tgf beta 2能不能诱导tgf β 纤维化化

TGF-β与肺纤维化
中华临床医师杂志(电子版)
2007年1月,1卷1期
TGF-β与肺纤维化
谭强,刘新民,曾惠惠,冯令军
谭强(在读博士)、刘新民,北京大学第一临床医学院老年病科,100034;曾惠惠,北京大学医学部药学院;冯令军,潍坊医学院附属医院
关键词:TGF-β;肺纤维化
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  肺纤维化(pulmonary interstitial fibrosis,PIF)可由多种病因引起,其病理演变大多表现为初始的下呼吸道炎症细胞浸润,肺泡上皮细胞和血管内皮细胞的损伤,伴有成纤维母细胞和Ⅱ型肺泡上皮细胞的增殖及细胞因子等的释放,导致细胞外基质蛋白和胶原沉积,最终引起肺结构的损害[1]。PIF的病因多不明确,由于在PIF的损害区有中性粒细胞、嗜酸粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞等的浸润,并有多种细胞因子和炎症介质等的释放,故多认为PIF是继发于一炎性过程的肺结构重建[2]。国内、外研究表明,细胞因子在PIF发展过程中起着重要的作用,它们构成一个复杂的细胞外信号转导分子的网络系统及链式反应关系[3],而转化生长因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)是一类重要的生长调节细胞因子,在细胞的生长、分化、免疫调节及细胞外基质合成调节中具有重要作用[4,5]。近年来其在PIF形成中的作用备受关注,本文就这方面的研究进展做一综述。
  一、TGF-β的生物学特性
  结构:TGF-β是一多效能因子,从1985年Assoian等首次从人血小板中分离出TGF-β1到目前为止,已发现有TGF-β1,2,3,4,5,5种同分异构体,而在哺乳动物中只存在TGF-β1,2,3,3种形式[4]。5种TGF-β同分异构体在氨基酸序列上有64%~82%是同源的[4]。TGF-β在体内是以无活性的由390个氨基酸组成的二聚前体的形式产生的,该前体包括N端的信号肽(第1~29位氨基酸)、前肽区域(LAP、第30~278位氨基酸)和TGF-β区域(第279~390位氨基酸)三部分,单链TGF-β分子其N端具有糖基和巯基结合位点,C端含有巯基结合位点,去除其N端潜在相关肽链可活化。经纯化后具有活性的TGF-β分子是一分子量为25kD的疏水寡二聚体,由两条相同的多肽链(112个氨基酸,11 kD)经二硫键相连而成,当二聚体结构被破坏时其活性随之丧失。
  分泌、表达与活化:大多数正常细胞和肿瘤细胞都能分泌一种以上的TGF-β,其中血小板在机体正常时为主要的存储细胞,在机体受到损伤时,释放TGF-β,促进机体的修复[6]。单核巨噬细胞、中性粒细胞、成骨细胞、内皮细胞、淋巴细胞、成纤维细胞、巨核细胞、间皮细胞、软骨细胞和白血病细胞主要产生TGF-β1。肺内亦有许多细胞能分泌TGF-β1,如肺泡巨噬细胞、上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞等[7],其中肺泡巨噬细胞和上皮细胞被认为是分泌TGF-β1的主要细胞[8]。TGF-β分子被分泌出细胞外后,大部分以无活性前体形式储存于细胞外基质中,通过与血栓粘合素-1、纤溶酶和α5β6整合素等的相互作用而以不同的方式被活化。
  TGF-β的表达依赖于TNF-α信号转导系统。ELISA实验证实,经TNF-α处理的成纤维细胞TGF-β蛋白表达明显增加,PCR定量分析结果显示测得的TGF-β mRNA量较正常状态增加2~4倍。Western 印记分析表明TNF-α能够激活细胞外信号调节激酶(extracellular-signal regulated kinase, ERK)。mRNA稳态实验证实TNF-α可将 TGF-β mRNA的半衰期增加到24 h以上,而没有TNF-α刺激的半衰期则只有15 h,这表明TNF-α通过激活ERK特异性有丝分裂原激活蛋白激酶途径导致成纤维细胞TGF-β表达增加[9]。但TGF-β蛋白在缺乏TNF-α信号系统时仍能够有效表达[10],其机制有待进一步研究。
  功能:TGF-β的生物学活性十分广泛,几乎作用于所有细胞,其主要作用是抑制细胞生长及其活性。它可以将细胞可逆性地阻断于G1期。例如使用重组TGF-β编码的腺病毒表达系统感染人的口腔角质细胞或人肺的上皮细胞系可以导致细胞周期的可逆性阻滞[11],但对某些细胞可促进其增殖及活性,主要是指促进间质来源细胞的增殖和功能,如促进成纤维细胞增殖,增加成纤维细胞分泌纤粘素和胶原等细胞外基质等。另外,TGF-β还具有趋化作用。在多种纤维增生性疾病中,TGF-β表现出共同的促纤维化作用。在TGF-β家族中,参与纤维化的主要是TGF-β1,TGF-β1在PIF过程中起着重要的作用[12]。
  二、TGF-β致PIF的可能机制
  TGF-β致PIF的证据:肺脏是富含TGF-β的器官之一。研究表明在博莱霉素诱发的纤维化动物模型中,TGF-β1增加主要发生在急性肺泡炎期。TGF-β1在肺内的短暂表达可以诱发驱动一个进行性的纤维化过程,提示这一因子更重要的是在肺内启动了介于炎症细胞之间、炎症细胞与肺组织结构细胞之间以及细胞与细胞外基质之间维持炎症持续进行性发展的网络系统[13]。Jagirdar等用免疫组化的方法,在固定的肺组织用纯化的兔TGF-β分子多克隆抗体与细胞外和细胞内的TGF-β相作用,结果显示在硅肺的结节损伤区,中央透明区有TGF-β的最大染色,损伤区周围有肺成纤维细胞积聚,在渐进性大块肺纤维化损伤区域大面积的瘢痕组织包含大量 TGF-β[14]。Sime等用复制缺陷病毒载体将猪TGF-β1的cDNA转移到大鼠肺直接观察呼吸道TGF-β1蛋白的作用,证实TGF-β1以激活的形式过度表达导致持久且严重的间质纤维化,这种纤维化以广泛的细胞外基质蛋白如胶原纤维、粘连蛋白和弹性蛋白的蓄积及肌成纤维细胞的出现为特征[15]。胶原是主要的ECM成分,在组织修复中,胶原的产生使得愈合的伤口弹性化,而纤维粘连蛋白形成一个支架使得细胞迁移进入损伤区域,弹性蛋白也是一种重要的细胞外基质蛋白,在损伤区TGF-β使得这些基质蛋白积蓄增多。
  TGF-β与其他细胞:病理学研究证明PIF早期肺间质内有大量单核巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞浸润以及后期成纤维细胞的增殖,TGF-β对这些细胞的激活及趋化有着重要的作用,包括:TGF-β是一种作用很强的单核巨噬细胞趋化因子,在肺组织发生损伤后与单核巨噬细胞在肺组织损伤位点的聚集过程有关;TGF-β对成纤维细胞也是一种强有力的趋化因子,而且TGF-β本身又是一种强烈的促细胞分裂剂,能够促进成纤维细胞产生结缔组织蛋白;TGF-β能下调脂多糖诱导肺泡巨噬细胞自发凋亡的能力[17];亦有研究发现TGF-β可使肺泡Ⅱ型上皮细胞表面的纤维连接蛋白信使核糖核酸表达增高,而该细胞在修复损伤的肺泡上皮和引起细胞外基质沉积方面具有重要的作用;也有学者提出TGF-β可以促进支气管上皮细胞合成肌腱蛋白[17];在所有TGF-β表达增加的PIF组织中,均有明显的肥大细胞聚集,而肥大细胞又是产生T淋巴辅助细胞因子(Th2)、炎症细胞因子特别是白介素-4的主要细胞之一,这一机制可能与目前正在研究的TH1与TH2细胞因子平衡在PIF中的作用有一定的关系 [18];TGF-β还可刺激间皮细胞增生,间皮细胞又可合成TGF-β,促进胸膜下成纤维细胞合成胶原,参与胸膜损伤后的修复过程[19]。
  TGF-β与细胞因子:现已证明,参与PIF过程中的细胞因子近20种,它们构成一个庞大而相互制约、相互协作的网络系统,最终导致形成这一病理过程。2001年 LIU等发现暴露于石棉中的大鼠在发展为PIF的过程中TGF-β1、血小板衍生生长因子(PDGF)、干扰素γ、干扰素γ信使核糖核酸及蛋白质表达均增高,但将预先使TGF-β受体失去效能的大鼠置于此环境中却不能发展为肺纤维化,且该组大鼠其余3种因子表达均降低,故认为 TGF-β能诱导这些细胞因子的产生,而TGF-β亦是这些细胞因子表达所必需[20]。
  TGF-β与血小板衍生生长因子(PDGF):PDGF和TGF-β均与PIF的发生密切相关[21]。PDGF是成纤维细胞增殖的获能因子,把从系统性硬化伴间质性肺炎患者肺中分离培养的肌成纤维细胞先用TGF-β1预处理,再经 PDGF刺激,结果发现肌成纤维细胞有丝分裂能力增强,认为这可能是经TGF-β诱导产生了 PDGF-α受体的结果[22]。
  TGF-β与肿瘤坏死因子(TNF):用BCG诱发小鼠肺纤维化模型,同时腹腔内注射抗TGF-β抗体,发现该模型肺组织中TNF -α水平明显降低[23]。研究发现,在特发性肺纤维化(IPF)的炎症阶段,高度增殖的肺泡Ⅱ型上皮细胞中出现了大量的TGF-β1和TNF-α;在纤维化末期阶段,高度增殖的肺泡Ⅱ型上皮细胞中TNF-α消失,TGF-β1却持续存在。这些发现均提示TGF-β1和TNF-α的相互作用在PIF发生过程中的重要性[24]。
  TGF-β与 白细胞介素-1(IL-1):IL-1是单核细胞合成的结缔组织调节因子,有IL-1α和IL-1β两种类型,均可与成纤维细胞表面受体结合,发挥有丝分裂原的作用,从而参与结缔组织再造。以往研究认为TGF-β和IL-1都参与肺纤维化的形成过程,TGF-β能明显下调THY1加成纤维细胞对IL-1的α型受体表达,使 THY1加成纤维细胞对IL-1介导的IL-6诱导蛋白合成作用几乎丧失反应,从而影响结缔组织的合成[20]。在用BCG诱导小鼠肺纤维化模型的同时,给腹腔内注射抗TGF-β抗体,可明显降低IL-1β的水平[8]。
  TGF-β与胰岛素样生长因子-1(IGF-1):研究发现,绵羊石棉肺模型IGF-1和TGF-β的免疫组化染色模式不同,IGF-1在细胞周围着色;而TGF-β在细胞间基质着色。推测这两种因子可能在刺激间质成纤维细胞增殖和新生胶原沉积中发挥着互补作用[25]。
  TGF-β与干扰素-γ(IFN-γ):目前IFN分为Ⅰ型IFN(IFNα、β)和Ⅱ型IFN (IFN-γ),分别作用于相应的受体,发挥其抗病毒、抗肿瘤和双向免疫作用。IFN-γ目前被认为是一种抗纤维化的细胞因子,能减少成纤维细胞的胶原合成,延缓伤口愈合,在体外实验中可明显抑制PIF患者的肺成纤维细胞增殖和胶原合成。研究发现成纤维细胞中TGF-β1能特异激活转录因子AP-1的同源二聚体JunD,促进了肺纤维化中蛋白多糖的异常沉积,而IFN-γ则通过信号转导子和转录活化子的快速激活,抑制TGF-β1诱导的TGF-β反应报告子的激活和AP-1信号转导途径的激活,从而发挥抗纤维化的作用[26-28]。
  TGF-β与单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1):单核细胞趋化蛋白-1可以通过特异性受体直接刺激成纤维细胞表达胶原蛋白,也可以通过内源性 TGF-β的上调性表达从而间接地以自分泌或旁分泌方式刺激胶原蛋白表达[29]。
  在上述诸因子中,IL-1、TNF-α等主要参与组织局部损伤与炎症反应,而 PDGF、IGF-1、TGF-β、MCP-1等主要参与肺组织损伤愈合与纤维化过程[30],干扰素-γ则发挥抗纤维化的作用。
  TGF-β与细胞外基质(ECM):ECM包含多种成分,如蛋白多糖、胶原、糖蛋白、纤维连接素、胶原纤维等,在正常情况下ECM处于合成和降解的动态平衡中。ECM不仅具有连接、支持细胞和组织的作用,还可影响细胞的形状,控制细胞的迁移、增殖、分化、代谢和功能。TGF-β是对ECM生成和沉积一种强有力的调节因子,它能诱导成纤维细胞等多种细胞合成和分泌ECM,并且能够刺激肺成纤维细胞有丝分裂及ECM的合成和沉积,调节细胞黏附和细胞之间的相互作用,而ECM对细胞的增殖和分化也具有控制作用,并且TGF-β可能是通过ECM实现其对细胞的双向调节。其总的结果是TGF-β增强胶原合成和ECM合成的比率高于降解,这也是诱导肺纤维化发生的重要原因之一。
  对成纤维细胞及胶原蛋白的影响:TGF-β能够刺激成纤维细胞增殖和聚集。Arkwright等研究发现TGF-β刺激成纤维细胞合成胶原和纤维黏连蛋白,抑制胶原酶mRNA表达,增加金属蛋白酶组织抑制因子(TIMP)、α-2巨球蛋白合成,从而抑制细胞间基质的降解,促进其沉积[31]。其对胶原蛋白的影响主要有以下两方面,一方面,TGF-β上调成纤维细胞内胶原mRNA水平,从而在转录水平调控胶原合成,Lasky等认为TGF-β不仅能增加胶原基因转录率,同时可增强转录后稳定性;使胶原合成增加[32];另一方面,TGF-β通过选择性抑制胶原的合成,诱导胶原酶抑制物基质金属蛋白酶(MMP)合成,使胶原蛋白降解减少。此外,TGF-β可增强脯氨酸羟化,使产生的原胶原分子更为稳定,难以降解。TGF-β还可促使成纤维细胞表型向成肌纤维细胞表型转化,而成肌纤维细胞参与促进ECM沉积。TGF-β也能促进成纤维细胞自身合成TGF-β[33],成纤维细胞的这种自分泌作用也是导致纤维化进展的重要原因之一。
  对ECM其他成分的影响:TGF-β对ECM其它成分如纤维连接蛋白及其受体、透明质酸、蛋白聚糖、层粘素等在ECM中的沉积均有明显促进作用。体外研究发现,TGF-β可使Ⅱ型肺泡上皮表面纤维连接蛋白表达增加10倍,而Ⅱ型肺泡上皮在修复肺泡上皮及引起ECM沉积方面起着重要作用[34]。TGF-β还可以调节ECM表面整合素受体的表达,加速了细胞与基质的黏附以及ECM沉积[35]。此外,TGF-β可以减少包括胶原酶、肝素酶、基质溶解素等降解酶的表达,同时可增加蛋白酶抑制剂(如丝氨酸蛋白酶抑制剂)合成与分泌,增加抗蛋白酶活性,减少ECM成分降解,使ECM代谢失衡,致ECM在肺内积聚,肺泡壁增厚,最终引起PIF和呼吸功能障碍。
  三、基于TGF-β机制的肺纤维化治疗
  抗TGF-β抗体与可溶性TGF-β受体(soluble TGF-β receptor,sTGF-βR):通过阻断TGF-β的作用来治疗肺纤维化疾病,成为人们研究的热点。抗TGF-β抗体与sTGF-βR都能与TGF-β结合,阻碍TGF-β与其靶细胞表面的各型TGF-βR结合而发挥其有效的抗纤维化作用。研究发现,TGF-β可溶受体可与TGF-β高度亲和,降低脯氨酸水平和脯氨酸羟化酶活性,明显减轻了博莱霉素诱导的肺纤维化程度[23,36-37]。体外实验Western印记分析表明,BLM鼠肺纤维母细胞用TGF-β1抗体孵化后,以剂量依赖的方式抑制BLM诱导的TGF-β1大量释放和蛋白多糖的表达[23]。体内实验也证实TGF-β抗体明显减少胶原合成的标志物羟脯氨酸的含量,降低髓过氧化物酶的活力(髓过氧化物酶反映肺组织炎症反应中中性白细胞的趋化活力),明显减轻了BLM诱导的肺组织胶原的积累,肺纤维化程度减轻[38]。Denis用灭活的卡介苗制备小鼠肺纤维化模型,同时腹腔注射抗TGF-β1的兔抗血清,发现IL-1和TNF-α的水平下降,组织学检查、形态学分析和全肺羟脯氨酸含量测定均证实肺纤维化和肉芽肿反应程度明显减轻[39]。这些都证实了TGF-β1抗体可抑制前炎性细胞因子的释放,尤其明显抑制TGF-β的生物学活性。Wang等采用BLM支气管滴注的方法建立仓鼠肺纤维化模型,重组的sTGF-βR滴注组明显降低了肺羟脯氨酸水平和多聚羟化酶活力[40]。胶原生物合成中,前胶原α肽链内脯氨酰的羟化是胶原分子三螺旋状结构形成的必需过程,参与羟化过程的多聚羟化酶活力决定了肺胶原的生物合成和沉积状况。降低BLM诱导的多聚羟化酶活力,允许胶原以更柔韧和可溶的形式蓄积,比交错连接的成熟的胶原纤维更容易被细胞内的胶原酶所降解;抑制此酶的活性可减少胶原的合成[40]。组织病理学检查显示,BLM诱导的肺纤维化损伤明显减轻,但是它不减少支气管肺泡灌洗液(bronchial alveolar fluid,BALF)中的总细胞数和蛋白含量。表明sTGF-βR主要抑制TGF-β的促纤维生成作用,阻止肺纤维化。
  核心蛋白聚糖:核心蛋白聚糖即修饰素,是一种内生性的小分子的含亮氨酸较为丰富的蛋白多糖,与TGF-β有着高亲和力并对TGF-β生物活性具有抑制作用,是TGF-β的负向调节剂。TGF-β的天然抑制物核心蛋白聚糖可以通过核心蛋白与 TGF-β结合,抑制TGF-β的生物学活性。减轻了博莱霉素诱导的大鼠肺纤维化程度[41]。Kolb等的实验表明,将复制缺陷的腺病毒(replication deficient adenovirus,AdDec)注入BLM肺纤维化模型大鼠的气道内,用于传送修饰素转基因,在体外,感染AdDec鼠的肺细胞上清液中,修饰素以剂量依赖的方式消除了TGF-β的生物学活动性;在体内,AdDec鼠肺细胞修饰素mRNA的表达增加,明显抑制TGF-β的活性,降低HYP含量,肺纤维化反应有明显减轻[42]。表明AdDec可抑制TGF-β的活动,有效地阻止了BLM致肺组织纤维化效应。支气管滴注修饰素减少了PIF的生化标志物多聚羟化酶的活力、髓过氧物酶的活力、肺HYP水平;同时减少BALF中中性粒细胞浸润,减轻单核细胞、粒细胞的积累和多方位肺间隔增厚[43],表明修饰素在抑制TGF-β活力的同时,还对PIF早期的炎症反应有一定的作用。
  Samd7:Smad7是Smad家族(Smad1、2、3、4、6、7等)的主要的抑制性负向调节剂,是TGF-β信使的拮抗剂。Smad7可抑制TGF-β信号转导因子Smad家族复合物的激活,从而阻止TGF-β的信号传递。将包含Smad7 cDNA的重组腺病毒引入到培养的胚胎鼠肺,使Smad7异常过度表达,则TGF-β介导的表面活性蛋白C基因表达下调现象被Smad7所抑制,而表面活性蛋白C是支气管上皮细胞分化的标记物,因而TGF-β诱导的上皮细胞分化抑制被Smad7所阻止;同时,在Smad7转基因表达的鼠肺,外生TGF-β配体诱导的Smad2的磷酸化被阻止,而Smad2的磷酸化是肺形态学发生中的一个重要环节[44]。Nakao等在BLM诱导的小鼠肺纤维化模型气管内注入携带有小鼠Smad7 cDNA的重组人5型腺病毒载体,发现与使用Smad6 cDNA的对照组相比,Ⅰ型前胶原mRNA表达受到抑制,HYP的含量降低,形态学上肺组织没有形成纤维性反应。说明Smad7主要抑制TGF-β所介导的生物学活动[45]。
  四、结语
  TGF-β与PIF密切相关已得到人们的共识,它除可直接促进ECM沉积外,并可与其他细胞因子相互作用,形成复杂的细胞因子网络,通过细胞内信号转导产生复杂生物学效应。目前与TGF-β相联系的纤维化过程中,我们需要进一步研究的是如何辨别纤维化的起点以及纤维化如何从急性损伤期转变[46]。但其致纤维化机制仍尚待深入研究。基于TGF-β机制的治疗方法具有特异性高、副作用小等优点,但由于细胞因子结构及结合位点的多样性,阻断它们的作用目前还有很多困难。随着现代免疫学和分子生物学的飞速发展、渐趋完善,基于TGF-β机制的治疗方法将是一种很有前途的治疗方法,可作为未来治疗PIF的重要手段。
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(编辑:郝 锐 收稿日期:)

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