輻射誘導(dǎo)的正常組織纖維化的細(xì)胞和分子機(jī)制

1、輻射誘導(dǎo)的正常組織纖維化的細(xì)胞和分子機(jī)制         【摘要】  正常組織的纖維化是輻射引起的后遺癥之一。纖維化可以發(fā)生在皮膚、肺和肝等部位。本文從細(xì)胞和分子水平論述了近年來有關(guān)輻射誘導(dǎo)的纖維化機(jī)制的最新進(jìn)展，并對纖維化的防護(hù)研究進(jìn)行了展望。 【關(guān)鍵詞】  輻射 纖維化 細(xì)胞因子   【Abstract】Fibrosis of normal tissue is one of the late effects of radiation. It occurs in skin,

2、 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   外源性的輻射可以引起肺、腎、肝和皮膚的實質(zhì)組織產(chǎn)生纖維化的損傷。組織纖維化是最為普遍

3、的腫瘤放射治療的后遺癥之一，輕者影響病人治療后的生活質(zhì)量，重者可導(dǎo)致患者器官功能衰竭引起死亡。輻射誘導(dǎo)的纖維化已成為放療中限制總照射劑量的一個因素1，其產(chǎn)生機(jī)制和防護(hù)研究正成為放療中的熱點。研究表明：輻射誘導(dǎo)的纖維化是一個有多個細(xì)胞因子參與，發(fā)生在多種細(xì)胞間的綜合結(jié)果，最終將導(dǎo)致分裂性的成纖維細(xì)胞提早分化成功能性的成纖維細(xì)胞，并進(jìn)一步造成組織的纖維化2。本文首先從細(xì)胞水平介紹了成纖維細(xì)胞系統(tǒng)及其增殖、分化情況；然后從分子水平分析了由細(xì)胞因子調(diào)控的成纖維細(xì)胞過度分化所導(dǎo)致的纖維化；最后對纖維化的防護(hù)研究方向做了簡單的介紹。1  成纖維細(xì)胞系統(tǒng)   成纖維細(xì)胞(fib

4、roblast）是結(jié)締組織中最常見的細(xì)胞，成纖維細(xì)胞系統(tǒng)的研究結(jié)果主要來源于體外培養(yǎng)的原代和傳代細(xì)胞。目前根據(jù)細(xì)胞的形態(tài)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)標(biāo)記物，把成纖維細(xì)胞系統(tǒng)分為六個時期，其中前三個時期是具分裂活性的成纖維細(xì)胞（Mitotic Fibroblast, 簡稱MF），包括期、期和期；另外三個是分裂后的成纖維細(xì)胞（Post Mitotic Fibroblast, 簡稱PMF），也叫功能性的成纖維細(xì)胞，包括期、期和期3。分裂性成纖維細(xì)胞具有分裂增生的能力，其體積比功能性成纖維細(xì)胞小，核質(zhì)比卻比較大。功能性成纖維細(xì)胞則不再具有分裂增生的能力，細(xì)胞質(zhì)中含有豐富的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、游離核糖體和發(fā)達(dá)的高爾基

5、復(fù)合體，表明它具有合成和分泌蛋白質(zhì)的功能，還可以合成和分泌膠原纖維、彈性纖維、網(wǎng)狀纖維及有機(jī)基質(zhì)。期細(xì)胞在分裂2030次以后進(jìn)入期，期細(xì)胞在分裂1520次以后即可進(jìn)入期。期細(xì)胞主要存在于胚胎中，在體外培養(yǎng)的傳代細(xì)胞中很少見，期和期細(xì)胞都有各自特異的蛋白標(biāo)記物(M期為Pa, Pb和Pc，M期為Pa）。期細(xì)胞經(jīng)58次分裂以后即進(jìn)入期，從期到期的特異標(biāo)記物是一個分子量為33kD、半衰期為1.1h的蛋白Pa。在體外培養(yǎng)的條件下，期細(xì)胞一般經(jīng)過2周以后進(jìn)入期，期的特異標(biāo)記蛋白除Pa外還有Pa和Pb，期在23周以后將進(jìn)入最終階段-期，期細(xì)胞的特異標(biāo)記蛋白除了Pa和Pb還有Pa, Pb, Pc 和 Pd。從

6、期到期的整個過程中總共有11個特異蛋白依次表達(dá)，從這些蛋白的半衰期和分布位置來看，Pa蛋白可能在成纖維細(xì)胞的分化中主要起調(diào)控作用，其他都是結(jié)構(gòu)蛋白。期細(xì)胞還能分泌細(xì)胞間質(zhì)膠原蛋白、和及蛋白多糖和其他胞外基質(zhì)。   正常情況下，分裂細(xì)胞源源不斷地分裂、分化，補(bǔ)充老化、凋亡的功能細(xì)胞，維持機(jī)體的正常功能。研究表明：輻射誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞過度提早分化是導(dǎo)致組織出現(xiàn)纖維化的主要原因46。分裂性的成纖維細(xì)胞在受到劑量為110Gy的射線輻照以后，僅經(jīng)過34次分裂即可在受照后的23周提早成為功能性的成纖維細(xì)胞，而且這些功能細(xì)胞的壽命也比正常情況下的功能細(xì)胞縮短了40%45%，膠原蛋白、和的

7、合成也大為增加。其結(jié)果是破壞了分裂細(xì)胞和功能細(xì)胞的正常平衡關(guān)系，使組織產(chǎn)生纖維化的癥狀，影響機(jī)體的正常功能。因此，輻射誘導(dǎo)的纖維化成為外源輻射所引起的后遺癥之一，研究其產(chǎn)生機(jī)制和防護(hù)問題正越來越受到人們的重視。   2  纖維化是多個細(xì)胞因子參與的細(xì)胞間相互作用的結(jié)果   隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到單一靶細(xì)胞或靶組織受損的概念已無法解釋組織受照射后的一系列動態(tài)變化。輻射誘導(dǎo)的纖維化從開始到持續(xù)是細(xì)胞因子介導(dǎo)的多細(xì)胞間相互作用的結(jié)果。細(xì)胞因子是細(xì)胞和組織間通訊的重要信號多肽，可以通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌作用于靶細(xì)胞膜上的特異受體來

8、調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能，刺激或阻止細(xì)胞的增殖、分化，并誘導(dǎo)多肽合成，通過基質(zhì)蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞間的相互作用。已知道輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞因子有癌基因家族中的c-fos、c-jun 和c-myc，以及白細(xì)胞介素（interleukin）IL-1、IL-6，腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor）TNF-，血小板衍化生長因子 (platelet derived growth factor） PDGF，轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor）TGF-等。這些細(xì)胞因子在輻照后的瞬間及幾小時甚至長至幾個月都有不同程度的表達(dá)水平變化，在以后的輻射長期效應(yīng)中起重要的作用。IL-1、I

9、L-6和TNF-主要與炎癥反應(yīng)有關(guān)；PDGF和TGF-則主要與輻射引起的纖維化有關(guān)2。   目前普遍認(rèn)為TGF是參與輻射誘導(dǎo)的纖維化的主要細(xì)胞因子，它影響成纖維細(xì)胞的增殖，這可能是纖維化的第一步7，8。依賴于TGF的細(xì)胞分化可以用具中和TGF作用的抗體解除6。TGF1表達(dá)缺陷型的成纖維細(xì)胞對輻射表現(xiàn)出明顯的抗性，輻射誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞的分化也明顯降低9。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)輻照以后，TGF1的表達(dá)水平在鼠類的腎、肺、皮膚及人成纖維細(xì)胞中都有不同程度的提高，TGF1 可以誘導(dǎo)細(xì)胞周期因子蛋白激酶的抑制因子CDKN1A（p21）的表達(dá)，使細(xì)胞產(chǎn)生G1期阻滯，進(jìn)而導(dǎo)致成纖維細(xì)胞的分化1。IL

10、-1具有減輕輻射損傷的作用10。   Rodemann等3用型肺細(xì)胞與成纖維細(xì)胞共同培養(yǎng)的方法研究了細(xì)胞因子TGF的作用，發(fā)現(xiàn)輻照可以立即引起肺細(xì)胞TGF1的表達(dá)水平提高，TGF可以增加成纖維細(xì)胞DNA合成，并通過血小板衍化生長因子PDGF加強(qiáng)成纖維細(xì)胞的增值，同時誘導(dǎo)具分裂活性的成纖維細(xì)胞向功能細(xì)胞轉(zhuǎn)化，破壞分裂細(xì)胞和功能細(xì)胞的比例平衡。TGF還可以通過胞外基質(zhì)中的分子誘導(dǎo)膠原蛋白的合成并阻止膠原蛋白酶的產(chǎn)生，使間質(zhì)膠原蛋白的含量增加好幾倍，進(jìn)一步導(dǎo)致組織的纖維化。體內(nèi)的纖維化過程可能更緩慢、更復(fù)雜一些，但基本的細(xì)胞和分子機(jī)制與體外實驗是類似的。研究表明：輻射造成的肺損傷

11、可以導(dǎo)致巨噬細(xì)胞產(chǎn)生12種以上的生長調(diào)節(jié)因子，這些因子可以促使成纖維細(xì)胞的增加和間質(zhì)蛋白的合成11。輻射誘導(dǎo)的肺組織纖維化是通過細(xì)胞間通訊發(fā)生在巨噬細(xì)胞和成纖維細(xì)胞之間的多細(xì)胞事件，而TGF-是主要的參與細(xì)胞間通訊的細(xì)胞因子。   Vozenin-Brotons 等的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)締組織生長因子CTGF(connective tissue growth factor） 和膠原蛋白在輻射誘導(dǎo)的腸纖維化中有重要作用12。CTGF 在接受放療治療的腸癌病人中的表達(dá)有著明顯的提高，膠原蛋白含量也有著明顯的增加，但TGF蛋白的表達(dá)水平則僅略有提高。   綜合這些研究結(jié)

12、果，輻射誘導(dǎo)的纖維化需要多種細(xì)胞因子和膠原蛋白的參與，不同組織的纖維化所需要的細(xì)胞因子略有不同。正常組織對輻射的反應(yīng)從細(xì)胞因子發(fā)生作用到持續(xù)的急性反應(yīng)和慢性反應(yīng)，最后到晚期效應(yīng)的發(fā)生，包含不同種類細(xì)胞間的多種相互作用，如巨噬細(xì)胞、功能細(xì)胞、型肺細(xì)胞和成纖維細(xì)胞由自分泌或旁分泌通過細(xì)胞因子而發(fā)生的相互作用1，13。對于這一系列有細(xì)胞因子參與的事件是如何發(fā)起的還不是非常清楚。目前主要有兩種推測，一種是正常組織中的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在受照射以后產(chǎn)生一些與炎癥反應(yīng)有關(guān)的細(xì)胞因子如IL-1、IL-6和TNF-，這些因子再作用于其他的巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞并引起炎癥反應(yīng)。激活的巨噬細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞合成與纖維化有

13、關(guān)的細(xì)胞因子如PDGF和TGF-，調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的增殖和分化及間質(zhì)蛋白、金屬蛋白酶和它們的抑制劑的合成。另一種推測是基質(zhì)細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在受到照射以后通過轉(zhuǎn)錄因子AP-1的作用誘導(dǎo)與纖維化有關(guān)的細(xì)胞因子表達(dá)，或者通過輻射引起的物理化學(xué)反應(yīng)直接激活細(xì)胞因子TGF1，TGF1再與靶細(xì)胞膜的受體作用，誘導(dǎo)胞內(nèi)信號并啟動成纖維細(xì)胞的細(xì)胞分化。對輻射誘導(dǎo)的纖維化的細(xì)胞和分子機(jī)制做深入的探討，將有助于放療和輻射泄漏事故中正常組織的保護(hù)措施的研究。         3  輻射誘導(dǎo)纖維化的防護(hù)研究展望 

14、0; 隨著放射治療中患者治愈率的提高和生存期的延長，減輕輻射誘導(dǎo)的纖維化研究正成為放療專家和癌癥患者共同追求的目標(biāo)。目前臨床中可以采用先進(jìn)的物理治療技術(shù)減輕放療對正常組織的損傷，如分次照射、適形照射。有關(guān)單次照射和分次照射的存活效應(yīng)早有報道并已實際應(yīng)用于放射治療14。學(xué)者們認(rèn)為，輻照可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生潛在性致死損傷也就是亞致死損傷，如果給予足夠的時間，這種亞致死損傷就有可能被修復(fù)。由于這種修復(fù)效應(yīng)的存在，分次照射時的細(xì)胞存活率比一次照射時明顯提高，組織纖維化反應(yīng)也較一次受相同劑量照射時的反應(yīng)為輕15。因此分次照射能使正常組織進(jìn)行亞致死損傷修復(fù)和細(xì)胞再增殖，這對于正常組織的恢復(fù)非常重要。乏氧的腫

15、瘤細(xì)胞修復(fù)亞致死損傷的能力差，不能逃脫分次照射的殺傷，腫瘤放療正是利用這種修復(fù)，制定出合理的分次照射方案，使之有利于殺死腫瘤細(xì)胞并修復(fù)正常細(xì)胞。放療中還可以采用刀、X刀做腫瘤的適形治療，通過多角度的照射減少腫瘤周圍正常組織的劑量。特別值得一提的是近年新興起的重離子治癌技術(shù)，由于劑量分布在粒子射程的末端形成Bragg 峰而非常適于做腫瘤的適形治療，可以通過提高腫瘤部位的照射劑量而相應(yīng)地降低正常組織的受照劑量，這一方法可以有效地加強(qiáng)正常組織的保護(hù)，減輕成纖維細(xì)胞提早分化造成的組織纖維化等放療后遺癥。   此外，使用具有防護(hù)和增加免疫功能的藥物，通過加強(qiáng)機(jī)體的防御功能也可以減輕放

16、療對正常組織的損傷，目前這些研究尚處于探索階段。國外主要進(jìn)行的是機(jī)制方面的研究，有不少關(guān)于采用一些自由基清除劑以增加防護(hù)措施的報道16。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)酸性黃和一些植物制成的藥劑具有一定的輻射防護(hù)作用17，18，還有的學(xué)者提出可以將一些具有抗炎作用的細(xì)胞因子用于減輕輻射造成的危害，但目前也只限于動物實驗，用于人體還存在一些困難19。國內(nèi)的成都軍區(qū)總院做了一些復(fù)方紅景天干預(yù)大鼠肝纖維化的實驗研究。在他們的實驗里，主要用四氯化碳建立肝纖維化模型大鼠2022。另一些研究表明：甘草甜素、氧化苦參堿、大黃素、?；撬?、蟲草菌素等重要成分在抗肝纖維化中有一定的作用23。這些研究展現(xiàn)了將祖國的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用于放療及輻

17、射防護(hù)的廣闊前景。隨著對輻射誘導(dǎo)的纖維化的細(xì)胞和分子機(jī)制進(jìn)一步明了，相信在不久的將來，放療后遺癥防護(hù)的研究一定會取得巨大進(jìn)展。隨著與輻射相關(guān)的一項項難題的攻克，延長放療病人的生存期，提高病人的生活質(zhì)量將會指日可待。【參考文獻(xiàn)】  1 Anscher MS. The Irreversibility of Radiation-Induced Fibrosis: Fact or Folklore? Journal of Clinical Oncology, 2005, 23(34）:8551-8552.2 Haase O,Rodemann HP. Fibrosis and cytokine

18、 mechanisms: Relevant in hadron therapy? Radiotherapy and Oncology, 2004, 73(2）:S144-S147.3 Rodemann HP, Bamberg M. Cellular basis of radiation-induced fibrosis. Radiotherapy and Oncology,1995,35: 83-90.4 Fournier C, Scholz M, Weyrather WK, et al. Changes of fibrosis-related parameters after high- a

19、nd low-LET irradiation of fibroblasts. INT J Radiat Biol,2001,77(6）:713-722.5 Rodemann HP, Binder A, Burger A, et al. The underlying cellular mechanism of fibrosis. Kidney Int,1996,54, Suppl:S32-36.6 Burger A, Loffler H, Bamberg M,et al. Molecular and cellular basis of radiation fibrosis. Int J Radi

20、at Biol,1998, 73(4）: 401-408.7 Martin M, Lefaix J L, Pinton P, et al. Temporal modulation of TGF- 1 and -actin gene expression in pig skin and muscular fibrosis after ionizing radiation. Radiat. Res,1993,134:63-70.8 Hakenjos L, Bamberg M, Rodemann HP. TGF-1 mediated alterations of rat lung fibroblas

21、t differentiation resulting in the radiation-induced fibrotic phenotype. Int J Radiat Biol,2000,76:503-509.9 Von Pfeil A, Hakenjos L, Herskind C, et al. Irradiated homozygous TGF-1 knockout fibroblasts show enhanced clonogenic survival as compared with TGF-1 wild-type fibroblasts. Int J Radiat Biol,2002,78:331-339.10 Dorie MJ， Bedarida G,Kallman R F. Protection by interleukin-1 against lung toxicity caused by cyclophosphamide and irradiation. Radiat. Res,1991