成纖維細胞活化蛋白在肺纖維化中的作用

王苗風 李喬 田宇 趙峰

肺纖維化(pulmonary fibrosis,PF)是多種病因引起的彌漫性實質性肺疾病的最終結局,部分疾病病因不清。PF的病理改變主要為Ⅱ型肺泡上皮的損傷、老化及異常激活,釋放促炎、促纖維化細胞因子,誘導肺泡上皮向間充質轉化,使肺間充質細胞活化,促進成纖維細胞增殖、轉化為肌成纖維細胞。肌成纖維細胞分泌過量的細胞外基質,在肺間質和肺泡處沉積,導致不可逆的肺組織結構重塑和功能喪失[1]。在特發性肺纖維化(interstitial pulmonary fibrosis,IPF)中,以增生的肌成纖維細胞和成纖維細胞為主形成的成纖維細胞灶是其主要的病理基礎,但成纖維細胞確切的來源目前還不十分清楚[2]?；罨某衫w維細胞是介導PF中細胞外基質沉積的主要效應細胞,成纖維細胞的活化和細胞外基質的異常沉積使肺組織纖維化瘢痕形成,最終導致肺功能衰竭[3-4]。成纖維細胞活化蛋白(fibroblast activation protein,FAP)是一種活化的成纖維細胞的生物標志物,其在肺纖維化組織中的高表達先于肺內成纖維細胞灶的形成,但FAP在PF肺組織中的表達、作用及診斷、治療的意義目前尚不明確[5-7]。本文分析、總結了FAP在PF發生發展中的作用,為PF的診斷、病情監測和治療提供新的思路。

一、FAP概述

FAP于1986年首次在單克隆抗體F19培養的成纖維細胞中被發現[8]。FAP在組織重塑中選擇性表達于活化的基質成纖維細胞中,是一種跨膜絲氨酸水解酶,是Ⅱ型絲氨酸蛋白酶家族成員之一,具有二肽基肽酶、內肽酶、明膠酶和溶解變性的Ⅰ型和Ⅲ型膠原活性,可降解體內的二肽和明膠[9-10]。從人體組織中的分布情況看,FAP主要表達在人體的腫瘤組織中,其選擇性表達在90%以上的上皮惡性腫瘤的成纖維細胞表面,包括乳腺癌、卵巢癌、結直腸癌、胃癌、胰腺癌等,但在正常的成纖維細胞中不表達[11-15]。另有研究發現,FAP在女性的子宮內膜和子宮頸也具有較高表達,但在健康的成人組織、良性病變及癌前病變組織中通常很少表達[16-17]。目前,FAP在腫瘤領域被大量研究,其在腫瘤相關成纖維細胞表面高度表達,并且作為腫瘤的一種特異性標志物貫穿于腫瘤細胞的生長、侵襲、轉移全過程,對腫瘤的發生發展具有促進作用[18-19]。此外,也有研究表明,FAP在炎癥和纖維化相關疾病中的表達也持續升高,包括傷口愈合、類風濕性關節炎、骨關節炎、肝硬化和PF等[20-21]。FAP既可以作為腫瘤的潛在治療靶點,又可以作為腫瘤、類風濕性關節炎等疾病早期診斷的生物標志物。因此,準確高效的FAP的檢測方法成為該領域研究的熱點之一。目前已知的FAP檢測方法主要有逆轉錄-聚合酶鏈反應(RT-PCR)法、免疫組化法、蛋白質印跡法(Western Blot)、液相質譜檢測法和熒光檢測法等[22]。

FAP抑制劑(fibroblast activation protein inhibitors,FAPIs)是一種擬肽性喹啉衍生物,與FAP具有高親和力[23]。近年來,FAPIs能否用于腫瘤靶向治療引起了人們的重視,但FAPIs相關的治療用藥目前尚未面世。FAPIs作為PET/CT的顯像劑用于腫瘤的檢測近年來已成為研究的熱點,并逐漸應用于臨床活動中[24-26]。68Ga標記的FAPIs是一種以FAP為靶點的新型正電子顯像劑,它可以在FAP表達陽性的細胞和組織中積聚,并早期發現異常的病變,目前主要用于腫瘤診斷、鑒別良惡性腫瘤、明確腫瘤分期、隨訪再分期及評價療效和預后[27]。此外,近來FAPIs在非腫瘤疾病中的應用也逐漸被認可,如類風濕性關節炎、骨關節炎和纖維化等[28-29]。

二、FAP與肺纖維化

1 FAP可作為活化的成纖維細胞的生物標志物 目前,PF的診斷、病情監測和預后評估的方式主要依賴于高分辨CT(high resolution CT,HRCT)、病理、肺功能檢查和血氣分析等。近年來,盡管國內外在PF診斷和疾病進展評估的生物標志物方面進行了大量的研究,但至今仍無令人滿意的生物標志物可以大規模應用于PF日常臨床診治中[30-31]。而FAP在肺成纖維細胞中高表達為其用于PF的診斷及評估PF活動性提供了可能。無論是腫瘤還是非腫瘤性疾病,FAP的表達都是基于活化的成纖維細胞參與疾病的生理、病理過程,而活化的成纖維細胞在PF的發病和疾病進展中發揮著關鍵作用[32-35]。由于FAP是一種對組織結構重塑至關重要的跨膜蛋白,其表達可以區分已經發生纖維化的間質和正常的間質[5]。因此,FAP有可能作為一種可靠的生物標志物用于證實PF的存在及纖維化活性。

2 FAP選擇性表達在纖維化的肺組織中 FAP在肺纖維化組織中的高表達在國內外很多研究中得到了驗證。魏麗和董麗等[36-37]在小鼠肺纖維化模型中發現,FAP高表達于細支氣管、大血管周圍和成纖維細胞灶的成纖維細胞上,在正常肺泡組織中不表達。并且FAP的表達與肺纖維化組織病理學嚴重程度呈正相關,由此推測FAP可能在PF發病過程中起到一定的作用。Acharya等[5]通過免疫組化檢測IPF患者、肺氣腫患者和健康成人肺組織中FAP的表達,結果發現FAP只在IPF患者肺組織的成纖維細胞灶和纖維化的間質中高度表達,在健康成人肺組織和肺氣腫肺組織中不表達。該研究結果表明FAP的表達存在于正在進行組織重塑的成纖維細胞灶區域,提示FAP可用于評價IPF患者的疾病活動性。此外,R?hrich等[38]使用PF患者的肺組織標本和小鼠的肺纖維化組織進行免疫組化檢測,結果顯示FAP在纖維化區域和正常肺組織中的表達存在差異。正常肺組織中FAP呈低表達,而在纖維化區域顯示了FAP的部分表達,但FAP的高表達主要發生在纖維化區域向正常肺組織的過渡區中,表明FAP的高表達可能先于成纖維細胞灶的形成,同時提示 FAP 表達可能是在肺纖維化活躍區域,而不是肺纖維化成熟區,FAPIs高攝取區域為肺纖維化病變活躍區域提供了依據。因此,FAP是特異性的表達于肺成纖維細胞灶上,進而有可能成為早期診斷PF及判斷PF活動性的生物標志物。

3 FAPIs PET顯像在肺纖維化中的應用 HRCT目前是診斷PF的最佳影像學手段,但HRCT只能提供肺組織的解剖結構信息,不能呈現功能顯像。單純的HRCT影像也無法精確評估疾病的活動性和進展情況,并且不能在未破壞肺組織結構的前提下即分辨出纖維化病變的性質。因此,目前常規影像檢查手段對PF患者的診斷和病情監測作用有限。近年來,諸多研究表明FAPIs PET顯影可用于肺組織纖維化病變的存在及評估其活動性。Rosenkrans等[39]通過68Ga-FAPI-46 PET/CT和HRCT檢測小鼠肺組織形態學上纖維增生的程度,HRCT僅在小鼠使用博來霉素第14天時觀察到小鼠的肺組織纖維化影像學特點,而小鼠對于68Ga-FAPI-46 PET/CT的肺攝取在第7天和第14天均顯著高于對照組,且與在組織學中觀察到的FAP表達水平升高是一致的。研究再次強調了使用68Ga-FAPI-46 PET/CT在疾病早期便可以檢測到肺纖維化病變,在PF的早期診斷和監測疾病活動性方面提供了更多的依據。Bergmann等[40]觀察了21例系統性硬化癥相關間質性肺疾病(interstitial lung disease,ILD),并在5年內ILD出現進展性特征的患者和21例無ILD的對照組患者,所有受試者均使用68Ga-FAPI-04 PET/CT成像,并進行6個月的隨訪。結果顯示,68Ga-FAPI-04只在患有系統性硬化癥相關ILD患者組的肺纖維化區域中蓄積,并且在廣泛性肺組織纖維化、5年內ILD出現進展性特征的患者68Ga-FAPI-04攝取顯著高于局限性肺組織纖維化、5年內ILD穩定的患者。研究使用FAP的表達水平對系統性硬化癥相關ILD患者的進展風險進行分級發現其與隨訪時ILD進展風險相關,表明FAP表達水平可以作為新的指標來評估PF患者肺內的纖維化進展,同時有助于ILD患者臨床病程的預測并進行適當的風險分級。Yang等[41]使用多種實驗方法對FAP在人類原代肺成纖維細胞和肺組織標本中的表達進行了全面的檢測,發現在肺成纖維細胞活化的早期,FAP表達水平顯著上調。單細胞測序數據進一步表明,ILD患者肺中幾乎所有FAP陽性細胞都是產生膠原的成纖維細胞。免疫組化分析證實,FAP表達水平與ILD患者肺活檢切片中成纖維細胞病灶的豐度密切相關。同時通過68Ga-FAPI-04 PET/CT定量分析發現FAP顯像劑的攝取與肺功能參數的下降顯著相關。這些結果表明了對ILD患者肺內FAP表達水平的檢測可以用來評估ILD的纖維化活動程度。總體而言,FAPIs PET/CT顯像可以用來檢測PF的活動性和疾病進展,有望成為評估PF患者的疾病活動、病情檢測及療效評估的有前途的方式。

4 FAP在肺纖維化治療中的潛在作用 FAP的高表達除了在PF疾病活動、病情監測有應用價值外,在治療方面也漸露成效。目前,常用于PF的治療藥物主要有吡非尼酮、尼達尼布以及N-乙酰半胱氨酸、糖皮質激素以及免疫抑制劑等。在肺成纖維細胞灶形成以后,抗纖維化治療的主要作用停留在延緩纖維化的進展,但無法逆轉肺組織的纖維化[42]。因此,目前對于抗肺纖維化治療的療效難以令人滿意。目前,FAP相關的靶向藥物的研究主要集中在腫瘤領域[43-45]。Talabostat(PT-100)是首個進入臨床試驗的小分子FAPIs,Egger等[46]在第7天和14天縱向評估FAPIs PT-100在博來霉素誘導的小鼠PF模型中的治療作用,結果發現接受FAPIs PT-100組的博來霉素肺纖維化小鼠的PF沒有進展。小鼠肺組織的qRT-PCR分析結果也顯示,接受FAPIs PT-100的小鼠肺成纖維細胞中FAP的表達水平顯著降低。這些結果表明PT-100可明顯改善PF小鼠肺組織纖維化病變程度,具有抗纖維化作用。此研究是國際上首次發現使用FAPIs可用于治療PF。國內的一項研究[47]基于FAP在肺纖維化病變中表達水平上調的特點,利用FAP靶向給藥的方式使其成為PF藥物治療的新靶點,構建了基于有介孔結構的聚多巴胺靶向FAP載藥納米顆粒,吡非尼酮為其負載的抗纖維化藥物。研究先通過肺纖維化模型小鼠FAPIs標記的PET/CT檢查及病理分析,驗證肺纖維化病灶中FAP的特異性表達。接著使用多種實驗證明FAP靶向修飾的納米材料可以向活躍的成纖維病灶的藥物運輸。過程中使用細胞增殖實驗、劃痕實驗與免疫組化證明了經FAP修飾的負載吡非尼酮的聚多巴胺給藥方式使小鼠纖維化程度均低于各類健康對照組。研究說明經FAP修飾的負載吡非尼酮的聚多巴胺在體內外均可靶向活化的成纖維細胞,具有良好的抗纖維能力,為靶向肺纖維化病灶的抗纖維化治療提供了新的思路。Hettiarachchi等[48]利用肺組織中的膠原促進FAP表達上調的特點,設想利用低分子量的FAP配體向表達FAP的細胞遞送顯像劑和治療藥物的方式來實現抗肺纖維化的作用。由于膠原合成的誘導與磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)的激活相關,研究設計了一種FAP靶向PI3K抑制劑來抑制膠原合成。結果顯示在肺纖維化小鼠模型中給予PI3K抑制劑可抑制纖維化肺中PI3K的活化,減少膠原沉積,并增加小鼠的存活率。這些研究結果表明,FAP用于抗肺纖維化的藥物在治療方面具有一定的潛在作用。

三、小結

FAP特異性的表達在活化的成纖維細胞上,而活化的成纖維細胞在PF的發病和進展中發揮著至關重要的作用。目前針對FAP的研究除了用于腫瘤領域,更多的證據表明FAP也可用于PF的疾病活動、病情監測及療效評估之中。此外,FAP作為載體靶向抗纖維化藥物有可能是PF治療的有效途徑。