編譯、撰文 | Qi
纖維化（Fibrosis）不是疾病，而是多種類型組織損傷尤其是在慢性炎症性疾病過程中，組織修復反應失調的結局。它可以影響任何器官，以至於在工業化世界中，因纖維化引起的死亡人數佔總死亡人數比例的45%。長期以來，人們一直認為纖維化不可逆，但臨床前模型和臨床試驗均表明，它是一個高度動態變化的過程。當組織受到損傷時，會發生局部成纖維細胞的激活，炎性介質的分泌以及細胞外基質（extracellular matrix, ECM）（例如膠原蛋白和纖連蛋白）的合成，這些變化共同啟動愈傷反應。然而，當損傷是嚴重性或反覆發作時，ECM成分會持續累積進而導致組織結構破壞，器官功能障礙甚至衰竭。
值得注意的是，對胚胎的組織修復研究表明，在傷口出現炎症反應之前，未成熟的組織能夠無疤痕癒合，提示炎症可能是引起纖維化的原因。從遺傳學角度來看，與纖維化相關的特定突變和罕見變體，包括肺纖維化的MUC5B，心臟纖維化的MYH7和杜氏肌營養不良相關骨骼肌纖維化的DMD揭示出抗纖維化靶標以及可用藥物治療的核心通路。此類遺傳學改變表明，非成纖維細胞類型參與了間充質細胞激活的上遊，強調多細胞相互作用在纖維化發病機理中的重要性。然而，儘管我們對纖維化的病理學和分子生物學認知已有長足進步，但在確定假定的抗纖維化靶點以及將這種認識轉化為有效治療之間仍存在鴻溝。
近日，來自美國輝瑞公司全球研究中心的Thomas A. Wynn團隊在Nature雜誌上發表了一篇題為 Fibrosis: from mechanisms to medicines的綜述，在這篇文章中，作者詳細闡述了纖維化關鍵分子機制的最新研究進展，並討論了如何將這些信息轉化為抗纖維化治療的開發策略。
1 纖維化的單細胞基因組學
單細胞多組學方法正在改變我們對疾病發病機理的理解，這項「解析度革命」使得在單細胞水平上無偏見地對細胞狀態和類型探索成為可能，且已被纖維化研究界廣泛採用，從而加深對驅動各器官纖維化的複雜多細胞相互作用的理解。舉例而言，一項針對32例特發性肺纖維化（IPF）患者，18例慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者和29位健康對照個體的312928個肺細胞的研究，鑑定出位於成肌纖維細胞灶邊緣的異常嗜鹼性上皮細胞群富含於IPF患者的肺部。除了對肺纖維化的單細胞研究之外，對超過100000個人類肝細胞進行分析，鑑定出與瘢痕相關的一組巨噬細胞亞群，這些巨噬細胞表達TREM2和CD9，由循環單核細胞分化並具有促纖維化作用，且已證明在肝纖維化中擴張；此外，還定義一群內皮細胞亞群，它們表達與疾病相關的非典型趨化因子受體1（atypical chemokine receptor-1, ACKR1）和質膜囊泡相關蛋白（plasmalemma vesicle-associated protein, PLVAP），且在分布上局限於纖維變性微環境並能增強白細胞的遷移。此外，作者在文章的這一部分也詳細闡明了scRNA-seq在結腸炎，關節炎以及腎臟損傷和纖維化方面的研究進展。
2 成纖維細胞的異質性和可塑性
2.1功能性成纖維細胞的異質性
在器官纖維化過程中，成纖維細胞群內部存在明顯功能異質性。一項命運映射和實時成像的結合實驗表明，筋膜成纖維細胞（fascia fibroblasts）作為成纖維細胞的一個特殊子集，在皮膚受損時可以上升至皮膚表面，如若在皮膚下放置不可滲透膜以阻止筋膜成纖維細胞向表面遷移則會導致慢性開放性傷口出現。
年齡增長被認為是成纖維細胞功能異質性的驅動因素，老年鼠的傷口癒合速度各不相同，scRNA-seq在慢速與快速癒合的老年鼠傷口中鑑定出具有不同細胞因子表達譜的成纖維細胞的不同亞群。這提示伴隨年齡增長，傷口癒合的可變性增加可能反映了個體之間隨機的衰老軌跡，這在為老年人群設計個性化抗纖維化療法時需要加以考慮。
2.2 成纖維細胞可塑性
值得注意的是，所有具有異質性的成纖維細胞能夠在纖維化的進展和消退過程中表現出明顯的可塑性和表型轉換。例如，轉錄因子PU.1（也稱為SPI1）在成纖維細胞極化和纖維生成中發揮主要作用。PU.1既能使靜止的成纖維細胞極化，又能使降解ECM的炎性成纖維細胞重新極化為產生ECM的纖維化表型。此外，PU.1的失活使纖維化的成纖維細胞重新編程為靜止的成纖維細胞，從而導致纖維化的消退。在纖維化過程中，成肌纖維細胞與其他細胞類型之間也具有顯著的譜系間可塑性。在小鼠皮膚傷口癒合期間，脂肪細胞可以從成肌纖維細胞再生，而這種重新編程需要新生毛囊，會觸發骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）信號傳導以及在發育過程中表達的脂肪細胞轉錄因子的激活。
上述研究共同強調了成纖維細胞在器官內部和器官之間的多樣性，功能異質性和可塑性。在不同疾病背景下精確地描述成纖維細胞有助於合理且高度靶向的設計抗纖維化療法，對病理性成纖維細胞亞群進行特異性抑制，消融或重編程，同時保留基本的穩態成纖維細胞功能。
3 間充質細胞的代謝調控
顯而易見的是，參與纖維化進展和消退的細胞在組織修復過程中被重編程以執行不同的功能。在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）驅動的纖維化背景下，肝脂質代謝失調是肝損傷和肝硬化的關鍵驅動因素，局部組織間充質細胞的代謝改變可能會提供未來的治療途徑，包括主要的碳水化合物、胺基酸和脂質代謝途徑。
在組織損傷後，間充質細胞會發生顯著代謝變化，以促進耗能細胞功能包括增殖和蛋白質合成等。成纖維細胞的活化會增加糖酵解酶，如己糖激酶2和乳酸脫氫酶，進而促進細胞增殖和膠原合成。而在增強的糖酵解過程中，進入檸檬酸循環之前，線粒體基質中增加的丙酮酸轉化為乙醯輔酶A，這會產生中間代謝物，例如琥珀酸鹽，同樣可促進纖維化發生。在纖維化過程中，間質細胞還可通過穀氨醯胺水解重編程利用胺基酸代謝的變化。在TGFβ1刺激的成纖維細胞中，穀氨醯胺分解和關鍵酶穀氨醯胺酶的水平增加，這導致穀氨醯胺向穀氨酸的轉化增強，賦予對細胞凋亡的抗性，並通過mTOR信號傳導促進了膠原蛋白的穩定化。已有研究證明在體內，通過抑制穀氨醯胺酶1可改善博來黴素和TGFβ1誘導的肺纖維化。此外，脂肪酸氧化的變化也與纖維發生有關。在小鼠和人類的腎小管間質纖維化中，細胞內脂肪酸氧化被下調，並且其水平恢復可組織纖維化發生。據報導，糖酵解過程被上調以補償腎損傷期間減少的脂肪酸氧化，這可能會導致增強的纖維化進展。
關鍵的代謝途徑，例如糖酵解增加，穀氨醯胺分解上調和脂肪酸氧化增強，可能成為成纖維細胞活化的重要驅動力。靶向這些代謝途徑的藥物尚未作為抗纖維化療法進入臨床。然而，具有已知安全性，靶向代謝途徑的藥物已被批准或正在用於治療癌症的臨床試驗，這增加了人們對它們將來也可以用於治療纖維化疾病的希望。
4 巨噬細胞介導的纖維化調節
炎性單核細胞和組織巨噬細胞是纖維化的關鍵調節劑，在組織損傷的發生，維持和緩解中發揮重要作用。此外，單核細胞和巨噬細胞可經歷顯著的功能可塑性，在傷口癒合過程中表現出不同的表型，當然這取決於多種線索，包括微環境，組織損傷及修復的時間階段等。組織巨噬細胞也是負責募集T細胞和成纖維細胞的趨化因子的重要生產者，以協調纖維化微環境的發育。
4.1單核細胞和巨噬細胞的功能異質性
目前已有幾項研究鑑定出可以調節纖維化和組織重塑的單核細胞亞群。例如，以癌胚抗原相關粘附分子-1（CEACAM1+MSR1+LY6C-F4/80-MAC1+單核細胞）為特徵的非典型單核細胞群，且已被稱為「SatMs（segregated-nucleus-containing atypical monocytes）」，在肺纖維化中起關鍵作用。目前已確定在肺，脂肪，心臟和真皮上保守的兩個獨立的間質巨噬細胞亞群：LYVE1loMHCIIhiCX3CR1hi（LYVE1loMHCIIhi）和LYVE1hiMHCIIloCX3CR1lo（LYVE1hiMHCIIlo）單核細胞衍生的間質巨噬細胞。在誘導型巨噬細胞耗竭的小鼠模型中，LYVE1hiMHCIIlo間質巨噬細胞的缺失加劇了實驗性肺纖維化，從而表明兩個獨立的間質巨噬細胞群體在整個組織中共存，且具有保守的微環境依賴性功能程序。
對單核細胞和巨噬細胞在組織損傷和修復過程中的調節作用的研究主要集中在血液來源的單核細胞和巨噬細胞上。然而，越來越多的證據表明，常駐腔巨噬細胞也是纖維化和組織重塑的關鍵因素。例如，響應於無菌肝損傷，成熟的F4/80hiGATA6+腹膜腔巨噬細胞儲庫可通過跨間皮直接（無血管）募集而迅速侵入肝臟，這些募集的巨噬細胞可分解壞死細胞核，釋放DNA並在損傷部位形成覆蓋物。同樣，在小鼠心肌梗塞後，小鼠心包液中的GATA6+巨噬細胞會侵襲心外膜並失去GATA6表達，但仍具有抗纖維化特性，這種巨噬細胞群體的喪失會增強缺血性損傷後的間質纖維化。在人的心包液中也發現了GATA6+巨噬細胞，提示這種對心包組織區室的免疫心臟保護作用可能與人的類似疾病相關。
4.2巨噬細胞與成纖維細胞的串擾
無論單核細胞和巨噬細胞如何募集到組織損傷區域，纖維化前巨噬細胞通常通過與成纖維細胞的一系列相互作用來協調瘢痕形成，這是纖維化過程中病理性ECM沉積的主要細胞來源。舉例而言，最近已顯示巨噬細胞衍生的雙調蛋白通過整合素-αV介導的TGFβ的活化誘導間充質基質細胞分化為成肌纖維細胞。先前的研究表明，「鄰近性」對於使巨噬細胞和收縮性成纖維細胞之間的相互影響至關重要。然而，截至目前仍不清楚這兩種細胞類型之間如何建立「鄰近性」。一項研究表明，收縮的成纖維細胞在原纖維膠原蛋白基質中產生形變場，從而為巨噬細胞提供物理線索，可以從數百微米的距離向力源遷移，並且在基質內存在動態力源是啟動和引導巨噬細胞遷移所必需的。值得注意的是，與傳統的關於巨噬細胞如何在纖維化組織內遷移的觀點相反，這項研究的作者提出巨噬細胞機械感知其底物的局部移位速度，從而使收縮性成纖維細胞在超過趨化梯度範圍的距離上吸引巨噬細胞。
5 整合素介導的TGFβ活化
細胞周圍纖維化基質是一個非常動態的環境，許多關鍵細胞間和細胞及基質間相互作用是由整合素家族的成員介導。重要的是，整合素可以將空間固定的細胞外信號轉變為多種細胞行為改變，包括細胞粘附，遷移，增殖，分化和凋亡的改變。此外，整合素還可以增強來自可溶性促纖維化生長因子（例如TGFβ1）的信號。TGFβ是主要的促纖維化細胞因子，因此可能作為潛在的抗纖維化靶標。然而，持續的全身性抑制TGFβ1具有強烈副作用，例如TGFβ1敲除小鼠會發展為系統性自身免疫。因此，為避免有害作用，可能需要選擇正確的抑制作用強度或持續時間，共同給藥抗炎療法或通過阻斷整合素和其他局部激活潛在TGFβ1的介質來抑制組織中特定部位的TGFβ1。
基於大量臨床前數據，靶向整合素仍然是纖維化領域非常活躍的研究方向，在臨床試驗中正在評估多種基於小分子和抗體的方法，包括旨在同時選擇性靶向多種含αv的整合素的抑制劑。這包括在肺纖維化中涉及肺纖維化的αvβ6（NCT01371305），αvβ1和αvβ6（NCT04072315）以及αvβ1，αvβ3和αvβ6（NCT03949530）抑制劑的2期試驗。在這些試驗中，患者安全性將是重要的考慮因素，且出於安全考慮，Biogen最近終止了對IPF患者的選擇性抗αvβ6抗體的試驗。
6 細胞因子介導的纖維化調節
除了TGFβ以外，其他多種細胞因子也被認為是纖維化的誘因。例如，IL-17A可以誘導不同器官系統的纖維化，包括肺、肝、腎、心臟和皮膚。在博來黴素誘導的肺纖維化的研究中，γδ和CD4+ T細胞產生的IL-17A引起肺部炎症，中性粒細胞募集和TGFβ1的產生。對缺乏IL-17A或其受體IL-17RA的小鼠進行的實驗以及使用IL-17A中和抗體進行的治療性研究證實，IL-17A信號傳導參與多個組織的纖維化等。Caspase 1，NOD，LRR以及NFκB也被確定為IL-17A–TGFβ軸的重要上遊激活劑。一項相關研究表明，NLRP3炎性小體的持續活化與趨化因子表達增加，嗜中性粒細胞和巨噬細胞募集以及IL-17A和TNF131持續產生有關。總的來說，促纖維化TGFβ信號傳導途徑的激活是由幾種協作機制驅動的，而其中IL-17A具有重要作用。此外，儘管IL-13可以誘導並激活巨噬細胞中的TGFβ，但它也可以部分地直接靶向基質和實質細胞，包括上皮細胞群和產生膠原的成纖維細胞，從而獨立於TGFβ促進纖維化。缺乏IL-13，IL-4R或IL-13Rβ1的小鼠，以及用抗IL-13或IL-4R的中和抗體治療的動物，在多種類型的組織損傷後纖維化減少，證實了2型細胞因子信號傳導在纖維化進程中至關重要。
鑑於可靠的臨床前數據，目前已經在2期試驗中測試了用於肺纖維化，皮膚瘢痕和全身性硬化症的單獨IL-13抑制劑或IL-4和IL-13抑制劑組合。儘管迄今為止的結果大多是陰性或混合的，但在瀰漫性皮膚系統性硬化的24周研究中，針對IL-4和IL-13的雙特異性抗體Romilkimab（SAR156597）確實對改良的Rodnan皮膚評分有顯著影響。
7 微生物組對纖維化的貢獻
腸道微生物種群對於維持腸道健康而言至關重要，然而當健康微生物和致病微生物之間的平衡朝著致病性亞群轉移時，疾病就會隨之而來。其中，微生物共濟失調被認為是炎症性腸病，包括克羅恩氏病和潰瘍性結腸炎在內的發病機理的關鍵驅動力，並有證據表明微生物群與纖維化的發展之間存在密切的聯繫。舉例而言，患有克羅恩氏病的患者攜帶NOD2基因變體，以致狹窄形成的風險增加，而狹窄是腸道纖維化的主要表現。此外，在沙門氏菌誘導結腸炎的小鼠模型中，細菌信號轉接頭分子MyD88的整體缺失減少了腸道纖維化。微生物群驅動的腸纖維化可通過上皮細胞上IL-33受體ST2的誘導或TL1A的促纖維化作用來介導。
由於腸屏障的破壞，細菌及其產物通過腸屏障的轉運在慢性肝病患者中很常見。通過使用抗生素以減少微生物負荷來阻斷小鼠中的TLR4信號傳導且降低肝臟對腸道微生物的暴露，可改善實驗性肝纖維化發生。部分腸道菌群可能在肝纖維化中具有保肝作用，例如，無菌小鼠的肝臟中ECM沉積更高，MyD88和TRIF缺陷小鼠也表現出相同的結果。值得注意的是，TLR4與炎症的病理生理相關性已導致TLR4抑制劑用於治療類風溼關節炎的臨床試驗（NCT03241108）。
展 望
發現與人類纖維化疾病高度相關的關鍵治療靶標以及開發有效抗纖維化治療方法仍然是研究的重點。單細胞多組學技術等新興技術的發展，正在以前所未有的解析度和效率解碼纖維化的細胞和分子機制。然而，儘管在過去幾年中對纖維化發病機理的理解已經取得令人矚目的進展，但仍需要克服多個挑戰才能將這些信息轉化為有效的抗纖維化療法：（1）需要開發預後動物模型和離體原代人體組織培養系統，以更好地將新機制從實驗室進行臨床轉化；（2）患者異質性以及纖維化進程緩慢的事實，使臨床試驗的患者選擇變得困難。因此，需要準確有效的鑑定出纖維化疾病進展預測因子，以將患者分型再將其納入試驗。
與癌症以及病毒性肝炎等領域所取得的重大進展相似，由於纖維化日益被認為是一種高度複雜的疾病，因此未來可能會看到越來越多的臨床試驗測試組合藥物來治療纖維化，這些抗纖維化藥物組合可能會針對多種正交機制，包括一系列受體，信號傳導途徑和已經顯示出在多種疾病狀態下充當纖維化核心驅動力的細胞類型，那麼有效的抗纖維化療法的出現將指日可待。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2938-9