角质细胞生长因子-2与新生儿相关肺部疾病的研究进展

侯 琳 综述,舒桂华 审校

1.大连医科大学,辽宁大连 116044;2.江苏省苏北人民医院新生儿科,江苏扬州 225001

角质细胞生长因子-2(KGF-2)又称为成纤维生长因子-10(FGF-10),属于成纤维细胞生长因子(FGF)家族中KGFs亚群中的一员,最早由EMOTO等[1]从人肺组织中分离出来具有肝素结合特性的单链多肽。KGF-2在整个脊椎动物的胚胎发育过程中发挥重要的作用,参与并调控皮肤、眼、四肢、支气管、肺等多种组织、器官的形成和分化[2]。虽然KGF-2在诸多组织、器官中均有表达,但研究发现其在肺组织中尤为丰富[3]。自KGF-2被发现以来,国内外对其研究已较为深入,公认KGF-2是强力的有丝分裂原,可调控上皮细胞增殖、分化和迁移等生理过程,其在器官上皮组织损伤修复中的作用日益受到重视,并已在溃疡性结肠炎、创面愈合等方面取得了重大进展[4];近年来研究发现KGF-2缺失或基因突变与新生儿相关肺部疾病的发生、发展密切相关,且有增加儿童期甚至成年后发生慢性肺部疾病的风险[5]。现就KGF-2的结构、生物学功能,以及其与新生儿相关肺部疾病的关系做一综述。

1 KGF-2结构及其受体

人源KGF-2 cDNA全长627 bp,位于第5号染色体p12～p13区域,由208个氨基酸残基构成的单链多肽,具有2个糖基化位点(51和196aa)及酸和热不稳定性,其立体结构为FGF家族典型的β-三叶草型[1]。KGF-2主要来源于间充质细胞(MSCs)、平滑肌细胞等,其分泌及表达由Wnt信号通路调控[6]。KGF-2是酪氨酸激酶超家族成员,有2种重要的细胞膜表面受体：FGFR1Ⅲb和FGFR2Ⅲb[7]。KGF-2与FGFR1Ⅲb的亲和力极低,而与FGFR2Ⅲb的亲和力较高。无论是生理状态或损伤性修复,KGF-2作为配体均需要与KGF受体结合才能发挥作用,该受体结合的特异性与细胞表面及细胞外基质中的硫酸乙酰肝素有关。KGF-2通过与硫酸乙酰肝素蛋白多糖(HSPG)紧密结合,促进KGF-2与FGFR2b受体相互作用,稳定蛋白质并保护它们免于降解[8]。

2 KGF-2生物学功能

KGF-2诸多生物学功能主要通过FGF-10-HSPG-FGFR2b三元复合物形成,继而触发FGFR2b的二聚化和其胞内结构域酪氨酸残基的磷酸化,磷酸化的FGFR2b激活免疫球蛋白结构域的FGF受体底物2α(FRS2α),促使活化的FRS2α募集生长因子受体结合蛋白2(GRB2),激活FGF10-FGFR2b经典的下游信号通路,如Ras/Raf/丝裂原活化蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)及信号转导和转录激活因子(STAT)等[9],产生多种生物学活性。但KGF-2对不同细胞、器官的影响可通过不同信号通路的激活发挥作用。(1)促有丝分裂作用：KGF-2是人类角质形成细胞的有丝分裂原,在低浓度生长因子刺激下可促进细胞进行有丝分裂,增加早晚期分化标志物K1、K10及丝聚蛋白表达,促进Ca2+内流[10],进而加速细胞分裂。KGF-2也可通过RAS蛋白调节细胞外信号调节激酶(ERK1/2)磷酸化,控制上皮细胞有丝分裂中纺锤体方向,从而决定肺管、气道形状变化[11]。(2)促增殖及迁移作用：KGF-2通过加速肺泡Ⅱ型上皮细胞(AECⅡ)的细胞周期实现其促细胞增殖的作用。细胞增殖周期可分为2个时期,即细胞间期(包括G1、S、G23个时期)和分裂期(M期),均受细胞周期蛋白Cyclin和周期蛋白依赖性激酶(CDK)调控[12]。KGF-2通过MAPK/ERK信号通路,调控Cyclin D1及不同细胞周期CDK激酶表达,抑制凋亡蛋白胱天蛋白酶9活性,加快细胞周期从G1期转入S期及从G2期转入M期,提高AECⅡ分裂指数,促进细胞增殖、分化[13]。此外,KGF-2还可刺激蛋白酪氨酸激酶Src诱导其主要底物Cortactin——一种参与细胞迁移的F-肌动蛋白结合蛋白,发生酪氨酸磷酸化达到促迁移作用[14]。(3)抗凋亡作用：KGF-2可激活MEK/ERK途径诱导线粒体膜上的抗凋亡蛋白(如Bcl-2和Bcl-XL)释放,同时使凋亡蛋白Bax失活,抑制线粒体细胞色素C产生,阻断原痉挛9转化为凋亡酶Caspase-3,防止细胞凋亡[15]。KGF-2也可经PI3K/Akt信号通路来抑制Fas介导的凋亡信号,实现对上皮细胞的保护作用[16]。(4)抗纤维化作用：KGF-2可通过抑制膜受体调控蛋白Smad2/3的激活,阻断转化生长因子β(TGF-β)介导的纤维化信号,同时还可降低器官纤维化过程中基质金属蛋白酶(MMP)-2、MMP-9的活性,共同发挥抗纤维化作用[17]。

3 KGF-2与新生儿相关肺部疾病的关系

3.1KGF-2与支气管肺发育不良(BPD) BPD是一种慢性肺部疾病,常因长期高氧暴露或机械通气肺损伤等因素所致,主要发生于早产儿,其中胎龄<32周早产儿BPD发生率为12.3%～30.0%[18]。目前,BPD主要病理改变为早、中期持续肺组织炎症反应和晚期肺间质纤维化,具体的发病机制至今尚未完全明晰[19]。KGF-2在体内和体外对氧化应激均有明显抑制作用,有研究发现,在BPD新生鼠模型中,通过腹膜内注射重组人KGF,受抑制的新生鼠肺泡发育得以明显改善,主要是KGF-2通过促使过氧化物还原酶Prdx6激活及抗氧化物Trx-1表达上调,从而减轻氧化应激和自由基形成,增强肺泡抗氧化能力,提高AECⅡ的存活率并显著减少肺泡中性粒细胞流入及拮抗Caspase-3的表达[20-21]。有关新生小鼠BPD模型的研究发现,KGF-2mRNA的3′-UTR与microRNA-421相结合,阻断Bcl-2经线粒体依赖机制对凋亡信号通路的保护作用,提高促凋亡蛋白Bax及炎症因子的表达,继而抑制KGF-2的转录,减少肺泡上皮细胞凋亡[22]。此外有研究认为,KGF-2能抑制TGF-β等重要促纤维化因子的产生和分泌,二者呈负线性相关,均可作为反映BPD病情的重要指标[23]。一项对1 400例早产儿的荟萃分析显示,低水平KGF-2与BPD相关性肺动脉高压(BPD-PH)的发生、发展有关,究其原因可能是KGF-2缺乏导致肺泡弥散功能障碍、肺血管减少及血管重塑异常[24]。显著降低血管内皮生长因子、血小板内皮细胞黏附分子等内皮标志物的生成,阻断FGFR2b配体活性,增加IL-6表达水平,减少IL-10表达水平,激活JAK-STAT信号通路,最终引起α-平滑肌肌动蛋白阳性细胞增加和血管生成受损,导致BPD-PH[25]。TAGHIZADEH等[26]研究还发现KGF-2的过表达和重组人KGF-2的应用可弥补转基因小鼠的肺泡先天发育不良。

3.2KGF-2与急性呼吸窘迫综合征(ARDS) ARDS是新生儿时期常见的危重症之一,临床症状重,病死率高,发病机制尚未完全阐明[27]。根据国际新生儿ARDS多中心研究报告,ARDS主要继发于脓毒血症、吸入相关性肺损伤(以胎粪吸入最多)、新生儿肺炎等疾病,临床表现为不同程度的低氧血症,双肺弥漫性透光度下降,炎性渗出,肺顺应性下降[28]。近年来有关ARDS与KGF-2之间相互联系的文献诸多。有研究发现在ARDS小鼠模型中,KGF-2于48 h内在支气管肺泡灌洗液中检测到其表达减低,而生后第4天检测其合成水平显著增加,说明KGF-2的增殖、分化程度在不同时段存在差异,在ARDS发生、发展中起一定的作用[29]。其他ARDS相关体外实验还发现,经腹膜内注射重组人KGF-2可减少炎症细胞聚集,降低内皮细胞凋亡并增加内皮细胞增殖,表明使用外源性重组KGF-2有助于肺损伤修复,稳定上皮细胞完整性[30]。近年来,有研究发现MSCs表面可表达KGF-2受体,因其生物学特性、便于提取培养、低免疫原性而显示出治疗ARDS的前景[31]。WANG等[32]研究显示,在脂多糖诱导的ARDS小鼠模型中,静脉注射KGF-2修饰的肺来源MSCs(LR-MSCs)植入物可显著减轻肺干湿比重,增加肺容积,改善病理性肺损伤。与骨髓来源MSCs相比,LR-MSCs增殖率及集落形成能力更高,对预防肺损伤更有效[33]。KGF-2还可以通过激活cAMP/PI3K/Akt和减少NF-κB介导的炎症反应,上调Tregs细胞和Th17细胞的比例,增加表面活性剂蛋白质SP-C的表达,从而缓解ARDS[34]。

3.3KGF-2与呼吸机相关性肺损伤(VILI) 近年来,VILI的发生率随着有创机械通气在危重新生儿中的应用逐年上升,其发病机制主要涉及肺泡上皮细胞损伤凋亡及局部炎症。目前临床为了尽可能规避VILI的发生,常采用低潮气量肺保护性通气策略治疗为主,但尽管如此,低潮气量肺保护性通气策略仍然可引起炎症反应加剧和促纤维化反应的发生导致某些肺部区域损伤[35]。BI等[36]在VILI大鼠模型中发现,经气管内滴入重组人KGF-2可以减少中性粒细胞的浸润和活化,抑制相关趋化因子聚集,增加动脉血氧分压水平,进一步修复肺内弥散屏障功能。UPADHYAY等[37]发现KGF-2可通过激活Grb2-SOS/Ras/Raf-1途径促进MAPK/ERK磷酸化,上调肺泡上皮细胞中Na+-K+-ATP酶活性,减弱机械拉伸诱导的肺泡上皮细胞DNA损伤和细胞凋亡。有研究发现,VILI小鼠静脉内注射预活化的新鲜冷冻无异源性MSCs,可明显增加肺顺应性及IL-10抗炎能力、启动干扰素-γ表达、改善肺上皮损伤修复,而以上这些作用可能是通过MSCs分泌KGF实现的[38]。因此KGF-2可通过动员MSCs发挥肺损伤保护作用。

3.4KGF-2与致死性肺发育障碍(LLDD) LLDD是罕见的新生儿肺部疾病,病死率接近100.0%,包括腺泡发育不良(AcDys)、先天性肺泡发育不良(CAD)和肺泡毛细血管发育不良伴肺静脉错位[39]。BARNETT等[40]在AcDys患儿中发现,纯合FGFR2错义突变可能是该病的致病基因,通过研究p.R255Q突变位点对下游信号传导的影响,发现FGFR2错义突变可导致MAPK/ ERK通路中部分受体蛋白和下游信号传递失活,表明AcDys患儿存在FGFR2基因部分功能缺失。HAARMAN等[41]的一项动物实验发现,KGF-2基因敲除小鼠出现多种严重的肺部疾病表型,认为KGF-2缺乏导致肺组织修复作用明显减弱,肺形态缺如,严重者围生期死亡。BZDEGA等[42]研究发现在肺发育过程中,KGF-2表达及激活信号传导均受TBX4调控,二者呈正相关,二者的蛋白质产物是上皮间充质信号通路的组成部分,参与调控肺和其他器官分支发育过程,且通过外显子和全基因组测序显示LLDD患儿存在TBX4-FGF10-FGFR2上皮-间质信号通路的缺陷。KAROLAK等[43]报道的5例CAD病例中发现,杂合子KGF-2拷贝数缺失或单核苷酸变异可导致CAD的致命风险显著增加,提示KGF-2基因突变或基因位点单核苷酸多态性(SNP)是该病的潜在危险因素。随后有研究发现,KGF-2基因2个外显子缺失(g.44300489/44312646del)亦与CAD的致病相关,故该病可能主要由于KGF-2基因突变后功能缺失所致[44]。

4 小结与展望

综上所述,KGF-2作为一种细胞生长因子,具有多功能生物学作用,其缺失或基因突变与新生儿部分肺部疾病的发生、发展密切相关。未来关于KGF-2与新生儿肺部疾病关系的研究尚需全面、深入探讨。随着基因组学和分子生物学研究的快速发展,生物制剂逐渐成为新生儿呼吸系统疾病干预治疗的研究热点。其中,KGF-2作为肺组织发育过程中的重要保护性因子,有望为新生儿肺部疾病的防治提供新的靶点及理论参考依据。