研究背景与目的肺纤维化(PF)主要特征表现为细胞外基质(ECM)过度堆积。肺纤维化病因多种多样,预后较差。研究结果证实,PF可由多种原因引起,但确切而详尽的病因迄今尚未明了。GEO是目前研究者使用最多的非肿瘤数据库,从中研究者可以公开获得大量微阵列基因表达数据集,人们整合基因表达数据集以获得更准确结果的需求不断增长。但是,以往尚无研究涉及到对PF进行全面的生物信息学分析,在PF中仅发现了极少数的差异表达基因,而DEG的功能注释和蛋白质与蛋白质之间的相互作用仍然不清楚。因此,借助生物信息学分析方法探明本病的分子机制,对临床治疗具有重要意义。根据中医理论将PF归属“肺痹”“肺痿”范畴,并认为“肺气阴两虚,瘀血阻滞肺络”是PF发生发展的重要病机,其核心病机则为“肺气虚-血脉瘀阻-痰浊凝聚-痰瘀伤气-虚及脾肾”。中医治疗依靠“辨证论治”,重在治法的实施,具体的遣方用药则根据医家的经验对患者“因人而异”,以“养肺活血”为治疗大法对PF实施治疗的临床证据颇为丰富,但报道结果不尽一致,因此本文收集临床随机对照试验(RCT),以循证医学为指导依据,旨在探讨“养肺活血”的临床应用状况及对PF患者的具体效果,可以为临床工作者提供客观的理论依据。养肺活血方是温病学家王灿晖教授的临床验方,现代药理研究证实上述药物成分有不同程度抑制PF的作用,养肺活血方在理论、临床方面都有确切的依据和临床疗效。异常的成纤维细胞/肌成纤维细胞的调节主要是对转化生长因子-βI(TGF-β1)的反应。研究证实TGF-β1信号与肺肝肾等纤维化疾病密切相关,因此,TGF-β1已成为研究组织纤维化热门的明星靶点。“养肺活血方”有效防治PF的作用机制可能包括炎症免疫反应、微血管新生、细胞凋亡及多种信号通路的影响等,值得注意的是,上述机制的影响多与Notch信号通路相关联。有鉴于此,本研究在国家自然基金和教育部博士点基金相关课题研究基础上,首先对养肺活血法临床效果进行Meta分析,并采用生物信息学的分析方法,对PF相关基因筛选和差异表达基因进行分析,探讨养肺活血法针对基因差异性表达参与的肺纤维化病理进程的作用机制,结合Notch通路探讨养肺活血方含药血清对TGF-β诱导的肺成纤维细胞增殖表型的影响。研究方法1.Meta分析:检索中医药治疗PF的研究进展,提取“养肺活血”相关的近义表述及口服类型的汤药或中成药,根据提取到的关键词,进行深入全面的文章检索,检索数据库包括 CNKI、WanFang、VIP、CBM 等中文数据库和 Pubmed、EMbase、Web of Science、Cochrane Library等英文数据库,制定纳入及排除标准。参考Cochrane协作网推荐的方法编制“资料提取表”,独立提取资料,并按照Cochrane协作网对RCT的偏倚风险评估。采用Cochrane协作网RevMan5.3做Meta分析。采用Egger和Begg法分别进行发表偏倚的检验。采用去除单项研究法进行敏感性分析。应用GRADE系统对结果实施质量评价。2.生物信息学分析:根据美国胸科学会和欧洲呼吸学会的共识声明,本研究中包括的所有PF患者均符合PF的诊断标准。正常对照组的肺组织样本取自无PF的患者,包括肺癌患者和肺移植患者。从Gene Expression Omnibus数据库下载GSE110147微阵列数据,其中样本包括22例PF、10例非特异性间质性肺炎患者、5例混合型PF-NSIP患者和11名正常志愿者。在本研究中,仅22例PF选择为PF组,并选择11例正常志愿者为对照组。基于GEO2R工具对GEO样品数据进行基因差异表达分析,差异表达基因进一步行GO富集分析和KEGG通路分析,并使用DAVID在线工具进行GO和KEGG途径富集分析,以获得丰富的生物过程和途径(P<0.01为阈值)。最后,我们通过构建PPI网络来系统地分析蛋白质之间的关系,使用STRING在线工具来分析DEG的PPI网络,并且通过k均值聚类。结合文献研究,探讨养肺活血法有效治疗肺纤维化的潜在靶点。3.细胞功能实验:本研究采用养肺活血方及其拆方的兔含药血清,进行原代肺成纤维细胞实验。实验一采用细胞贴壁法成功培养原代肺成纤维细胞,筛选TGF-β1诱导肺纤维细胞增殖的最佳作用浓度和时间,建立肺成纤维细胞的增殖模型;然后筛选药物对肺成纤维细胞增殖模型抑制的最佳作用方式,用于后续实验。实验二利用Western blot检测各给药组对肺成纤维细胞增殖模型Notch通路及其串话通路Wnt关键蛋白Notch 1、NICD1、Jagged1、Hes1、核内β-catenin、β-GSK-3β等蛋白表达水平。实验三分别采用流式细胞术、Western blot、免疫荧光法进行药物对肺成纤维细胞增殖模型周期、凋亡作用的定性定量检测。实验四是为进一步证明药物通过Notch通路对增殖发挥了抑制作用,进行NICD1慢病毒转染后,Western blot检测NICD1蛋白表达,NICD1慢病毒转染造模成功后,药物作用于转染模型,分别采用相应的实验方法进行药物对NICD1慢病毒转染模型细胞增殖、细胞周期、凋亡、Wnt通路相关蛋白的定性或定量研究。研究结果1.初检出相关文献1046篇,查重后删除文献190篇,剩余856篇。进行逐层筛选排除后,最终纳入43篇文献进行相关临床研究的Meta分析。异质性检验结果为[P=0.53,I2=0%],提示22项研究之间无异质性,故选用固定效应模型(Fixed Effects,FE)进行统计分析,结果变量指标选择绝对测量标度危险差RD,统计结果为[RD=0.20,95%CI(0.16,0.24),P<0.00001],提示养肺活血法的应用能有效提高临床有效率。亚组分析得出,对肺功能相关指标Dlco、TLC、VC、FEV1、FVC、FEV1/FVC及血气分析相关指标PaO2、PaCO2等均有明显改善,对6MWT、呼吸困难评分、中医证候(症状)积分等指标的改善亦显示出养肺活血法较对照组为好的统计学意义。同时,养肺活血法对实验室血清指标TNF-α Ⅳ-C、Ig、CD等也有很好的逆转作用,另外,该法的使用对SGRQ的相关具体指标有效率、呼吸症状、活动受限、疾病影响、总体积分等均有显著性改善作用。2.利用GE02R工具对GES110147表达谱数据集中的PF和对照组的DEGS进行了分析,该数据集中,共有707个DEGS符合选择标准,478个基因被上调,229个基因被下调;DEGS进行GO和通路分析后,上调DEGS富集的GO BP词条主要与纤毛组件、纤毛运动、DNA双链体展开、细胞外基质组织、通过剪接体进行mRNA剪接、成骨细胞分化、RNA二级结构展开、基于微管的运动、蛋白靶向液泡及胶原分解代谢过程有关,而下调DEGS富集的GO BP词条则主要与基因表达的正调控、细胞对肿瘤坏死因子的反应、细胞对镉离子的反应、血管收缩、细胞对锌离子的反应、负面增长调节、中性粒细胞趋化及线粒体电子转运,细胞色素c传递至氧及血管生成有关;KEGG分析显示,上调DEGs富集的途径主要与RNA转运、黏着、ECM-受体相互作用、血小板激活和蛋白质消化吸收有关。下调DEGS富集的途径主要与氧化磷酸化、心肌收缩、元素吸收有关,也包括趋化因子信号通路、帕金森病、细胞粘附分子及非酒精性脂肪性肝病;基于STRING 11.0版本数据库的数据,构建了 PPI网络,下调基因中有5个基因参与趋化因子信号通路(CCL21,CXCL10,GNG11,XCL1,ARRB1)。其中,有上调基因差异性表达分布于细胞外基质,参与细胞外基质的结构组成及其与受体的相互作用文献研究发现,养肺活血法能调节细胞外基质合成相关细胞因子如TGF-β1的表达,抑制细胞外基质的合成,结合蛋白互作网络明确促进同一功能的不同蛋白,不仅为探究肺纤维化的发病机制提供了更丰富客观的素材,还为探讨养肺活血法对细胞外基质合成的主要细胞成纤维细胞增殖的相关研究提供了更大的价值依据。3.原代培养第三代细胞免疫组化可见波形蛋白表达阳性,90%以上细胞染上褐色,细胞形态清晰,大部分呈梭状改变,说明纯化至第三代的原代细胞为成纤维细胞,可用于后续实验;通过给予不同浓度的TGF-β1分别刺激肺成纤维细胞,并在12h、24h时间点观察细胞的增殖情况,结果如下:TGF-β1在≥1ng/ml各个时相均明显刺激肺成纤维细胞增殖,与对照组相比,具有显著性差异(P<0.01);药物作用于增殖模型后,有明显的抑制肺成纤维细胞增殖的作用,并在作用12h时具有统计学意义。4.药物对肺成纤维细胞增殖模型Notch及其串话通路Wnt关键蛋白异常表达具有调控作用,与空白组相比,模型组Notch1、NICD1、Jagged1、Hes1、核内 β-catenin、p-GSK-3β表达均显著增高;与模型组相比,各给药组对以上蛋白的高表达分别发挥了不同的抑制作用,量效关系在所设浓度梯度范围内呈现一定的剂量依赖关系。拆方组别的设置对各蛋白的抑制作用亦有所影响,对各蛋白的抑制作用均有相应的优势靶点,全方-10%组对Notch1、NICD1、Jagged1、Hes1、核内 β-catenin、p-GSK-3β 均有调控作用,养肺-10%组有效作用靶点为Notch1、NICD1、Jagged1、Hes1、核内β-catenin,而活血-10%组有效调控蛋白为Notch1、Jagged1、Hes1、核内 β-catenin、p-GSK-3β。5.药物对细胞凋亡、周期的影响发现,各给药组对肺成纤维细胞增殖模型在不同程度上促进了 Caspase3的表达,促进了细胞的凋亡。药物对肺成纤维细胞周期的影响发现,与模型组相比,全方-10%组、养肺-10%组显著升高了 G1期细胞的比例,减少了 G2和S期细胞所占的百分比,抑制了细胞的分裂。另外,药物对肺成纤维细胞周期相关蛋白CyclinD1均有不同程度的抑制作用,体现了不同程度的周期抑制作用;整体数据分析结果显示,养肺-10%组对肺成纤维细胞的抑制作用主要是通过周期抑制,而活血-10%组对肺成纤维细胞增殖的抑制作用主要是通过促进细胞凋亡。6.免疫荧光检测显示NICD1慢病毒转染效率高,且NICD1蛋白显著性高表达。各组含药血清在处理24h、36h、48h后可以明显降低细胞增殖作用,作用36h对细胞增殖的抑制作用具有统计学差异。各给药组不同程度地促进了细胞的凋亡及Caspase3的表达,增加了 G1期细胞的百分比,抑制了细胞的增殖;对Wnt通路蛋白有明显的抑制作用,多通路多路径发挥对肺成纤维细胞增殖的抑制作用。研究结论1.循证医学证据表明养肺活血法可以改善PF患者临床症状及部分客观指标。2.生物信息学结合文献溯源分析发现肺纤维化的基因差异性表达参与ECM形成,养肺活血法对ECM的作用提示了相应组方的可能作用靶点。3.养肺活血方及其拆方含药血清能够抑制TGF-β1诱导的肺成纤维细胞增殖。4.养肺活血方及其拆方含药血清能够抑制Notch及串话信号通路Wnt的活化、调控细胞周期及促进细胞凋亡,并对肺成纤维细胞增殖表型进行调控。创新之处1.通过Meta分析为养肺活血法治疗PF的临床疗效提供了循证医学依据;生物信息学数据挖掘结果探讨了与PF相关的基因及信号通路;系列细胞实验完成表型功能验证,从多维度论证了养肺活血法的治疗作用及病理依据。2.通过TGF-β1诱导大鼠原代细胞肺纤维化模型基础,探讨了养肺活血方及其拆方干预Notch及其串话通路Wnt影响肺成纤维细胞细胞周期、细胞凋亡及增殖的作用,初步阐明了该方对PF治疗的多靶点效应。