纖維粘連蛋白在后發性白內障纖維化進展中的作用研究現狀

許文皓，林淑華，賈寓潔，趙 健，賈法力，曹婉瑩，姜麗蘭，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

白內障是世界范圍內致盲的重要原因，植入人工晶狀體可以有效治療白內障[1-3]。然而，約20%～50%的成人和100%的兒童患者術后可發生后囊膜混濁[4]。后發性白內障(posterior capsular opacification，PCO)是患者術后視力再次下降的主要原因，也是白內障囊外摘除和人工晶狀體植入術后最常見的并發癥，是多種因素和綜合作用導致的，對患者術后視覺質量有重要影響。白內障術后殘留的晶狀體上皮細胞(lens epithelial cells，LECs)向后囊膜移行、增殖并遮擋光學區，并轉變為纖維狀細胞外基質(extracellular matrix，ECM)，內嵌的肌纖維母細胞和畸變的晶狀體纖維細胞形成混合物時就會發生PCO[5]。

纖維粘連蛋白(fibronection，FN)，又稱纖維連接蛋白，是一種結構復雜的ECM蛋白，在凝血、胚胎發育等多種生理過程中都是必不可少的[6-8]。人血漿中的FN是由肝臟產生的致密的可溶性蛋白質，因此在體液中含量較高[9]。而組織中的FN則由自身供給，更具開放的構象，并能組裝成不溶性纖維[8-9]。在組織損傷后，血漿中纖維結合蛋白復合體與纖維蛋白原在早期形成暫時性ECM，這些ECM是傷口初期閉合所必需的[10]。雖然FN通常能快速集中在傷口愈合和組織修復的部位，但在PCO發展中殘留的LECs分泌的FN呈慢性沉積[8，11]。此外，FN的沉積還能促進富含Ⅰ型膠原的繼發性瘢痕形成[12]。FN是許多生長因子的細胞外儲存庫，且FN可在傷口愈合反應和纖維化疾病中發揮多種作用，在PCO后囊皺褶過程中通過FN沉積、調節gremlin-1和骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信號起負面調節作用[13-15]，但術后殘留的LECs自主產生FN的過程尚不清楚。目前，已知FN在PCO發病機制中發揮多種作用，本文就FN在PCO纖維化進展中的應用做一系統闡述。

1 纖維粘連蛋白的分子結構

FN是一種糖蛋白，分子量230～270kDa，通常以二聚體的形式存在，每個單體由3個單元組成，即12個Ⅰ型結構域、2個Ⅱ型結構域和15～17個Ⅲ型結構域，3個單元共占FN序列的90%。Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型結構域的結構同源物存在于其他生物分子中，這表明FN是通過外顯子改組進化而來[6，16]。盡管起源于單個基因，但已經鑒定出多達20種不同的人類FN變體和12種不同的嚙齒動物FN亞型，這表明了物種和組織發育特有的不同剪接機制。雖然FN中的所有Ⅲ型結構域都具有同源結構，但研究表明，FN中的每個Ⅲ型結構域在機械和化學穩定性方面差異很大[16-17]。結構域的類型和結構域數的特征，再加上它們的相對位置和FN的整體三級構型，使得FN作為ECM中的生物分子具有獨特的屬性。目前，多項研究已證實FN及其亞型在遷移、分化、信號傳遞、成人傷口愈合和整體組織健康中發揮重要作用。

2 ECM與FN的關系

ECM既是組織的結構支架，又是細胞信號轉導的調節因子。在胚胎發育和傷口愈合過程中，這些纖維在組裝臨時ECM方面起關鍵作用。細胞中的FN可組裝成粘彈性纖維，可以結合40多種不同的生長因子和細胞因子。在包括癌癥、纖維性疾病等疾病狀態下，纖維集合體的表達也經常上調。可溶性生長因子與FN纖維的結合改變了這些蛋白的信號轉導，而其他ECM蛋白(包括膠原、彈性蛋白和蛋白多糖)與FN纖維的結合促進了ECM的成熟和組織特異性。研究表明，ECM能激活轉化生長因子-β(transforming growth factor β，TGF-β)信號通路，而FN能將潛在的TGF-β置于ECM上，最終FN沉積導致LECs纖維化[11，18]。TGF-β信號轉導是LECs發生上皮-間質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的主要誘導者，表達包括FN在內的許多“纖維化”標志物，在PCO的發生發展中扮演重要角色[19]。

白內障術后殘留的LECs發生創傷愈合反應，產生的肌纖維母細胞、晶狀體纖維細胞和“纖維化的ECM”可造成視力損害，其中表達和組裝LECs產生的纖維性ECM分子需經FN介導，而纖維性ECM分子由白內障術后殘留晶狀體細胞產生。LECs在發生EMT過程中產生肌成纖維細胞，并持續分裂，開始覆蓋后囊膜，合成“纖維化的ECM”，ECM為細胞附著提供支架，最終形成纖維化PCO遮擋光學區進而引起光散射[20]。在其他傷口愈合相關病理過程中，FN同樣參與纖維性ECM組裝的初始支架[16]。研究表明，成人白內障術后后囊Col1a1和Col1a2基因的表達可以增加2倍，這兩個基因編碼合成“促纖維化”的Ⅰ型膠原，而FN不僅是Ⅰ型膠原組裝的支架，還可觸發EMT信號轉導[21-22]。FN通過將潛在的TGF-β系于ECM上，并在激活“纖維化的ECM”的信號轉導通路中發揮關鍵作用，由此可見，FN是表達和組裝晶狀體細胞產生纖維化ECM分子所必需的[23]。

3 纖維基質組裝過程中FN的作用

在纖維基質組裝中發揮關鍵作用的活動包括FN亞基的二聚化，將FN定位到細胞表面的細胞結合位點及將FN二聚體結合成完整纖維的過程。然而，每個FN二聚體都有多個整合素和FN結合位點，在損傷發生時，整合素開始將構象展開為線性化結構，進一步將其結構域延伸到擴展的形態，從而允許在連續的迭代過程中沉積更多的可溶性FN。隨后FN在組織中局部產生，并組裝成不溶性纖維[9，24]，待重塑后以促進富含Ⅰ型膠原和其他纖維性ECM蛋白的繼發性瘢痕的形成[12，14，25-26]。研究表明，FN是ECM纖維部分組裝的主要調節者，能廣泛調節ECM分子，但該結論尚未能在體內研究得到證實[11，27-28]。另有研究發現，晶狀體細胞需要借助FN上調ECM成分的mRNA表達和基質組裝，包括Ⅰ型膠原、Tenascin C和Periostin[29]。但一些報道持相反意見，認為FN聚合進入ECM是Ⅰ型膠原和凝血酶反應蛋白-1沉積所必需的，而維持ECM需要FN的持續聚合[30-31]。也有研究認為在LECs纖維化進展過程中，LECs產生的FN并非ECM蛋白和凝血酶反應蛋白-1的基質沉積所必需，盡管在這一過程中，血小板反應素-1的沉積減弱，可能是由于LECs周圍沉積了少量外源性FN足以進行ECM和凝血酶反應蛋白-1的組裝，或LECs產生了其他組裝介質[32-33]。總之，細胞FN在體內纖維化疾病的基質形成中具有雙重作用，因為其既是纖維化ECM基因表達所必需的，也是其蛋白產物組裝所必需的。

4 TGF-β家族信號轉導誘導FN表達

4.1TGF-β調節LECs的EMT過程TGF-β是LECs發生EMT的主要誘導物，表達多種“纖維化”標志物，其中包括FN[19]。研究表明，盡管FN組裝失敗減弱了LECs向肌成纖維細胞的轉化，但FN仍具備PCO后囊皺褶的負調節能力[15]。然而，白內障術后殘留的LECs自主產生的細胞FN的功能還不是很清楚。采用TGF-β處理LECs后，即可導致EMT，誘導LECs增殖和遷移。當TGF-β信號通路被激活時，TGF-β與TGF-β結合蛋白(latent TGF-β binding proteins，LTBPs)結合后發揮類伴侶功能并被合并到ECM中啟動信號轉導。在整合素系統中表達和下游信號傳導細胞過程同樣發現，FN直接或間接地與LTBPs及其亞型結合，通過TGF-β誘導纖維化，從而促進PCO的發展進程。在小鼠白內障手術模型中，術后24h殘留的LECs中FN mRNA水平上調，術后48h時在表達纖維化標志物的LECs周圍首先檢測到FN，這與可檢測到的TGF-β信號的時間點一致[34]。有報道稱，培養的雞LECs暴露于血漿FN可以激活細胞內源性產生的TGF-β，表明FN在PCO的發病機制中起著重要作用[35]。人體內FN可分為血漿FN和細胞FN，前者主要由肝細胞合成，后者由多種細胞產生，包括成纖維細胞、軟骨細胞、肌細胞和滑膜細胞。房水中大部分FN通過調節TGF-β信號通路抑制EMT，可見FN通過房水途徑在持續性纖維化PCO中起關鍵作用，小部分FN分子呈遞到整合素所必需的開放構象中。總體而言，外源性FN，如存在于血、房水中的FN，被認為是PCO病理學生長因子的負調節因子，而細胞內源性FN通過TGF-β依賴途徑介導持續性纖維化PCO。

4.2FN和gremlin-1及BMP共同介導TGF-β信號通路眾所周知，TGF-β信號通路的開放介導纖維化PCO的發展，而在血漿FN上電鍍分離的胚胎晶狀體細胞可以激活TGF-β信號[35]。體外細胞模型中，FN對于潛在的TGF-β復合體進入ECM也是至關重要的[13，36]。然而，在PCO纖維化條件下，內源性細胞FN的產生和TGF-β信號誘導之間的關系還沒有在體內被探索。在小鼠白內障手術模型中發現，術后48h，LECs中gremlin-1蛋白的表達顯著上調，而BMP mRNA和蛋白的表達水平顯著降低，由此可見在PCO模型的發病機制中，gremlin-1蛋白起促纖維化作用[37-39]。gremlin-1蛋白是BMP信號的拮抗劑，而BMP信號可以在上皮細胞中發揮抗纖維化作用，并可以抵消TGF-β信號通路的作用[37]。原代LECs的體外研究表明，BMP信號激動劑BMP-7可以抑制TGF-β介導的EMT[40]。為進一步了解術后FN如何調節BMP信號轉導，Shihan等[29]測試了gremlin-1蛋白或TGF-β對LECs纖維化的作用是否包括拮抗BMP信號轉導，研究發現BMP信號在24、48h均保持高水平。因此，盡管LECs纖維化處于抑制狀態，BMP和TGF-β信號都可能在同一細胞中保持高水平。上述研究結果表明：(1)在gremlin-1蛋白或TGF-β激活的情況下，即使BMP信號被激活并保持高濃度水平，仍然會發生纖維化；(2)FN對BMP信號的影響是通過調節gremlin-1蛋白表達和TGF-β通路激活來介導的。gremlin-1作為TGF-β信號激活劑和BMP信號拮抗劑在PCO等纖維化疾病中允許血漿FN組裝成基質所必需的整合素上調，從而組裝成纖維化ECM。總體而言，FN可能在調節TGF-β途徑激活的PCO進展中發揮多功能作用，包括調節TGF-β途徑激動劑的基因表達和激活潛伏的TGF-β。

5 FN與整合素相互作用推動PCO的發展

因αvβ1整合素為FN的受體，并在細胞或ECM附著、細胞遷移和牽引力傳遞中的作用而被認為是PCO的治療靶點。穩定的可溶性FN與細胞表面整合素結合，整合素聚集并可逆地與FN結合，其中αvβ1和αvβ3整合素是FN的主要結合對象，這兩種整合素通過粘著斑復合物與肌動蛋白細胞骨架結合[41]；雖然αvβ3整合素在缺乏β1整合素的情況下可以介導FN原纖維的組裝[42]，但FN原纖維的組裝通常是由αvβ1整合素介導的。另外，肌成纖維細胞擁有的收縮力是暴露FN中促進FN纖維形成的隱蔽結合位點所必需的[43]，但這些隱蔽結合位點的位置和數量尚不清楚。由于FN是術后LECs中上調的幾種整合素受體的已知配體，細胞FN不僅對下游整合素信號通路很重要，而且對增強術后LECs中幾種整合素受體的蛋白表達也是必要的。另外，激活的TGF-β1與αvβ1整合素之間的交叉信號可以修復術后LECs中下游整合素信號的缺陷，從而調節細胞修復過程[34]。對于LECs的損傷，FN是增殖和遷移過程中不可或缺的調節因子。整合素可以通過至少3種方式介導LECs中潛伏的TGF-β及TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三種異構體的激活，而TGF-β信號可以上調它們的表達，表明FN與TGF-β導致的纖維化及作為配體與整合素結合推動了PCO中LECs的EMT過程，并可能導致其他EMT疾病的發生發展。

6 小結

據估計，纖維化對組織結構的破壞導致了全世界至少1/3的自然死亡[44]。雖然許多研究已經明確了導致纖維化的途徑，但目前對活化的成纖維細胞或肌成纖維細胞在最初的損傷消除后，繼續纖維化的機制知之甚少。因此，FN因其在傷口愈合反應和纖維化中的重要作用而被廣泛研究。然而，多數關于FN的研究都是以細胞培養為基礎的，因此很難與體內傷口愈合關聯起來。為數不多的關于細胞FN功能的體內研究中，大多只涉及FN在傷口愈合中作用的一個方面，因為多數組織由多種細胞類型組成，具有復雜的相互作用。而晶狀體的細胞類型組成相對簡單，白內障手術后殘留的細胞由單層上皮細胞組成，這些上皮細胞經過EMT形成肌纖維母細胞，其行為類似于導致其他纖維疾病的肌纖維母細胞[45]。細胞FN是一種在不同水平上調節細胞行為的多功能蛋白，長期以來一直被認為其與晶狀體發育和纖維化的PCO病因有關[46]。FN一直被認為是PCO的纖維化標志物，并與PCO的發病機制密切相關，包括診斷PCO活動和預后。外源性的FN，如血液-房水中的FN，被認為在PCO中起重要作用，也是PCO病理過程涉及的生長因子的負調節因子。FN的多功能提供了對PCO發病機制的新理解，并確定了治療和預防纖維性PCO的新靶點，為開展嚴謹的實驗和臨床研究提供了新思路。