轉(zhuǎn)化生長因子β1受體在血管壁穩(wěn)態(tài)及主動(dòng)脈疾病中的研究進(jìn)展

洪俊謀，王志維

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心外科,武漢 430060)

胚胎動(dòng)脈新生發(fā)生于原始心管搏動(dòng)后，血管內(nèi)皮感受到原始心管搏動(dòng)所帶來的血液流動(dòng)，致使其發(fā)生類似于上皮細(xì)胞間質(zhì)化的改變，使得內(nèi)皮細(xì)胞得以通過出芽的形式延伸，并逐漸募集周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，最終形成成熟的心血管系統(tǒng)。研究表明，轉(zhuǎn)化生長因子β1受體(TGFβ1)通路在調(diào)控內(nèi)皮活化和周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞相互作用中具有極其重要的作用；與此同時(shí)，其也是維持血管壓力、血管穩(wěn)態(tài)平衡的重要節(jié)點(diǎn)，高血壓及血管穩(wěn)態(tài)失衡是主動(dòng)脈夾層、主動(dòng)脈瘤發(fā)生的主要病理生理因素。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，由TGFβ1主導(dǎo)的血管發(fā)育及血管穩(wěn)態(tài)的維持，與主動(dòng)脈夾層發(fā)病過程中的集體病理生理學(xué)變化存在極大的生物學(xué)共性。本文將以動(dòng)脈生成過程中涉及到的血流動(dòng)力學(xué)、TGFβ1通路與血管壁穩(wěn)態(tài)的模型，用以闡述主動(dòng)脈瘤、主動(dòng)脈夾層發(fā)病的部分機(jī)制。

1 TGFβ1參與血管發(fā)育和穩(wěn)定

血管壁中膜主要由平滑肌細(xì)胞和周細(xì)胞構(gòu)成，兩種細(xì)胞在血管新生過程中主要由血液循環(huán)中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來[1]。在血管系統(tǒng)發(fā)育成熟的過程中，由大動(dòng)脈逐漸發(fā)育至小動(dòng)脈的過程中，血壓隨動(dòng)脈直徑的減小而逐級下降，管壁中膜厚度逐層減少。目前研究鮮少關(guān)注血管壓力與血管中膜發(fā)育之間的關(guān)系與相關(guān)機(jī)制。1976年原位成像技術(shù)首次證實(shí)了高血壓會(huì)導(dǎo)致阻力血管中膜平滑肌細(xì)胞增加[2]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，高血壓也會(huì)造成小動(dòng)脈中膜增厚為特點(diǎn)的血管重塑[3-5]。最初血管形成的時(shí)候，血流壓力對于血管形成具有極其重要的作用。在胚胎時(shí)期，血管新生是心血管系統(tǒng)發(fā)育和成熟的主要方式，主要包括出芽式血管新生和套疊式血管新生。出芽式血管新生最為普遍，生物學(xué)上主要概括為：(1)基底膜降解；(2)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和增殖；(3)管腔形成；(4)血管重塑。從結(jié)構(gòu)的發(fā)育上分為：(1)內(nèi)皮祖細(xì)胞的擴(kuò)增和分化；(2)血管網(wǎng)絡(luò)的增長相互交聯(lián)；(3)募集周細(xì)胞(PC)或血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)形成血管的支持結(jié)構(gòu)[6]。

血管新生依賴于血流動(dòng)力的改變[7]。原始心管搏動(dòng)對于血管新生有重要作用。相關(guān)研究表明，敲除心肌興奮-收縮相關(guān)基因(mlc2a、ncx1、Titin)使得原始心管搏動(dòng)能力減弱，進(jìn)而阻滯血管新生過程[8]。因此，原始心管搏動(dòng)產(chǎn)生的血流壓力和剪切力是誘發(fā)血管新生的重要因素。

2 TGFβ1受體參與血管新生過程及血管壁穩(wěn)定維持

血管新生受到多種生長因子的調(diào)控，其中TGFβ通路是調(diào)控該過程最重要因子之一。在血管新生過程中，內(nèi)皮細(xì)胞TGFβ1受體家族(TGFBR)成員I型受體活化生長因子1(ALK1)、Endoglin的表達(dá)時(shí)間與血島細(xì)胞進(jìn)入原始血管時(shí)間同步。同時(shí)，局部血流增加會(huì)刺激血管新生部位內(nèi)皮細(xì)胞的ALK1表達(dá)。目前，究竟是血島細(xì)胞還是管腔壓力的改變進(jìn)而介導(dǎo)了內(nèi)皮細(xì)胞TGFBR的表達(dá)目前尚不清楚。有研究者推測心管收縮造成的壓力可能是促進(jìn)ALK1表達(dá)的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚的新生血管盲端處內(nèi)皮血管內(nèi)壓力最高，且此處內(nèi)皮ALK1高表達(dá)。研究者推測，ALK1在內(nèi)皮的高表達(dá)或許是驅(qū)動(dòng)了該處內(nèi)皮細(xì)胞向外遷移的主要原因[9]。在模式動(dòng)物的研究中，敲除內(nèi)皮細(xì)胞ALK1可以導(dǎo)致血管擴(kuò)張、管壁周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞的消失，造成血管壁的發(fā)育異常[10]。并且敲除其下游的smad4也可以導(dǎo)致血管壁中層消失[11]。有研究者將ALK1基因敲除的轉(zhuǎn)基因小鼠骨髓移植至正常小鼠，發(fā)現(xiàn)通過局部VEGF注射后可以導(dǎo)致局部新生血管發(fā)生血管瘤。這種實(shí)驗(yàn)性血管瘤在病理上也表現(xiàn)為血管壁中膜的缺失。理論推測是由于局部VEGF募集ALK1缺陷型內(nèi)皮祖細(xì)胞，其雖然可分化形成血管腔，但是無法募集骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞聚集和分化，構(gòu)成正常血管壁中膜[10]。TGFβ1另一受體Endoglin 也影響內(nèi)皮細(xì)胞對于周細(xì)胞的募集，進(jìn)而影響血管壁的形成[12]。在病理生理?xiàng)l件下，血流和壓力的改變促進(jìn)了Endoglin和ALK1的相互作用，并大幅度增加ALK1對于其配體的敏感性，從而磷酸化激活smad1/5/8，增強(qiáng)周細(xì)胞的募集能力。這種募集能力可能與內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)PDGF-BB密切相關(guān)[10]。

血管發(fā)育到一定程度時(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞將由激活狀態(tài)轉(zhuǎn)換至穩(wěn)定狀態(tài)。這種狀態(tài)的改變與管壁周細(xì)胞對其的反饋?zhàn)饔孟嚓P(guān)。研究表明周細(xì)胞可能來源于骨髓CD44+干細(xì)胞，CD44+陽性細(xì)胞的減少可以導(dǎo)致新生血管的穩(wěn)定性減弱[13]。由內(nèi)皮細(xì)胞與周細(xì)胞共同組成的血管基底膜是維持內(nèi)皮穩(wěn)定的重要屏障。內(nèi)皮細(xì)胞可以分泌大部分的基底膜成分蛋白，但是也可以自發(fā)性分泌金屬蛋白酶，而周細(xì)胞可以分泌組織金屬蛋白酶抑制蛋白家族(TIMPs)，抑制內(nèi)皮細(xì)胞自發(fā)水解基底膜的功能。在腫瘤的新生血管中，周細(xì)胞通過Cx43與內(nèi)皮細(xì)胞形成縫隙連接，可以促進(jìn)內(nèi)皮穩(wěn)定。有趣的是，TGFβ1對于內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的作用也不相同，高濃度情況下TGFβ1激活內(nèi)皮ALK1進(jìn)而誘導(dǎo)其下游smad1/5/8的激活，使得內(nèi)皮細(xì)胞活化；而低濃度即可促進(jìn)平滑肌ALK5激活，并激活其下游PAI-1、Smad7、促進(jìn)纖維素和彈力纖維的分泌，并抑制內(nèi)皮細(xì)胞水解基底膜的能力[14]。目前，腦血管周細(xì)胞ALK5表達(dá)缺失可以減少TIMPs分泌，導(dǎo)致血腦屏障被破壞和彌漫性基質(zhì)-腦室內(nèi)出血[15]。目前大多觀點(diǎn)均認(rèn)為周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用是維持血管穩(wěn)態(tài)的主要機(jī)制，而周細(xì)胞對于內(nèi)皮細(xì)胞的分子反饋性調(diào)控仍不十分清楚，有待進(jìn)一步研究。

3 血管新生的理論模型

血管的新生可以概括為，血流動(dòng)力改變導(dǎo)致的壓力或者剪切力誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞ALK1的表達(dá)，進(jìn)而使得ALK1活化，并在此過程中逐漸募集血島來源性的干細(xì)胞，形成周細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等，構(gòu)成血管壁。而隨著平滑肌細(xì)胞的移入，TGFβ1轉(zhuǎn)而促進(jìn)募集的周細(xì)胞ALK5活化，使內(nèi)皮細(xì)胞由激活轉(zhuǎn)為靜止，維持血管穩(wěn)定。

在血管新生的分子機(jī)制上，可以作出合理猜想，即在血管病變過程中，管腔壓力與管壁韌性之間平衡紊亂。管壁進(jìn)行性生長，周細(xì)胞進(jìn)行性增多進(jìn)而導(dǎo)致了血管斑塊、狹窄、纖維化等一系列病變的發(fā)生；管壁周細(xì)胞募集能力減弱，或者周細(xì)胞對內(nèi)皮細(xì)胞反饋抑制的能力減弱，導(dǎo)致了動(dòng)脈發(fā)育不良或管壁韌性減小，形成動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形，甚至在一定程度上誘發(fā)了動(dòng)脈夾層的發(fā)生。

4 血管新生模型解釋主動(dòng)脈疾病

4.1 TGFβ1異常影響高血壓病 主動(dòng)脈具有血流量大，血流壓力高，局部血流動(dòng)力復(fù)雜的特點(diǎn)。臨床上，主動(dòng)脈夾層和主動(dòng)脈瘤的患者大多有原發(fā)的高血壓病。研究發(fā)現(xiàn)TGFβ1與高血壓密切相關(guān)，伴有心房顫動(dòng)及心臟損害的高血壓患者的血清TGFβ1明顯升高[16]。已證實(shí)TGFβ1基因的多態(tài)性、血清TGFβ1水平與高血壓以及所導(dǎo)致的高血壓器官損傷之間存在相關(guān)性[17-19]。TGFβI型受體TGFB1的915C 單核苷酸多態(tài)性(SNP)與歐美人群高血壓風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[20-21]，869C多態(tài)性與亞洲人群的高血壓風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)[22]。

轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研究中，高血壓也與血清中升高的TGFβ1濃度密切相關(guān)[23]。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，阻斷TGFβ1信號通路可以緩解大鼠高血壓病[24]。Emilin1可以通過結(jié)合pre-TGFβ抑制TGFβ1成熟，當(dāng)Emilin1缺失后，大量TGFβ1成熟，并上調(diào)TGFβ1信號通路[25]。Emilin1敲除小鼠顯示血管壁中的TGFβ1表達(dá)增加，同時(shí)血壓明顯高于野生型小鼠，在病理上體現(xiàn)為血管腔增厚和管腔直徑減小。同時(shí)，Emilin1聯(lián)合TGFB1敲除后，高血壓可以被抑制[25]。這也說明TGFβ1通路的升高與血管重塑現(xiàn)象密切相關(guān)。

4.2 TGFβ1受體異常參與血管壁穩(wěn)態(tài)失衡 血流動(dòng)力刺激促進(jìn)內(nèi)皮ALK1的表達(dá)，并通過PDGF-BB等信號募集循環(huán)中的周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞。胚胎時(shí)期ALK1的效應(yīng)高于ALK5的效應(yīng)。這可能是因?yàn)榕咛r(shí)期BMP家族成員主要激活A(yù)LK1所導(dǎo)致。而成人中BMP濃度相對于胚胎時(shí)期的濃度減少，僅剩下相對低的TGFβ1，而周細(xì)胞僅表達(dá)的ALK5，對TGFβ1的敏感性高于ALK1，并表現(xiàn)出拮抗ALK1的效應(yīng)。假設(shè)血管壁的穩(wěn)態(tài)失控與此相關(guān)，發(fā)育過程中ALK1激活減少、ALK5的突變，或者過高濃度的TGFβ1同時(shí)激活了ALK1和ALK5均可以表現(xiàn)出周細(xì)胞和平滑肌分泌TIMP減少，導(dǎo)致血管中膜細(xì)胞外基質(zhì)的降解，從而破壞血管壁的穩(wěn)態(tài)。

ALK1的突變是HHT的主要原因之一，有報(bào)道其突變可以導(dǎo)致患者發(fā)生主動(dòng)脈瘤[26]。特異性敲除主動(dòng)脈ALK5和TGFβ1的小鼠會(huì)自發(fā)形成主動(dòng)脈瘤[27-28]。局部過高的TGFβ1也有可能使ALK1和ALK5同時(shí)激活，導(dǎo)致血管中膜細(xì)胞外基質(zhì)降解。例如，馬凡綜合征患者由于FBN1基因突變，導(dǎo)致基底膜和彈力纖維上固定TGFβ1的分子結(jié)構(gòu)消失。TGFβ1大量脫落誘導(dǎo)了ALK1和ALK5的同步激活，MMPs家族分泌占據(jù)主要優(yōu)勢，水解細(xì)胞外基質(zhì)。這也是這類患者易發(fā)主動(dòng)脈夾層和主動(dòng)脈瘤的機(jī)制之一[29-30]。I型Loeys-Dietz 綜合征患者存在TGFβ1突變，然而臨床標(biāo)本提示TGFβ1的下游通路反而呈現(xiàn)過度激活，學(xué)者推測可能與代償機(jī)制相關(guān)，但是具體機(jī)制需要進(jìn)一步研究[31]。

5 問題與展望

目前諸多的研究均證明了血流動(dòng)力影響了血管TGFβ1通路活性和血管壁穩(wěn)定。而內(nèi)皮細(xì)胞對于血流的直接感受器目前仍研究較少。不僅如此，在小動(dòng)物主動(dòng)脈整體結(jié)構(gòu)中，主動(dòng)脈內(nèi)皮及其滋養(yǎng)血管的內(nèi)皮在光鏡下難以辨別，也導(dǎo)致了相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。隨著冰凍激光切割和單細(xì)胞測序技術(shù)的逐漸成熟，內(nèi)皮參與的主動(dòng)脈疾病的機(jī)制將被進(jìn)一步闡述。