肺纤维化的发病机制、病因及调控

第一阶段：受伤

由自身免疫或过敏反应、环境微粒、感染或机械损伤引起的损伤通常会破坏正常组织结构，引发愈合反应。侮辱后的炎症也会导致细胞损伤和组织破坏。必须更换受损的上皮细胞和内皮细胞，以保持屏障功能和完整性，并分别防止失血。对内皮细胞的急性损伤导致炎症介质的释放和抗纤溶凝血级联反应的启动，⁷用富含血小板和纤维蛋白的凝块暂时堵塞受损血管。肺匀浆、上皮细胞或BAL液⁸与COPD和对照组患者相比，IPF患者的血小板分化因子、X盒结合蛋白-1表达水平更高，⁹表明血栓形成反应持续激活。此外，凝血酶（一种将纤维蛋白原转化为纤维蛋白所需的丝氨酸蛋白酶）也容易在几种肺纤维化疾病的肺部和肺泡腔内检测到，¹⁰,¹¹,¹²进一步证实了凝血途径的激活。凝血酶还可以直接激活成纤维细胞，¹³增加增殖，促进成纤维细胞分化为胶原蛋白生成的肌成纤维细胞。¹⁴,¹⁵气道上皮损伤，特别是肺泡肺细胞损伤¹⁶可引发类似的抗纤溶级联反应，导致间质水肿、急性炎症区域和上皮与基底膜分离。¹⁷

血小板募集、脱颗粒和血栓形成迅速进入血管扩张阶段，通透性增加，¹⁸允许白细胞外渗并直接募集到受伤部位。基底膜在实质组织的上皮和内皮下形成ECM，阻止直接接触受损组织。为了破坏这一物理屏障，锌依赖性内肽酶，也称为基质金属蛋白酶（MMPs），裂解一个或多个ECM成分，使细胞渗入受损部位或从受损部位渗出。具体地说，MMP-2（明胶酶A，N型胶原酶）和MMP-9（明胶酶B，IV型胶原酶。¹⁹,²⁰,²¹在大多数研究中，但并非全部，²²MMP-2和MMP-9上调²³,²⁴,²⁵,²⁶强调纤维化条件下常见的组织破坏和再生过程。

MMP-2和MMP-9在过敏性气道炎症和重塑模型中的精确功能得到了很好的证明^−/−，基质金属蛋白酶-9^−/−和MMP-2^−/−基质金属蛋白酶-9^−/−双基因敲除小鼠。²⁷,²⁸在这些研究中，作者证明了MMP-2，更重要的是MMP-9，是成功地将炎症细胞从炎症组织中排出和清除到空域中所必需的。在缺乏这些基质金属蛋白酶的情况下，细胞被困在肺实质内，无法进入空气空间，导致致命窒息。

MMPs的活性受多种机制控制，包括转录调节、酶原调节和MMPs特异性组织抑制剂。基质金属蛋白酶和各种抑制机制之间的平衡可以调节炎症，并确定愈合反应期间沉积的胶原蛋白的净量。⁴

第二阶段：炎症

一旦到达组织损伤部位，趋化因子梯度就会招募炎症细胞。中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、，²⁹急性损伤部位可见淋巴细胞和巨噬细胞，吞噬细胞清除细胞碎片和坏死区域。特异性炎症细胞对下游纤维化的影响，特别是在IPF中，是有争议的(³⁰,³¹,³²最近被审查³³). 一个学派的观点来源于抗炎药在IPF治疗中几乎没有疗效的观察³⁴,³⁵,³⁶和常见的间质性肺炎患者。根据这些观察结果，许多研究人员认为炎症本身可能不是纤维化的促成因素。然而，我们认为，这一争议反映了我们对IPF所涉及的病原体和机制的了解和洞察力有限。炎症事件发生的时间可能决定炎症过程所起的作用。在疾病后期减轻的早期炎症可能促进伤口愈合，并可能导致纤维化。例如，提供炎性细胞因子和趋化因子的嗜酸性粒细胞、中性粒细胞、淋巴细胞和巨噬细胞的早期招募可促进局部TGFβ和IL-13。³⁷,³⁸,³⁹,⁴⁰,⁴¹然而，在最初的损伤和炎症细胞波动之后，炎症细胞的后期补充可能有助于吞噬，清除细胞碎片，并控制过度的细胞增殖，这些共同有助于正常愈合。因此，晚期炎症实际上可能具有抗纤维化作用，并且可能是成功解决创伤愈合反应所必需的。例如，富含吞噬细胞巨噬细胞的晚期炎症特征，⁴²除了分泌IL-10的调节性T细胞外，还可以帮助成纤维细胞清除，抑制局部趋化因子的产生和TGFβ，⁴³可以防止成纤维细胞过度活化。因此，IPF患者没有炎症反应，³⁶而炎症不参与的解释可能只是时间问题。事实上，抑制内源性抑制和吞噬途径的皮质类固醇甚至可能有害。然而，不应忘记，导致肺纤维化的机制是多种多样的，基因、环境和免疫相互作用调节着整个过程。

侮辱或病原体的性质往往决定了随后的炎症反应的性质。例如，病原体识别受体（如toll-like受体和NOD-like受体）识别诸如病原体相关分子模式（PAMP）之类的外源刺激，并影响固有细胞对入侵病原体的反应。⁴⁴内源性危险信号⁴⁵也可以影响局部固有细胞并协调炎症级联反应。对于免疫学家来说，将免疫反应类型分为1型（Th1细胞、IFNγ、TNFα和IgG2抗体反应，通常被认为是促炎性的）2型（Th2细胞、IL-4、IL-5、IL-13和IgE，通常被认为是伤口愈合反应）和17型（Th17细胞，最近与促炎性疾病有关）基于T辅助细胞主导的细胞因子反应，尽管常常过于简单，但可以更容易地进行讨论。

炎症反应的性质会显著影响常驻组织细胞和随后的炎症细胞。炎症细胞本身也通过分泌趋化因子、细胞因子和生长因子进一步传播炎症。许多细胞因子参与创伤愈合和纤维化反应，特定的基因组在各种条件下被激活。例如，哮喘患者的慢性过敏性气道疾病通常与2型细胞因子（IL-4、IL-5、IL-13、IL-9、IL-3）升高有关⁴⁶)而IPF患者更经常出现促炎细胞因子（IL-1α、IL-1β、TNFα、TGFβ和血小板衍生生长因子（PDGF））⁴⁷). 在各种肺纤维化条件下的许多细胞因子中，IL-4、IL-13和TGF-β受到了极大的关注。这些细胞因子中的每一种都能表现出显著的促纤维化活性，⁴⁸,⁴⁹,⁵⁰,⁵¹通过成纤维细胞、巨噬细胞和肌成纤维细胞的招募、激活和增殖发挥作用。²

囊性纤维化与囊性肺病

就病因而言，囊性纤维化（CF）在肺纤维化疾病中是独特的，可归因于单个基因突变，使其成为高加索人最常见的单基因疾病，每2500-4000人中就有1人发病。¹⁸²

CF跨膜电导调节剂（CFTR），¹⁸³是基因“阿基里斯治愈”导致了这种疾病。CFTR蛋白产品是一种氯离子通道蛋白，存在于肺部、肝脏、胰腺、肠道、生殖道和皮肤的细胞膜中。¹⁸⁴,¹⁸⁵,¹⁸⁶然而，CF患者死亡的主要原因是肺部疾病。¹⁸⁴除了CFTR突变的直接影响外，还导致cAMP介导的氯跨上皮分泌不足和粘液调节功能障碍，CF患者容易发生进行性肺损伤、粘膜下炎症，并增加细菌感染的易感性。¹⁸⁷长期雾化抗生素可限制细菌定植；¹⁸⁸,¹⁸⁹,¹⁹⁰然而，慢性感染的后果是反复出现肺损伤、慢性炎症、，¹⁹¹,¹⁹²气道重塑，¹⁹³和纤维化。慢性炎症反应，尤其是中性粒细胞反应，是CF的重要病理特征等。 ¹⁹⁴最近发现，中性粒细胞弹性蛋白酶（一种在CF患者BAL液中显著升高的酶）可以促进前MMP9并抑制TIMP-1，从而破坏蛋白酶/抗蛋白酶平衡。¹⁹⁴,¹⁹⁵,¹⁹⁶此外，上皮细胞再生和修复也可能被破坏，导致CF的肺生理改变。¹⁹⁷几个循环流化床反应器 ^−/−已经培育出患有不同程度肺病的小鼠，在不同的创始品系中鉴定CF-修饰基因。¹⁹⁸,¹⁹⁹,²⁰⁰完成了培育一只自发发展为肺部疾病的小鼠的重大任务，从而实现了对小鼠CF的病理生理解剖。循环流化床反应器 ^−/−小鼠出现实质间质增厚和纤维化，伴有粒细胞内流、成纤维细胞浸润和基质蛋白沉积。¹⁹⁹CF小鼠模型的开发使得针对抗炎反应的有趣研究成为可能，²⁰¹修饰基因的参与，²⁰²,²⁰³细菌感染的影响²⁰⁴,²⁰⁵以及多器官并发症。²⁰⁶

放化疗所致肺损伤

胸部放射治疗（RT）用于治疗肺癌、食管癌、乳腺癌和淋巴癌。然而，RT的一个常见剂量限制并发症是肺间质损伤和炎症的发展，通常被称为辐射性肺炎和纤维化病灶的出现。²⁰⁷,²⁰⁸,²⁰⁹RT诱导的纤维化有多种机制，包括肺泡损伤，²¹⁰活性氧（ROS）增加以及ROS对薄壁细胞的毒性作用，²¹¹,²¹²增殖相关转录因子的破坏，²¹³炎症细胞的涌入，如巨噬细胞和淋巴细胞。²¹⁴,²¹⁵此外，调节失调的促炎和促纤维化细胞因子、TGFβ、IL-6、MMPs、，²¹⁶,²¹⁷,²¹⁸,²¹⁹,²²⁰和趋化因子，²²¹除了减少辐射后的抗炎细胞因子外²²²可进一步加剧炎症和创伤愈合反应。动物模型揭示了RT诱导纤维化的遗传决定因素²¹³,²²³与人类相似的基因型相关关联。²²⁴总之，胸部RT可对肺部辐射敏感的肺泡区域造成严重损害，引发失调的炎症级联反应，富含促炎和促纤维化介质。失调的趋化因子、转录因子和抗炎途径会进一步加剧这种不受控制的反应，导致肺纤维化。

与放射治疗类似，化疗可导致肺损伤，其后果因剂量率、持续时间、先前存在的肺部疾病以及伴随的类固醇使用而异。²²⁵,²²⁶这个垂直链霉菌-衍生抗生素博来霉素（BLM），²²⁷对鳞状细胞癌和皮肤肿瘤有效；²²⁸然而，与RT一样，不利的副作用包括肺部的炎症和纤维化反应。BLM诱导的炎症在接受治疗的患者中发生率高达46%²²⁹由于这些组织中缺乏内源性博莱霉素灭活酶博莱霉素水解酶，肺部和皮肤出现并发症。²³⁰

动物模型的发展有助于我们理解BLM诱导的纤维化，动物模型再现了许多但不是全部人类疾病的特征。²³⁰BLM可直接导致细胞死亡²³¹并减少O₂自由基，导致DNA断裂。²³²根据给药途径，上皮细胞和内皮细胞是最早受影响的细胞，²³³引起富含白细胞的炎症反应。在动物模型中阻断这种炎症反应，使用抗CD11抗体抑制细胞外渗，显著减少肺胶原蛋白和纤维化，表明炎症细胞对由此产生的纤维化反应的重要贡献。²³⁴炎症细胞因子、TNFα、，²³⁵IL-1β，²³⁶白介素-6²³⁷和原纤维转化生长因子β²³⁸,²³⁹伴有FAS-L表达细胞，导致更多凋亡。¹⁶,²⁴⁰阻断TNFα、IL-1、FAS-抗原或TGFβ可以减轻BLM给药后的炎症反应和由此产生的纤维化反应。²³⁵,²⁴⁰,²⁴¹,²⁴²因此，TNFα、IL-1、IL-6和TGFβ可能是参与BLM诱导的纤维化的许多介质中的一些。BLM模型已被用于分析多种细胞因子在肺纤维化反应中的作用。2型细胞因子的参与尚不清楚，IL-4和IL-5没有发挥显著作用，²⁴³,²⁴⁴,²⁴⁵而IL-13，或者直接⁹⁰或间接通过TGFβ，⁸⁰,⁸¹有助于纤维化反应。还有证据表明，1型细胞因子参与其中，²⁴⁶在IFNγ中观察到炎症细胞减少、肺羟脯氨酸含量、体重减轻和死亡率^−/−老鼠。²⁴⁷阻断IFNγ促进细胞因子IL-12或IL-12的种系缺失²⁴⁸产生了类似的结果。²⁴⁸BLM虽然引起显著的炎症反应，但也能促进成纤维细胞增殖²⁴⁹内皮细胞产生转化生长因子β²⁵⁰直接。因此，BLM具有多种性质，直接导致细胞死亡和凋亡，引发炎症反应，促进成纤维细胞增殖和TGFβ的产生。由于这些原因，BLM诱导的纤维化小鼠模型提供了一个很好的工具，可以分析参与药物诱导纤维化的许多途径、细胞和介质的相对贡献。

哮喘和过敏性气道炎症

过去30年来，过敏性气道炎症和哮喘患者的数量出现了前所未有的增长，尤其是在发达国家和发展中国家的城市地区。²⁵¹过敏性哮喘是一种多基因疾病，²⁵²以过敏原特异性IgE和IgG1、气道和间质嗜酸性粒细胞增多、粘液分泌和气道高反应性为特征。²⁵³慢性哮喘伴有反复接触过敏原和粘膜表面炎症失调，可导致杯状细胞增生、平滑肌肥大和增生、血管生成，最终导致上皮下纤维化。²⁵⁴,²⁵⁵,²⁵⁶,²⁵⁷

CD4细胞⁺Th2细胞在树突状细胞或嗜碱性粒细胞衍生的IL-4和IL-25的驱动下，协调了过敏性炎症的许多方面。²⁵⁸,²⁵⁹,²⁶⁰,²⁶¹,²⁶²,²⁶³分泌细胞因子的Th2细胞的激活和释放进入肺的间质和粘膜表面传播局部细胞流入。更具体地说，Th2衍生细胞因子IL-5和IL-9动员、成熟和招募嗜酸性粒细胞和肥大细胞⁷⁰,²⁶⁴,²⁶⁵这些细胞通常在哮喘患者的活检中发现。TGFβ在人类哮喘患者中也显著升高⁴¹,²⁶⁶,²⁶⁷,²⁶⁸,²⁶⁹,²⁷⁰上皮下纤维化程度与用力呼气量（FEV）损失相关₁). 嗜酸性粒细胞、转化生长因子β和上皮下纤维化增加的观察结果导致Flood-page等。 ²⁷¹研究转化生长因子β的特异性细胞来源。事实上，86%的TGFβmRNA⁺哮喘患者支气管粘膜中的细胞为嗜酸性粒细胞，这表明嗜酸性粒胞是过敏性肺中促纤维化TGFβ的重要来源。³⁹此外，一些研究已确定胶原沉积与组织嗜酸性粒细胞和肌成纤维细胞数量增加相关¹⁹,³⁸以及粘膜下MMP9和MMP12的表达。²⁷²

这些观察结果导致了一些临床试验和使用抗IL-5抗体阻断组织嗜酸性粒细胞增多症的治疗方案，但收效甚微。治疗过敏性哮喘患者和特应性皮炎患者，²⁷³抗IL-5抗体（美泊利单抗）导致组织嗜酸性粒细胞显著减少，²⁷¹,²⁷⁴尽管晚期皮肤过敏反应没有改变。最引人注目的是抗IL-5治疗后细胞外基质（tenascin、lumican和III型前胶原（COL3A））的厚度和密度降低，这表明IL-5介导的组织嗜酸性粒细胞增多症确实是ECM沉积的原因。然而，尽管有这些令人鼓舞的结果，嗜酸性粒细胞在人类哮喘中的确切作用和参与仍存在争议，许多抗IL-5单克隆抗体的临床试验报告几乎没有临床改善。²⁷⁵,²⁷⁶

动物研究，使用IL-5缺乏小鼠²⁷⁷或嗜酸性粒细胞清除小鼠²⁷⁸,²⁷⁹支持嗜酸性粒细胞发挥重要作用，减少气道重塑，包括支气管周围纤维化和平滑肌厚度，以及慢性气道暴露后过敏性哮喘的其他几个特征。同样，阻断TGFβ²⁸⁰或干扰TGFβ信号²⁸¹也可以显著减轻慢性过敏原暴露后的气道重塑。

总之，动物模型已经证明了嗜酸性粒细胞和嗜酸性粒细胞衍生的转化生长因子β在气道损伤和重塑中的明确作用。然而，人类研究已经产生了一系列结果，需要进行额外的研究，以明确IL-5和嗜酸性粒细胞在哮喘气道上皮下纤维化进展和解决中的作用。

IL-13也可能是过敏个体的一种破坏性细胞因子。过敏性哮喘患者的许多病理状况可追溯至IL-13。例如，IL-13可以介导局部上皮杯状细胞增生²⁸²增加粘液生成⁹²这会阻塞小气道。²⁸³,²⁸⁴IL-13还可以促进上皮修复，²⁸⁵,²⁸⁶成纤维细胞生长，⁸⁵,²⁸⁷EMT、，²⁸⁸胶原蛋白沉积。⁹²除呼吸道上皮外，IL-13还可引起平滑肌增生²⁸⁹上皮下纤维化。⁸⁸与使用博莱霉素模型提出的机制类似，IL-13可以协同并促进促成纤维细胞转化生长因子β²⁹⁰,²⁹¹eotaxin生产，⁴⁰和TIMP表达。²⁹²因此，在过敏性哮喘的情况下，嗜酸性粒细胞、转化生长因子β和白细胞介素13都可能导致气道重塑和肺纤维化。

病因已知的不太常见的肺纤维化疾病

吸烟或职业接触产生的环境微粒会对肺部粘膜表面产生毒性影响。例如，涉及采矿或使工人接触石棉、金属粉尘或硅尘的工作可能会导致肺纤维化。²⁹³农业工人也会受到影响，²⁹³接触有机和无机物质，²⁹⁴,²⁹⁵烟雾，²⁹⁶或发霉的干草²⁹⁷导致过敏性炎症和纤维化，通常称为农民肺。²⁹⁸,²⁹⁹,³⁰⁰肉芽肿性肺病和结节病不太常见，全球发病率为16.5-19/100000。³⁰¹这些疾病受到遗传和环境因素的显著影响。迄今为止，尚未确定病原体。³⁰²肺泡巨噬细胞基因转录谱³⁰³这与结核分枝杆菌感染导致了细菌可能参与的假设。然而，迄今为止，尚未从结节病患者中分离出细菌。慢性炎症和炎性细胞丰富的肺肉芽肿的发展，³⁰⁴,³⁰⁵富含1型细胞因子和趋化因子¹²²,³⁰⁶,³⁰⁷,³⁰⁸,³⁰⁹和T细胞³¹⁰可显著破坏结节病患者的实质结构、内皮细胞和肺泡腔。人类和动物肺活检和死后组织切片的免疫组织化学分析表明，结节病患者肉芽肿中的胶原蛋白和纤维连接蛋白升高。³⁰⁵此外，在结节病肉芽肿中也观察到肉芽肿内原纤维转化生长因子β的共同表达。³¹¹,³¹²,³¹³尽管病因各不相同，但反复出现的肺损伤和炎症³¹⁴在许多这些纤维化疾病中是常见的，并且可能是肺纤维化发病机制的广泛基础。

炎症反应的调节：Tregs和IL-10

主要功能是抑制免疫细胞活化和增殖的T细胞通常被称为调节性T细胞（Treg）。尽管抗原特异性的具体细节、确切的抑制机制和区别特征仍在不断增加，但它们在纤维化反应中的作用尚未得到充分研究。然而，考虑到Tregs抑制炎症反应的能力，已经暗示了其干预上游事件和减缓纤维化进展的能力。特别是Treg衍生的IL-10和其他表面分子³⁴²虽然并非完全来源于Tregs，但可以作为一般免疫抑制剂³⁴³并控制纤维化。³⁴²已在IPF患者中发现IL-10基因信号序列的多态性，对应于IL-10生成的减少，表明在这种情况下内源性抗炎机制可能受损。支持这一观点的是，使用脂多糖诱导的IL-10缺乏小鼠肺损伤和纤维化进行的功能丧失研究导致了明显更强的炎症反应，上皮下增厚和胞外基质蛋白含量增加。³⁴⁴在获得功能的研究中，IL-10的诱导显著减少了小鼠模型中博莱霉素给药后的胶原沉积。³⁴⁵IL-10基因传递后，BAL液TNFα和中性粒细胞衍生MPO水平显著降低，另一项类似研究观察到巨噬细胞衍生TGFβ降低，⁴³表明IL-10抑制炎症细胞募集。³⁴⁵证实这些发现，Dosanjh等。 ³⁴⁶据报道，囊性纤维化患者BAL液中IL-8水平升高，IL-10水平降低。因此，IL-10可以减轻纤维化途径上游的炎症事件。除了抑制炎症事件外，IL-10还可以直接作用于成纤维细胞，减少TGFβ诱导的胶原生成。³⁴⁵在辐射诱导纤维化大鼠模型的肺损伤后，与对照肺相比，肺上皮层的肺细胞IL-10表达降低，这可能导致更大的局部炎症。²²²因此，IL-10免疫治疗，对缓解炎症反应的时机和时间有充分的了解，可能对肺纤维化疾病有希望。³⁴⁷除肺外，IL-10已被证明调节肾脏³⁴⁸和肝脏³⁴⁹炎症和纤维化。³⁵⁰治疗性操纵IL-10，尤其是内源性IL-10产生细胞，虽然可能存在但频率过低，无法显著阻止炎症冲击，这可能是一个有用的途径。这一点在过敏性气道炎症模型中得到了成功的证明，在该模型中观察到气道和组织炎症、粘液生成和气道高反应性减少。³⁵¹

IL-13Rα2和LAP：内源性纤维化抑制剂

如本综述所述，TGFβ和IL-13⁵¹,⁸⁴,⁸⁵,³⁵²,³⁵³是主要的促纤维化细胞因子，激活成纤维细胞，促进分化为α-SMA诱导的肌成纤维细胞和胶原生成。因此，严格调节和微调这两个强大的分子是至关重要的。IL-13Rα2是一种内源性诱饵受体，可减弱IL-13活性，如前所述，LAP是一种潜在相关蛋白，可使TGFβ处于非活性状态。据我们所知，到目前为止，还没有研究报告内源性LAP的特异诱导作用减弱TGFβ的生物活性；然而，从理论上讲，外源性重组LAP的引入可以用来减弱转化生长因子β的活性³⁵⁴（类似于抗TGFβ抗体²⁸⁰). 然而，在肾纤维化动物模型中观察到TGFβ结合蛋白endoglin的上调。³⁵⁵利用这一途径减弱TGFβ可能是另一种选择。虽然确切的机制尚不清楚，但将牛磺酸和烟酸引入小啮齿动物的饮食中可以减轻BLM诱导的纤维化，明显是通过减少TGFβ的产生，³⁵⁶提示膳食补充剂可能是有用的治疗方法。破坏TGFβ相关活性氧³⁵⁷或其他下游TGFβ信号通路³⁵⁸也要信守诺言。

IL-13Rα2主要由非造血细胞表达（未发表的观察结果），并减弱IL-13的活性体内.³⁵⁹鉴于IL-13可以在炎症和创伤愈合反应的多个阶段发挥作用，⁵¹,⁹²,²⁸⁴,²⁸⁸,³⁵⁸,³⁶⁰在许多肺部疾病模型中，IL-13的降低对肺部炎症和纤维化的程度有着深远的影响，这一点也不奇怪。⁸⁸,⁹⁰,³⁶¹已经描述了几种IL-13衰减方法，包括中和抗体，⁸⁷用sIL-13Rα2治疗，³⁵⁹,³⁶²,³⁶³,³⁶⁴或靶向IL-13Rα2表达细胞。所有这些研究的结论表明，以IL-13通路为靶点对纤维化的治疗具有很大的前景。

该审查通过同行审查得到改进，并由NIH/NIAID的校内研究计划资助。由于篇幅和文字的限制，我们向许多研究人员致歉，他们的工作我们在本综述中没有提及，但他们对我们目前对肺纤维化的理解做出了重大贡献。我们也感谢艾伦·契弗博士的有益评论。