楊家琦 李龍

1蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 730000;2蘭州大學(xué)第一醫(yī)院呼吸科 730030

特發(fā)性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種基因介導(dǎo)的與年齡相關(guān)的慢性間質(zhì)性肺疾病,以進(jìn)行性呼吸困難、運(yùn)動(dòng)耐力下降、肺間質(zhì)性浸潤及肺限制性通氣功能障礙為主要特征,胸部影像學(xué)和組織病理學(xué)通常表現(xiàn)為普通型間質(zhì)性肺炎[1]。IPF 并發(fā)癥多,病死率高,確診后生存時(shí)間約為3～5年。由于其自然病程差異大,具有高度異質(zhì)性,因此臨床上需根據(jù)生物標(biāo)志物進(jìn)一步區(qū)分具體亞型,以提供個(gè)體化和精準(zhǔn)化的治療。端粒縮短及端粒相關(guān)基因突變是近年有關(guān)IPF 研究較多的生物標(biāo)志物,本文對IPF與端?？s短、端粒相關(guān)基因突變的相關(guān)研究進(jìn)展闡述如下。

1 端粒的結(jié)構(gòu)及功能

端粒是位于染色體末端串聯(lián)重復(fù)的核苷酸序列,在人體由TTAGGG 構(gòu)成,它能夠保護(hù)染色體結(jié)構(gòu)和功能的完整性,防止細(xì)胞復(fù)制過程中染色體末端降解、重排和融合。細(xì)胞每次分裂進(jìn)行染色體復(fù)制的過程中,由于DNA 聚合酶不能完整復(fù)制線性染色體3′端,端粒就會縮短,當(dāng)縮短到一個(gè)臨界值時(shí),會觸發(fā)持續(xù)的DNA 損傷反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞復(fù)制性衰老或凋亡[2]。端粒長度的維持是一個(gè)由大量蛋白質(zhì)調(diào)控的復(fù)雜過程,端粒的延長主要依賴端粒酶在DNA合成時(shí)向染色體末端添加TTAGGG 重復(fù)序列[3]。端粒酶是一種專門的DNA 聚合酶,主要由2個(gè)不同的亞基組成,即功能性催化亞基 [端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (telomerase reverse transcriptase,TERT)]和RNA 亞基 [端粒酶RNA 組分(telomerase RNA component,TERC)]。在端粒酶通過其逆轉(zhuǎn)錄酶活性延長端粒的過程中,一些端粒相關(guān)基因突變會破壞基因組的完整性和穩(wěn)定性,打破細(xì)胞穩(wěn)態(tài),從而引發(fā)各類疾病。

2 端粒與IPF

2.1 端粒與IPF發(fā)病關(guān)系

2.1.1 端?？s短與IPF發(fā)生及預(yù)后 與IPF是一種衰老相關(guān)的疾病一致,端粒縮短在其發(fā)生發(fā)展過程中有重要意義。國內(nèi)外多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí),IPF 患者年齡校正后的外周血細(xì)胞端粒長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于健康對照組,也明顯短于具有自身免疫特征的間質(zhì)性肺炎和結(jié)締組織病相關(guān)間質(zhì)性肺疾病,并與疾病快速進(jìn)展及生存時(shí)間縮短相關(guān),是IPF 預(yù)后的獨(dú)立預(yù)測因素[4-7],尤其對不足60歲的短端粒IPF 患者,端粒 (生物年齡)是一個(gè)比時(shí)間年齡更好的預(yù)測因素[5]。端?？s短與IPF相關(guān)更有力的證據(jù)是IPF 患者Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞 (alveolar epithelial cellⅡ,AECⅡ)的端粒長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于健康人,并與存活率呈正相關(guān)[6,8]。Snetselaar等[6]對51例IPF患者肺活檢標(biāo)本行端粒長度測量后發(fā)現(xiàn),無纖維化區(qū)域AECⅡ的端粒長度比纖維化區(qū)域長56%,而周圍其他細(xì)胞的端粒長度并無明顯差別,這進(jìn)一步提示端?？s短主要通過影響AECⅡ致纖維化,與目前IPF肺泡上皮細(xì)胞慢性損傷后的異常修復(fù)導(dǎo)致肺組織異常重構(gòu)的假說一致。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法測量端粒長度提取的是外周血細(xì)胞或肺組織細(xì)胞的端粒DNA,Planas-Cerezales等[5]在端粒長度與IPF關(guān)聯(lián)研究中發(fā)現(xiàn)口腔拭子采樣的頰細(xì)胞端粒長度與外周血單核細(xì)胞端粒長度有很好的相關(guān)性,這種非侵入性方法使得檢驗(yàn)標(biāo)本的獲取更加簡單易行,端粒長度檢測費(fèi)用也比許多試驗(yàn)中心的常規(guī)肺功能檢查便宜[9],因此端粒長度檢測在IPF患者中比較容易實(shí)現(xiàn)。男性IPF患者比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于女性,女性預(yù)后比男性好,這可能也與端粒長度有關(guān)[10]。此外,端粒異?？s短引起組織干細(xì)胞或原始細(xì)胞功能障礙,限制組織更新,也是導(dǎo)致IPF常合并肺癌發(fā)生的部分原因。

2.1.2 端粒相關(guān)基因突變與IPF發(fā)生 在IPF與端粒相關(guān)研究中,發(fā)生突變的端粒相關(guān)基因包括TERT、TERC、DKC1 (角化不良蛋白基因)、PARN (多聚A 特異性核糖核酸酶)、NAF1 (核組裝因子1)、RTEL1 (端粒延長解旋酶1)、ZCCHC8和TINF2 (TRF1相互作用核蛋白2),這些突變通過各種不同的途徑影響端粒酶活性及轉(zhuǎn)運(yùn)與定位功能[11]。TERT 基因突變直接導(dǎo)致TERT 的催化活性降低;TERC基因突變降低了與添加端粒重復(fù)序列有關(guān)的模板RNA 功能;DKC1[12]、PARN[13]、NAF1[14]與調(diào)節(jié)端粒酶RNA 穩(wěn)定性及TERC水平有關(guān);RTEL1突變通過阻止端粒酶與端粒DNA 序列結(jié)合,影響端粒酶發(fā)揮作用[15];ZCCHC8功能缺失性基因突變致端粒酶RNA 3′端成熟障礙,導(dǎo)致端粒酶RNA 損耗[16]。端粒相關(guān)基因突變主要發(fā)生在家族性IPF 中,以TERT 最常見,約占15%[17],其他基因突變相對少見[18],散發(fā)IPF人群中也有高達(dá)10%的患者攜帶這些基因突變[13]。端粒相關(guān)基因突變的發(fā)生與患者是否攜帶人黏蛋白5B (mucin-5 subtype B,MUC5B)啟動(dòng)子rs35705950基因多態(tài)性有關(guān),MUC5B 是一種分泌蛋白,MUC5B啟動(dòng)子rs35705950 多態(tài)性是IPF 一個(gè)重要易感因素,并與病死率減低有一定關(guān)系,攜帶MUC5B 多態(tài)性的患者端粒相關(guān)基因突變發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未攜帶者[19]。端粒相關(guān)基因突變能引發(fā)端粒功能障礙,增加患IPF風(fēng)險(xiǎn),若同時(shí)有和間質(zhì)性肺疾病相關(guān)的其他基因變異,會進(jìn)一步增加IPF的易感性[19]。對于易感性升高的人群,建議盡量避免IPF相關(guān)高危因素 (如吸煙、粉塵、胃食管反流等),盡可能地預(yù)防IPF的發(fā)生。攜帶有端粒相關(guān)基因突變的患者比未攜帶者疾病發(fā)作年齡更早[20],FVC%pred 下降更快[19],但端粒相關(guān)基因突變對IPF預(yù)后的具體意義仍有待進(jìn)一步研究。

2.1.3 IPF、端粒相關(guān)基因突變和端粒縮短的關(guān)系 IPF、端粒相關(guān)基因突變和端?？s短的關(guān)系顯得很復(fù)雜。80%有端粒相關(guān)基因突變 (TERT、TERC、RTEL1、PARN)的IPF患者端粒顯著縮短[15],端?？s短的IPF 患者不一定有端粒相關(guān)基因突變。部分人一出生就攜帶TERT 或TERC突變并且有較短的端粒,卻在50歲以上才發(fā)生肺纖維化甚至終生不發(fā)病。有學(xué)者認(rèn)為,端粒長度是可遺傳的,端粒相關(guān)基因突變并不直接導(dǎo)致端粒顯著縮短,而是由幾代突變對于端?？s短累積效應(yīng)形成的[21]。也有學(xué)者認(rèn)為,端粒相關(guān)基因突變使端粒酶功能損害的程度各異,有的甚至接近正常,并不完全都是功能喪失性突變[22],這2種假說都可以解釋攜帶端粒相關(guān)基因突變的部分IPF患者端粒無顯著縮短。一些端粒顯著縮短的IPF患者行基因檢測未發(fā)現(xiàn)有預(yù)設(shè)的端粒相關(guān)基因突變,可能是由于維持端粒功能的其他罕見或未被認(rèn)識的基因發(fā)生變異,此外,氧化應(yīng)激、吸煙等也可使端粒磨損縮短。有端粒相關(guān)基因突變和/或端?？s短的健康人是否發(fā)生IPF 取決于多個(gè)因素,包括MUC5B基因啟動(dòng)子單核苷酸多態(tài)性、環(huán)境暴露、吸煙、胃食管反流等[23],這種基因-環(huán)境交互作用在一定程度上決定了IPF的發(fā)生發(fā)展。

2.1.4 端粒與IPF 發(fā)病機(jī)制 有研究表明,僅AECⅡ端粒功能障礙就可以導(dǎo)致肺組織重構(gòu)和肺纖維化[24],但端粒參與IPF的具體發(fā)病機(jī)制仍不完全清楚。端粒相關(guān)基因突變或其他因素導(dǎo)致端?？s短,待端粒長度縮短到一定閾值時(shí),會觸發(fā)持續(xù)的DNA 損傷反應(yīng),導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞損傷、異常增生及修復(fù)[24-26],并提高細(xì)胞周期抑制蛋白p53和p21表達(dá)水平,限制AECⅡ自我更新和分化,使AECⅡ發(fā)生衰老改變[27]。衰老的AECⅡ通過分泌衰老相關(guān)分泌表型促進(jìn)相鄰成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞分泌過多的細(xì)胞外基質(zhì),導(dǎo)致膠原沉積和肺結(jié)構(gòu)破壞,誘發(fā)IPF 病理進(jìn)程[28-29]。衰老人肺泡上皮細(xì)胞還可以通過Wnt/β-Catenin/KLF4通路的異常激活抑制TERT 表達(dá),進(jìn)一步縮短端粒長度,加速肺纖維化的形成[7]。另有一些研究表明,端?？s短通過在肺部激活TGF-β/Smad3 信號通路,提高TGF-β1和Smad3水平,增加肺成纖維細(xì)胞的增殖及其向肌成纖維細(xì)胞的分化,導(dǎo)致肺纖維化[30]。研究者還發(fā)現(xiàn),端粒長度縮短至一定閾值的IPF能誘導(dǎo)一種上皮細(xì)胞表達(dá)的肺源性分泌因子GDF15水平上調(diào),其在血漿中的水平與肺彌散功能和FVC 有關(guān)[31],這可能與端?？s短的IPF 疾病快速進(jìn)展相關(guān)。

2.2 端粒與藥物治療IPF的關(guān)系

2.2.1 端粒與抗纖維化藥物治療IPF的關(guān)系 目前還沒有發(fā)現(xiàn)能夠治愈IPF的藥物,抗纖維化藥物吡非尼酮和尼達(dá)尼布似乎可以延緩疾病進(jìn)展,降低死亡風(fēng)險(xiǎn),尤其對早中期患者有效[32],這2種藥物在端?？s短和/或攜帶有端粒相關(guān)基因突變這一亞型IPF患者中的安全性和有效性也逐漸被報(bào)道,研究結(jié)果不盡一致。一項(xiàng)歐洲多中心回顧性研究顯示對于攜帶TERT/TERC基因突變的患者,吡非尼酮使用前和使用后FVC每年下降值分別為(161.8±31.2)ml和 (235.0±49.7)ml,吡非尼酮對這類IPF患者肺功能下降無明顯改善[33]。但有研究對2 項(xiàng)3 期臨床試驗(yàn)(CAPACITY 和ASCEND)的事后分析發(fā)現(xiàn),盡管攜帶有端粒相關(guān)基因突變的患者比未攜帶者FVC下降更快,但應(yīng)用吡非尼酮仍可以顯著減慢攜帶組重癥患者的FVC 下降速度[19]。吡非尼酮最常見的不良反應(yīng)為胃腸道反應(yīng),端粒相關(guān)基因突變對IPF 患者此不良反應(yīng)無明顯加重或減輕[34]。最近Justet等[35]發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于尼達(dá)尼布和吡非尼酮治療攜帶有端粒相關(guān)基因突變的IPF患者的安全性和有效性研究,通過比較抗纖維化治療前 (39 ml/月)和治療后(22 ml/月)的平均FVC 下降值,證明抗纖維化治療對該亞型IPF有效,并在糾正試驗(yàn)中所有混雜因素后,通過比較尼達(dá)尼布 (15 ml/月)和吡非尼酮 (25 ml/月)治療后的平均FVC下降值,第一次在這類人群中評估了尼達(dá)尼布的療效,表明尼達(dá)尼布在這類特殊群體中安全有效。由于樣本量太小,無法評估2種抗纖維化藥物療效的差異。

2.2.2 端粒與其他藥物治療IPF的關(guān)系 很少一部分IPF患者對免疫抑制劑應(yīng)答較好,大部分反應(yīng)欠佳,甚至出現(xiàn)不良后果,這其中的機(jī)制尚不清楚,端?？s短與IPF 的關(guān)系或許可以解釋其中部分原因。Newton 等[36]通過對PANTHER-IPF試驗(yàn)留取的DNA 樣本進(jìn)行白細(xì)胞端粒長度測定發(fā)現(xiàn),端粒長度低于正常對照第10百分位數(shù)預(yù)測值的患者在使用潑尼松、硫唑嘌呤和乙酰半胱氨酸聯(lián)合治療后,FVC下降更快,住院次數(shù)更多,病死率和肺移植率更高,這個(gè)結(jié)論在2 個(gè)類似的試驗(yàn) (ACE-IPF 臨床試驗(yàn)和UTSW IPF隊(duì)列研究)中得到證實(shí)。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)IPF 患者白細(xì)胞端?？s短和對免疫抑制劑應(yīng)答之間存在一種藥物-基因相互作用關(guān)系,縮短的端粒是一種藥物基因組生物標(biāo)志物,可識別暴露于免疫抑制藥物時(shí)存在不良臨床結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)的IPF患者。

達(dá)那唑,一種合成雄激素,被證明大劑量使用時(shí)可以增加端粒長度,穩(wěn)定攜帶端粒相關(guān)基因突變患者的FVC 和DLCO,但因?yàn)橹委熯^程中肝臟不良反應(yīng)和靜脈血栓形成風(fēng)險(xiǎn)增加,許多患者耐受性較差[37]。值得注意的是,目前進(jìn)行的一項(xiàng)臨床試驗(yàn) (NCT03312400)正在評估低劑量達(dá)那唑治療端?？s短相關(guān)疾病的療效,有望為IPF提供新的治療思路和方向。

2.3 端粒與基因治療IPF的關(guān)系 隨著對IPF分子發(fā)病機(jī)制研究的不斷深入,在合并端粒功能障礙這一亞型IPF 的基因治療方面已有相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。由低劑量博來霉素誘導(dǎo)TERT 基因缺失的短端粒小鼠發(fā)生肺纖維化,隨后植入攜帶有TERT 基因的病毒載體AAV9修復(fù)TERT 功能,發(fā)現(xiàn)肺纖維化可以被迅速抑制,在治療后第1周和第3周肺功能得到改善,并且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)有相當(dāng)一部分小鼠表現(xiàn)出纖維化治愈。AAV9-TERT 治療使得端粒延長和AECⅡ增殖,也降低了DNA 損傷,減緩了細(xì)胞凋亡和衰老[38],這為未來基于端粒長度和端粒相關(guān)基因的個(gè)體化治療提供了基礎(chǔ)。

2.4 端粒與肺移植治療IPF的關(guān)系 盡管大量的證據(jù)表明抗纖維化藥物對IPF有不容置疑的獲益,但肺移植仍是僅有的能顯著延長IPF 患者生存期的方法。IPF 患者端?？s短及端粒相關(guān)基因突變增加了肺移植術(shù)后結(jié)局不良的風(fēng)險(xiǎn),相關(guān)研究能更好地指導(dǎo)臨床醫(yī)師篩選肺移植等候者,科學(xué)地行術(shù)后免疫抑制治療。端粒相關(guān)基因突變攜帶者有嚴(yán)重的T 細(xì)胞免疫缺陷,端粒短的小鼠有T 細(xì)胞數(shù)量和功能缺陷,T 細(xì)胞介導(dǎo)的免疫缺陷使患IPF 的肺移植受者 (lung transplant recipients, LTRs ) 巨 細(xì) 胞 病 毒(cytomegalovirus,CMV)感染并發(fā)癥及移植物抗宿主病的發(fā)生率增加[39-40]。短端粒IPF-LTRs與長端粒IPF-LTRs和非IPF-LTRs相比,CMV 免疫受損,端粒較短的IPFLTRs發(fā)生CMV 感染并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)最高,這些并發(fā)癥包括復(fù)發(fā)性病毒血癥發(fā)作、終末器官疾病和CMV 對治療的耐藥性增加,這可能與CMV 特異性增殖反應(yīng)、T 細(xì)胞效應(yīng)功能顯著受損、免疫抑制更嚴(yán)重有關(guān),減低此類患者免疫抑制可能是最可行的策略,但需要與同種異體移植排斥反應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行權(quán)衡[39]。端粒相關(guān)基因功能缺失性突變降低IPF患者有效清除供體免疫細(xì)胞的能力,使免疫監(jiān)測受損和細(xì)胞介導(dǎo)免疫缺陷,使得急性移植物抗宿主病發(fā)生率增加[40]。其他研究還表明,具有短端粒和端粒相關(guān)基因突變的IPF-LTRs的血液并發(fā)癥、急性腎損傷風(fēng)險(xiǎn)、慢性肺移植物功能喪失并發(fā)癥也可能增加[41-43],這些并發(fā)癥的增加使得此類IPF患者肺移植后的存活率降低。

3 展望

端粒與間質(zhì)性肺疾病的相互聯(lián)系已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了IPF范圍,一些具有普通型間質(zhì)性肺炎組織特征的其他疾病,如過敏性肺泡炎、具有自身免疫特征的間質(zhì)性肺炎患者與對照組相比也具有較短的端粒,且患者端?？s短也與肺功能下降更快及更低的未實(shí)施肺臟移植存活率相關(guān)[4,44-45]。這表明端粒功能障礙可能是具有某些共同特征 (特別是組織學(xué)表現(xiàn)為普通型間質(zhì)性肺炎)的間質(zhì)性肺疾病進(jìn)行性肺纖維化的統(tǒng)一發(fā)病因素,為間質(zhì)性肺疾病基于端粒方面的疾病分類與靶向治療提供了新的方向。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突