肾素-血管紧张素系统与特发性肺纤维化

朱欢 李龙

1兰州大学第一临床医学院730000;2兰州大学第一医院呼吸与危重症医学科730000

特发性肺纤维化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)发病机制仍不明确,是以持续的炎症浸润、肌成纤维细胞激活及胶原的过度沉积为特征的间质性肺疾病。IPF 主要发生在老年患者,可有较长的临床稳定期,后期病情快速恶化常伴呼吸衰竭[1]。目前尚无有效治愈手段,预后较差,中位生存期估计仅为3～4年,病死率达50%～60%,发病率也不断上升,已成为全球严重的公共卫生问题[2]。

纤维化是肺组织对损伤的一种反应机制。在纤维化病理过程中发现,早期在各种致病因子及刺激因素影响下,肺泡上皮细胞 (alveolar epithelial cell,AEC)及血管内皮细胞弥漫性损伤,从而激活肺泡炎症级联反应,引起肺泡间隔破坏、血管通透性增强,促进分泌多种生长因子及促炎介质,导致大量成纤维细胞募集、增殖,驱动胶原形成及细胞外基质沉积,导致肺组织异常修复和功能破坏[3]。上述过程相互影响,交织存在,最终导致肺组织的纤维化病变。现研究发现肾素-血管紧张素系统 (renin-angiotensin system,RAS)与肺纤维化发生有关[4]。本文就RAS系统对肺纤维化影响进行综述。

1 RAS组成

1.1 经典血管紧张素转化酶 (angiotensin-converting enzyme,ACE)-血管紧张素Ⅱ (angiotensin Ⅱ,AngⅡ)-血管紧张素Ⅱ1 型受体 (angiotensin Ⅱtype 1 receptor,AT1R)轴 肾素由肾小球近球细胞合成,切割血管紧张素原形成AngⅠ,AngⅠ在ACE 的作用下形成AngⅡ,主要与AT1R 结合后发挥血管收缩、水钠潴留、炎症反应以及细胞生长和重塑[5]等作用。现研究发现AngⅡ受体有4种不同亚型:AT1R、AT2R、AT3R、AT4R,但对AT1R外其他3种受体具体作用尚未明确[6]。

1.2 新成员ACE2-Ang (1-7)-Mas受体轴 2000年研究者发现ACE的同源物ACE2,但其作用与ACE 大不相同。ACE2最主要的活性产物是Ang (1-7),一方面,ACE2可以直接水解AngⅡ产生Ang (1-7);其次,ACE2 可以将AngⅠ转化为Ang (1-9),后者被中性内肽酶或ACE裂解,产生Ang (1-7)。研究发现,ACE2对AngⅡ的催化效率大约是对AngⅠ的400 倍,是形成Ang (1-7)的主要途径[7]。随着研究的不断深入,Ang (1-7)的重要性逐渐被人们认识,通过与其特异性Mas受体结合后介导血管舒张、抑制细胞生长、抗血栓形成和抗心律失常等与AngⅡ拮抗的作用[8]。

ACE2-Ang (1-7)-Mas轴构成了RAS 系统的另一个分支,该分支拮抗ACE-AngⅡ-AT1R 轴的作用,二者相互协调、相互拮抗,对协调机体生理功能平衡具有重要意义。

2 ACE-AngⅡ-AT1R 促进纤维化

2.1 AngⅡ与AEC 凋亡 AEC 凋亡被视为IPF发病的起始过程,AEC凋亡导致了随后的纤维化反应[9]。AEC分为Ⅰ、Ⅱ型 (AECⅠ、AECⅡ),AECⅠ占肺泡表面积的95%以上,负责进行气体交换;AECⅡ占剩余肺泡表面积的2%～5%,交错排列于AECⅠ之间,是肺泡表面活性物质的主要来源,在维持正常的肺泡结构及功能方面起重要作用[10]。在IPF患者及动物模型中均发现了AEC 的凋亡及其凋亡诱导的纤维化反应,阻断AEC凋亡则可抑制纤维化反应[9],这说明了肺泡细胞凋亡与肺纤维化的关系。为探究其具体机制,Abdelwahab等[11]用博来霉素处理小鼠肺外植体细胞,暴露24 h后检测到肺组织中血管紧张素原蛋白、AngⅡ及caspase-9显著增加。caspase-9是凋亡蛋白家族 (caspase家族)中作为凋亡启动子的一种蛋白酶,可激活AEC线粒体介导的内源性凋亡途径,而ACE 抑制剂赖诺普利可阻断caspase-9 升高并抑制细胞凋亡。Abdelwahab等[11]的实验表明在肺损伤组织中,AngⅡ通过对线粒体途径的激活来介导AEC 的凋亡反应。此外,Wang等[12]证明AEC表面Fas激活后介导的细胞外源性凋亡途径也与肺纤维化有关。Fas 系统包括Fas 及其配体FasL,属于肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor,TNF)受体超家族,广泛分布于多种组织,是近年研究发现与细胞凋亡密切相关的膜表面分子。更深入的研究证明,Fas激活可引起AngⅡ产生,而Ang的反义低聚核苷酸及阻滞剂能抑制Fas激活后的细胞凋亡[13];在慢性肾损伤的小鼠模型中出现广泛肾小管细胞死亡伴Fas和FasL mRNA 水平增高,使用AngⅡ抑制剂处理后细胞凋亡及Fas和Fas L m RNA 水平表达降低[14];AngⅡ还通过上调丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase,MAPK)介导内皮细胞凋亡[15]。

2.2 AngⅡ与炎症反应 IPF发病初期,可见肺泡间隔增厚、炎性细胞浸润,大量炎性细胞因子分泌、活化,刺激肺间质纤维化。在体研究发现[16],在心血管及肾脏等脏器损伤的局部炎症反应中,AngⅡ的浓度明显升高,通过调节单核细胞活化,以促进巨噬细胞和血管平滑肌细胞分泌TNF-α、IL (IL-1、IL-6、IL-8等)、干扰素及单核细胞化学趋化蛋白1 等细胞因子的释放,加重了炎症损伤作用。IL-1、IL-6、IL-17是众多炎症因子的起始因子,能刺激上皮细胞、内皮细胞分泌粒细胞刺激因子、粒细胞-巨噬细胞

集落刺激因子等,激活中性粒细胞、活化其他炎症因子,加重机体炎性细胞浸润和结构破坏的程度。IL-1可上调肺成纤维细胞血小板源性生长因子表达,在纤维结缔组织增生过程中发挥重要的作用[17];IL-6能够促进成纤维细胞增殖与迁移,同时抑制细胞外基质分解[18];IL-17 可通过p38 MAPK途径促进细胞迁移并抑制自噬引起的细胞凋亡[19]。核转录因子κB (nuclear factor-κB,NF-κB)是一种基因转录调节蛋白,广泛存在于各种细胞中,通常在细胞中以p50-p65异二聚体的形式与抑制蛋白κB结合而呈非活化状态。胞外刺激信号如创伤、病毒、炎症因子、吸烟、辐射等可以使NF-κB 发生磷酸化后快速降解,释放激活NF-κB,从而启动炎症反应,使受其调控的多种炎症细胞因子表达增加[20]。而AngⅡ可通过蛋白激酶C、蛋白激酶A、活性氧 (reactive oxygen species,ROS)等多种途径促进抑制蛋白κB 降解[21],导致持续性组织损伤。同时这些被激活的炎症细胞又激活了局部RAS系统,使AngⅡ浓度升高,形成恶性循环,持续加重肺组织损伤[22]。

2.3 AngⅡ与成纤维细胞增殖 成纤维细胞是肺脏结缔组织中最常见的细胞,主要分泌胶原蛋白,尤其是胶原蛋白Ⅰ。生理条件下,成纤维细胞主要构造和维持肺脏的正常形态,几乎无细胞外基质产生,为肺组织进行高效的气体交换提供物质基础,在组织损伤后及时大量聚集以修复损伤组织。病理条件下,在受多种刺激因素,特别是大量细胞因子刺激后,成纤维细胞通过不断的异常自我增殖与转换,成为肌成纤维细胞,分泌大量细胞外基质,造成损伤组织的过度修复,导致纤维化产生[23]。肌成纤维细胞明显表达α平滑肌肌动蛋白,其分泌细胞外基质能力是成纤维细胞的4～5倍[24]。刘珊珊等[25]对人肺成纤维细胞进行继代培养,然后添加AngⅡ,发现AngⅡ呈时间和浓度依赖性地促进人肺成纤维细胞中胶原蛋白Ⅰ的表达。进一步研究发现,AngⅡ可激活MAPK 磷酸化,调节核内转录因子,引起细胞增殖和生长反应。MAPK 包括ERK、JNK、p38MAPK 等亚家族。随着不断研究发现[26],除了成纤维细胞异常增殖外,部分AEC向间质细胞转化是局部肌成纤维细胞的重要来源之一,即 “上皮-间质转化”过程。而AngⅡ可上调转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1),激活TGF-β/Smad3信号通路,对促进成纤维细胞分化及上皮-间质转化为肌成纤维细胞起重要作用[27]。AngⅡ与AT1R 结合后还可以通过G 蛋白偶联刺激磷脂酶C,释放细胞内储存的钙离子,激活蛋白激酶C 通路,促进成纤维细胞增殖和胶原合成[28];Meng等[29]研究发现,AngⅡ诱导氧化应激反应所产生的ROS可通过Rho A/Rock途径促进成纤维细胞的迁移和合成胶原蛋白Ⅰ;AngⅡ还可抑制基质金属蛋白酶对细胞外基质的降解来促进胶原累积[30]。

2.4 Ang与TGF-β1TGF-β1被认为是几乎所有组织纤维化过程中的最强调节因子,能有效刺激成纤维细胞分化及细胞外基质蛋白合成。肺损伤组织中的多种细胞可见TGF-β1表达[27]。TGF-β1通过与其受体结合,激活细胞内

典型Smad信号通路,诱导Smad2/Smad3蛋白磷酸化,进一步与Smad4结合成复合体,激活结缔组织生长因子、血小板源性生长因子、胰岛素样生长因子1等多种纤维化基因的转录。TGF-β1 还可激活ERK、p38、JNK、PI3K、Akt/PKB和Rock等非典型通路,促进纤维化进程[31]。研究证明,AngⅡ与AT1R 结合后会激活MAPK 和Smad,刺激TGF-β1的合成和释放[27],并在TGF-β1上游起驱动作用[32];TGF-β1的高表达同样可诱导AngⅡ合成增多[33],产生正反馈作用,推动纤维化进展。

2.5 AngⅡ与氧化应激 “氧化与抗氧化失衡”是近年公认的纤维化重要发病机制之一。在纤维化组织中发现ROS过量生成[34],破坏体内氧化/抗氧化动态平衡,对细胞中大分子物质如脂质、DNA、线粒体和蛋白质产生氧化损伤导致病变。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶 (NADPH氧化酶)是ROS的主要来源,NADPH 氧化酶包括7个成员,分别为NOX1-5、Duox-1和Duox-2。其中NOX4作为最重要的活性氧来源,可介导肌成纤维细胞分化、上皮细胞凋亡、细胞外基质生成和收缩,加速肺纤维化进程[35]。实验证明[36]AngⅡ通过促进NOX4 的表达,激活ROS 介导的Rho A/Rock途径加重肺纤维化程度。此外,TGF-β1能增加ROS的产生并下调抗氧化酶,从而导致体内氧化还原失衡,而ROS反过来会诱导TGF-β1,并介导TGF-β1的许多纤维化作用,形成恶性循环[37]。

3 ACE2-Ang(1-7)-Mas抑制纤维化

3.1 Ang (1-7)抑制AEC 凋亡 与AngⅡ相反,ACE2已被证明可改善肺组织损伤。在脂多糖诱导的急性肺损伤模型中[38],发现AngⅡ、NF-κB、IL-1、TNF-α等炎症因子及细胞凋亡率均升高,而ACE2/ACE比值下降,Ang(1-7)保护作用也被抑制;将ACE2 cDNA 注射到小鼠肺中2周后,发现ACE2上调Ang (1-7)水平,抑制MAPK 途径,减轻肺组织损伤,而Mas受体拮抗剂A779或ACE2抑制剂MLN-4760则逆转了ACE2对肺组织的保护作用,加重肺功能破坏。在同种小鼠模型中也证明,ERK、p38、JNK和NF-κB通路均被激活,A779预处理更加明显地激活上述信号通路[39]。综上所述,ACE2-Ang (1-7)-Mas通过抑制肺微血管内皮细胞中MAPK/NF-κB 通路拮抗LPS诱导的细胞凋亡。另有研究者发现,ACE2 能够通过减少抑制Bcl-2 (抗凋亡蛋白)翻译的miRNA-4262,从而增加Bcl-2的表达并减少肺内皮细胞凋亡[40];Ang (1-7)也可通过抑制细胞内质网应激反应来减轻肺组织细胞的破坏[41]。

3.2 Ang (1-7)抑制成纤维细胞转型 Zhou等[42]将人肺成纤维细胞用不同浓度的AngⅡ(10-8、10-7、10-6mmol/L)持续处理0、12、24、48 h,发现培养的细胞中α平滑肌肌动蛋白、TGF-β1和胶原蛋白Ⅰ蛋白表达显著增加,并且AngⅡ (10-6mmol/L)刺激48 h被认为是诱导人肺成纤维细胞-肌成纤维细胞转变的最佳条件。他们证明Ang (1-7)可以阻断AngⅡ诱导的PI3K、Akt、p38 MAPK 和JNK 通路激活,抑制人肺成纤维细胞-肌成纤维细胞的转变并下调胶原蛋白Ⅰ、α平滑肌肌动蛋白和TGF-β1的表达。其他研究证明,在肺纤维化过程中,细胞自噬水平明显下降,而抑制自噬同样也加重肺纤维化的进程,ACE2-Ang (1-7)则可以通过诱导细胞自噬改善肺部胶原合成[30];Ang(1-7)还通过改善内质网应激、上皮-间质转化中成纤维细胞的转换来延缓组织纤维化[41]。其他器官纤维化模型对此也有证明,AVE 0991是一种Ang (1-7)非肽类似物,被认为具有与Ang (1-7)类似的对心血管有益的作用,通过抑制NOX2、NOX4和炎性因子TGF-β1、TNF-α的过表达,减缓心肌肥厚和减少胶原合成,从而抑制心室重构和改善心功能[16]。

3.3 Ang (1-7)抑制炎症反应 Magalhães等[43]在过敏性肺炎小鼠模型中注射Ang (1-7),发现Mas抑制Ig E 和ERK1/2磷酸化,使得损伤部位促炎性细胞因子IL-4、IL-5、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和趋化因子的水平下降,降低肺损伤部位炎症细胞水平,改善肺组织损伤。同时他们进一步发现,Ang (1-7)输注会改变组织ACE2的表达,这可能会增加肺中Ang (1-7)的水平及其发挥的保护作用。Ang (1-7)-Mas抑制NF-κB 活化、刺激一氧化氮、前列腺素和内皮衍生性舒张因子、IL-10 等发挥扩血管、抗炎作用,并减少细胞外基质沉积[44]。然而一项实验发现向大鼠中持续输注Ang (1-7)可刺激MAPK/NF-κB通路,上调炎症反应并增加肺中胶原蛋白的沉积[45],因此Ang (1-7)作用可能具有多重性,仍需深入探究。

3.4 Ang (1-7)抗氧化应激作用 Pan等[46]在吸烟引起的肺纤维化体内和体外模型中证明,Ang (1-7)可通过抑制NOX4衍生的ROS 介导的Rho A/Rock 途径,抑制了AngⅡ诱导的细胞迁移和胶原蛋白Ⅰ、α平滑肌肌动蛋白的合成、ROS引起的氧化应激并减少受损的自噬积累,从而减轻吸烟引起的肺纤维化。在另一项用95%高氧导致小鼠肺损伤实验中[47],分别使用ACE2激动剂三氮脒和抑制剂MLN-4760处理,发现高氧与后者显著降低肺ACE2 的表达活性,并增加AngⅡ/Ang (1-7)比率,而三氮脒则可以增强ACE2活性,改善AngⅡ/Ang (1-7)比率,减轻高氧造成的肺损伤。这些实验均可证明ACE2、Ang (1-7)的氧化抑制作用。

4 血管紧张素转化酶抑制剂及血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(angiotensinⅡreceptor blockage,ARB)类药物在IPF中的治疗

通过系统评价的方法对血管紧张素转化酶抑制剂或ARB 类药物治疗IPF 的有效性进行分析[48],治疗后DLCO、第1秒用力呼气容积以及肺活量较对照组均有所改善,证明血管紧张素转化酶抑制剂及ARB类药物在IPF的治疗中起到保护性作用。ACE 与ARB 治疗IPF 一方面可能直接作用于肺组织,抑制炎症发展,抵制气道重塑,延缓肺功能减退,对IPF肺损伤起保护作用;另一方面在治疗IPF的同时,一些相关的并发疾病如糖尿病、肺动脉高压、高血压等可得到一定改善,从而间接引起肺功能的改善,其治疗的有效性及具体机制还需进一步研究[49-50]。但也曾有研究发现ARB类药物并不能改善博来霉素诱导的小鼠肺纤维化,这可能与独立于AT1R 之外的其他受体作用相关,提示ARB治疗肺纤维化的有限性。

5 结语

RAS系统参与了肺纤维化的形成过程,其中AngⅡ/AT1R 促进组织纤维化、Ang (1-7)/Mas拮抗纤维化进程,这不仅为IPF提供了新的研究靶点,也使我们学习到该系统生物活性及作用的多样性。RAS系统引起的各种病理变化过程,也与除肺纤维化外的其他疾病息息相关,这将为临床疾病诊治提供更广阔的治疗;但RAS系统与机体各个系统,以及RAS系统中各成员间的复杂联系,仍需继续探索,以解决其临床应用中的难点与挑战。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突