纤维化并不是一种独立的疾病，而是组织修复反应失调的结果，常见于慢性炎症后。它的特点是细胞外基质成分（如胶原蛋白）过度积累，通常是器官修复的重要阶段。受损组织的成纤维细胞被激活，促进创伤愈合。但若损伤频繁或严重，可能导致器官功能障碍甚至衰竭。研究发现，在胚胎及胎鼠中，创伤前不成熟组织可实现无瘢痕愈合，暗示炎症是纤维化的一大因素。此外，遗传因素和细胞间相互作用在纤维化发展中起着关键作用。尽管对纤维化的生物学有了深入了解，但从研究到临床治疗仍面临挑战。未来的研究将继续探索精准医学在纤维化治疗中的应用。”
在开发抗纤维化药物的过程中面临着一些主要挑战，这些挑战被标记在左侧的红色框中。而箭头则指向蓝色框中可能的解决方案。
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单细胞基因组学
单细胞多组学技术正在彻底改变人们对纤维化疾病机制的理解，以下是该技术在不同疾病研究中的一些重要发现：
1）. 肺纤维化的机制
单细胞RNA测序为科学家研究肺纤维化提供了新的视角。研究表明，肺泡微环境中的间充质细胞对于肺泡上皮细胞的生长至关重要。某些间充质细胞支持细胞生长，而另一些则促进病理性肌成纤维细胞的形成。研究还发现，来自肺纤维化患者的特定肺泡巨噬细胞在疾病的发展中扮演了关键角色，提示肺泡细胞类型在纤维化过程中不可忽视。此外，对于特发性肺纤维化患者的细胞分析发现了异常的基底样上皮细胞群体，凸显血管内皮细胞在病理变化中重要性。
2）. 肝硬化
在肝硬化的研究中，科学家们识别出一种新型的瘢痕相关巨噬细胞亚群，这些细胞在肝纤维化中显著增加，并具备促纤维化的潜力。这些发现表明了多条促纤维化通路被激活，即使在某些临床试验未能如预期发挥作用的情况下，新药物的研发仍然带来了希望，为未来的治疗方案提供了积极展望。
3）. 结肠炎
在胃肠道的研究中，科学家们发现结肠中特定的纤维母细胞亚群，尤其是与结肠隐窝相关的细胞，表达关键基因如SOX6、F3和WNT，这对结肠上皮干细胞功能有重要影响。然而，在结肠炎的情况下，这种微环境遭到破坏，活化的间充质细胞出现，导致上皮增殖和成熟受损，引发炎症和肠道屏障功能的缺失。
4）. 关节炎
在关节炎研究中，科学家们发现去除特定的FAPα+纤维母细胞能够有效降低小鼠模型中的炎症和骨质侵蚀。此外，他们还识别出了两种功能不同的FAPα+纤维母细胞亚群，发现它们对关节炎的影响各异。这一发现为改善炎症、纤维化及组织修复的治疗提供了重要依据。
5）. 肾损伤与纤维化
单细胞RNA序列测序在肾损伤及纤维化研究中也揭示了新机制。在急性肾损伤的小鼠模型中，研究发现了一种促炎和促纤维化的近曲小管细胞状态，这种细胞在其他肾损伤模型及人类肾移植中也显著增多。通过细胞转录组的描绘，科学家们识别出周细胞和成纤维母细胞是肾纤维化的主要来源，确定了Nkd2作为人肾纤维化中的关键靶点。
解卷纤维化的研究正借助多模态单细胞技术，深入揭示调控纤维化的细胞和分子机制。这种前沿的方法使得在单细胞层面上，能够评估转录组、基因组、表观基因组和蛋白质组，甚至进行空间分析。通过同时分析转录组和染色质可及性，研究者们能够更全面地了解纤维化疾病中的细胞状态、起源和功能。这些新发现将助力识别更有效的治疗靶点，为纤维化疾病患者提供新的治疗方案。
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成纤维细胞的异质性与可塑性
1）功能性成纤维细胞异质性
a. 最新研究揭示，器官纤维化过程中，成纤维细胞展现出显著的多样性。科学家通过命运追踪和活体成像的方式，发现受损皮肤中特定的筋膜成纤维细胞亚群，会向皮肤表面迁移，并聚集周围的细胞外基质，形成初步的修复结构。如果这些细胞被移除，伤口愈合则会出现缺陷。此外，研究表明放置不可渗透的薄膜可能导致慢性伤口，暗示筋膜里存在预制的“哨兵型”成纤维细胞。
b.另一方面，最新研究指出，间充质祖细胞（MPCs）在纤维化形成和发展的过程中起着关键作用。特别是有两项研究关注了心脏和骨骼肌中表达特定标记基因的MPCs群体。这些研究揭示了MPCs的多样性及其在病理生理过程中的层次结构。研究发现，当小鼠的Hic1基因失活时，心脏与骨骼肌中的MPCs会被激活并数量增加，说明HIC1对维持MPCs的静息状态至关重要。
c.此外，HIC1缺失在心脏中会导致MPCs活化，进而引发心脏的病理变化。而在骨骼肌中，尽管MPCs数量增加，却未导致显著的纤维化问题。这表明，不同器官中的细胞表现出不同的功能和反应。随着年龄的增长，成纤维细胞的功能差异加大，这也影响了伤口愈合效果。这样的发现为老年人的个性化治疗提供了新的思路，值得进一步探索。
2) 成纤维细胞的靶向及重编程
成纤维细胞在纤维化过程中的角色极为复杂，具有显著的功能异质性和惊人的可塑性。以下是主要观点的概括：
a.成纤维细胞的可塑性：研究表明，成纤维细胞在纤维化的发生与逆转过程中展现出很大的可塑性。例如，转录因子PU.1不仅能极化静息状态的成纤维细胞，还能将炎症性成纤维细胞重新极化，转变为产生细胞外基质的纤维化表型。此外，失活PU.1能将纤维化的成纤维细胞重编程回静息状态，从而促进纤维化的逆转。
b.成纤维细胞的重编程：在纤维化过程中，肌成纤维细胞能够转化为其他细胞类型，如脂肪细胞。这一过程需要新生毛囊的参与，并激活相应的信号通路和转录因子。此外，体外的实验显示，经过特定处理的人瘢痕疙瘩成纤维细胞同样能够生成脂肪细胞。
c.潜在治疗策略：通过靶向特定的肌成纤维细胞并将其重编程为其他细胞类型，为抗纤维化和再生治疗提供了新的方法。研究者可以通过输入表达特定抗原的T细胞，选择性消除致病性成纤维细胞，从而降低心脏纤维化。此外，增强自然杀伤细胞的反应也被提议作为清除衰老成纤维细胞一种机制。
3) 动态细胞外基质组
a. 在创伤愈合中，细胞外基质（ECM）非常重要，因其提供机械稳定性、固定生长因子并为免疫与成纤维细胞提供支架。这使得ECM成为一个动态的实体，能够通过多种方式影响纤维化的进展和逆转。
b. 机械信号（如基质刚度变化）可以直接激活肌成纤维细胞，促进纤维化。例如，在猪皮肤伤口模型中，施加机械负载可提升与纤维化相关的基因表达，而一旦去除负载，这种效果会被逆转。
c. 在硬化基质中，机械应变的增加为TGFβ1转化为活性形式提供了机制。同时，通过基质金属蛋白酶（MMPs）及其抑制因子（TIMPs），肌成纤维细胞调节基质的沉积与周转。现代技术如质谱和空间蛋白质组学帮助我们更好地理解ECM如何在无炎症信号下维持纤维生成。
成纤维细胞在纤维化过程中展现出不同的功能。这些细胞在关节炎中通过单细胞RNA测序和实验识别出两种不同类型：一种在滑膜次内层，称为“效应”成纤维细胞，另一种在滑膜内层，被称为“破坏性”成纤维细胞。同时，对心脏和骨骼肌中MPC群体的研究显示，其后代的作用各异并依赖于组织环境。在纤维化发展中，这些细胞展现明显的灵活性，能恢复静止状态或转变为其他细胞类型。通过抑制特定转录因子，也能使纤维化细胞回归正常功能，从而改善器官健康。
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间充质细胞的代谢调控
1).细胞的代谢变化在纤维化进程中至关重要。参与修复的细胞会经历“重新编程”，改变其代谢方式，以适应组织修复的需求。特别是在非酒精性脂肪性肝炎（NASH）引起的纤维化中，肝脏脂质代谢失调是导致肝损伤和肝硬化的重要因素。这为针对特定代谢通路的治疗提供了新的思路。
2).间充质细胞在组织损伤后会显著改变其代谢，促进细胞增殖和蛋白质合成。纤维母细胞通过增强有氧糖酵解来快速生成能量，同时产生调节纤维化的代谢产物如乳酸。这些代谢变化促进了转化生长因子β1（TGFβ1）的激活，进而加速细胞的增殖和胶原蛋白合成。
3). 此外，间充质细胞还通过调节氨基酸代谢进行进一步的代谢重编程。谷氨酰胺的分解在TGFβ1刺激下会提高，增强抗凋亡能力并促进胶原蛋白的稳定。同时，脂肪酸氧化的减弱与纤维化的发展密切相关，恢复脂肪酸氧化有望减缓纤维化进程。
4). 综上所述，糖酵解、谷氨酰胺分解和脂肪酸氧化的变化是纤维母细胞活化的重要驱动力。目前，尽管尚未有针对这些代谢通路的抗纤维化药物上市，但已有一些安全性已知的药物进入临床试验，这为未来治疗纤维化疾病提供了希望。
活化成纤维细胞的过程涉及代谢组学的重编程。纤维化相关的成纤维细胞通过己糖激酶增强糖酵解，导致丙酮酸和乳酸的增加。这种乳酸不仅降低了细胞外的pH值，还激活了TGFβ1。丙酮酸转化成乙酰辅酶A后进入三羧酸循环，进一步提升琥珀酸水平。这两个过程都促进了α-SMA、胶原蛋白的生产和细胞的增殖。同时，谷氨酰胺酶的活性增加，帮助将谷氨酸转化为谷氨酰胺，进而支持细胞活力并稳定胶原蛋白。
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巨噬细胞介导的纤维化调控
炎性单核细胞和巨噬细胞在组织纤维化中起着重要作用。它们在组织损伤的启动、维持与修复中，展现出不同的功能。这些细胞会根据微环境和修复阶段信号变化，调整其行为，并促进T细胞和成纤维细胞招募。
1) 单核细胞和巨噬细胞的功能异质性
a.多项研究发现，特定的单核细胞亚群在纤维化和组织重塑中起着调节作用。其中，含分隔细胞核的非典型单核细胞（SatMs）与肺部纤维化密切相关。SatMs的形成依赖于C/EBPβ蛋白，缺乏该蛋白时，SatMs将完全消失。研究表明，在缺乏Cebpb的小鼠中，肺部纤维化程度降低，但若将SatMs引入这些小鼠，纤维化则会加重。
b.另一发现肺部、脂肪、心脏和真皮中有两种独立的间质巨噬细胞亚群，这对理解纤维化机制至关重要。尽管之前的研究主要关注血源性单核细胞，最新 证据显示腔隙驻留巨噬细胞也在这一过程中发挥重要作用。
c.例如，成熟的F4/80hiGATA6+腹腔巨噬细胞能够在无菌肝损伤后迅速侵入肝脏，分解坏死细胞，保护损伤部位。同样，在小鼠心肌梗死后，这类巨噬细胞表现出抗纤维化特性，缺失它们则会加重间质纤维化。这表明GATA6+巨噬细胞在心脏疾病中的免疫保护作用同样适用于人类。
2)巨噬细胞与成纤维细胞的互作
a.巨噬细胞和成纤维细胞在组织损伤区域合作，促进瘢痕形成，成纤维细胞是纤维化过程中的主要细胞来源。
b.研究发现，巨噬细胞释放的变应原蛋白能激活成纤维细胞，使其转变为肌成纤维细胞，这一过程依赖于细胞间的空间邻近关系。
c.新研究表明，收缩型成纤维细胞在胶原纤维基质中形成变形场，向巨噬细胞发送远距离信号，从而引导其迁移。这个发现挑战了传统观点，指出巨噬细胞可以通过感知基底的位移速度，主动向成纤维细胞靠近。
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整合素介导的TGFβ激活
1). TGFβ的重要性：分泌型TGFβ是一种促进纤维化的细胞因子，被视为治疗纤维化的潜在靶点。然而，长期抑制TGFβ1可能导致心脏瓣膜问题及系统性自身免疫现象。
2).癌症风险：广泛抑制TGFβ1有可能引发癌症，因为TGFβ1在上皮细胞中抑制细胞增殖。一些临床试验中使用的抗体疗法如Fresolimumab和Metelimumab因副作用问题而终止，促使研究人员探索适当的抑制剂使用策略。
3).机制研究：TGFβ1的激活机制涉及与整合素αv亚基的相互作用。研究指出，αvβ6整合素在细胞收缩和机械力施加下可释放活性TGFβ1，而αvβ8的激活则表现出不同的机制，值得深入探讨。
4).治疗前景：在多种纤维化疾病模型中，αv整合素起着关键作用，缺乏αvβ6整合素的小鼠显示出纤维化保护效应。临床前模型中，针对αvβ6的抗体可减少肺纤维化，且当前正在进行多项基于小分子和抗体的临床试验，确定其在治疗纤维化中的安全性和有效性。
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细胞因子介导的纤维化调控
1).IL-17A与纤维化的关系：研究表明，IL-17A是促进多种器官纤维化的重要细胞因子。不仅导致肺部炎症，还能增进TGFβ的生成，进而加重纤维化。
2).正反馈机制的作用：IL-17A、TGFβ以及其他促炎症因子形成一个正反馈机制，共同促进纤维化的发展。IL-22也参与这一信号通路，增强了TGFβ的作用。
3).治疗潜力：目前针对IL-13和IL-4的抑制剂正在进行临床试验，显示出对纤维化的潜在疗效。Romilkimab在治疗皮肤系统性硬化症方面表现突出，表明针对IL-17A和IL-13的联合治疗可能是新的抗纤维化策略。
细胞因子的变化是促纤维化的重要驱动力。巨噬细胞和成纤维细胞等局部细胞会产生促炎细胞因子IL-1、IL-6和TNF，这些因子与TGFβ共同作用，促进IL-17的分泌。IL-17A会增强中性粒细胞的反应，导致组织损伤，并提升成纤维细胞对TGFβ的反应能力。值得注意的是，纤维化的机制不仅依赖TGFβ，另一种由细胞因子介导的途径也能独立促进纤维化。上皮细胞和受损组织释放的IL-25和IL-35等因子，会促进2型固有淋巴细胞的扩展，这些细胞会产生IL-5和IL-13，从而驱动嗜酸性粒细胞的激活，进一步加重纤维化。活化的肌成纤维细胞还会分泌IL-11，刺激组织产生更多的细胞外基质，形成一个复杂的促纤维化网络。
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微生物组对纤维化的影响
1). 微生物对肠道健康的重要性：人类肠道内栖息着许多微生物，健康的微生物群有助于维持肠道功能。如果有害微生物数量增加，就可能引起如克罗恩病和溃疡性结肠炎这样的疾病。这些疾病的发生常常与微生物的失衡有关。
2). 微生物与纤维化的关联：研究表明，微生物群落与肠道纤维化的发展紧密相关。例如，携带特定基因变异的患者，面临更高的肠道狭窄风险，而狭窄通常是纤维化的表现。
3).肠道菌群失调与肝纤维化的关系：肠道菌群失调也可能加剧肝纤维化。当肠道屏障受损，细菌及其产物更容易进入体内，可能引发炎症并加速纤维化的发生。研究发现，通过调控肠道微生物，可以有效改善肝纤维化情况。
4).TLR在损伤与纤维化中的作用：TLR能够识别多种损伤相关分子。在肺纤维化中，TLR4对肺泡上皮细胞的再生非常重要，显示出它在不同组织中的双重作用。理解这些机制有助于寻找新的纤维化治疗方法。
参考文献：【1】Henderson NC, Rieder F, Wynn TA. Fibrosis: from mechanisms to medicines. Nature. 2020 Nov;587(7835):555-566. doi: 10.1038/s41586-020-2938-9. Epub 2020 Nov 25. PMID: 33239795; PMCID: PMC8034822.