上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化在慢性阻塞性肺疾病氣道重塑中的作用

2022上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化在慢性阻塞性肺疾病氣道重塑中的作用(全文)摘要慢性阻塞性肺疾病(COPD)發(fā)病率高，危害大，以持續(xù)性氣流受限為主要特點(diǎn)，氣道重塑是導(dǎo)致肺功能下降的主要病理基礎(chǔ)，其發(fā)病機(jī)制仍不清楚。上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化(EMT)在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移、損傷修復(fù)、器官纖維化中起重要的作用。氣道上皮是抵御有害顆粒物的第一道防御屏障，氣道上皮細(xì)胞具有轉(zhuǎn)分化能力，通過Smad信號通路和多條非Smad通路參與了COPD的氣道重塑。初步研究提示拮抗EMT信號通路可能有助于減輕COPD氣道重塑，未來需要進(jìn)一步探索來尋找更有效的治療靶點(diǎn)，來改善COPD患者的肺功能和預(yù)后。COPD的特點(diǎn)為持續(xù)性氣流受限，其主要病理基礎(chǔ)是氣道重塑和肺實(shí)質(zhì)毀損。氣道重塑的本質(zhì)是細(xì)胞外基質(zhì)合成與降解失衡所導(dǎo)致的組織纖維化形成，其主要效應(yīng)細(xì)胞是成纖維細(xì)胞［1］。成纖維細(xì)胞來源可能有3個途徑:組織局部成纖維細(xì)胞增殖、血液循環(huán)纖維細(xì)胞的募集、上皮細(xì)胞-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化(epithelial-mesenchymaltransitionEMT)途徑［2］。EMT這一現(xiàn)象最早是在觀察雞胚胎發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)的，由Hay［3］于20世紀(jì)70年代后期正式提出°EMT不僅在胚胎發(fā)育，而且在惡性腫瘤轉(zhuǎn)移、損傷修復(fù)、器官纖維化中起重要的作用°EMT是否參與了COPD發(fā)病以及其具體作用機(jī)制如何，本文就此作一綜述。氣道上皮與COPD氣道上皮組織表面由纖毛細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、Clara細(xì)胞和基底細(xì)胞組成；纖毛細(xì)胞從氣管到遠(yuǎn)端呼吸性細(xì)支氣管均可見，隨著氣道直徑的減小，纖毛細(xì)胞的高度由假復(fù)層柱狀細(xì)胞向單層柱狀細(xì)胞遞減，這些氣道上皮細(xì)胞通過細(xì)胞間上皮緊密連接形成有效的物理屏障，抵御病原體和有害物質(zhì)的侵襲［4］。重要的是，氣道上皮也是啟動肺部先天免疫反應(yīng)的第一道防線［5］。煙草煙霧等有害物質(zhì)長期暴露可損傷氣道上皮組織導(dǎo)致COPD發(fā)生。COPD病理改變包括肺氣腫、慢性支氣管炎和肺血管改變［6］。大氣道病變可見纖毛倒伏、上皮鱗狀化生、黏液腺肥大、網(wǎng)狀基底膜破裂、黏膜下基質(zhì)增多、氣道平滑肌增生肥厚等。黏液分泌過多和黏液細(xì)胞增生是大氣道病變的特征，而炎癥和纖維化是小氣道病變最重要的病理改變。COPD的氣流受限是由外周而非中央氣道管腔大小決定的，正常人肺內(nèi)小氣道直徑<2mm）氣流阻力微乎其微，但對于COPD患者來說小氣道卻是氣流阻塞的最主要部位。反復(fù)的氣道損傷-修復(fù)循環(huán)導(dǎo)致氣道重塑，這種病變早于肺氣腫形成［7］；相對于肺氣腫而言，小氣道重塑是COPD氣流受限的主要原因［8］。氣道重塑纖維沉積過多的主要效應(yīng)細(xì)胞是成纖維細(xì)胞，其來源仍未完全知曉。EMTEMT的概念上皮細(xì)胞在各種誘發(fā)因素作用下，經(jīng)過多方面生化改變，失去與基底膜連接的細(xì)胞極性等上皮表型，而獲得較高的遷移與侵襲、抗凋亡和降解細(xì)胞外基質(zhì)的能力等間質(zhì)表型，這一生物過程稱為EMT。即細(xì)胞從具有緊密連接、立方形、極性和缺乏動力的上皮細(xì)胞表型，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞間作用松散、梭形的、無極性、活動力強(qiáng)和能產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)的間質(zhì)細(xì)胞表型°EMT在胚胎發(fā)育、腫瘤轉(zhuǎn)移、損傷修復(fù)、器官纖維化中起重要作用［9］。最新研究指出，體內(nèi)EMT的顯著特征從上皮狀態(tài)到間充質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變通常是不完全的，導(dǎo)致細(xì)胞停留在同時保留上皮和間充質(zhì)特征的中間狀態(tài)。重要的是，這些不同的中間狀態(tài)具體取決于所在的生物學(xué)環(huán)境［10］。因此，EMT并不是全或無的二元過程，而應(yīng)該是一個連續(xù)性的動態(tài)過程［11］。EMT分型2.2.1EMT亞型1該類型發(fā)生在胚胎發(fā)育形成的正常生理過程中。中胚層原始間充質(zhì)細(xì)胞通過EMT的方式形成，隨后，中胚層的間充質(zhì)細(xì)胞通過"間充質(zhì)細(xì)胞-上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化"的方式，產(chǎn)生次級上皮細(xì)胞，最后形成中胚層和內(nèi)胚層結(jié)構(gòu)中分化發(fā)育成熟的上皮細(xì)胞。此類型只完成胚胎器官發(fā)育，而不會形成纖維化。EMT亞型2該類型發(fā)生在成熟組織細(xì)胞被持續(xù)炎癥等刺激因素所導(dǎo)致的損傷修復(fù)過程中，由上皮細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞直接轉(zhuǎn)分化為成纖維細(xì)胞，最終結(jié)果是導(dǎo)致纖維化。EMT亞型3該類型發(fā)生在上皮來源腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移過程中。在原腫塊處第一步由上皮性腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為轉(zhuǎn)移性瘤細(xì)胞，接著遷移到遠(yuǎn)處形成繼發(fā)性腫瘤結(jié)節(jié)。此類型不是導(dǎo)致纖維化，而是轉(zhuǎn)分化成轉(zhuǎn)移性瘤細(xì)胞，導(dǎo)致腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移［11］。EMT生物標(biāo)志物EMT的發(fā)生過程除了形態(tài)學(xué)改變明顯之外，也會發(fā)生較多生化改變。上皮組織具有明顯的極性，細(xì)胞間結(jié)合緊密，其連接方式有緊密連接、橋粒連接和縫隙連接，由閉鎖蛋白、閉合蛋白、細(xì)胞角蛋白等構(gòu)成，E-cadherin為其主要成分［12］。因此，使用的上皮細(xì)胞標(biāo)志物主要有E-cadherin、細(xì)胞角蛋白等。間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物常用的有波形蛋白、成纖維細(xì)胞特異性蛋白1(fibroblast-specifiprotein-1,FSP1)、a?平滑肌肌動蛋白等。波形蛋白是存在于大多數(shù)間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的中間絲，與微管及肌動蛋白一起組成細(xì)胞骨架。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白包括纖連蛋白、層黏連蛋白、I型膠原蛋白等，也可用作EMT間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物［13］。EMT與COPD氣道重塑損傷后的肺穩(wěn)態(tài)取決于肺組織上皮組織完整性的有效恢復(fù)，病理性損傷-修復(fù)循環(huán)導(dǎo)致纖維化在許多肺部疾病中被關(guān)注，包括肺間質(zhì)纖維化、COPD、哮喘、囊性纖維化、肺移植閉塞性細(xì)支氣管炎等［14］。目前認(rèn)為，分泌細(xì)胞外基質(zhì)的成纖維細(xì)胞池?cái)?shù)量的增加可能有3種來源：組織局部成纖維細(xì)胞增殖、血液循環(huán)成纖維干細(xì)胞的募集、EMT途徑。EMT在肺發(fā)育和肺癌中的作用被廣泛接受，但是EMT在氣道纖維化疾病中的存在和作用不是很清楚，可能與缺乏對細(xì)胞環(huán)境可塑性和異質(zhì)性的認(rèn)識有關(guān)［15］。較多體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)氣道上皮細(xì)胞具備發(fā)生EMT的潛力。轉(zhuǎn)化生長因子^transforminggrowthfactor-0，TGF-f)是一種有效的EMT誘導(dǎo)劑，早在十年前，Kuroishi等［16］首先報(bào)道小鼠原代氣道上皮細(xì)胞在TGF-01作用下可發(fā)生EMT，實(shí)驗(yàn)采用TGF-01刺激原代培養(yǎng)的小鼠氣道上皮細(xì)胞，14d后檢測發(fā)現(xiàn)上皮細(xì)胞表型標(biāo)志物表達(dá)明顯減少，而o-平滑肌肌動蛋白、波形蛋白等間質(zhì)細(xì)胞表型標(biāo)志物表達(dá)明顯增多，并且免疫熒光染色提示上皮細(xì)胞標(biāo)志物和間質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物共表達(dá)現(xiàn)象。Doerner等［17］接著在人支氣管上皮細(xì)胞系和人原代上皮細(xì)胞也證實(shí)可誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞發(fā)生EMT。眾所周知，吸煙和生物燃料煙霧暴露是COPD重要的危險(xiǎn)因素。最近有研究采用煙草煙霧提取物可誘導(dǎo)不吸煙者、吸煙者和COPD患者的原代支氣管上皮細(xì)胞發(fā)生EMT，其機(jī)制可能是通過活性氧自由基的產(chǎn)生從而促進(jìn)TGF-但的表達(dá)，同時降低環(huán)磷酸腺苷的水平［18］。通過人支氣管上皮細(xì)胞系（16HBE）,使用尼古丁、木材煙霧凝集物等刺激細(xì)胞72h后，也觀察到上皮細(xì)胞形態(tài)向成纖維細(xì)胞樣改變，上皮細(xì)胞表型標(biāo)志物與間質(zhì)細(xì)胞表型標(biāo)志物共表達(dá)，呈現(xiàn)EMT特征性改變［19,20］。目前，EMT在COPD氣道重塑中作用的體內(nèi)研究并不多。在大氣道方面，Sohal等［21,22］通過支氣管鏡活檢大氣道上皮組織，進(jìn)行EMT標(biāo)志物免疫組織化學(xué)染色，對比分析吸煙COPD患者、既往吸煙COPD患者、吸煙肺功能正常者、不吸煙肺功能正常者4組之間的網(wǎng)狀基底膜破裂程度和EMT標(biāo)志物染色情況，結(jié)果顯示COPD患者和吸煙者的氣道上皮基底層細(xì)胞處可見到FSP1和波形蛋白雙染陽性并伴有表皮生長因子受體表達(dá)增長的細(xì)胞；部分細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞角蛋白與FSP1共染色，這些強(qiáng)烈提示上皮細(xì)胞通過網(wǎng)狀基底膜破裂處遷移進(jìn)入上皮下固有層，分化為成纖維細(xì)胞樣間質(zhì)細(xì)胞，產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)導(dǎo)致氣道重塑，首次揭示體內(nèi)EMT參與COPD患者的氣道重塑的證據(jù)。與Sohal等［21］的研究選取大氣道組織標(biāo)本不同，有文獻(xiàn)報(bào)道在吸煙COPD患者小氣道組織標(biāo)本也觀察到了EMT參與氣道重塑的依據(jù)［18,23］。Gohy等［24］通過手術(shù)切除肺組織標(biāo)本，在小氣道和大氣道活檢中均證實(shí)COPD患者的傳導(dǎo)氣道管壁組織上都存在EMT特征，并首次發(fā)現(xiàn)COPD氣道上皮EMT改變與氣道上皮下纖維沉積和氣流受限呈正相關(guān)。大鼠被暴露于生物燃料煙霧7個月來制作生物燃料相關(guān)COPD動物模型，通過免疫組織化學(xué)染色發(fā)現(xiàn)上皮下成纖維細(xì)胞數(shù)增加明顯，并在小氣道上皮組織發(fā)現(xiàn)E-Cadherin和FSP1共染色的細(xì)胞，證實(shí)EMT參與了生物燃料煙霧暴露相關(guān)氣道重塑的發(fā)生［20］。盡管體內(nèi)、體外研究均提供了一些證據(jù)提示EMT與COPD的氣道重塑密切相關(guān)，但EMT在體內(nèi)應(yīng)該是一個動態(tài)完整的過程，而目前的研究提供的僅僅是其中的部分片段，需要探索更好的能夠動態(tài)觀察的實(shí)驗(yàn)方法，來全程追蹤EMT在體內(nèi)發(fā)生、進(jìn)展的動態(tài)過程以及具體誘發(fā)機(jī)制。EMT信號通路各EMT亞型無論是在胚胎發(fā)生期間還是在諸如癌癥等發(fā)病機(jī)制中，能被多種生長因子、細(xì)胞因子、激素和細(xì)胞外某些因素所誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)，包括TGF-。成纖維細(xì)胞生長因子、肝細(xì)胞生長因子等，其中，TGF-。作為一個強(qiáng)力、主要的誘發(fā)因子研究最多，越來越多的研究證實(shí)Smad經(jīng)典通路和多條非Smad通路包括絲裂原活化蛋白激酶通路、Rho樣GTP酶信號通路、磷脂酰肌醇3-激酶通路）共同參與了TGF-。誘導(dǎo)的EMT，引起三大轉(zhuǎn)錄因子家族（Snail家族、ZEB家族、bHLH家族）表達(dá)改變，這些轉(zhuǎn)錄因子最后導(dǎo)致上皮標(biāo)志性蛋白的基因表達(dá)受抑制，而間質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)被激活［25］。這些靶基因中一部分是E-cadherin、閉鎖蛋白、緊密連接蛋白等的抑制因子，以及纖連蛋白、N鈣黏蛋白等的活化因子；還有一些作為EMT過程的信號分子，聯(lián)系不同的信號通路，發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。此外，Shh信號通路、Wnt/份catenin和Notch信號通路等也參與EMT發(fā)生，這些通路之間似乎相互串聯(lián)，并取決于受影響的特定上皮或內(nèi)皮細(xì)胞類型，從而對EMT起一定的調(diào)節(jié)作用［26］。EMT研究的臨床意義COPD是一種發(fā)病率、致殘率和病死率均高的慢性氣道疾病，目前尚無有效延緩肺功能下降的治療藥物，迫切需要深入研究COPD的發(fā)病機(jī)制，尋找新的治療靶點(diǎn)。目前的大多數(shù)研究都集中在疾病終末期，而COPD患者幾乎一半以上的小氣道在疾病早期階段已被破壞，導(dǎo)致肺功能下降。EMT在COPD早期患者的大、小氣道中都存在，與肺功能的下降顯著相關(guān)，其發(fā)病可能通過最初的上皮細(xì)胞損傷激活而觸發(fā)，要改變疾病軌跡，關(guān)鍵是要了解吸煙者早期損傷上皮細(xì)胞的機(jī)制，EMT可能在COPD氣道重塑的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用［11,27］。雖然目前臨床上還沒有EMT特異性的治療藥物，但新出現(xiàn)的證據(jù)表明，一些目前使用的藥物可能會影響EMT的過程。一項(xiàng)隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)研究顯示，與安慰劑相比，吸入丙酸氟替卡松6個月以上可抑制COPD患者大氣道中EMT相關(guān)的部分改變，但似乎無法完全消除，這是第一次報(bào)道吸入激素在COPD中的抗EMT作用研究［28］。矽肺動物模型研究發(fā)現(xiàn)，吡非尼酮可降低肺組織中TGF-01和Smad2/3的表達(dá)，進(jìn)而抑制EMT過程和肺纖維化，其作用可能與TGF-但/Smad信號通路有關(guān)［29］。Wang等［23］研究發(fā)現(xiàn)尿激酶型纖溶酶原激活劑受體在COPD患者小氣道上皮中的表達(dá)增加，使用ShRNA靶向沉默尿