引用本文： 王雪松, 張廷偉, 康弟, 王瑩瑩, 邵野, 李洪波. 代謝重編程在特發性肺纖維化中的研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2023, 22(11): 825-831. doi: 10.7507/1671-6205.202307056 復制
特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一種原因不明的間質性疾病（interstitial lung disease，ILD），其特征為肺實質持續瘢痕化和肺功能不斷惡化，致使生活質量下降甚至造成死亡[1-2]。流行病學調查顯示全球IPF的發病率和患病率呈不斷上升趨勢[3]，中位生存期約為4年[4-5]。IPF中纖維化的機制目前仍不清楚[6]，可能與上皮細胞損傷和重塑、肺成纖維細胞轉化、肺干細胞功能障礙和耗竭、細胞外基質沉積，炎癥和免疫等相關[1，7-10]。研究表明轉化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）是IPF發病機制的關鍵之一，胰島素樣生長因子、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）、結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF）和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）也介導促纖維化過程[11-15]。研究發現多種細胞的代謝重編程參與肺纖維化的發病與進展，主要通過影響自噬、細胞凋亡、衰老和炎癥反應等病理機制發揮其促纖維化作用[16]。
代謝重編程是細胞面對不同環境時通過改變代謝模式（增加或減弱合成反應）抵御外界不良因素或賦予細胞新功能的現象[17]，可存在于腫瘤細胞和非腫瘤疾病的某些細胞中[16，18]，通過供給能量、改變代謝等，使細胞呈現增殖、遷移以及抗凋亡等作用使得疾病發生發展[19-22]。IPF肺組織中存在該現象，同時該過程中的關鍵蛋白或酶等可能成為藥物治療的關鍵作用靶點[23-24]。本文通過綜述細胞糖代謝、脂質代謝、氨基酸代謝、線粒體能量代謝、乳酸代謝以及鐵和血紅素代謝的重新編程與IPF的聯系和基于代謝重編程治療IPF的研究進展，以期為新的IPF靶向治療策略提供代謝角度的線索與參考。
1 糖代謝重編程與IPF
葡萄糖通過糖酵解產生能量，經多個酶促反應步驟后分解為丙酮酸等[25-26]。此后，氧氣充足時，丙酮酸轉化為乙酰輔酶A，在線粒體中被氧化，通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）過程形成ATP和CO2。以糖酵解為主要研究對象的糖代謝與特發性肺纖維化緊密聯系。
1.1 有氧糖酵解參與調控細胞及細胞外基質以調節纖維化
在人肺成纖維細胞（human lung fibroblasts，HLFs）中，TGF-β1可刺激葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter1，GLUT1）的含量增加，而GLUTs可促進細胞對葡萄糖的攝取[27]。TGF-β誘導果糖-2，6-二磷酸酶3（fructose-2，6-Biphosphatase 3，PFKFB3）的表達，PFKFB3是有助于形成果糖1，6-二磷酸（果糖1，6-BP）的酶，在IPF肌成纖維細胞中上調，從而促進糖酵解[25]，因此IPF中的肌成纖維細胞糖酵解增強。同時PFKFB3所催化出的果糖-1，6-二磷酸又是6-磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase1，PFK1）的變構激活劑和糖酵解的強刺激劑[27]。PFKFB3的表達則與肌成纖維細胞分化的標志物肌α平滑肌肌動蛋白（smooth muscle actin，SMA）的表達特異性相關[26]。最后可理解為肺成纖維細胞增強糖酵解以適應IPF進展[25]。不同于成纖維細胞的是，由于IPF中Ⅱ型肺泡細胞（type I alveolar cells，AT2）的6-磷酸果糖激酶（6-phosphofructokinase，PFK）的表達降低，使肺后期糖酵解的代謝物磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenol pyruvate，PEP）和果糖1，6-BP的水平降低。PFK是糖酵解的關鍵酶，推進糖酵解過程。
1.2 糖酵解穩定缺氧誘導因子1α
缺氧誘導因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是IPF發病的關鍵機制[25]。據報道，諸如TGF-β1等促纖維化因素的刺激增加了HIF-1α的活化使得活性氧與活性氮升高。磷脂酰肌醇激酶（phosphatidyl inositol kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase，AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）途徑是與增加HIF-1α轉錄有關的主要途徑，該軸受TGF-β1和WNT/β-catenin等關鍵的促纖維化因素強化并呈交叉相互作用，間接增加HIF-1α轉錄[26]。另外肌成纖維細胞還在促纖維化刺激下，通過代謝狀態和氧化應激的變化上調己糖激酶（hexokinase，HK）、磷脂酰肌醇依賴性激酶（phosphatidyl inositol dependent kinase，PDK）表達使有氧糖酵解增加，促進HIF-1α/PDK1軸的穩定將成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，同時還通過增加乳酸脫氫酶A（lactic dehydrogenase，LDHA）的表達和抑制丙酮酸脫氫酶來抑制線粒體三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）從而穩定HIF-1α[26]。另外，糖酵解還為膠原蛋白合成提供了相關的氨基酸，膠原蛋白是纖維化組織細胞外基質（extra cellular matrix，ECM）的主要結構蛋白，同時無氧糖酵解的終產物乳酸還可以增加脯氨酸羥化酶的活性從而穩定膠原蛋白[26]。研究表明，IPF患者肺內于蜂窩相關區域的氟代脫氧葡萄糖（fludeoxyglucose，18F-FDG）攝取增加，表明此區域糖酵解活躍，同時發現肺纖維化（pulmonary fibrosis，PF）全局性的代謝變化比纖維化區域變化早[27]。因此，我們得出18F-FDG攝取可以作為潛在標志物來評估纖維化的療效。
2 脂質代謝重編程與IPF
脂肪酸（fatty acid，FA）可經β氧化分解產生ATP[25]，磷脂作為衍生脂質調節細胞功能[28]，鞘脂已成為組織纖維化的潛在調節因子[25]，另外如膽固醇、花生四烯酸代謝物的表達也促進IPF發生發展[29]。
在IPF肺中，肌成纖維細胞的中長鏈脂肪酸水平升高，肉堿和中鏈酰基肉堿水平降低[25，30]。由于肉堿是FA進行β氧化所需，所以β氧化將會減弱。研究表明纖維化肺中細胞代謝調節因子AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的水平降低[26]，該因子不但促進脂肪酸氧化，還通過乙酰CoA羧化酶1（acetylcoa carboxylase1，ACC1）磷酸化和固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element-binding proteins1c，SREBP1c）來抑制脂肪酸合成。IPF患者鞘氨醇1-磷酸（sphingosine 1-phosphate，S1P）濃度增加，同時通過使用鞘氨醇激酶抑制劑（sphingosine kinase inhibitor2，SKI-II）阻斷鞘氨醇激酶-1（sphingosine kinase-1，SphK-1）抑制其合成，降低了博來霉素（bleomycin，BLM）誘導下的小鼠肺纖維化水平[25]，所以鞘脂也在組織纖維化中發揮重要作用。前列腺素（phenyl glycidyl ether2，PGE2）在PF和TGF-β誘導的實驗性BLM模型中表現出抗纖維化作用[28]，為開發新藥物提供了新的線索。
研究發現IPF肺巨噬細胞線粒體鈣單轉運體（mitochondrial calcium uniporter，MCU）的表達增加，MCU使Ca通過線粒體基質并激活調節因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α（peroxisome proliferator activating receptor gamma coactivator 1α，PGC-1α）來影響脂質代謝。研究發現IPF肺巨噬細胞β氧化增加，因此可知肺巨噬細胞β氧化作為能量來源，FA代謝通過增加MCU的Ca轉運和PGC-1α支持纖維化進展[25]。另外，在IPF期間參與脂質分泌的轉運蛋白ATP結合盒轉運蛋白A3（recombinant ATP binding cassette transporter A3，ABCA3）在AT2細胞中的相關基因的表達降低[31]。
脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）催化丙二酰輔酶A（malonyl coa，CoA）會產生長鏈脂肪酸。研究發現在促纖維化刺激下FASN在人肺和鼠成纖維細胞以及BLM誘導IPF中增加，同時也通過沉默FASN減少了膠原蛋白等的產生[27]。另外，磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）作為表面活性劑脂質主要成分，是溶血磷酸鹽酸（lysophosphatidic acid，LPA）的來源，LPA在纖維化過程中增加從而使氧化磷脂增多，表面活性劑脂質的分泌因此受損。研究發現IPF肺超長鏈脂肪酸延伸酶（elongase of verylong chain fatty acids6，ELOVL6）減少[31]，ELOVL6作為一種酶將棕櫚酸酯轉化為硬脂酸酯，硬脂酸會抑制成纖維細胞的活化和TGF-β1刺激及棕櫚酸積累，并防止氧化應激造成的細胞凋亡。
諸如Rho和Ras的小單體GTP酶需要異戊二烯化才能發揮相關促纖維化的作用，同時TGF-β2在人肺成纖維細胞中誘導結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）/富半胱氨酸蛋白61（cysteine rich protein 61，CCN1）也需要RhoA異戊二烯化[26]，異戊二烯法尼基焦磷酸鹽和香葉基香葉基焦磷酸鹽為膽固醇生物合成途徑的中間體參與異戊二烯化的蛋白質翻譯后修飾。另外，在內皮細胞（endothelial cells，EC）中，氧化應激誘導的磷脂酶D和相關脂質信號酶的激活使得內皮細胞功能障礙，促成肺纖維化[16]。
3 氨基酸代謝重編程與IPF
氨基酸代謝改變驅動纖維化[25-26]，主要有甘氨酸（glycine，Gly）、精氨酸（arginine，Arg）、谷氨酰胺（glutamine，Gln）等。谷氨酰胺研究較為廣泛，谷氨酰胺分解先通過谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）轉化為谷氨酸，然后通過谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）等轉化為α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）進入TCA[26，32]。
3.1 IPF的谷氨酰胺代謝改變
研究發現TGF-β1刺激的小鼠和IPF患者的成纖維細胞中的GLS水平升高[26]。在肺成纖維細胞中，TGF-β1通過激活Smad3和p38-MAPK依賴性信號傳導上調的表達來刺激谷氨酰胺分解，谷氨酸濃度隨之增加。谷氨酰胺分解，通過增加TCA循環代謝物進行肌成纖維細胞分化所需，并提供OXPHOS的還原等價物以產生ATP[25]。另有研究報告了α-KG依賴性mTOR信號傳導在促進膠原蛋白羥基化方面的重要性[26]。此外，肺成纖維細胞需要Gln和GLS來誘導TGF-β1從而誘導膠原蛋白產生[25]。TGF-β1誘導膠原蛋白依賴GLS分解，因為阻斷GLS被證明可以降低I型和III型膠原的表達[26]。GLS1的藥理學抑制限制了α-KG的產生，影響膠原結構完整性，加速其降解[27]。TGF-β1增加丙氨酸氨基轉移酶2（glutamate pyruvic transaminase2，GPT2）、天冬氨酸氨基轉移酶1和2（aspartate aminotransferase，GOT1/2）和磷酸質氨基轉移酶（phosphoaminotransferase，PSAT1）的豐度，利用氨基轉移酶抑制劑氨基氧乙酸酯（aminoxyacetate，AOA）可抑制TGF-β1誘導的肌成纖維細胞中膠原蛋白的產生[27]。同時，經PSAT1谷氨酸代謝會產生3-磷酸絲氨酸，這是從頭絲氨酸和甘氨酸合成的中間體，從而產生膠原蛋白[25]。氣相色譜–質譜聯用（GC-MS）圖譜也顯示了甘氨酸在IPF肺組織中含量增加；相反，谷氨酸利用酶PSAT1的沉默，其在甘氨酸從頭合成過程中將3-磷酸羥基丙酮酸（3-phosphohydroxypyruvate，3-PHP）轉化為3-磷雜氨酸（3-phosphoheterine，3-PS），顯著抑制膠原蛋白的產生[27]。谷氨酸可以被吡咯啉-5-羧酸合酶（pyrrolin-5-carboxylate synthase，P5CS）代謝，產生脯氨酸摻入膠原蛋白中[25]，P5CS的敲低可防止TGF-β誘導的膠原蛋白產生。谷氨酰胺分解會改變組蛋白甲基化，從而影響IPF成纖維細胞中的抗凋亡基因表達。據報道，X連鎖細胞凋亡抑制劑（X-linked apoptosis inhibitors，XIAP）在IPF中增加，組蛋白去甲基化酶JMJD3以谷氨酰胺和α-KG依賴性方式與抗凋亡基因XIAP的啟動子結合，表明谷氨酰胺分解是IPF衍生成纖維細胞中抗凋亡基因的表觀遺傳調控所必需的[27]。另外需注意的是，IPF患者和BLM誘導的肺纖維化小鼠AT2細胞中負責谷氨酰胺分解代謝的催化酶表達下調[33]。
3.2 IPF的精氨酸代謝改變
精氨酸代謝失衡使膠原蛋白合成異常。精氨酸酶-1（arginase-1，Arg-1）在BLM誘導的IPF患者和肺纖維化的小鼠模型中高表達，TGF-β1刺激巨噬細胞精氨酸酶表達增加，于成纖維細胞中供應l-脯氨酸以合成膠原蛋白。研究表明Arg-1活性抑制使得膠原蛋白沉積減少[25]。精氨酸副產物非對稱性二甲基精氨酸（asymmetric dimethylarginine，ADMA）通過上調Arg-1和膠原蛋白合成促進纖維化，其由二甲基精氨酸二甲氨基水解酶（dimethylarginine dimethylaminohydrolase，DDAH）調節。在TGF-β2和IL-1刺激下，IPF相關模型的DDAH的活性增加，增加的DDAH活性抑制了NOS抑制劑ADMA，導致成纖維細胞池擴增[16]。此外，將精氨酸殘基轉化為瓜氨酸的肽基精氨酸脫亞胺酶-4（peptidyl arginine deiminase-4，PAD4）和催化精氨酸殘基甲基化的精氨酸甲基轉移酶（prot Ein-arginine methyltransferases，PRMT）過表達也會產生ADMA，L-單甲基精氨酸（L-monomethylarginine，L-NMMA）或對稱性二甲基精氨酸（symmetrical dimethylarginine，SDMA）。IPF肺顯示肌酸、腐胺等精氨酸代謝物的水平增加與ECM膠原蛋白形成相關[25]。非蛋白氨基酸鳥氨酸也是脯氨酸生物合成的重要前體。鳥氨酸氨基轉移酶（ornithine aminotransferase，OAT）將鳥氨酸的側鏈氨基轉移到α-酮戊二酸上，產生谷氨酸和5-吡咯啉羧酸。鳥氨酸衍生脯氨酸途徑可能顯著促進脯氨酸和膠原蛋白的從頭合成。精氨酸減少作為IPF特征，研究相關方法來抑制Arg-1的減少以阻止膠原的產生是治療該疾病的重要方向。
4 線粒體相關代謝重編程與IPF
線粒體可產生能量并決定各種生物學活動和結果[26-27]。另外，線粒體通過改變線粒體融合和裂變動力學適應細胞所受應激或損傷[34]。在肺細胞中，線粒體在調節表面活性劑的產生、黏液纖毛功能和黏液的分泌、衰老、免疫防御反應和再生等方面具有重要作用[35]。
線粒體功能障礙使活性氧（reactive oxygen species，ROS）和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）釋放增加導致氧化損傷而產生纖維化，ROS含量破壞導致氧化失衡對人體有害。作為氧代謝的副產物，ROS能夠調節ECM和激活諸如HIF1、p53和核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）的轉錄因子，進一步促進相關纖維化基因表達增加。mtROS還導致在BLM誘導的肺纖維化小鼠模型和IPF患者中脂質和蛋白質氧化[35]。電子傳輸鏈（electron transport chain，ETC）和NADPH氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）等途徑會使得ROS增加。mtROS引起的氧化損傷會導致mtDNA損傷同時還會釋放到細胞外，mtDNA具有富含CpG的區域，釋放會作為損傷相關分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs），當與Toll樣受體9結合時產生TGF-β1相關的的依賴性免疫反應[26-27]。研究表明，在肺上皮細胞中，TGF-β1會誘導線粒體去極化、mtROS產生、激活上皮細胞線粒體自噬以及PINK1和磷酸化線粒體動力相關蛋白（dynamin-related protein 1，Drp1）的表達等。線粒體自噬與IPF有關，作為適應性反應避免氧化應激產生mtROS，該過程通過磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase tensin homolog，PTEN）誘導的PINK1和Parkin（Prkn）信號通路介導[36]，其中Parkin可調節成纖維細胞表型。而TGF-β降低肌成纖維細胞中PINK1的表達，并且在IPF患者中進行肺活檢發現PINK1蛋白減少，另有研究表明在肺成纖維細胞中敲低PINK1或Prkn會導致線粒體自噬減少和促纖維化因子的表達[36]。IPF肌成纖維細胞和TGF-β1刺激HLF增加線粒體呼吸以支持纖維化，線粒體呼吸增加伴隨線粒體生物發生的增強，而PGC-1α和下游線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）會促進線粒體生物發生[27]。研究發現，肺纖維化受試者的肺巨噬細胞線粒體中，MCU基因和蛋白質表達高。MCU活性的增加以及肺巨噬細胞中線粒體鈣的超負荷參與了肺纖維化的發病機制[37]。因此，MCU介導的線粒體中鈣的不平衡有助于纖維化修復。MCU會通過增加mtROS來調節巨噬細胞中PGC-1α和脂肪酸氧化代謝重編程（fatty acid oxidation，FAO）[38]，可知靶向抑制ROS的產生是治療IPF的重要方法。
抗衰老酶SIRT-3和SIRT-7是調節線粒體代謝的主要去乙酰化酶。過表達會減少TGF-β1刺激的HLFs中I型膠原蛋白和SMAD3、SMA的含量，缺失易誘導肺纖維化。研究顯示抗衰老酶SIRT-3和SIRT-7在IPF肺組織中降低[27]。另外，線粒體應激伴隨線粒體未折疊蛋白反應（mitochondrial unfolded protein reactionmito，UPR），持續進行會導致線粒體功能障礙，研究發現在肺纖維化中觀察到絲分裂UPR相關標志物上調[26]，可知可能存在相關線粒體功能障礙機制。
5 血紅素和鐵代謝重編程與IPF
研究表明，IPF中血紅素代謝改變，ROS產生增加，可能與主要代謝酶血紅素加氧酶（haem oxygenase1，HO-1）相關，它將血紅素分解出游離鐵（Fe2+），膽綠素和一氧化碳（carbon monoxide，CO）。IPF肺中的血紅素降解途徑增加，研究發現IPF肺顯示血紅素水平降低，膽綠素水平降低，同時發現5′-二磷酸-葡萄糖醛酸基轉移酶（5'-diphospho-glucuronyltransferase，UGT1A1）的基因表達增加，它可將膽紅素ZZ轉化為膽紅素葡糖苷酸從而排泄[25]。因此針對血紅素代謝靶向治療可作為新的治療方法。鐵調節紊亂在氧化應激誘導的顯微鏡損傷中可能作為主要發病機制。研究發現IPF患者含較多細胞外鐵和巨噬細胞含鐵素。組織學和支氣管肺泡灌洗（bronchoalveolar lavage，BAL）IPF相關研究也顯示，肺泡和間質中含鐵巨噬細胞簇數量增加，驅動巨噬細胞產生活性氧，同時使得DNA斷裂、脂質過氧化和蛋白質氧化損傷[39]。可知減少鐵導致的損傷可以作為新的抗纖維化手段。
6 乳酸代謝重編程與IPF
研究指出，IPF肺中乳酸生成增加與乳酸脫氫酶5（lactic dehydrogenase5，LDH5）表達增強有關，LDH5強烈支持丙酮酸還原以產生乳酸，而LDH1有利于乳酸氧化，通過pH依賴機制乳酸增多為潛在TGF-β1的激活提供前饋回路[27]。另外，乳酸代謝改變可能預示IPF中AT2功能障礙和生物能量譜失調，一般情況下AT2首先利用乳酸在線粒體中產生ATP，并且藥理學抑制LDH顯著影響該代謝。由于LDH同工酶分布的差異，所測得IPF AT2的PPR/OCR比率相對較高，表明糖酵解和氧化代謝增強，由于IPF肺AT2的LDHA亞基表達的增加，IPF中LDH5和2形式多，更有利于丙酮酸到乳酸的轉化，而非纖維化肺AT2更多LDH3和2。特征性分布可能與IPF乳酸的高度糖酵解的產生和輸出有關。實驗敲低LDHA亞基導致細胞生物能量譜和LDH同工酶表達更接近非纖維化肺。IPF AT2中LDHA亞基表達的增加也可能與IPF失調的其他因素直接相關，包括mTOR和TGFβ激活以及許多調節性microRNA的下調等[40]。所以靶向抑制LDH是治療不錯的選擇。
7 針對細胞代謝重編程治療IPF的研究進展
研究發現谷氨酰胺剝奪和藥理抑制（使用CB-839或BPTES）或GLS1沉默有助于對抗肺纖維化進展。抑制谷氨酰胺轉運蛋白（ASCT2）可以有效減輕BLM誘導的IPF小鼠纖維化等損傷[27]。治療靶點谷氨酰胺和DDAH可有效促進肺纖維化的發展，抑制DDAHs以ADMA非依賴性方式減少成纖維細胞的膠原沉積[25]。Arg-1的慢性抑制可能代表一種潛在的治療方法[25]。研究表明IPF病理機制存在磷酸酪氨酸（phosphotyrosine，pY）介導的信號通路的激活。含有天然SH2結構域的3個氨基酸突變的Src同源-2（SH2）超結合劑已被證明能夠阻斷pY途徑[41]。另外，研究發現將TGF-β1-mTORC1-ATF4軸確定為一種新的治療方法，以減少膠原蛋白的異常合成和沉積[25]。研究報道GLS1抑制劑目前正在1期和2期癌癥試驗中單獨或與其他治療藥物聯合使用（NCT02861300）。同時，研究發現使用C75抑制FASN也減少肺纖維化[27]。另有研究報道RNF130通過抑制纖維母細胞過渡成肌纖維細胞和有氧糖酵解促進原癌基因泛素化和退化，針對此相關可緩解IPF進展[42]。血清蛋白質組學譜為了解IPF和蛋白質改變的異質性提供了嚴格的證據，對診斷該疾病有幫助[43]。最新研究發現煙酰胺N-甲基轉移酶（nicotinamide n-methyltransferase，NNMT）在IPF肺中高度表達，沉默NNMT降低了細胞外基質蛋白的表達[44]，可知NNMT在成纖維細胞代謝重編程為促纖維化和細胞凋亡抵抗表型具有關鍵作用，并支持靶向這種酶以對抗纖維化。
RNA介導的沉默GLUT1（SLC2A1）或使用GLUT特異性抑制劑（GLUT抑制劑Ⅱ）或根皮素抑制葡萄糖轉運會抑制TGF-β1誘導的SMA產生[27]。藥理學抑制PFKFB3（使用3PO）和HK2（使用2-脫氧葡萄糖和氯尼達明）可消除TGF-β1誘導的肌成纖維細胞分化和膠原產生，安羅替尼可以消除PFKFB3驅動的糖酵解增加[45]。此外，通過小干擾RNA（siRNA）介導的沉默或使用洛尼達明抑制HK2可以消除TGF-β1誘導的關鍵促纖維化介質轉錄調節因子YAP和TAZ的激活[27]。KD025（SLx-2119）是一種Ras同源物相關激酶亞型2抑制劑，KD025以Ras同源物相關激酶亞型2非依賴性方式將PMVEC代謝途徑從糖酵解轉變為氧化磷酸化，降低細胞內pH值和細胞遷移，并增強體內肺內皮屏障的完整性[16]。另有實驗證實circHIPK3在TGF-β1處理的肺成纖維細胞中表達升高，能夠作為競爭性內源性 RNA（ceRNA）吸附miR-30a-3p，解除其對下游靶基因 FOXK2 的抑制作用，通過調控糖酵解過程參與成纖維細胞的活化[46]。
研究發現通過用一種絲氨酸棕櫚酰轉移酶阻斷劑肉豆螨素降低小鼠肺中S1P的水平可以抑制鞘脂從頭合成使得肺纖維化延遲發作[25]。另有研究發現，通過使用二甲雙胍激活AMPK和使用他汀類藥物抑制異戊二烯合成都有相應抗纖維化效果[26]。吸煙誘導的mtNOX4/SOD2介導的mtROS通過減少PPARα/CPT1a介導FAO和脂肪自噬來促進LF活化，SIRT1表達降低使得CS誘導線粒體氧化應激[47]。因此，吸煙通過促進線粒體氧化應激來降低SIRT1以激活LF，線粒體氧化應激通過損害自噬通量使脂質代謝失調，據此靶向可能有治療肺纖維化作用[47]。二十二碳六烯酸會抑制肺部炎癥和間質纖維化及TGF-β誘導的EMT，Resolvin D1是來源于二十碳五烯酸的一種脂質介質，研究表明它有潛在相關作用[28]。
吡非尼酮可以增加Parkin介導的線粒體自噬而介導其抗纖維化作用。線粒體抗氧化劑NOX1和NOX4抑制劑GKT13781目前正臨床試驗評估。藥物（使用Cpd 88）和基因抑制NOX4（使用siRNA）可以防止BLM誘導的肺纖維化[27]。ALA通過減輕氧化應激、保護線粒體功能以維持細胞能量穩態、抑制肺上皮間質轉化減輕SiO2誘導的肺纖維化[48]。研究發現沉默TFAM會減少SMA蛋白的產生；用ETC復合物I抑制劑魚藤酮或敲低TFAM處理細胞可抑制TGF-β1誘導的肌成纖維細胞收縮力和SMA蛋白合成[27]。有證據表明IPF肺巨噬細胞MCU和線粒體鈣增加，可知MCU和線粒體Ca2+流入可能是阻止肺纖維化的新型治療靶點[38]。研究發現特定基因消融miR-33巨噬細胞防止BLM誘導的肺纖維化[49]，以此可產生新的治療方法。
研究表明來自IPF患者的BAL細胞具有繼發于小GTP酶Rac1活化增加的促纖維化表型。Rac1活化需要C端半胱氨酸殘基的翻譯后修飾，即香葉基香葉基化，其通過增加通過甲羥戊酸途徑的通量導致前纖維化極化。靶向甲羥戊酸途徑可能會消除巨噬細胞在失調的纖維化修復中的作用[50]。研究發現CO通過調控HIF-1α和下游信號分子HO-1抑制肺間質巨噬細胞重編程為抗炎表型（CD206+表型），從而下調TGF-β/Smad2/3信號通路，抑制EMT，緩解肺纖維化。研究發現WXWH0265抑制ROCK可以通過信號轉導和轉錄激活因子-3（signal transduction and transcriptional activator 3，STAT3）磷酸化調節巨噬細胞極化，從而減弱BLM和輻射誘導的PF[51]。實驗研究發現使用棉酚抑制LDH或siRNA介導的LDH5沉默使得TGF-β1誘導的肺成纖維細胞中SMA蛋白合成減少[27]，另外實驗敲低LDHA亞基導致細胞生物能量譜和LDH同工酶表達更接近非纖維化肺。
8 小結與展望
雖然IPF歷經多年的研究有了很大的進展，但疾病發病率仍在不斷上升，并且患者5生存率仍較低，預后較差。IPF進展緩慢，同時會出現葡萄糖、氨基酸和脂質等代謝紊亂，進而出現相關代謝中間物和產物以及代謝酶的變化，這些變化一定程度上反映了疾病發展過程，之后也可以作為靶點來對抗IPF。但IPF代謝重編程的作用機制仍不十分清楚，需進一步研究，目前主要集中在谷氨酰胺分解、脂肪酸β氧化和糖酵解等過程和其中關鍵酶和調節因子上。另外，代謝相關治療方法無創、有效，但代謝作用廣泛，不排除非特異影響而破壞其他正常生理功能，所以精準靶向、減少不良反應、提供預防措施也需要不斷探索。針對IPF的代謝重編程研究可能為探索IPF潛在機制和新的治療方法提供強有力的手段。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
特發性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）是一種原因不明的間質性疾病（interstitial lung disease，ILD），其特征為肺實質持續瘢痕化和肺功能不斷惡化，致使生活質量下降甚至造成死亡[1-2]。流行病學調查顯示全球IPF的發病率和患病率呈不斷上升趨勢[3]，中位生存期約為4年[4-5]。IPF中纖維化的機制目前仍不清楚[6]，可能與上皮細胞損傷和重塑、肺成纖維細胞轉化、肺干細胞功能障礙和耗竭、細胞外基質沉積，炎癥和免疫等相關[1，7-10]。研究表明轉化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）是IPF發病機制的關鍵之一，胰島素樣生長因子、血小板衍生生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）、結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF）和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）也介導促纖維化過程[11-15]。研究發現多種細胞的代謝重編程參與肺纖維化的發病與進展，主要通過影響自噬、細胞凋亡、衰老和炎癥反應等病理機制發揮其促纖維化作用[16]。
代謝重編程是細胞面對不同環境時通過改變代謝模式（增加或減弱合成反應）抵御外界不良因素或賦予細胞新功能的現象[17]，可存在于腫瘤細胞和非腫瘤疾病的某些細胞中[16，18]，通過供給能量、改變代謝等，使細胞呈現增殖、遷移以及抗凋亡等作用使得疾病發生發展[19-22]。IPF肺組織中存在該現象，同時該過程中的關鍵蛋白或酶等可能成為藥物治療的關鍵作用靶點[23-24]。本文通過綜述細胞糖代謝、脂質代謝、氨基酸代謝、線粒體能量代謝、乳酸代謝以及鐵和血紅素代謝的重新編程與IPF的聯系和基于代謝重編程治療IPF的研究進展，以期為新的IPF靶向治療策略提供代謝角度的線索與參考。
1 糖代謝重編程與IPF
葡萄糖通過糖酵解產生能量，經多個酶促反應步驟后分解為丙酮酸等[25-26]。此后，氧氣充足時，丙酮酸轉化為乙酰輔酶A，在線粒體中被氧化，通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）過程形成ATP和CO2。以糖酵解為主要研究對象的糖代謝與特發性肺纖維化緊密聯系。
1.1 有氧糖酵解參與調控細胞及細胞外基質以調節纖維化
在人肺成纖維細胞（human lung fibroblasts，HLFs）中，TGF-β1可刺激葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter1，GLUT1）的含量增加，而GLUTs可促進細胞對葡萄糖的攝取[27]。TGF-β誘導果糖-2，6-二磷酸酶3（fructose-2，6-Biphosphatase 3，PFKFB3）的表達，PFKFB3是有助于形成果糖1，6-二磷酸（果糖1，6-BP）的酶，在IPF肌成纖維細胞中上調，從而促進糖酵解[25]，因此IPF中的肌成纖維細胞糖酵解增強。同時PFKFB3所催化出的果糖-1，6-二磷酸又是6-磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase1，PFK1）的變構激活劑和糖酵解的強刺激劑[27]。PFKFB3的表達則與肌成纖維細胞分化的標志物肌α平滑肌肌動蛋白（smooth muscle actin，SMA）的表達特異性相關[26]。最后可理解為肺成纖維細胞增強糖酵解以適應IPF進展[25]。不同于成纖維細胞的是，由于IPF中Ⅱ型肺泡細胞（type I alveolar cells，AT2）的6-磷酸果糖激酶（6-phosphofructokinase，PFK）的表達降低，使肺后期糖酵解的代謝物磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenol pyruvate，PEP）和果糖1，6-BP的水平降低。PFK是糖酵解的關鍵酶，推進糖酵解過程。
1.2 糖酵解穩定缺氧誘導因子1α
缺氧誘導因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是IPF發病的關鍵機制[25]。據報道，諸如TGF-β1等促纖維化因素的刺激增加了HIF-1α的活化使得活性氧與活性氮升高。磷脂酰肌醇激酶（phosphatidyl inositol kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase，AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）途徑是與增加HIF-1α轉錄有關的主要途徑，該軸受TGF-β1和WNT/β-catenin等關鍵的促纖維化因素強化并呈交叉相互作用，間接增加HIF-1α轉錄[26]。另外肌成纖維細胞還在促纖維化刺激下，通過代謝狀態和氧化應激的變化上調己糖激酶（hexokinase，HK）、磷脂酰肌醇依賴性激酶（phosphatidyl inositol dependent kinase，PDK）表達使有氧糖酵解增加，促進HIF-1α/PDK1軸的穩定將成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，同時還通過增加乳酸脫氫酶A（lactic dehydrogenase，LDHA）的表達和抑制丙酮酸脫氫酶來抑制線粒體三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA）從而穩定HIF-1α[26]。另外，糖酵解還為膠原蛋白合成提供了相關的氨基酸，膠原蛋白是纖維化組織細胞外基質（extra cellular matrix，ECM）的主要結構蛋白，同時無氧糖酵解的終產物乳酸還可以增加脯氨酸羥化酶的活性從而穩定膠原蛋白[26]。研究表明，IPF患者肺內于蜂窩相關區域的氟代脫氧葡萄糖（fludeoxyglucose，18F-FDG）攝取增加，表明此區域糖酵解活躍，同時發現肺纖維化（pulmonary fibrosis，PF）全局性的代謝變化比纖維化區域變化早[27]。因此，我們得出18F-FDG攝取可以作為潛在標志物來評估纖維化的療效。
2 脂質代謝重編程與IPF
脂肪酸（fatty acid，FA）可經β氧化分解產生ATP[25]，磷脂作為衍生脂質調節細胞功能[28]，鞘脂已成為組織纖維化的潛在調節因子[25]，另外如膽固醇、花生四烯酸代謝物的表達也促進IPF發生發展[29]。
在IPF肺中，肌成纖維細胞的中長鏈脂肪酸水平升高，肉堿和中鏈酰基肉堿水平降低[25，30]。由于肉堿是FA進行β氧化所需，所以β氧化將會減弱。研究表明纖維化肺中細胞代謝調節因子AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的水平降低[26]，該因子不但促進脂肪酸氧化，還通過乙酰CoA羧化酶1（acetylcoa carboxylase1，ACC1）磷酸化和固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element-binding proteins1c，SREBP1c）來抑制脂肪酸合成。IPF患者鞘氨醇1-磷酸（sphingosine 1-phosphate，S1P）濃度增加，同時通過使用鞘氨醇激酶抑制劑（sphingosine kinase inhibitor2，SKI-II）阻斷鞘氨醇激酶-1（sphingosine kinase-1，SphK-1）抑制其合成，降低了博來霉素（bleomycin，BLM）誘導下的小鼠肺纖維化水平[25]，所以鞘脂也在組織纖維化中發揮重要作用。前列腺素（phenyl glycidyl ether2，PGE2）在PF和TGF-β誘導的實驗性BLM模型中表現出抗纖維化作用[28]，為開發新藥物提供了新的線索。
研究發現IPF肺巨噬細胞線粒體鈣單轉運體（mitochondrial calcium uniporter，MCU）的表達增加，MCU使Ca通過線粒體基質并激活調節因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α（peroxisome proliferator activating receptor gamma coactivator 1α，PGC-1α）來影響脂質代謝。研究發現IPF肺巨噬細胞β氧化增加，因此可知肺巨噬細胞β氧化作為能量來源，FA代謝通過增加MCU的Ca轉運和PGC-1α支持纖維化進展[25]。另外，在IPF期間參與脂質分泌的轉運蛋白ATP結合盒轉運蛋白A3（recombinant ATP binding cassette transporter A3，ABCA3）在AT2細胞中的相關基因的表達降低[31]。
脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）催化丙二酰輔酶A（malonyl coa，CoA）會產生長鏈脂肪酸。研究發現在促纖維化刺激下FASN在人肺和鼠成纖維細胞以及BLM誘導IPF中增加，同時也通過沉默FASN減少了膠原蛋白等的產生[27]。另外，磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）作為表面活性劑脂質主要成分，是溶血磷酸鹽酸（lysophosphatidic acid，LPA）的來源，LPA在纖維化過程中增加從而使氧化磷脂增多，表面活性劑脂質的分泌因此受損。研究發現IPF肺超長鏈脂肪酸延伸酶（elongase of verylong chain fatty acids6，ELOVL6）減少[31]，ELOVL6作為一種酶將棕櫚酸酯轉化為硬脂酸酯，硬脂酸會抑制成纖維細胞的活化和TGF-β1刺激及棕櫚酸積累，并防止氧化應激造成的細胞凋亡。
諸如Rho和Ras的小單體GTP酶需要異戊二烯化才能發揮相關促纖維化的作用，同時TGF-β2在人肺成纖維細胞中誘導結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF）/富半胱氨酸蛋白61（cysteine rich protein 61，CCN1）也需要RhoA異戊二烯化[26]，異戊二烯法尼基焦磷酸鹽和香葉基香葉基焦磷酸鹽為膽固醇生物合成途徑的中間體參與異戊二烯化的蛋白質翻譯后修飾。另外，在內皮細胞（endothelial cells，EC）中，氧化應激誘導的磷脂酶D和相關脂質信號酶的激活使得內皮細胞功能障礙，促成肺纖維化[16]。
3 氨基酸代謝重編程與IPF
氨基酸代謝改變驅動纖維化[25-26]，主要有甘氨酸（glycine，Gly）、精氨酸（arginine，Arg）、谷氨酰胺（glutamine，Gln）等。谷氨酰胺研究較為廣泛，谷氨酰胺分解先通過谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）轉化為谷氨酸，然后通過谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）等轉化為α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）進入TCA[26，32]。
3.1 IPF的谷氨酰胺代謝改變
研究發現TGF-β1刺激的小鼠和IPF患者的成纖維細胞中的GLS水平升高[26]。在肺成纖維細胞中，TGF-β1通過激活Smad3和p38-MAPK依賴性信號傳導上調的表達來刺激谷氨酰胺分解，谷氨酸濃度隨之增加。谷氨酰胺分解，通過增加TCA循環代謝物進行肌成纖維細胞分化所需，并提供OXPHOS的還原等價物以產生ATP[25]。另有研究報告了α-KG依賴性mTOR信號傳導在促進膠原蛋白羥基化方面的重要性[26]。此外，肺成纖維細胞需要Gln和GLS來誘導TGF-β1從而誘導膠原蛋白產生[25]。TGF-β1誘導膠原蛋白依賴GLS分解，因為阻斷GLS被證明可以降低I型和III型膠原的表達[26]。GLS1的藥理學抑制限制了α-KG的產生，影響膠原結構完整性，加速其降解[27]。TGF-β1增加丙氨酸氨基轉移酶2（glutamate pyruvic transaminase2，GPT2）、天冬氨酸氨基轉移酶1和2（aspartate aminotransferase，GOT1/2）和磷酸質氨基轉移酶（phosphoaminotransferase，PSAT1）的豐度，利用氨基轉移酶抑制劑氨基氧乙酸酯（aminoxyacetate，AOA）可抑制TGF-β1誘導的肌成纖維細胞中膠原蛋白的產生[27]。同時，經PSAT1谷氨酸代謝會產生3-磷酸絲氨酸，這是從頭絲氨酸和甘氨酸合成的中間體，從而產生膠原蛋白[25]。氣相色譜–質譜聯用（GC-MS）圖譜也顯示了甘氨酸在IPF肺組織中含量增加；相反，谷氨酸利用酶PSAT1的沉默，其在甘氨酸從頭合成過程中將3-磷酸羥基丙酮酸（3-phosphohydroxypyruvate，3-PHP）轉化為3-磷雜氨酸（3-phosphoheterine，3-PS），顯著抑制膠原蛋白的產生[27]。谷氨酸可以被吡咯啉-5-羧酸合酶（pyrrolin-5-carboxylate synthase，P5CS）代謝，產生脯氨酸摻入膠原蛋白中[25]，P5CS的敲低可防止TGF-β誘導的膠原蛋白產生。谷氨酰胺分解會改變組蛋白甲基化，從而影響IPF成纖維細胞中的抗凋亡基因表達。據報道，X連鎖細胞凋亡抑制劑（X-linked apoptosis inhibitors，XIAP）在IPF中增加，組蛋白去甲基化酶JMJD3以谷氨酰胺和α-KG依賴性方式與抗凋亡基因XIAP的啟動子結合，表明谷氨酰胺分解是IPF衍生成纖維細胞中抗凋亡基因的表觀遺傳調控所必需的[27]。另外需注意的是，IPF患者和BLM誘導的肺纖維化小鼠AT2細胞中負責谷氨酰胺分解代謝的催化酶表達下調[33]。
3.2 IPF的精氨酸代謝改變
精氨酸代謝失衡使膠原蛋白合成異常。精氨酸酶-1（arginase-1，Arg-1）在BLM誘導的IPF患者和肺纖維化的小鼠模型中高表達，TGF-β1刺激巨噬細胞精氨酸酶表達增加，于成纖維細胞中供應l-脯氨酸以合成膠原蛋白。研究表明Arg-1活性抑制使得膠原蛋白沉積減少[25]。精氨酸副產物非對稱性二甲基精氨酸（asymmetric dimethylarginine，ADMA）通過上調Arg-1和膠原蛋白合成促進纖維化，其由二甲基精氨酸二甲氨基水解酶（dimethylarginine dimethylaminohydrolase，DDAH）調節。在TGF-β2和IL-1刺激下，IPF相關模型的DDAH的活性增加，增加的DDAH活性抑制了NOS抑制劑ADMA，導致成纖維細胞池擴增[16]。此外，將精氨酸殘基轉化為瓜氨酸的肽基精氨酸脫亞胺酶-4（peptidyl arginine deiminase-4，PAD4）和催化精氨酸殘基甲基化的精氨酸甲基轉移酶（prot Ein-arginine methyltransferases，PRMT）過表達也會產生ADMA，L-單甲基精氨酸（L-monomethylarginine，L-NMMA）或對稱性二甲基精氨酸（symmetrical dimethylarginine，SDMA）。IPF肺顯示肌酸、腐胺等精氨酸代謝物的水平增加與ECM膠原蛋白形成相關[25]。非蛋白氨基酸鳥氨酸也是脯氨酸生物合成的重要前體。鳥氨酸氨基轉移酶（ornithine aminotransferase，OAT）將鳥氨酸的側鏈氨基轉移到α-酮戊二酸上，產生谷氨酸和5-吡咯啉羧酸。鳥氨酸衍生脯氨酸途徑可能顯著促進脯氨酸和膠原蛋白的從頭合成。精氨酸減少作為IPF特征，研究相關方法來抑制Arg-1的減少以阻止膠原的產生是治療該疾病的重要方向。
4 線粒體相關代謝重編程與IPF
線粒體可產生能量并決定各種生物學活動和結果[26-27]。另外，線粒體通過改變線粒體融合和裂變動力學適應細胞所受應激或損傷[34]。在肺細胞中，線粒體在調節表面活性劑的產生、黏液纖毛功能和黏液的分泌、衰老、免疫防御反應和再生等方面具有重要作用[35]。
線粒體功能障礙使活性氧（reactive oxygen species，ROS）和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）釋放增加導致氧化損傷而產生纖維化，ROS含量破壞導致氧化失衡對人體有害。作為氧代謝的副產物，ROS能夠調節ECM和激活諸如HIF1、p53和核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）的轉錄因子，進一步促進相關纖維化基因表達增加。mtROS還導致在BLM誘導的肺纖維化小鼠模型和IPF患者中脂質和蛋白質氧化[35]。電子傳輸鏈（electron transport chain，ETC）和NADPH氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）等途徑會使得ROS增加。mtROS引起的氧化損傷會導致mtDNA損傷同時還會釋放到細胞外，mtDNA具有富含CpG的區域，釋放會作為損傷相關分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs），當與Toll樣受體9結合時產生TGF-β1相關的的依賴性免疫反應[26-27]。研究表明，在肺上皮細胞中，TGF-β1會誘導線粒體去極化、mtROS產生、激活上皮細胞線粒體自噬以及PINK1和磷酸化線粒體動力相關蛋白（dynamin-related protein 1，Drp1）的表達等。線粒體自噬與IPF有關，作為適應性反應避免氧化應激產生mtROS，該過程通過磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase tensin homolog，PTEN）誘導的PINK1和Parkin（Prkn）信號通路介導[36]，其中Parkin可調節成纖維細胞表型。而TGF-β降低肌成纖維細胞中PINK1的表達，并且在IPF患者中進行肺活檢發現PINK1蛋白減少，另有研究表明在肺成纖維細胞中敲低PINK1或Prkn會導致線粒體自噬減少和促纖維化因子的表達[36]。IPF肌成纖維細胞和TGF-β1刺激HLF增加線粒體呼吸以支持纖維化，線粒體呼吸增加伴隨線粒體生物發生的增強，而PGC-1α和下游線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）會促進線粒體生物發生[27]。研究發現，肺纖維化受試者的肺巨噬細胞線粒體中，MCU基因和蛋白質表達高。MCU活性的增加以及肺巨噬細胞中線粒體鈣的超負荷參與了肺纖維化的發病機制[37]。因此，MCU介導的線粒體中鈣的不平衡有助于纖維化修復。MCU會通過增加mtROS來調節巨噬細胞中PGC-1α和脂肪酸氧化代謝重編程（fatty acid oxidation，FAO）[38]，可知靶向抑制ROS的產生是治療IPF的重要方法。
抗衰老酶SIRT-3和SIRT-7是調節線粒體代謝的主要去乙酰化酶。過表達會減少TGF-β1刺激的HLFs中I型膠原蛋白和SMAD3、SMA的含量，缺失易誘導肺纖維化。研究顯示抗衰老酶SIRT-3和SIRT-7在IPF肺組織中降低[27]。另外，線粒體應激伴隨線粒體未折疊蛋白反應（mitochondrial unfolded protein reactionmito，UPR），持續進行會導致線粒體功能障礙，研究發現在肺纖維化中觀察到絲分裂UPR相關標志物上調[26]，可知可能存在相關線粒體功能障礙機制。
5 血紅素和鐵代謝重編程與IPF
研究表明，IPF中血紅素代謝改變，ROS產生增加，可能與主要代謝酶血紅素加氧酶（haem oxygenase1，HO-1）相關，它將血紅素分解出游離鐵（Fe2+），膽綠素和一氧化碳（carbon monoxide，CO）。IPF肺中的血紅素降解途徑增加，研究發現IPF肺顯示血紅素水平降低，膽綠素水平降低，同時發現5′-二磷酸-葡萄糖醛酸基轉移酶（5'-diphospho-glucuronyltransferase，UGT1A1）的基因表達增加，它可將膽紅素ZZ轉化為膽紅素葡糖苷酸從而排泄[25]。因此針對血紅素代謝靶向治療可作為新的治療方法。鐵調節紊亂在氧化應激誘導的顯微鏡損傷中可能作為主要發病機制。研究發現IPF患者含較多細胞外鐵和巨噬細胞含鐵素。組織學和支氣管肺泡灌洗（bronchoalveolar lavage，BAL）IPF相關研究也顯示，肺泡和間質中含鐵巨噬細胞簇數量增加，驅動巨噬細胞產生活性氧，同時使得DNA斷裂、脂質過氧化和蛋白質氧化損傷[39]。可知減少鐵導致的損傷可以作為新的抗纖維化手段。
6 乳酸代謝重編程與IPF
研究指出，IPF肺中乳酸生成增加與乳酸脫氫酶5（lactic dehydrogenase5，LDH5）表達增強有關，LDH5強烈支持丙酮酸還原以產生乳酸，而LDH1有利于乳酸氧化，通過pH依賴機制乳酸增多為潛在TGF-β1的激活提供前饋回路[27]。另外，乳酸代謝改變可能預示IPF中AT2功能障礙和生物能量譜失調，一般情況下AT2首先利用乳酸在線粒體中產生ATP，并且藥理學抑制LDH顯著影響該代謝。由于LDH同工酶分布的差異，所測得IPF AT2的PPR/OCR比率相對較高，表明糖酵解和氧化代謝增強，由于IPF肺AT2的LDHA亞基表達的增加，IPF中LDH5和2形式多，更有利于丙酮酸到乳酸的轉化，而非纖維化肺AT2更多LDH3和2。特征性分布可能與IPF乳酸的高度糖酵解的產生和輸出有關。實驗敲低LDHA亞基導致細胞生物能量譜和LDH同工酶表達更接近非纖維化肺。IPF AT2中LDHA亞基表達的增加也可能與IPF失調的其他因素直接相關，包括mTOR和TGFβ激活以及許多調節性microRNA的下調等[40]。所以靶向抑制LDH是治療不錯的選擇。
7 針對細胞代謝重編程治療IPF的研究進展
研究發現谷氨酰胺剝奪和藥理抑制（使用CB-839或BPTES）或GLS1沉默有助于對抗肺纖維化進展。抑制谷氨酰胺轉運蛋白（ASCT2）可以有效減輕BLM誘導的IPF小鼠纖維化等損傷[27]。治療靶點谷氨酰胺和DDAH可有效促進肺纖維化的發展，抑制DDAHs以ADMA非依賴性方式減少成纖維細胞的膠原沉積[25]。Arg-1的慢性抑制可能代表一種潛在的治療方法[25]。研究表明IPF病理機制存在磷酸酪氨酸（phosphotyrosine，pY）介導的信號通路的激活。含有天然SH2結構域的3個氨基酸突變的Src同源-2（SH2）超結合劑已被證明能夠阻斷pY途徑[41]。另外，研究發現將TGF-β1-mTORC1-ATF4軸確定為一種新的治療方法，以減少膠原蛋白的異常合成和沉積[25]。研究報道GLS1抑制劑目前正在1期和2期癌癥試驗中單獨或與其他治療藥物聯合使用（NCT02861300）。同時，研究發現使用C75抑制FASN也減少肺纖維化[27]。另有研究報道RNF130通過抑制纖維母細胞過渡成肌纖維細胞和有氧糖酵解促進原癌基因泛素化和退化，針對此相關可緩解IPF進展[42]。血清蛋白質組學譜為了解IPF和蛋白質改變的異質性提供了嚴格的證據，對診斷該疾病有幫助[43]。最新研究發現煙酰胺N-甲基轉移酶（nicotinamide n-methyltransferase，NNMT）在IPF肺中高度表達，沉默NNMT降低了細胞外基質蛋白的表達[44]，可知NNMT在成纖維細胞代謝重編程為促纖維化和細胞凋亡抵抗表型具有關鍵作用，并支持靶向這種酶以對抗纖維化。
RNA介導的沉默GLUT1（SLC2A1）或使用GLUT特異性抑制劑（GLUT抑制劑Ⅱ）或根皮素抑制葡萄糖轉運會抑制TGF-β1誘導的SMA產生[27]。藥理學抑制PFKFB3（使用3PO）和HK2（使用2-脫氧葡萄糖和氯尼達明）可消除TGF-β1誘導的肌成纖維細胞分化和膠原產生，安羅替尼可以消除PFKFB3驅動的糖酵解增加[45]。此外，通過小干擾RNA（siRNA）介導的沉默或使用洛尼達明抑制HK2可以消除TGF-β1誘導的關鍵促纖維化介質轉錄調節因子YAP和TAZ的激活[27]。KD025（SLx-2119）是一種Ras同源物相關激酶亞型2抑制劑，KD025以Ras同源物相關激酶亞型2非依賴性方式將PMVEC代謝途徑從糖酵解轉變為氧化磷酸化，降低細胞內pH值和細胞遷移，并增強體內肺內皮屏障的完整性[16]。另有實驗證實circHIPK3在TGF-β1處理的肺成纖維細胞中表達升高，能夠作為競爭性內源性 RNA（ceRNA）吸附miR-30a-3p，解除其對下游靶基因 FOXK2 的抑制作用，通過調控糖酵解過程參與成纖維細胞的活化[46]。
研究發現通過用一種絲氨酸棕櫚酰轉移酶阻斷劑肉豆螨素降低小鼠肺中S1P的水平可以抑制鞘脂從頭合成使得肺纖維化延遲發作[25]。另有研究發現，通過使用二甲雙胍激活AMPK和使用他汀類藥物抑制異戊二烯合成都有相應抗纖維化效果[26]。吸煙誘導的mtNOX4/SOD2介導的mtROS通過減少PPARα/CPT1a介導FAO和脂肪自噬來促進LF活化，SIRT1表達降低使得CS誘導線粒體氧化應激[47]。因此，吸煙通過促進線粒體氧化應激來降低SIRT1以激活LF，線粒體氧化應激通過損害自噬通量使脂質代謝失調，據此靶向可能有治療肺纖維化作用[47]。二十二碳六烯酸會抑制肺部炎癥和間質纖維化及TGF-β誘導的EMT，Resolvin D1是來源于二十碳五烯酸的一種脂質介質，研究表明它有潛在相關作用[28]。
吡非尼酮可以增加Parkin介導的線粒體自噬而介導其抗纖維化作用。線粒體抗氧化劑NOX1和NOX4抑制劑GKT13781目前正臨床試驗評估。藥物（使用Cpd 88）和基因抑制NOX4（使用siRNA）可以防止BLM誘導的肺纖維化[27]。ALA通過減輕氧化應激、保護線粒體功能以維持細胞能量穩態、抑制肺上皮間質轉化減輕SiO2誘導的肺纖維化[48]。研究發現沉默TFAM會減少SMA蛋白的產生；用ETC復合物I抑制劑魚藤酮或敲低TFAM處理細胞可抑制TGF-β1誘導的肌成纖維細胞收縮力和SMA蛋白合成[27]。有證據表明IPF肺巨噬細胞MCU和線粒體鈣增加，可知MCU和線粒體Ca2+流入可能是阻止肺纖維化的新型治療靶點[38]。研究發現特定基因消融miR-33巨噬細胞防止BLM誘導的肺纖維化[49]，以此可產生新的治療方法。
研究表明來自IPF患者的BAL細胞具有繼發于小GTP酶Rac1活化增加的促纖維化表型。Rac1活化需要C端半胱氨酸殘基的翻譯后修飾，即香葉基香葉基化，其通過增加通過甲羥戊酸途徑的通量導致前纖維化極化。靶向甲羥戊酸途徑可能會消除巨噬細胞在失調的纖維化修復中的作用[50]。研究發現CO通過調控HIF-1α和下游信號分子HO-1抑制肺間質巨噬細胞重編程為抗炎表型（CD206+表型），從而下調TGF-β/Smad2/3信號通路，抑制EMT，緩解肺纖維化。研究發現WXWH0265抑制ROCK可以通過信號轉導和轉錄激活因子-3（signal transduction and transcriptional activator 3，STAT3）磷酸化調節巨噬細胞極化，從而減弱BLM和輻射誘導的PF[51]。實驗研究發現使用棉酚抑制LDH或siRNA介導的LDH5沉默使得TGF-β1誘導的肺成纖維細胞中SMA蛋白合成減少[27]，另外實驗敲低LDHA亞基導致細胞生物能量譜和LDH同工酶表達更接近非纖維化肺。
8 小結與展望
雖然IPF歷經多年的研究有了很大的進展，但疾病發病率仍在不斷上升，并且患者5生存率仍較低，預后較差。IPF進展緩慢，同時會出現葡萄糖、氨基酸和脂質等代謝紊亂，進而出現相關代謝中間物和產物以及代謝酶的變化，這些變化一定程度上反映了疾病發展過程，之后也可以作為靶點來對抗IPF。但IPF代謝重編程的作用機制仍不十分清楚，需進一步研究，目前主要集中在谷氨酰胺分解、脂肪酸β氧化和糖酵解等過程和其中關鍵酶和調節因子上。另外，代謝相關治療方法無創、有效，但代謝作用廣泛，不排除非特異影響而破壞其他正常生理功能，所以精準靶向、減少不良反應、提供預防措施也需要不斷探索。針對IPF的代謝重編程研究可能為探索IPF潛在機制和新的治療方法提供強有力的手段。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。