動脈導(dǎo)管的開閉及其細(xì)胞分子機(jī)制*

楚 沖， 董念國

1華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院心血管外科，武漢 430022 2Institute for Cardiovascular Prevention Ludwig-Maximilians University Munich，Munich 80336，Germany

動脈導(dǎo)管的開閉及其細(xì)胞分子機(jī)制*

楚 沖1，2， 董念國1△

1華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院心血管外科，武漢 4300222Institute for Cardiovascular Prevention Ludwig-Maximilians University Munich，Munich 80336，Germany

前列腺素E2； 動脈導(dǎo)管未閉； 先天性心臟病； 離子通道

動脈導(dǎo)管是一種連接于降主動脈近端和左肺動脈起始部的血管結(jié)構(gòu)[1-2]。對于胎兒循環(huán)，動脈導(dǎo)管開放是必須的，血液經(jīng)此通路從高壓肺動脈流入低壓主動脈。出生后10～15 h，伴隨自主呼吸和肺循環(huán)阻力下降，流經(jīng)動脈導(dǎo)管血液逐漸減少，管壁平滑肌收縮而自行閉合。80%兒童約在生后3個(gè)月完成動脈導(dǎo)管解剖閉合，成為動脈韌帶[3]，若超過1歲仍未閉合，并出現(xiàn)病理生理改變，即為動脈導(dǎo)管未閉(patent ductus arteriosus，PDA)。這種現(xiàn)象雖臨床認(rèn)識較早，且對先天性心臟病的研究和診治意義很大，但至今機(jī)制不明，本文就相關(guān)問題作一簡單探討。

1 PDA病理狀態(tài)

1.1 單純PDA

單純PDA是一種較常見的簡單先天性心臟病，發(fā)病率可達(dá)先天性心臟病總數(shù)的12%～15%。由于主動脈壓高于肺動脈壓，導(dǎo)致主動脈血經(jīng)未閉合的動脈導(dǎo)管持續(xù)流入肺動脈，形成體循環(huán)到肺循環(huán)分流[3-4]。

該病變早期且分流量小時(shí)，癥狀通常較輕，胸骨第2肋間連續(xù)性雜音等臨床表現(xiàn)不明顯，經(jīng)常是在超聲心動圖檢查時(shí)被偶然發(fā)現(xiàn)。然而左向右分流使體循環(huán)血流減少，左室代償性作功增加，同時(shí)流入肺循環(huán)血流增多，左室負(fù)荷加重，可引起左室肥厚、擴(kuò)大甚至心衰。若肺循環(huán)血量持續(xù)增加，肺小動脈可出現(xiàn)反應(yīng)性痙攣，形成動力性肺高壓。隨著肺高壓發(fā)展，右心負(fù)荷明顯加重，可引起右心室肥厚、擴(kuò)大甚至心衰。一旦形成阻力性肺高壓，肺動脈壓超過主動脈壓，動脈導(dǎo)管呈現(xiàn)雙向或逆向分流，即形成Eisenmenger綜合征，此時(shí)單純阻斷動脈導(dǎo)管已無法改善病理后果。

1.2 PDA依賴型復(fù)雜先天性心臟病

對于某些特殊類型的先天性心臟病，肺循環(huán)或體循環(huán)血液幾乎完全依賴未閉合的動脈導(dǎo)管分流，如果動脈導(dǎo)管關(guān)閉，患者可能無法存活。此類復(fù)雜先天性心臟病可被分為以下3種[5-7]。

①右心梗阻型：例如嚴(yán)重法洛四聯(lián)癥、肺動脈重度狹窄、室間隔完整型肺動脈閉鎖等。由于右室流出道梗阻，右心室與肺動脈不能直接相通，來自動脈導(dǎo)管的氧合血對肺循環(huán)至關(guān)重要。動脈導(dǎo)管開放可使體循環(huán)血氧飽和度維持在70%以上，從而保證組織供氧和維持動脈血正常pH值；若動脈導(dǎo)管閉合，則發(fā)生嚴(yán)重的低氧血癥和代謝性酸中毒，危及生命[8-9]。

②左心梗阻型：例如嚴(yán)重主動脈瓣縮窄、二尖瓣閉鎖、主動脈弓離斷、左室發(fā)育不良綜合征等。由于左心室基本處于無功能狀態(tài)，完全由右心室承擔(dān)體循環(huán)和肺循環(huán)泵血功能，因此依賴動脈導(dǎo)管供應(yīng)主動脈血流以維持心輸出量和全身灌注[10-11]。

③血液混合型：例如室間隔完整型完全性大血管錯位。由于主動脈和肺動脈位置互換，主動脈起始于右心室，肺動脈從左心室發(fā)出，形成體循環(huán)和肺循環(huán)生理完全隔離，兩種循環(huán)依賴動脈導(dǎo)管交通，依賴其血液混合使體循環(huán)獲得基本氧供[3，12-13]。

1.3 PDA閉合的特殊性

一方面，動脈導(dǎo)管延遲閉合發(fā)展成為一種左向右分流型先天性心臟病，繼而誘發(fā)肺血管病變；另一方面，某些情況下動脈導(dǎo)管是維持生命的必須通道，且動脈導(dǎo)管較其他血管結(jié)構(gòu)更容易被誘發(fā)收縮或關(guān)閉，溫度、血壓、飲食、發(fā)育等細(xì)微刺激常誘發(fā)其不恰當(dāng)?shù)拈]合，繼而導(dǎo)致復(fù)雜先天性心臟病，自然預(yù)后不良。因此外科治療時(shí)應(yīng)根據(jù)不同需要，促進(jìn)或阻斷動脈導(dǎo)管開放。目前動脈導(dǎo)管閉合過程可分為兩個(gè)階段，即功能性閉合和解剖學(xué)閉合[2]。

2 動脈導(dǎo)管功能性閉合機(jī)制

2.1 前列腺素E2誘導(dǎo)的動脈導(dǎo)管功能性閉合

胎兒動脈導(dǎo)管的開閉受多種因素影響，其中研究最多的是環(huán)氧合酶介導(dǎo)的花生四烯酸的代謝產(chǎn)物——前列腺素E2(PGE2)[14]。PGE2由動脈導(dǎo)管組織分泌，與前列腺素E受體(prostaglandin E receptor，EP)相結(jié)合，激活細(xì)胞膜上G蛋白偶聯(lián)的腺苷酸環(huán)化酶(AC)，誘導(dǎo)三磷酸腺苷(ATP)去磷酸化生成環(huán)腺苷酸(cAMP)，細(xì)胞內(nèi)高濃度cAMP抑制肌球蛋白輕鏈激酶的活化，最終抑制導(dǎo)管平滑肌細(xì)胞對鈣離子的收縮反應(yīng)，使動脈導(dǎo)管無法正常閉合[15-17]。正常胎兒出生后，通過胎盤和肺對PGE2的代謝，循環(huán)中高濃度PGE2急速減少，加上導(dǎo)管壁PGE2受體表達(dá)量下降，綜合作用促使動脈導(dǎo)管閉合[15，17-18]。環(huán)氧化酶(COX)類中COX-1和COX-2受刺激后合成分泌前列腺素，其中COX-1作用較快，數(shù)分鐘內(nèi)可迅速合成前列腺素，而COX-2在受刺激后數(shù)小時(shí)才能完成[19]，所合成的前列腺素進(jìn)入PGE2-EP-cAMP信號通路，繼而影響動脈導(dǎo)管閉合。隨著妊娠期延長，COX-2表達(dá)明顯增高[19-20]，但未成熟個(gè)體COX-2表達(dá)程度沒有成熟個(gè)體高，在大鼠動物實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)COX-2阻斷劑對懷孕19 d者誘導(dǎo)動脈導(dǎo)管收縮效果明顯弱于對懷孕21 d者[21]。目前COX-1/COX-2非選擇性阻斷劑(如消炎痛)廣泛用于PDA患兒治療，但該方案不適合未成熟兒。有報(bào)道稱對未成熟兒PDA，聯(lián)合使用一氧化氮合酶抑制劑和COX抑制劑比單用COX抑制劑可以獲得更好的治療效果[22]。

2.2 離子通道誘導(dǎo)的動脈導(dǎo)管功能性閉合

胎兒期動脈導(dǎo)管血氧分壓在18～28 mmHg范圍，出生后血氧分壓快速上升至40～60 mmHg左右[16]。通常生理狀態(tài)下，大部分血管平滑肌(除肺動脈外)在低氧狀態(tài)下處于松弛狀態(tài)，氧分壓升高導(dǎo)致血管收縮，在這一點(diǎn)上動脈導(dǎo)管表現(xiàn)得更為明顯[22-23]。近年許多氧分壓升高過程中動脈導(dǎo)管收縮機(jī)制研究被報(bào)道，其中氧誘導(dǎo)離子通道電位變化被普遍認(rèn)同。當(dāng)胎兒出生后氧分壓升高，來源于線粒體O2感應(yīng)器-電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ激活，使活性氧生成增加。活性氧不僅是一種細(xì)胞毒性代謝產(chǎn)物，而且是細(xì)胞內(nèi)的氧化還原信號分子，可調(diào)控靶分子結(jié)構(gòu)和功能，包括影響動脈導(dǎo)管平滑肌膜上的電壓依賴鉀通道(如Kv1.5和Kv2.1)[24-26]。電壓依賴鉀通道可被活性氧抑制，使平滑肌細(xì)胞膜去極化，繼發(fā)性引起膜上L型電壓依賴鈣通道開放，鈣離子內(nèi)流，導(dǎo)致動脈導(dǎo)管平滑肌收縮。在所有L型電壓依賴鈣離子通道中，Cav1.2含量占優(yōu)勢，表達(dá)量高于其他鈣離子通道，因此Cav1.2電位變化作用最突出[27]。在正常氧分壓條件下，阻斷細(xì)胞膜鉀通道，肌質(zhì)網(wǎng)儲存的鈣離子釋放也可引起繼發(fā)性鈣內(nèi)流[28]。

有研究通過轉(zhuǎn)基因的方法，將鉀離子通道蛋白基因?qū)氲皆绠a(chǎn)兔動脈導(dǎo)管細(xì)胞之中，在氧誘導(dǎo)條件下觀察，發(fā)現(xiàn)動脈導(dǎo)管收縮增強(qiáng)，進(jìn)一步說明氧誘導(dǎo)的鉀離子通道在胎兒出生后動脈導(dǎo)管閉合過程中發(fā)揮重要作用[17，29]。

研究顯示，隨著胎肺功能增強(qiáng)，血氧分壓急劇升高，細(xì)胞色素a3和細(xì)胞色素P450活化可引起動脈導(dǎo)管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中內(nèi)皮素-1釋放，刺激內(nèi)皮素A受體，進(jìn)而抑制電壓依賴鉀離子通道，使平滑肌細(xì)胞膜去極化，引起膜上L型電壓依賴鈣通道開放，鈣離子內(nèi)流，隨之動脈導(dǎo)管收縮閉合[17，30]。

3 動脈導(dǎo)管解剖學(xué)閉合機(jī)制

胎兒出生后，動脈導(dǎo)管壁發(fā)生大量重構(gòu)，最終導(dǎo)致永久性閉合。內(nèi)膜增厚及內(nèi)膜墊形成(intimal cushion formation，ICF)是動脈導(dǎo)管重建過程的一個(gè)重要特點(diǎn)。在高氧環(huán)境刺激下，內(nèi)皮細(xì)胞增多，透明質(zhì)酸累積于內(nèi)皮細(xì)胞下區(qū)域，血管中層平滑肌增殖和遷移，隨后內(nèi)膜墊形成。如果動脈導(dǎo)管內(nèi)膜增厚較差，則導(dǎo)致出生后動脈導(dǎo)管永久性不閉合[26]。

3.1 前列腺素E2誘導(dǎo)的動脈導(dǎo)管解剖學(xué)閉合

研究顯示，在動脈導(dǎo)管形成和發(fā)育過程中，PGE2-EP4具有擴(kuò)張血管和促ICF形成兩大作用[31-33]。慢性刺激產(chǎn)生PGE2，可通過EP4誘導(dǎo)動脈導(dǎo)管重構(gòu)，促進(jìn)血管腔ICF和結(jié)構(gòu)性閉合。研究發(fā)現(xiàn)，激活的PGE2-EP4-cAMP-PKA途徑增強(qiáng)透明質(zhì)酸酶2基因轉(zhuǎn)錄和透明質(zhì)酸產(chǎn)生，而透明質(zhì)酸的積累促進(jìn)動脈導(dǎo)管平滑肌細(xì)胞遷移到內(nèi)皮下層，從而引起動脈導(dǎo)管內(nèi)膜增厚[31，33]。有趣的是，如果基因干擾透明質(zhì)酸2表達(dá)，在小鼠模型中未能觀察到形成類似的內(nèi)膜墊[34]。前面所說到PGE2的這兩個(gè)作用看似相互矛盾，實(shí)際上因?yàn)槌錾鷷r(shí)循環(huán)中PGE2減少，EP4刺激水平迅速下降，減少了對動脈導(dǎo)管的血管舒張作用，導(dǎo)致動脈導(dǎo)管快速功能性閉合；而積累的透明質(zhì)酸仍然作用活躍，促進(jìn)平滑肌細(xì)胞遷移，從而促成動脈導(dǎo)管的最終解剖學(xué)閉合[33]。

Epac是一種近年被發(fā)現(xiàn)由cAMP激活的交換蛋白。Epac與PKA同屬于PGE2-EP-cAMP信號通路下游分子，均能誘導(dǎo)ICF。研究發(fā)現(xiàn)，Epac在胎兒圍產(chǎn)期時(shí)就被上調(diào)，刺激Rap1蛋白進(jìn)而引起纖維連接蛋白表達(dá)增加，促進(jìn)細(xì)胞介導(dǎo)的粘附作用，對平滑肌細(xì)胞遷移有急性增強(qiáng)作用，可在4 h內(nèi)完成平滑肌細(xì)胞遷移，且不伴透明質(zhì)酸沉積[32]。因此有研究者提出：選擇性激活Epac可以作為治療PDA的一項(xiàng)新治療方法。

3.2 離子通道誘導(dǎo)的動脈導(dǎo)管解剖學(xué)閉合

高氧分壓誘導(dǎo)下，T型電壓依賴鈣離子通道，尤其是Cav3.1可以提高動脈導(dǎo)管收縮和平滑肌細(xì)胞遷移。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜上Cav3.1過度表達(dá)明顯增強(qiáng)了對大鼠動脈導(dǎo)管組織的促氧化作用，免疫組化可觀察到動脈導(dǎo)管內(nèi)膜局限性增厚[34]。如果進(jìn)一步對該模型給予維生素A喂養(yǎng)，還可發(fā)現(xiàn)大鼠動脈導(dǎo)管中Cav1.2和Cav3.1表達(dá)提高，動脈導(dǎo)管內(nèi)膜增厚更加明顯[35]。因此可以認(rèn)為T型電壓依賴鈣離子通道(尤其是Cav3.1)在一定程度上加速了大鼠動脈導(dǎo)管內(nèi)膜墊形成和內(nèi)膜增厚，從而有利于動脈導(dǎo)管解剖學(xué)閉合。

4 小結(jié)

動脈導(dǎo)管延遲閉合是一種重要的病理狀態(tài)，可由多種因素引起，功能性閉合和解剖學(xué)閉合兩個(gè)過程相互獨(dú)立卻同時(shí)進(jìn)行。近年研究發(fā)現(xiàn)，PGE2和離子通道在此過程中發(fā)揮重要作用，其中PGE2有擴(kuò)張導(dǎo)管和增厚內(nèi)膜雙重作用[31-33]，而高氧分壓對電壓依賴鈣離子通道直接或間接的影響，也可引起動脈導(dǎo)管平滑肌細(xì)胞功能性收縮和內(nèi)膜增厚[22-28，34]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究有關(guān)動脈導(dǎo)管閉合的分子機(jī)制，開發(fā)新策略來適時(shí)調(diào)節(jié)動脈導(dǎo)管開閉，將有助于改善臨床治療效果。

[1] Schneider D J，Moore J W.Patent ductus arteriosus[J].Circulation，2006，114(17)：1873-1882.

[2] Yokoyama U，Minamisawa S，Ishikawa Y.Regulation of vascular tone and remodeling of the ductus arteriosus[J].J Smooth Muscle Res，2010，46(2)：77-87.

[3] Anilkumar M.Patent ductus arteriosus[J].Cardiol Clin，2013，31(3)：417-430.

[4] Mitra S，R?nnestad A，Holmstr?m H.Management of patent ductus arteriosus in preterm infants--where do we stand?[J].Congenit Heart Dis，2013，8(6)：500-512.

[5] Weichert J，Hartge D R，Axt-Fliedner R.The fetal ductus arteriosus and its abnormalities[J].Congenit Heart Dis，2010，5(5)：398-408.

[6] Bennett T D，Klein M B，Sorensen M D，et al.Influence of birth hospital on outcomes of ductal-dependent cardiac lesions[J].Pediatrics，2010，126(6)：1156-1164.

[7] Vogel M，Wilkins-Haug L E，McElhinney D B，et al.Reversible ductus arteriosus constriction due to maternal indomethacin after fetal intervention for hypoplastic left heart syndrome with intact/restrictive atrial septum[J].Fetal Diagn Ther，2010，27(1)：40-45.

[8] Yoshimura N，Yamaguchi M.Surgical strategy for pulmonary atresia with intact ventricular septum：initial management and definitive surgery[J].Gen Thorac Cardiovasc Surg，2009，57(7)：338-346.

[9] Hasan B S，Bautista-Hernandez V，McElhinney D B，et al.Ou-tcomes of transcatheter approach for initial treatment of pulmonary atresia with intact ventricular septum[J].Catheter Cardiovasc Interv，2013，81(1)：111-118.

[10] Kimura M，Misaki Y，Kato H，et al.Ascending aortic app-roach for balloon aortic valvuloplasty with concomitant bilateral pulmonary artery banding in a very low-birth-weight neonate with critical aortic stenosis and poor left ventricular function[J].Eur J Cardiothorac Surg，2012，41(1)：226-228.

[11] Stellin G，Padalino M，Milanesi O，et al.Repair of congenital mitral valve dysplasia in infants and children：is it always possible?[J].Eur J Cardiothorac Surg，2000，18(1)：74-82.

[12] Hraska V，Duncan B W，Mayer J E Jr，et al.Long-term outcome of surgically treated patients with corrected transposition of the great arteries[J].J Thorac Cardiovasc Surg，2005，129(1)：182-191.

[13] Shin’oka T，Kurosawa H，Imai Y，et al.Outcomes of definitive surgical repair for congenitally corrected transposition of the great arteries or double outlet right ventricle with discordant atrioventricular connections：risk analyses in 189 patients[J].J Thorac Cardiovasc Surg，2007，133(5)：1318-1328.

[14] Coceani F，Baragatti B.Mechanisms for ductus arteriosus closure[J].Semin Perinatol，2012，36(2)：92-97.

[15] Pacifici G M.Clinical pharmacology of indomethacin in preterm infants：implications in patent ductus arteriosus closure[J].Paediatr Drugs，2013，15(5)：363-376.

[16] Fan F，Ma A，Guan Y，et al.Effect of PGE2on DA tone by EP4 modulating Kv channels with different oxygen tension between preterm and term[J].Int J Cardiol，2011，147(1)：58-65.

[17] Gruzdev A，Nguyen M，Kovarova M，et al.PGE2through the EP4 receptor controls smooth muscle gene expression patterns in the ductus arteriosus critical for remodeling at birth[J].Prostaglandins Other Lipid Mediat，2012，97(3/4)：109-119.

[18] Chang H Y，Locker J，Lu R，et al.Failure of postnatal ductus arteriosus closure in prostaglandin transporter-deficient mice[J].Circulation，2010，121(4)：529-536.

[19] Fan F L，Zhu S，Chen L H，et al.Role of prostaglandin E and its receptors in the process of ductus arteriosus maturation and functional closure in the rabbit[J].Clin Exp Pharmacol Physiol，2010，37(5/6)：574-580.

[20] Basaran A，Gyimadu A，Gü?er S，et al.Cyclooxygenase immunohistochemical staining in the human ductus arteriosus after 24 weeks of gestational age[J].J Obstet Gynaecol，2012，32(2)：120-123.

[21] Toyoshima K，Takeda A，Imamura S，et al.Constriction of the ductus arteriosus by selective inhibition of cyclooxygenase-1 and-2 in near-term and preterm fetal rats[J].Prostaglandins Other Lipid Mediat，2006，79(1/2)：34-42.

[22] Reese J，O’Mara P W，Poole S D，et al.Regulation of the fetal mouse ductus arteriosus is dependent on interaction of nitric oxide and COX enzymes in the ductal wall[J].Prostaglandins Other Lipid Mediat，2009，88(3/4)：89-96.

[23] Cogolludo A L，Moral-Sanz J，van der Sterren S，et al.Maturation of O2sensing and signaling in the chicken ductus arteriosus[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2009，297(4)：L619-L630.

[24] Sun F，Hayama E，Katsube Y，et al.The role of the large-conductance voltage-dependent and calcium-activated potassium(BK(Ca))channels in the regulation of rat ductus arteriosus tone[J].Heart Vessels，2010，25(6)：556-564.

[25] Leonhardt A，Glaser A，Wegmann M，et al.Expression of prostanoid receptors in human ductus arteriosus[J].Br J Pharmacol，2003，138(4)：655-659.

[26] Wu C，Hayama E，Imamura S，et al.Developmental changes in the expression of voltage-gated potassium channels in the ductus arteriosus of the fetal rat[J].Heart Vessels，2007，22(1)：34-40.

[27] Yokoyama U，Minamisawa S，Adachi-Akahane S，et al.Multiple transcripts of Ca2+channel alpha1-subunits and a novel spliced variant of the alpha1 C-subunit in rat ductus arteriosus[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006，290(4)：H1660-H1670.

[28] Hong Z，Hong F，Olschewski A，et al.Role of store-operated calcium channels and calcium sensitization in normoxic contraction of the ductus arteriosus[J].Circulation，2006，114(13)：1372-1379.

[29] Thébaud B，Michelakis E D，Wu X C，et al.Oxygen-sensitive Kv channel gene transfer confers oxygen responsiveness to preterm rabbit and remodeled human ductus arteriosus：implications for infants with patent ductus arteriosus[J].Circulation，2004，110(11)：1372-1379.

[30] Grass B，Baumann P，Arlettaz R，et al.Cardiovascular biomarkers pro-atrial natriuretic peptide and pro-endothelin-1 to monitor ductus arteriosus evolution in very preterm infants[J].Early Hum Dev，2014，90(6)：293-298.

[31] Yokoyama U，Minamisawa S，Katayama A，et al.Differential regulation of vascular tone and remodeling via stimulation of type 2 and type 6 adenylyl cyclases in the ductus arteriosus[J].Circ Res，2010，106(12)：1882-1892.

[32] Yokoyama U，Minamisawa S，Quan H，et al.Prostaglandin E2-activated Epac promotes neointimal formation of the rat ductus arteriosus by a process distinct from that of cAMP-dependent protein kinase A[J].J Biol Chem，2008，283(42)：28702-28709.

[33] Yokoyama U，Minamisawa S，Quan H，et al.Chronic activation of the prostaglandin receptor EP4 promotes hyaluronan-mediated neointimal formation in the ductus arteriosus[J].J Clin Invest，2006，116(11)：3026-3034.

[34] Akaike T，Jin M H，Yokoyama U，et al.T-type Ca2+channels promote oxygenation-induced closure of the rat ductus arteriosus not only by vasoconstriction but also by neointima formation[J].J Biol Chem，2009，284(36)：24025-24034.

[35] Yokoyama U，Sato Y，Akaike T，et al.Maternal vitamin A alters gene profiles and structural maturation of the rat ductus arteriosus[J].Physiol Genomics，2007，31(1)：139-157.

*國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(No.31330029)

楚 沖，男，1988年生，醫(yī)學(xué)博士，主治醫(yī)師，E-mail：875003638@qq.com

△通訊作者，Corresponding author，E-mail：dongnianguo@hotmail.com

R541.13

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.06.023

(2017-01-12 收稿)