肥大细胞在肺纤维化中的作用

卢 慧，郭胤仕

作者单位:200127上海交通大学医学院附属仁济医院过敏 (变态反应)科

肺纤维化 (pulmonary fibrosis，PF)是一组进行性纤维化性间质性肺疾病的共同终末期表现，以特发性肺纤维化 (idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)最为常见。IPF是一类病因不明的、呈慢性进行性纤维化改变的间质性肺疾病，病变通常局限在肺部，好发于中老年男性，主要表现为进行性加重的呼吸困难，伴限制性通气功能障碍和气体交换障碍，导致低氧血症，甚至呼吸衰竭，预后差。PF患者的肺组织学和胸部高分辨率CT影像多表现为普通型间质性肺炎 (usual interstitial pneumonia，UIP)［1］，其病理特征主要为肺间质组织中细胞外基质 (extracellular matrix，ECM)和胶原蛋白进行性聚积而逐步取代正常的肺间质组织，导致肺间质重塑，患者肺功能进行性下降，最终因呼吸衰竭而死亡［2］。

近年来的研究发现，肥大细胞在肺纤维化的发生及发展过程中发挥着非常重要的作用，现将肥大细胞在肺纤维化过程中的作用综述如下。

1 肥大细胞的分类及主要功能

肥大细胞起源于骨髓表达 CD34、C-kit和CD13抗原的多能祖细胞，在骨髓中进行扩增、成熟和归巢。肥大细胞的成熟和分化受多种细胞因子的影响，包括神经生长因子 (nerve growth factor，NGF)和集落刺激因子 (colony stimulating factor，SCF)等。成熟后的肥大细胞经血液循环运输至全身，并沿血管分布，主要定植于人的皮肤、淋巴组织、子宫、乳腺、膀胱以及呼吸道系统和消化系统。肥大细胞膜与血管上皮细胞基底膜相互连接，共同构成血管周边微环境［3-4］。

肥大细胞主要分为T亚型 (mast cells type T，MCTs)和TC亚型 (mast cells type TC，MCTCs)两大类。MCTs仅含有类胰蛋白酶，分泌白细胞介素 (interleukin，IL)-4和、IL-5，主要分布在黏膜组织中，是肺部主要的肥大细胞类型。肺部的MCTs分布于肺泡、气道上皮和黏膜下。MCTCs含有类胰蛋白酶和类糜蛋白酶，只分泌IL-4，不分泌IL-5。MCTCs主要分布在结缔组织中，肺部亦有分布，且集中在固有膜和黏膜下的上皮组织中［4］。

目前已知的肥大细胞的主要功能有招募、激活、分泌炎症因子，调节血管通透性、平滑肌细胞的收缩及成纤维细胞的生长［5］。活化的肥大细胞分泌的活性物质主要分为以下几类: (1)酶类:主要有类胰蛋白酶 (tryptase)、类糜蛋白酶 (chymase)、肥大细胞基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases，MMP)、羧肽酶 (carboxypeptidase);(2)细胞因子:主要有转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、碱性成纤维细胞生长因子 (basic fibroblast growth factor，bFGF)、粒细胞-单核细胞集落刺激因子 (granulocyte-monocyte colonystimulating factor，GM-CSF)等;(3)血管活性胺:组胺、5-羟色胺;(4)蛋白聚糖:肝素、硫化软骨素;(5)脂类:白三烯，包括白三烯B4(leukotriene B4，LTB4)、前列腺素2［5］。同时，肥大细胞的活化及功能亦受 IgE、CSF及其受体 c-kit(Thomas Hügle)、先天免疫受体等的调节，其中先天免疫受体主要包括Fc受体、Toll样受体、TNF受体、核苷酸结合寡聚化结构域蛋白 (nucleotide binding oligomerization domain，NOD) 样受体等［6］。

2 肥大细胞在组织、器官纤维化中的重要作用

除了在超敏反应中扮演重要角色外，肥大细胞在组织及器官纤维化中的重要作用也逐渐为人们所认识。肥大细胞主要通过分泌以下多种细胞因子和生物活性物质来诱导成纤维细胞的增殖、迁徙和、收缩，并以合成分泌胶原蛋白等方式参与组织、器官的纤维化进程［7］。

2.1 类糜蛋白酶

活化的肥大细胞所分泌的类糜蛋白酶是一种重要的纤维促进因子。继发性下肢淋巴水肿常伴皮肤增厚、色素沉积和组织纤维化，增厚的真皮层中有大量的肥大细胞的异常聚集，特别是在血管和扩张的淋巴管附近，这些病理组织中类糜蛋白酶和类胰蛋白酶表达均明显增高［8］。在自身免疫性肝炎中，类糜蛋白酶、α-平滑肌肌动蛋白 (α-smooth muscle actin，α-SMA)和TGF-β1表达增加，且肝纤维化程度与类糜蛋白酶的表达量有关［9］。类糜蛋白酶在肾间质细胞中的异常增高激活TGF-β和血管紧张素Ⅱ的信号通路，进而参与纤维化过程。在瘢痕组织中，类糜蛋白酶通过激活TGF-β1而促进成纤维细胞的增殖和ECM的分泌［8］。在来源于瘢痕疙瘩组织的成纤维细胞中，类糜蛋白酶通过增加血管紧张素Ⅱ、胶原蛋白Ⅰ、IL-1β的表达而诱发纤维化。使用类糜蛋白酶抑制剂可降低这些信号分子的表达［10］。

2.2 类胰蛋白酶

类胰蛋白酶是肥大细胞分泌的一种蛋白酶，为肥大细胞所特有，在其他类型的细胞中未有发现。活化的肥大细胞脱颗粒后类胰蛋白酶被释放到细胞基质中，刺激成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的合成。在许多与纤维化有关的病灶组织中均可检测到合成类胰蛋白酶的肥大细胞异常增殖，如慢性颌下腺炎、纤维性丘疹、口腔纤维瘤［11］、瘢痕形成［12］、药物诱导的牙龈增生［13］等。类胰蛋白酶可与多种调节因子相互作用，从而诱导成纤维细胞增殖，如激活蛋白酶激活受体2(protease activation receptor，PAR-2)、诱导静止期成纤维细胞DNA合成、促进胶原蛋白α-1合成［11］。

2.3 TGF-β

TGF-β是纤维化进程中的一个重要的调节因子，肥大细胞也是病灶组织中TGF-β的重要来源之一。TGF-β有3个亚型，人体细胞中以TGF-β1含量最高［14］。TGF-β1是血管紧张素Ⅱ的重要下游信号分子，可通过共同通路 (canonical pathway)、非共同通路 (noncanonical pathway)和非Smad通路 (non-Smad pathway)诱导各种与纤维化相关的生物学效应:激活前纤维化细胞因子、上调胶原蛋白表达、促进肌纤维母细胞和ECM合成。这三个途径涉及的信号通路和信号分子主要有:Smad 2/3/4、 PI3k/PAK2/Abl、 Akt/mTOR1、 ERK/MAPK通路、P38/MAPK 通路、Rho/ROCK/mDia1等［15］。在淋巴水肿［16］、硬皮病［17］、系统性硬化症 (systemic sclerosis，SSc)［18］、瘢痕疙瘩［19］等肥大细胞参与的纤维化病变的病灶中均可发现TGF-β表达的上调。在霍奇金淋巴瘤患者淋巴结组织中还可检测到异常增殖的TGF-β表达阳性的肥大细胞［20］。

2.4 IL-4

系统性硬化症 (systemic sclerosis，SSc)患者皮肤中肥大细胞数量增多，肥大细胞多与IL-4表达阳性细胞伴随分布。增加的肥大细胞被激活后分泌大量的功能蛋白质，参与皮肤的纤维化过程，组胺分泌增加 (至少是在病程早期)。同时，肥大细胞囊泡里合成大量TGF-β，并被转移至邻近的成纤维细胞，将其激活后使胶原蛋白的合成增加，在肥大细胞颗粒中贮存的IL-4和GM-CSF参与下，外周血来源的单核细胞被激活，后者促进肌纤维母细胞的聚积和内皮细胞的凋亡，加速纤维化进程。GM-CSF还诱导胶原蛋白和α-SMA表达，而在内皮素-1的协同作用下，GM-CSF诱导胶原蛋白表达的效率最高，可以提高30倍［6］。

2.5 IL-13

骨髓纤维化患者骨髓中的肥大细胞数量显著增多，且与骨髓纤维化程度呈正相关。这些异常增加的肥大细胞分泌TGF-β和IL-13，进而参与纤维化进程。它们通过旁分泌刺激成纤维细胞的增殖和纤维化，其中IL-13主要通过三个途径促进纤维化:(1)直接激活成纤维细胞，诱导纤维化;(2)上调巨噬细胞中精氨酸酶活性，促进L-鸟氨酸的合成，促进成纤维细胞增殖和纤维; (3)可能参与IgG4相关的纤维化［7］。在霍奇金淋巴瘤患者淋巴结组织中也观察到类似的现象［20］。

3 基于患者的肥大细胞与肺纤维化关系的研究

在肺纤维化的发生和发展过程中，肥大细胞发挥着非常重要的作用，主要表现为肺组织切片中肥大细胞数量增加且活性增强，激活的肥大细胞分泌多种调节因子，参与整个疾病的病理过程。有研究显示，在多种肺纤维化疾病的患者肺组织病理切片中均可观察到肥大细胞数量的增加，如隐匿性机化性肺炎、矽肺等［21］。在IPF患者的肺组织中，间质肥大细胞的数量是未纤维化肺病患者的10倍［22］。活化的肥大细胞主要分布于血管和支气管周围，尤其多见于纤维化位点和Ⅱ型肺泡细胞附近［5］，其中以 MCTCs的增加尤为明显［23］。研究发现肥大细胞的总数在胸膜下、小气道中不变，在肺血管中周围不变或减少［22-23］。肺纤维化程度与肺组织内肥大细胞的数量呈正相关［22］，同时肺功能损伤也随之加剧。肥大细胞数量较多的IPF患者用力肺活量 (forced vital capacity，FVC)的下降速率高于肥大细胞数量较少的患者［5，21］。

纤维化过程可使肺组织中的肥大细胞活化，分泌产物随之增加。在间质性肺疾病 (包括IPF)患者的与小气道相连的结缔组织中，c-kit+的活化肥大细胞所分泌的产物的表达量均增加，如类胰蛋白酶、类糜蛋白酶和MMP［22］。IPF患者肺组织中肥大细胞所合成的TGF-β含量增多，MCTCs密度和百分率与纤维化程度之间呈正相关。MCTCs的密度和TGF-β表达量与IPF患者肺功能间均呈负相关［23］。另有研究发现，IPF患者肺组织和肺泡灌洗液中肥大细胞分泌的类糜蛋白酶表达水平上调，而组氨酸分泌的增加、肾素-血管紧张素系统的激活均可刺激纤维母细胞，使胶原蛋白的分泌量增加［24］。

将来源于IPF患者的肺肥大细胞与肺成纤维细胞 (human lung fibroblasts，HLFs)共培养后可激活肥大细胞，导致类胰蛋白酶和Ⅰ型胶原的分泌量增加，同时HLFs的增殖速度加快，可能与PAR-2/PKC-α/Raf-1/p44/42通路激活有关。与IPF成纤维细胞共培养可提高肥大细胞的存活率和增殖力，这种细胞间的相互作用与c-kit/SCF信号通路有关［5］。

4 基于肺纤维化动物模型的研究

博来霉素 (bleomycin，BLM)诱导模型是目前最常见的肺纤维化动物模型，可用于制做大鼠、小鼠和仓鼠的肺纤维化模型。PF大鼠的研究发现渗透入肺组织中的肥大细胞数量增加，主要定植于血管、支气管及肺泡组织纤维化病变周围。肥大细胞通过分泌组胺和肥大细胞特异蛋白酶等促进成纤维细胞增殖和肺泡纤维化［25-26］。

对BLM诱导的小鼠PF模型进行研究发现，与其同系对照小鼠相比，肥大细胞基因缺陷小鼠［mast-cell-deficient WBB6F1-W/W(v)，MCD mice］对PF有保护作用，向MCD小鼠肺部移植肥大细胞可逆转这一作用。肥大细胞分泌的组胺和肾素通过血管紧张素Ⅱ参与纤维化进程，人和大鼠的成纤维母细胞表达组胺H1受体和血管紧张素Ⅱ受体AT1，当它们被激活时TGF-β的表达及胶原蛋白的合成和分泌量均上调［27］。

抗脂肪酸氧化的柑桔甙可抑制肥大细胞迁移至肺组织，从而延缓肺纤维化进程。二烯丙基硫醚(diallylsulfide，DAS)是一种从大蒜提取的有机硫化合物，对BLM诱导的PF有保护作用，其主要机制是通过抑制活性氧复合物诱导的肥大细胞增殖及激活，阻断G蛋白偶联受体 (protein-coupled receptors，PAR)-2超家族成员信号，减少ECM和胶原蛋白合成，抑制肺泡上皮细胞凋亡［25，28］。

类糜蛋白酶抑制剂可降低肺纤维化仓鼠的肺组织纤维化评分，减少肺内肥大细胞数量并抑制其活性，细胞中类糜蛋白酶表达降低，继而降低TGF-β、MMP-2、胶原蛋白的表达，减少内皮素-1介导的肺动脉血管收缩，使右心室重塑和增生减少，肺血管和肺纤维化减少，有效地缓解肺动脉高压和肺纤维化［29］。肥大细胞特异的类糜蛋白酶4(MCs and MC protease，MCPT4)是一种与人MCPT基因同源性最高的小鼠 MCPT基因，对MCPT4基因缺陷小鼠KitW-sh/W-sh进行研究，发现MCPT4参与BLM注射所致的肺早期炎症损伤，但野生型和基因缺陷型小鼠最终纤维化程度相当。研究提示，类糜蛋白酶不是唯一的诱导PF病程进展信号分子，单独使用类糜蛋白酶抑制剂治疗PF可能效果不理想［26］。

5 结论与展望

综上所述，PF是一类异质性的肺部病变，肥大细胞在某些类型的PF中扮演着重要的角色。深入研究不同类型PF中肥大细胞的作用有助于加深对PF病因和病理发展过程的认识，促进PF诊疗技术的发展。