氧化应激在放射性肺纤维化中的作用及中药防治研究进展

李展鸿 徐希科 陈 威 辛佳芸 王金鑫 田赛赛 祖先鹏 王淑美

1.广东药科大学药学院，广东广州 510640；2.海军军医大学药学院，上海 200433；3.山东中医药大学药学院，山东济南 250355

放疗是临床治疗肿瘤的主要手段之一，但在有效抑制肿瘤细胞生长的同时，却伴随着一系列副作用。胸部肿瘤患者需经历多次放疗，当其接受的电离辐射超过引发特定生物效应阈值剂量时，正常肺组织会产生放射性损伤，引发肺泡上皮细胞的异常修复，导致肺泡逐渐被结缔组织替代，最终演变为放射性肺纤维化（radiation-induced lung fibrosis，RILF），使患者呼吸衰竭而死亡[1]。氧化应激是RILF 的一个重要发病因素，本文对氧化应激在RILF 中的作用及研究进展进行综述，并讨论中药通过抗氧化途径治疗RILF 的潜力，为治疗RILF 的药物开发提供新思路。

1 RILF 的发病机制

RILF 的发病机制复杂，至今仍无明确定论。目前主流的病因假说有“靶细胞学说”[2]和“细胞因子学说”[3]。靶细胞学说认为，电离辐射通过损伤肺泡上皮细胞、肺血管内皮细胞、肺泡巨噬细胞等靶细胞，激活靶细胞的损伤修复机制，引发肺上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）导致RILF。细胞因子学说与靶细胞学说互为补充，认为细胞因子介导靶细胞间的相互作用，包括参与局部损伤与炎症反应的肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）、白细胞介素（interleukin，IL）和促进组织修复及器官纤维化的转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）等。因此，RILF 是多种细胞和细胞因子共同参与的级联反应过程。电离辐射可诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生，进而损伤DNA，使肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞死亡及脱落，淋巴细胞、中性粒细胞等炎症细胞被聚集到损伤区域，分泌IL-1β、TNF-α 等炎症因子，引发持续的炎症反应。其中，由巨噬细胞分泌的TGF-β1 介导受损的肺泡Ⅱ型上皮细胞发生EMT 转化为肌成纤维细胞，使正常肺组织被结缔组织替代。肌成纤维细胞合成大量的细胞外基质（extracellular matrix，ECM），如胶原纤维等，造成ECM 沉积，最终形成肺纤维化。

2 氧化应激在RILF 中的作用

ROS 涵盖由氧化还原及所有次级反应产生的初始产物，包超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基和一氧化氮等。低浓度的ROS 参与细胞信号传导和免疫应答反应，而高浓度的ROS 则导致蛋白质、脂质和DNA损伤。ROS 浓度和细胞抗氧化能力之间的不平衡导致氧化还原信号中断或分子损伤被称为氧化应激[4]。辐射会诱导机体氧化还原系统失衡，使靶细胞线粒体活性增加和抗氧化酶活性降低，产生高浓度ROS，导致DNA 损伤、细胞凋亡等，加快肺纤维化的进程。已有多项研究发现肺纤维化患者氧化应激增加的证据，Daniil 等[5]发现，肺纤维化患者血浆中过氧化氢的浓度显著升高，且过氧化氢的浓度与呼吸困难的严重程度呈正相关，与肺活量和一氧化碳扩散能力呈负相关。谷胱甘肽作为人体重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应，肺纤维化患者血液中谷胱甘肽浓度比健康人群低50%[6]。羰基蛋白是蛋白质氧化的产物，肺纤维化患者支气管肺泡灌洗液中羰基蛋白浓度是健康者的2.4 倍，且羰基蛋白浓度与嗜酸性粒细胞、中性粒细胞的数量及TNF-α、IL-1β 的含量呈正相关[7]。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）是人体抗氧化酶的重要组成成员，研究发现肺组织纤维化区域的SOD 含量明显低于非纤维化区域[8]。这些证据表明氧化应激与RILF 关系密切，是RILF 发病过程的重要环节。

2.1 RILF 中ROS 的上调

ROS 在细胞增殖、分化和凋亡过程中发挥重要作用。电离辐射一方面与肺组织中的水分子作用产生大量ROS，另一方面可诱导线粒体内源性ROS 产生，进一步加重辐射导致的氧化应激。还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Nox）是内源性ROS 的主要来源，具有Nox1、2、4 等亚型。通过Nox1 特异性抑制剂抑制内皮细胞的纤维化可有效减轻RILF[9]。肺泡巨噬细胞是RILF 肺组织中的主要炎症细胞，产生高浓度的ROS 会诱导肌成纤维细胞活化，促进ECM 沉积，在这一过程中Nox2 和Nox4 的上调可能与辐射诱导的旁观者效应和非靶向效应有关，导致邻近的未受辐射细胞或远处器官产生ROS[10]。综上，电离辐射可通过多种方式诱导ROS 生成，触发肺组织氧化应激效应，使炎症反应加重且持续，促进RILF 的发展。

2.2 ROS 促进RILF 发展

2.2.1 ROS 与DNA 损伤 电离辐射可通过产生ROS 间接损伤DNA，使单链或双链断裂、碱基氧化等。转录因子p53 通过调控多种抗氧化酶的转录，维持氧化还原系统平衡。当DNA 被ROS 严重氧化损伤且无法修复时，p53 被激活并调控Bcl 蛋白家族触发细胞凋亡[11]。研究表明，DNA 氧化损伤标志物8-羟基-2’-脱氧鸟苷在辐射小鼠中的含量显著增加，揭示由辐射产生的ROS 可造成DNA 氧化损伤，促进RILF 的发展[12]。新型药物PM014 可降低辐射小鼠ROS 和8-羟基-2’-脱氧鸟苷含量，减轻DNA 的损伤程度，改善RILF[13]。

2.2.2 ROS 与TGF-β TGF-β 是公认的最关键的促纤维化细胞因子[14]，其可通过激活成纤维细胞增殖分化，刺激肺泡上皮和内皮细胞凋亡，诱导EMT 过程，刺激肌成纤维细胞合成ECM 及抑制ECM 降解等多种途径促进RILF。ROS 可直接氧化潜伏相关肽，或激活基质金属蛋白酶酶解潜伏相关肽，释放出活性TGF-β1。TGF-β1 可激活线粒体或氧化酶诱导内源性ROS 的产生，触发氧化应激效应，形成恶性循环。通过沉默Nox4 的表达可抑制ROS 的产生并阻断TGF-β1激活肌成纤维细胞，表明TGF-β1 依赖ROS 激活成纤维细胞增殖分化介导纤维化[15]。此外，ROS 还参与TGF-β1 上调ECM 相关基因的表达及抑制ECM 的降解过程。TGF-β1 增加细胞过氧化氢的产生并诱导胶原纤维合成，使用氧化氢酶降低过氧化氢含量后，胶原纤维合成被抑制[16]。TGF-β1 通过激活组织金属蛋白酶抑制剂和纤溶酶原激活物抑制剂-1，抑制基质金属蛋白酶和纤溶酶原激活剂，阻碍ECM 降解[17]。GSH抑制JNK 和p38 信号通路阻断TGF-β 激活纤溶酶原激活物抑制剂-1，恢复组织型纤溶酶原激活剂活性和胶原蛋白降解能力，减少纤维化[18]，表明抗氧化剂可有效抑制TGF-β 介导的EMT、ECM 沉积。

2.2.3 ROS 与炎症 免疫系统调节失衡是RILF 发生的主要原因之一，当肺泡上皮或内皮细胞被辐射损伤及脱落时，单核细胞、中性粒细胞等炎症细胞被招募并聚集在肺组织损伤部位，参与伤口愈合和组织再生的修复程序。该程序中巨噬细胞扮演着重要角色，主要分为促炎的M1 型巨噬细胞和促纤维化的M2 型巨噬细胞，而ROS 是M1/M2 型巨噬细胞的重要调节因子。M1 型巨噬细胞被γ 干扰素激活，释放TNF-α、IL-1β等炎症因子介导炎症反应，同时激活一氧化氮合酶和Nox2 产生高浓度的ROS，促进病原体和凋亡细胞的吞噬[19]。M2 型巨噬细胞由TGF-β1、IL-10 等激活[20]，分泌TGF-β1 和血小板衍生生长因子等促纤维化因子，激活成纤维细胞合成胶原蛋白，促进组织金属蛋白酶抑制物的合成抑制ECM 降解。人为敲除内质网应激特异性的C/EBP 同源蛋白可抑制STAT6/PPAR-γ通路减弱M2 型巨噬细胞的极化，改善肺纤维化[21]。由此可见，氧化应激与炎症的作用是相互的，氧化应激导致细胞和组织损伤，触发炎症反应产生ROS，体内氧化与抗氧化平衡遭到破坏，过量的ROS 不及时清除可能导致组织病变。

2.2.4 ROS 与自噬 适度的自噬有利于应对各种疾病和应激反应，是细胞的一种自我保护机制。自噬与氧化应激在肺纤维化中的相互作用是复杂的。过量ROS激活PDGFR/PI3K/Akt 通路，抑制线粒体自噬并促进肌成纤维细胞分化，导致ECM 沉积[22]。p62 作为调控自噬的重要细胞因子，可激活核因子E2 相关因子2 与抗氧化反应元件结合，促进多种抗氧化酶的表达，提高细胞抗氧化能力改善氧化应激带来的有害影响[23]。

3 中药治疗RILF

中医认为，放射线属外来“热毒”，为阳邪，易耗气血津液，基于RILF 的病机辨证分析将其归属于“咳嗽”“喘证”“肺萎”等范畴，主要采用益气养阴、清热解毒、活血化瘀等方法治疗。辐射诱导的氧化应激是RILF 发病的重要原因，能够增强细胞抗氧化能力，消除过量ROS，维持体内氧化还原平衡，提高机体自身防御能力可能是防治RILF 的有效策略，这与中医倡导“激活机体生机活力，阴阳调和”理念不谋而合。中药及其有效成分具有多靶点、副作用小等优点，显示出抗氧化、抗感染、抗纤维化等多种药理活性，有望从中寻找治疗RILF 的潜在药物。

3.1 单味中药活性成分

白藜芦醇可通过清除自由基减弱氧化应激效应，改善Th1/Th2 失衡，并抑制TGF-β1/Smad3 通路逆转EMT 过程减轻RILF[24]。黄芪多糖可降低辐射小鼠的TGF-β1 含量，上调SOD 水平提高抗氧化能力，减少肺泡中炎症细胞浸润[25]。黄芪甲苷通过激活核转录因子红系2 相关因子2 促进多种抗氧化酶的表达，有效清除辐射产生的自由基，降低TGF-β1 和TNF-α 含量，从而抑制肺组织炎症和纤维化[26]。黄芩苷通过抑制TGF-β1 和ERK/GSK3β 通路，阻断辐射诱导Ⅱ型肺泡上皮细胞发生EMT 缓解RILF[27]。雷公藤甲素通过下调肺泡巨噬细胞中Nox2 和Nox4 的表达，降低ROS 含量，抑制肌成纤维细胞的激活与胶原蛋白的合成减轻RILF[10]。汉防己甲素能抑制胶原蛋白水解酶的活性，减少胶原蛋白的合成，并具备清除过量氧自由基，调节氧化还原平衡的能力，显示出缓解RILF 的潜力[28]。丹参酮ⅡA 在多种器官中均显示出良好的抗纤维化活性，可抑制TGF-β1/Smad 通路阻碍肺组织发生EMT，显著改善RILF[29]。氧化苦参碱作为放疗辅助药物，可通过抑制TGF-β/Smad 及β-catentin 通路，改善放射性肺损伤模型小鼠的肺纤维化病变[30]。

3.2 中药方剂

养阴清肺活血方（黄芪、麦冬、丹参等）通过抑制Notch1/Jagged1 通路和调节外周血Th17/Treg 的失衡，减少炎症因子分泌和炎症细胞浸润，减少肺组织中的胶原纤维沉积，改善RILF[31-32]。痰热清注射液（金银花、黄芩、连翘等）抑制TGF-β、IL-6、血管紧张素转换酶的分泌减轻放射性患者肺部炎症，显著降低肺纤维化的发病率，表明痰热清注射液对RILF 具有一定的防治作用[33]。复方苦参注射液（苦参、白土苓等）具有抑制肿瘤细胞扩散、止痛、抗感染和升高白细胞等作用，通过抑制TGF-β1/Smad3 和Wnt/β-catenin 通路，有效阻止EMT 的发生，减轻肺间质病变，对肺组织起到一定的保护作用[34]，预防RILF 的发生。

4 小结与展望

RILF 是胸部肿瘤放疗的常见并发症，目前缺少切实有效的治疗药物，其发病机制复杂，涉及多种靶细胞与细胞因子，包括肺泡上皮/内皮细胞损伤及凋亡、炎症细胞浸润及炎症反应持续、肌成纤维细胞的活化增殖、ECM 的沉积及其降解抑制等。电离辐射引发的氧化应激效应贯穿RILF 的整个发展过程，氧化应激产物ROS 可使DNA 碱基氧化，损伤肺上皮细胞，触发细胞的修复程序，造成反复且持续的炎症应答，破坏机体氧化与抗氧化平衡，影响细胞自噬，诱导EMT 和ECM 沉积等病理生理过程，促进RILF 的发生发展。以调节机体氧化与抗氧化能力稳态为着手点切入，抑制炎症、EMT 等病理过程，成为治疗RILF 的一种新策略。中医认为辐射损耗气血津液导致机体阴阳失调，对RILF 的防治策略多以益气养阴、活血化瘀为主。目前中药及其有效成分主要从清除自由基维持氧化还原平衡以缓解辐射导致的氧化损伤、抑制炎症因子的释放维持免疫平衡、减少胶原纤维生成等途径发挥治疗作用，有效干预RILF 的发生发展过程，对防治RILF 具有重要的研究价值和广阔的应用前景。随着对RILF 发病机制的深入研究，中医药对RILF 的作用机制与治疗靶点还需要进一步阐明，可联合系统生物学、网络药理学及生物信息学等现代化技术深入探索，研发出国际认可、疗效确切的抗RILF 药物，使更多胸部肿瘤患者受益。