第2章-细胞基质与疾病

１１第2章细胞外基质与疾病人体是由器官组成的，器官是由组织组成的，组织是由细胞组成的。那么这些不同的细胞是怎样连接在一起，发挥其生命活动呢?将不同的细胞连接在一起，以形成组织、器官的物质基础就是体内无处不在的细胞外基质(ECM，extracellularmatrix)。由胶原(collagen)和非胶原糖蛋白(non-collagenousprotein)构成的细胞外基质，不仅是将各种细胞连接在一起，赋予各种组织、器官的基本结构和形状，也赋予其力学性质。ECM是存在于细胞之间的动态网状结构,主要含有胶原、糖蛋白、蛋白多糖、葡萄糖氨基糖苷、弹力纤维等五大类物质。胶原是ECM中最丰富的结构成分。ECM不仅是网状结构,而且对组织的迁移、分化、增殖等生理过程和炎症、新生血管的形成等病理过程起着重要的作用。近年来的研究表明，人体内的细胞外基质的生物学意义，决不限于物理学作用和性质，而是在人体的发育、细胞分化与移行、信号转导等生理过程和炎症、损伤与修复、免疫应答以及肿瘤转移等病理过程中具有重要的功能和作用。但是，相对于细胞研究来讲，细胞外基质的研究在一定程度上没有受到应有的重视。近年来，细胞外基质的研究已成为细胞生物学与生物学研究中的一个热点，细胞外基质与临床疾病的关系也越来越受到人们的重视。第1节透明质酸与呼吸系统疾病透明质酸(HA)系N-酰葡糖胺与D葡糖醛酸组成的粘多糖,是细胞外基质(ECM)的重要组成部分。肺脏富含HA,它由间质细胞特别是成纤维细胞合成,然后通过淋巴循环入血。现代医学研究表明,HA在肺ECM中具有多种重要功能：它具有水合作用,维持内环境的稳定,维持细胞的结构和功能,调节炎症反应,影响组织的修复及重构,以及在各种呼吸系统疾病中保护肺组织免受损伤,因此HA日益受到呼吸界学者的重视。一、内源性HA与肺疾病1肺纤维化肺纤维化以肺内成纤维细胞增殖和ECM在肺组织内过多沉积为其特征,因此HA是反映肺纤维化的一个较好的指标。王佑娟等采用放射免疫分析法测定肺纤维化患者和人血清HA含量,结果肺纤维化患者的血清HA含量明显高于正常人,表明肺纤维化患者的血清HA水平增高,其增高程度与肺功能损害程度密切相关,故监测血清HA水平能反映临床病变的轻重程度及预后。2慢性阻塞性肺疾病(COPD)１２慢性气道炎症是COPD的重要特征,而HA是COPD敏感的炎症标志物,英国学者DentenerMA检测COPD患者痰液中的HA平均为234ng/ml明显高于正常对照组66ng/ml，组间比较有统计学意义。故HA测定对COPD病情判定有一定实用价值,并能早期发现继发性肺纤维化。3支气管哮喘支气管哮喘(以下简称哮喘)是一种慢性气道炎症性疾病，是由肥大细胞、嗜酸性粒细胞和T淋巴细胞等多种细胞参与发病的气道变应性炎症。李庆、马云宝对哮喘患者血清HA进行检测,结果表明发作期血清水平显著升高(P＜0.01),病情缓解后,其水平显著下降,但仍高于正常对照组(＜0·05)。其升高的原因可能为：⑴由于哮喘主要是由IgE介导的Ⅰ型变态反应,可刺激免疫活性细胞(如浆细胞、巨噬细胞)增殖,同时炎症可促进成纤维细胞增殖，HA合成增多。⑵因哮喘时呼气困难,晚期血中二氧化碳堆积，pH值下降,直接影响特异降解酶的活性,使HA的降解代谢速率减低。国外学者用免疫化学的方法证实在气道中HA和versican(蛋白聚糖分子中的一种)位于平滑肌束中和平滑肌束周围,在哮喘患者的气道壁基质中,平滑肌束周围versican和HA沉积显著增多,这是气道黏膜下层体积增加的主要因素之一,导致的后果是加重哮喘的气道狭窄。因此,清除气道细胞外基质的沉积是支气管哮喘治疗的一条新思路。4肺结核肺结核病变的发生发展与结缔组织的代谢有着密切关系,肺结核反复发作,可使细胞外基质过度沉积,形成纤维化。姜全心等对肺结核患者血清HA检测分析,结果表明较正常人显著升高,且升高程度与肺部病变范围的大小有关,病变广泛者显著高于局限者。李清泉等对肺结核患者分组进一步研究,得出如下结论:浸润型肺结核活动期和慢性纤维空洞型肺结核血清HA较正常对照显著升高,尤以慢性纤维空洞型肺结核升高为著,浸润型肺结核稳定期与正常对照组比较无显著性差异。5肺癌最新的研究表明HA在调节细胞内活动方面也起着重要的作用。CD44是细胞表面最重要的透明质酸受体,是与HA结合的主要部位。现已知CD44可选择性地与多种癌基因信号转导分子或(和)细胞骨架蛋白结合,是促进肿瘤细胞异常移动的关键步骤之一。HA通过与CD44相互作用而促进细胞移动,诱导信号转导,进而促进肿瘤发生发展。胡连才等对肺癌患者血清HA进行检测发现晚期肺癌与早期肺癌血清HA值有显著性差异,两者均高于正常对照组,说明血清HA含量的改变与肿瘤的负荷程度、分期相一致,这对良恶性肿瘤的鉴别、病情估计及预后判断有重要意义。１３二、外源性HA在呼吸科临床的应用研究国外有学者通过动物实验证实雾化吸入HA可治疗肺气肿及COPD。原因可能为HA结合在肺的弹性纤维上,能保护其免受弹性蛋白酶的直接破坏作用,进而防止肺泡的破坏。PetrigniG等则应用HA气雾剂来治疗哮喘,结果发现HA能缓解哮喘患者的气道痉挛,降低气道高反应性,机理可能与哮喘病人的气道基质缺陷有关。基于HA对癌基因信号转导的调节作用,有学者应用HA来治疗肺癌,结果发现HA对肺原发癌及转移癌均有抑制作用。此外,另有学者应用HA来保护、治疗肺损伤,也取得了满意的结果,在此不一一赘述。三、结语肺脏是人体最易受损伤的器官之一,从广义上讲,大气污染、微生物感染、机体的免疫反应或过敏反应、以及一切可以引起肺缺血、乏氧的疾病都可引起肺损伤。肺损伤发生后有转化生长因子、血小板源性生长因子、白细胞介素等多种细胞因子释放,形成复杂的因子网络,介导炎症反应,这些细胞因子尤其是转化生长因子还可促进成纤维细胞增殖和ECM的沉积,进而引起HA的分泌增多,开始发挥其多种生物学功能,抑制炎症反应,保护肺组织。因此，HA与肺关系极为密切。第2节细胞外基质与肝纤维化肝纤维化（Fibrosis）是指肝脏纤维结缔组织的过度沉积，是纤维增生（Fibrogenesis，即细胞外基质合成增加）和纤维分解（Fibrolysis，即细胞外基质降解）不平衡的结果。纤维增生是机体对于损伤的一种修复反应，一旦有害因素去除、细胞外基质成分得到恢复则纤维增生停止。所以急性或一过性肝脏疾患即使很严重也不会导致肝纤维化。但各种病因所致反复或持续的慢性肝实质炎症、坏死可导致肝脏持续不断的纤维增生而形成肝纤维化，向前发展发生肝小叶结构的破坏及结节形成即成为肝硬化。从肝硬化的病理学的定义来看，仅有弥漫性肝纤维化而无结节形成（如先天性肝纤维化，心力衰竭所致的肝腺泡第三区纤维化）不能称为肝硬化；仅有结节形成而无弥漫性肝纤维化（如局灶性结节性肝细胞增生，结节性肝细胞再生性增生）也不是肝硬化。但是从许多慢性肝病，特别是慢性病毒性肝炎的临床及病理演变来看，肝纤维化和肝硬化是连续的发展过程，二者难以截然分开。近年来随着细胞生物学和分子生物学的迅速发展，人们对肝脏细胞外基质的组成、代谢及其生物学功能的认识不断深入，因而对肝纤维化的发生机理、诊断和治疗的研究也有了较大的进展。一、细胞外基质的组成及其代谢和生物学功能细胞外基质一般包括胶原、非胶原糖蛋白、蛋白多糖及弹性硬蛋白。按照最新的观点，１４ECM还应包括间质金属蛋白酶（MMP），金属蛋白酶组织抑制物（TIMP），基质粘附分子（即细胞外基质受体），以及与间质成分大分子结合的各种生长因子和细胞因子。现在认为ECM不是杂乱无章、仅起支架作用的静态物质，而是组织有序、代谢活跃，且对细胞、组织和器官的形态、生长、分化和代谢等结构和功能有重要影响的生命分子。㈠胶原（Collagen）胶原是细胞外基质的最重要成分，目前已发现至少19型基因序列不同的胶原。在肝脏总含量较高的有5型，分别为Ⅰ型33%，Ⅲ型33%，Ⅳ型1%，Ⅴ型1%～10%，Ⅵ型0.1%～1%。正常人肝脏的胶原含量约为5.5mg/g肝湿重，Ⅰ/Ⅲ型胶原的比为1:1；肝纤维化和肝硬化时肝脏胶原含量可增加数倍，且Ⅰ/Ⅲ型的比值增加，到后期此比例可增至2.38。根据胶原的形态和结构特点及分布部位，可分为两大类：①纤维性胶原：包括Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型，Ⅴ型胶原：去除C端肽后分布于血窦周围和门脉区，作为核心使Ⅰ、Ⅲ型胶原形成粗大的纤维。Ⅵ型胶原呈串珠样结构分布于Ⅰ、Ⅲ和Ⅴ型胶原形成的纤维束之间起粘附作用。②基底膜性胶原：即Ⅳ型胶原，它的端肽不去除而是借此相连形成三维网格状结构，主要分布于肝血窦内皮下，为肝细胞和内皮细胞功能基底膜的主要成份。胶原的合成步骤包括基因转录、翻译、翻译后修饰（羟基化和糖基化）形成α肽链，三条α链形成三螺旋即胶原的基本单位-前胶原（Precollagen），经微管排泌到细胞外切去N端和C端肽后相互交联形成胶原纤维或网格状结构。㈡非胶原糖蛋白（NoncollagenousGlycoproteins）是细胞外基质的另一重要组分，其分子中的多个功能区可与其他细胞外基质及多种细胞膜的跨膜蛋白受体结合，从而影响细胞的生长、分化、代谢等各种生物学行为。其种类很多，现择要列举如下：⒈纤维连结蛋白质（Fibronectin）可分为血浆性（可溶性）和细胞性（不溶性），前者主要由肝细胞产生，后者主要由贮脂细胞、巨噬细胞及血管内皮细胞产生。在肝纤维化早期其含量增多，作为以后胶原沉积的支架。⒉层连蛋白（Laminin）是由三个亚单位（一条α链和两链β链）组成的“十”字型结构，其分子内部有可与细胞表面受体和肝素结合的功能区。它和Ⅳ型胶原一起构成基底膜的主要成份，分布于血管、胆管基底膜上，肝血窦内皮下亦有少量分布，这对于维持细胞的分化状态有重要意义。⒊细胞粘合素（Tenascins,Cytotactin,Bronionectin,Hexabronchions）１５是由6个相同的亚单位组成的六聚体，由贮脂细胞产生。肝纤维化时沉积于细胞损伤严重的区域，如中央静脉周围和细的纤维间隔中，可能在早期ECM的沉积中起作用。⒋粗纤维调节素（Undulin）由3个亚基组成，其单体和层连蛋白相似，但少一个短臂，主要分别于紧密排列的Ⅰ、Ⅲ型胶原纤维中，它对维持胶原的超分子结构起重要作用，其细胞来源尚不明了。⒌血栓粘合素（Thrombospondin）由3个相同亚基的末端在中央形成一个小球体，能结合肝素、Ⅴ型胶原、纤维连结蛋白、血浆纤溶酶原和纤维蛋白原。其功能是防止细胞扩散。⒍副纤维连接蛋白（Vitronection，VN）由肝细胞产生，其分布与纤维连接蛋白相似，具有结合胶原的功能。肝硬化时分布于胶原纤维沉积的部位。血浆VN水平和肝纤维化程度有一定的相关性。⒎副层连蛋白（Entactin，Nidogen）呈不对称哑铃形，它可与层连蛋白中心部位特异性以共价键结合，从而调节后者与其受体的结合。其分布和层连蛋白的单位相似，主要分布于基底膜。㈢蛋白多糖（Proteoglycan）蛋白多糖是一类由蛋白质作核心骨架，在N或O位上连有糖胺聚糖（Glycosaminoglycan，GAG）侧链的大分子物质，它们与胶原一起分布于细胞外基质和基底膜上，同时也分布于细胞膜上。其糖胺多糖可分为硫酸乙酰肝素（HeparanSulfate）、硫酸皮肤素（DermatanSulfate）、硫酸软骨素（ChondroitinSulfate）及硫酸角质素（KeratanSulfate）。正常肝脏中硫酸乙酰肝素含量最多，占肝脏总GAG的60%；肝纤维化时其含量下降，而硫酸皮肤素和硫酸软骨素的含量增加。透明质酸（HyaluronicAcid）是一特殊的多糖，未经硫化亦不含蛋白骨架。近年已将许多蛋白多糖核心蛋白的cDNA克隆出来，对其生物学功能的了解也日趋深入。根据其分布不同大体可将蛋白多糖分为两类。与肝纤维化的关系尚不清楚。㈣细胞-间质粘附分子（Cell-MatrixAdhensionMolecules）细胞和细胞外基质成份之间的分子相互作用是通过特定的质膜蛋白即各种粘附分子来实现的。一些在其他上皮细胞