Col23a1 作为一种存在于细胞外基质（ECM）中的信号分子，在锑诱导的肺纤维化过程中驱动依赖于 DDR1-p38/ERK 通路的细胞外基质重塑（EMT）过程

《Chemico-Biological Interactions》：Col23a1 acts as an ECM-resident signal to drive DDR1-p38/ERK-dependent EMT in antimony-induced pulmonary fibrosis

　　

摘要

锑（Sb）的暴露会导致肺纤维化，但其分子机制尚不清楚。通过使用慢性Sb暴露小鼠模型结合单细胞RNA测序，我们发现Col23a1是在II型肺泡上皮细胞（AEC II）中高表达且特异性表达的胶原蛋白，其表达与上皮-间质转化（EMT）相关。进一步分析表明，Col23a1在细胞外基质（ECM）中富集，并与圆盘素结构域受体1（DDR1）结合，激活p38和ERK1/2的磷酸化，从而驱动AECs的EMT。蛋白质-蛋白质相互作用筛查确定了P4HA1作为与Col23a1相互作用的候选分子，分子对接支持这种潜在的相互作用。功能上，P4HA1稳定了Col23a1并促进了其在ECM中的沉积，而DDR1-p38/ERK信号通路则反过来维持了P4HA1的表达，形成了一个自我放大的正反馈循环。药物抑制DDR1或p38/ERK以及P4HA1的敲低均减轻了Sb诱导的AECs EMT。重要的是，通过AAV6-SPC-shCol23a1在小鼠中特异性敲低AEC中的Col23a1显著减少了体内的纤维化重构和EMT，且来自Col23a1敲低肺的ECM无法在未受影响的上皮细胞中诱导EMT，这证实了ECM中的Col23a1是驱动这种纤维化信号的功能组分。总体而言，这些发现确立了Col23a1-DDR1-p38/ERK自我放大轴作为Sb诱导肺纤维化的驱动因素，为理解Sb的肺毒性提供了机制框架，并将该轴确定为潜在的治疗靶点。

引言

锑（Sb）是一种具有广泛应用价值的类金属物质，包括用于阻燃剂、铅酸电池、聚对苯二甲酸乙二醇酯催化剂和半导体合金[1]、[2]、[3]、[4]。采矿、冶炼和制造活动将Sb释放到环境中，造成了职业和居住环境中的暴露风险。人们已经投入了大量努力，使用先进材料（如氧化石墨烯/施韦特曼石纳米复合材料）来检测和去除环境中的Sb，这些材料表现出高效的Sb(V)吸附能力[5]。美国环境保护署和欧盟已将Sb列为优先污染物，美国政府工业卫生学家会议将可吸入Sb颗粒物的职业暴露限值定为0.5 mg/m³[6]。长期职业性吸入Sb化合物已被证实会导致呼吸道刺激、慢性支气管炎、肺气肿以及一种称为锑肺病的特定类型的尘肺病，其特征是胸部X光片上出现弥漫性小结节[1]。然而，尽管有明确的证据表明Sb暴露会导致呼吸道毒性，但导致纤维化重塑的肺纤维化后果及其分子机制仍不清楚。

肺纤维化是一种进行性的、常常致命的间质性肺部疾病，其特征是肌成纤维细胞的异常激活、过多的细胞外基质（ECM）沉积以及不可逆的肺泡结构破坏[7]、[8]、[9]。II型肺泡上皮细胞（AEC II）的损伤和异常修复越来越被认为是纤维化级联反应的起始事件[10]。AEC损伤之后的一个关键病理过程是上皮-间质转化（EMT），在此过程中上皮细胞失去其极性表型并获得间质细胞特征，包括增强的迁移能力和ECM成分的产生[11]。EMT已被牵涉到多种环境暴露（包括PM2.5和砷、镍、铜等重金属）引起的肺纤维化的发病机制中[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。尚不清楚Sb暴露是否同样通过EMT程序促进肺纤维化，如果确实如此，通过哪些分子介质实现这一过程仍然未知。

ECM不再被视为被动的结构支架。ECM成分及其动态重塑通过激活细胞表面受体（如整合素和受体酪氨酸激酶）以及细胞内信号通路，主动调节细胞命运决策，包括EMT[18]。在ECM成分中，胶原蛋白传统上被视为提供组织抗拉强度的结构蛋白[19]。然而，越来越多的证据表明某些胶原蛋白种类作为信号分子，能够将微环境信号传递给邻近和远处的细胞[18]。跨膜胶原蛋白（包括类型XIII、XVII、XXIII和XXV）特别值得关注，因为它们可以经历蛋白水解性外域脱落，将其外域释放到细胞周围基质中，在那里可能起到局部信号剂的作用[20]。研究表明，跨膜胶原蛋白的外域脱落可以调节细胞粘附、迁移和增殖，这种作用依赖于基质[20]。其中，胶原蛋白XXIII（由Col23a1编码）是一种II型跨膜胶原蛋白，在肺和其他上皮组织中高度表达，定位于上皮细胞表面，并被认为参与细胞间接触和上皮极化[21]。胶原蛋白与特定受体（包括整合素和圆盘素结构域受体（DDRs）的结合可以激活细胞内激酶级联反应，影响细胞表型和ECM重塑[22]。然而，ECM中的特定胶原蛋白-受体轴是否参与Sb诱导的肺纤维化仍不清楚。

为了解决这些问题，我们将慢性Sb吸入暴露小鼠模型与单细胞RNA测序（scRNA-seq）相结合，系统地鉴定Sb诱导肺纤维化的分子介质。Col23a1是一种在AECs中高表达且特异性表达的跨膜胶原蛋白，其表达与EMT特征相关。我们观察到Sb暴露小鼠和MLE-12细胞培养物的ECM中Col23a1的富集，并发现ECM中的Col23a1与DDR1结合，激活p38/ERK并驱动EMT。进一步分析确定P4HA1是这一轴的关键调节因子：P4HA1稳定Col23a1蛋白并促进其在ECM中的沉积，而DDR1-MAPK信号通路则反过来维持P4HA1的表达，形成了一个维持纤维化信号的正反馈循环。在小鼠中特异性敲低AEC中的Col23a1减轻了Sb诱导的EMT和纤维化重构。这些发现定义了一个先前未被识别的ECM驱动的信号轴，在Sb诱导的肺纤维化中起作用，并将Col23a1及其下游效应物确定为潜在的治疗靶点。

章节片段

动物模型和治疗

8周大的C57BL/6雄性小鼠（体重20-25克）在标准条件下饲养（25 ± 1 °C，50 ± 5%湿度，12小时光照/黑暗周期）。经过7天的适应期后，使用随机数表将小鼠随机分为两组（每组10只）：对照组和Sb暴露组。Sb暴露剂量基于当前的空气传播Sb化合物的职业暴露限值（500 μg/m³）。考虑到小鼠的呼吸速率（24 mL/min）

Sb暴露在小鼠中诱导肺纤维化

为了研究Sb的肺毒性，我们通过每隔一天鼻内滴注Sb溶液（1.04 mg/mL）建立了慢性暴露模型，持续28天，基于职业暴露限值。使用H&E、Masson和Sirius Red染色进行的组织学评估显示，与对照组相比，Sb暴露的肺部出现了明显的纤维化重构（图1A），并伴有显著的肺指数增加（图1B）。在分子水平上，纤维化相关

讨论

在这项研究中，我们阐述了Sb暴露如何驱动肺纤维化的信号级联反应。Sb在AECs中上调Col23a1的表达，该蛋白沉积到ECM中并激活DDR1，触发p38/ERK的磷酸化，从而促进EMT。这一轴通过P4HA1介导的正反馈循环得到加强，在该循环中P4HA1稳定Col23a1蛋白并促进其在ECM中的沉积，而由此产生的DDR1-p38/ERK信号通路反过来维持P4HA1的表达。在小鼠中特异性敲低AEC中的Col23a1

结论

总之，我们发现了一个自我放大的P4HA1-Col23a1-DDR1-p38/ERK调节轴，它驱动Sb诱导的EMT并促进肺纤维化。在这个循环中，P4HA1稳定Col23a1并促进其在ECM中的沉积；ECM中的Col23a1随后与DDR1结合，激活p38/ERK并诱导EMT，而p38/ERK信号通路反过来维持P4HA1的表达。在小鼠中特异性敲低AEC中的Col23a1减少了体内纤维化重构，表明这一轴是一个潜在的治疗靶点。

CRediT作者贡献声明

李鑫：撰写 – 原稿，方法学，数据管理。杨玲：资金获取。戴振珍：方法学。苏莉灵：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，资金获取。周燕：资金获取。吴若彤：方法学。陈思齐：资金获取。陈丽荣：数据管理

伦理声明

本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究获得了江西医学学院机构动物护理和使用委员会（LACUC）的批准。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据将根据请求提供。

关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作期间，作者使用了Bohrium和DeepSeek工具来帮助总结实验结果并完善手稿的逻辑结构。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金[资助编号 82360641]；江西省自然科学基金[资助编号 20232BAB206138；江西省教育厅[资助编号 GJJ203401；GJJ2405903]的科技研究项目的支持。

Xin Li|Lirong Chan|Siqi Chen|Ruotong Wu|Zhenzhen Dai|Ling Yang|Yan Zhou|Liling Su

江西省教育厅重金属健康危害与预防重点实验室，江西医学院，上饶，中国