冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生機(jī)制的研究進(jìn)展

伍 玲(綜述),佘 強(qiáng)(審校)

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院心內(nèi)科，重慶 400010)

脊椎動(dòng)物的心臟是產(chǎn)生有效血液循環(huán)、為機(jī)體的組織及器官提供氧和營養(yǎng)的泵器官。在心臟的發(fā)育及工作過程中，結(jié)構(gòu)及功能正常的冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)的形成是保證心臟自身營養(yǎng)和氧供的基礎(chǔ)，對心臟的正常工作至關(guān)重要。閉合的、有效的胚胎冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)的發(fā)生及形成是胚胎繼續(xù)發(fā)育及存活的前提，先天冠狀動(dòng)脈異?？蓪?dǎo)致重大心血管畸形。

近年來，心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生率呈逐年上升的趨勢，其中冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)相關(guān)疾病嚴(yán)重威脅著人類健康。冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病患者發(fā)生心肌梗死的原因是冠狀血管的阻塞導(dǎo)致心肌缺血，若能有效地誘導(dǎo)冠狀血管的修復(fù)及再生，心肌梗死等心血管疾病的晚期治療水平將有很大提高。因此，了解冠狀血管各成分的發(fā)生機(jī)制，將有利于利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)誘導(dǎo)血管修復(fù)及再生工程的進(jìn)展，有利于提高冠狀血管疾病的治療水平。

冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的形成依賴于內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞的正常發(fā)育，任何一類細(xì)胞的發(fā)育缺陷都可導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)異?！，F(xiàn)將從冠狀血管的發(fā)生、血管平滑肌細(xì)胞的來源、血管發(fā)生相關(guān)基因及信號(hào)通路等方面進(jìn)行綜述,并展望其研究前景。

1 冠狀血管發(fā)生的概述

早期心臟的發(fā)育始于小鼠E8.0日(人胚卡耐基胚胎發(fā)育10階段)，由中胚葉背側(cè)板分化成的線形心管，原始心管僅由心肌及多層內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成，無冠狀血管，其接受的氧和營養(yǎng)靠內(nèi)皮細(xì)胞的簡易擴(kuò)散。在E8.5～E9.5日(人胚卡耐基胚胎發(fā)育10～11階段)，由于心臟四腔室結(jié)構(gòu)的形成及心肌壁增厚，氧及營養(yǎng)的簡易擴(kuò)散將受到限制，此時(shí)冠狀動(dòng)脈系統(tǒng)的形成成為必需。

冠狀血管的發(fā)育由多種分子機(jī)制及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與。細(xì)胞譜系的決定、定向細(xì)胞遷移、上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)現(xiàn)象的調(diào)控及細(xì)胞分化是冠狀血管發(fā)育的標(biāo)志。大部分冠狀血管的細(xì)胞成分都由心外膜分化形成，還可能與靜脈竇、心房肌起源過程有關(guān)。

2 血管平滑肌細(xì)胞來源概述

血管平滑肌譜系的發(fā)育錯(cuò)綜復(fù)雜?；蜃V計(jì)劃確定了至少八種獨(dú)立的血管平滑肌細(xì)胞的前體細(xì)胞[2-3]，每種前體細(xì)胞均有不同的譜系背景。這些前體細(xì)胞均可分化為平滑肌細(xì)胞，且均能表達(dá)平滑肌細(xì)胞的標(biāo)志基因如： SMαActin(Acta2)，SM22α(Tagln)，SM-calponin(Cnn1)，SM-MHC(Myh11)。不同分化通路來源的前體細(xì)胞如何向平滑肌細(xì)胞分化，及其在細(xì)胞遷移、增殖過程中的作用均不甚清楚。

與血管內(nèi)皮細(xì)胞不同，不同部位的血管平滑肌細(xì)胞起源可不同，如大動(dòng)脈管壁平滑肌細(xì)胞多來源于背側(cè)神經(jīng)管上皮前體細(xì)胞[4]，而降主動(dòng)脈平滑肌主要來源于表達(dá)Pax3及FoxC2的體節(jié)上皮細(xì)胞[5-6]。

關(guān)于冠狀血管平滑肌細(xì)胞的來源，既往研究認(rèn)為，近端冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞來源于神經(jīng)嵴，其余部分來源于前體心外膜及心外膜[7]，而冠狀靜脈平滑肌細(xì)胞來源于心房肌細(xì)胞[8]?，F(xiàn)在大多研究者認(rèn)為冠狀血管平滑肌細(xì)胞主要來源于心外膜前體，即小鼠胚胎E8.5日出現(xiàn)在竇房連接處的短暫的間皮細(xì)胞的聚集[9-10]。

3 心外膜基因與冠狀血管平滑肌細(xì)胞

心外膜是由前體心外膜衍生形成，包被于心臟表面，具有多向分化潛能的多能間充質(zhì)細(xì)胞。心外膜基因譜系示蹤提示，前體心外膜細(xì)胞可分化為管周成纖維細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞及冠狀血管內(nèi)皮細(xì)胞[11]。對于冠狀血管平滑肌細(xì)胞，心外膜是最重要的來源，其參與調(diào)節(jié)冠狀血管平滑肌細(xì)胞的發(fā)生。

Wt1 是心外膜發(fā)育過程中具有重要調(diào)節(jié)作用的轉(zhuǎn)錄因子，其對心外膜及泌尿生殖道的發(fā)育具有重要作用[12-14]。Wt1在心外膜前體、心外膜及心外膜衍生細(xì)胞中均有表達(dá)，現(xiàn)被看作是心外膜的標(biāo)志基因之一?，F(xiàn)代研究可示蹤心外膜前體的分化命運(yùn)，其經(jīng)EMT參與大部分心肌細(xì)胞及部分冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成[15]。研究表明，Wt1缺失可導(dǎo)致竇房結(jié)頭部、心室、心房及主動(dòng)脈部分結(jié)構(gòu)消失，心外膜下間充質(zhì)減少及其向冠狀血管分化的功能喪失[15]。Wt1與心臟損傷后血管及心肌的修復(fù)有關(guān)[16-17]。

Tbx18是近年來發(fā)現(xiàn)的一個(gè)參與心臟發(fā)育調(diào)節(jié)的重要基因，其在哺乳動(dòng)物胚胎期心外膜、四肢、輸尿管及體節(jié)等部位均有表達(dá)[18-19]。有研究表明，Tbx18來源的心外膜祖細(xì)胞(Tbx18+ cardiacprogenitorcells，Tbx18+CPCS)可向竇房結(jié)起搏細(xì)胞、心室心房壁細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞及成纖維細(xì)胞遷移分化[20]，可能還參與心臟損傷后心肌及血管的修復(fù)及再生[17]。Tbx18在冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成過程中也至關(guān)重要，利用小鼠示蹤模型示蹤Tbx18基因及其衍生細(xì)胞，體內(nèi)及體外試驗(yàn)結(jié)果均提示Tbx18+CPCS參與冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成[20]。

Tcf21(Pod1)是一種在雞胚及小鼠胚胎前體心外膜、心外膜及心外膜衍生細(xì)胞中表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子[21]。Tcf21基因缺失可導(dǎo)致子代新生期的死亡，其死亡原因與肺、腎、脾等器官的缺陷有關(guān)，間質(zhì)Tcf21的表達(dá)與肺及腎的上皮形態(tài)發(fā)生密切相關(guān)。在心臟冠狀血管發(fā)育方面，cf21陽性細(xì)胞可誘導(dǎo)分化為心臟成纖維細(xì)胞及冠狀血管平滑肌細(xì)胞[22]。若Tcf21基因缺失，心臟成纖維細(xì)胞前體細(xì)胞會(huì)停留在心外膜而不發(fā)生EMT，而心臟平滑肌細(xì)胞則會(huì)出現(xiàn)異常的增多及過早表達(dá)，這種作用可能與維甲酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)相關(guān)[23]。

4 冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生相關(guān)信號(hào)通路

4.1心外膜EMT 心外膜祖細(xì)胞是心臟內(nèi)部心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等細(xì)胞的重要來源，細(xì)胞的定向分化決定了心外膜細(xì)胞發(fā)生EMT的能力。多種信號(hào)可激活心外膜EMT，這些信號(hào)作用于特定效應(yīng)器使細(xì)胞間黏附力減弱、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和極性改變，并減少了細(xì)胞外基質(zhì)。心外膜EMT包括細(xì)胞角蛋白向波形蛋白的轉(zhuǎn)化，但波形蛋白在EMT過程中使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變的確切機(jī)制尚不明確[24]。

心外膜EMT過程與多種信號(hào)的調(diào)控有關(guān)。轉(zhuǎn)錄生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)最初被認(rèn)為是EMT過程的抑制因子之一，但近來的研究表明其可促進(jìn)EMT的發(fā)生[25]。成纖維細(xì)胞生長因子被認(rèn)為與心外膜祖細(xì)胞經(jīng)EMT分化為心肌細(xì)胞有關(guān)[26]。血小板源生長因子BB、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子等雖不直接影響心外膜EMT過程，但可影響心外膜EMT后細(xì)胞的命運(yùn)[27]。

心臟冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生起源可分為心外膜及其衍生細(xì)胞來源以及心肌細(xì)胞來源。心外膜EMT是心臟冠狀血管平滑肌細(xì)胞的主要來源。多種與EMT相關(guān)的生長因子通過影響心外膜EMT而影響冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成，某些基因及信號(hào)通路也可直接影響心臟冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成，如Notch信號(hào)通路、Wnt1/β聯(lián)蛋白通路、TGF-β及維甲酸等。

4.2Notch信號(hào)通路 Notch信號(hào)通路在決定細(xì)胞命運(yùn)、分化、增殖、凋亡以及再生等過程中具有重要作用。有研究表明，Notch受體是重要的心血管疾病調(diào)節(jié)因子，對心臟損傷可能有保護(hù)作用，其介導(dǎo)心肌保護(hù)作用的機(jī)制是復(fù)雜的，包括防止心肌細(xì)胞凋亡、再次激活心臟祖細(xì)胞及促進(jìn)新生血管形成等[28]。

有研究認(rèn)為，Notch通路是心外膜向冠狀血管遷移分化的中間通路，其在心臟損傷后的修復(fù)及再生過程中具有重要作用[28-29]。Pérez-Pomares等[30]的研究表明，大量Notch通路相關(guān)受體及配體在心外膜及冠狀血管發(fā)育過程中表達(dá)。前體心外膜及心外膜中Notch信號(hào)通路唯一胞內(nèi)介質(zhì)Rbpj轉(zhuǎn)錄因子的缺失可導(dǎo)致冠狀血管嚴(yán)重的形態(tài)異常，且Rbpj缺陷的胚胎其心外膜祖細(xì)胞可向冠狀動(dòng)脈分化，但不能形成有效的冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞。Notch信號(hào)通路的活化可導(dǎo)致心外膜細(xì)胞過早分化為平滑肌細(xì)胞[29]。Notch信號(hào)通路對心臟冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成起重要作用。

4.3TGF-β通路 TGF-β分子信號(hào)家族同樣是參與調(diào)節(jié)心外膜分化及心臟冠狀血管發(fā)生的重要信號(hào)通路。在冠狀血管發(fā)生過程中，TGF-β受體在心外膜及心肌膜周圍區(qū)域均有表達(dá)[31]，TGF-β1主要在E12.5日小鼠心外膜呈不連續(xù)表達(dá)，后主要在流出道區(qū)域表達(dá)，TGF-β2主要在E9.5～E10.5日小鼠前體心外膜及心外膜表達(dá)，TGF-β3僅在小鼠E11.5日心外膜形成后開始有表達(dá)，持續(xù)至E15.5日之后。

體外試驗(yàn)表明，TGF-β配體可促進(jìn)前體心外膜及心外膜EMT的發(fā)生，TGF-β2基因剔除可導(dǎo)致冠狀血管嚴(yán)重畸形[31-32]。TGF-βⅠ型及Ⅲ型受體在冠狀血管發(fā)育過程中起著重要作用，TGF-βⅠ型受體ALK5缺失的小鼠胚胎，心外膜EMT未完全阻斷，但心外膜向心肌細(xì)胞分化的通路被擾亂，其冠狀血管能夠形成，但較正常細(xì)且有淤血，在發(fā)育過程中冠狀動(dòng)脈的重構(gòu)出現(xiàn)障礙，冠狀血管中平滑肌細(xì)胞標(biāo)志物表達(dá)明顯減少[32]。以上結(jié)果表明，在冠狀血管平滑肌細(xì)胞的形成及分化過程中，TGF-β信號(hào)通路起重要作用。

4.4Wnt/β聯(lián)蛋白通路 Wnt通路是多種生物如果蠅和小鼠心臟發(fā)育過程中至關(guān)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，心臟發(fā)育過程中有多種Wnt相關(guān)受體的表達(dá)[33]。標(biāo)準(zhǔn)的Wnt通路的發(fā)生依賴于β聯(lián)蛋白的作用。心外膜缺失β聯(lián)蛋白基因可導(dǎo)致孕晚期胚胎或新生小鼠死亡。β聯(lián)蛋白缺失的小鼠因心肌細(xì)胞增殖障礙所以心肌較薄，且心外膜間質(zhì)層減少，故心外膜EMT減少。雖然這種基因剔除小鼠的冠狀動(dòng)脈發(fā)生障礙，但冠狀靜脈發(fā)育完整。研究表明，β聯(lián)蛋白基因缺失小鼠的冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)育障礙，且心外膜體外培養(yǎng)試驗(yàn)表明，該小鼠心外膜細(xì)胞中加入TGF-β后仍不能表達(dá)平滑肌細(xì)胞的標(biāo)志物[34]。以上結(jié)果表明，Wnt/β聯(lián)蛋白通路在冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)育過程中也具有重要作用。

4.5其他信號(hào)通路 與冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生機(jī)制相關(guān)的信號(hào)通路除上所述外，還有一些通路及細(xì)胞因子如維甲酸、血小板生長因子BB、成纖維細(xì)胞生長因子等可通過影響心外膜EMT或直接影響平滑肌細(xì)胞的分化而調(diào)節(jié)冠狀血管平滑肌細(xì)胞的發(fā)生[30]，且不同信號(hào)通路之間并不是各自作用而是相互影響，共同調(diào)節(jié)冠狀血管平滑肌細(xì)胞的發(fā)生。

5 展 望

冠狀血管平滑肌細(xì)胞的發(fā)生是由多種細(xì)胞因子、多條信號(hào)通路相互作用的復(fù)雜的過程。這些發(fā)生機(jī)制可能在成人心臟損傷后也被激活，并可能在心臟疾病的治療及心肌和血管的修復(fù)中起重要作用。故了解冠狀血管平滑肌細(xì)胞的發(fā)生機(jī)制可能對心臟損傷后血管的修復(fù)及再生有重要意義。通過大量的研究，了解了部分與冠狀血管平滑肌細(xì)胞發(fā)生相關(guān)的胚胎基因及其信號(hào)通路，但如何利用這些基因或怎樣使信號(hào)通路激活或失活以達(dá)到調(diào)節(jié)血管平滑肌細(xì)胞的增殖仍需進(jìn)一步探索。

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