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摘要
特发性肺纤维化（IPF）是一种病因不明的以肺间质纤维化和肺功能进行性下降为特征的间质性肺病。目前临床上经食品及药物管理局（FDA）批准的用于治疗IPF的药物只有吡非尼酮和尼达尼布，但治疗效果欠佳，IPF患者预后差，病死率高。因此开发新的治疗药物迫在眉睫。近年来，脂代谢研究在IPF中的作用引起越来越多的关注。本文就脂代谢在IPF的发病机制、生物学标志物及临床治疗研究进展进行综述。
特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一种以肺泡上皮细胞损伤为特征的慢性进展性疾病，病理表现为大量的成纤维细胞分化为纤维母细胞，导致细胞外胶原沉积，肺组织形态发生不可逆的改变，临床表现为干咳，呼吸困难和肺功能进行性下降［1, 2］。IPF病因不明，平均生存期只有3~5年［3］，目前缺乏有效的治疗药物以及可靠的早期生物学标志物［4, 5］。临床上缓解IPF的药物有限，目前公认的有尼达尼布和吡非尼酮［6, 7］。
脂类是人体重要的组成部分，其在细胞内主要有三大功能，首先是能量储存，如甘油三酯；其次是构成细胞膜的重要组成成分，如磷脂和鞘脂类；第三是作为细胞内的重要信号传导分子，参与细胞的迁徙，增殖和细胞凋亡等［8, 9］。脂肪酸、甘油三酯、磷脂和鞘脂在肺纤维化的发生发展中发挥重要作用［10, 11, 12］，相关药物的临床试验也在积极开展，但脂代谢参与肺纤维化的具体发病机制尚待进一步研究。现就脂代谢在IPF患者的作用、研究机制及药物临床试验进展综述如下。
一、IPF患者中脂代谢成分存在差异性
寻找IPF患者和健康人之间的生物学标志物对于IPF的早期诊断、治疗以及预后的判断有重要的意义。Yan等［13］对22例IPF患者和18名健康人的血浆通过质谱分析的方法发现：62种脂类发生了显著的变化，包括24种甘油磷脂、30种糖脂、3种固醇脂类、4种鞘脂类和1种脂肪酸，其中6种可以作为IPF患者的潜在生物学标志物。Reyfman等［14］利用单细胞RNA测序的研究发现：500多种基因在IPF患者表达发生了显著变化。
进一步研究显示，2型肺泡上皮细胞（AT2）中前500种下调的基因都属于脂代谢通路，包括「固醇/类固醇生物合成的过程」、「胆固醇代谢过程」和「脂质代谢过程」。在肺泡巨噬细胞中脂代谢也发生了显著变化，包括「细胞对脂肪酸的反应」和「脂质代谢过程的正调控」通路。
临床研究显示，IPF患者的灌洗液（BAL）中和呼出气中溶血磷脂酸（LPA）水平都发生显著升高［15, 16］。在肺纤维化发生发展中，LPA对于调节细胞的增殖具有重要生物学作用，在人血浆中含量最丰富的LPA是LPA C18∶2，由18个碳原子的脂肪酸和侧链两个不饱和键构成［17］。LPA是目前已经证实的可以用于开发IPF治疗的新药之一［18］。LPA通过诱导肺泡上皮细胞的死亡、血管渗漏以及成纤维细胞的迁徙和增值促使肺纤维化的发生［19］。LPA通过至少6种LPA的受体发挥作用［20］。在博来霉素的刺激下，LPA受体1（LPA1）缺陷的小鼠不能发生肺纤维化［20］。BMS-986020作为LPA1高亲和力的拮抗剂，一项为期26周的随机、双盲、多中心、安慰剂对照的2期临床研究显示，BMS-986020和安慰剂相比可以显著延缓用力肺活量（FVC）的下降［21］（-0.042 L，95%CI：-0.106，-0.022；-0.134 L；95%CI：-0.201，-0.068，P=0.049）。自毒素（ATX）是一种负责产生LPA的酶，GLPG1690具有潜在的选择ATX的作用。一项为期12周的随机、双盲、多中心、安慰剂对照的2a期临床研究显示，一种新的选择性ATX抑制剂（GLPG1690）也可以显著缓解FVC的降低［22］。Taneja等［23］的一项为期12周的临床研究显示，GLPG1690还可显著降低IPF患者LPA C18∶2水平，提示GLPG1690可以作为IPF潜在的新的治疗药物。溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）是LPA的前体，它是一种具有生物活性的甘油磷脂。Rindlisbacher等［24］对10例IPF患者和10名年龄和性别匹配的健康人的血清通过高分辨质谱分析研究发现，IPF患者血清中LysoPC含量显著高于健康对照组，提示其可以作为IPF患者潜在的血清生物学标志物。Khalil等［25］的研究提示，PBI-4050 作为一种口服的低分子化合物，具有模拟中链脂肪酸的作用，通过激动G蛋白偶联受体（GPR40）和拮抗G蛋白偶联受体（GPR84）调节巨噬细胞、肌成纤维细胞和上皮细胞的功能发挥抗纤维化的作用。一项为期12周的2期开放性临床研究显示，单独服用PBI-4050或者联合尼达尼布和吡非尼酮都具有较好的安全性，对于维持肺功能FVC具有良好的效果［26］。
二、脂代谢合成受阻促使肺纤维化
在博来霉素诱导的模型中，小鼠全肺组织和AT2中脂肪酸合成基因在mRNA水平都发生了显著下调，包括胆固醇、游离脂肪酸、甘油三酯、磷脂和ATP绑定因子A3（ABCA3）。有趣的是，支气管肺泡灌洗液（BALF）中脂质水平升高了。胞外氧化的磷脂被巨噬细胞吞噬，导致巨噬细胞泡沫化，产生更多的TGF-β1，进而加重肺纤维化［27］。在肺泡上皮细胞，不饱和脂肪酸的稳态对于维持内质网压力的稳态是必须的。研究显示，IPF患者的肺组织中去脂肪酸饱和酶（SCD1）浓度是降低的。Bueno等［28］发现，抑制SCD1会导致错误折叠蛋白反应（UPR）增加，触发内质网压力（ER Stress），进而促使肺纤维化的发生。相反，提高脂肪酸合成，特别是不饱和脂肪酸，可以抵抗内质网压力从而缓解肺纤维化。然而，在IPF患者脂肪酸合成受阻的具体机制还不明确，可能与线粒体功能紊乱导致ATP合成受阻有关。基因突变是导致老年人肺纤维化的易感因素。ABCA3基因突变的小鼠会导致肺泡表性表面活性物质的缺乏，在BALF中磷脂（PL）含量降低。AT2细胞中板层小体的数目增加，体积变小，肺泡表面积减少。在用博来霉素诱导后，ABCA3基因突变的小鼠和野生型小鼠对比，肺纤维化程度加重，病死率显著增加［29］。肺泡表面活性蛋白C（SP-C）基因突变也会导致肺纤维化的发生。体内研究显示，AT2中SP-C过表达的小鼠肺组织会发生纤维化，病理结果显示，胶原蛋白沉积，AT2细胞增生，成纤维细胞增殖，肺泡表面张力降低［30］。
有趣的是，另有研究显示，SPC基因敲除的小鼠除了会发生肺纤维化，还会导致巨噬细胞胆固醇的沉积［31］。一项回顾性的多中心，随机，安慰剂对照的3期临床研究显示，表面活性物质蛋白D（SP-D）可以作为预测吡非尼酮有效性的血清学标志物［32］。IPF导致脂代谢变化还是脂代谢的变化促使IPF的发生发展目前还不清楚。
三、肺纤维化导致脂肪酸成分紊乱
Kulkarni等［33］发现在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，总的脂肪酸浓度水平显著增加。其中，35种脂肪酸增加超过2倍，26种属于磷脂酰胆碱。甘油二酯（DAG）是脂肪酸代谢的中介产物，涉及脂肪酸介导的信号通路以及构成细胞膜的重要成分［34］。磷脂酸转化为DAG是合成磷脂酰胆碱、甘油磷酸乙醇胺（PE）和磷脂酰丝氨酸（PS）的重要步骤。在用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，18∶1/24∶2 种类的DAG升高了4倍以上。溶血卵磷脂（LPC）具有调节细胞的增殖和迁徙的功能［35, 36］。在用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，LPC水平显著增加。磷脂酰胆碱是构成真核细胞外膜的最主要成分。在用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型显示，26种磷脂酰胆碱升高了2倍。PE在构成生物膜的成分中含量第2，与磷脂酰胆碱共同构成真核细胞膜的骨架。PE对于细胞分裂发挥重要作用［37］。在用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，PE16∶0/16∶0，18∶0e/23∶1，18∶0e/19∶1 和18∶0e/19∶0升高了至少2倍。长链FAs家族成员6（Elovl6）是一种限速酶，其主要功能是催化棕榈酸酯（C16∶0）向硬脂酸酯（C18∶0）的延长反应［38］。Sunaga［39］的研究显示，在博来霉素诱导的小鼠肺组织中Elovl6的表达显著降低，在IPF患者的肺组织中观察到了同样的现象。Elovl6基因敲除在博来霉素诱导的模型中会加重小鼠的肺纤维化，其机制是Elovl6缺失会引起脂肪酸成分的改变，诱导细胞凋亡和ROS的产生。Venosa等［40］的研究显示，双氯乙基甲胺会导致泡沫化的肺泡巨噬细胞增加，油红染色提示是中性脂肪酸。另有研究显示，在囊性纤维化患者的肺泡上皮中，神经酰胺含量增加，且其和细胞死亡，感染易感性以及免疫反应相关［41］。脂肪酸的合成增加会影响细胞内的能量代谢水平，从而激活AMPK通路。
四、脂代谢在肺纤维化中的机制研究
高尔基体在细胞内系统中蛋白质的糖基化、分选和运输中起着重要的作用［42, 43］。内源或者外源性损害导致高尔基结构改变会导致错误折叠的蛋白（UPR）累积，高尔体碎裂，从而促使细胞自噬［44］。Park等［45］的研究显示高尔基体蛋白A2基因敲除的小鼠会提高AT2细胞的自噬，从而导致有功能的线粒体产生减少，板层小体产生减少，导致DPPC产生减少，促使胶原在肺组织和肝脏组织沉积。经鼻滴入衣霉素激活内质网压力会同时促使脂肪酸合成酶（FAS）、二酰甘油酰基转移酶（DGAT）SCD1以及它们上游的调节因子固醇调节结合蛋白1（SREBP1）和细胞内的甘油三酯的合成增加［46］。AT2细胞中特异性FAS的缺失会导致表面活性物质中的脂类代谢紊乱，加重博来霉素诱导的肺纤维化［47］。细胞内脂代谢的紊乱和线粒体压力的产生互为因果。激活PLA2会作用于细胞膜的磷脂酰胆碱从而促使花生四烯酸（AA）的释放，AA作为类花生酸的前体，在脂类代谢通路中发挥重要作用。AA作用于环氧酶通路会导致前列腺素H合成增加，从而促使具有血管活性的前列腺素类药物，即血栓素和前列腺素合成增加。AA作用于脂肪氧合酶（12/15 LOX）通路会促使白细胞三烯和脂氧素类合成增加。鞘脂是构成细胞膜的必要组成成分之一，同时也具有调节细胞功能的重要作用，比如细胞凋亡和增殖。在肺纤维化中，鞘氨醇-1-磷酸酯（S1P）是鞘脂中研究最多的一种。鞘氨醇通过鞘氨醇激酶1（SPK-1）和鞘氨醇激酶2（SPK-2）的磷酸化作用合成S1P。S1P可作为一种有效的水溶性信号脂质被细胞分泌，从而激活靶细胞中的G蛋白偶联受体。通过激活S1P磷酸酶和S1P裂解酶的作用，S1P被降解从而停止信号传导［48］。研究显示，在IPF患者的BAL中，S1P和SPK-1都表达增高，且SPK1的表达和肺功能呈现负相关。在博来霉素诱导的肺纤维化模型，SPK1基因敲除可以有效的改善肺纤维化［49］。体外实验显示，TGF-β刺激纤维母细胞通过激活SMAD3可以使S1P表达增高［50］。
五、脂代谢在IPF中的临床研究进展
Pamrevlumab是CTGF抑制剂，CTGF是纤维化和增殖性疾病中的常见因子［51, 52］，目前关于Pamrevlumab在IPF患者中的3期随机、双盲、安慰剂对照的多中心国际性临床研究正在招募中，预计2023年完成，期待相关研究成果。转化生长因子-β1（TGF-β1）在IPF的发生发展中起着重要的作用［53, 54］。TRK-250是一种选择性地抑制转化生长因子-1（TGF-β1）蛋白在基因表达水平的核酸药物。另一项随机、双盲、安慰剂对照研究的评估IPF患者吸入TRK-250的有效性和安全性的Ⅰ期临床研究也正在进行。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）在脂代谢中发挥重要作用［55, 56, 57］。GKT137831是一种抑制NADPH的氧化酶（NOX）的药物，通过抑制NOX酶活性减少活性氧（ROS）的产生从而缓解肺功能的下降，一项关于GKT137831在IPF患者中的多中心，随机，安慰剂对照的临床研究也在积极开展中。他汀类药物作为高脂血症的传统用药，最近研究显示其具有免疫调节及抗炎的作用［58, 59］。一项随机、双盲、安慰剂对照的Ⅲ期临床研究提示，他汀类药物可以降低IPF患者的病死率和急性发作的住院次数［60］。
六、总结与展望
目前已经有许多脂质组学研究将脂类代谢紊乱和肺纤维化的发生发展联系起来，包括能量代谢，激素代谢等从而影响细胞乃至器官的功能变化。阐明脂肪酸代谢轴在肺纤维化中的作用及机制对于IPF的诊断和治疗至关重要。未来的研究需要更多的关注特定脂类代谢产物在IPF发病机制中的具体作用，阐明脂代谢通路的改变对疾病预后的影响，为新药的研发提供新的依据以及思路。
参考文献（略）
作者：范莉超 陈妍 罗巧侠 徐金富；单位：同济大学附属上海市肺科医院呼吸与危重症医学科；西藏自治区第三人民医院肺一科
本文转载自订阅号「中华结核和呼吸杂志」
引用本文: 范莉超, 陈妍, 罗巧侠, 等. 脂代谢在特发性肺纤维化中的作用及机制研究 [J] . 中华结核和呼吸杂志, 2022, 45(5) : 493-497. DOI: 10.3760/cma.j.cn112147-20211031-00754.