端粒與特發性肺纖維化相關性研究進展

楊家琦 李龍

1蘭州大學第一臨床醫學院 730000;2蘭州大學第一醫院呼吸科 730030

特發性肺纖維化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種基因介導的與年齡相關的慢性間質性肺疾病,以進行性呼吸困難、運動耐力下降、肺間質性浸潤及肺限制性通氣功能障礙為主要特征,胸部影像學和組織病理學通常表現為普通型間質性肺炎[1]。IPF 并發癥多,病死率高,確診后生存時間約為3～5年。由于其自然病程差異大,具有高度異質性,因此臨床上需根據生物標志物進一步區分具體亞型,以提供個體化和精準化的治療。端?？s短及端粒相關基因突變是近年有關IPF 研究較多的生物標志物,本文對IPF與端?？s短、端粒相關基因突變的相關研究進展闡述如下。

1 端粒的結構及功能

端粒是位于染色體末端串聯重復的核苷酸序列,在人體由TTAGGG 構成,它能夠保護染色體結構和功能的完整性,防止細胞復制過程中染色體末端降解、重排和融合。細胞每次分裂進行染色體復制的過程中,由于DNA 聚合酶不能完整復制線性染色體3′端,端粒就會縮短,當縮短到一個臨界值時,會觸發持續的DNA 損傷反應,誘導細胞復制性衰老或凋亡[2]。端粒長度的維持是一個由大量蛋白質調控的復雜過程,端粒的延長主要依賴端粒酶在DNA合成時向染色體末端添加TTAGGG 重復序列[3]。端粒酶是一種專門的DNA 聚合酶,主要由2個不同的亞基組成,即功能性催化亞基 [端粒酶逆轉錄酶 (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錄酶活性延長端粒的過程中,一些端粒相關基因突變會破壞基因組的完整性和穩定性,打破細胞穩態,從而引發各類疾病。

2 端粒與IPF

2.1 端粒與IPF發病關系

2.1.1 端?？s短與IPF發生及預后 與IPF是一種衰老相關的疾病一致,端?？s短在其發生發展過程中有重要意義。國內外多項研究已經證實,IPF 患者年齡校正后的外周血細胞端粒長度遠遠短于健康對照組,也明顯短于具有自身免疫特征的間質性肺炎和結締組織病相關間質性肺疾病,并與疾病快速進展及生存時間縮短相關,是IPF 預后的獨立預測因素[4-7],尤其對不足60歲的短端粒IPF 患者,端粒 (生物年齡)是一個比時間年齡更好的預測因素[5]。端?？s短與IPF相關更有力的證據是IPF 患者Ⅱ型肺泡上皮細胞 (alveolar epithelial cellⅡ,AECⅡ)的端粒長度遠遠短于健康人,并與存活率呈正相關[6,8]。Snetselaar等[6]對51例IPF患者肺活檢標本行端粒長度測量后發現,無纖維化區域AECⅡ的端粒長度比纖維化區域長56%,而周圍其他細胞的端粒長度并無明顯差別,這進一步提示端?？s短主要通過影響AECⅡ致纖維化,與目前IPF肺泡上皮細胞慢性損傷后的異常修復導致肺組織異常重構的假說一致。傳統試驗方法測量端粒長度提取的是外周血細胞或肺組織細胞的端粒DNA,Planas-Cerezales等[5]在端粒長度與IPF關聯研究中發現口腔拭子采樣的頰細胞端粒長度與外周血單核細胞端粒長度有很好的相關性,這種非侵入性方法使得檢驗標本的獲取更加簡單易行,端粒長度檢測費用也比許多試驗中心的常規肺功能檢查便宜[9],因此端粒長度檢測在IPF患者中比較容易實現。男性IPF患者比例遠遠高于女性,女性預后比男性好,這可能也與端粒長度有關[10]。此外,端粒異?？s短引起組織干細胞或原始細胞功能障礙,限制組織更新,也是導致IPF常合并肺癌發生的部分原因。

2.1.2 端粒相關基因突變與IPF發生 在IPF與端粒相關研究中,發生突變的端粒相關基因包括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運與定位功能[11]。TERT 基因突變直接導致TERT 的催化活性降低;TERC基因突變降低了與添加端粒重復序列有關的模板RNA 功能;DKC1[12]、PARN[13]、NAF1[14]與調節端粒酶RNA 穩定性及TERC水平有關;RTEL1突變通過阻止端粒酶與端粒DNA 序列結合,影響端粒酶發揮作用[15];ZCCHC8功能缺失性基因突變致端粒酶RNA 3′端成熟障礙,導致端粒酶RNA 損耗[16]。端粒相關基因突變主要發生在家族性IPF 中,以TERT 最常見,約占15%[17],其他基因突變相對少見[18],散發IPF人群中也有高達10%的患者攜帶這些基因突變[13]。端粒相關基因突變的發生與患者是否攜帶人黏蛋白5B (mucin-5 subtype B,MUC5B)啟動子rs35705950基因多態性有關,MUC5B 是一種分泌蛋白,MUC5B啟動子rs35705950 多態性是IPF 一個重要易感因素,并與病死率減低有一定關系,攜帶MUC5B 多態性的患者端粒相關基因突變發生率遠遠低于未攜帶者[19]。端粒相關基因突變能引發端粒功能障礙,增加患IPF風險,若同時有和間質性肺疾病相關的其他基因變異,會進一步增加IPF的易感性[19]。對于易感性升高的人群,建議盡量避免IPF相關高危因素 (如吸煙、粉塵、胃食管反流等),盡可能地預防IPF的發生。攜帶有端粒相關基因突變的患者比未攜帶者疾病發作年齡更早[20],FVC%pred 下降更快[19],但端粒相關基因突變對IPF預后的具體意義仍有待進一步研究。

2.1.3 IPF、端粒相關基因突變和端?？s短的關系 IPF、端粒相關基因突變和端?？s短的關系顯得很復雜。80%有端粒相關基因突變 (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歲以上才發生肺纖維化甚至終生不發病。有學者認為,端粒長度是可遺傳的,端粒相關基因突變并不直接導致端粒顯著縮短,而是由幾代突變對于端?？s短累積效應形成的[21]。也有學者認為,端粒相關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現有預設的端粒相關基因突變,可能是由于維持端粒功能的其他罕見或未被認識的基因發生變異,此外,氧化應激、吸煙等也可使端粒磨損縮短。有端粒相關基因突變和/或端?？s短的健康人是否發生IPF 取決于多個因素,包括MUC5B基因啟動子單核苷酸多態性、環境暴露、吸煙、胃食管反流等[23],這種基因-環境交互作用在一定程度上決定了IPF的發生發展。

2.1.4 端粒與IPF 發病機制 有研究表明,僅AECⅡ端粒功能障礙就可以導致肺組織重構和肺纖維化[24],但端粒參與IPF的具體發病機制仍不完全清楚。端粒相關基因突變或其他因素導致端?？s短,待端粒長度縮短到一定閾值時,會觸發持續的DNA 損傷反應,導致肺泡上皮細胞損傷、異常增生及修復[24-26],并提高細胞周期抑制蛋白p53和p21表達水平,限制AECⅡ自我更新和分化,使AECⅡ發生衰老改變[27]。衰老的AECⅡ通過分泌衰老相關分泌表型促進相鄰成纖維細胞和肌成纖維細胞分泌過多的細胞外基質,導致膠原沉積和肺結構破壞,誘發IPF 病理進程[28-29]。衰老人肺泡上皮細胞還可以通過Wnt/β-Catenin/KLF4通路的異常激活抑制TERT 表達,進一步縮短端粒長度,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,增加肺成纖維細胞的增殖及其向肌成纖維細胞的分化,導致肺纖維化[30]。研究者還發現,端粒長度縮短至一定閾值的IPF能誘導一種上皮細胞表達的肺源性分泌因子GDF15水平上調,其在血漿中的水平與肺彌散功能和FVC 有關[31],這可能與端?？s短的IPF 疾病快速進展相關。

2.2 端粒與藥物治療IPF的關系

2.2.1 端粒與抗纖維化藥物治療IPF的關系 目前還沒有發現能夠治愈IPF的藥物,抗纖維化藥物吡非尼酮和尼達尼布似乎可以延緩疾病進展,降低死亡風險,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道,研究結果不盡一致。一項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3 期臨床試驗(CAPACITY 和ASCEND)的事后分析發現,盡管攜帶有端粒相關基因突變的患者比未攜帶者FVC下降更快,但應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為胃腸道反應,端粒相關基因突變對IPF 患者此不良反應無明顯加重或減輕[34]。最近Justet等[35]發表了一項關于尼達尼布和吡非尼酮治療攜帶有端粒相關基因突變的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,并在糾正試驗中所有混雜因素后,通過比較尼達尼布 (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尼布的療效,表明尼達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的關系 很少一部分IPF患者對免疫抑制劑應答較好,大部分反應欠佳,甚至出現不良后果,這其中的機制尚不清楚,端?？s短與IPF 的關系或許可以解釋其中部分原因。Newton 等[36]通過對PANTHER-IPF試驗留取的DNA 樣本進行白細胞端粒長度測定發現,端粒長度低于正常對照第10百分位數預測值的患者在使用潑尼松、硫唑嘌呤和乙酰半胱氨酸聯合治療后,FVC下降更快,住院次數更多,病死率和肺移植率更高,這個結論在2 個類似的試驗 (ACE-IPF 臨床試驗和UTSW IPF隊列研究)中得到證實。這項研究發現IPF 患者白細胞端?？s短和對免疫抑制劑應答之間存在一種藥物-基因相互作用關系,縮短的端粒是一種藥物基因組生物標志物,可識別暴露于免疫抑制藥物時存在不良臨床結果風險的IPF患者。

達那唑,一種合成雄激素,被證明大劑量使用時可以增加端粒長度,穩定攜帶端粒相關基因突變患者的FVC 和DLCO,但因為治療過程中肝臟不良反應和靜脈血栓形成風險增加,許多患者耐受性較差[37]。值得注意的是,目前進行的一項臨床試驗 (NCT03312400)正在評估低劑量達那唑治療端?？s短相關疾病的療效,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的關系 隨著對IPF分子發病機制研究的不斷深入,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動物實驗研究。由低劑量博來霉素誘導TERT 基因缺失的短端粒小鼠發生肺纖維化,隨后植入攜帶有TERT 基因的病毒載體AAV9修復TERT 功能,發現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,并且在實驗結束時有相當一部分小鼠表現出纖維化治愈。AAV9-TERT 治療使得端粒延長和AECⅡ增殖,也降低了DNA 損傷,減緩了細胞凋亡和衰老[38],這為未來基于端粒長度和端粒相關基因的個體化治療提供了基礎。

2.4 端粒與肺移植治療IPF的關系 盡管大量的證據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短及端粒相關基因突變增加了肺移植術后結局不良的風險,相關研究能更好地指導臨床醫師篩選肺移植等候者,科學地行術后免疫抑制治療。端粒相關基因突變攜帶者有嚴重的T 細胞免疫缺陷,端粒短的小鼠有T 細胞數量和功能缺陷,T 細胞介導的免疫缺陷使患IPF 的肺移植受者 (lung transplant recipients, LTRs ) 巨 細 胞 病 毒(cytomegalovirus,CMV)感染并發癥及移植物抗宿主病的發生率增加[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發生CMV 感染并發癥的風險最高,這些并發癥包括復發性病毒血癥發作、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、T 細胞效應功能顯著受損、免疫抑制更嚴重有關,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的潛在風險進行權衡[39]。端粒相關基因功能缺失性突變降低IPF患者有效清除供體免疫細胞的能力,使免疫監測受損和細胞介導免疫缺陷,使得急性移植物抗宿主病發生率增加[40]。其他研究還表明,具有短端粒和端粒相關基因突變的IPF-LTRs的血液并發癥、急性腎損傷風險、慢性肺移植物功能喪失并發癥也可能增加[41-43],這些并發癥的增加使得此類IPF患者肺移植后的存活率降低。

3 展望

端粒與間質性肺疾病的相互聯系已經遠遠超出了IPF范圍,一些具有普通型間質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施肺臟移植存活率相關[4,44-45]。這表明端粒功能障礙可能是具有某些共同特征 (特別是組織學表現為普通型間質性肺炎)的間質性肺疾病進行性肺纖維化的統一發病因素,為間質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