高原肺動脈高壓發(fā)病機制研究進展

譚秀娟 綜述 何慶 審校

(西南交通大學(xué)附屬成都市第三人民醫(yī)院/西南交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610031)

目前，很多肺動脈高壓的定義是指在靜息狀態(tài)下肺動脈平均壓≥25 mm Hg(1 mm Hg=0.133 3 kPa)[1-3]。根據(jù)最新的肺動脈高壓分類指南，高原肺動脈高壓(high altitude pulmonary hypertension，HAPH)屬于其第三類[2]。HAPH患者在行動時具有呼吸困難、頭痛，并易感到疲勞等癥狀。隨著病程的發(fā)展，會出現(xiàn)心臟代謝性失常，甚至危及生命[3]。HAPH是由于高原低氧(缺氧)環(huán)境下，代償性地使肺換氣增加、血管收縮引起的[4]，常見于高原習(xí)服不適應(yīng)，或者不良適應(yīng)而發(fā)生的一種高原疾病。其病理生理機制還不完全清楚。氧化應(yīng)激[5-6]、內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂、肺血管平滑肌細(xì)胞增殖、肺血管重構(gòu)[7]、肺血管纖維化以及心臟早期適應(yīng)性增厚[8]等是促進HAPH發(fā)展的主要病理生理變化。據(jù)統(tǒng)計大約有1.4億人是永遠(yuǎn)生活在高海拔地區(qū)上的，海拔高度一般在2 500 m以上，這些長期居住在高原的人及其后代，其基因表型發(fā)生了適應(yīng)性變化[9]，這些變化使得生存在高原環(huán)境中的人與健康平原居民相比，也具有相似的肺動脈血壓、心率和血氧飽和度[10-11]，以適應(yīng)極端環(huán)境而生存下來。現(xiàn)就近幾年對高原性/低氧肺動脈高壓發(fā)病機制方面的相關(guān)研究進行綜述，了解這些機體生理病理變化將有助于闡明缺氧肺的病理生理機制。

1 氧化應(yīng)激反應(yīng)與HAPH

血管內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞的功能紊亂會影響血管平滑肌細(xì)胞收縮與舒張的調(diào)節(jié)。在高原低氧環(huán)境暴露下，機體產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，其血氧飽和度降低，氧化損傷標(biāo)志物蛋氨酸亞砜、堡白質(zhì)羰基、蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)物、丙二醛含量增多，內(nèi)源性抗氧化物超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等含量減少[12]。線粒體是超氧化物產(chǎn)生的主要來源[13]，而產(chǎn)生的過氧化物會引起細(xì)胞內(nèi)線粒體功能紊亂及損傷。氧化應(yīng)激還可能是主要導(dǎo)致內(nèi)皮損傷和血管壁重構(gòu)的原因。氧化應(yīng)激反應(yīng)會損害其一些功能；它會破壞血管內(nèi)穩(wěn)態(tài)，增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+，破壞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA。在低氧環(huán)境中，機體生成的超氧陰離子通過產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽(ONOO-)來減少NO介導(dǎo)的血管舒張。過氧亞硝酸鹽是一種高度活性的氮物質(zhì)，很容易透過生物膜來修飾含有血紅素輔基的蛋白質(zhì)。更重要的是過氧亞硝酸鹽也會引起膜的脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致體內(nèi)8-異前列腺素F2α含量升高，影響細(xì)胞行為。在高原上，機體為了保證血液中的血氧飽和度，血液中的紅細(xì)胞、血紅蛋白表達含量會增多[14]。血紅蛋白增加會導(dǎo)致肺血管氧化應(yīng)激損傷、炎癥及血管重構(gòu)，而藏族男性血液中的血紅蛋白含量較低，這也與他們的運動有關(guān)[15]。血紅蛋白是NO的清除劑，降低NO的生物利用度，且能與超氧化物和過氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生多種活性氧形式損傷細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞易受到超氧化物的損傷，損傷后導(dǎo)致細(xì)胞調(diào)節(jié)紊亂，從而使平滑肌收縮引起血管收縮和血壓升高。由此看來，減少機體內(nèi)超氧化物質(zhì)的產(chǎn)生可能會有效地降低高原反應(yīng)的發(fā)生。

2 低氧肺血管收縮與HAPH

2.1 血管舒張調(diào)節(jié)

在血管舒張調(diào)節(jié)中，NO是重要的舒血管物質(zhì)。曾有研究顯示藏族人體內(nèi)有比低海拔居民高出1倍的前臂血流量以及10倍多的NO濃度。這就表明其高原居民適應(yīng)高原環(huán)境可能在于氧運輸和舒張血管能力的提升。NO的合成也受不對稱二甲基精氨酸(ADMA)的調(diào)節(jié)。L-精氨酸是NO合成的前提物質(zhì)，ADMA與L-精氨酸競爭性結(jié)合一氧化氮合酶(eNOS)，使L-精氨酸不能轉(zhuǎn)化為NO。二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶(Dimethylarginine dime thylaminoh ydrolase,DDAH)是ADMA內(nèi)源性的水解酶。低氧環(huán)境中，DDAH表達減少，不能將ADMA水解也會導(dǎo)致NO的合成減少。Mizuno等[16]發(fā)現(xiàn)高原適應(yīng)的牦?？赏ㄟ^ADMA-DDAH通路和增加eNOS酶表達增加NO的產(chǎn)生，而使其有較低的肺動脈血壓。盡管低氧環(huán)境中eNOS酶表達增加，其輔助因子四氫生物蝶呤活性增強，但可能由于高原習(xí)服不適應(yīng)者體內(nèi)NO利用度低，長期的缺氧還是會造成肺動脈高壓。內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的NO能使血管平滑肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)、環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)含量及活性增加，從而使血管舒張。在高原低氧環(huán)境中，由于機體內(nèi)的自由基介導(dǎo)NO生物利用度降低，而不能使血管舒張。激活的cAMP、cGMP分別進一步活化蛋白激酶A(PKA)、蛋白激酶G(PKG)，活化后的PKA、PKG一方面可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達，另一方面可調(diào)節(jié)血管舒張、糖原分解。PKG是依賴cGMP的蛋白激酶，其亮氨酸拉鏈(LZ)結(jié)構(gòu)域是肌球蛋白輕鏈磷酸酶(MLCP)激活和磷酸化必須的結(jié)合位點。MLCP的激活可以使肌球蛋白輕鏈去磷酸化，從而使血管平滑肌松弛；但目前PKG在低氧誘導(dǎo)的肺動脈高壓中，其作用機制仍不清楚。Ramchandran等[17]通過PKG-1α 的NH2-末端LZ相互作用結(jié)構(gòu)域突變小鼠研究了其在低氧環(huán)境中有顯著的右心室肥大；而通過抑制磷酸二酯酶-5，減少其對cGMP的降解，發(fā)現(xiàn)可明顯減輕低氧誘導(dǎo)的野生型小鼠的心肺重構(gòu)現(xiàn)象，而對突變小鼠無效。此說明了PKG-1α的NH2-末端LZ結(jié)構(gòu)域是減少低氧誘導(dǎo)右心室肥大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。這也有可能是cGMP生成減少及活性降低后血管收縮增強的原因之一。因此NO是高原環(huán)境中機體調(diào)節(jié)血管舒張至關(guān)重要的一個分子，如何預(yù)防和治療HAPH，提高或補充機體NO的含量可能是有效途徑之一。

2.2 血管收縮調(diào)節(jié)

在血管收縮調(diào)節(jié)中，血清素(5-HT)、內(nèi)皮素-1(ET-1)及血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)等是調(diào)節(jié)血管收縮的重要收縮劑。在高原環(huán)境中機體內(nèi)的5-HT、ET-1及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)等水平會升高，造成低氧肺血管收縮，長期暴露在高原中就會導(dǎo)致HAPH。ET-1、5-HT均能引起細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子外流和蛋白激酶C(PKC)激活。鈣離子外流能激活依賴鈣/鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)的酶的活性，例如磷酸二酯酶等，激活的磷酸二酯酶水解cAMP、cGMP，使血管舒張降低，收縮增強。PKC的激活能使肌球蛋白輕鏈(MLC)磷酸化而增強血管收縮[18]。除了Ca2+依賴性MLC磷酸化之外，PKC是血管平滑肌功能的主要調(diào)節(jié)劑。PKC還磷酸化蛋白激酶C磷酸酶抑制蛋白17，導(dǎo)致抑制MLCP，增加MLC磷酸化和增強血管平滑肌收縮。PKC也可以啟動一系列蛋白激酶，導(dǎo)致肌動蛋白結(jié)合蛋白calponin和caldesmon磷酸化，增加肌動蛋白-肌球蛋白相互作用和血管平滑肌收縮。低氧還能夠引起血管緊張素轉(zhuǎn)化酶表達增加，引起血管內(nèi)AngⅡ的含量增加，從而使血管收縮[19]。不僅細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵受到刺激使Ca2+流入胞內(nèi)，而且也可通過細(xì)胞膜上的跨膜通道控制鈣的流入，使胞內(nèi)Ca2+升高直接激活PKC，從而促進肺血管收縮。肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞主要是鈣通道受體和陽離子門控通道所控制的鈣流入，而平滑肌細(xì)胞也具有電壓門控鈣通道。Xia等[20]通過基因敲除瞬時受體陽離子通道蛋白TRPC1-/-和TRPC6-/-的小鼠研究發(fā)現(xiàn)，在慢性低氧環(huán)境中TRPC1-/-小鼠中血管緊張度明顯小于TRPC6-/-和WT野生型小鼠。所以TRPC1在肺動脈高壓的血管收縮及血壓升高形成機制中有重要作用。因此，可推測機體血管收縮劑含量的增加和離子通道病變會導(dǎo)致缺氧肺的病理生理學(xué)發(fā)展。

3 慢性低氧肺血管壁增厚與HAPH

長期處于高原低氧環(huán)境中，會導(dǎo)致血管管壁增厚及右心室肥厚。會產(chǎn)生HAPH、高原肺水腫、高原腦水腫及右心衰竭等各種并發(fā)癥并危及生命。缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)是低氧細(xì)胞中主要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，其基因表達上調(diào)參與細(xì)胞能量代謝、細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)重組。很多動物模型及人類基因研究都表明HIF與高原/低氧誘導(dǎo)肺動脈高壓有直接關(guān)系[21-22]。HIF信號通路可調(diào)節(jié)ET-1、促紅細(xì)胞生成素、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶及各種生長因子，也能調(diào)控NO。HIF通過將細(xì)胞外的生長因子信號傳遞至細(xì)胞內(nèi)，促進細(xì)胞增殖、分裂及遷移。HIF-1α在機體缺氧初期使丙酮酸脫氫酶-1表達增加[23]，增加細(xì)胞能量代謝，減少活性氧的聚集而損傷細(xì)胞，增強機體對低氧環(huán)境的適應(yīng)；但長期在低氧環(huán)境中，HIF調(diào)節(jié)的各種生長因子使肺動脈管壁增厚，導(dǎo)致肺血管重構(gòu)及嚴(yán)重的肺動脈高壓。Cowburn等[24]的研究表明，在低氧環(huán)境下HIF-2α基因缺失相比HIF-1α基因缺失的小鼠，其肺動脈血管管壁增厚的程度低，但在HIF-2α基因缺失的小鼠中精氨酸酶表達減少。這也提示肺內(nèi)皮HIF-2α是缺氧誘導(dǎo)的肺動脈高壓的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器。

在HIF調(diào)節(jié)的靶基因中有很多生長因子也參與HAPH的病理生理過程。例如胰島素樣生長因子(IGF)。IGF-1是血管平滑肌細(xì)胞的有效促分裂原，Yang等[25]在平滑肌IGF-1缺失的新生小鼠中研究發(fā)現(xiàn)其在11%氧含量環(huán)境中生存2周后，IGF-1的下游靶點AKT磷酸化水平較低，血管重構(gòu)的特異性標(biāo)志物α平滑肌肌動蛋白也較少，這表明IGF-1在低氧誘導(dǎo)的肺血管重構(gòu)中有重要作用；但此實驗只是研究新生小鼠肺發(fā)育階段低氧誘導(dǎo)的肺動脈高壓，并未在成年小鼠中體現(xiàn)，這也提示IGF-1可能在成年小鼠中也會參與低氧誘導(dǎo)的肺血管增厚的病理生理過程。大量的文獻也證明轉(zhuǎn)化生長因子-β、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子、血小板源性生長因子等在低氧誘導(dǎo)的肺動脈高壓中表達也會增加，而導(dǎo)致肺血管重構(gòu)。此外，有研究還發(fā)現(xiàn)在缺氧誘導(dǎo)的肺動脈平滑肌細(xì)胞中，Rho激酶的激活、Na+/H+交換及細(xì)胞內(nèi)pH值的改變均會導(dǎo)致肺血管平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移[26]。

4 總結(jié)

綜上所述，高原/低氧誘導(dǎo)肺動脈高壓的生理病理過程呈現(xiàn)出多方面的發(fā)展。高原低氧環(huán)境下機體NO等舒血管物質(zhì)含量的減少，血管舒張能力減弱。而ET-1、5-HT及AngⅡ等縮血管物質(zhì)的表達增加，這均會引起血管平滑肌收縮。慢性低氧環(huán)境中，HIF還通過調(diào)節(jié)各種生長因子，促進肺血管平滑肌細(xì)胞的增殖、遷移及細(xì)胞存活，最終導(dǎo)致血管增厚，形成HAPH；但目前，關(guān)于HAPH形成的機制還未完全闡明。因此，了解肺對低壓缺氧的反應(yīng)機制有希望闡明缺氧導(dǎo)致多種高原病產(chǎn)生及發(fā)展的復(fù)雜機制以及產(chǎn)生的后果。