徐林
(沈陽醫(yī)學院沈洲醫(yī)院心胸外科,遼寧 沈陽 110002)
肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension,PAH)是臨床較為常見且治療困難的肺心血管疾病,WHO將PAH定義為持續(xù)性的肺動脈高壓增高,在靜息狀態(tài)下肺動脈平均壓(mPAP)>25 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa),或運動時mPAP>30 mmHg,同時伴平均肺小動脈楔壓和左室舒張末壓<15 mmHg[1]。PAH分為原發(fā)性和繼發(fā)性2種,原發(fā)性極少。繼發(fā)性PAH較為常見,主要發(fā)生于高原低氧環(huán)境或因各種慢性阻塞性肺疾病導(dǎo)致的缺氧引起的肺血管反應(yīng)失調(diào),又稱為低氧性PAH;此外,繼發(fā)性PAH還常見于先天性心臟病患者。該病的主要病理特征為肺動脈血管收縮和肺血管重建并呈閉塞性病變,疾病常呈進行性發(fā)展,最終導(dǎo)致嚴重的心功能障礙而死亡。就其發(fā)病機制方面仍無明確定論。
肺血管收縮和(或)血管內(nèi)皮細胞受損后引起的一系列肺血管重構(gòu)變化,是啟動和維持PAH的重要機制。研究表明,多種因素參與肺血管重構(gòu):(1)缺氧、鉀離子通道表達減少及功能受損;(2)5羥色胺(5-HT)及5-HT轉(zhuǎn)運體含量升高;(3)骨形成蛋白2型受體基因突變[2]及Suruivin、鉀離子通道、AGT-1、Tenascin-c等細胞凋亡因子作用。(4)線粒體和細胞凋亡均與細胞低氧密切相關(guān)。因此,如何阻止及逆轉(zhuǎn)肺血管重構(gòu)是有效防治PAH的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文就上述細胞凋亡因子與PAH的研究進展予以綜述。
由于低氧引起血管內(nèi)皮細胞損傷后, 血管內(nèi)皮合成和分泌的各種血管舒縮因子平衡失調(diào)導(dǎo)致早期的肺血管收縮 (hypoxic pulmonary vasoconstriction,HPV) 以及后期的肺血管重塑。血管內(nèi)皮細胞對于維持血管正常發(fā)育和生長平衡有重要意義, 作為機體內(nèi)最大的內(nèi)分泌器官,它可合成和分泌多種細胞因子、 生長因子, 維持內(nèi)環(huán)境平衡。實驗證實, 缺氧可促進內(nèi)皮細胞的凋亡、 脫落, 細胞功能異常使合成、 分泌的各種血管舒縮因子失調(diào), 導(dǎo)致肺血管痙攣、 重塑、 產(chǎn)生缺氧性肺動脈高壓(hypoxic-induced pulmory hypertension,HPH)肺動脈平滑肌改變,肺動脈平滑肌細胞 (pulmonary artery smooth muscle cells,PASMC) 既是肺血管收縮的效應(yīng)細胞, 也是引起結(jié)構(gòu)改建的細胞基礎(chǔ)。缺氧條件下, PASMC出現(xiàn)增殖性改變, 并與缺氧時間相關(guān), 說明PASMC的增殖是導(dǎo)致缺氧性肺血管重塑的直接原因, 其增殖性改變與凋亡指數(shù)無直線相關(guān)關(guān)系, 增殖過程中不伴有凋亡水平的顯著變化。
PASMC中電壓門控鉀通道與HPH發(fā)生關(guān)系最為密切。研究發(fā)現(xiàn), 缺氧時鉀通道受抑制, 導(dǎo)致PASMC去極化、 膜電位降低, Ca2+內(nèi)流增加, 肺動脈平滑肌收縮, 啟動HPV[3]。缺氧性肺血管重建:鉀通道還有保持細胞增生和凋亡平衡功能, 當鉀通道功能降低時, 細胞凋亡受到抑制, 導(dǎo)致肺血管重構(gòu)[4]。
目前研究表明,在肺部5-HT主要與肺血管平滑肌細胞(pulmonary vascular smooth muscle cells,PVSMC)上的5-HT1B/1D及5-HT2A受體結(jié)合引起肺血管收縮[5]。另外5-HT還具有促細胞有絲分裂作用,可以通過細胞膜SERT轉(zhuǎn)入PVSMC內(nèi),引起PVSMC增殖[6]。而肺中小動脈平滑肌增殖是引起肺血管阻力增加、肺動脈壓升高的主要原因。因此,目前認為5-HT參與PAH形成的機制與誘導(dǎo)肺血管收縮和肺血管構(gòu)型重塑有關(guān)。
5-HT作為潛在的促進PAH形成的血管活性因子,人們已對其進行了大量的研究。細胞學實驗表明,5-HT能在微摩爾的濃度范圍內(nèi)引起PASMC增殖[7]。動物實驗表明,給予外源性5-HT可以誘導(dǎo)大鼠PAH的形成[8];5-HT合成限速酶色胺酸羥化酶(Thl)基因敲除可以抑制肺血管機構(gòu)重塑[9];應(yīng)用SERT抑制劑阻斷5-HT轉(zhuǎn)入細胞內(nèi)可以抑制大鼠PAH的形成[10]。臨床研究發(fā)現(xiàn),PAH患者血漿中5-HT濃度比正常人群高30倍[11]。通過對5-HT作用機制研究,目前認為5-HT主要通過激活Ras/Rac-MAPK途徑,活化核轉(zhuǎn)錄因子,引起細胞的增生肥大[12]。實驗表明在5-HT作用下牛PASMC中ERKl/ERK2激酶磷酸化作用在5 min內(nèi)增強了5~7倍,而用MAPKK阻斷劑PD-98059可以阻斷5-HT促DNA合成作用[13]。目前對于此信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的具體過程尚不十分清楚,可能與GTP酶激活蛋白酪氨酸磷酸化、Ras及活性氧簇等有關(guān)[14]。
骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)是轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族內(nèi)的最大的細胞因子群[15]。BMP調(diào)節(jié)各種細胞的生長、分化、凋亡[2]。TGF-β超家族Ⅱ型受體特異配體與骨成型蛋白受體-Ⅱ(bone morphogenetic protein receptor-Ⅱ,BMPR-Ⅱ)結(jié)合后,啟動細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[16]。BMP9通過BMPR-Ⅱ和活化素受體樣激酶(activin receptorlike kinase-1,ALK-1)組成的復(fù)合物完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[17]。在配體結(jié)合后, Ⅱ型受體磷酸化細胞內(nèi)Ⅰ型受體?;罨蘑裥褪荏w磷酸化胞漿信號蛋白,即Smads,完成TGF-β超家族的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[18]。BMPs信號通過受體介導(dǎo)Smads(R-Smads) 的限制性部位(如:Smads-1,-5,-8)與伴侶Smad(Co-Smad)、Smad-4組成復(fù)合物,易位到細胞核。在Smad泛素化調(diào)控因子(Smad ubiquitination and regulatory factors,Smurfs)[19]和Smad磷酸酶作用下切斷細胞內(nèi)Smad信號通路[20]。
在肺內(nèi),BMPR-Ⅱ在肺動脈血管內(nèi)皮高度表達,在PASMC和成纖維細胞少量表達。BMPR-Ⅱ在BMPR-Ⅱ基因突變的肺動脈表達減少;BMPR-Ⅱ基因無突變的特發(fā)性肺動脈高壓(idiopathic pulmonary arterial hypertension,IPAH)患者肺血管BMPR-Ⅱ也是減少的[21]。不論是否有基因突變,BMPR-Ⅱ表達的減少可能對于PAH發(fā)病至關(guān)重要。BMPR-Ⅱ基因突變的患者和非典型IPAH,Smad1/5的磷酸化程度同樣在肺動脈血管內(nèi)皮降低。實際上,BMPs可能在上述這些細胞誘導(dǎo)凋亡。BMPs的生長抑制作用已被證實具有Smad1依賴性。但是,在從1~2mm直徑肺動脈分離的PASMC上,BMPs 2,4卻刺激增生[21]。這種BMPs的前增殖效應(yīng)取決于ERK1/2和p38MAPK的活化。Smad和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)通路在細胞內(nèi)被同等程度激活,但是信號整合途徑可能不同。整合過程可能發(fā)生在重要的轉(zhuǎn)移因子家族水平上,即DNA結(jié)合(Id基因)抑制因子水平上[22]。
血管內(nèi)皮細胞對BMPs的反應(yīng)取決于特異性BMP配體。內(nèi)皮細胞增殖、移位,形成管狀結(jié)構(gòu)以適應(yīng)BMP4和BMP6的作用[22]。另外,BMPs保護內(nèi)皮細胞免于凋亡[23]。研究表明,通過BMPR-Ⅱ和ALK-1的作用,BMP9可能抑制了肺動脈血管內(nèi)皮細胞增生。siRNA敲除BMPR-Ⅱ,增加肺動脈血管內(nèi)皮細胞凋亡的易感性。BMPs在肺動脈內(nèi)皮細胞與內(nèi)皮細胞下層PASMC作用相反,在此基礎(chǔ)上有學者提出一種假設(shè)[24]:即,內(nèi)皮細胞BMPR-Ⅱ功能的減低可能促進增加內(nèi)皮的凋亡,破壞了內(nèi)皮屏障,從而使細胞因子進入,激活血管彈性蛋白酶。內(nèi)皮細胞凋亡高發(fā)生率導(dǎo)致內(nèi)皮細胞凋亡-耐受克隆的發(fā)生,下層的PASMC暴露在生長因子下而不斷分化增生。
此外,有研究表明PAH動物的BMPR-Ⅱ mRNA表達減少[25]。在野百合堿(monocrotaline,MCT)誘導(dǎo)的鼠模型上,通過腺病毒轉(zhuǎn)染BMPR-Ⅱ到氣道不能阻止PAH的發(fā)生[26]。然而,在慢性低氧性大鼠模型上,BMPR-Ⅱ靶基因轉(zhuǎn)染到肺動脈內(nèi)皮可明顯減少PAH的發(fā)生[27]。利用基因敲除鼠證實了BMP通路在早期胚胎發(fā)生和血管發(fā)育起關(guān)鍵作用[28]。當雜合子BMP+/-小鼠暴露于過度表達的白細胞介素-1β或5-HT時,與同窩出生野生型小鼠相比,更容易發(fā)生PAH[29]。因此,當暴露于其他環(huán)境刺激因子時,BMPR-Ⅱ功能喪失,增加PAH發(fā)生率。由此有學者提出“雙擊”假設(shè)[30],即由基因蓄積和(或)易感人群環(huán)境因素導(dǎo)致血管異常。正常水平的BMPR-Ⅱ轉(zhuǎn)基因小鼠在發(fā)育過程中,約有10%存在BMPR-Ⅱ siRNA表達過度。這些小鼠不能發(fā)展成PAH,但可發(fā)展成遺傳性毛細血管擴張癥(伴有血管擴張和貧血)[31]。而敲除BMPR-Ⅱ的小鼠則較易出現(xiàn)PAH[32]。
血管生成素(angiopoietin,Ang)是一類具有強大的促血管生長作用的細胞因子。Ang家族包括4種,Ang-1,Ang-2,Ang-3和Ang-4。Ang-1是一種低聚糖蛋白,Ang-1基因定位于8q22,分子質(zhì)量約70 ku,全長498氨基酸,含3個結(jié)構(gòu)域。Ang配體通過血管內(nèi)皮特定的酪氨酸激酶Tie2發(fā)揮作用[30]。
Ang-1由血管平滑肌細胞和周細胞分泌。Tie2在內(nèi)皮細胞上表達,是一種跨膜受體[33]。在正常成人肺內(nèi)Ang-1表達極少,而Tie2表達較多[34];然而在大多數(shù)非家族性PAH中,Ang-1卻過度表達[35]。Ang-1通過在肺血管內(nèi)皮細胞酪氨酸磷酸化,激活Tie2受體[36]。有研究表明,與對照組相比,人類PAH肺組織內(nèi),Tie2磷酸化水平增加了4倍[37]。Ang-1基因過度表達可誘導(dǎo)大鼠形成PAH[38]。Ang-1轉(zhuǎn)基因動物表現(xiàn)出肺血管內(nèi)皮細胞Tie2磷酸化增高和肺小動脈SMC增生[39]。
另外,Ang-1可通過激活絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶Akt(serine/threonine protein kinase Akt),上調(diào)凋亡抑制因子Survivin,穩(wěn)定細胞活力抑制凋亡。體外實驗證明,常規(guī)情況下,內(nèi)皮細胞在缺乏生長因子的培養(yǎng)基內(nèi)變圓、皺縮和出泡等變化,Ang-1的存在可阻止上述情況的發(fā)生并減少DNA碎片的含量,減少細胞膜外Annexin V陽性的內(nèi)皮細胞數(shù)目等凋亡細胞指標[40]。體內(nèi)研究表明,可溶性的Ang-1突變體經(jīng)靜脈輸入體內(nèi)后,大部分滯留于小腸絨毛靜脈和肺靜脈等微靜脈網(wǎng)內(nèi),而較少在肝內(nèi),其滯留可顯著減輕放射性所致的內(nèi)皮細胞凋亡[41]。
這一領(lǐng)域存在爭議。Ang-1可以防止MCT和缺氧誘導(dǎo)的大鼠PAH的發(fā)展。研究者將Ang-1轉(zhuǎn)染入PASMC后,經(jīng)右頸靜脈注入MCT所誘導(dǎo)的PAH大鼠體內(nèi),28 d后轉(zhuǎn)染的Ang-1恒定地表達于接受治療的大鼠肺組織中并發(fā)揮作用,上調(diào)了MCT所抑制的Tie2受體水平,明顯降低了PAH大鼠第28天的死亡率,右室收縮壓也明顯下降。MCT還導(dǎo)致了微循環(huán)細胞凋亡的增加和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)mRNA表達的減少,轉(zhuǎn)染Ang-1后,可明顯改善上述改變[42]。
Survivin作為凋亡抑制蛋白家族中的新成員,具有以下功能:(1)抑制凋亡:可以抑制多種刺激因子引起的凋亡。Survivin抑制細胞凋亡的機制十分復(fù)雜,可能存在多種途徑:①抑制凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的上游通路[43]:將Survivin陰性突變質(zhì)粒轉(zhuǎn)染細胞后,可觀察到誘導(dǎo)線粒體釋放細胞色素C、caspase-9的活性增加,細胞凋亡被誘導(dǎo),進一步證實了Survivin有抑制細胞色素C釋放的作用;抑制下游的效應(yīng)caspase活化:桿狀病毒凋亡抑制蛋白重復(fù)子功能區(qū)能直接抑制下游的效應(yīng):caspase-3和caspase-7的活化,含1個BIR功能區(qū)的Survivin被證實可能也具有這種功能,它能與caspase-3和caspase-7結(jié)合并抑制其活化,從而阻斷了多種因子如Fas、化療藥物誘導(dǎo)的細胞凋亡的發(fā)生。②促進IAP家族其他成員的功能:Survivin能與IAP分子抑制物次級線粒體衍生caspase活化因子集合,解除SMAC對其他IAP家族成員的抑制作用,從而增強了X染色體連鎖的凋亡蛋白劑等其他IAP分子對凋亡的抑制作用,間接發(fā)揮抗凋亡作用。③存在非caspase依賴途徑:Shankar等[23]在2株來源于神經(jīng)系統(tǒng)的人成神經(jīng)細胞瘤和少突膠質(zhì)細胞瘤中以同等條件轉(zhuǎn)染反義Survivin寡核苷酸,均可下調(diào)Survivin表達,誘導(dǎo)細胞凋亡,在細胞株少突膠質(zhì)細胞瘤此過程中可觀察到caspase-3活化,使用caspase廣譜拮抗劑亦不能拮抗反義Survivin寡核苷酸誘導(dǎo)細胞凋亡的作用,表明在某些腫瘤細胞株中Survivin對凋亡的抑制作用可能存在著非caspase依賴途徑[21]。(2)促進細胞增殖:Survivin在細胞分裂過程中起重要作用,促進細胞增殖。細胞周期依賴性因子和細胞周期同源性區(qū)域是特異性存在于G2/M期的表達基因,人類Survivin基因的啟動子含有3個CDE和1個CHR,所以Survivin的表達具有細胞周期性,只在G2/M期表達, Survivin mRNA及其蛋白選擇性在有絲分裂期間增多。Survivin能對抗G2/M期凋亡的誘導(dǎo),過度表達可以逃逸凋亡切點,通過有絲分裂促進轉(zhuǎn)化細胞異常增殖。Fortugno等[21]認為,在有絲分裂細胞中,Survivin存在一個亞細胞池,80%的Survivin與有絲分裂中期的中心體和微管結(jié)合并發(fā)生重要作用。應(yīng)用反義RNA技術(shù),反義Survivin除了引起自發(fā)凋亡外,還引導(dǎo)異常的有絲分裂的出現(xiàn),其特點是多個中心體、多極有絲分裂紡錘體的形成、胞質(zhì)移動障礙和多核細胞的形成。
MecMutry等[37]研究發(fā)現(xiàn),所有PAH患者重構(gòu)的PASMC中均有Survivin表達,而繼發(fā)于肺栓塞的PAH患者和非PAH患者的肺動脈中則沒有發(fā)現(xiàn)其表達。Sakao等[38]發(fā)現(xiàn)血管高剪切力可以導(dǎo)致內(nèi)皮細胞表達Survivin。體內(nèi)試驗證實,當血管平滑肌細胞暴露于血管生長因子如血小板衍生因子(plateletderived growth factor,PDGF)時,Survivin表達增加。由野百合堿誘導(dǎo)PAH的大鼠,早期內(nèi)皮損傷,使肺動脈平滑肌暴露于血管生長因子,從而使Survivin表達增加。MecMutry等[44]對野百合堿誘發(fā)PAH大鼠進行研究,發(fā)現(xiàn)重構(gòu)的肺動脈平滑肌中有Survivin表達,而正常肺動脈中則沒有。而且,重度PAH大鼠肺動脈平滑肌中可見Survivin過度表達。體內(nèi)、外試驗均顯示,抑制肺血管壁細胞Survivin的過度表達可以促使PASMC凋亡、抑制細胞增殖、線粒體去極化導(dǎo)致細胞色素C從胞質(zhì)中流出、凋亡誘導(dǎo)因子轉(zhuǎn)移到細胞核、增加鉀離子通道開放,從而逆轉(zhuǎn)肺血管重構(gòu)。
Survivin靶向治療在腫瘤治療中已取得一些成功經(jīng)驗,但在治療PAH方面尚處于動物實驗研究中。MecMutry等[44]證實PAH的肺血管凋亡像腫瘤組織中的一樣同樣受到抑制,并且將載有表達磷酸化缺陷Survivin突變體的腺病毒對PAH大鼠進行吸入治療后,生存率提高25%,同時大鼠的PAH發(fā)展過程也呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的趨勢,肺血管阻力、右心室肥大程度均有所減小。抑制Survivin的表達可以減少增殖、促進凋亡,抑制肺血管細胞過度生長,逆轉(zhuǎn)PAH并改善心功能,從而降低PAH,提高生存率。
但是,正常細胞也可能有Survivin激活的途徑,特別是在血管平滑肌細胞,血管損傷亦可使Survivin表達增加;而且,Survivin的過度表達在肺血管重構(gòu)發(fā)生之前還是繼發(fā)于肺血管重構(gòu)之后尚不明確,Survivin在PAH形成過程中的具體作用機理有待進一步研究。
Tenascin-C是存在于細胞外基質(zhì)的一種糖蛋白。在高壓型動物和人類中,表達于損傷和重構(gòu)的PASMC間層[45],隨著PASMC增生而增加[46]。其次,Tenascin-C促進PASMC增生和存活。通過群集和酪氨酸激酶受體(例如,內(nèi)皮生長因子受體)的活化,外源性的Tenascin-C由可溶性的生長因子(包括內(nèi)皮生長因子和基質(zhì)成纖維因子)激活,加快PASMC的增生[47]。另外,研究表明,在分離于野百合堿誘導(dǎo)PAH小鼠的PASMC和肺動脈上,通過反義過程抑制Tenascin-C,誘導(dǎo)了PASMC凋亡和受損肺血管的退化[48]。
低氧刺激后,肺循環(huán)發(fā)生HPV,這有利于血液進入灌注良好的肺血管,維持通氣血流比例平衡,然而持續(xù)HPV會導(dǎo)致肺泡長期缺氧從而引起肺血管重構(gòu)、PAH。
近年來研究發(fā)現(xiàn),線粒體與細胞凋亡以及細胞低氧感受密切相關(guān),并在PAH發(fā)病機制中起到非常重要的作用。研究發(fā)現(xiàn),單個PASMC在低氧刺激下可以發(fā)生收縮反應(yīng),表明PASMC可以直接感受缺氧并引起HPV。研究認為,HPV反應(yīng)是雙相的,在短暫的收縮反應(yīng)(第一期)后緊隨者緩慢而持續(xù)的收縮(第二期)。第一期發(fā)生在缺氧刺激后幾秒鐘內(nèi),被認為是急性反應(yīng),不依賴于內(nèi)皮組織的存在。相反,第二期發(fā)生在缺氧刺激幾分鐘后,但在慢性缺氧過程中可以持續(xù)幾個小時到幾天。此期的發(fā)生有賴于完整內(nèi)皮組織的存在,與內(nèi)皮源性縮血管因子(內(nèi)皮素-1)有關(guān)。
線粒體膜間隙存在多種促凋亡因子,如細胞色素C、凋亡誘導(dǎo)因子、Ca2+。而位于內(nèi)膜的腺苷酸轉(zhuǎn)位因子和位于外膜的電壓依賴性陰離子通道等蛋白組成線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(PT孔)。細胞應(yīng)激反應(yīng)或凋亡信號引起線粒體PT孔開放,線粒體跨膜電位下降,膜間隙促凋亡因子cytc、AIF、Ca2+等釋放入胞質(zhì)。其中cytc與凋亡活化因子、caspsae-9、dATP形成凋亡體,激活caspase-3,引發(fā)caspases級聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致細胞凋亡。
總之,多種途徑引起PASMC增殖增多,凋亡受到抑制,導(dǎo)致肺血管中膜增厚和重構(gòu)。凋亡在PAH形成過程中起重要作用。在上述機制研究中,有關(guān)骨形成蛋白及其受體的機制的研究較為充分;Tenascin-C相應(yīng)的研究則較少。在Ang-1研究出現(xiàn)爭論的同時,針對鉀通道的藥物已經(jīng)進入臨床應(yīng)用。越來越多的研究表明,Survivin在PAH中表達較特異,因此,Survivin靶向治療可能成為PAH的治療的新方法。
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