先天性心臟病與高原地區(qū)低氧環(huán)境相關(guān)性的研究進(jìn)展

王 旭, 盧曉峰, 張朋賓, 李勇男, 高秉仁

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 心臟外科, 甘肅 蘭州, 730030)

先天性心臟病(簡稱“先心病”)指胎兒心臟或大血管的結(jié)構(gòu)或功能存在異常，是最常見的出生缺陷類型，也是嬰兒死亡的主要非感染性原因。高原地區(qū)有其特有的環(huán)境特點，低壓低氧、強(qiáng)輻射、寒冷、干燥等因素均可引起機(jī)體一系列的病理生理變化，其中低氧對機(jī)體的影響最大。全世界有超過1.4億人生活在海拔2 500 m以上的地方[1]。研究[2-3]證實高海拔與先心病密切相關(guān)，隨著海拔的升高，先心病的發(fā)病率顯著增高，因此探討高原低壓低氧環(huán)境下先心病的發(fā)病機(jī)制尤為重要。本文對高原低氧與先天性心臟病關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 高原低氧影響先心病的發(fā)病率

高原地區(qū)先心病發(fā)病率遠(yuǎn)高于平原地區(qū)。研究[4]發(fā)現(xiàn)，居住在高海拔地區(qū)的12～18個月齡嬰兒的先心病發(fā)病率比平原地區(qū)高約10倍。CHUN H等[5]調(diào)查了中國西藏自治區(qū)那曲市的84 302名兒童，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵刃牟〉幕疾÷瘦^平原地區(qū)顯著增高。MA L G等[6]報道了中國青海省玉樹藏族自治州和河南蒙古族自治縣先心病的患病率均較平原地區(qū)明顯增高。中國云南省先心病兒童的調(diào)查結(jié)果[4]顯示，云南省先心病患病率高于中國其他地區(qū)，高海拔地區(qū)先心病的患病率更高。李東韜等[7]對中國西藏自治區(qū)不同海拔地區(qū)兒童先心病患病率的橫斷面研究結(jié)果顯示，隨著海拔的升高，先心病的患病率從每1 000例中4.37例升高至每1 000例中13.35例。哥倫比亞11個省數(shù)據(jù)庫的橫斷面研究[8]發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)先心病發(fā)病率較平原地區(qū)顯著增高。厄瓜多爾研究人員[2]分析了18年的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，海拔2 500～2 750 m的新生兒先心病患病率約為每萬例活產(chǎn)兒中有71例；海拔2 750～3 000 m的新生兒先心病患病率為每萬例活產(chǎn)兒中有72～89例；海拔3 000～3 264 m的新生兒先心病患病率為每萬例活產(chǎn)兒中有超過89例。上述研究證實，高海拔與先心病密切相關(guān)，高海拔能顯著影響先心病的患病率。

海平面高度的大氣壓為760 mmHg(101.0 kPa), 氧分壓為160 mmHg(21.3 kPa)。青藏高原平均海拔4 000 m, 大氣壓約475 mmHg(63.0 kPa), 氧分壓約100 mmHg(13.3 kPa), 氧氣利用率僅為海平面的60%左右。與成人動脈血氧含量(約15 mL/dL)相比，胎兒動脈血氧分壓(約12 mL/dL)相對較低。胎兒血紅蛋白對氧的親和力較成人更強(qiáng)。因此，由于相對較低的動脈氧分壓和相對陡峭的氧合血紅蛋白飽和度曲線，胎兒特別容易缺氧。高原低氧可能通過影響基因、信號通路、表觀遺傳機(jī)制、機(jī)體代謝等途徑導(dǎo)致心臟發(fā)育異常。

2 高原低氧環(huán)境下基因突變

基因突變與先心病密切相關(guān)[9]。EPAS1基因負(fù)責(zé)編碼EPAS1蛋白(HIF2α)。EPAS1在細(xì)胞增殖分化、胚胎發(fā)育和誘導(dǎo)癌變中具有重要的作用。此外, EPAS1在心臟發(fā)育中也發(fā)揮重要的作用。研究[10]表明，高海拔低氧所致EPAS1的突變可能是先心病的潛在病因。CITED2基因在胚胎心血管的形成和發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。LIU S M等[11]研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)下CITED2基因的突變可能與中國西部高原先心病相關(guān)。研究[12]發(fā)現(xiàn)gdf1基因是TGF基因家族的成員，TGF基因控制胚胎發(fā)育和許多細(xì)胞增殖分化，并在心臟發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，低氧可能導(dǎo)致gdf1突變，引發(fā)心臟發(fā)育缺陷。SIRT家族成員也在心臟發(fā)育中發(fā)揮重要作用。劉世明等[13]研究證實，在高原低氧下SIRT7的突變參與中國高原先心病的發(fā)生。上述研究提示，高原低氧可使基因突變而導(dǎo)致心臟發(fā)育異常。

3 高原低氧環(huán)境下信號通路異常

信號通路在調(diào)控細(xì)胞和器官增殖、分化過程中起著重要的作用，同時在調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞分化、發(fā)育，心臟再生以及心血管系統(tǒng)修復(fù)等方面也具有關(guān)鍵作用[14]。Wnt信號通路在心臟發(fā)育和干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化中具有重要作用，在所有Wnt基因中，只有Wnt11在心前中胚層呈現(xiàn)時空調(diào)控表達(dá)，并且在心肌細(xì)胞增殖、分化中具有極其重要的作用。研究[15]發(fā)現(xiàn)，缺氧干擾Wnt11的表達(dá)，圍產(chǎn)期缺氧可使Wnt11表達(dá)喪失，導(dǎo)致心臟畸形。

Notch信號通路在細(xì)胞發(fā)育、分化、增殖、凋亡等過程中也發(fā)揮著重要的作用，在心臟胚胎發(fā)育期中，Notch信號通路還參與心臟房室管、瓣膜、流出道及肌小梁的形成過程。Notch信號還與心肌再生修復(fù)密切相關(guān)。缺氧會破壞Notch信號通路[16], 引起一系列的心臟畸形表現(xiàn)。VHL-HIF信號通路控制胚胎心臟發(fā)育的開關(guān)，參與心室肌特化的過程。研究[17]發(fā)現(xiàn)VHL-HIF信號通路的異常可能與胚胎缺氧有關(guān)，低氧導(dǎo)致心臟在胚胎早期出現(xiàn)心臟收縮力受損，表現(xiàn)出心臟傳導(dǎo)的離子通道異常，造成心臟發(fā)育不全。上述研究證實了低氧可影響信號通道的正常表達(dá)，干擾心臟正常發(fā)育，導(dǎo)致心臟畸形。

4 高原低氧環(huán)境下表觀遺傳異常

表觀遺傳對于生長發(fā)育和細(xì)胞分化是必不可缺的，在胎兒發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用[18]。表觀遺傳修飾涉及相對穩(wěn)定和可遺傳的基因表達(dá)模式的改變，不涉及DNA序列的改變，主要由DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA介導(dǎo)。DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA與低氧關(guān)系密切[19-20]。

4.1 高原低氧與DNA甲基化

DNA甲基化在胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化、基因組印記、染色體結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)相互作用等方面發(fā)揮著重要的調(diào)控功能。DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下使1個甲基添加到胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤(CpG)二核苷酸中胞嘧啶的5位碳上，通過調(diào)節(jié)基因的表達(dá)來影響基因組活動。DNA甲基化調(diào)節(jié)著與心臟發(fā)育的重要基因[21]。研究[22]發(fā)現(xiàn)，缺氧會影響約50%CpG位點的甲基化。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶同樣在心臟正常發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用[23], 缺氧干擾此酶的表達(dá)[24]。研究[25-26]證實缺氧降低了發(fā)育中心臟的整體DNA甲基化水平，增高了先心病的發(fā)生風(fēng)險。在發(fā)育的心臟中，缺氧會誘導(dǎo)糖皮質(zhì)激素受體(GR)基因啟動子的過度甲基化和GR的表觀遺傳抑制，GR對心臟和血管形成具有直接作用，并且在控制心血管系統(tǒng)發(fā)育、代謝等方面具有不可或缺的作用[27]。因此，低氧可通過干擾GR等甲基化過程影響心臟的發(fā)育而導(dǎo)致先心病。

4.2 高原低氧與組蛋白修飾

組蛋白修飾是指組蛋白在相關(guān)酶作用下發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化、腺苷酸化、泛素化及ADP核糖基化等修飾過程。組蛋白修飾在心臟發(fā)育分化中也具有舉足輕重的作用[28]。組蛋白去甲基化受氧濃度調(diào)節(jié)，研究[29]表明低氧可顯著影響組蛋白甲基化作用。Jarid2是去甲基化酶，低氧可阻礙Jarid2 的表達(dá)而導(dǎo)致心臟室間隔缺損[30]。去甲基化酶KDM3對早期心臟的發(fā)育具有關(guān)鍵作用[31], 而缺氧會影響KDM3的表達(dá)[32], 導(dǎo)致心臟發(fā)育異常。組蛋白乙酰化是另一個重要的組蛋白修飾，在心血管系統(tǒng)發(fā)育中起主要作用[33]。研究[34]證明低氧下組蛋白乙酰化表達(dá)受限，影響心血管系統(tǒng)正常分化發(fā)育，導(dǎo)致心臟畸形。組蛋白被組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATS)乙?；?，HATS有不同的家族，可與其他蛋白形成多亞基復(fù)合物，其中已知的p300/CBP、PCAF、SRC在胚胎心臟發(fā)育中起著關(guān)鍵作用[35-36]。研究[37-38]發(fā)現(xiàn)，低氧環(huán)境下其表達(dá)受限，可能影響心臟發(fā)育，導(dǎo)致心臟畸形。

4.3 高原低氧與非編碼RNA

非編碼RNA(ncRNA)是指不翻譯成蛋白質(zhì)，但可以在轉(zhuǎn)錄水平及轉(zhuǎn)錄后水平對基因表達(dá)過程進(jìn)行調(diào)控的RNA, 包括miRNA、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、tRNA、rRNA、PIWI相互作用 RNA(piRNA)、小干擾RNA(siRNA)等。通過調(diào)控某些關(guān)鍵基因的表達(dá), ncRNA參與心臟胚胎干細(xì)胞分化調(diào)控、血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞發(fā)育等過程[39]。人類基因組中已經(jīng)鑒定出1 000多種miRNA, 許多miRNA與缺氧密切相關(guān)，被稱為“低氧miRNA”[40-41]，其中miRNA-210對調(diào)節(jié)發(fā)育中的心血管修復(fù)再生具有至關(guān)重要的作用，缺氧可對miRNA-210啟動子進(jìn)行強(qiáng)有力的干擾。低氧可通過阻礙miRNA-210的表達(dá)，影響心血管系統(tǒng)的正常發(fā)育，導(dǎo)致先心病[42]。lncRNA在胚胎發(fā)育期間參與了心血管發(fā)育[43]。研究[44]證明，缺氧抑制lncRNA正常表達(dá)，阻礙心血管發(fā)育導(dǎo)致心臟異常。上述研究揭示了缺氧影響表觀遺傳的正常表達(dá)，干擾心臟正常生長分化，導(dǎo)致先心病的發(fā)生。

5 高原低氧環(huán)境下基質(zhì)金屬蛋白酶異常

細(xì)胞外基質(zhì)主要成分包括膠原蛋白、非膠原蛋白、蛋白聚糖、彈性蛋白與氨基聚糖。I型和III型膠原是心臟主要的間質(zhì)膠原，分別占85%、11%。細(xì)胞外基質(zhì)的主要功能是形成物理支架來支撐周圍的細(xì)胞。此外，細(xì)胞外基質(zhì)還參與細(xì)胞分化。細(xì)胞外基質(zhì)的降解是通過基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的作用實現(xiàn)的。細(xì)胞外基質(zhì)的生成與降解的平衡對心臟發(fā)育和功能維持至關(guān)重要[45], 平衡被破壞將導(dǎo)致心臟發(fā)育障礙[46]。低氧可顯著改變心臟基質(zhì)金屬蛋白酶的活性, LINASK K K等[47]證明缺氧干擾MMPs可導(dǎo)致心臟管缺陷。缺氧時，胎鼠心臟基質(zhì)金屬蛋白酶-1明顯降低，而基質(zhì)金屬蛋白酶-13和膜型基質(zhì)金屬蛋白酶-1則升高。缺氧通過影響胎豚鼠心臟基質(zhì)金屬蛋白酶-9[48]和羊胎心臟基質(zhì)金屬蛋白酶-2和膜型基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)[49], 抑制心臟正常分化發(fā)育。出生前缺氧[50]可抑制大鼠子代基質(zhì)金屬蛋白酶-2的活性，導(dǎo)致心臟功能異常。

通常情況下, Ⅰ型膠原韌性較大，而III型膠原彈性較大，心臟膠原含量隨著胎兒向新生兒的轉(zhuǎn)變而呈現(xiàn)出定量的表達(dá)[51]。心臟中膠原蛋白異常的表達(dá)不利于心臟重塑與心臟發(fā)育[52]。在豚鼠和綿羊的胎心中，妊娠期缺氧增加了膠原沉積[49], 可導(dǎo)致心臟發(fā)育異常。產(chǎn)前缺氧[50]增加了4月齡和7月齡胎鼠心臟的I型和III型膠原表達(dá)，導(dǎo)致一系列的心臟發(fā)育缺陷。上述研究證實了低氧可影響基質(zhì)金屬蛋白酶的活性，改變膠原蛋白含量并導(dǎo)致先心病的發(fā)生。

6 高原低氧環(huán)境下炎癥因子改變

研究[53]表明，低氧刺激人胎盤絨毛外植體促炎癥因子產(chǎn)生并抑制抗炎細(xì)胞因子的釋放。高海拔地區(qū)的孕婦表現(xiàn)出更高的腫瘤壞死因子和白細(xì)胞介素-6(IL-6)水平[54]。研究[55-56]證實, IL-6及腫瘤壞死因子的升高與先心病關(guān)系密切，在先心病的發(fā)生和進(jìn)展中起著重要作用。

7 展 望

綜上所述，越來越多的證據(jù)支持高原低氧與先心病有著密切的關(guān)系。隨著社會的快速發(fā)展及診斷技術(shù)的不斷進(jìn)步，高原低氧與先心病有關(guān)的致病因素會逐漸被發(fā)現(xiàn)，其發(fā)病機(jī)制也會被研究證實，如能采取有關(guān)的措施加以預(yù)防，對于世界高原人群優(yōu)生優(yōu)育、提高新生兒質(zhì)量、減少家庭和社會負(fù)擔(dān)具有重要的意義。