神經(jīng)嵴細(xì)胞參與心血管發(fā)育過程研究進(jìn)展

付夢霞 徐蓮 葉茂青(通訊作者)

（上海瑞金醫(yī)院/上海市高血壓研究所 上海 200025）

1.心臟發(fā)育與先天性心臟病

先天性心臟病是發(fā)病率最高的新生兒先天性發(fā)育缺陷疾病之一，患病率高達(dá)1%,可導(dǎo)致兒童嚴(yán)重的殘疾和極高的死亡率[1]。對(duì)先天性心臟病的防治消耗了大量的公共醫(yī)療資源，是一個(gè)重要的全球性健康問題，但是對(duì)哺乳動(dòng)物心臟發(fā)育過程及其相關(guān)分子調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明。

心臟起源于中胚層前側(cè)板的心臟祖細(xì)胞。在小鼠胚胎第6.5天(E6.5)，心臟祖細(xì)胞在中胚層前側(cè)板后部形成左右生心區(qū)，隨后左右生心區(qū)融合于胚胎前側(cè)形成新月形生心區(qū)[2]。新月形生心區(qū)在E8.5發(fā)育形成原始心管。心管具有極性，頭部與動(dòng)脈連接是流出道，尾部與靜脈相連為流入道，隨著發(fā)育過程，心管從頭到尾出現(xiàn)三個(gè)膨大，依次為心球、心室和心房。隨后，原始心管經(jīng)過彎曲和旋轉(zhuǎn)，伴隨著心腔的分割與發(fā)育，最終形成了一個(gè)有四個(gè)腔室的功能完整的心臟。心內(nèi)膜墊是在胚胎發(fā)育過程中，局部心內(nèi)膜細(xì)胞被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為間質(zhì)細(xì)胞所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，心內(nèi)膜墊形成后，通過一系列的細(xì)胞增殖、分化、凋亡以及細(xì)胞外基質(zhì)重塑過程，參與心腔間隔和心臟瓣膜的構(gòu)建。心臟室間隔與心臟瓣膜的形成及成熟過程涉及了多種細(xì)胞間的相互作用，其中心臟神經(jīng)嵴細(xì)胞(Cardiac Neural Crest Cell，CNCCs)在此過程中起著重要作用[3]。同時(shí)，CNCCs也參與了心臟流出道的形成，在主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈以及主肺動(dòng)脈隔的發(fā)育過程中至關(guān)重要。此外，CNCCs在心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)的組織形成與功能構(gòu)建過程中也扮演了重要的角色。

2.心臟神經(jīng)嵴細(xì)胞

神經(jīng)嵴細(xì)胞(Neural Crest Cell，NCCs)起源于外胚層，是一類胚胎時(shí)期的干細(xì)胞群體。最早在胚胎第8.5天(E8.5)產(chǎn)生于神經(jīng)管的最背側(cè)，具有極強(qiáng)的遷移特性和廣泛的分化潛能，能夠衍生出多種細(xì)胞類型。在胚胎發(fā)育過程中，NCCs遷移途徑有三條，（1）經(jīng)顱骨途徑遷移分化為顱面部間充質(zhì)，如面部軟骨及中耳、下頜的骨性結(jié)構(gòu)、顱神經(jīng)、結(jié)締組織、胸腺細(xì)胞、成牙質(zhì)細(xì)胞等[4]；（2）經(jīng)軀干途徑遷移入體節(jié)的前半部，部分NCCs分化為背根神經(jīng)節(jié)以及感覺神經(jīng)，部分NCCs穿出體節(jié)分化為軀體交感神經(jīng)節(jié)、腎上腺髓質(zhì)、主動(dòng)脈神經(jīng)叢、迷走神經(jīng)和腸的副交感神經(jīng)節(jié)，其中的一部分NCCs則分化為黑色素細(xì)胞；（3）部分NCCs可經(jīng)腹側(cè)途徑遷移進(jìn)心臟流出道，參與心臟的發(fā)育過程，我們稱之為心臟神經(jīng)嵴細(xì)胞(CNCCs)。NCCs發(fā)育缺陷可導(dǎo)致先天性心臟病以及多種先天性發(fā)育缺陷疾病，如顱面部及四肢骨骼畸形，顎面心綜合征（患者表現(xiàn)為唇裂、下頜及耳發(fā)育不良、心血管缺陷等），希爾施普龍?。ㄓ捎谀┥医Y(jié)腸的腸內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)缺失導(dǎo)致巨結(jié)腸）以及眼前節(jié)發(fā)育不良[4]等。

CNCCs是心臟發(fā)育所必需的，該細(xì)胞群起源于耳部水平到第4體節(jié)前部區(qū)域神經(jīng)嵴[4],CNCCs從神經(jīng)管背側(cè)遷移到第三、四和第六咽弓，其中一部分則繼續(xù)遷移進(jìn)入心臟流出道，參與了心臟流出道的形成并構(gòu)成主肺動(dòng)脈隔,形成主動(dòng)脈弓的內(nèi)皮層和大動(dòng)脈的血管平滑肌層。CNCCs的一個(gè)亞群繼續(xù)遷移到心臟流出道的心內(nèi)膜墊并發(fā)育成升主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈瓣膜，并參與了心室間隔的發(fā)育,小部分可分化為心肌[5]。CNCCs還參與心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)育：一部分CNCCs遷移進(jìn)竇房結(jié)、房室結(jié)、希氏束以及各束支起始部，參與房室傳導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)育[6]。在人體以及動(dòng)物模型中，CNCCs的發(fā)育缺陷將影響心臟流出道、大血管和心房、心室間隔的形成，導(dǎo)致先天性心臟病的發(fā)生。

3.參與調(diào)控心臟神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育的相關(guān)信號(hào)通路

NCCs作為一個(gè)特殊的干細(xì)胞群,表達(dá)了一些特征性的基因 , 如 Islet1、cKit、Wnt、PAX3、PAX7、TWIST1、Ets、MSX2、HAND2、SOX10和FOXD3等,其中Wnt1和SOX10作為NCCs的標(biāo)志基因，常用于對(duì)CNCCs的標(biāo)記和研究。CNCCs的誘導(dǎo)和遷移需要一系列特定受體和信號(hào)分子的相互作用,包括Notch、Wnt、BMP、FGF、NPR等，這些信號(hào)因子激活一系列轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),如編碼的 HIF、Snail/Slug、tfAP2、Twist、Ets、Foxd3、SoxE等基因,調(diào)控了CNCCs的增殖、遷移和分化。其中Notch、Wnt/catenin和TGF-β/BMP信號(hào)通路對(duì)CNCCs的分化發(fā)育最為重要。

Notch：Notch是膜受體蛋白,Notch信號(hào)通路廣泛參與調(diào)控了細(xì)胞命運(yùn)、分化、增殖和凋亡。在小鼠NCCs敲除Notch會(huì)導(dǎo)致小鼠心臟流出道發(fā)育缺陷以及肺動(dòng)脈狹窄、室間隔缺損和主動(dòng)脈弓動(dòng)脈形成缺陷。進(jìn)一步研究表明,Notch在CNCCs分化成平滑肌細(xì)胞的過程中起關(guān)鍵作用[7]。

Wnt：Wnt信號(hào)通路參與決定細(xì)胞命運(yùn)以及調(diào)控胚胎的發(fā)育過程。經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路包括Wnt蛋白、Wnt受體、Dsh/Dvl蛋白、β-Catenin及TCF/LEF家族轉(zhuǎn)錄因子。在NCCs中表達(dá)的Wnt蛋白有Wnt1、3、3a等，Wnt3a信號(hào)通路異常所引起的NCCs缺陷會(huì)導(dǎo)致心臟和咽弓發(fā)育缺陷。Wnt信號(hào)通路的下游效應(yīng)因子Axud1也在心內(nèi)膜墊發(fā)育過程中表達(dá),激活轉(zhuǎn)錄干細(xì)胞因子FoxD3促進(jìn)心內(nèi)膜墊的發(fā)育和分化[8]。

BMP：骨形成蛋白（BMP）除BMP-1外其余均屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）超家族, BMP信號(hào)通路參與CNCCs的細(xì)胞命運(yùn)決定。BMP信號(hào)通路在心臟生心區(qū)形成時(shí)就被激活,敲除BMP拮抗劑—Noggin基因的老鼠，可以觀察到由于CNCCs增多所致的心內(nèi)膜墊增生[9]。

ETS：轉(zhuǎn)錄因子ETS家族有近30個(gè)成員，因具有保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域—“Ets”結(jié)構(gòu)域而命名。ETS廣泛表達(dá)于各個(gè)組織器官中，我們課題組的研究顯示ETS-1在小鼠心臟發(fā)育過程中發(fā)揮了極其重要的作用：ETS-1在小鼠體內(nèi)的缺失可導(dǎo)致心室間隔缺損，部分心肌細(xì)胞軟骨化等發(fā)育缺陷。我們的臨床研究也表明ETS-1缺失和人類先天性心臟病的發(fā)病密切相關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)ETS-1對(duì)心臟發(fā)育的影響是通過對(duì)CNCCs的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的[10]，其具體分子機(jī)制仍有待探索。

Rho/Rock：小GTP結(jié)合蛋白R(shí)ho是Rho家族成員之一，Rho激酶ROCK為Rho下游的效應(yīng)因子,Rho/ROCK通路在細(xì)胞遷移和增殖過程中發(fā)揮了重要作用，參與調(diào)節(jié)了內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)換過程。Rock信號(hào)也為心臟流出道的正常發(fā)育所需,Rock敲除小鼠表現(xiàn)為二葉式主動(dòng)脈瓣和動(dòng)脈壁異常[11]。

FGF：成纖維細(xì)胞生長因子蛋白是FGF家族成員，F(xiàn)GF家族包含有與酪氨酸激酶FGF受體結(jié)合的分泌蛋白和胞內(nèi)非信號(hào)蛋白。FGF8是一個(gè)對(duì)于咽弓發(fā)育極為重要的蛋白分子。抑制FGF的表達(dá)可影響斑馬魚的心臟發(fā)育。FGF1受體（Fgfr1）表達(dá)下降的NCCs遷移能力下降,最終凋亡。敲除Fgfr1/Fgfr2可影響心臟內(nèi)皮-間質(zhì)的轉(zhuǎn)換過程，還會(huì)影響NCCs分化為平滑肌細(xì)胞[12]。

4.結(jié)語

CNCCs參與了心臟發(fā)育，在流出道大血管形成、心室間隔以及心臟起搏傳導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)育過程中都發(fā)揮了極其重要的作用。NCCs的發(fā)育異常將導(dǎo)致嚴(yán)重的先天性心臟病。CNCCs參與心臟發(fā)育的過程由復(fù)雜的信號(hào)通路調(diào)控,但目前對(duì)CNCCs在心血管系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用及其調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)依然十分有限。全面闡明CNCCs在心血管系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用及其調(diào)控機(jī)制將有助于加深對(duì)先天性心臟病發(fā)病機(jī)制的理解，為人類先天性心臟病的早期篩查、預(yù)防和預(yù)后判斷提供重要的理論依據(jù)。

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