殷娥高，劉永駿，楊眉，董昭興

(昆明醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院呼吸與危重癥一病區(qū)，昆明 650101)

肺纖維化是一種病因不明的進行性、多因素、致命性肺部疾病，其特征主要包括炎癥、肺泡上皮細胞損傷、成纖維細胞過度增殖以及間質細胞外基質(extracellular matrix，ECM)大量沉積[1-2]。肺纖維化主要表現(xiàn)為健康組織被改變的ECM取代、肺泡結構被破壞，從而導致肺順應性下降、氣體交換被破壞，最終導致呼吸衰竭和死亡[3]。近年來，對肺纖維化發(fā)病機制的研究和治療均取得了一定進展，但確診患者的平均生存周期僅為3～5年[2]。新型抗纖維化藥物(吡非尼酮和尼達尼布)可延緩肺纖維化的進展，但并不能阻止或逆轉肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。目前，肺移植手術仍是肺纖維化相對有效的治療方法，但由于供體稀缺且費用昂貴，其臨床應用受到限制[4]。因此，尋找新的減緩肺纖維化進程或逆轉肺纖維化的治療方法顯得尤為重要。肺纖維化是一種與代謝相關的疾病，糖代謝的改變在肺纖維化形成中起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解及其代謝產(chǎn)物與慢性肺部疾病[如特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)]的嚴重程度和進展均相關[5-9]。因此，靶向糖代謝的相關治療可能為肺纖維化患者帶來新希望?，F(xiàn)就糖代謝與肺纖維化相關的研究進展予以綜述。

1 糖代謝概述

糖代謝是指葡萄糖、糖原等在體內進行的一系列復雜的化學反應。葡萄糖是哺乳動物細胞主要的能量和物質來源，不僅可為機體提供腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)，還可為各種合成代謝途徑提供代謝物[10]。糖代謝主要包括以線粒體為主要功能單位進行的氧化磷酸化和在胞質中進行的糖酵解[11]。葡萄糖被葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter，GLUT)吸收到細胞內，并在胞質中通過糖酵解代謝為丙酮酸，這一過程可產(chǎn)生少量的ATP。在正常細胞中，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸主要進入線粒體，被丙酮酸脫氫酶復合體氧化為乙酰輔酶A，然后乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)并氧化磷酸化生成ATP。氧化磷酸化是細胞能量來源的主要方式。糖酵解是一個代謝過程，這個過程涉及的細胞酶主要包括己糖激酶(hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructose kinase，PFK)、6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-雙磷酸酶(6-phosphofructose-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase，PFKFB)和丙酮酸激酶等，可調控糖酵解速率。

2 糖代謝在肺纖維化中的作用

肺纖維化的發(fā)病機制目前尚不明確，隨著其發(fā)病率和病死率的升高，肺纖維化逐漸成為嚴重的醫(yī)療負擔。目前關于糖代謝異常在肺纖維化形成中的作用機制研究越來越多，包括糖代謝與轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的相互作用、糖代謝通過影響ECM的產(chǎn)生參與膠原的生成以及糖代謝過程本身對肺纖維化形成的影響等。

2.1TGF-β與糖代謝雙向調節(jié)在肺纖維化中的作用 TGF-β是導致組織、器官纖維化發(fā)生發(fā)展的主要細胞因子，是一種強有力的肺纖維化調節(jié)因子。因此，針對TGF-β下游的靶向治療或改變TGF-β介導的纖維化代謝環(huán)境，可能是一種替代和更有前景的治療方法。研究證實，糖酵解的代謝產(chǎn)物、糖代謝相關的酶等均可影響TGF-β活性及TGF-β信號轉導[8，12-14]；同時，TGF-β也可以調節(jié)糖代謝[7-8]。

糖酵解及其代謝產(chǎn)物乳酸的生成可促進肌成纖維細胞分化，進而促進TGF-β的分泌[8,12-13]。在正反饋回路中，乳酸積累引起的pH值降低與TGF-β活性增加有關，TGF-β活性增加可促進缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)-1α和乳酸脫氫酶5將丙酮酸轉化為乳酸，同時又可降低微環(huán)境的酸堿度，進一步增強TGF-β的活性和肌成纖維細胞的分化[14]。但在體外應用PFKFB3抑制劑部分阻斷糖酵解可抑制TGF-β的促纖維化作用，進而抑制TGF-β和博來霉素誘導的模型小鼠肺纖維化的發(fā)展[12]。因此，糖酵解是TGF-β活性及信號轉導的重要調節(jié)因素之一。

利用氣相色譜-質譜法對IPF進行檢測發(fā)現(xiàn)，TGF-β介導的糖酵解激活可降低葡萄糖水平，升高糖酵解中間產(chǎn)物(如葡萄糖6-磷酸、二羥丙酮磷酸和乳酸)水平和增加細胞外液的酸化，同時還可增加葡萄糖-6-磷酸和葡萄糖、乳酸-丙酮酸的產(chǎn)物/底物比[8]。而纖維組織對18F-氟脫氧葡萄糖攝取增加表明，糖酵解激活也發(fā)生在體內[15]。雖然多種細胞類型可能是IPF中18F-氟脫氧葡萄糖攝取增加的原因，但在TGF-β誘導的成肌纖維細胞體外分化過程中糖酵解作用增加，而靶向糖酵解治療可減輕小鼠的肺纖維化[12，16]。TGF-β可通過直接誘導糖酵解相關的酶(包括HK和PFK)上調糖酵解水平[17]。而HK2是催化糖酵解的關鍵，Yin等[18]研究證實，TGF-β可通過Smad 2/3和轉錄因子c-Myc誘導成纖維細胞HK2的積累，這對于TGF-β刺激的促纖維化因子表達、細胞遷移和集落形成是必需的；該研究還證實了IPF患者的成纖維細胞中HK2豐度增加以及在博來霉素誘導的肺纖維化小鼠模型中抑制HK2可減少促纖維化標志物(膠原蛋白、纖維連接蛋白及其可變剪接片段、α平滑肌肌動蛋白和結締組織生長因子)的表達，同時穩(wěn)定和改善肺功能。TGF-β還可通過間接途徑上調糖酵解水平，如通過HIF-1α激活丙酮酸脫氫酶激酶1，而丙酮酸脫氫酶激酶1可通過丙酮酸脫氫酶調節(jié)丙酮酸進入檸檬酸循環(huán)[19]。TGF-β的調節(jié)需要HIF-1α，通過基因敲除或藥物抑制TGF-β-HIF-1α-丙酮酸脫氫酶激酶1軸，可減輕肺纖維化[7,20]。另外，糖酵解還可通過增加三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物琥珀酸穩(wěn)定HIF-1α水平，促進肌成纖維細胞分化[12]?？梢姡琓GF-β通過直接或間接方式調節(jié)糖代謝，參與并調控肺纖維化的發(fā)生。同時，TGF-β還可調節(jié)纖維化過程中沉默信息調節(jié)因子3的表達，促進超氧化物歧化酶2和異檸檬酸脫氫酶2的乙酰化，若小鼠缺失沉默信息調節(jié)因子3可導致還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽比值升高、異檸檬酸脫氫酶2活性降低，進而導致氧化應激的防御能力降低[21]，而氧化應激可導致肺泡上皮細胞損傷以及成纖維細胞向肌成纖維細胞分化。由此可見，無論是肺纖維化患者還是肺纖維化動物模型其糖代謝過程中的中間產(chǎn)物、相關的酶等均發(fā)生改變，提示糖代謝參與并調控肺纖維化的發(fā)生發(fā)展。

2.2糖代謝通過影響ECM合成在肺纖維化中的作用 在肺纖維化的形成過程中，活化的成纖維細胞/肌成纖維細胞促進了ECM的沉積。病理上，纖維化的特征是ECM穩(wěn)態(tài)失衡。ECM的過度積聚導致組織纖維化，而膠原蛋白是纖維組織的主要結構蛋白，葡萄糖代謝可為膠原蛋白的生成提供能量及物質基礎；成纖維細胞生長迅速，需要大量的ATP維持其生長，但膠原蛋白的分泌依賴于糖酵解和氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP，細胞ATP合成減少抑制了膠原蛋白的分泌[22-23]。de Paz-Lugo等[24]研究證實，糖代謝的中間代謝產(chǎn)物3-磷酸甘油酸可進一步轉化為甘氨酸，而膠原蛋白的合成對甘氨酸最敏感，其次為脯氨酸和賴氨酸。因此，糖代謝過程中產(chǎn)生的能量及中間代謝產(chǎn)物均可影響膠原蛋白的產(chǎn)生。

ECM的動態(tài)平衡需要膠原蛋白生成與膠原蛋白降解之間的平衡，而膠原蛋白的生成和降解主要是由成纖維細胞等介導。糖酵解除了在ECM合成代謝中起直接作用，糖酵解增強對成纖維細胞(ECM的主要產(chǎn)生者)的激活也很重要。在許多纖維化疾病(包括肝硬化[25]、腎纖維化[26]和IPF[16])中糖酵解水平均上調，這有助于成纖維細胞的活化。Xie等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在IPF模型中，TGF-β通過誘導肺成纖維細胞中的PFKFB3，增加PFK1介導的糖酵解激活；PFKFB3基因敲除或使用PFKFB3抑制劑均可抑制TGF-β誘導的成纖維細胞向肌成纖維細胞分化。Zhao等[9]通過對IPF患者肺組織和正常人肺組織的代謝組學研究發(fā)現(xiàn)，早期糖酵解代謝產(chǎn)物葡萄糖和果糖-6-磷酸水平無變化，但晚期糖酵解代謝產(chǎn)物果糖-1,6-雙磷酸和磷酸烯醇丙酮酸水平均較正常人肺組織顯著降低。高遷移率族蛋白B1是一種高度保守的DNA剪切蛋白，富集于細胞核[1]。Xu等[27]研究發(fā)現(xiàn)，高遷移率族蛋白B1可通過上調HIF-1α的表達促進有氧糖酵解的增加，從而促進成纖維細胞的增殖和ECM的產(chǎn)生，影響肺纖維化的形成和進展。可見，糖代謝通過影響ECM的合成在肺纖維化形成中發(fā)揮抑制或促進作用。

2.3GLUT在肺纖維化中的作用 GLUT是一類調控葡萄糖由細胞外進入細胞內的跨膜蛋白家族，參與糖代謝、炎癥反應和免疫應答等過程[28]。目前已發(fā)現(xiàn)的GLUT共有14種，包括 GLUT1～12、H+依賴性肌醇轉運體和 GLUT14。GLUT(大多數(shù)情況下為GLUT1)上調以及葡萄糖攝取和代謝增加均與多種疾病相關。Chen等[29]研究發(fā)現(xiàn)，代謝狀態(tài)的改變和氧化應激均可調節(jié)GLUT1的表達。然而，GLUT1表達上調又可影響纖維化形成。Andrianifahanana等[30]在IPF患者和博來霉素誘導的小鼠肺纖維中均觀察到GLUT1表達增加，同時證實GLUT1的表達是由TGF-β成纖維細胞和原代細胞誘導的，且是TGF-β促纖維化作用所必需的，抑制GLUT1活性和(或)表達可減弱TGF-β驅動的纖維化過程，包括細胞增殖和促纖維化介質的產(chǎn)生。El-Chemaly等[31]研究顯示，IPF患者纖維化和蜂窩樣區(qū)域的氟脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計算機斷層掃描攝取增加，而GLUT1是氟脫氧葡萄糖的主要轉運蛋白，在纖維化肺中紅細胞和炎癥細胞均表達GLUT1。表明IPF患者的18F-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計算機斷層掃描攝取是由新生血管形成區(qū)域內的炎癥細胞和紅細胞所驅動的。因此，18F-脫氧葡萄糖-正電子發(fā)射計算機斷層掃描可檢測肺纖維化中的炎癥和新生血管形成。Cho等[32]研究證實，GLUT1依賴性糖酵解在老年小鼠的肺組織中被激活，GLUT1的遺傳和藥物抑制作用降低了小鼠原代成纖維細胞中α平滑肌肌動蛋白的表達，而增加GLUT1介導的葡萄糖攝取和代謝可能會促使衰老的成纖維細胞進入高炎癥狀態(tài)，并增加前炎癥介質的激活。GLUT1缺乏可降低黑素瘤缺乏因子2炎癥小體的表達水平和功能，而黑素瘤缺乏因子2缺乏的小鼠在肺炎鏈球菌感染后表現(xiàn)出肺纖維化顯著減輕，即在繼發(fā)肺炎鏈球菌感染期間，巨噬細胞中的GLUT1依賴性糖酵解通過激活黑素瘤缺乏因子2炎癥小體，調節(jié)肺纖維化[33]。

研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B、HIF-1α、c-Myc和p53對細胞增殖和信號通路的影響均與GLUT的調控有關[34]。如p53是一種轉錄因子，可調節(jié)多種與生長控制有關的基因和微RNA的表達，是抑制腫瘤的關鍵，p53通過對參與葡萄糖代謝的多種酶的轉錄控制，抑制GLUT1和GLUT4的轉錄[35]。機體抗氧化體系失衡在肺纖維化發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用，突變體p53是一種新的p53誘導蛋白，具有調節(jié)糖酵解和保護氧化應激的功能，與代謝穩(wěn)態(tài)關系密切，可降低細胞中2,6-雙磷酸果糖水平，從而抑制糖酵解作用、降低細胞內活性氧類水平[36]。

3 靶向糖代謝對肺纖維化的作用

目前，糖酵解過程中的關鍵酶(HK、PFK和丙酮酸激酶)、代謝產(chǎn)物丙酮酸或乳酸的生成已成為肺纖維化藥物治療的靶點。Ding等[26]研究發(fā)現(xiàn)，應用2-脫氧葡萄糖抑制HK可減少腎成纖維細胞的有氧糖酵解，導致環(huán)境pH值增加、乳酸積累減少、TGF-β相關纖維化標志物(纖維連接蛋白和α平滑肌肌動蛋白)表達減少。Yin等[18]給予博來霉素誘導的肺纖維化模型小鼠HK2抑制劑Lonidamine治療，結果顯示小鼠促纖維化基因的表達減少，同時肺功能穩(wěn)定。Xie等[12]在肺成纖維細胞中靶向HK(應用2-脫氧葡萄糖或3-溴丙酮酸)和PFK[應用3-(3-吡啶基)-1-(4-吡啶基)- 2-丙烯-1-酮]，結果發(fā)現(xiàn)肌成纖維細胞的糖酵解水平降低，同時相關的抗纖維化表型變化減少，如肌成纖維細胞分化、收縮和膠原沉積。此外，Cho等[32]的研究證實，藥物抑制GLUT1可減輕博萊霉素誘導的老年小鼠肺纖維化的形成。因此，針對糖代謝改變的治療可能為抗纖維化提供一種新方向。但由于纖維化是多方面的，非靶點的糖酵解抑制可能會產(chǎn)生一定的不良反應；且由于代謝的復雜性，若只抑制一種酶或一種途徑，細胞還可以通過其他途徑進行補償。因此，需進一步完善糖代謝在肺纖維化中的機制研究，運用合理的聯(lián)合方案治療纖維化疾病可能成為未來治療的方向。

4 小 結

糖代謝的改變是許多器官纖維化的重要致病過程。逆轉糖代謝可能成為減輕多種器官纖維化的一種有前景的治療策略?；谔谴x復雜的調控機制，目前對糖代謝的認識尚存在局限性，相信隨著研究的不斷深入，與肺纖維化相關的糖代謝機制會逐步被闡明。抑制或靶向糖代謝途徑中的關鍵酶、葡萄糖轉運體或代謝產(chǎn)物以及改變細胞微環(huán)境均可以為尋找新的肺纖維化治療方法提供依據(jù)，不僅限于肺部疾病，還包括其他對纖維化敏感的器官系統(tǒng)疾病。因此，未來特定靶向糖代謝或將成為肺纖維化臨床診斷、治療的重要手段。