综述：细胞微环境硬化的机械药理学：年龄相关疾病的治疗策略

《British Journal of Pharmacology》：Mechanopharmacology of cellular microenvironment stiffness: Therapeutic strategies for age-related diseases

本综述深入探讨细胞微环境硬度随年龄增加的机制及其在肺与卵巢衰老中的作用，重点介绍了TGF-β、YAP/TAZ等关键机械信号通路，并提出通过靶向ECM组分（如LOXL2抑制剂）或机械传导通路（如整合素/FAK）的机械药理学策略，为延缓器官功能衰退提供新思路。

　　

细胞微环境硬化的机械药理学：年龄相关疾病的治疗策略

摘要

衰老导致组织发生生化、结构和机械性改变，其中细胞微环境硬度增加是衰老的标志性变化。细胞外基质（ECM）硬度的改变与多种年龄相关疾病的发生发展密切相关。本综述以肺和卵巢这两个ECM硬度随年龄变化时序相似但功能各异的器官为模型，探讨驱动ECM硬度变化的共同通路和因素，为针对年龄相关疾病根源的创新治疗策略铺平道路。

1 引言

衰老引发组织级联变化，显著影响细胞行为和功能。组织硬度增加作为衰老的标志性特征，受细胞内在因素和ECM外在因素影响。进行性硬化与心血管疾病、癌症、慢性肺病和生殖障碍等年龄相关疾病的发展相关。机械药理学这一新兴领域通过调节ECM组分或靶向关键机械传导通路，为改善年龄相关疾病治疗结果提供了新途径。

2 ECM及其对细胞行为的影响

ECM是提供细胞结构和生化支持的复杂网络，其组成和结构决定硬度，影响细胞粘附、迁移、增殖和分化等活动。胶原、纤连蛋白、层粘连蛋白和透明质酸（HA）等关键ECM组分在建立组织机械特性中起重要作用。

2.1 ECM与肺衰老

层粘连蛋白、胶原和弹性蛋白是肺ECM的重要组成。衰老肺中层粘连蛋白水平显著降低，同时胶原沉积增加、弹性蛋白减少。LOX和LOXL酶失调导致胶原纤维吡啶啉交联，使其更耐降解。研究观察到抑制LOXL2和LOXL3可逆转交联并正常化ECM硬度。MMPs和TIMPs之间的复杂平衡也参与ECM稳态。在衰老大鼠肺中，TIMP1和TIMP2增加，而MMP1、MMP2和MMP9减少，而IPF患者研究中观察到MMP2和MMP9水平较高。ECM组分失衡不仅导致支持性微环境减弱、气体交换受损和呼吸困难，还会导致肺组织更僵硬，加剧衰老肺对肺气肿等慢性疾病的易感性。

2.1.1 应变和拉伸对肺衰老的影响

健康肺中，正常通气期间的循环拉伸通过Cdc42/F-actin/MAPK/YAP等机械传感器触发肺泡再生。衰老过程导致肺功能和结构改变，除ECM组分变化外，免疫功能异常、氧化应激和上皮完整性受损等因素也会对肺产生应变和拉伸。最终，老年人更容易出现年龄相关性肺损伤和慢性肺病。在疾病状态下，应变和拉伸对肺衰老的影响更为明显。肺纤维化因肺泡再生受损导致机械张力升高。纤维化肺通过Rho激酶和αv整合素介导的通路响应机械拉伸激活TGF-β。肺切除术也会增加影响肺泡再生的机械张力。管理AE-IPF等肺疾病的通气策略需考虑过度扩张可能促进进一步纤维化、肺功能下降和更高死亡率。

2.2 ECM与卵巢衰老

卵巢ECM包含胶原、HA、层粘连蛋白、纤连蛋白和弹性蛋白等多种组分。在年轻健康卵巢中，ECM为卵泡生长和卵母细胞成熟提供平衡的结构和生化环境。随着年龄增长，这种平衡被破坏，损害支持性微环境。衰老小鼠和猪卵巢研究显示胶原含量增加，表明ECM组成发生关键变化，导致结构更僵硬、对卵泡发育支持性减弱。小鼠卵巢衰老还与HA基质改变相关，基质中HA含量减少，与透明质酸酶（Hyal1）表达增加和HA合酶（Has3）表达减少相关，进一步促进ECM硬化。人类研究证实这些发现，记录了年龄相关性胶原增加以及对ECM弹性至关重要的fibrillin-1和EMILIN-1减少。最近的无标记定量蛋白质组学研究分析了小鼠卵巢蛋白质组和ECM，鉴定出58种随年龄显著改变的ECM蛋白。该研究还证实衰老卵巢中ECM重塑和免疫反应相关通路上调，进一步支持ECM变化在卵巢衰老中的作用。

年龄相关性ECM组成变化与纤维化导致卵巢硬度可测量增加。通过仪器压痕技术和衰老小鼠模型验证了这种硬度。通过原子力显微镜（AFM）和剪切波弹性成像（一种经阴道超声进行的无创方法）进行的额外弹性评估进一步证实人类研究中卵巢硬度随年龄增加。

ECM硬度也影响卵泡生长、细胞分化和卵泡内细胞区室之间的旁分泌通讯，最终影响卵母细胞质量。West等人证明，在软藻酸盐水凝胶中培养的卵泡比在硬水凝胶中培养的卵泡表现出更高的窦腔和卵泡膜形成率。此外，雄激素和孕酮在较软环境中更有效地转化为雌激素，而较硬条件有利于较高水平的雄激素或孕酮相对于雌激素。重要的是，在软藻酸盐水凝胶中培养的卵母细胞质量更高，表现为比在硬藻酸盐条件下更大的恢复减数分裂能力。最近，Pietroforte等人发现，在硬水凝胶中培养的卵泡显示存活和生长减少、颗粒细胞存活和雌激素合成降低以及卵母细胞质量较低。他们还观察到颗粒细胞和卵母细胞之间跨区投射数量减少，进一步表明卵泡内细胞通讯和支持受损。这些发现突出了僵硬ECM对卵巢微环境的有害影响，并强调ECM灵活性对最佳卵泡发育和卵母细胞质量的重要性。

3 关键机械感知和机械传导通路

机械感知和机械传导通路对于将ECM的机械线索转化为指导细胞行为的生化信号至关重要。这些通路调节细胞增殖、分化和凋亡等多种过程，对维持组织稳态必不可少。在衰老背景下，机械感知通路失调可加剧组织硬度，促进年龄相关病理。

3.1 转化生长因子-β（TGF-β）通路

TGF-β是纤维化的关键调节因子，驱动ECM沉积、组织硬化和炎症。它促进胶原和纤连蛋白等ECM组分积累，破坏ECM合成与降解之间的平衡。这种失衡导致纤维化和组织硬度增加。在肺中，ECM重塑是IPF等年龄相关疾病的关键因素。此外，TGF-β通过激活巨噬细胞和T细胞等免疫细胞（分泌IL-6和IL-8等促炎细胞因子）触发慢性炎症，进一步放大纤维化。TGF-β驱动的慢性炎症可加剧组织损伤，促进慢性呼吸系统疾病进展。这种持续炎症反应进一步恶化肺和卵巢功能并加速衰老。

3.2 YAP和TAZ通路

YAP/TAZ通路是响应ECM硬度的关键机械感知机制。YAP和TAZ是转录共激活因子，在细胞质和细胞核之间穿梭以影响与增殖、分化和存活相关的基因表达。在僵硬ECM中，YAP/TAZ易位至细胞核，与TEAD结合并促进增殖、ECM产生和收缩性相关基因。在柔软ECM中，它们保留在细胞质中，导致增殖减少和静息。在衰老组织中，持续的ECM硬度驱动连续YAP/TAZ激活，通过ECM硬化和细胞收缩性增加的正反馈环促进纤维化。肺中YAP/TAZ信号失调与纤维化增加和ECM沉积相关。在IPF等条件下，YAP/TAZ的异常激活有助于肺组织病理重塑，导致硬度增加和肺功能受损。在卵巢中，YAP/TAZ信号通路在调节卵泡发育、卵母细胞成熟和颗粒细胞增殖中起关键作用。研究表明，小鼠卵泡中卵泡硬度增加与某些下游YAP通路基因表达减少相关。

3.3 整合素/FAK通路

整合素/FAK信号通路是细胞粘附、迁移和机械传导的关键调节因子，对组织修复和重塑必不可少。整合素是连接ECM与细胞内信号的跨膜受体，FAK是关键下游效应器。在肺中，该通路调控组织重塑和纤维化。虽然成纤维细胞活性对伤口愈合至关重要，但衰老肺中持续激活促进过度ECM沉积，导致纤维化和组织硬度增加——IPF的标志。整合素-FAK信号还上调胶原和纤连蛋白等ECM组分，进一步放大硬度。用FAK抑制剂靶向整合素/FAK通路已显示缓解纤维化的潜力，因为这些抑制剂可减少成纤维细胞迁移和ECM产生，为年龄相关肺病提供潜在治疗途径。在卵巢中，整合素/FAK信号通路在卵母细胞成熟和排卵中起关键作用。各种整合素亚基在卵泡膜细胞、间质细胞、颗粒细胞和卵母细胞中以阶段特异性方式表达，突出该通路在卵巢过程中的参与。然而，衰老对该通路的影响仍不清楚。

3.4 Wnt/β-连环蛋白通路

Wnt/β-连环蛋白信号通路调节细胞增殖、分化和机械传导。它维持干细胞自我更新、组织稳态和ECM重塑。Wnt配体激活稳定β-连环蛋白，促进其核转位以驱动细胞增殖和ECM产生相关基因表达。该通路随衰老失调导致再生受损、组织硬度增加和年龄相关疾病进展。在肺中，Wnt/β-连环蛋白信号在调节ECM动力学和组织硬度中起核心作用。它影响胶原等ECM组分的沉积，直接影响肺组织的机械特性。衰老期间，Wnt/β-连环蛋白信号失调降低肺弹性并促进纤维化，如IPF中所见。IPF中该通路的持续激活有助于过度ECM沉积、瘢痕组织形成和肺功能丧失。在卵巢中，Wnt/β-连环蛋白通路对卵泡发育、黄体形成、类固醇产生和整体生育力至关重要。Wnt/β-连环蛋白信号失调与卵巢衰老、卵泡发生受损和卵巢肿瘤发展相关。该通路对ECM重塑和颗粒细胞增殖的影响影响卵母细胞质量和整体生殖能力。

3.5 RhoA/ROCK通路

RhoA/ROCK通路在调节细胞硬度和细胞骨架动力学中起重要作用。该通路通过调节肌动蛋白-肌球蛋白相互作用维持细胞收缩性，影响细胞形状、迁移和机械特性。RhoA/ROCK通路随衰老失调可增加细胞微环境硬度，驱动组织力学年龄相关变化并促进纤维化疾病。RhoA/ROCK通路在衰老相关纤维化和肺组织硬化中起关键作用。该通路激活促进胶原等ECM组分沉积，导致组织硬化和肺功能受损。该通路失调是IPF的标志，其中RhoA/ROCK信号慢性激活增强成纤维细胞收缩性、ECM产生和炎症。此正反馈环加剧肺纤维化并导致呼吸功能下降。RhoA/ROCK通路还影响卵巢细胞的结构完整性和收缩性，影响卵泡发育和卵巢癌进展。该通路失调可能有助于年龄相关卵巢功能障碍和生育力降低。

3.6 PI3K/Akt通路

PI3K/Akt通路是细胞存活、代谢和生长的关键调节因子。该通路被各种细胞外信号激活，导致Akt磷酸化和关键细胞过程的下游调节。PI3K/Akt通路随衰老失调与细胞微环境硬度增加、组织修复受损和纤维化疾病发展相关。在卵巢中，PI3K/Akt信号通路在卵泡发育、激活和原始卵泡存活中起关键作用。PI3K/PTEN/Akt轴控制休眠原始卵泡的募集和生长。研究表明，在ECM酶降解期间，PI3K/Akt通路激活导致FOXO3磷酸化和胞质滞留，从而解除卵泡休眠并促进卵泡激活。在肺中，PI3K/Akt通路影响ECM沉积和上皮-间质转化（EMT），两者都有助于组织硬化和纤维化。PI3K/Akt信号慢性激活增强ECM产生和纤维化，导致肺弹性和呼吸功能下降。

由于许多这些通路有助于肺和卵巢衰老，未来研究旨在进一步调查每个通路的作用对于开发针对年龄相关肺和卵巢疾病的治疗剂将很重要。

3.7 机械敏感信号通路在ECM重塑中的交互作用

TGF-β、YAP/TAZ、整合素-FAK和RhoA/ROCK通路形成复杂的信号网络，调节ECM重塑和细胞对机械刺激的反应。TGF-β是纤维化的关键驱动因子，通过SMAD依赖性转录促进ECM沉积，同时抑制Hippo通路活性，从而促进YAP/TAZ核定位并增强促纤维化基因表达。这种相互作用创建自我维持的正反馈环，因为激活的YAP/TAZ通过稳定SMAD蛋白和增强纤维化标志物转录进一步放大TGF-β信号。并行地，整合素-FAK信号作为检测ECM硬度变化并将其转化为细胞内信号的机械传感器。当ECM变硬时，整合素在粘着斑簇集，激活FAK，随后招募下游效应器以增强细胞粘附和细胞骨架组织。FAK激活还放大RhoA/ROCK信号，该通路负责细胞骨架收缩性和细胞张力。ROCK活性增加促进肌动球蛋白收缩，进而通过增加胶原交联和沉积使ECM变硬。此外，机械敏感YAP/TAZ信号与RhoA活性密切相关，因为RhoA驱动的肌动蛋白聚合促进YAP/TAZ核转位，进一步强化纤维化微环境。这种生化和生物力学信号的整合创建恶性循环，其中ECM硬化使纤维化信号永久化，导致进行性组织功能障碍。

3.8 机械敏感受体

机械敏感受体在感知细胞环境机械变化中起重要作用。在这些受体中，TRP通道和Piezo通道通过钙依赖性信号通路在纤维化中起关键作用，控制成纤维细胞激活、迁移、增殖和基质产生。TRP通道是在多种细胞类型中发现的离子通道。与纤维化相关，TRPV4涉及调节胶原产生和成纤维细胞活性。虽然机械刺激激活TRP通道，但它们也响应温度变化和化学信号。相比之下，Piezo通道特异性响应拉伸或压力等机械力。在纤维化中，Piezo1和Piezo2影响成纤维细胞行为并促进ECM产生和纤维化。

4 炎症衰老与衰老肺和卵巢

衰老与炎症衰老相关，该术语指随时间持续的低度炎症。慢性炎症日益被认为是纤维化和ECM硬化的关键驱动因子。在衰老卵巢中，参与免疫细胞募集的基因表达升高，以及独特的多核巨噬细胞巨细胞群体。这些细胞响应慢性炎症形成，类似于破骨细胞降解纤维化组织的能力。它们分泌IL-6和IL-8等促炎细胞因子，通过促进胶原产生加剧纤维化。驱动纤维化变化的IL-6水平升高也有助于生殖衰退。在肺中，持续炎症也可损伤肺组织并加剧肺功能下降。观察到IL-6水平升高，并与衰老和COPD早期发生相关。IL-6 KO小鼠表现呼吸弹性加速下降，特征为肺硬度增加和顺应性降低。IL-6缺失破坏ECM重塑，导致弹性纤维过度降解和随时间肺力学受损。肺中ECM重塑和慢性炎症结合增加发生COPD和IPF等慢性呼吸系统疾病的风险。仍有待确定肺中生物力学特性是衰老过程的结果，还是夸张炎症是影响肺功能的ECM重塑变化的驱动因子。未来研究对于确定这些过程的相对贡献将很重要。

5 雌激素和细胞硬度

卵巢是雌激素的主要激素来源。雌激素在肺衰老和调节细胞硬度中起重要作用。它对肺组织有保护作用，有助于维持其弹性和功能。雌激素影响ECM组成，减少胶原等纤维化组分的沉积，这些沉积可导致组织硬度。随着雌激素水平随年龄下降，特别是在绝经期间，这些保护作用减弱，增加炎症、纤维化和整体肺硬度。此外，雌激素调节参与细胞修复和再生的各种信号通路活性。其下降可损害这些过程，有助于肺功能恶化和COPD和IPF等年龄相关肺疾病进展。了解雌激素在肺衰老中的作用可帮助开发靶向治疗以减轻这些不利影响并改善老年人群肺健康。

6 机械药理学干预与抗纤维化剂

机械药理学干预解决组织硬度和影响细胞行为的机械传导通路，这通常发生在纤维化发展的早期。因此，靶向细胞机械特性可能提供纤维化变得广泛或不可逆之前的可能干预。这与旨在减少或逆转已形成纤维化变化的抗纤维化方法形成对比。纤维化是涉及多通路和细胞类型的复杂疾病，减少一个组分（如胶原）作为终点在这种意义上过于宽泛。抗纤维化剂还带有副作用。这在抗纤维化剂吡非尼酮中观察到，与胃肠道问题、皮肤反应、肝功能异常和疲劳等副作用相关，并需要与医疗保健提供者定期随访以有效管理和减轻这些副作用。另一方面，单克隆抗体BG00011通过αvβ6整合素抑制特异性干扰TGF-β的机械激活，靶向纤维化的机械传导方面。BG00011是在进行RGD结合整合素αvβ6和αvβ8抑制剂从头合成时发现的。这些整合素结合并激活TGF-β1和TGF-β3的潜在形式，驱动IPF等疾病。在博来霉素诱导的IPF小鼠中，给予BG00011大大改善肺功能。来自小型IIa期研究的结果显示，BG00011在IPF患者中耐受良好，在1 mg·kg^?1时通过减少pSMAD2表达证明有效抑制TGF-β1激活>70%。然而，在较高剂量（3 mg·kg^?1）BG00011治疗患者中，治疗方案结束时观察到急性IPF恶化（呼吸状态下降潜在风险）（包括一例死亡）。结论是需要更大研究以确认BG00011在低于3 mg·kg^?1剂量下对TGF-β1抑制的潜在剂量反应效应及其对呼吸状态改善的临床疗效。由于其特异性靶向，BG00011可能具有与现有抗纤维化剂更广泛作用不同的副作用特征和更少脱靶效应。但这取决于成功的临床试验。

其他候选药物包括simtuzumab，一种设计用于抑制LOXL2的单克隆抗体。LOXL2有助于参与维持结缔组织结构完整性的胶原和弹性蛋白纤维的形成和交联。抑制LOXL2减少胶原交联并改善正常和IPF成纤维细胞的功能性。然而，在IPF人源化小鼠模型中未证明任何预防或治疗效应，或在IPF患者中也是如此。其在减少纤维化中的广泛应用扩展到不仅肺纤维化，还包括肝纤维化、HIV、HCV和各种癌症状况，尽管关于疗效的结果目前混杂，但它仍是一个感兴趣的领域。

尽管对新型IPF治疗有相当热情，但两个III期随机试验——一个评估ziritaxestat，另一个评估zinpentraxin alfa——因安全问题、疗效不足或两者结合而提前停止。两种化合物均未成功减缓相对于安慰剂的用力肺活量减少。

机械敏感受体抑制剂为机械药理学治疗提供额外途径。TRPV4抑制剂（GSK2193874、HC067047）和Piezo通道抑制剂，如Yoda1类似物或PZ1抑制剂GsMTx-4，仍处于实验阶段，正在进行研究以评估其在各种纤维化状况中的安全性和疗效。

机械药理学干预提供有前景的策略以抵消卵巢硬度的不利影响，可能延长生殖健康并延迟卵巢衰老。通过靶向参与ECM刚度和机械传导的特定信号通路，这些干预旨在恢复更灵活和支持性的卵巢微环境，有利于卵泡发育。

BGP-15是一种羟肟酸衍生物，已在各种疾病模型中证明作为胰岛素增敏剂的疗效并改善线粒体功能。值得注意的是，Umehara等人研究观察到BGP-15治疗衰老小鼠增强卵巢基质细胞中的线粒体呼吸和脂肪酸氧化，而不改变糖酵解。这种线粒体功能改善伴随卵巢纤维化和胶原沉积减少，导致卵巢硬度降低。此外，BGP-15治疗诱导MMP13表达，促进胶原降解并改善卵母细胞释放。这些发现表明BGP-15增强细胞能量平衡并减少ECM硬度，从而支持衰老卵巢组织中卵母细胞质量和恢复力改善。

7 激素替代疗法在肺健康和生殖中的作用

HRT显著保护肺健康，特别是在绝经后妇女中。雌激素是HRT的关键组分，保护肺组织，有助于维持其弹性和功能。研究显示长期HRT与随时间肺功能损失减少相关，可能降低发生COPD和哮喘等慢性呼吸系统疾病的风险。HRT还可调节肺中炎症反应，这对预防可导致组织损伤和纤维化的慢性炎症至关重要。通过维持激素平衡，HRT有助于减轻常伴随衰老的肺功能下降。然而，HRT效应可能因个体健康状况和使用的特定配方而异。

8 差距、局限性、未来方向和结论

靶向纤维化和ECM硬度的机械药理学方法和HRT共同代表生殖和肺健康研究的重大突破。通过聚焦ECM刚性下的分子机制，这些治疗为保护肺功能和延长生育窗口提供有前景的策略。细胞衰老和免疫调节也有助于衰老，这方面许多综述可在别处找到。我们的综述聚焦ECM重塑在肺和卵巢衰老中的作用。虽然这些因素与衰老过程相关，但仍有待充分认识的是肺和卵巢衰老通过系统性激素变化和共享生物通路相互连接。两个器官随衰老经历细胞力学和ECM组成的改变。激素波动，特别是雌激素水平，在此过程中起重要作用。雌激素对肺组织有保护作用，其在绝经期间的下降可加剧肺衰老，导致炎症增加和纤维化。此外，肺和卵巢衰老涉及关于ECM变化的相似分子机制。这些共享通路有助于两个器官的组织硬度和再生能力降低。理解这些连接可帮助开发靶向治疗以减轻衰老对肺和卵巢的影响，最终改善整体健康和生活质量。

尽管有这些进步，但将机械药理学转化为临床实践仍存在关键挑战。ECM重塑的器官特异性复杂性使得开发普遍有效治疗具有挑战性，且当前临床前模型未能完全复制人类ECM硬度和衰老相关生物力学变化。此外，虽然胶原减少是重要的抗纤维化终点，但它不排他性定义机械药理学干预。相反，此类干预应包括关键机械敏感分子的直接调节。例如，BG00011（αvβ6整合素抑制剂）和simtuzumab（LOXL2抑制剂）特异性靶向参与机械感知的组分。相比之下，吡非尼酮等药物尽管在减少纤维化方面有效，但不主要通过机械感知通路起作用。此外，机械传导靶向药物的脱靶效应带来风险，需要精确剂量和组织特异性递送。缺乏稳健生物标志物进一步使治疗评估复杂化。克服这些障碍需要跨学科方法，结合生物工程模型、先进生物材料和高分辨率成像以改进药物筛选和验证。未来研究应聚焦增强衰老相关机械药理学的特异性、安全性和生理相关模型。

8.1 靶点和配体命名

本文中关键蛋白靶点和配体超链接至相应条目，并永久归档于Concise Guide to PHARMACOLOGY 2023/24。