肺纤维化的发病机制及其治疗药物研究进展

胡加亮：中国药科大学生命科学与技术学院教授，博士生导师。本科和硕士毕业于中国药科大学生化药学专业，博士毕业于比利时鲁汶大学医学院免疫生理学专业，随后在同实验室从事博士后研究工作。2008年回中国药科大学工作。目前主要的研究方向为多肽类药物抗肿瘤、抗急性炎症以及免疫检查点阻断剂生物活性研究等；在国际知名免疫学及药学领域期刊发表论文30余篇。作为项目负责人主持国家“十二五”新药创制重大专项等项目；入选江苏省“双创团队计划”和“六大人才高峰计划”；获得2014年江苏省医药科技进步奖一等奖。

正文

肺纤维化的发病机制及其治疗药物研究进展

孙晴波，林炳静，徐寒梅，胡加亮*

（中国药科大学 江苏省合成多肽药物发现与评价工程研究中心，江苏 南京 211198）

[ 摘要] 肺纤维化（PF）是一种慢性、进行性、纤维化性肺疾病，可导致患者肺功能不可逆下降、进行性呼吸衰竭，甚至死亡。PF的发病机制尚未完全阐明，目前研究表明PF 是由于持续的肺泡上皮细胞损伤和修复异常，成纤维细胞的增生，细胞外基质的积聚，导致肺部结构紊乱，形成纤维化。近年来随着对其发病机制的了解，全球已有2个PF 治疗药物（吡非尼酮和尼达尼布）被批准上市，十多个PF治疗药物处于临床研究阶段。综述与肺纤维化相关的发病机制及其最新治疗药物临床研究进展。

 

肺纤维化（pulmonary fibrosis，PF）是一种致命的肺部疾病，其病理特征为肺泡上皮细胞的损伤和异常增殖，以及细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的沉积和成纤维细胞的增殖和活化，导致肺部结构破坏和呼吸功能的丧失。PF 的死亡率较高，患者的平均生存周期仅为2.8年，其死亡率高于大多数肿瘤，被称为“类肿瘤疾病”。

PF是一种慢性疾病，目前其具体的发病机制尚不清楚。PF由许多因素引起，如肺损伤、吸烟、环境因素、药物等，这些因素导致肺泡上皮细胞的损伤，发生氧化应激、炎症反应、细胞凋亡等反应，这个阶段会释放大量的细胞因子和其他活性物质，刺激肌成纤维细胞的增殖和活化，促使肺成纤维细胞灶的形成及胶原沉积、ECM的大量合成，最终出现PF。目前针对PF的上市药物主要有吡非尼酮（pirfenidone）和尼达尼布（nintedanib）。经过近几年对PF的研究，人们对PF的发病机制有了更深的了解，为PF诊断和治疗提供新的途径和方法。本文主要阐述与PF相关的发病机制及其治疗药物的研究进展。

1 肺纤维化的发病机制

1.1 炎症、细胞因子与肺纤维化

PF 长期以来被认为是慢性炎症的结果，在组织损伤后，上皮细胞和（或）内皮细胞释放炎症介质，引发抗纤溶性凝血级联反应，导致血栓的形成。随后是炎症和增殖阶段，白细胞被招募，然后被趋化因子（chemokine）和生长因子（growth factor）激活并诱导增殖。活化的白细胞会进一步分泌和释放促纤维化细胞因子。受刺激的上皮细胞、内皮细胞和肌成纤维细胞也会产生基质金属蛋白酶，破坏基底膜，并产生额外的细胞因子（cytokines）和趋化因子，以招募和激活中性粒细胞、巨噬细胞、T细胞、B细胞和嗜酸性粒细胞，这些细胞是修复组织的重要组成部分。活化的巨噬细胞和中性粒细胞可清除组织碎片、死细胞和入侵的生物。在炎症的早期阶段，肌成纤维细胞可以产生大量的ECM蛋白，内皮细胞形成新的血管。

单一采用抗炎药物对于PF的治疗效果甚微，表明炎症在PF 的疾病发生过程中并不起到主要作用，因此，最近发现多种趋化因子和细胞因子能够调节PF 发病的不同阶段即炎症和纤维化发生。在炎症的早期阶段，组织驻留的细胞（如上皮细胞和间充质细胞）和免疫细胞会释放大量细胞因子如白介素（interleukin，IL）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、生长因子（growth factor，GF）、干扰素（interferon，IFN）、趋化因子（chemokines）等炎症因子。众多促纤维化因子，包括IL-1、TNF-α、结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF-β）、IL-13、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、血小板源生长因子（platelet derived growth factor，PDGF） 和纤维母细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）及其信号级联反应在PF 疾病中发挥着重要的作用。如IL-13促进成纤维细胞增殖和ECM合成，促进TGF-β、PDGF和CTGF的释放以及Ⅰ型胶原蛋白和纤连蛋白的合成；TGF-β1是主要的致纤维化因子，其具有多种功能，在体外可以促进成纤维细胞向肌成纤维细胞转变，促进上皮细胞向间质细胞的转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），并且保护成纤维细胞免于凋亡和促进活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生。在PF动物模型中，模型组的TGF-β1 含量显著高于正常组，大量释放的TGF-β1加速了PF的疾病进程。尼达尼布是多重酪氨酸激酶抑制剂，可以抑制VEGFR、PDGFR、FGFR，减缓肿瘤细胞的生长和转移，降低微血管的密度和成纤维细胞的活化，可以达到治疗PF的目的。下面主要介绍尼达尼布作用的靶点，其与PF病灶中的成纤维细胞和肌成纤维细胞的增殖、迁移和分化相关。

1.1.1 血管内皮生长因子与肺纤维化

VEGF 由结构上同源分泌的糖蛋白VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D及胎盘生长因子组成。VEGF-A、VEGF-B在调节血管的生成方面起重要作用，VEGF-C、VEGF-D主要是调节淋巴管的生成，VEGF家族中VEGF-A 在PF 的发生和发展过程中发挥着重要的作用。VEGF主要来源于肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞、气道平滑肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞和肺泡巨噬细胞。VEGF家族成员与3个VEGF受体（VEGFR1、VEGFR2和VEGFR3）结合，VEGFRs结构相似，其有3个区域分别是胞外区、跨膜螺旋区和胞质区，当配体与VEGFR结合，激发酪氨酸激酶的活性，使其自身磷酸化并激活下游信号通路，促进细胞的增殖以及表型的转化。因此，VEGF 可以促进血管生成，增加肺血管的通透性，并且参与PF的血管重塑。

在特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）患者的血浆中VEGF的浓度与PF的评分呈正相关。同时，IPF患者血浆VEGF浓度与纤维化的程度呈正相关。血清VEGF 浓度高的患者与血清VEGF浓度低的患者相比，5年生存率更低。此外，血清中VEGF水平的升高预示着IPF患者的肺活量下降。博来霉素诱导大鼠的实验表明，抑制VEGFR可能会减少纤维化，而VEGF的过表达会加重PF的进程。

1.1.2 血小板源生长因子与肺纤维化

PDGF是由4条多肽链组成的二聚体蛋白家族，即PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C和PDGF-D。这些同型或异二聚体的配体与PDGFR-α和PDGFR-β相互作用。PDGF的配体与PDGFR结合，导致PDGFR发生磷酸化，随后通过有丝分裂原蛋白活化激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路进行下游的信号传导。PDGF-B在体外可以刺激成纤维细胞增殖和趋化；在PF动物模型中PDGF-B表达上调，抑制其表达可以减缓PF的进程；在人类PF疾病中PDGF的表达也是上调，但抑制其表达并没有提高IPF患者的生存率。

1.1.3 纤维母细胞生长因子与肺纤维化

在人类中，FGF家族有22个结构相关的家族成员，其中最重要的配体是FGF-1和FGF-2。FGF受体（FGFR）家族有4个成员， 即FGFR-1、FGFR-2、FGFR-3和FGFR-4。FGF和FGFR调节细胞增殖、分化、迁移和生存。当FGF配体与受体结合时，使其自身磷酸化，随后通过MAPK信号通路进行下游的信号传导。FGF-2来源于肺泡的巨噬细胞、成纤维细胞、内皮细胞等，可以促进胶原的合成及积聚。但在IPF患者中，肥大细胞似乎是FGF-2的主要来源。在IPF患者肺中检测到FGF-2水平升高，在上皮细胞、内皮细胞和平滑肌细胞/成纤维细胞样细胞中FGFR-1表达增加，在间质细胞中FGFR-2表达增加。

1.2 基质金属蛋白酶与肺纤维化

基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）是一种依赖于Zn2+和Ca2+的蛋白水解酶，其催化活性位点中具有保守的锌结合基序，能够降解ECM。有研究认为，MMP通过降解肺中ECM 成分蛋白来治疗PF。最近的研究表明，MMP不仅可以调节ECM的蛋白活性，还可以调节趋化因子、细胞因子、生长因子、抗生素多肽和其他生物活性分子的释放或激活，从而参与先天和适应性免疫、炎症、血管生成、伤口的愈合等的生理过程；但大多数PF模型中MMP缺陷小鼠的研究与上述结果相反即MMP加快PF的进程。

MMP是调控ECM代谢的重要酶系，其降解作用可被其特异性抑制剂——基质金属蛋白酶组织抑制剂（tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs） 所抑制，临床研究结果显示IPF患者的血液和（或）肺样本中MMP-1、MMP-7、MMP-8和MMP-9水平升高，这些酶被认为与IPF的发病机制有关。在小鼠PF模型中小鼠高表达MMP基因，表明大多数MMP促进（而不是抑制）PF的发展，这涉及了IPF 发病的多种机制。MMP参与PF的机制如下：1）MMP-3和MMP-7促进肺泡EMT；2）MMP-3、MMP-7、MMP-8可以促进与PF相关的因子的表达或降低抗纤维化介质的表达；3）MMP-3和MMP-9促进上皮细胞异常迁移和其他异常修复的过程；4）MMP-10和MMP-28诱导肺泡巨噬细胞的表型从M1型向M2型转变；5）MMP-8可以促进成纤维细胞的迁移和异常增殖；6）MMP-2在PF中高表达，其主要在肺泡上皮区域以及成纤维细胞灶的间充质细胞表达。在支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolarlavage fluid，BALF） 中，MMP-2的表达含量升高。MMP-2 可以降解大量的ECM，特别是降解Ⅳ型胶原蛋白和其他基底膜蛋白，研究表明，MMP-2 在PF的实验模型中表达水平上调，MMP-2和MMP-9的过表达可能与基底膜的破裂有关。

1.3 免疫与肺纤维化

免疫系统对PF的作用尚不清楚，虽然大多数研究都认为PF并不是由主要的免疫病理机制引起的，但从动物模型和人类研究中获得的证据表明，先天免疫和适应性免疫参与PF发病的过程。表1总结了主要的适应性免疫细胞（T细胞亚群）和先天性免疫细胞（巨噬细胞、中性粒细胞）及介质在PF发病机制中的作用。本文重点阐述参与PF的免疫细胞（T细胞、中性粒细胞、巨噬细胞和纤维细胞）的作用，以期为PF的治疗提供一个新的方向。

肺泡上皮细胞受损， 发生EMT转化， 成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，趋化因子配体（CCL2、CXCL12）介导的纤维细胞募集有助于肌成纤维细胞的产生，促进ECM的产生。适应性免疫T细胞和先天性免疫细胞（巨噬细胞和中性粒细胞）均可通过各种机制调节纤维化的发生。在适应性免疫方面，Th2和Th17细胞促进PF的进程，而Th1、Th22和γδ-T细胞抑制纤维化。 Treg和Th9细胞与抗纤维化和促纤维化作用有关。在先天免疫方面，巨噬细胞可能通过产生TGF-β1和PDGF来促进PF，或者通过增强MMP的活性降解ECM的蛋白成分来改善PF，巨噬细胞也可以增强TIMP-1的活性进而抑制ECM的降解，中性粒细胞产生各种蛋白酶，特别是丝氨酸蛋白酶（中性粒细胞弹性蛋白酶）和MMP可降解ECM的蛋白成分。

1.4 整合素与肺纤维化

整合素（integrins）是由α和β两个亚基构成的跨膜受体家族，其在细胞外与ECM结合并在细胞内与细胞骨架结合，从而将细胞外环境与细胞内部“整合”。整合素将来自外部的信号转导到细胞中，调节细胞黏附和细胞迁移以及ECM的产生、分化和重塑。整合素促进PF的进程主要是调节EMT、成纤维细胞的增殖和分化及炎症细胞释放炎症因子，在许多人类疾病中发挥关键作用。此外，越来越多的研究证实了整合素可以影响重要的致纤维化因子TGF-β的释放和活化。利用整合素亚基的敲除小鼠和抗体的抑制研究已确定几乎每一个整合素异二聚体的重要作用，如αvβ3、α5β1、α4β6、αvβ6、αvβ1、αE等整合素参与PF的发生和发展，为治疗PF提供了一些潜在靶点。TGF-β通常以无活性的复合体形式存在，由2种蛋白组成即延迟相关肽（latency associated peptide，LAP）和潜在的TGF-β结合蛋白（latent TGF-β binding protein，LTBP）。几种αv整合素在低PH、ROS、蛋白酶等条件下可使TGF-β活化。研究发现，αv整合素可与LAP的RGD序列结合，使无活性的TGF-β复合体分离，变成有活性的TGF-β。αvβ6整合素可以促进TGF-β1的活化，在博来霉素以及辐射诱导的小鼠PF模型中αvβ6整合素表达上调，降低αvβ6整合素的表达或突变整合素与TGF-β的LAP的结合位点可以显著延缓PF的进程。在辐射或博来霉素诱导的小鼠PF模型中，使用αvβ6的抗体可以显著降低肺组织中羟脯氨酸的表达含量及降低细胞核中pSmad2/3蛋白的表达。αvβ1整合素主要表达于成纤维细胞，在活化的成纤维细胞上可以高表达αvβ1，后者直接与TGF-β的LAP结合，促进TGF-β的活化。使用αvβ1的抑制剂可以抑制博来霉素诱导的PF和CCL4诱导的肝纤维化进程。

研究发现，在PF 的炎性细胞中几种整合素（如αv、β3、α5β1）均是高表达，在PF的动物模型中CCL18高表达，T淋巴细胞在肺部积聚，大量表达整合素αvβ3和αvβ5，使用整合素αv的抗体或敲除整合素β3的基因可以显著降低肺中淋巴细胞的浸润和胶原蛋白的积聚，显著改善肺部结构，减缓PF的进程。

2 肺纤维化的治疗药物

目前针对PF尚没有确切的治疗方法，每年每10万人中该疾病的发生率为0.07% ~ 0.1%，据此估算我国现有IPF患者超过30万人。目前针对PF的上市药物主要有吡非尼酮和尼达尼布。吡非尼酮于2008年被批准在日本上市，其具有抗炎、抗纤维化和抗氧化作用，口服吡非尼酮可减缓疾病进展和延长PF患者的寿命。吡非尼酮的确切作用机制尚不完全清楚，其主要是通过下调促纤维化生长因子（包括PDGF、TGF-β）发挥抗纤维化、抗炎和抗氧化作用；抑制炎性细胞因子的生产和释放；减少脂质过氧化和氧化应激。尼达尼布是三重酪氨酸激酶抑制剂，其可通过抑制VEGFR、PDGFR以及FGFR的信号通路来治疗PF。传统的治疗方式从抗炎入手，但单一的使用抗炎药物如糖皮质激素、免疫抑制剂并不能完全改善纤维化的状态，随着对PF发病机制的深入研究，已从单纯抗炎转变为多靶点多角度抗纤维化的治疗。目前处于研发中的治疗IPF的Ⅱ、Ⅲ期临床药物有十多种，包括gefapixant、TD-139、BG-00011、STX-100等（见表2）。

3 结语

PF是一种进行性、不可逆转、致命的肺部疾病。肺泡上皮细胞的损伤被认为是PF发病的起始因素，随后是成纤维细胞大量增殖活化，导致胶原增生，ECM沉积，最终重塑和破坏肺结构。PF是一种由多种因素引起的疾病，其发病机制复杂，除肺移植外，目前的药物对IPF只能起缓解作用，不能从根本上逆转或治愈该疾病。因此，需要进一步研究PF的发病机制，为PF的治疗提供新的靶点，同时也有助于PF治疗新药的研发。

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