辐射诱导的正常组织纤维化的细胞和分子机制*

【摘要】  正常组织的纤维化是辐射引起的后遗症之一。纤维化可以发生在皮肤、肺和肝等部位。本文从细胞和分子水平论述了近年来有关辐射诱导的纤维化机制的最新进展，并对纤维化的防护研究进行了展望。

【关键词】  辐射 纤维化 细胞因子

    【Abstract】Fibrosis of normal tissue is one of the late effects of radiation. It occurs in skin, lung and liver et al. The advance of the cellular and molecular basis of fibrosis induced by radiation is reviewed in the paper. The research on the protection of fibrosis is prospected.

    【Key words】  radiation；fibrosis；cytokine

    外源性的辐射可以引起肺、肾、肝和皮肤的实质组织产生纤维化的损伤。组织纤维化是最为普遍的肿瘤放射治疗的后遗症之一，轻者影响病人治疗后的生活质量，重者可导致患者器官功能衰竭引起死亡。辐射诱导的纤维化已成为放疗中限制总照射剂量的一个因素［1］，其产生机制和防护研究正成为放疗中的热点。研究表明：辐射诱导的纤维化是一个有多个细胞因子参与，发生在多种细胞间的综合结果，最终将导致分裂性的成纤维细胞提早分化成功能性的成纤维细胞，并进一步造成组织的纤维化［2］。本文首先从细胞水平介绍了成纤维细胞系统及其增殖、分化情况；然后从分子水平分析了由细胞因子调控的成纤维细胞过度分化所导致的纤维化；最后对纤维化的防护研究方向做了简单的介绍。

　　1  成纤维细胞系统

    成纤维细胞(fibroblast）是结缔组织中最常见的细胞，成纤维细胞系统的研究结果主要来源于体外培养的原代和传代细胞。目前根据细胞的形态、生物化学和分子生物学标记物，把成纤维细胞系统分为六个时期，其中前三个时期是具分裂活性的成纤维细胞（Mitotic Fibroblast, 简称MF），包括Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期；另外三个是分裂后的成纤维细胞（Post Mitotic Fibroblast, 简称PMF），也叫功能性的成纤维细胞，包括Ⅳ期、Ⅴ期和Ⅵ期［3］。分裂性成纤维细胞具有分裂增生的能力，其体积比功能性成纤维细胞小，核质比却比较大。功能性成纤维细胞则不再具有分裂增生的能力，细胞质中含有丰富的粗面内质网、游离核糖体和发达的高尔基复合体，表明它具有合成和分泌蛋白质的功能，还可以合成和分泌胶原纤维、弹性纤维、网状纤维及有机基质。Ⅰ期细胞在分裂20～30次以后进入Ⅱ期，Ⅱ期细胞在分裂15～20次以后即可进入Ⅲ期。Ⅰ期细胞主要存在于胚胎中，在体外培养的传代细胞中很少见，Ⅱ期和Ⅲ期细胞都有各自特异的蛋白标记物(MⅡ期为PⅡa, PⅡb和PⅡc，MⅢ期为PⅢa）。Ⅲ期细胞经5～8次分裂以后即进入Ⅳ期，从Ⅲ期到Ⅳ期的特异标记物是一个分子量为33kD、半衰期为1.1h的蛋白PⅣa。在体外培养的条件下，Ⅳ期细胞一般经过2周以后进入Ⅴ期，Ⅴ期的特异标记蛋白除PⅣa外还有PⅤa和PⅤb，Ⅴ期在2～3周以后将进入最终阶段-Ⅵ期，Ⅵ期细胞的特异标记蛋白除了PⅤa和PⅤb还有PⅥa, PⅥb, PⅥc 和 PⅥd。从Ⅰ期到Ⅵ期的整个过程中总共有11个特异蛋白依次表达，从这些蛋白的半衰期和分布位置来看，PⅣa蛋白可能在成纤维细胞的分化中主要起调控作用，其他都是结构蛋白。Ⅵ期细胞还能分泌细胞间质胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ及蛋白多糖和其他胞外基质。

    正常情况下，分裂细胞源源不断地分裂、分化，补充老化、凋亡的功能细胞，维持机体的正常功能。研究表明：辐射诱导的成纤维细胞过度提早分化是导致组织出现纤维化的主要原因［4～6］。分裂性的成纤维细胞在受到剂量为1～10Gy的Ｘ射线辐照以后，仅经过3～4次分裂即可在受照后的2～3周提早成为功能性的成纤维细胞，而且这些功能细胞的寿命也比正常情况下的功能细胞缩短了40%～45%，胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ的合成也大为增加。其结果是破坏了分裂细胞和功能细胞的正常平衡关系，使组织产生纤维化的症状，影响机体的正常功能。因此，辐射诱导的纤维化成为外源辐射所引起的后遗症之一，研究其产生机制和防护问题正越来越受到人们的重视。

    2  纤维化是多个细胞因子参与的细胞间相互作用的结果

    随着分子生物学技术的发展，人们逐渐认识到单一靶细胞或靶组织受损的概念已无法解释组织受照射后的一系列动态变化。辐射诱导的纤维化从开始到持续是细胞因子介导的多细胞间相互作用的结果。细胞因子是细胞和组织间通讯的重要信号多肽，可以通过自分泌、旁分泌和内分泌作用于靶细胞膜上的特异受体来调节细胞的功能，刺激或阻止细胞的增殖、分化，并诱导多肽合成，通过基质蛋白调节细胞间的相互作用。已知道辐射诱导的细胞因子有癌基因家族中的c-fos、c-jun 和c-myc，以及白细胞介素（interleukin）IL-1、IL-6，肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor）TNF-α，血小板衍化生长因子 (platelet derived growth factor） PDGF，转化生长因子（transforming growth factor）TGF-β等。这些细胞因子在辐照后的瞬间及几小时甚至长至几个月都有不同程度的表达水平变化，在以后的辐射长期效应中起重要的作用。IL-1、IL-6和TNF-α主要与炎症反应有关；PDGF和TGF-β则主要与辐射引起的纤维化有关［2］。

    目前普遍认为TGF－β是参与辐射诱导的纤维化的主要细胞因子，它影响成纤维细胞的增殖，这可能是纤维化的第一步［7，8］。依赖于TGF－β的细胞分化可以用具中和TGF－β作用的抗体解除［6］。TGF－β1表达缺陷型的成纤维细胞对辐射表现出明显的抗性，辐射诱导的成纤维细胞的分化也明显降低［9］。研究发现经辐照以后，TGF－β1的表达水平在鼠类的肾、肺、皮肤及人成纤维细胞中都有不同程度的提高，TGF－β1 可以诱导细胞周期因子蛋白激酶的抑制因子CDKN1A（p21）的表达，使细胞产生G1期阻滞，进而导致成纤维细胞的分化［1］。IL-1具有减轻辐射损伤的作用［10］。

    Rodemann等［3］用Ⅱ型肺细胞与成纤维细胞共同培养的方法研究了细胞因子TGF－β的作用，发现辐照可以立即引起肺细胞TGF－β1的表达水平提高，TGF－β可以增加成纤维细胞DNA合成，并通过血小板衍化生长因子PDGF加强成纤维细胞的增值，同时诱导具分裂活性的成纤维细胞向功能细胞转化，破坏分裂细胞和功能细胞的比例平衡。TGF－β还可以通过胞外基质中的分子诱导胶原蛋白的合成并阻止胶原蛋白酶的产生，使间质胶原蛋白的含量增加好几倍，进一步导致组织的纤维化。体内的纤维化过程可能更缓慢、更复杂一些，但基本的细胞和分子机制与体外实验是类似的。研究表明：辐射造成的肺损伤可以导致巨噬细胞产生12种以上的生长调节因子，这些因子可以促使成纤维细胞的增加和间质蛋白的合成［11］。辐射诱导的肺组织纤维化是通过细胞间通讯发生在巨噬细胞和成纤维细胞之间的多细胞事件，而TGF-β是主要的参与细胞间通讯的细胞因子。

    Vozenin-Brotons 等的研究发现结缔组织生长因子CTGF(connective tissue growth factor） 和胶原蛋白在辐射诱导的肠纤维化中有重要作用［12］。CTGF 在接受放疗治疗的肠癌病人中的表达有着明显的提高，胶原蛋白含量也有着明显的增加，但TGF－β蛋白的表达水平则仅略有提高。

    综合这些研究结果，辐射诱导的纤维化需要多种细胞因子和胶原蛋白的参与，不同组织的纤维化所需要的细胞因子略有不同。正常组织对辐射的反应从细胞因子发生作用到持续的急性反应和慢性反应，最后到晚期效应的发生，包含不同种类细胞间的多种相互作用，如巨噬细胞、功能细胞、Ⅱ型肺细胞和成纤维细胞由自分泌或旁分泌通过细胞因子而发生的相互作用［1，13］。对于这一系列有细胞因子参与的事件是如何发起的还不是非常清楚。目前主要有两种推测，一种是正常组织中的单核细胞和巨噬细胞在受照射以后产生一些与炎症反应有关的细胞因子如IL-1、IL-6和TNF-α，这些因子再作用于其他的巨噬细胞和淋巴细胞并引起炎症反应。激活的巨噬细胞和基质细胞合成与纤维化有关的细胞因子如PDGF和TGF-β，调节成纤维细胞的增殖和分化及间质蛋白、金属蛋白酶和它们的抑制剂的合成。另一种推测是基质细胞和成纤维细胞在受到照射以后通过转录因子AP-1的作用诱导与纤维化有关的细胞因子表达，或者通过辐射引起的物理化学反应直接激活细胞因子TGF－β1，TGF－β1再与靶细胞膜的受体作用，诱导胞内信号并启动成纤维细胞的细胞分化。对辐射诱导的纤维化的细胞和分子机制做深入的探讨，将有助于放疗和辐射泄漏事故中正常组织的保护措施的研究。

　　3  辐射诱导纤维化的防护研究展望

    随着放射治疗中患者治愈率的提高和生存期的延长，减轻辐射诱导的纤维化研究正成为放疗专家和癌症患者共同追求的目标。目前临床中可以采用先进的物理治疗技术减轻放疗对正常组织的损伤，如分次照射、适形照射。有关单次照射和分次照射的存活效应早有报道并已实际应用于放射治疗［14］。学者们认为，辐照可以导致细胞内产生潜在性致死损伤也就是亚致死损伤，如果给予足够的时间，这种亚致死损伤就有可能被修复。由于这种修复效应的存在，分次照射时的细胞存活率比一次照射时明显提高，组织纤维化反应也较一次受相同剂量照射时的反应为轻［15］。因此分次照射能使正常组织进行亚致死损伤修复和细胞再增殖，这对于正常组织的恢复非常重要。乏氧的肿瘤细胞修复亚致死损伤的能力差，不能逃脱分次照射的杀伤，肿瘤放疗正是利用这种修复，制定出合理的分次照射方案，使之有利于杀死肿瘤细胞并修复正常细胞。放疗中还可以采用γ刀、X刀做肿瘤的适形治疗，通过多角度的照射减少肿瘤周围正常组织的剂量。特别值得一提的是近年新兴起的重离子治癌技术，由于剂量分布在粒子射程的末端形成Bragg 峰而非常适于做肿瘤的适形治疗，可以通过提高肿瘤部位的照射剂量而相应地降低正常组织的受照剂量，这一方法可以有效地加强正常组织的保护，减轻成纤维细胞提早分化造成的组织纤维化等放疗后遗症。

    此外，使用具有防护和增加免疫功能的药物，通过加强机体的防御功能也可以减轻放疗对正常组织的损伤，目前这些研究尚处于探索阶段。国外主要进行的是机制方面的研究，有不少关于采用一些自由基清除剂以增加防护措施的报道［16］。有学者发现酸性黄和一些植物制成的药剂具有一定的辐射防护作用［17，18］，还有的学者提出可以将一些具有抗炎作用的细胞因子用于减轻辐射造成的危害，但目前也只限于动物实验，用于人体还存在一些困难［19］。国内的成都军区总院做了一些复方红景天干预大鼠肝纤维化的实验研究。在他们的实验里，主要用四氯化碳建立肝纤维化模型大鼠［20～22］。另一些研究表明：甘草甜素、氧化苦参碱、大黄素、牛磺酸、虫草菌素等重要成分在抗肝纤维化中有一定的作用［23］。这些研究展现了将祖国的传统医学应用于放疗及辐射防护的广阔前景。随着对辐射诱导的纤维化的细胞和分子机制进一步明了，相信在不久的将来，放疗后遗症防护的研究一定会取得巨大进展。随着与辐射相关的一项项难题的攻克，延长放疗病人的生存期，提高病人的生活质量将会指日可待。

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作者单位：730000 甘肃兰州，中国科学院近代物理研究所