特發性肺纖維化（IPF）是一種進行性瘢痕形成的疾病，死亡率高，已引起廣泛關注。上皮間質轉化（EMT）是肺纖維化進程中重要的一環，而肺組織生物力學特性的變化對其有重要影響。本文總結了近年IPF-EMT中肺組織生物力學微環境的變化規律，并對肺纖維化中力學微環境的改變對EMT進程的影響、力學因素對EMT肺泡上皮細胞行為的影響和EMT中生物力學信號的傳導進行了系統綜述，以期為IPF的防治研究提供新的參考。
引用本文： 李明艷, 孫美好, 賈淵博, 任徽, 劉含. 特發性肺纖維化中上皮間質轉化的生物力學特性. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(4): 632-637. doi: 10.7507/1001-5515.202206016 復制
引言
特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一種常見的特發性間質性肺炎，是肺纖維化中的一種，其病理機制復雜，中位生存期僅為3～5年，嚴重影響患者生活質量，死亡率高[1]。IPF主要特征為肺泡上皮損傷和修復失常造成細胞外基質（extracellular matrix，ECM）過度沉積，肌成纖維細胞異常增殖，從而導致肺組織剛度增加和機械特性改變[2]。研究結果證實，肌成纖維細胞是IPF發生發展進程中的關鍵因素，且上皮間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是肌成纖維細胞的來源之一[3]。EMT是指上皮細胞在外界因素的作用下失去其原有形態和功能，逐漸轉化為具有遷移和侵襲能力的間充質細胞的生物學過程[4]。
目前有關EMT進程的研究大多聚焦于傳統的分子生物學事件，比如研究人員分別于2006年和2011年通過免疫染色實驗以及細胞譜系追蹤實驗，發現在人肺組織和博萊霉素誘發的小鼠肺纖維化模型中，肺泡上皮發生了明顯的EMT[5]。在EMT發展過程中，上皮細胞逐漸失去細胞間的緊密連接，其形態由卵圓形逐漸過渡到間充質細胞的紡錘形狀。此外，上皮細胞和間充質細胞標志物表達也發生顯著的變化，上皮細胞表面標志物E-鈣黏蛋白（E-cadherin）和細胞角蛋白（cytokeratin）表達減少，間充質細胞表面標志物N-鈣黏蛋白（N-cadherin）、波形蛋白（vimentin）和α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）表達上調[6]。
隨著交叉學科的迅速發展，EMT發生發展過程中生物力學的變化及對EMT進程的影響逐漸受到重視。最新研究發現，在EMT發生發展過程中，上皮細胞通過EMT衍生的肌成纖維細胞產生ECM沉積，造成肺部大面積不可逆瘢痕[2, 7]，且ECM不斷沉積還會造成局部肺組織剛度增加（可達生理組織剛度的10倍左右），從而引起肺組織的力學微環境顯著變化[8]。與此同時，組織剛度的增加對EMT的發展也有一定的促進作用，如在不同剛度的水凝膠上生長的上皮細胞，隨著水凝膠剛度的增加，其發生EMT的比例也逐漸增大[9]。雖然目前有關生物力學因素對EMT影響規律的研究已取得一定的進展，但仍缺乏系統性綜述對其進行概括總結，基于此，本文以IPF-EMT的生物力學特性為主要關注對象，對近期在肺纖維化EMT中肺組織力學微環境的變化規律、生物力學因素對肺泡上皮細胞（alveolar epithelial cells，AECs）行為的影響機制、EMT中生物力學信號的傳導途徑等進行系統綜述，總結現有問題并對未來發展方向加以展望，以期為EMT相關交叉研究提供新思路，為肺纖維化的防治提供新靶點。
1 肺纖維化中力學微環境的改變對EMT進程的影響
在肺纖維化發展進程中，肺組織病變部位存在新舊病變交叉分布，肺纖維化組織具有高度不均勻的力學微環境，其改變主要體現在肺組織剛度的異常增加，以及肺損傷情況下的非生理性機械拉伸等。
肺纖維化進程中，肺組織剛度顯著增加，ECM成分也發生了顯著變化[10]。其中，ECM不僅構成了肺的組織結構，還提供了肺功能所需的機械穩定性和彈性回縮力[11]。ECM主要由膠原蛋白、彈性蛋白、糖蛋白和蛋白多糖等組成，IPF進程中，膠原蛋白和彈性蛋白的含量都有不同程度的增加，促進了肺組織剛度的升高。研究表明，正常人肺組織的生理剛度為（1.96 ± 0.13）kPa，而肺纖維化病灶的平均剛度高達（16.52 ± 2.25）kPa[12]。肺組織剛度的升高對EMT的發生發展有著重要影響，例如Zhang等[13]在普通培養皿（剛度107 kPa）中培養原代大鼠AECs，2周后發現細胞的形態由鵝卵石形態發展為細長形，并且細胞與細胞間的連接逐漸喪失，原代AECs標記物小窩蛋白1（caveolin-1）的表達也隨著細胞培養時間的增加而降低，間充質標記物α-SMA表達則增加。Li等[14]發現在矽肺纖維化中，肺組織剛度的增加使乙酰化α-微管蛋白表達減少，進一步促進了更多的上皮細胞發生EMT。肺組織剛度的增加會加速肺纖維化EMT病理性進程，但其詳細機制尚不明晰，仍需進一步探索。
此外，在肺纖維化過程中，肺泡再生功能的喪失，會導致肺組織的機械張力持續升高，進而激活轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），促進EMT的發展。例如，呼吸過程產生的機械拉伸對肺周圍基底部的肺泡細胞產生刺激，不僅促使白介素6（interleukin-6，IL-6）、白介素4（interleukin-4，IL-4）4和白介素5（interleukin-5，IL-5）等促炎因子的釋放，同時也激活了多種促纖維化因子，如TGF-β和結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）等，炎癥因子和促纖維化因子兩者能夠協同促進EMT的發生發展[15]。Heise等[16]通過加載機械拉伸（伸展度設置為15%，而生理性拉伸為5%～12%）合并TGF-β1對原代小鼠AECs刺激，96 h后發現AECs的標記物E-cadherin的表達顯著降低，間充質標記物α-SMA以及vimentin顯著增加。肺纖維化中異常的機械拉伸可促EMT發展，但詳細機制仍不明晰，仍有待研究人員進一步探索。
2 肺纖維化中力學因素對EMT-AECs行為的影響
AECs損傷是IPF發病機制中的重要一環，主要包括Ⅰ型AECs（type Ⅰ AECs，ATⅠ）和Ⅱ型AECs（type Ⅱ AECs，ATⅡ）。在肺泡受到外界刺激或損傷時，ATⅡ部分分化為ATⅠ或發生EMT轉化為間質細胞[2, 17]。研究表明，力學微環境的改變（主要體現在肺組織的剛度和機械拉伸兩個方面）對AECs的間質轉化行為具有重要影響。
IPF進程中，肺組織剛度的升高會促進ATⅡ向間質細胞的轉化，如圖1所示。Li等[14]通過改變丙烯酰胺和雙丙烯酰胺的配比，制備出剛度分別為1 kPa和60 kPa的水凝膠，并以此為基底培養細胞，發現在60 kPa底物上培養的AECs發生EMT的趨勢較1 kPa上的更明顯。此外，Brown等[8]制備剛度為2～16 kPa的水凝膠基底用以模擬小鼠肺組織生理剛度和病理剛度，在該基底上培養大鼠ATⅡ時發現，上皮細胞標記物E-cadherin的表達隨著基質剛度的增加而減少，間充質細胞標記物α-SMA的表達隨剛度的升高明顯增加，基質剛度的增加促進了EMT的發生發展。
圖1
生物力學因素在IPF-EMT中的作用
Figure1.
The role of biomechanical factors in IPF-EMT
在IPF過程中，不僅肺組織剛度的升高會促進ATⅡ向間質細胞轉化，呼吸作用產生的異常機械拉伸也會對AECs的行為產生重要影響，如圖1所示。周期性的機械拉伸可激活TGF-β1[18]，進而促進纖維化的發展。Kuhn等[19]對原代大鼠ATⅡ施加非生理性拉伸（伸展度設置為30%），該研究發現拉伸刺激能夠通過激活TGF-β1，促使膠原蛋白Ⅰ、膠原蛋白Ⅳ、vimentin的表達增加，同時降低cytokeratin表達，促進EMT的發生。Yang等[20]使用20%的伸展度（非生理性拉伸）對人AECs進行循環拉伸，發現人AECs的間充質標志物（vimentin和α-SMA）表達升高。此外，機械拉伸對上皮細胞的作用不僅體現在EMT標記物的改變，對其細胞形態也具有重要影響。張容等[21]利用細胞牽張拉伸應力加載系統（FX-5000T，Flexcellint，美國），以20%的伸展度對人AECs循環拉伸72 h，發現AECs由鵝卵石形態逐漸轉化為具有紡錘體形態的間質細胞，然而在拉伸時間不變的情況下，10%的伸展度（生理性的）則不會改變AECs的形態。肺纖維化中力學微環境的改變對EMT-AECs行為的改變具有重要影響，該發現可為靶向IPF生物力學微環境治療方法的開發提供重要參考。
3 EMT中生物力學信號的傳導
肺纖維化EMT進程中，ATⅡ主要通過細胞膜表面力學感受器和離子通道等感知基質中的機械信號，并通過轉錄因子Yes相關蛋白（Yes-associated protein，YAP）和帶有PDZ結合基序的轉錄共激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif，TAZ）、Ras同源物（Ras homologue，Rho）蛋白和心肌素相關的轉錄因子（myocardin-related transcription factors，MRTFs）等進行力學信號傳導[22]，進而促進肺纖維化EMT發展，如圖2所示。基于此，本文將重點介紹參與肺纖維EMT進程中常見力學感受器以及下游轉錄因子，以期為肺纖維化靶向治療提供參考。
圖2
生物力學信號在IPF-EMT中的傳導機制
Figure2.
Mechanisms of biomechanical signaling in IPF-EMT
力學感受器是位于細胞表面的一類膜蛋白，可將細胞所感受到的生物力學信號轉換為下游生物化學信號，常見的力學感受器主要包括整合素、離子通道和G蛋白偶聯受體等。1993年，Wang等[23]提出整合素是細胞力學感受器，此后研究人員開始聚焦于整合素在力學信號傳導中的具體作用機制。整合素是由α亞基和β亞基組成的跨膜異二聚體復合物，促進細胞內肌動蛋白的聚合，參與細胞與胞外基質以及細胞與細胞間的信號傳遞。在機械刺激下，αv整合素（αvβ1、αvβ3、αvβ5、αvβ6和αvβ8）主要通過α、β亞基的胞外域識別配體中的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arginine-Glycine-Aspartate，RGD），繼而與ECM中的纖連蛋白、層黏連蛋白和膠原蛋白等多種基質蛋白形成復合物，誘導TGF-β的活化，促進纖維化發展[24]。在IPF中，Decaris等[25]借助αvβ1和αvβ6的雙重抑制劑，有效阻斷了TGF-β激活引起的肺纖維化進程。Brown等[8]在不同基質剛度（16～32 kPa）的聚丙烯酰胺凝膠上培養大鼠AECs，發現基質剛度可通過整合素αvβ6介導細胞收縮，從而激活TGF-β，進一步促進了EMT發展。
此外，離子通道也是常見力學感受器的一種，常見的參與肺纖維化EMT力學信號傳導的有機械敏感性離子通道（mechanosensitive ion channels）PIEZO1和瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）通道。PIEZO1通道是一種鈣離子（Ca2+）通道，通過介導Ca2+流入，使細胞感知各種生物力，從而指導細胞發揮功能[26]。在肺損傷修復過程中組織剛度的增加會激活成纖維細胞上的PIEZO1，促進成纖維細胞的增殖及ECM的沉積，最終推動肺纖維化進展[27]。TRP通道作為非選擇性陽離子通道，主要作用是感知細胞外機械刺激并將其轉變為生物化學信號[28]。TRP通道在上皮細胞和間充質細胞中表達存在差異，其中上皮細胞中主要存在TRP-M型通道（TRP melastatin，TRPM），如TRPM6、TRPM4和TRPM7，而在間質細胞中主要表達TRP-V型通道（TRP vanilloid，TRPV）和TRP-C型通道（TRP canonical，TRPC），例如TRPV2、TRPC1和TRPC4[29-30]，因此在臨床肺纖維化的治療上可以把不同類型TRP作為靶點。Wang等[31]在細胞牽張拉伸應力加載系統（FX-4000T，Flexcellint，美國）中以15%的伸展度對人支氣管上皮細胞進行48 h拉伸，實驗結果表明TRPC1表達明顯升高，同時EMT的標記物E-cadherin和cytokeratin表達降低，α-SMA表達升高。TRP通道作為肺纖維化EMT中生物力學的重要力學通路，亟需研究人員對其進行探索，為進一步明確肺纖維化病理機制提供理論依據。
轉錄因子是一種具有特殊結構、可調控基因表達的一類分子，常位于力學感受器下游，可將力學信號以生化信號的形式傳遞至細胞核，進而影響細胞行為。YAP/TAZ作為IPF疾病進程中的關鍵轉錄因子，在成纖維細胞和上皮細胞核內高表達[32]，促進成纖維細胞活化和ECM沉積。研究發現，在博萊霉素誘導的小鼠肺損傷模型中，TGF-β能夠通過鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SPHK1）促進YAP/TAZ的核轉移，從而促進肺纖維化發展，而AECs中SPHK1的缺失能降低纖連蛋白和α-SMA的表達，進而達到降低肺肌成纖維細胞生成的目的，這為肺纖維化疾病防治研究提供新思路[33]。
4 小結與展望
EMT是肺纖維化發展進程中的重要病理過程，但由于目前實驗技術的限制，其在體表征結果尚存一定的爭議。比如Marmai等[5]于2011年對IPF患者肺組織病理切片進行染色時，在肺纖維化病灶中檢測到ATⅡ特異性表面活性蛋白（surfactant protein C，SPC）的表達，同時發現在纖連蛋白涂層的基底上培養IPF患者的ATⅡ時，SPC蛋白不表達，間充質標記物vimentin、N-cadherin和α-SMA的表達升高，證實了IPF患者體內存在EMT的過程。然而Rock等[34]通過細胞譜系追蹤實驗并未發現小鼠肺纖維化模型中上皮細胞向間質細胞的轉化過程。隨著新興技術及交叉學科的快速發展，對肺纖維化進程中EMT的在體表征也有待進一步開發。
隨著交叉學科的快速發展，生物力學因素與IPF-EMT進程的相互影響作用已逐漸受到重視。肺纖維化中力學微環境的變化主要表現為肺組織剛度的增加，近年來，研究人員構建了不同的二維體外模型用以研究不同剛度的水凝膠基底對肺纖維化進程中EMT的影響[8, 14]，但細胞是處于一個復雜的三維環境內，細胞行為在二維情況及三維情況下截然不同[35-36]，因此體外再現生物力學微環境，可考慮借助生物材料構建三維培養體系，更進一步研究生物力學因素對EMT的影響規律。
EMT作為肺纖維化進程中的重要環節，已有研究表明靶向抑制該過程能有效改善肺纖維化[37-39]，然而目前多數抗纖維化藥物的開發都是圍繞其生物化學信號[40-41]，鮮有靶向生物力學信號的藥物研究。AECs發生間質轉化后，可形成促纖維化微環境，致使胞外基質的生物力學特性發生改變，進而促進肺纖維化的發生發展。因此，靶向IPF-EMT生物力學因素藥物的開發，可為IPF的防治研究提供新的參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：李明艷負責文獻調研、論文撰寫和修改意見的處理；孫美好負責論文的修改和補充完善；賈淵博、任徽參與文獻資料的分析、整理；劉含指導論文的寫作并承擔審校工作。
引言
特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一種常見的特發性間質性肺炎，是肺纖維化中的一種，其病理機制復雜，中位生存期僅為3～5年，嚴重影響患者生活質量，死亡率高[1]。IPF主要特征為肺泡上皮損傷和修復失常造成細胞外基質（extracellular matrix，ECM）過度沉積，肌成纖維細胞異常增殖，從而導致肺組織剛度增加和機械特性改變[2]。研究結果證實，肌成纖維細胞是IPF發生發展進程中的關鍵因素，且上皮間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是肌成纖維細胞的來源之一[3]。EMT是指上皮細胞在外界因素的作用下失去其原有形態和功能，逐漸轉化為具有遷移和侵襲能力的間充質細胞的生物學過程[4]。
目前有關EMT進程的研究大多聚焦于傳統的分子生物學事件，比如研究人員分別于2006年和2011年通過免疫染色實驗以及細胞譜系追蹤實驗，發現在人肺組織和博萊霉素誘發的小鼠肺纖維化模型中，肺泡上皮發生了明顯的EMT[5]。在EMT發展過程中，上皮細胞逐漸失去細胞間的緊密連接，其形態由卵圓形逐漸過渡到間充質細胞的紡錘形狀。此外，上皮細胞和間充質細胞標志物表達也發生顯著的變化，上皮細胞表面標志物E-鈣黏蛋白（E-cadherin）和細胞角蛋白（cytokeratin）表達減少，間充質細胞表面標志物N-鈣黏蛋白（N-cadherin）、波形蛋白（vimentin）和α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）表達上調[6]。
隨著交叉學科的迅速發展，EMT發生發展過程中生物力學的變化及對EMT進程的影響逐漸受到重視。最新研究發現，在EMT發生發展過程中，上皮細胞通過EMT衍生的肌成纖維細胞產生ECM沉積，造成肺部大面積不可逆瘢痕[2, 7]，且ECM不斷沉積還會造成局部肺組織剛度增加（可達生理組織剛度的10倍左右），從而引起肺組織的力學微環境顯著變化[8]。與此同時，組織剛度的增加對EMT的發展也有一定的促進作用，如在不同剛度的水凝膠上生長的上皮細胞，隨著水凝膠剛度的增加，其發生EMT的比例也逐漸增大[9]。雖然目前有關生物力學因素對EMT影響規律的研究已取得一定的進展，但仍缺乏系統性綜述對其進行概括總結，基于此，本文以IPF-EMT的生物力學特性為主要關注對象，對近期在肺纖維化EMT中肺組織力學微環境的變化規律、生物力學因素對肺泡上皮細胞（alveolar epithelial cells，AECs）行為的影響機制、EMT中生物力學信號的傳導途徑等進行系統綜述，總結現有問題并對未來發展方向加以展望，以期為EMT相關交叉研究提供新思路，為肺纖維化的防治提供新靶點。
1 肺纖維化中力學微環境的改變對EMT進程的影響
在肺纖維化發展進程中，肺組織病變部位存在新舊病變交叉分布，肺纖維化組織具有高度不均勻的力學微環境，其改變主要體現在肺組織剛度的異常增加，以及肺損傷情況下的非生理性機械拉伸等。
肺纖維化進程中，肺組織剛度顯著增加，ECM成分也發生了顯著變化[10]。其中，ECM不僅構成了肺的組織結構，還提供了肺功能所需的機械穩定性和彈性回縮力[11]。ECM主要由膠原蛋白、彈性蛋白、糖蛋白和蛋白多糖等組成，IPF進程中，膠原蛋白和彈性蛋白的含量都有不同程度的增加，促進了肺組織剛度的升高。研究表明，正常人肺組織的生理剛度為（1.96 ± 0.13）kPa，而肺纖維化病灶的平均剛度高達（16.52 ± 2.25）kPa[12]。肺組織剛度的升高對EMT的發生發展有著重要影響，例如Zhang等[13]在普通培養皿（剛度107 kPa）中培養原代大鼠AECs，2周后發現細胞的形態由鵝卵石形態發展為細長形，并且細胞與細胞間的連接逐漸喪失，原代AECs標記物小窩蛋白1（caveolin-1）的表達也隨著細胞培養時間的增加而降低，間充質標記物α-SMA表達則增加。Li等[14]發現在矽肺纖維化中，肺組織剛度的增加使乙酰化α-微管蛋白表達減少，進一步促進了更多的上皮細胞發生EMT。肺組織剛度的增加會加速肺纖維化EMT病理性進程，但其詳細機制尚不明晰，仍需進一步探索。
此外，在肺纖維化過程中，肺泡再生功能的喪失，會導致肺組織的機械張力持續升高，進而激活轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），促進EMT的發展。例如，呼吸過程產生的機械拉伸對肺周圍基底部的肺泡細胞產生刺激，不僅促使白介素6（interleukin-6，IL-6）、白介素4（interleukin-4，IL-4）4和白介素5（interleukin-5，IL-5）等促炎因子的釋放，同時也激活了多種促纖維化因子，如TGF-β和結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）等，炎癥因子和促纖維化因子兩者能夠協同促進EMT的發生發展[15]。Heise等[16]通過加載機械拉伸（伸展度設置為15%，而生理性拉伸為5%～12%）合并TGF-β1對原代小鼠AECs刺激，96 h后發現AECs的標記物E-cadherin的表達顯著降低，間充質標記物α-SMA以及vimentin顯著增加。肺纖維化中異常的機械拉伸可促EMT發展，但詳細機制仍不明晰，仍有待研究人員進一步探索。
2 肺纖維化中力學因素對EMT-AECs行為的影響
AECs損傷是IPF發病機制中的重要一環，主要包括Ⅰ型AECs（type Ⅰ AECs，ATⅠ）和Ⅱ型AECs（type Ⅱ AECs，ATⅡ）。在肺泡受到外界刺激或損傷時，ATⅡ部分分化為ATⅠ或發生EMT轉化為間質細胞[2, 17]。研究表明，力學微環境的改變（主要體現在肺組織的剛度和機械拉伸兩個方面）對AECs的間質轉化行為具有重要影響。
IPF進程中，肺組織剛度的升高會促進ATⅡ向間質細胞的轉化，如圖1所示。Li等[14]通過改變丙烯酰胺和雙丙烯酰胺的配比，制備出剛度分別為1 kPa和60 kPa的水凝膠，并以此為基底培養細胞，發現在60 kPa底物上培養的AECs發生EMT的趨勢較1 kPa上的更明顯。此外，Brown等[8]制備剛度為2～16 kPa的水凝膠基底用以模擬小鼠肺組織生理剛度和病理剛度，在該基底上培養大鼠ATⅡ時發現，上皮細胞標記物E-cadherin的表達隨著基質剛度的增加而減少，間充質細胞標記物α-SMA的表達隨剛度的升高明顯增加，基質剛度的增加促進了EMT的發生發展。
圖1
生物力學因素在IPF-EMT中的作用
Figure1.
The role of biomechanical factors in IPF-EMT
在IPF過程中，不僅肺組織剛度的升高會促進ATⅡ向間質細胞轉化，呼吸作用產生的異常機械拉伸也會對AECs的行為產生重要影響，如圖1所示。周期性的機械拉伸可激活TGF-β1[18]，進而促進纖維化的發展。Kuhn等[19]對原代大鼠ATⅡ施加非生理性拉伸（伸展度設置為30%），該研究發現拉伸刺激能夠通過激活TGF-β1，促使膠原蛋白Ⅰ、膠原蛋白Ⅳ、vimentin的表達增加，同時降低cytokeratin表達，促進EMT的發生。Yang等[20]使用20%的伸展度（非生理性拉伸）對人AECs進行循環拉伸，發現人AECs的間充質標志物（vimentin和α-SMA）表達升高。此外，機械拉伸對上皮細胞的作用不僅體現在EMT標記物的改變，對其細胞形態也具有重要影響。張容等[21]利用細胞牽張拉伸應力加載系統（FX-5000T，Flexcellint，美國），以20%的伸展度對人AECs循環拉伸72 h，發現AECs由鵝卵石形態逐漸轉化為具有紡錘體形態的間質細胞，然而在拉伸時間不變的情況下，10%的伸展度（生理性的）則不會改變AECs的形態。肺纖維化中力學微環境的改變對EMT-AECs行為的改變具有重要影響，該發現可為靶向IPF生物力學微環境治療方法的開發提供重要參考。
3 EMT中生物力學信號的傳導
肺纖維化EMT進程中，ATⅡ主要通過細胞膜表面力學感受器和離子通道等感知基質中的機械信號，并通過轉錄因子Yes相關蛋白（Yes-associated protein，YAP）和帶有PDZ結合基序的轉錄共激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif，TAZ）、Ras同源物（Ras homologue，Rho）蛋白和心肌素相關的轉錄因子（myocardin-related transcription factors，MRTFs）等進行力學信號傳導[22]，進而促進肺纖維化EMT發展，如圖2所示。基于此，本文將重點介紹參與肺纖維EMT進程中常見力學感受器以及下游轉錄因子，以期為肺纖維化靶向治療提供參考。
圖2
生物力學信號在IPF-EMT中的傳導機制
Figure2.
Mechanisms of biomechanical signaling in IPF-EMT
力學感受器是位于細胞表面的一類膜蛋白，可將細胞所感受到的生物力學信號轉換為下游生物化學信號，常見的力學感受器主要包括整合素、離子通道和G蛋白偶聯受體等。1993年，Wang等[23]提出整合素是細胞力學感受器，此后研究人員開始聚焦于整合素在力學信號傳導中的具體作用機制。整合素是由α亞基和β亞基組成的跨膜異二聚體復合物，促進細胞內肌動蛋白的聚合，參與細胞與胞外基質以及細胞與細胞間的信號傳遞。在機械刺激下，αv整合素（αvβ1、αvβ3、αvβ5、αvβ6和αvβ8）主要通過α、β亞基的胞外域識別配體中的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arginine-Glycine-Aspartate，RGD），繼而與ECM中的纖連蛋白、層黏連蛋白和膠原蛋白等多種基質蛋白形成復合物，誘導TGF-β的活化，促進纖維化發展[24]。在IPF中，Decaris等[25]借助αvβ1和αvβ6的雙重抑制劑，有效阻斷了TGF-β激活引起的肺纖維化進程。Brown等[8]在不同基質剛度（16～32 kPa）的聚丙烯酰胺凝膠上培養大鼠AECs，發現基質剛度可通過整合素αvβ6介導細胞收縮，從而激活TGF-β，進一步促進了EMT發展。
此外，離子通道也是常見力學感受器的一種，常見的參與肺纖維化EMT力學信號傳導的有機械敏感性離子通道（mechanosensitive ion channels）PIEZO1和瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）通道。PIEZO1通道是一種鈣離子（Ca2+）通道，通過介導Ca2+流入，使細胞感知各種生物力，從而指導細胞發揮功能[26]。在肺損傷修復過程中組織剛度的增加會激活成纖維細胞上的PIEZO1，促進成纖維細胞的增殖及ECM的沉積，最終推動肺纖維化進展[27]。TRP通道作為非選擇性陽離子通道，主要作用是感知細胞外機械刺激并將其轉變為生物化學信號[28]。TRP通道在上皮細胞和間充質細胞中表達存在差異，其中上皮細胞中主要存在TRP-M型通道（TRP melastatin，TRPM），如TRPM6、TRPM4和TRPM7，而在間質細胞中主要表達TRP-V型通道（TRP vanilloid，TRPV）和TRP-C型通道（TRP canonical，TRPC），例如TRPV2、TRPC1和TRPC4[29-30]，因此在臨床肺纖維化的治療上可以把不同類型TRP作為靶點。Wang等[31]在細胞牽張拉伸應力加載系統（FX-4000T，Flexcellint，美國）中以15%的伸展度對人支氣管上皮細胞進行48 h拉伸，實驗結果表明TRPC1表達明顯升高，同時EMT的標記物E-cadherin和cytokeratin表達降低，α-SMA表達升高。TRP通道作為肺纖維化EMT中生物力學的重要力學通路，亟需研究人員對其進行探索，為進一步明確肺纖維化病理機制提供理論依據。
轉錄因子是一種具有特殊結構、可調控基因表達的一類分子，常位于力學感受器下游，可將力學信號以生化信號的形式傳遞至細胞核，進而影響細胞行為。YAP/TAZ作為IPF疾病進程中的關鍵轉錄因子，在成纖維細胞和上皮細胞核內高表達[32]，促進成纖維細胞活化和ECM沉積。研究發現，在博萊霉素誘導的小鼠肺損傷模型中，TGF-β能夠通過鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SPHK1）促進YAP/TAZ的核轉移，從而促進肺纖維化發展，而AECs中SPHK1的缺失能降低纖連蛋白和α-SMA的表達，進而達到降低肺肌成纖維細胞生成的目的，這為肺纖維化疾病防治研究提供新思路[33]。
4 小結與展望
EMT是肺纖維化發展進程中的重要病理過程，但由于目前實驗技術的限制，其在體表征結果尚存一定的爭議。比如Marmai等[5]于2011年對IPF患者肺組織病理切片進行染色時，在肺纖維化病灶中檢測到ATⅡ特異性表面活性蛋白（surfactant protein C，SPC）的表達，同時發現在纖連蛋白涂層的基底上培養IPF患者的ATⅡ時，SPC蛋白不表達，間充質標記物vimentin、N-cadherin和α-SMA的表達升高，證實了IPF患者體內存在EMT的過程。然而Rock等[34]通過細胞譜系追蹤實驗并未發現小鼠肺纖維化模型中上皮細胞向間質細胞的轉化過程。隨著新興技術及交叉學科的快速發展，對肺纖維化進程中EMT的在體表征也有待進一步開發。
隨著交叉學科的快速發展，生物力學因素與IPF-EMT進程的相互影響作用已逐漸受到重視。肺纖維化中力學微環境的變化主要表現為肺組織剛度的增加，近年來，研究人員構建了不同的二維體外模型用以研究不同剛度的水凝膠基底對肺纖維化進程中EMT的影響[8, 14]，但細胞是處于一個復雜的三維環境內，細胞行為在二維情況及三維情況下截然不同[35-36]，因此體外再現生物力學微環境，可考慮借助生物材料構建三維培養體系，更進一步研究生物力學因素對EMT的影響規律。
EMT作為肺纖維化進程中的重要環節，已有研究表明靶向抑制該過程能有效改善肺纖維化[37-39]，然而目前多數抗纖維化藥物的開發都是圍繞其生物化學信號[40-41]，鮮有靶向生物力學信號的藥物研究。AECs發生間質轉化后，可形成促纖維化微環境，致使胞外基質的生物力學特性發生改變，進而促進肺纖維化的發生發展。因此，靶向IPF-EMT生物力學因素藥物的開發，可為IPF的防治研究提供新的參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：李明艷負責文獻調研、論文撰寫和修改意見的處理；孫美好負責論文的修改和補充完善；賈淵博、任徽參與文獻資料的分析、整理；劉含指導論文的寫作并承擔審校工作。
