引用本文： 康弟, 張廷偉, 涂弟緯, 王瑩瑩, 李洪波. 機械力調控肺纖維化機制的研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2023, 22(7): 518-522. doi: 10.7507/1671-6205.202303043 復制
肺纖維化（pulmonary fibrosis，PF）是一種以成纖維細胞大量增殖和廣泛細胞外基質（extracellular matrix，ECM）聚集并伴炎癥損傷、組織結構破壞為特征的一大類肺疾病的終末期改變，其中，特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）好發于40～50歲男性，中位生存期多為2～3年，存活率低于大多數癌癥[1]。遺傳疾病、自身免疫性疾病、職業暴露、毒素、藥物、輻射和SARS-CoV-2感染等因素均可增加PF的患病風險[2]。研究證實，當肺損傷時，局部血管的通透性增大，可促使細胞骨架重塑，從而改變細胞的機械力[2]。機械力影響我們肺部的每一個細胞，機械力包括細胞骨架的張力、組織決定的內部拉力和平衡外力（周圍ECM和其他細胞的拓撲和硬度）[3-4]。細胞通過機械力來感知自己在環境中的位置、形狀和擾動，并通過建立生長和修復組織來做出反應，直到達到適當的機械平衡[5]。損傷不適當的修復誘導成纖維細胞的激活和ECM的過度沉積，最終促進PF的發生發展，僵硬的ECM也可產生機械應力，進一步誘導PF的進展[6]。
為了闡明機械力誘導PF的發病機制，我們對機械力調控巨噬細胞、上皮細胞、內皮細胞和ECM誘導PF發展的相關性研究進行了詳細的綜述，為靶向治療PF提供新思路和奠定基礎。
1 機械力誘導肺泡細胞調控PF的作用
肺泡實質約占肺泡總體積的90%，肺泡的結構由肺泡上皮細胞（AT1和AT2）、毛細血管腔內的內皮細胞、間質組織中的成纖維細胞、肺泡內間隙的巨噬細胞和肥大細胞組成[2]。本文將重點對機械力誘導肺泡細胞中的巨噬細胞、肺泡上皮細胞和內皮細胞調控PF作一綜述，為臨床靶向細胞治療提供方向。
1.1 機械力誘導巨噬細胞對PF的調控作用
1.1.1 巨噬細胞的概述
先天免疫細胞作為機體防御的第一道屏障，在宿主防御和組織動態平衡中發揮著重要作用，巨噬細胞作為PF的調節者，是PF發病過程中研究最多的先天免疫細胞[7]。巨噬細胞的來源包括組織內巨噬細胞增殖、造血干細胞和循環單核細胞，肺巨噬細胞根據其位置分為呼吸道巨噬細胞、肺泡巨噬細胞和間質巨噬細胞[8]。免疫失調被認為是間質性肺部疾病的驅動因素，天然細胞（巨噬細胞和中性粒細胞）和適應性細胞（T細胞）都以不同的方式調節纖維化的形成[9]。在機械拉伸誘導的PF進展中，循環系統中單核細胞到肺間質中形成招募型間質巨噬細胞，產生一些纖維化相關因子刺激成纖維細胞向纖維細胞轉化，循環系統中單核細胞到肺泡中形成招募型肺泡巨噬細胞，進一步誘導PF[10]。巨噬細胞可以在經典激活（classically activated macrophage，M1）和交替激活（classically activated macrophage，M2）形式之間動態轉換，以響應機械力不斷變化的肺泡環境[11]。M1與促炎反應密切相關，M2具有抗炎特性并參與ECM重塑[8]。
1.1.2 機械力調控巨噬細胞誘導PF的機制
機械應激通過調節細胞增殖、分化、炎癥和免疫反應等多種細胞功能來維持組織穩態。在PF中，機械敏感組織中的巨噬細胞接收調節各種細胞功能和炎癥反應的機械信號，但機械信號影響巨噬細胞功能促進PF的機制尚不清楚。越來越多的研究證實，機械拉伸可誘導小鼠M-φRAW264.7細胞通過黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/核因子κb（nuclear factor κb，NF-κB）信號通路促進M1極化[12]。值得注意的是，機械拉伸可刺激線粒體ROS激活肺泡巨噬細胞中的NLRP3炎性小體，以瞬時受體電位香草樣4型依賴的方式增加體內白細胞介素（interleukin，IL）-1β的產生，從而促進PF的進展[13]。機械拉伸誘導的尿酸可促進線粒體ROS的產生，從而放大NLRP3炎癥體的激活，以響應循環拉伸[13]。研究證明，低氧誘導因子-1a（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)是一種轉錄因子，沉默HIF-1α的表達顯著減少肺泡巨噬細胞中轉化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）的產生，并延緩博來霉素誘導的PF的發展[14]。巨噬細胞通過產生促纖維化介質和促進炎癥細胞的募集以及直接增強肌成纖維細胞的存活和激活來誘導PF[15]。在機械拉伸的纖維化環境中，巨噬細胞的功能隨解剖位置和拉伸強度的不同而顯著不同，物理環境有助于調節巨噬細胞的極化，巨噬細胞也可以作用于僵硬的肺泡環境[2]。巨噬細胞也是基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的重要產生者，MMPs是降解各種ECM蛋白的酶，MMP12是一種巨噬細胞分泌的彈性蛋白酶，它可通過調節MMP13和MMP2的活性，進而促進PF[16]。SARS-CoV-2促進巨噬細胞中與PF相關的遺傳程序，這種程序通過被廣泛的組織損傷引起的機械力升高而進一步維持和增強。在新冠肺炎相關PF中，將病毒識別與促纖維化巨噬細胞反應聯系起來的分子機制是非常重要的，這些機制可能為臨床治療干預提供新的靶點[17]。
1.2 機械力誘導肺泡上皮細胞對PF的調控作用
1.2.1 肺泡上皮細胞概述
AT1細胞是覆蓋95%肺泡表面積的大型鱗狀細胞，是形成薄空氣–血液屏障的重要上皮成分，其主要功能是氣體交換，AT2細胞是合成和分泌肺表面活性物質的小型立方細胞，AT2細胞能夠在肺受到機械損傷后快速自我更新分化為AT1細胞，作為肺泡干細胞發揮作用[18-19]。拉伸5%～17%的上皮細胞可以促進細胞增殖以及表面活性物質、前列環素和其他促炎癥和促纖維化細胞因子的產生，從而導致持續的PF。AT2的重復損傷可導致滲出性炎癥，從而引起大量免疫細胞的招募和免疫調節失調，從而促進慢性炎癥[20]。肺泡干細胞的分化缺陷會引起機械張力升高并激活TGF-β信號環，導致從外周向中心進展的空間調節性纖維化[21]。SARS-CoV-2感染也會對肺泡上皮細胞造成機械損傷，進而誘導PF的進展[17]。因此，肺泡上皮細胞在機械拉伸誘導的PF反應中起著關鍵作用。
1.2.2 機械力調控肺泡上皮細胞誘導PF的機制
肺泡塌陷導致鄰近肺泡上皮細胞過度牽張以及機械力的升高，最終誘導PF的進展[22]。機械牽拉肺泡上皮細胞可誘導中期因子（midkine，MK）-Notch2-血管緊張素轉換酶信號通路介導的上皮–間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），導致成纖維細胞急劇增加，促進PF[23]。機械應力導致肺泡上皮標志物表達減少，肺組織羥脯氨酸含量增加，誘導PF的加劇[24]。受損組織的修復需要幾個步驟，包括改變周圍ECM的硬度和增加傷口周圍細胞的機械反應能力。在肺組織中，組織的機械性能的變化與再生過程中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 co-activator with PDZ-binding motif，TAZ）的激活之間存在因果關系，肺切除術可以通過依賴于Rho-GTP酶CDC42/F-肌動蛋白/MAP激酶（MAP kinase，MAPK）/YAP信號級聯誘導AT2細胞的伸展和肌動蛋白聚合，反過來，細胞拉伸促進YAP核定位和轉錄活動[25]。機械刺激誘導肺泡上皮細胞分泌炎癥介質（TGF-β/Wnt/β-catenin），導致創面的異常愈合和PF。機械應力增加可激活MAPK信號級聯（ERK、p38激酶和JNK），表明MAPK信號的激活可能在機械張力誘導的肺泡再生中起作用。YAP在PF呼吸道上皮細胞中的活性增加，并確定YAP與mTOR/PI3K/AKT信號相互作用，調節呼吸道上皮細胞異常增殖、遷移，抑制上皮細胞分化，進而促進PF的發生發展[26]。高氧對肺泡上皮的嚴重損傷和修復延遲已被證明會干擾正常上皮–成纖維細胞平衡，并足以促進纖維化增殖。機械組織拉伸通過機械轉導激活嚙齒動物和人類PF中的TGF-β1，激活后啟動關鍵信號傳遞，經典信號即Smad2/3，非經典信號包括MAPK、ERK、JAK、ROCK、JAK、PI3K等，促進PF進展。TGF-β1可調控C/EBPβ通路活性。TGF-β在人肺上皮細胞中通過ERK/ADAM17/RSK1/C/EBPβ信號通路誘導CTGF表達[27]，然而在NMuMG細胞中，TGF-β1通過典型的Smad3途徑抑制C/EBPβ的表達，miR-155介導的抑制C/EBPβ可使細胞對TGF-β1誘導的EMT增敏[28]。機械拉伸激活整合素，進而通過對有絲分裂原激活的蛋白激酶、其他轉錄因子和NF-κB激酶的影響來控制NF-κB的活性，從而導致持續的纖維化。在AT2細胞中，呼吸周期期間的機械應力激活PIEZO1，導致Ca2+內流，機械活化鈣通道PIEZO1通過與TGF-β1形成正反饋調節機械刺激誘導的上皮–間質轉化[29]。因此，靶向EMT可能是治療PF的新方向。
1.3 機械力誘導內皮細胞對PF的調控作用
1.3.1 內皮細胞概述
內皮細胞是由一層扁平細胞組成的薄層上皮細胞，呈多邊形，細胞的邊緣呈鋸齒狀，相互嵌合，內皮細胞占肺細胞成分的30%，肺中的內皮細胞承受隨心臟和呼吸周期變化的剪切應力和循環拉伸引起的機械力，內皮細胞還承受底層ECM的剛度（即抗變形）力。血管內皮細胞代表一種暴露于連續的、時間依賴性的機械力下的獨特細胞類型[30]，內皮細胞將生物力學線索轉化為生物反應的機械傳感機制的識別一直是一個活躍的研究領域。血管內皮細胞含有機械感覺復合物，能夠對機械負荷的變化做出快速反應，進而誘導PF的進展。由于循環拉伸和剪切應力引起的外力加載到內皮上，導致與外力相反的內部張力變化稱為機械傳遞。
1.3.2 機械力調控內皮細胞誘導PF的機制
機械牽張可能通過NLRP3依賴途徑促進內皮細胞–間充質轉化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT）和PF，研究表明，HIF-1α信號通路的激活參與NLRP3誘導的TGF-β1的表達，這就是周期性牽張誘導EndMT促進PF的原因[31]。機械拉伸可以通過損害骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和Notch信號來增加VE-鈣粘蛋白轉換，從而激活YAP/TAZ信號并促進內皮細胞遷移和增殖[32]。整合素表達本身受機械力控制，單軸循環拉伸上調內皮細胞中整合素β3的表達，這進一步增強內皮細胞單層對過度血管擴張的細胞黏附性和抵抗力，特定的整合素介導循環拉伸誘導的內皮細胞重新定向反應[33-34]。肺損傷誘導的膽固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element binding proteins，SREBP2）在內皮細胞中過表達可導致轉化生長因子、WNT和細胞骨架重塑基因本體論途徑的誘導，導致增殖增加、應力纖維形成和ECM沉積。SREBP2激活內皮細胞中的NLRP3炎癥體，誘導NLRP3炎癥體的產物（IL-1β、IL-18）生成，內皮細胞可能在SREBP2誘導的PF的發病過程中經歷部分EndoMT，通過旁分泌信號影響鄰近細胞的細胞增殖和ECM蛋白的表達[35]。在機械拉伸下血管平滑肌細胞釋放的結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）可激活人卷曲蛋白（human frizzled homolog 8 protein，FZD8）和β-連環蛋白，促進內皮祖細胞分化為內皮細胞和血管生成[36]。機械拉伸下的成纖維細胞可以分泌外泌體，通過調節Erk1/2信號通路促進血管生成[37]，進而誘導PF的發生發展。因此，靶向EndMT也可能是治療PF的新方法。
2 機械力誘導ECM對PF的調控作用
2.1 ECM概述
PF的特點是進行性成纖維細胞和肌成纖維細胞的增殖，以及廣泛的ECM沉積。ECM過度沉積是PF過程的核心。ECM是由膠原蛋白、蛋白聚糖、彈性蛋白、纖維連接蛋白、層纖蛋白和其他幾種糖蛋白組成的非細胞三維大分子網絡。細胞在呼吸過程中對ECM剛性的變化做出反應，這可能是一種潛在的TGF-β1激活刺激，促進PF的持續存在，特別是在已經僵硬的肺中[38]。TGF-β1誘導肌成纖維細胞的分化，成纖維細胞是纖維發生中的關鍵細胞。肌成纖維細胞可通過收縮其肌動蛋白絲并束縛至整聯蛋白，促進從ECM結合的潛在復合物中釋放活性TGF-β1，從而使成纖維細胞活化和基質沉積永久化[39]。肌成纖維細胞在ECM沉積中起關鍵作用，肺僵硬度與機械拉伸后釋放的活性TGF-β1的量呈正相關[38]。當細胞感受到機械刺激（ECM特性、拉伸、壓縮和剪切應力）時，細胞可以將機械力轉化為細胞內的生化信號來調節自己的細胞行為。在PF中，肌成纖維細胞的持久性可以抵抗細胞凋亡進而導致過度的瘢痕形成。在拉伸下，刺激性ECM的機械行為涉及潛在的內在機械轉導機制，該機制可能通過引導駐留的成纖維細胞遠離促纖維化的輪廓來減緩PF的進展[40]。因此，靶向ECM剛性和機械轉導通路是PF治療的一個有前景的靶點。
2.2 機械力誘導ECM調控PF的機制
機械刺激通過肌動蛋白細胞骨架重塑介導的巨核細胞白血病因子1促進僵硬ECM誘導的肺肌成纖維細胞分化，基質硬化促進小GTPase RhoA的產生和激活，增加Rho激酶（Rho associated protein kinase，ROCK）活性，并增強成纖維細胞的收縮性和促進PF的進展[41]。細胞-ECM相互作用有助于細胞感知機械力，機械力隨后可以轉化為生化信號，然后引發生物反應[42]。在細胞-ECM相互作用區域中存在負責機械力轉導的蛋白和結構，包括拉伸敏感離子通道，如Piezo1和Piezo2[43]，包含ECM結合整合素的黏著斑、信號蛋白，如FAK、RhoGTP酶以及力轉導蛋白（踝蛋白和紐帶蛋白）[44]。此外，細胞不僅通過和ECM 的相互作用直接對機械力作出反應，還接受由機械力誘導的信號分子，如生長因子（骨形態發生蛋白和TGF-β）和促炎細胞因子（腫瘤壞死因子-α和IL-1β）[45]。機械力促進整合素聚集成局灶性粘連，將細胞外輸入與細胞內細胞骨架整合，FAK可以被剛性ECM以及TGF-β激活，誘導FAK下游的ROCK促進肌動蛋白聚合，有助于與肌成纖維細胞分化、存活和纖維化相關的肌球蛋白相關轉錄因子A的核易位[46]。機械應力誘導PF中TGF-β1的活性釋放，導致Smad2/3的磷酸化，促進平滑肌肌動蛋白的轉錄，導致這些細胞分化為肌成纖維細胞。機械敏感蛋白YAP和TAZ主要位于細胞核中，通過機械力（剛性ECM和機械拉伸）激活，剛性ECM可以使細胞核變平，從而通過減少核孔的機械限制來增加YAP的核輸入，以促進促纖維化基因的轉錄[47]。絲氨酸蛋白酶（中性粒細胞彈性蛋白酶）和MMPs不僅降解ECM，也可以激活TGF-β，從而促進ECM的積累。機械拉伸通過增強血小板源性生長因子受體表達促進癌癥相關成纖維細胞與正常成纖維細胞的分化，并且癌癥相關成纖維細胞可以進一步促進膠原蛋白沉積和更硬的ECM[48]。受損的肺泡上皮分泌多種細胞因子和生長因子（如TGF-β），促進成纖維細胞分化為可產生ECM的收縮性肌成纖維細胞，活化的成纖維細胞/肌成纖維細胞產生炎癥介質，包括TGF-β、IL-1和IL-33，促進纖維生成和免疫細胞募集加重慢性炎癥[49]，值得注意的是，ECM還是被釋放的介質和生長因子的儲庫，從而形成一個正反饋回路，通過成肌細胞分化和ECM分泌支持纖維生成。肺泡腔內肌成纖維細胞和ECM的聚集可增加纖維化灶的剛度和機械張力，誘導進一步的纖維化組織重塑[21]。
3 展望
PF是一種復雜的疾病，難以治療，且死亡率很高，因此，我們需要總結新的治療嘗試和潛在的未來方法來治療這種毀滅性的疾病。機械力越來越被認為是PF過程中的重要介質，機械力–細胞之間和機械力-ECM之間的相互作用導致多條信號通路的激活誘導PF，為臨床治療PF提供新策略。越來越多的證據表明，機械力可誘導肺泡細胞和ECM調控PF的發生發展，但目前尚不清楚如何通過靶向肺泡細胞和ECM治療PF，迫切需要進行更多的研究，以支持機械張力在PF進展中的作用和對PF潛在分子機制深入了解。PF進展中肺泡細胞是否有關鍵的機械傳感器激活下游信號通路？機械力是否可以調節或維持到健康的程度，以阻止患者PF的進展？如何利用機械力創建更有意義的PF模型？其他組織中異常的機械力會導致其器官纖維化嗎[21]？未來應該深入解決這些問題，才能成功開發有效的治療方法來減緩或阻止PF的進展。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
肺纖維化（pulmonary fibrosis，PF）是一種以成纖維細胞大量增殖和廣泛細胞外基質（extracellular matrix，ECM）聚集并伴炎癥損傷、組織結構破壞為特征的一大類肺疾病的終末期改變，其中，特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）好發于40～50歲男性，中位生存期多為2～3年，存活率低于大多數癌癥[1]。遺傳疾病、自身免疫性疾病、職業暴露、毒素、藥物、輻射和SARS-CoV-2感染等因素均可增加PF的患病風險[2]。研究證實，當肺損傷時，局部血管的通透性增大，可促使細胞骨架重塑，從而改變細胞的機械力[2]。機械力影響我們肺部的每一個細胞，機械力包括細胞骨架的張力、組織決定的內部拉力和平衡外力（周圍ECM和其他細胞的拓撲和硬度）[3-4]。細胞通過機械力來感知自己在環境中的位置、形狀和擾動，并通過建立生長和修復組織來做出反應，直到達到適當的機械平衡[5]。損傷不適當的修復誘導成纖維細胞的激活和ECM的過度沉積，最終促進PF的發生發展，僵硬的ECM也可產生機械應力，進一步誘導PF的進展[6]。
為了闡明機械力誘導PF的發病機制，我們對機械力調控巨噬細胞、上皮細胞、內皮細胞和ECM誘導PF發展的相關性研究進行了詳細的綜述，為靶向治療PF提供新思路和奠定基礎。
1 機械力誘導肺泡細胞調控PF的作用
肺泡實質約占肺泡總體積的90%，肺泡的結構由肺泡上皮細胞（AT1和AT2）、毛細血管腔內的內皮細胞、間質組織中的成纖維細胞、肺泡內間隙的巨噬細胞和肥大細胞組成[2]。本文將重點對機械力誘導肺泡細胞中的巨噬細胞、肺泡上皮細胞和內皮細胞調控PF作一綜述，為臨床靶向細胞治療提供方向。
1.1 機械力誘導巨噬細胞對PF的調控作用
1.1.1 巨噬細胞的概述
先天免疫細胞作為機體防御的第一道屏障，在宿主防御和組織動態平衡中發揮著重要作用，巨噬細胞作為PF的調節者，是PF發病過程中研究最多的先天免疫細胞[7]。巨噬細胞的來源包括組織內巨噬細胞增殖、造血干細胞和循環單核細胞，肺巨噬細胞根據其位置分為呼吸道巨噬細胞、肺泡巨噬細胞和間質巨噬細胞[8]。免疫失調被認為是間質性肺部疾病的驅動因素，天然細胞（巨噬細胞和中性粒細胞）和適應性細胞（T細胞）都以不同的方式調節纖維化的形成[9]。在機械拉伸誘導的PF進展中，循環系統中單核細胞到肺間質中形成招募型間質巨噬細胞，產生一些纖維化相關因子刺激成纖維細胞向纖維細胞轉化，循環系統中單核細胞到肺泡中形成招募型肺泡巨噬細胞，進一步誘導PF[10]。巨噬細胞可以在經典激活（classically activated macrophage，M1）和交替激活（classically activated macrophage，M2）形式之間動態轉換，以響應機械力不斷變化的肺泡環境[11]。M1與促炎反應密切相關，M2具有抗炎特性并參與ECM重塑[8]。
1.1.2 機械力調控巨噬細胞誘導PF的機制
機械應激通過調節細胞增殖、分化、炎癥和免疫反應等多種細胞功能來維持組織穩態。在PF中，機械敏感組織中的巨噬細胞接收調節各種細胞功能和炎癥反應的機械信號，但機械信號影響巨噬細胞功能促進PF的機制尚不清楚。越來越多的研究證實，機械拉伸可誘導小鼠M-φRAW264.7細胞通過黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/核因子κb（nuclear factor κb，NF-κB）信號通路促進M1極化[12]。值得注意的是，機械拉伸可刺激線粒體ROS激活肺泡巨噬細胞中的NLRP3炎性小體，以瞬時受體電位香草樣4型依賴的方式增加體內白細胞介素（interleukin，IL）-1β的產生，從而促進PF的進展[13]。機械拉伸誘導的尿酸可促進線粒體ROS的產生，從而放大NLRP3炎癥體的激活，以響應循環拉伸[13]。研究證明，低氧誘導因子-1a（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)是一種轉錄因子，沉默HIF-1α的表達顯著減少肺泡巨噬細胞中轉化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）的產生，并延緩博來霉素誘導的PF的發展[14]。巨噬細胞通過產生促纖維化介質和促進炎癥細胞的募集以及直接增強肌成纖維細胞的存活和激活來誘導PF[15]。在機械拉伸的纖維化環境中，巨噬細胞的功能隨解剖位置和拉伸強度的不同而顯著不同，物理環境有助于調節巨噬細胞的極化，巨噬細胞也可以作用于僵硬的肺泡環境[2]。巨噬細胞也是基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的重要產生者，MMPs是降解各種ECM蛋白的酶，MMP12是一種巨噬細胞分泌的彈性蛋白酶，它可通過調節MMP13和MMP2的活性，進而促進PF[16]。SARS-CoV-2促進巨噬細胞中與PF相關的遺傳程序，這種程序通過被廣泛的組織損傷引起的機械力升高而進一步維持和增強。在新冠肺炎相關PF中，將病毒識別與促纖維化巨噬細胞反應聯系起來的分子機制是非常重要的，這些機制可能為臨床治療干預提供新的靶點[17]。
1.2 機械力誘導肺泡上皮細胞對PF的調控作用
1.2.1 肺泡上皮細胞概述
AT1細胞是覆蓋95%肺泡表面積的大型鱗狀細胞，是形成薄空氣–血液屏障的重要上皮成分，其主要功能是氣體交換，AT2細胞是合成和分泌肺表面活性物質的小型立方細胞，AT2細胞能夠在肺受到機械損傷后快速自我更新分化為AT1細胞，作為肺泡干細胞發揮作用[18-19]。拉伸5%～17%的上皮細胞可以促進細胞增殖以及表面活性物質、前列環素和其他促炎癥和促纖維化細胞因子的產生，從而導致持續的PF。AT2的重復損傷可導致滲出性炎癥，從而引起大量免疫細胞的招募和免疫調節失調，從而促進慢性炎癥[20]。肺泡干細胞的分化缺陷會引起機械張力升高并激活TGF-β信號環，導致從外周向中心進展的空間調節性纖維化[21]。SARS-CoV-2感染也會對肺泡上皮細胞造成機械損傷，進而誘導PF的進展[17]。因此，肺泡上皮細胞在機械拉伸誘導的PF反應中起著關鍵作用。
1.2.2 機械力調控肺泡上皮細胞誘導PF的機制
肺泡塌陷導致鄰近肺泡上皮細胞過度牽張以及機械力的升高，最終誘導PF的進展[22]。機械牽拉肺泡上皮細胞可誘導中期因子（midkine，MK）-Notch2-血管緊張素轉換酶信號通路介導的上皮–間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），導致成纖維細胞急劇增加，促進PF[23]。機械應力導致肺泡上皮標志物表達減少，肺組織羥脯氨酸含量增加，誘導PF的加劇[24]。受損組織的修復需要幾個步驟，包括改變周圍ECM的硬度和增加傷口周圍細胞的機械反應能力。在肺組織中，組織的機械性能的變化與再生過程中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 co-activator with PDZ-binding motif，TAZ）的激活之間存在因果關系，肺切除術可以通過依賴于Rho-GTP酶CDC42/F-肌動蛋白/MAP激酶（MAP kinase，MAPK）/YAP信號級聯誘導AT2細胞的伸展和肌動蛋白聚合，反過來，細胞拉伸促進YAP核定位和轉錄活動[25]。機械刺激誘導肺泡上皮細胞分泌炎癥介質（TGF-β/Wnt/β-catenin），導致創面的異常愈合和PF。機械應力增加可激活MAPK信號級聯（ERK、p38激酶和JNK），表明MAPK信號的激活可能在機械張力誘導的肺泡再生中起作用。YAP在PF呼吸道上皮細胞中的活性增加，并確定YAP與mTOR/PI3K/AKT信號相互作用，調節呼吸道上皮細胞異常增殖、遷移，抑制上皮細胞分化，進而促進PF的發生發展[26]。高氧對肺泡上皮的嚴重損傷和修復延遲已被證明會干擾正常上皮–成纖維細胞平衡，并足以促進纖維化增殖。機械組織拉伸通過機械轉導激活嚙齒動物和人類PF中的TGF-β1，激活后啟動關鍵信號傳遞，經典信號即Smad2/3，非經典信號包括MAPK、ERK、JAK、ROCK、JAK、PI3K等，促進PF進展。TGF-β1可調控C/EBPβ通路活性。TGF-β在人肺上皮細胞中通過ERK/ADAM17/RSK1/C/EBPβ信號通路誘導CTGF表達[27]，然而在NMuMG細胞中，TGF-β1通過典型的Smad3途徑抑制C/EBPβ的表達，miR-155介導的抑制C/EBPβ可使細胞對TGF-β1誘導的EMT增敏[28]。機械拉伸激活整合素，進而通過對有絲分裂原激活的蛋白激酶、其他轉錄因子和NF-κB激酶的影響來控制NF-κB的活性，從而導致持續的纖維化。在AT2細胞中，呼吸周期期間的機械應力激活PIEZO1，導致Ca2+內流，機械活化鈣通道PIEZO1通過與TGF-β1形成正反饋調節機械刺激誘導的上皮–間質轉化[29]。因此，靶向EMT可能是治療PF的新方向。
1.3 機械力誘導內皮細胞對PF的調控作用
1.3.1 內皮細胞概述
內皮細胞是由一層扁平細胞組成的薄層上皮細胞，呈多邊形，細胞的邊緣呈鋸齒狀，相互嵌合，內皮細胞占肺細胞成分的30%，肺中的內皮細胞承受隨心臟和呼吸周期變化的剪切應力和循環拉伸引起的機械力，內皮細胞還承受底層ECM的剛度（即抗變形）力。血管內皮細胞代表一種暴露于連續的、時間依賴性的機械力下的獨特細胞類型[30]，內皮細胞將生物力學線索轉化為生物反應的機械傳感機制的識別一直是一個活躍的研究領域。血管內皮細胞含有機械感覺復合物，能夠對機械負荷的變化做出快速反應，進而誘導PF的進展。由于循環拉伸和剪切應力引起的外力加載到內皮上，導致與外力相反的內部張力變化稱為機械傳遞。
1.3.2 機械力調控內皮細胞誘導PF的機制
機械牽張可能通過NLRP3依賴途徑促進內皮細胞–間充質轉化（endothelial-to-mesenchymal transition，EndMT）和PF，研究表明，HIF-1α信號通路的激活參與NLRP3誘導的TGF-β1的表達，這就是周期性牽張誘導EndMT促進PF的原因[31]。機械拉伸可以通過損害骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和Notch信號來增加VE-鈣粘蛋白轉換，從而激活YAP/TAZ信號并促進內皮細胞遷移和增殖[32]。整合素表達本身受機械力控制，單軸循環拉伸上調內皮細胞中整合素β3的表達，這進一步增強內皮細胞單層對過度血管擴張的細胞黏附性和抵抗力，特定的整合素介導循環拉伸誘導的內皮細胞重新定向反應[33-34]。肺損傷誘導的膽固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element binding proteins，SREBP2）在內皮細胞中過表達可導致轉化生長因子、WNT和細胞骨架重塑基因本體論途徑的誘導，導致增殖增加、應力纖維形成和ECM沉積。SREBP2激活內皮細胞中的NLRP3炎癥體，誘導NLRP3炎癥體的產物（IL-1β、IL-18）生成，內皮細胞可能在SREBP2誘導的PF的發病過程中經歷部分EndoMT，通過旁分泌信號影響鄰近細胞的細胞增殖和ECM蛋白的表達[35]。在機械拉伸下血管平滑肌細胞釋放的結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）可激活人卷曲蛋白（human frizzled homolog 8 protein，FZD8）和β-連環蛋白，促進內皮祖細胞分化為內皮細胞和血管生成[36]。機械拉伸下的成纖維細胞可以分泌外泌體，通過調節Erk1/2信號通路促進血管生成[37]，進而誘導PF的發生發展。因此，靶向EndMT也可能是治療PF的新方法。
2 機械力誘導ECM對PF的調控作用
2.1 ECM概述
PF的特點是進行性成纖維細胞和肌成纖維細胞的增殖，以及廣泛的ECM沉積。ECM過度沉積是PF過程的核心。ECM是由膠原蛋白、蛋白聚糖、彈性蛋白、纖維連接蛋白、層纖蛋白和其他幾種糖蛋白組成的非細胞三維大分子網絡。細胞在呼吸過程中對ECM剛性的變化做出反應，這可能是一種潛在的TGF-β1激活刺激，促進PF的持續存在，特別是在已經僵硬的肺中[38]。TGF-β1誘導肌成纖維細胞的分化，成纖維細胞是纖維發生中的關鍵細胞。肌成纖維細胞可通過收縮其肌動蛋白絲并束縛至整聯蛋白，促進從ECM結合的潛在復合物中釋放活性TGF-β1，從而使成纖維細胞活化和基質沉積永久化[39]。肌成纖維細胞在ECM沉積中起關鍵作用，肺僵硬度與機械拉伸后釋放的活性TGF-β1的量呈正相關[38]。當細胞感受到機械刺激（ECM特性、拉伸、壓縮和剪切應力）時，細胞可以將機械力轉化為細胞內的生化信號來調節自己的細胞行為。在PF中，肌成纖維細胞的持久性可以抵抗細胞凋亡進而導致過度的瘢痕形成。在拉伸下，刺激性ECM的機械行為涉及潛在的內在機械轉導機制，該機制可能通過引導駐留的成纖維細胞遠離促纖維化的輪廓來減緩PF的進展[40]。因此，靶向ECM剛性和機械轉導通路是PF治療的一個有前景的靶點。
2.2 機械力誘導ECM調控PF的機制
機械刺激通過肌動蛋白細胞骨架重塑介導的巨核細胞白血病因子1促進僵硬ECM誘導的肺肌成纖維細胞分化，基質硬化促進小GTPase RhoA的產生和激活，增加Rho激酶（Rho associated protein kinase，ROCK）活性，并增強成纖維細胞的收縮性和促進PF的進展[41]。細胞-ECM相互作用有助于細胞感知機械力，機械力隨后可以轉化為生化信號，然后引發生物反應[42]。在細胞-ECM相互作用區域中存在負責機械力轉導的蛋白和結構，包括拉伸敏感離子通道，如Piezo1和Piezo2[43]，包含ECM結合整合素的黏著斑、信號蛋白，如FAK、RhoGTP酶以及力轉導蛋白（踝蛋白和紐帶蛋白）[44]。此外，細胞不僅通過和ECM 的相互作用直接對機械力作出反應，還接受由機械力誘導的信號分子，如生長因子（骨形態發生蛋白和TGF-β）和促炎細胞因子（腫瘤壞死因子-α和IL-1β）[45]。機械力促進整合素聚集成局灶性粘連，將細胞外輸入與細胞內細胞骨架整合，FAK可以被剛性ECM以及TGF-β激活，誘導FAK下游的ROCK促進肌動蛋白聚合，有助于與肌成纖維細胞分化、存活和纖維化相關的肌球蛋白相關轉錄因子A的核易位[46]。機械應力誘導PF中TGF-β1的活性釋放，導致Smad2/3的磷酸化，促進平滑肌肌動蛋白的轉錄，導致這些細胞分化為肌成纖維細胞。機械敏感蛋白YAP和TAZ主要位于細胞核中，通過機械力（剛性ECM和機械拉伸）激活，剛性ECM可以使細胞核變平，從而通過減少核孔的機械限制來增加YAP的核輸入，以促進促纖維化基因的轉錄[47]。絲氨酸蛋白酶（中性粒細胞彈性蛋白酶）和MMPs不僅降解ECM，也可以激活TGF-β，從而促進ECM的積累。機械拉伸通過增強血小板源性生長因子受體表達促進癌癥相關成纖維細胞與正常成纖維細胞的分化，并且癌癥相關成纖維細胞可以進一步促進膠原蛋白沉積和更硬的ECM[48]。受損的肺泡上皮分泌多種細胞因子和生長因子（如TGF-β），促進成纖維細胞分化為可產生ECM的收縮性肌成纖維細胞，活化的成纖維細胞/肌成纖維細胞產生炎癥介質，包括TGF-β、IL-1和IL-33，促進纖維生成和免疫細胞募集加重慢性炎癥[49]，值得注意的是，ECM還是被釋放的介質和生長因子的儲庫，從而形成一個正反饋回路，通過成肌細胞分化和ECM分泌支持纖維生成。肺泡腔內肌成纖維細胞和ECM的聚集可增加纖維化灶的剛度和機械張力，誘導進一步的纖維化組織重塑[21]。
3 展望
PF是一種復雜的疾病，難以治療，且死亡率很高，因此，我們需要總結新的治療嘗試和潛在的未來方法來治療這種毀滅性的疾病。機械力越來越被認為是PF過程中的重要介質，機械力–細胞之間和機械力-ECM之間的相互作用導致多條信號通路的激活誘導PF，為臨床治療PF提供新策略。越來越多的證據表明，機械力可誘導肺泡細胞和ECM調控PF的發生發展，但目前尚不清楚如何通過靶向肺泡細胞和ECM治療PF，迫切需要進行更多的研究，以支持機械張力在PF進展中的作用和對PF潛在分子機制深入了解。PF進展中肺泡細胞是否有關鍵的機械傳感器激活下游信號通路？機械力是否可以調節或維持到健康的程度，以阻止患者PF的進展？如何利用機械力創建更有意義的PF模型？其他組織中異常的機械力會導致其器官纖維化嗎[21]？未來應該深入解決這些問題，才能成功開發有效的治療方法來減緩或阻止PF的進展。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。