顧麗娜 王天真 陸菊 曹孟淑
1南京中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結(jié)合臨床附屬鼓樓醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科210008;2南京醫(yī)科大學附屬鼓樓臨床醫(yī)學院呼吸與危重癥醫(yī)學科210008
1997年,生長分化因子15(growth differentiation factor 15,GDF15)首次從人骨髓單核細胞系U937中分離出來[1]。GDF15作為自分泌調(diào)節(jié)因子在脂多糖刺激的巨噬細胞中能抑制腫瘤壞死因子α的產(chǎn)生,所以被命名為巨噬細胞抑制因子。因為GDF15參與細胞生長調(diào)節(jié),所以又稱作GDF15,屬于轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)超家族遠房成員之一[2]。GDF15基因位于人染色體19p12-13.1位點[3],其編碼的蛋白具有TGF-β超家族的典型結(jié)構(gòu)學特征,前體蛋白含308個氨基酸,經(jīng)酶切后成為112個氨基酸的成熟蛋白,相對分子質(zhì)量為25 000,通過二硫鍵連接成具有生物活性的同源二聚體,包含1個高度保守的7個半胱氨酸結(jié)構(gòu)域[4]。
1.1 GDF15及其受體 GDF15在人體組織包括肺、腎、肝、肌肉、脂肪和胎盤均有表達,妊娠期這些組織可分泌高水平的GDF15[5-8]。正常人外周血GDF15水平在100~1 200 ng/L之間[9],但在運動、組織損傷和許多疾病狀態(tài)下包括癌癥、心血管疾病、腎病和肺病,循環(huán)中的GDF15水平會增加[10]。在健康人群中,GDF15血清水平與年齡、甘油三酯呈正相關,與內(nèi)生肌酐清除率呈負相關[9]。GDF15參與能量穩(wěn)態(tài)及體質(zhì)量的調(diào)節(jié),目前發(fā)現(xiàn)其受體重組人神經(jīng)膠質(zhì)源神經(jīng)營養(yǎng)因子受體α樣蛋白(glial cell linederived neurotrophic factor receptor alpha-like,GFRAL)與GDF15特異性結(jié)合后可以調(diào)節(jié)代謝[11]。GFRAL蛋白與僅存在于腦干中的神經(jīng)元表面上的受體酪氨酸激酶形成一種復合物,外周血中的GDF15與位于腦干后區(qū)的神經(jīng)元細胞表面的GFRAL/受體酪氨酸激酶受體復合物結(jié)合,觸發(fā)受體磷酸化和下游細胞內(nèi)信號傳導。GDF15通過這種信號影響到的神經(jīng)回路包括孤束核、臂旁外側(cè)核、中央杏仁核和下丘腦的神經(jīng)元,從而減少飲食,最終導致體質(zhì)量減輕。雖然GDF15屬于TGF-β超家族成員,但有研究認為GDF15不能通過TGF-β受體進行傳導[12]。
1.2 GDF15的生物學功能 GDF15生物學功能多種多樣。研究發(fā)現(xiàn)GDF15在調(diào)控應激反應、參與調(diào)節(jié)巨噬細胞和炎癥的活動、調(diào)節(jié)細胞凋亡方面均發(fā)揮重要作用[13]。Tiwari等[14]研究發(fā)現(xiàn)GDF15能保護肺內(nèi)皮和上皮細胞抵抗高氧環(huán)境,而p53基因沉默顯著降低GDF15的活性。Nickel等[15]研究證明GDF 15能引起AKT磷酸化,抑制肺血管內(nèi)皮細胞的凋亡。然而,Kempf等[16]通過心肌梗塞實驗模型發(fā)現(xiàn),GDF15在內(nèi)皮功能障礙的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。GDF15能直接干擾趨化因子信號傳導和整合素激活。此外,參與PI3K和AKT依賴性信號通路的心肌細胞中具有抗凋亡作用。
在纖維化方面,Hsiao等[17]證明重組GDF15能夠抑制免疫細胞的活性,從而減少炎癥因子產(chǎn)物,改善肝纖維化的發(fā)展。在腫瘤發(fā)生上,GDF15參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、血管生成和轉(zhuǎn)移[18]。在心血管系統(tǒng)中,心肌損傷在壓力超負荷、心力衰竭、缺血再灌注損傷及動脈粥樣硬化等條件下,GDF15的表達均顯著升高[27]。在神經(jīng)系統(tǒng)中,GDF15具有多種功能,可參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變[28],是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的保護因子[19]、運動和感覺神經(jīng)元的新的營養(yǎng)因子[30]及腦血管疾病及腦損傷的預測因子。GDF15在不同組織或類型的細胞中作用機制的不同,可能與細胞表面不同GDF15親和力的Ⅰ型和Ⅱ型TGF-β/活化素受體的差異表達有關[31]。
肺臟是GDF15的重要靶器官,當肺臟處于炎癥或應激狀態(tài)時,肺組織中包括支氣管和毛細支氣管上皮細胞[21-22]、肺間質(zhì)細胞[23]、巨噬細胞和肺血管內(nèi)皮細胞[15]均能顯著表達GDF15。
2.1 GDF15與COPD 在COPD患者中,外周血GDF15表達水平較正常人明顯升高,而急性加重期患者GDF15水平較穩(wěn)定期顯著升高。另外,GDF15是COPD急性加重獨立的預測因素[24]。GDF15的升高除與COPD患者年齡、吸煙、惡病質(zhì)及貧血相關外[25],與COPD年惡化率、病死率增加以及第一秒用力呼氣容積和FVC的下降速率均增加相關[26]。另外,COPD合并貧血患者GDF15水平顯著高于不合并貧血患者。
COPD的發(fā)病與有害顆粒的吸入導致的慢性炎癥反應有關,與非吸煙正常人相比,COPD吸煙患者的小氣道上皮細胞中GDF15蛋白表達增加,主要集中在上皮的纖毛細胞。缺乏GDF15能減輕香煙煙霧誘導的小鼠肺部炎癥反應,這說明COPD患者體內(nèi)GDF15水平增加可能有助于香煙煙霧誘導的肺部炎癥發(fā)展[27]。進一步研究發(fā)現(xiàn)氣道上皮細胞產(chǎn)生GDF15,激活PI3K途徑以促進黏蛋白的表達,調(diào)節(jié)香煙煙霧暴露肺氣道黏膜免疫功能從而導致COPD的發(fā)病。Jiang等[23]研究發(fā)現(xiàn)GDF15的表達與COPD患者上皮細胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化標志物上皮型鈣黏蛋白呈負相關性,與波形蛋白呈正相關性。證明香煙煙霧提取物誘導的人小氣道上皮細胞中,GDF15表達升高,從而引導上皮細胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的病理過程。病毒或細菌感染是COPD急性加重的重要原因,而人鼻病毒是其中最常見病毒。研究表明GDF15可促進肺人鼻病毒感染誘導的肺部炎癥反應的發(fā)生[21]。
2.2 GDF15與肺栓塞 Lankeit等[28]對123例急性肺動脈栓塞(acute pulmonary embolism,APE)患者進行研究,APE患者血清GDF15水平明顯高于健康患者組,并對APE的預后具有預測價值,對于入院時血清GDF15水平大于4 600 ng/L的APE患者,30 d內(nèi)出現(xiàn)死亡或嚴重并發(fā)癥的可能性更大。Duran等[29]也指出APE患者GDF15水平大于2 943 ng/L時,能更好的預測30 d總死亡率。然而Jenab等[30]研究發(fā)現(xiàn),APE患者GDF15水平升高不僅與急性右心室超負荷有關,與潛在的合并癥如心臟衰竭病史同樣有關,并且APE患者GDF15水平不影響短期不良事件的發(fā)生。肺栓塞時血液GDF15升高與細胞應激和臟器功能受損有關,也可能由于心肌能量代謝的主要場所線粒體出現(xiàn)了明顯的破壞[31]。Rossaint等[32]發(fā)現(xiàn)重組GDF15能減少血小板聚集,減緩血栓形成并延長出血時間。肺栓塞后所致的血管緊張素Ⅱ升高、缺血缺氧所致的心肌損傷、氧化應激和肺動脈高壓、心肌能量代謝的主要場所線粒體明顯的破壞等均能誘導心肌細胞及肺組織表達GDF15。因而GDF15的水平可以更全面的反映肺栓塞后的病理生理變化。
2.3 GDF15與肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH) GDF15在特發(fā)性PAH患者外周血中明顯升高,外周血GDF15是與PAH預后有關的潛在標志物,并且GDF15水平與心臟指數(shù)和平均右心房壓力相關[33]。血漿GDF15水平與先天性心臟病合并PAH患者肺血管系統(tǒng)壓力增加的病理狀態(tài)密切相關[34]。系統(tǒng)性硬化(systemic scleroderma,SSc)合并PAH患者不僅血漿中GDF15的水平升高,肺組織中GDF15蛋白表達也明顯增加[35]。Nickel等[15]證明了GDF15在PAH患者的血管區(qū)域中強烈表達,尤其是在形成叢狀病變的血管內(nèi)皮細胞中。GDF15在血管平滑肌細胞中表達較低,在正常血管和具有中層肥大的重塑小動脈中均較低。當暴露于缺氧和層流剪切應力下,GDF15參與人肺微血管內(nèi)皮細胞的平衡,能減少細胞凋亡數(shù),因此GDF15可能在PAH患者叢狀病變的演變和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用[15]。
2.4 GDF15與肺癌 近年來研究發(fā)現(xiàn)肺癌患者外周血GDF15水平顯著升高。惡性孤立性肺結(jié)節(jié)(solitary pulmonary nodules,SPNs)患者血清GDF 15水平顯著高于良性患者或健康者,Ⅲ期肺癌患者顯著高于Ⅰ~Ⅱ期患者,隨著病程進展,GDF 15水平進一步升高。血清GDF 15診斷惡性SPNs具有很高敏感性和特異性[55-56]。另外,在部分緩解、穩(wěn)定和疾病進展的肺癌患者之間,血清GDF15水平具有顯著差異,可能成為化療療效評價的指標之一[36]。
Cekanova等[37]發(fā)現(xiàn)GDF15可能具有抑癌作用,GDF15高表達的小鼠,肺癌病灶數(shù)更少,腫瘤細胞凋亡明顯增加。研究發(fā)現(xiàn),GDF15能通過激活腫瘤抑制通路,如p53和早期生長應答蛋白EGR-1等發(fā)揮抑癌作用。p53是一種在癌細胞中經(jīng)常發(fā)生突變和/或失活的主要抑癌蛋白,而GDF15是p53及其家族成員的轉(zhuǎn)錄靶基因,其啟動子區(qū)域包含2個p53型反應元件[38]。GDF15還可以通過抑制腫瘤激活通路,如通過抑制Smad復合物的形成阻斷TGF-β/Smad通路[39]。另外,多種抑制腫瘤進展的藥物是通過促進GDF15的表達來發(fā)揮抗腫瘤效應的,如非甾體抗炎藥可能通過EGR-1和Sp1結(jié)合位點誘導GDF15的表達,從而促進腫瘤細胞的凋亡,抑制腫瘤發(fā)生[40]。
相反,有研究表明GDF15可作為促癌基因,Ratnam等[41]研究發(fā)現(xiàn)GDF15作為一種核因子κB調(diào)節(jié)基因,由腫瘤細胞產(chǎn)生并在巨噬細胞中傳遞信號,是早期癌癥發(fā)展的重要啟動子。腫瘤細胞通過GDF15抑制TGF-β激活激酶活性,從而抑制核因子κB信號通道和下游產(chǎn)生的腫瘤壞死因子α與NO逃避巨噬細胞抗腫瘤作用。Urakawa等[42]在研究中發(fā)現(xiàn)巨噬細胞過表達GDF15導致細胞增殖和AKT、ERK1/2的磷酸化,促進了腫瘤細胞血管侵犯及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。GDF15是CDP138的關鍵下游效應物,CDP138通過GDF15介導TGF-β/SMAD信號激活,從而抵抗放射性治療,促進肺癌轉(zhuǎn)移[43]。
總之,外周血GDF15水平在肺癌早期診斷、預后估計、化療療效方面均作為生物標志物發(fā)揮作用。GDF15的抗腫瘤活性與微環(huán)境密切相關。作為抑癌基因,既能通過激活腫瘤抑制通路,又能抑制腫瘤促進通路,且GDF15基因可被多種抗腫瘤化合物誘導;作為促癌基因,GDF15是重要的下游效應基因,通過多種途徑參與腫瘤細胞的增殖和遷移。
2.5 GDF15與肺纖維化 合并肺纖維化的SSc患者GDF15水平明顯高于沒有肺纖維化改變的SSc患者和健康對照[44]。de Jager等[45]研究表明激活的巨噬細胞產(chǎn)生GDF15,從而上調(diào)CCL2和CCR2的表達來進一步促進巨噬細胞的募集,導致SSc的發(fā)展和纖維化的發(fā)生。另外,SSc患者 “雷諾現(xiàn)象”出現(xiàn)的缺血和再灌注導致血管內(nèi)皮損傷,GDF15可能通過抑制p53活性、上調(diào)HIF-1a表達和相關的下游血管生成信號來促進血管生成[46]。
Lambrecht等[47]研究表明,在小鼠肺纖維化進展過程中GDF15表達升高,但是敲除GDF15基因,肺纖維化的改變沒有差別。GDF15基因敲除的小鼠肺成纖維細胞中,炎癥和纖維化的IL-6、CCL2減少,說明GDF15參與了最初的炎癥階段,但GDF15對纖維化的發(fā)展并不具有決定性,在沒有GDF15的情況下纖維化依然會繼續(xù)發(fā)展。這可能是因為其他TGF-β家族成員可促進纖維化的發(fā)展,并且在缺乏GDF15的情況下更容易被誘導產(chǎn)生。重組GDF15在GDF15基因敲除的小鼠中,能直接抑制骨橋蛋白(osteopontin,OPN)的表達[48]。
Kim等[22]研究發(fā)現(xiàn)來自人肺泡上皮細胞的GDF15是一種成纖維細胞抑制因子。將人肺泡上皮細胞的GDF15基因沉默,在其培養(yǎng)基中,正常人成纖維細胞增殖和存活率都會增加。重組人GDF15能下調(diào)人成纖維細胞膠原蛋白1α和α-SMA水平,促進小鼠纖維化模型分離的成纖維細胞死亡,降低其增殖潛能。成纖維細胞的生長和激活在很大程度上依賴于TGF-SMAD信號通路,而體外細胞實驗表明重組人GDF15肽段使P-Smad2/3表達降低,進一步用TGF-β1激活TGF信號通路,重組人GDF15肽段使磷酸化的TGF-β受體和Smad2/3均被抑制,另外細胞外基質(zhì)的成分生長也被抑制。在沒有間質(zhì)性肺疾病的人肺組織內(nèi),GDF15沿肺泡壁廣泛表達,但間質(zhì)性肺疾病患者肺部幾乎不表達,在肺纖維化模型小鼠中GDF15同樣被抑制。每周2次用重組人GDF15肽段注射肺纖維化模型小鼠,小鼠存活率提高,肺組織中纖維化范圍大幅減輕[22]??傊?GDF15在肺纖維化進展過程中表達升高,但是并不能促進纖維化進一步加重,反而有抑制纖維化進展的作用。這可能因為GDF15是TGF-β受體的部分激動劑[49]。一般來說,弱激動劑可以在沒有完全激動劑的情況下刺激受體;但在有完全激動劑的情況下,其功能是使受體信號失活??紤]到肺纖維化患者肺中富含TGF-β的環(huán)境,GDF15可作為纖維化發(fā)生的抑制劑。
綜上所述,GDF15生物學功能廣泛,參與多種肺部疾病的發(fā)病過程,但GDF15在肺部疾病中具體的機制仍需要更進一步的研究。
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