氣體信號分子對特發性肺纖維化的作用機制研究進展

李傲寒 白 羽 王茜茜 陳穎卿

大連大學醫學院慢性病研究中心，遼寧大連 116622

特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是以組織內肺成纖維細胞過度增殖，細胞外基質（extracellular matrix，ECM）過度積聚為病理特征的一種間質性肺疾病[1]。IPF 患者診斷后的平均生存期僅為2～4 年，5 年生存率為20%～25%，死亡率高于多數腫瘤[2]。目前國家藥監局批準的IPF 治療藥物主要有糖皮質激素、吡非尼酮和尼達尼布，但這些藥物治療效果具有個體差異且毒副作用大[3]，因此尋找低毒性有效治療IPF 藥物已成為研究熱點。一氧化氮（nitrogen monoxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氫（hydrogen sulfide，H2S）等氣體信號分子是一種維持細胞穩態且半衰期較短的小分子[4]，對肺纖維化的進程具有一定的干預作用，然而其分子調控機制還有待進一步探討。本文將從以上3 種氣體信號分子對IPF 的干預機制及臨床應用進行綜述。

1 NO 對肺纖維化疾病的調控作用

NO 是L-精氨酸氧化成瓜氨酸過程中的副產物，需三種一氧化氮合成酶（nitrogen monoxide synthase，NOS）的調控，包括神經元NOS（neuronal nitric oxide synthase，nNOS 或NOS1）、誘導型NOS（inducible nitric oxide synthase，iNOS 或NOS2）和內皮型NOS（endothelial nitric oxide synthase，eNOS 或NOS3）[5-6]。研究發現博萊霉素（Bleomycin，BLM）可激活核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）上調iNOS 和NLRP3促進肺組織內纖維化的發生，并且發現降低肺組織中iNOS 的表達可以抑制肺纖維化；而NO可通過S-亞硝基化的方式抑制NLRP3 炎癥小體的組裝，抑制白細胞介素（interleukin，IL）-1β 的分泌，進而改善肺纖維化[7-9]。因此，過多NO 對肺纖維化具有惡化作用，而一定量的NO 可調節相關炎癥反應從而改善肺纖維化的發生。見圖1。

四氫生物蝶呤（tetrahydrobiopterin，BH4）是NOS的輔助因子，低水平的BH4 會使NOS 解耦聯，從而產生少量NO、超氧化物和過氧亞硝酸鹽，導致血管氧化應激反應及內皮功能的障礙[10]。研究顯示，IPF 患者血清中存在大量硝基酪氨酸和活性氧，提示BH4 減少可促進氧化應激反應而影響纖維化的發生與發展[10-12]。另外，BH4 的氧化產物BH2 可以競爭性地與NOS 結合，進而干擾BH4 激活NOS[13-14]。因此，BH4/BH2 的比值降低也會引起NOS 解耦聯。通過口服BH4 可提高血中BH4 含量改善BLM 誘導的大鼠肺動脈高壓和肺纖維化[10]。見圖1。

圖1 一氧化氮對肺纖維化的治療作用及其分子調控機制

綜上所述，NO/NLRP3 信號軸和NOS 輔助因子BH4 可能是以后治療肺纖維化的有效靶點，其分子作用機制還有待進一步探究。

2 CO 對肺纖維化疾病的干預及其調控作用

CO 是由血紅素氧合酶（heme oxygenase，HO）降解血紅素而生成[15]。CO 可通過自分泌或旁分泌與可溶性鳥苷酸環化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）的調節亞單位血紅素鐵結合，使其構型發生改變而被激活，然后催化GTP 生成環磷酸鳥苷cGMP 發揮松弛平滑肌、血管擴張等有益生物學效應[16-17]，這可能是治療肺纖維化的重要機制。CO 還可以預防缺氧性肺動脈高壓，對肺移植、哮喘和缺血再灌注損傷等非損傷性疾病具有保護作用[16，17]。在臨床Ⅱ期研究中發現，IPF患者使用低劑量（100～200 ppm）CO 氣體可有效降低基質金屬蛋白酶7（matrix metalloproteinase 7，MMP7）水平，從而改善肺纖維化，但MMP7 是否可以作為CO治療的直接靶點還有待進一步研究[18]。另外CO 可以通過增加p21Cip1 的表達或降低細胞周期調節蛋白A 和D 水平，從而抑制成纖維細胞的增殖而減緩肺纖維化[19]。見圖2。

圖2 一氧化碳對肺纖維化的治療作用及其分子調控機制

3 H2S 對肺纖維化疾病的干預及其調控作用

H2S 是繼NO 和CO 后發現的第三種內源性氣體信號分子。H2S 主要由L-半胱氨酸在胱硫醚-β-合成酶（cystathionine β-lyase，CBE）、胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine γ-lyase，CSE）及3-巰基丙酮酸硫基轉移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST）降解半胱氨酸而生成[20-21]。研究顯示，內源性H2S 可通過抗氧化、抗炎及抗衰老作用抑制炎癥因子的釋放，進而保護肺部損傷而引起的肺纖維化[22]。

3.1 H2S 通過其抗氧化機制改善肺纖維化

氧化應激反應可誘導肺泡上皮細胞凋亡和肌成纖維細胞活化導致細胞外基質的沉積進而形成纖維灶[23-25]，與肺纖維化的發生與發展有密切聯系。研究發現，H2S 可通過促使NF-E2 相關因子2（nuclear erythroid 2-related factor 2，Nrf2）的核轉移，上調肺組織中HO-1 和硫氧還蛋白（thioredoxin，Trx-1）的蛋白表達，增強對氧化應激反應的耐受性，進而抑制肺纖維化的進程[26]。見圖3。

3.2 H2S 通過抗炎作用改善肺纖維化

慢性肺部炎癥及感染可促使肺成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞形成組織纖維化[27]；有研究顯示，磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylin-ositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）/缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）信號通路的激活可促進肺纖維化的進程，而注射NaHS 溶液給予外源性H2S 可抑制AKT 磷酸化與HIF-1α 的表達，減輕肺纖維化早期的炎癥反應，從而改善肺纖維化[28]。綜上所述，外源性及內源性H2S 可通過其抗炎作用改善并延緩肺纖維化的進程。見圖3。

3.3 H2S 通過抑制上皮細胞-間充質轉化（epithelialmesenchymal transition，EMT）改善肺纖維化

EMT 是纖維化發展中的重要機制[9]。其中TGFβ1/Smads 信號通路可誘發EMT，TGF-β 可與受體蛋白結合通過酶解或酸性微環境釋放后與TGF-βR2 結合，繼而激活Smads 家族蛋白調控相關基因的轉錄[29-30]，造成膠原沉積。結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）是介導TGF-β 通路的重要下游基因，研究發現BLM 誘導的IPF 中，TGF-β1 及CTGF 蛋白表達均顯著升高[28]，但給予外源性H2S 可以顯著降低TGF-β1 及CTGF 蛋白表達，還可以下調α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）及抑制Ⅰ型膠原蛋白和Ⅲ型膠原蛋白表達，從而起到抗纖維化的作用[31-33]。見圖3。

圖3 硫化氫對肺纖維化的治療作用及其分子調控機制

3.4 H2S 的抗衰老作用改善肺纖維化

細胞衰老是一種不可逆的細胞周期停滯的狀態，與IPF 的發病機制密切相關[34]。p53 和p21 細胞衰老的標志物，正常生理狀況下可通過E3 泛素連接酶小鼠雙微體2（murine double minute 2，MDM2）的作用泛素化降解[35-36]，BLM 誘導的肺纖維化中，p53 與p21 兩者的表達顯著增加[37-38]。H2S 可通過MDM2 的介導降解p53[39]，還可通過減少血管緊張素Ⅱ抑制成纖維細胞的異常增殖[38]，進而抑制肺纖維化的發生。見圖3。

隨著對H2S 在肺纖維化中的作用及其分子調控機制的深入研究，H2S 可通過其抗炎、抗氧化及抗衰老作用防治肺纖維化的進程，其供體也有望成為臨床對肺纖維化的一種新型治療手段。

4 結論及展望

目前治療肺纖維化的藥物十分有限，迫切尋找低毒且有效治療肺纖維化的新型藥物。近年，氣體療法已成為防治IPF 的研究熱點。本文針對近5 年氣體信號分子對IPF 的分子干預機制進行了研究和探討，總結后發現：不同的氣體信號分子對肺纖維化的調控機制各不相同，NO 主要通過調節相關炎癥反應進而改善纖維化的發生；CO 通過增加p21Cip1 的表達及降低細胞周期調節蛋白A 和D 水平，從而抑制成纖維細胞的增殖改善肺纖維化；H2S 主要通過其抗氧化、抗炎、抑制EMT 發生和細胞衰老等各種分子機制改善肺纖維化。盡管已有大量的動物實驗支持氣體信號分子的抗肺纖維化作用，但相應臨床研究尚未展開，需要更多的臨床試驗去驗證，并為今后利用氣體療法防治IPF 提供重要實驗依據。