第六节 肺泡表面活性物质代谢和功能
肺泡表面活性物质功能异常在间质性肺疾病发病过程中发挥了重要作用［1］。肺泡表面活性物质代谢异常、肺泡发育异常，引起肺泡表面活性物质功能异常，如肺泡表面活性物质分泌减少、结构、组装、转运、回收和降解异常等，累积肺间质。肺泡表面活性物质功能异常相关基因突变的发现对诊断及治疗肺间质病变有积极作用。
一、肺泡表面活性物质代谢
肺表面活性物质是由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成的复杂的磷脂蛋白复合物，它的结构在不同种属间非常类似，包括70%～80%磷脂、10%蛋白质和约10%中性脂质，磷脂的主要成分是磷脂酰胆碱，其中二饱和酯酰卵磷脂占大约40%，是最重要的表面活性磷脂，此外还有其他的磷脂形式，如磷脂酰甘油、磷脂酰肌酐、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和鞘磷脂磷酸二酯酶等一些小分子磷脂和中性脂质。肺泡表面活性物质在成熟的Ⅱ型肺泡上皮细胞内合成，其主要活性成分磷脂酰胆碱在内质网合成，其中磷脂物质通过ATP结合盒转运蛋白A3（ATP binding cassette subfamily A member 3，ABCA3）转运，经某种机制转移到高尔基体，转化为板层小体（lamellar body，LB），表面活性蛋白 B（surfactant protein B，SP-B）和表面活性蛋白C（surfactant protein C，SP-C）合成后通过多泡小体转运至LB，最后在LB内卵磷脂与表面活性蛋白结合成双分子层后以胞外分泌形式分泌到肺泡腔中，形成一定规律的管状结构分布于气-液交界面，维持肺泡形态的稳定。经胞吐转移到肺泡表面形成薄膜，降低肺泡气液界面的表面张力，维持肺的顺应性，保持肺泡上皮正常的通透性（图1-6-1）。肺泡内表面活性物质有2种形式，一种是具有生物活性的高密度脂蛋白的大聚合体，包括板层体、管髓体和多层脂囊；另一种是无生物活性的低密度脂蛋白的小聚合体，由代谢终产物单层脂囊构成。正常情况下，大聚合体和小聚合体有稳定的比例，处于动态平衡。肺泡表面活性物质的降解可通过两种方式，一是通过入胞作用被肺泡Ⅱ型上皮细胞重摄取，重新运送至板层体贮存以备再利用，也有研究认为表面活性物质被摄取后成为多囊泡体，部分囊泡体与初级溶酶体融合，降解为胆碱、脂肪酸等，然后进入内质网重新合成表面活性物质。二是被肺泡内巨噬细胞吞噬降解。肺泡表面活性物质代谢过程包括合成、加工处理、转运、分泌、降解和回收再利用及清除等环节。
目前发现的肺表面活性蛋白有4种，根据发现的顺序命名为表面活性蛋A（surfactant protein A，SP-A）、表面活性蛋白 B（surfactant protein B，SP-B）、表面活性蛋白C（surfactant protein C，SP-C）和表面活性蛋白D（surfactant protein D，SP-D）。其中SP-A、SP-B、SP-D来源于肺泡Ⅱ型上皮细胞和支气管非纤毛上皮细胞，SP-C来源于肺泡Ⅱ型上皮细胞。大分子亲水SP（SP-A、SP-D）和小分子疏水性SP（SP-B、SP-C）。SP-B和SP-C在内质网中合成，通过高尔基体转运至多泡小体，随后多泡小体与板层小体融合，通过加工和包装成为具有活性的表面磷脂膜蛋白，其中SP-B结合在磷脂双层，可以使细胞膜破裂或融合，促进磷脂的吸附，在板层小体中对表面活性物质磷脂膜进行组织和包装，加速肺泡气-液界面上肺表面活性物质薄膜的形成。SP-C是疏水性多肽，主要成α螺旋，嵌在磷脂双层中，通过共价键与两个棕榈酰基结合，来维持肺泡表面活性物质的单层形态。研究表明，肺表面活性物质能降低肺泡表面张力，从而降低呼吸做功、防止呼气时肺泡萎陷，这种功能主要依赖于磷脂、中性脂质和表面蛋白B和C的相互作用。近来研究表明，SP-C在对病原体局部免疫反应（包括直接和间接）中有重要调节作用。成熟SP-C和脂多糖的直接作用表明SP-C参与肺部防御。SP-B缺乏可引起SP-C合成受阻。此外，发现SP-C基因敲除的小鼠和缺乏SP-C患间质性肺疾病的病人中有持续的炎症反应和进行性肺泡结构改变也印证了这一论点。
SP-A和SP-D在免疫调节中起重要作用。SP-A占SP总量的50%，是钙离子依赖性糖结合蛋白，在肺泡中的结构是由6个三聚体组成的18个单位的花束状结构，其分子结构由N-端、胶原样区、颈区和糖基识别区4个区域组成，在颈区和糖基识别区间有脂质结合位点，可以同二棕榈酰磷脂酰胆碱等表面活性磷脂结合，起到维持表面活性物质结构的作用，并促进脂质重吸收，在一定条件下抑制肺泡Ⅱ型上皮细胞分泌表面活性物质。在Ca2+存在下，SP-A可与脂质结合并促进囊泡状脂质聚集，SP-A的胶原样螺旋结构与其免疫防御功能相关。SP-D大部分存在于肺泡液中，因其不能与磷脂酰胆碱结合，故其在表面活性中的意义不大，但在免疫调解中起主要作用。SP-D能识别病原体如细菌、病毒、真菌表面的糖基结构并与之结合，也能与肺泡巨噬细胞以及嗜酸性细胞结合，共同调理吞噬作用。另外，在补体实验中，发现SP-D有抗氧化作用，在SP-D缺乏的大鼠体内，活性氧的危害明显增加。SP-D同时具有调节免疫和抑制炎症的作用：SP-D能与免疫系统的其他成分一起调节由感染原或过敏原引起的二级免疫反应，能够快速消除凋亡细胞，避免炎症反应的进一步发，SP-D缺乏可增加内毒素血症时肺损伤。
肺泡表面活性物质代谢磷脂的转运受到磷脂转膜蛋白基因ABCA3的调节。ABCA3蛋白是ABC转运子家族中ABCA3亚家族的成员，是水解ATP的跨膜转运蛋白，在肺泡Ⅱ型细胞中高度表达，定位于LB中，参与脂类运输。ABCA3对于LB小体的形成以及磷脂（磷脂酰胆碱和磷脂酰甘油）向LB转运以及肺表面活性物质组装起到很重要的作用。
甲状腺转录因子1（Thyroid transcription factor 1，TTF1）也被称为NKX2-1，是转录因子同源盒基因家族的一个成员，对SP-A，SP-B和SP-C，ABCA3的表达起到调节作用。
肺泡表面活性物质通过巨噬细胞吞噬降解。粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocytemacrophage colony stimulating factor，GM-CSF）通过分布在巨噬细胞，中性粒细胞和2型肺泡上皮细胞的受体介导起作用。GM-CSF受体由α、β链组成，分别由CSF2RA和CSF2RB基因编码。正常肺泡表面活性物质部分再吸收进入2型肺泡上皮细胞，部分被肺巨噬细胞所分解。GM-CSF与其表面受体结合信号促使肺巨噬细胞成熟。成熟的肺巨噬细胞才能将肺泡表面活性物质的清除（图 1-6-1）。
图1-6-1 肺泡表面活性物质代谢［2］
二、肺泡表面活性物质功能障碍相关疾病
SP-B、SP-C和ABCA3基因的突变导致其编码蛋白质异常，引起肺泡表面活性物质功能障碍，或者巨噬细胞功能异常，影响肺泡表面活性物质蛋白和脂质的分解和吸收，最终可引起间质性肺疾病。TTF1/NKX2-1，在SP-B、SP-C和ABCA3基因表达过程中起到非常重要的作用，该基因的缺失或完全丧失功能的突变也能导致严重的间质性肺疾病，因为影响了整个肺泡表面活性物质代谢的过程，所以临床表型往往非常严重，而且NKX2-1基因在甲状腺、中枢神经系统表达，患者也可能出现这些器官系统相关的症状［2］。SP-A和SP-D主要发挥肺免疫防御作用。对家族性特发性肺间质纤维化的家系筛查发现候选基因定位于SP-A2，也有SP-A1突变的家系报道。
肺泡表面活性物质代谢过程中任何一个环节出现问题均可引起合成肺表面蛋白前体B、C（proSP-B、proSP-C）在Ⅱ型肺泡上皮细胞大量聚集，干扰从多泡小体到板层小体的运输，导致大量肺泡表面活性蛋白堆积，引起间质性肺疾病。先天性肺泡表面活性物质代谢异常相关疾病是由编码肺表面活性物质的基因或调节肺泡表面活性物质代谢相关基因突变造成的一类疾病。临床表现可为新生儿呼吸窘迫，也可表现为儿童期或成人间质性肺疾病。
三、遗传学特征
SP-C基因位于人类8号染色体短臂上，有6个外显子和5个内含子，SP-C突变引起的先天性肺泡表面活性物质代谢异常性疾病2型，属于常染色体显性遗传病。SP-C基因突变导致proSP-C产生异常。proSP-C含有四个结构域，分别为短N末端、跨膜区域、连接器和BRICHOS区域，分别与proSP-C复杂的翻译过程、转运以及分泌相关。p.Ile73Thr（或c.218T＞ C）是SP-C最常见的突变位点，位于连接器，大约占已报道病例的1/2。大多数其他已知的SP-C突变位于ProSP-C的BRICHOS区域，其功能之一防止SP-C的聚合，同时协助其插入细胞膜。突变导致产生错误折叠的proSP-C，导致野生型proSP-C以显性负性机制降解，并且引起炎症和肺泡Ⅱ型上皮细胞凋亡。最终可导致间质性肺疾病。如基因突变发生在邻近SP-C基因的BRICHOS结构域部位，含SP-C突变体的多囊小泡或被转运至细胞膜进而融合、释放出的SP-C突变体会抑制细胞膜的再吸收循环功能，或经高尔基体转运至细胞内包涵体后被逐渐降解，这种突变不会影响BRICHOS结构域，这时，SP-C的合成仅轻度减少，肺组织损伤相对较轻。
SP-B基因位于2号染色体上，包括11个外显子和10个内含子。SP-B基因突变导致成熟SP-B蛋白完全缺失，可引起致命性新生儿呼吸窘迫综合征，以常染色体隐性方式遗传。另外SP-B基因多态性与早产儿呼吸窘迫综合征密切相关。由于SP-B缺陷导致proSP-C的不完全加工，影响成熟SP-C蛋白的生成，可以进一步增强SP-B缺乏症的表面活性物质功能缺失，使肺泡表面活性物质的功能丧失，所以SP-B基因突变病例的临床表型严重。SP-B最常见的突变是第4号外显子上的移码突变（121ins2），迄今发现大约有40种突变位点，其中121ins2占70%左右。121ins2可出现提前终止密码子，导致翻译终止，或出现不稳定的转录物。其他突变位点可能与SP-B部分功能缺陷有关，表现为慢性间质性肺疾病。
ABCA3为ATP结合蛋白亚家族成员3，ABCA3基因位于16p13.3，含有33个外显子。ATP-结合结构域编码在外显子14-17（核苷酸结合结构域 1，NBD1）和外显子 27-30（NBD2）中。ABCA3由1 704个氨基酸的多肽组成，具有两个同源重复序列，每个重复序列包含六个推定的跨膜螺旋和一个ATP结合盒基序。ABCA3基因突变导致ABCA3蛋白功能缺失或部分失活，异常的ABCA3蛋白通过影响板层小体的正常结构形态，而影响磷脂转运、肺泡表面活性物质的分泌合成。该病以常染色体隐性方式遗传。根据ABCA3蛋白功能异常引起ATP酶活性改变，或脂质转运受损，突变可以分为2类，细胞内定位异常，如L101P、L982P、L153P、Q1591P突变；或为细胞定位正常，但ATP水解活性异常，如E292V、R295C、N568D、T1114M、R288K、R1474W、G1221S、L1580P和E690K突变。2004年，ABCA3突变在一组足月儿生后不久出现呼吸窘迫的患儿中首次报道［3］。目前文献有超过200种不同的突变，E292V（c.875A＞T）、p.R28K（c.863G＞A）和 p.R1474W（c.420C＞T）是常见的引起儿童 ILD的突变［4］，但突变热点可能与不同人种、人群分布而不同。ABCA3功能缺失具有多种效应。在表达含ABCA3突变的培养细胞中，观察到磷脂摄取受损。在ABCA3突变患者的中，也观察到成熟SP-C的数量减少和proSP-B至SP-B的加工过程改变。ABCA3突变基因型决定临床表型的严重程度［4］。当患儿为纯合无义突变时，出生时出现呼吸衰竭，导致患儿在1岁前死亡，若两个等位基因均为其他突变类型，如错义突变，病情相对较轻，起病年龄在1岁以后。但是，亦有报道ABCA3基因型相同的兄弟姐妹临床表型不同。研究发现，ABCA3突变位点p.Glu292Val在较大年龄儿童间质性肺疾病中相对多发，与其他突变类型相比其脂类转运能力受损的程度轻。但是也有文章表明这一突变类型也可表现为婴儿呼吸窘迫综合征。ABCA3基因突变和SP-C缺陷同时存在时，病情往往非常严重。
SP-A与SP-D参与肺泡免疫防御、调节肺内细胞免疫。SP-A基因位于10号染色体上，由两个功能基因组成，即SP-A1、SP-A2和假基因（SPA3）。SP-A1和SP-A2基因含有4个外显子，长约4.6kb。迄今为止，研究发现SP-A2基因杂合突变和家族性肺纤维化有关。利用单核苷酸多态性在一大家族的肺纤维化个体进行超过6 000标记面板全基因组连锁分析。分析确定染色体10q22为受累部位。位于这一染色体区域的编码表面活性蛋白A1，A2，和D的基因，被确定为候选基因。测序鉴定这些基因的错义突变预测表面活性蛋白A2的G231V突变［5］。随后在家族性特发性肺纤维化家系中发现SP-A2第二种错义的突变（F198V）［6］。也有报道间质性肺疾病家系中存在SP-A1突变，其肺间质病变的表型各不相同，也包括一例婴儿期起病的间质性肺疾病患儿。
GM-CSF受体的基因突变破坏肺泡巨噬细胞的功能，从而导致肺肺泡蛋白沉积症。GM-CSF受体由α、β 2条链组成，通过激活JAK/STAT5信号转导途径增强巨噬细胞的分化与功能，GMCSF受体缺陷会影响到巨噬细胞的分化与功能，导致表面活性物质降解障碍，从而导致表面活性物质脂质和蛋白在肺内沉积，表现为肺泡蛋白沉积症。有报道1例先天性肺泡蛋白沉积症的患儿，存在来自母源的大片段缺失其包含CSF2RA基因，父源 CSF2RA基因点突变（g196r），致 α链相对分子质量降低，糖基化异常，致使与GM-CSF结合降低和STAT5活化受损［7］。其他对先天性肺泡蛋白沉积症基因诊断研究报道了CSF2RA纯合的缺失、错义、无义及移码突变［7］。CSF2RB突变在儿童报道较少。
TTF1/NKX2-1是转录因子同源盒基因家族的一个成员，该基因位于14号染色体长臂（14q13.3），由3个外显子和2个内含子组成。自1998年首次报道了NKX2-1功能障碍引起的肺部疾病［8］。迄今为止，已经描述了超过50种突变。遗传模式是常染色体显性，大约一半的突变是新生突变。可因外显率不全而表现出不同严重程度［9］。NKX2-1单倍剂量不足其功能只有正常水平的50%，不足以维持细胞正常的生理功能。
四、病理表现及超微结构
不同肺泡表面活性物质代谢基因缺陷引起的病理学改变可能相同。利用肺组织病理学特点不能将遗传学病因加以区别。常见的特征性表现包括：间质增宽、肺泡腔内存在泡沫状肺泡巨噬细胞、肺泡Ⅱ型上皮细胞增生、肺泡腔内可能存在大量的蛋白。先天性肺泡蛋白沉积症是SP-B缺陷的主要病理类型。其肺泡内PAS染色阳性嗜酸性物质沉积、上皮细胞脱屑、含板状小体的肺泡巨噬细胞增大，大量的SP-A聚集。SP-C缺陷的病理类型变异度非常大，常与发病年龄和疾病严重程度有关，可见到大量的慢性肺组织重塑、间质纤维化和慢性炎症，可表现为内生性脂质肺炎，可出现泡沫细胞聚集，胆固醇结晶和异物巨大细胞；在大年龄患儿或成人，则多表现为非特异性间质性肺炎、普通型间质性肺炎、脱屑性肺炎，部分病例可出现肺泡蛋白沉积症。一项对肺活检标本多中心回顾性研究显示，2岁以下SP-C突变的儿童中，最常见的病理类型是婴儿慢性肺炎。
ABCA3突变的组织学可表现为不同的类型，包括肺泡蛋白沉积症（pulmonary alveolar proteinosis，PAP）脱屑性间质性肺炎（desquamative pneumonia，DIP），非特异性间质性肺炎（nonspecific interstitial pneumonia，NSIP）以及婴儿慢性肺炎。电镜下可见板层小体中有圆形电子致密物，或板层小体体积变小，数量减少或缺乏。在新生儿ABCA3突变与SP-B突变相似。DIP是ABCA3突变引起年长儿ILD的常见病理类型［10］。
TTF-1在甲状腺、脑和肺表达，肺病理学表现包括肺泡化缺陷、间隔纤维化、肺囊肿，光镜下可见大量板层小体。
GM-CSF受体α链基因CSF2RA和β链基因CSF2RB突变引起病理表现为PAP。
（姚 瑶 刘秀云）
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