚胎、婴儿的正常生长发育［18］。肺发育是多因素共同协调作用下的复杂过程，易受外源性因素的影响。人类肺发育从胎儿一直延续到青春期不良环境的作用时间窗较长［19］。宫内和出生后早期的不良暴露可导致肺结构和功能的改变，这种改变随着年龄的增长、肺功能的自然下降而变得明显，导致儿童期或成年后肺疾病的易感［20］。围产期的损伤，包括宫内生长受限、早产、高氧或毒性物质暴露等，可导致肺重塑障碍及肺疾病易感［20］。哮喘、慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）和肺纤维化等发育源性肺疾病的发病可能与肺发育密切相关。

2.1 发育源性哮喘的发病机制 哮喘是由多种细胞参与的气道慢性炎症，与气道高反应性相关。胎儿期暴露于尼古丁的儿童气道反应性增高，并且这一改变持续到成年期［21］。一项对6 000 例儿童的10年纵向研究［22］结果发现，宫内尼古丁暴露与哮喘的发病呈独立相关。产前尼古丁暴露比产后暴露更易导致儿童哮喘等下呼吸道疾病。孕期外源糖皮质激素暴露增加儿童期气道阻塞及哮喘的发生风险［23］。宫内生长受限是哮喘的确定危险因素，动物试验表明宫内生长受限子代的肺血管和内皮细胞功能障碍、肺泡化受阻。

小鼠母体高甲基供体饮食会引起子代小鼠气道的炎症，以及血清IgE 水平的增加和气道高反应性，上述表型变化与子代小鼠体内炎症介质Run3x的基因高甲基化有关［24］。而尼古丁暴露诱导脐带血中多种基因，包括CYP1A1、GF1 及FOXP3 等基因的甲基化改变，进而导致儿童期哮喘的发生［21］。孕期尼古丁暴露的子代脐血中芳香烃受体抑制因子的甲基化水平降低，这种表观遗传变化直至子代7岁时仍存在。宫内尼古丁暴露后整体和基因特异性甲基化的改变［25］。宫内尼古丁暴露可直接引起胎儿肺组织中哮喘相关基因DPP10 甲基化改变［26］。不仅如此，烟雾暴露的表观遗传效应可引起肺发育的跨代遗传，祖母吸烟可引起孙代哮喘发病风险增加［22］。

2.2 发育源性COPD 的发病机制 COPD 是常见的成人肺疾病之一。生命早期的肺损伤与COPD 的发展至关重要［27］。2008年有学者［28］首次提出COPD 本质上是儿科疾病。宫内和早期尼古丁雾暴露、宫内生长受限、低出生体质量、下呼吸道感染等，是COPD 发病的重要危险因素［27，29］。发育期的尼古丁暴露损害了非人灵长类动物、绵羊和大鼠的肺生长和肺泡化进程，加速成年后COPD 的进展［27］。孕期母亲吸烟时，尼古丁可穿过胎盘，导致胎盘血管阻力升高、子宫血流减少，通过缺氧造成胎儿肺发育受损。产前存在尼古丁暴露的子代肺泡壁较厚、气道平滑肌增加、胶原沉积增加、气道高反应性伴气流受限。此外，产前尼古丁暴露还可通过刺激上皮细胞生长和肺分支，导气道变得常而取之，引起呼气流量减少。母亲孕期每天吸烟10 支会使后代患慢性阻塞性肺病的风险增加1.7 倍，出生后在家庭环境中母亲每天抽10 支烟对后代气流限制的影响与子女个人吸烟10 年的影响相同［29］。除宫内尼古丁暴露外，早产、宫内生长受限及低出生体重均为成年后COPD 发病的危险因素［27］。上述患儿可出现肺活体表面积减少、空气阻隔加厚和肺重减轻，动物模型表明这些变化一直持续到成年［27］。BROSTROM 等［30］前瞻性研究了低出生体质量、早产与COPD 发病的关系，最后研究发现，1 早产（＜35 周）或出生体质量低者患COPD的风险显著增加。

一项荟萃分析［31］研究了母亲吸烟与新生儿外周血450 000 个CpG 位点DNA 甲基化之间的联系，结果发现烟雾暴露的子代中超过6 000 个CpG 的甲基化存在全基因组差异，这些甲基化异常的基因部分与吸烟导致的肺疾病有关，而这种基因甲基化的差异会持续作用到儿童期。有一项报道［32］提供了围产期损伤后人类肺组织中DNA 甲基化改变的直接证据，该研究对160 例COPD 成年肺手术组织和78 例胎儿肺组织标本的DNA 进行了全基因组甲基化对比分析，发现宫内烟雾暴露的胎儿肺组织中肺发育相关调控基因Hippo、PI3K/AKTWNT、TGF-β等的甲基化水平产生了改变，这一表观遗传修饰与吸烟的COPD 患者一致，作者认为甲基化网络模块的重叠支持COPD 的发育起源。还有研究对尼古丁暴露胎儿肺组织和胎盘样本的DNA 进行了表观基因组分析，结果显示宫内尼古丁暴露与DNA 甲基化改变之间存在关联［26］。

2.3 发育源性肺纤维化的发病机制 肺纤维化是以成纤维细胞增殖、细胞外基质沉积以及肺泡结构破坏为特征的慢性肺部疾病。TGF-β是公认的促肺纤维化因子，在发育中的胎猴肺中过表达TGF-β 除了导致肺发育不良外，还导致肺实质和胸膜的进行性纤维化［33］。孕期母亲尼古丁暴露，导致TGF-β/Smad3 信号通路的编程改变，从而引起子代大鼠肺间质增厚，胶原沉积增加，伴有肺组织及血清中TGF-β表达增加［34］。宫内生长受限的子代大鼠成年后也可出现肺纤维化征象［35］。生后高氧暴露引起的肺损伤可导致大鼠的肺纤维化，并且母体的尼古丁暴露可加重这一表型［36］。新生儿期的高氧暴露可使大鼠对博来霉素诱导的肺纤维化敏感性增加［37］。此外，动物研究［38］提示，孕期常用药物地塞米松暴露在促进肺成熟同时损害出生后的肺发育；影响二级间隔形成，导致肺泡总数减少。

综上所述，WNT、TGF-β 及SHH 信号通路等可能是调控肺发育的关键信号通路。不良暴露可能会导致炎症介质（Run3x、CYP1A1、GF1 及FOXP3）及肺发育相关调控基因（Hippo、PI3K/AKTWNT、TGFβ）异常甲基化，导致哮喘、COPD 和肺纤维化等发育源性肺疾病。