主動脈瓣鈣化發(fā)病機制的研究進展

高佳斌　徐志云

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主動脈瓣鈣化發(fā)病機制的研究進展

高佳斌徐志云

主動脈瓣鈣化是復雜的多因素參與的異位鈣化的過程，可引起主動脈瓣狹窄，嚴重時導致血流動力學改變，甚至猝死，換瓣手術治療是目前唯一有效的方法。主動脈瓣鈣化的發(fā)病機制包括瓣膜內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)變、瓣膜間質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)變、細胞外基質(zhì)重塑、新生微血管、血流動力學影響以及其他相關因素。

主動脈瓣鈣化；發(fā)病機制；信號通路

主動脈瓣鈣化是涉及內(nèi)皮損傷、脂質(zhì)浸潤、慢性炎癥、基質(zhì)重構、細胞分化、鈣鹽沉積及新生血管形成等復雜變化的主動過程。正常的主動脈瓣是沒有血管的三葉結構，可分為3層，靠近主動脈的纖維層、中間的松質(zhì)層和心室面的心室肌層。各層由瓣膜間質(zhì)細胞及其分泌的細胞外基質(zhì)(膠原、彈性蛋白、氨基葡聚糖)組成，最外層由瓣膜內(nèi)皮細胞覆蓋。 瓣膜內(nèi)皮細胞通過調(diào)節(jié)滲透性、炎癥細胞黏附和信號的分泌轉(zhuǎn)導，維持瓣膜內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。在疾病發(fā)生過程中，局部或者循環(huán)中各種因素的刺激都可能引起細胞和細胞外基質(zhì)的功能和形態(tài)改變，最終導致主動脈瓣鈣化。

1　瓣膜內(nèi)皮細胞的轉(zhuǎn)變

在胚胎發(fā)育過程中，瓣膜的生長涉及內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)變(EndMT)的過程，瓣膜內(nèi)皮細胞能獲得類似于間充質(zhì)細胞特征的表型。目前研究發(fā)現(xiàn)成人的瓣膜內(nèi)皮細胞在轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、機械應力、炎癥介質(zhì)等刺激下都可發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，失去原有的血管內(nèi)皮功能。一氧化氮的產(chǎn)生受阻可引起瓣膜間質(zhì)細胞的增殖和向成骨細胞分化[1]、活性氧簇(ROS)產(chǎn)物的增加，促炎癥反應通路的激活，并表達α-平滑肌肌動蛋白Ⅰ型膠原和波形蛋白，且ROS的蓄積是血管壁礦物沉積的重要病理因素[2]。通過轉(zhuǎn)錄因子Msx2和β-鏈蛋白信號通路，進一步向周圍組織擴散[3]。一旦EndMT發(fā)生，瓣膜內(nèi)皮細胞就參與到瓣膜的病理性纖維化，或者同時出現(xiàn)向成骨細胞表型分化。瓣膜內(nèi)皮細胞的EndMT通過纖維化，促細胞外基質(zhì)重塑，聚集成骨細胞參與主動脈瓣鈣化的發(fā)生發(fā)展[4]。

2　瓣膜間質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)變

在主動脈瓣膜鈣化的病理過程中，另一個可能的機制是正常休眠狀態(tài)的瓣膜間質(zhì)細胞活化，并向成骨細胞表型轉(zhuǎn)變，聚集鈣磷等無機鹽離子細胞發(fā)生鈣化。瓣膜間質(zhì)細胞發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程可能涉及多個跨膜信號轉(zhuǎn)導[5],其中較典型的介質(zhì)包括骨形成蛋白(BMP)、Wnt蛋白、NOTCH蛋白。

2.1BMP

BMP是TGF-β超家族的一員，能刺激成骨細胞形成骨組織，BMP通過活化Smad1、5、8信號通路，上調(diào)成骨基因轉(zhuǎn)錄因子Msx2和Runx2，一旦信號通路激活細胞即產(chǎn)生一系列鈣化相關蛋白，如骨橋蛋白和骨鈣蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，主動脈瓣鈣化狹窄的患者血清中成骨因子Runx2和骨橋蛋白較正常人明顯增多，骨橋蛋白還可以作為多功能的促炎癥細胞因子引起組織炎癥反應和組織重構，包括纖維化和血管生成[6-7]。Yamamoto等[8-9]發(fā)現(xiàn)，退行性主動脈疾病保守治療的患者服用華法林加速了主動脈瓣鈣化狹窄，可能與華法林阻礙了維生素K依賴的基質(zhì)Gla蛋白(MGP)的活化，而被羧基酶活化的基質(zhì)Gla蛋白(cMGP)較多存在于瓣膜內(nèi)皮細胞，非活化的MGP則存在于瓣膜間質(zhì)細胞中，2種形式的MGP都能阻礙BMP的合成，故考慮BMP與主動脈瓣鈣化有關。

2.2Wnt蛋白

低密度脂蛋白受體相關蛋白5(LRP5)作為Wnt蛋白的跨膜受體，通過Wnt-LRP5復合物介導使得細胞核中β-鏈球蛋白和堿性磷酸酶(ALP)水平升高，細胞外基質(zhì)發(fā)生重塑，并誘導瓣膜間質(zhì)細胞向骨形成細胞轉(zhuǎn)化[10]。

2.3NOTCH蛋白

NOTCH1作為NOTCH跨膜信號通路的一種蛋白，能夠正性調(diào)控內(nèi)皮細胞中MGP的表達[11]，同時與hey1/2作用，抑制Runx2的活性。然而，改變NOTCH信號通路并不能改變血管平滑肌細胞中MGP的表達,可見主動脈瓣的組織特性與動脈系統(tǒng)的血管不同。

3　細胞外基質(zhì)重塑

正常的主動脈瓣膜中環(huán)形的Ⅰ型和Ⅲ型膠原纖維被破壞后，原本適應于主動脈側(cè)的瓣膜面對于血流產(chǎn)生的剪切力耐受下降，影響內(nèi)皮細胞功能。同時促進瓣膜間質(zhì)細胞分泌透明質(zhì)烷和膠原，而新生的這些細胞外基質(zhì)成分通常結構紊亂，無應有的生理功能，使得原本富有彈性的瓣膜不斷增厚，逐漸發(fā)生纖維化，影響瓣膜的活動[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，鈣化的瓣膜與正常瓣膜相比，其基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-1、2、3、9)和組織蛋白酶(S、K、V、G)表達明顯升高[13]。這些酶類的激活可以降解膠原和彈性蛋白，并形成促炎癥反應多肽，破壞瓣膜的完整性，并能夠促進炎癥反應，使鈣化結節(jié)進一步增大[14]。

4　新生微血管

主動脈瓣鈣化的另一個特征是瓣膜的血管新生，正常的主動脈瓣沒有血管，而在鈣化的主動脈瓣中，在炎癥細胞浸潤的區(qū)域、鈣化灶的邊緣可見微小動脈，且通過組織學分析發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的細胞可以表達內(nèi)皮標志物Tie-2、血管內(nèi)皮生長因子受體2以及α平滑肌肌動蛋白，進一步證實了鈣化的主動脈瓣中有新生的微血管。Heistad等[15]對鈣化性主動脈瓣狹窄患者術中取下的鈣化瓣膜進行免疫組化染色及冰凍切片觀察，不僅發(fā)現(xiàn)巨噬細胞、肥大細胞、T淋巴細胞以及平滑肌細胞，還可檢測到大量氧化低密度脂蛋白、激活的炎癥細胞以及新生血管。肥大細胞能夠分泌類胰蛋白酶，下調(diào)軟骨調(diào)節(jié)素-1(ChM-1)，促進血管內(nèi)皮生長，誘導血管生成[16]。新生的血管形成后可以加速局部組織細胞的代謝凋亡，使炎癥細胞、脂質(zhì)及其他促進鈣化的信號分子更容易轉(zhuǎn)運，加速主動脈瓣的鈣化。

5　血流動力學的影響

正常主動脈瓣能適應血流的機械應力，當機體出現(xiàn)長期的血壓升高、升主動脈擴張等改變時，會引發(fā)一系列血流動力學改變。湍流和渦流等使主動脈瓣受力情況改變，在血流不斷沖擊和波動的機械應力的直接作用下，主動脈瓣容易鈣化。在先天性二尖主動脈瓣疾病病程中，患者的二尖瓣葉常較正常三尖主動脈瓣者提前20年鈣化，即在50歲左右就發(fā)生鈣化，其特殊的結構影響了血流動力學[17]。Mahler等[18]通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，與高值而穩(wěn)定的血流剪切力相比，不穩(wěn)定的剪切力能上調(diào)EndMT以及炎癥相關基因和蛋白的表達。Wang等[19]在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，高脂血癥和血流剪切力都能增加血清TGF-β1水平，同時可以活化TGF-β1，并通過經(jīng)典(p-Smad2/3)和非經(jīng)典(p-Erk1/2)途徑誘導粒細胞發(fā)生改變，參與炎癥反應，加重主動脈瓣膜的鈣化。

6　主動脈瓣鈣化其他相關的因素

6.1脂質(zhì)

高膽固醇及其相關的脂蛋白，尤其是氧化的低密度脂蛋白和氧化的磷脂是疾病發(fā)展的獨立危險因素[20]。血漿中升高的脂質(zhì)在瓣膜內(nèi)皮不斷聚集，逐漸侵入瓣膜間質(zhì)，同時被氧化的脂質(zhì)具有高度的細胞毒性，作用于內(nèi)皮細胞及肌成纖維細胞，激活炎性反應并啟動鈣化相關信號通路，導致主動脈瓣鈣化狹窄[21]。磷脂酶-A2(Lp-PLA2)在狹窄的主動脈瓣和瓣膜間質(zhì)細胞鈣化的過程中表達明顯增加，它能夠以氧化的磷脂作為底物，產(chǎn)生脂肪酸和溶血磷脂酰膽堿(LPC)[22]。

然而ASTRONOMER研究[23]發(fā)現(xiàn)，除了明顯的血脂和C反應蛋白的降低，他汀類降脂藥物并沒有延緩主動脈瓣鈣化狹窄的病程，脂質(zhì)在主動脈瓣鈣化中的作用有待進一步研究。

6.2鈣磷代謝

主動脈瓣鈣化可能與老年人全身鈣磷代謝紊亂有關。Yang等[24]的臨床試驗顯示，血中增高的鈣、磷、堿性磷酸酶、甲狀旁腺激素和降低的25-羥維生素D都與鈣化性主動脈瓣疾病的發(fā)展和嚴重程度相關，其可能的原因是甲狀旁腺激素使得血中破骨細胞增多，骨微結構破壞，鈣轉(zhuǎn)移至血液，導致血鈣水平增高，血鈣在軟組織中沉淀即產(chǎn)生異位鈣化。Drolet等[25]在模擬主動脈瓣鈣化狹窄的動物實驗中發(fā)現(xiàn)，單純的高膽固醇血癥(高膽固醇飲食)或者鈣化因素(維生素D喂養(yǎng))并不能導致主動脈瓣的鈣化狹窄，而同時暴露在高膽固醇血癥和維生素D喂養(yǎng)的實驗組瓣膜面積縮小，瓣膜上出現(xiàn)鈣化斑塊。

然而也有研究發(fā)現(xiàn)，主動脈瓣鈣化與鈣劑攝入之間沒有明顯的相關性[26]。大樣本回顧性研究發(fā)現(xiàn)，超過5年的隨訪中二膦酸鹽并沒有減慢主動脈瓣鈣化狹窄病程，患者生存率和主動脈瓣置換手術率也沒有降低[27]，故鈣磷代謝與主動脈瓣鈣化間的關系尚有待進一步研究。

6.3炎癥

抗衰老基因Klotho缺陷的實驗鼠和人發(fā)生鈣化性主動脈瓣疾病時，血清中前列腺素環(huán)加氧酶2(COX2)表達增加，COX2不但參與炎癥反應的激活，而且在骨形成和骨修復中有重要作用，促進成骨基因的表達和瓣膜間質(zhì)細胞的鈣化。使用塞來昔布(選擇性COX2抑制劑)可減少Klotho基因缺陷大鼠的瓣膜鈣化和瓣膜間質(zhì)細胞成骨基因的誘導[28]。

綜上所述，主動脈瓣鈣化是復雜的多因素參與的異位鈣化的過程。

[1]El Accaoui RN,Gould ST,Hajj GP,et al.Aortic valve sclerosis in mice deficient in endothelial nitric oxide synthase [J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2014,306(9):H1302-1313.

[2]洪墨納，高平進.氧化應激在血管鈣化中的作用 [J].國際心血管病雜志,2013,40(3):148-150.

[3]Piera-Velazquez S,Li Z,Jimenez SA.Role of endothelial-mesenchymal transition (endomt) in the pathogenesis of fibrotic disorders [J].Am J Pathol,2011,179(3):1074-1080.

[4]Rattazzi M,Pauletto P.Valvular endothelial cells:Guardians or destroyers of aortic valve integrity? [J].Atherosclerosis,2015,242(2):396-398.

[5]袁昭順,馮翔，廖曉波.主動脈瓣鈣化性狹窄的異位鈣化機制 [J].國際心血管病雜志,2014(2):69-71.

[6]Yang X,Meng X,Su X,et al.Bone morphogenic protein 2 induces runx2 and osteopontin expression in human aortic valve interstitial cells:role of smad1 and extracellular signal-regulated kinase 1/2 [J].J Thorac Cardiovasc Surg,2009,138(4):1008-1015.

[7]Bostrom KI,Rajamannan NM,Towler DA.The regulation of valvular and vascular sclerosis by osteogenic morphogens [J].Circ Res,2011,109(5):564-577.

[8]Yamamoto K,Yamamoto H,Takeuchi M,et al.Risk factors for progression of degenerative aortic valve disease in the Japanese-the Japanese aortic stenosis study (JASS) prospective analysis [J].Circ J,2015,79(9):2050-2057.

[9]Yamamoto K,Yamamoto H,Yoshida K,et al.prognostic factors for progression of early-and late-stage calcific aortic valve disease in japanese:the japanese aortic stenosis study (jass) retrospective analysis [J].Hypertens Res,2010,33(3):269-274.

[10]Esen E,Chen J,Karner CM,et al.WNT-LRP5 signaling induces Warburg effect through mTORC2 activation during osteoblast differentiation [J].Cell Metab,2013,17(5):745-755.

[11]White MP,Theodoris CV,Liu L,et al.NOTCH1 regulates matrix gla protein and calcification gene networks in human valve endothelium [J].J Mol Cell Cardiol,2015,84:13-23.

[12]Stephens EH,Shangkuan J,Kuo JJ,et al.Extracellular matrix remodeling and cell phenotypic changes in dysplastic and hemodynamically altered semilunar human cardiac valves [J].Cardiovasc Pathol,2011,20(5):e157-167.

[13]Park JY,Ryu SK,Choi JW,et al.Association of inflammation,myocardial fibrosis and cardiac remodelling in patients with mild aortic stenosis as assessed by biomarkers and echocardiography [J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2014,41(3):185-191.

[14]Chen JH,Simmons CA.Cell-matrix interactions in the pathobiology of calcific aortic valve disease:critical roles for matricellular,matricrine,and matrix mechanics cues [J].Circ Res,2011,108(12):1510-1524.

[15]Heistad DD,Shanahan C,Demer LL.Introduction to the compendium on calcific aortic valve disease [J].Circ Res,2013,113(2):176-178.

[16]de Souza DAJ,Borges AC,Santana AC,et al.Mast cell proteases 6 and 7 stimulate angiogenesis by inducing endothelial cells to release angiogenic factors [J].PLoS One,2015,10(12):e0144081.

[17]Saikrishnan N,Mirabella L,Yoganathan AP.Bicuspid aortic valves are associated with increased wall and turbulence shear stress levels compared to trileaflet aortic valves [J].Biomech Model Mechanobiol,2015,14(3):577-588.

[18]Mahler GJ,Frendl CM,Cao Q,et al.Effects of shear stress pattern and magnitude on mesenchymal transformation and invasion of aortic valve endothelial cells [J].Biotechnol Bioeng,2014,111(11):2326-2337.

[19]Wang W,Vootukuri S,Meyer A,et al.Association between shear stress and platelet-derived transforming growth factor-beta1 release and activation in animal models of aortic valve stenosis [J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2014,34(9):1924-1932.

[20]Smith JG,Luk K,Schulz CA,et al.Association of low-density lipoprotein cholesterol-related genetic variants with aortic valve calcium and incident aortic stenosis [J].JAMA,2014,312(17):1764-1771.

[21]Gao X,Zhang L,Gu G,et al.The effect of oxLDL on aortic valve calcification via the Wnt/beta-catenin signaling pathway:an important molecular mechanism [J].J Heart Valve Dis,2015,24(2):190-196.

[22]Mahmut A,Boulanger MC,El Husseini D,et al.Elevated expression of lipoprotein-associated phospholipase A2 in calcific aortic valve disease:implications for valve mineralization [J].J Am Coll Cardiol,2014,63(5):460-469.

[23]Chan KL,Teo K,Dumesnil JG,et al.Effect of lipid lowering with rosuvastatin on progression of aortic stenosis:results of the aortic stenosis progression observation:measuring effects of rosuvastatin (ASTRONOMER) trial [J].Circulation,2010,121(2):306-314.

[24]Yang ZK,Ying C,Zhao HY,et al.Mineral metabolism disturbances are associated with the presence and severity of calcific aortic valve disease [J].J Zhejiang Univ Sci B,2015,16(5):362-369.

[25]Drolet MC,Couet J and Arsenault M.Development of aortic valve sclerosis or stenosis in rabbits:role of cholesterol and calcium [J].J Heart Valve Dis,2008,17(4):381-387.

[26]Muhammad N,Yap SE,Seet D,et al.Does oral calcium intake or body habitus relate to the degree of valvular calcification and adverse events in patients with severe aortic stenosis? [J].Int J Cardiol,2015,180:74-75.

[27]Aksoy O,Cam A,Goel SS,et al.Do bisphosphonates slow the progression of aortic stenosis? [J].J Am Coll Cardiol,2012,59(16):1452-1459.

[28]Wirrig EE,Gomez MV,Hinton RB,et al.COX2 inhibition reduces aortic valve calcification in vivo [J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2015,35(4):938-947.

(收稿：2016-02-23修回：2016-06-07)

(本文編輯：丁媛媛)

200433上海，第二軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院胸心外科

徐志云，Email:zhiyunx@hotmail.com

10.3969/j.issn.1673-6583.2016.04.006