NRF2通路在炎症性肠病肠纤维化中的研究进展.pdf

第一作者简介:海双双,硕士,研究方向:炎症性肠病发病机制及治疗。E-mail:haiss0517 通讯作者:刘维新,博士,教授,主任医师,硕士生导师,研究方向:炎症性肠病发病机制及治疗。E-mail:weixinliu6558 doi:10.3969/j.issn.1006-5709.2023.10.023NRF2 通路在炎症性肠病肠纤维化中的研究进展海双双,刘维新,张慧玲,袁琳琳,李冬,彭娜中国医科大学附属第一医院消化内科,辽宁 沈阳 110000【摘要】核因子红细胞 2 相关因子 2(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,NRF2)是一种应激反应性转录因子,参与激活多种基因的表达,在维持细胞氧化还原稳态方面发挥重要作用,参与调节细胞外基质成分的产生,在多种器官中发挥抗炎抗纤维化作用。炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)是一种慢性、易复发的肠道炎性疾病,具有发展为肠纤维化和结直肠癌等严重并发症的高风险。关于 IBD 肠纤维化的发生进展与 NRF2 的关系已经在许多研究中报道,有关 NRF2 调控的干预措施有望成为治疗 IBD及肠纤维化的潜在靶点。因此,NRF2 与 IBD 肠纤维化的关系值得进一步探讨。【关键词】炎症性肠病;肠纤维化;NRF2;氧化应激中图分类号:R574文献标识码:A文章编号:1006-5709(2023)10-1190-05收稿日期:2022-10-12Progress of NRF2 in inflammatory bowel disease-associated intestinal fibrosisHAI Shuangshuang,LIU Weixin,ZHANG Huiling,YUAN Linlin,LI Dong,PENG NaDepartment of Gastroenterology,the First Hospital of China Medical University,Shenyang 110000,China【Abstract】The nuclear factor erythroid-2 related factor 2 (NRF2)is a stress-responsive transcription factor involved in activating the expression of multiple genes and plays an important role in the maintenance of cellular redox homeosta-sis.It is involved in the regulation of extracellular matrix production and plays an anti-fibrotic role in a variety of organs.Inflammatory bowel disease(IBD)is a chronic,relapsing intestinal inflammatory disease with a high risk of developing serious complications such as intestinal fibrosis and colorectal cancer.The relationship between the development and progression of IBD-associated intestinal fibrosis and NRF2 has been reported in many studies,and interventions related to the regulation of NRF2 are promising as potential targets for the treatment of IBD and associated intestinal fibrosis.Therefore,the relationship between NRF2 and IBD-associated intestinal fibrosis deserves further discussion.【Key words】Inflammatory bowel disease;Intestinal fibrosis;NRF2;Oxidative stress炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)为基因易感个体在环境因素作用下发生肠道微生态紊乱、免疫功能失调、肠屏障损伤而诱发的慢性非特异性炎性疾病,包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)和克罗恩病(Crohns disease,CD)。IBD 易复发迁延且并发症多见,具有发展为肠纤维化和结直肠癌的高风险。肠纤维化是 CD 最具威胁性的并发症之一,超过 50%的患者由于纤维狭窄发展为穿透性或狭窄性病变1。UC 一直被认为是一种非纤维化或最小纤维化的黏膜性疾病,但近些年的证据表明,纤维化可以发生在急性和慢性 UC 中,存在于所有结肠节段,与炎症的严重程度相关2。在无可靠的生物标志物、非侵入性诊断工具的情况下,通常在纤维化过程已经不完全可逆时才诊断出狭窄,最终需要手术干预,增加医疗负担3。在 CD 患者中,多达 80%的患者需要进行肠道手术,超过 10%的患者需要进行永久性造口;在 UC 患者中,10%30%的患者需要进行结肠切除术1。目前已经进行了一些临床前研究,但尚无临床上可行的治疗方法来预防或逆转纤维化。核因子红细胞 2 相关因子 2(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,NRF2)与IBD 肠纤维化和癌变关系密切,以 NRF2 信号通路为靶点的治疗药物被广泛研究。本文就 NRF2 信号通路在 IBD 肠纤维化中的研究进展作一综述。1IBD 肠纤维化的主要机制纤维化是一种修复性或反应性过程,其主要特征是损伤发生后过量纤维结缔组织在细胞外基质(extra-cellular matrix,ECM)中形成和沉积,导致几乎所有组织和器官的进行性结构重塑。从机制上讲,纤维化反应包含与正常伤口愈合反应相同的机制。伤口愈合反应几乎可以在任何人体组织中由感染、自身免疫反应、物理、化学和机械损伤触发4。当组织受伤时,局部组织成纤维细胞被激活并增加其收缩力、炎症介质的分泌和 ECM 成分的合成。当损伤较小或不重复时,伤口愈合是有效的,仅导致 ECM 成分沉积的短暂增加并促进功能性组织结构的恢复。而当损伤严重或不断重0911胃肠病学和肝病学杂志2023 年 10 月第 32 卷第 10 期Chin J Gastroenterol Hepatol,Oct 2023,Vol.32,No.10复时,纤维发生不受控制且持续存在,便可成为一种病理过程,ECM 成分持续积累,可能导致组织结构破坏、器官功能障碍等5。因此,纤维发生涉及促进 ECM 蛋白的生物合成、沉积和降解的因素之间的相互作用,是一个动态过程,受基质金属蛋白酶(matrix metallopro-teinases,MMPs)和金属蛋白酶组织抑制剂(tissue in-hibitors of metalloproteinases,TIMPs)平衡的调节,这种平衡在肠纤维化中失调。纤维化的基本过程包括细胞损伤、TGF-1 的产生、炎性细胞的募集、活性氧(reac-tive oxygen species,ROS)的释放以及肌成纤维细胞和胶原蛋白生成细胞的活化6。肠纤维化的特征在于肠壁层的 ECM 和细胞组成发生改变,机制复杂,包括炎症和非炎症途径,可以解释在大多数具有 IBD 纤维化表现的个体中抗炎治疗的无效性。除了炎症刺激之外,其 他 独 立 的 细 胞 或 分 子 元 素 可 能 会 驱 动 纤 维化7,从而产生一种特定于胃肠道的异质情况,并使该部位的纤维化疾病比其他部位的纤维化疾病复杂得多。迄今为止进行的研究表明,间充质细胞(尤其是肌成 纤 维 细 胞)、细 胞 因 子(TGF-1)、非 肽 介 质、miRNA、肠道微生物组、基质硬度、肠系膜脂肪细胞等均发挥了相 关的致病作 用。通过 激 活 的 间 充 质 细胞8驱动富含胶原蛋白的 ECM 沉积增加的信号,以及细胞因子、趋化因子和其他分子协调与肠纤维化相关的促炎性肠环境9。肠道狭窄是慢性透壁炎症和伤口愈合失调的最终结果。在 CD 中,狭窄的分布和频率与炎症部位和肠直径有关。在 UC 中,狭窄的发展似乎与疾病持续时间和溃疡大小有关10。2NRF2 概述2.1NRF2 基本结构和激活NRF2 是一种应激反应性转录因子,来自 CapnCollar(CNC)家族的基本亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZip),与细胞稳态有关。NRF2 的 结 构 被 分 解 为 7 个 NRF2-ECH 同 源 域(Neh1 Neh7)。Neh 结构域介导特定的蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA 相互作用,从而微调由 NRF2 控制的氧化/外源性应激信号11。非应激稳态时,负性调节因子 Kelch 样 ECH 相关蛋白 1(Kelch-like-ECH-associated protein 1,KEAP1)在胞质与 Neh2 结合,并通过 CUL3-RING-box 1(RBX1)E3 泛素连接酶复合物诱导 NRF2 持续泛素化和降解,使其维持较低的表达水平12-13。应激或存在亲电试剂、ROS、毒素的情况下KEAP1 反应性半胱氨酸残基被氧化导致构象改变,从而削弱 NRF2 的降解并从头开始积累14。稳态化的NRF2 转位进入细胞核内,Neh1 介导与蛋白质小肌肉腱膜纤维肉瘤(small musculoaponeurotic fibrosarcoma,sMaf)的异二聚化,NRF2-Maf 二聚体结合靶基因启动子区的抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE),诱导靶基因转录。2.2 NRF2-KEAP1/ARE 通 路 的 功 能 NRF2-KEAP1/ARE 通路在维持细胞氧化还原稳态方面发挥重要作用。参与激活多种基因的表达,包括解毒酶、应激反应蛋白和反应蛋白氧清除酶、超氧化物歧化酶,调节氧化还原稳态、药物代谢、能量代谢、铁代谢、氨基酸代谢、增殖、自噬、蛋白酶体降解、DNA 修复和线粒体生理学,同时亦与许多肿瘤、炎性疾病、神经退行性疾病密切相关15-16。NRF2 可以抑制多种小鼠模型中的免疫反应,在 M1 巨噬细胞中,NRF2 通过阻断 IL-6 和IL-1 的转录来抑制促炎细胞因子17-18。NRF2-KEAP1信号通过使线粒体功能正常化、恢复氧化还原稳态,减轻类风湿性关节炎、哮喘、肺气肿、胃炎和动脉粥样硬化等 疾 病 中 的 急、慢 性 炎 症,抑 制 炎 症 介 质 的 产生19-21。特别是在炎症过程的早期阶段,NRF2 通路似乎能抑制促炎分子如细胞因子、趋化因子、细胞黏附蛋白、MMPs、环氧合酶-2 和前列腺素的产生22-24。在整体稳态下 NRF2 的缺失影响很小,但在细胞毒性应激的情况下,具有明显的组织特异性活性和下游生物学效应,已成为新型治疗靶点。3NRF2 与 IBD 肠纤维化ROS 的形成是炎症和纤维化的关键驱动因素。不受 控 制 的 ROS 产 生 和 氧 化 应 激 会 导 致 细 胞 损伤25,NRF2 激活能显著抑制 ROS 产生,减轻炎症反应,改善肠上皮细胞氧化还原和炎症状态。葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium,DSS)诱导的 NRF2-/-小鼠的脂质过氧化和氧化损伤明显高于野生型小鼠,结肠明显缩短,更容易出现直肠出血,产生更强烈的组织学变化、隐窝缩小和炎症细胞浸润,以及促炎细胞因子水平升高和抗氧化酶的含量降低26。IBD 患者体内往往会出现细胞自噬功能低下;自噬缺陷增加了由线粒体紊乱引起的 ROS 产生从而激活 NRF2/KEAP1/血红素加 氧 酶 1(hemeoxygenase-1,HO-1)通 路27,由 此NRF2 可与自噬交叉调控肠道氧化应激来维持肠道屏障正常功能。NF-B 引起 促炎介质如 IL-6、TNF-、iNOS、IL-1 的转录,在 IBD 的发生发展中发挥重要作用,NRF2 与 NF-B 相 互 串 扰 调 节 炎 症 并 促 进 消退28。还有研究显示,NRF2 能抑制 NLRP3 炎性体的产生来预防结肠炎29。由此可见,NRF2 能通过多种途径对 IBD 的发生发展发挥有益作用。NRF2 参与调节 ECM 成分的产生,在多种器官中发挥抗纤维化作用,且此种保护作用与纤维化经典通路 TGF-1/Smads 密切相关30-31。TGF-1 是激活间充质细胞的重要纤维发生介质,使胶原蛋白、纤连蛋1911胃肠病学和肝病学杂志2023 年 10 月第 32 卷第 10 期Chin J Gastroenterol Hepatol,Oct 2023,Vol.32,No.10白、层黏连蛋白等表达增加,通过 Smad2/3 分子途径和 MMP/TIMPs 的调节促进 CD 患者纤维狭窄黏膜中的胶原合成和成纤维细胞收缩32-33。TGF-1 在多种细胞类型中诱导 NADPH 氧化酶 4(NADPH oxidase4,NOX4)表达来促进 ROS 形成,反过来 ROS 增加会导致蛋白水解激活和不同器官中 TGF-1 的表达升高,在纤维化发生中发挥重要作用34-35。在 2,4,6-三硝基苯磺酸(trinitrobrnzen sulfonic acid,TNBS)诱导的结肠炎模 型 和 siNRF2 预 处 理 的 人 肠 成 纤 维 细 胞 中,NRF2 激动剂四丁基对苯二 酚可以降 低 TGF-1 和ROS 水平,通过抑制 TGF-1/Smads 轴减轻小鼠结肠炎、阻止肠成纤维细胞依赖 TGF-1 转化为肌成纤维细胞36-37,可见 NRF2 在体内外均可通过 ROS/TGF-1/Smads 通路抑制肠纤维化。4靶向 NRF2 治疗 IBD 肠纤维化的研究进展NRF2 与 IBD 的发生发展、肠纤维化、结直肠癌联系紧密。越来越多的证据显示出 NRF2 激活剂富马酸二甲酯(dimethyl fumarate,DMF)在实验性结肠炎中的有益作用,通过激活 NRF2,导致线粒体 ROS 生成和线粒体 DNA 释放减少,随后抑制 NLRP3 炎性体激活,减轻结肠损伤38。IBD 常用治疗药物 5-氨基水杨酸(5-aminosalicylic acid,5-ASA)的 作 用 机 制 与 NRF2-KEAP1 轴活性有关,5-ASA 很容易被一种在肠道炎症中产 生 的 强 氧 化 剂 HOCl 氧 化,氧 化 5-ASA 激 活NRF2,而 5-ASA 本身无效。这表明 NRF2 途径参与了5-ASA 的抗炎药理学,可能只是在炎症状态下发挥作用39。2 型糖尿病的常用药物二甲双胍,可改善微生物平衡、维持肠道屏障完整性,预防 DSS 诱导的结肠炎。最近的研究显示,二甲双胍可能通过抑制 TGF-1/Smad3 通路在体内对 TNBS 或 DSS 诱导的肠道纤维化具有保护作用,抑制结肠成纤维细胞的活化和胶原合成,为二甲双胍有望成为一种新的治疗肠纤维化的药物提供了证据40。尽 管二甲双胍 主要是激活AMP 活 化 蛋 白 激 酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)产生作用,但也显示出对 NRF2/KEAP1 轴及其效应器的影响。心血管疾病中的常见药物血管紧张素受体阻滞剂(沙坦类药物,ARB)能够显著降低DSS 和乙酸诱导的大鼠结肠炎中的结肠损伤,降低促炎细胞因子(IL-6、IL-1、TGF-、TNF-)水平,上调抗炎细胞因子 IL-10,增加 NRF2 靶基因的表达,并减少炎症诱导剂对 NRF2 表达的影响41。肾素-血管紧张素系统在人结肠肌成纤维细胞培养中介导纤维化,在肠道中表达,并在肠道炎症中受到干扰,该系统失衡可能导致炎症和纤维化,可能成为新的肠纤维化治疗靶点42。在 DSS 诱导的小鼠慢性结肠炎模型中,HO-1 和NRF2 蛋 白 表 达 水 平 显 著 降 低;五 谷 虫(maggot ex-tracts,ME)通 过 上 调 NRF2 的 表 达,抑 制 TGF-1/Smads 通路,且显著上调 MMP3 的表达,来减轻慢性结肠炎中的肠纤维化;应用 ML385(NRF2 抑制剂)可以拮抗 ME 对慢性结 肠炎引起的肠 纤维化的抑 制作用43。壳三糖(chitotriose,COS3)通过激活 NRF2 增强了 TNBS 处理的 SD 大鼠结肠组织的抗氧化能力,使上皮细胞、巨噬细胞和成纤维细胞的氧化应激反应减少,降低了 TNBS 诱导的 MMP-9 和 TIMP-1 的上调,将MMP-9 与 TIMP-1 的比率维持在对照水平,减少了受影响结肠中胶原蛋白 I 和-SMA 的组织表达,防止了炎症和纤维化的发展44。小檗碱可改善 DSS 诱导的结肠炎症状,减轻炎性标志物表达,并以剂量-时间依赖方式活化人结直肠腺癌细胞株 Caco-2 的 NRF2 基因,提示 NRF2 上调可能与小檗碱治疗 IBD 的机制有关。其他天然化合物如高良姜黄素、夹竹桃麻素、吴茱萸次碱等均能通过 NRF2 信号通路缓解实验性结肠炎的炎症程度和纤维化45-46。上述研究证实 NRF2 信号通路参与 IBD 及肠纤维化的发生发展,其机制可能是通过抑制 TGF-1/Smads通路,调节 MMPs 与 TIMPs 之间的平衡,减少 ECM 的生成和沉积,抑制炎症途径,与多条通路相互串扰等多方面发挥作用。因此,在 IBD 早期阶段用 NRF2 激活剂维持其稳定水平或能限制 IBD 进展以及并发症的形成。靶向 NRF2 信号通路可能成为治疗炎症相关肠纤维化的新选择,但相关研究目前仅限于实验研究阶段,其在临床治疗中的有效性和安全性有待证实。5总结和展望肠纤维化作为 IBD 的严重并发症,危害患者身心健康,且目前临床上尚无可行的治疗方法来预防或逆转纤维化,因此限制 IBD 进展以及肠纤维化、肿瘤等并发症的发生至关重要。NRF2/KEAP1 通路在胃肠道发育和维持其正常功能中起着关键作用。它似乎也是预防 IBD 及其严重并发症的候选治疗靶点。临床和实验研究表明,NRF2/KEAP1 通路直接参与 IBD 的发展,但以 NRF2为中心的具体信号通路尚未完全阐明,并且 NRF2 在肿瘤晚期可加速肿瘤进展、促进转移,因此需在疾病的不同发展阶段严格调控该分子水平。未来的研究需要阐明 NRF2/KEAP1 通路和靶向 NRF2 的潜在药物在预防或治疗 IBD 慢性并发症中的复杂作用,或能为IBD 及并发症的治疗提供一条新途径。参考文献1 Cosnes J,Gower-Rousseau C,Seksik P,et al.Epidemiology and nat-2911胃肠病学和肝病学杂志2023 年 10 月第 32 卷第 10 期Chin J Gastroenterol Hepatol,Oct 2023,Vol.32,No.10ural history of inflammatory bowel diseases J.Gastroenterology,2011,140(6):1785-1794.DOI:10.1053/j.gastro.2011.01.055.2 de Bruyn JR,Meijer SL,Wildenberg ME,et al.Development of fibro-sis in acute and longstanding ulcerative colitis J.J Crohns Colitis,2015,9(11):966-972.DOI:10.1093/ecco-jcc/jjv133.3 Kaplan GG.The global burden of IBD:from 2015 to 2025 J.Nat Rev Gastroenterol Hepatol,2015,12(12):720-727.DOI:10.1038/nrgastro.2015.150.4 Henderson NC,Rieder F,Wynn TA.Fibrosis:from mechanisms to medicines J.Nature,2020,587(7835):555-566.DOI:10.1038/s41586-020-2938-9.5 Pakshir P,Hinz B.The big five in fibrosis:macrophages,myofibro-blasts,matrix,mechanics,and miscommunication J.Matrix Biol,2018,68-69:81-93.DOI:10.1016/j.matbio.2018.01.019.6 Niwa H,Kanno Y,Shu E,Seishima 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