線粒體功能障礙與血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展

瞿珊珊 黃蓉蓉 閆軍宇 李玉蘭,3

(1.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院麻醉科,甘肅 蘭州 730000)

心血管疾病的患病率逐年上升,在人類疾病死亡率中居首位。20世紀(jì)90年代,Takaichi等[1]發(fā)現(xiàn)血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)具有兩種表型——收縮型和合成型(或分泌型),且在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。近年來研究[2-8]發(fā)現(xiàn),VSMCs表型轉(zhuǎn)化在心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起關(guān)鍵作用,而線粒體功能障礙、鈣穩(wěn)態(tài)失衡可能是VSMCs表型轉(zhuǎn)化的重要因素[9-15]?，F(xiàn)綜述鈣穩(wěn)態(tài)、線粒體功能與VSMCs表型轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系,并探討其促成心血管疾病的可能機(jī)制。

1 VSMCs表型轉(zhuǎn)化與心血管疾病

VSMCs是血管中膜的主要成分。生理情況下,VSMCs分化成熟為穩(wěn)定的收縮型,維持血管正常的舒縮功能。當(dāng)受到病理因素刺激時(shí),VSMCs由收縮型去分化為合成型,獲得較強(qiáng)分泌功能,合成分泌細(xì)胞外基質(zhì),細(xì)胞增殖和遷移能力增強(qiáng),導(dǎo)致內(nèi)膜增生和血管重構(gòu)[2-3]。VSMCs不同表型具有相關(guān)標(biāo)志性蛋白,收縮型標(biāo)志性蛋白有α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(alpha-smooth muscle actin,α-SMA)、平滑肌蛋白22α(smooth muscle 22 alpha,SM22α)、平滑肌肌球蛋白重鏈和鈣調(diào)蛋白等;合成型標(biāo)志性蛋白有骨橋蛋白(osteopontin,OPN)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)2和骨鈣素等。合成和分泌能力可通過檢測(cè)基質(zhì)金屬蛋白酶2、基質(zhì)金屬蛋白酶9等活性物質(zhì)進(jìn)行鑒定[4]。

VSMCs表型轉(zhuǎn)化引起的功能障礙是心血管疾病的病理基礎(chǔ),如動(dòng)脈粥樣硬化、動(dòng)脈高壓、血管鈣化、血栓形成和動(dòng)脈瘤形成等。在動(dòng)脈粥樣硬化的病理改變中VSMCs表現(xiàn)出較強(qiáng)的分化增殖能力,細(xì)胞形態(tài)向軟骨細(xì)胞樣、成骨細(xì)胞樣、泡沫細(xì)胞樣、巨噬細(xì)胞樣轉(zhuǎn)化,收縮表型蛋白表達(dá)降低的同時(shí)合成表型蛋白明顯升高,驅(qū)動(dòng)血管鈣化形成。因此認(rèn)為VSMCs表型轉(zhuǎn)化是啟動(dòng)動(dòng)脈粥樣硬化病變的重要因素[5]。肺動(dòng)脈高壓(pulmonary hypertension,PH)種類繁多,發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,但各類PH具有相同的病理標(biāo)志即血管重塑,表現(xiàn)為肺動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞(pulmonary arterial vascular smooth muscle cell,PASMC)增殖,血管內(nèi)膜增厚,血管肌化明顯。在各種病因引起的PH病變血管中,均發(fā)現(xiàn)PASMC存在去分化現(xiàn)象,細(xì)胞過度增殖、遷移,導(dǎo)致血管病理性重塑。在高血壓病變血管中VSMCs增生明顯,中膜增厚,血管僵硬,導(dǎo)致血管阻力增加,收縮標(biāo)志蛋白α-SMA、SM22α表達(dá)下調(diào),合成標(biāo)志蛋白OPN表達(dá)增加,表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象[6-8]。

2 線粒體功能與VSMCs表型轉(zhuǎn)化

線粒體是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器之一,具有為細(xì)胞供能、參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡等功能。它具有高度動(dòng)態(tài)性,可通過融合及分裂的動(dòng)態(tài)平衡,調(diào)節(jié)能量代謝,保證細(xì)胞正常的生理功能。近期研究VSMCs表型轉(zhuǎn)化時(shí)發(fā)現(xiàn),線粒體形態(tài)及功能發(fā)生改變,其動(dòng)力學(xué)及能量學(xué)的穩(wěn)定在維持血管平滑肌表型及功能方面具有重要作用。

2.1 線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體是一個(gè)不斷進(jìn)行融合分裂的動(dòng)態(tài)管狀網(wǎng)絡(luò),其融合過程具有混合并重新分配蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物和線粒體DNA等功能;分裂過程則是將線粒體網(wǎng)絡(luò)中功能失調(diào)或受損的部分分離出來,通過自噬進(jìn)行降解,從而修復(fù)受損的線粒體[9]。

在VSMCs表型轉(zhuǎn)化過程中,電鏡觀察到線粒體形態(tài)變化顯著[10],收縮表型VSMCs中線粒體呈現(xiàn)蠕蟲形絲狀,而合成表型中則表現(xiàn)為球形的碎片化狀態(tài)。線粒體的重塑過程受相關(guān)蛋白調(diào)控,如促進(jìn)融合的Mitofusin1/2(Mfn1/2)、視神經(jīng)萎縮蛋白等和促進(jìn)分裂的動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)、分裂蛋白1等。線粒體融合后,可恢復(fù)膜電位,增加氧消耗率和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的產(chǎn)生[11-12]。而線粒體分裂,膜去極化,電位降低,能量代謝障礙,誘導(dǎo)線粒體自噬。

Mfn2介導(dǎo)線粒體融合,其正常表達(dá)是維持VSMCs收縮表型的重要因素。當(dāng)Mfn2表達(dá)減少時(shí),VSMCs發(fā)生表型轉(zhuǎn)化,增殖能力增強(qiáng)。在缺氧性PH的大鼠模型中Mfn2轉(zhuǎn)錄及蛋白表達(dá)顯著降低,VSMCs增生,血管壁增厚[13]。血小板源性生長因子BB(platelet-derived growth factor-BB,PDGF-BB)是誘導(dǎo)VSMCs去分化的重要生物因子[14]。Salabei等[10]在研究PDGF-BB調(diào)控VSMCs表型轉(zhuǎn)化時(shí)觀察到Mfn2的蛋白表達(dá)減少50%,線粒體分裂活性增強(qiáng),呈現(xiàn)明顯的碎片化,細(xì)胞中α-SMA和鈣調(diào)蛋白表達(dá)減少。Torres等[15]在PDGF-BB誘導(dǎo)大鼠主動(dòng)脈VSMCs表型轉(zhuǎn)化時(shí),使用胰高血糖素樣肽-1激活蛋白激酶A活性,上調(diào)Mfn2的表達(dá),促進(jìn)線粒體融合,抑制細(xì)胞遷移和增殖。牛艷華[16]發(fā)現(xiàn)脂肪酸合酶抑制劑可增加Mfn2的表達(dá),減輕線粒體相關(guān)的細(xì)胞凋亡,改善血管重塑。

相反,線粒體分裂增強(qiáng)可誘導(dǎo)VSMCs向合成型轉(zhuǎn)化。在慢性血栓栓塞性PH的VSMCs中,Drp1磷酸化顯著增加,線粒體體積減小,數(shù)量增加,OPN上調(diào),SM22α顯著下調(diào)[17]。Marsboom等[18]通過激活缺氧誘導(dǎo)因子-1α,誘導(dǎo)線粒體Drp1總量增加、磷酸化增強(qiáng),VSMCs獲得較強(qiáng)的增殖能力,導(dǎo)致內(nèi)膜增厚。生物因子血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)也可通過增加Drp1、降低Mfn2的表達(dá),使VSMCs表型轉(zhuǎn)化[19]。但Deng等[20]在AngⅡ誘導(dǎo)小鼠原代主動(dòng)脈VSMCs表型轉(zhuǎn)化過程中發(fā)現(xiàn),Drp1的mRNA及蛋白表達(dá)沒有增加,而是通過AngⅡ增強(qiáng)Drp1磷酸化,激活Drp1發(fā)揮生物效應(yīng)。無論通過何種機(jī)制,在使用線粒體分裂抑制劑Mdivi-1后,均可觀察到線粒體面積和長寬比明顯增加,同時(shí)增殖標(biāo)志物減少,AngⅡ誘導(dǎo)的表型轉(zhuǎn)化被明顯抑制,逆轉(zhuǎn)VSMCs去分化現(xiàn)象,恢復(fù)收縮表型[18-20]。

VSMCs表型轉(zhuǎn)化伴有線粒體動(dòng)力學(xué)的改變,線粒體融合減弱,分裂增強(qiáng)。改善線粒體功能,可逆轉(zhuǎn)去分化以維持VSMCs收縮表型,改善血管功能,證實(shí)線粒體動(dòng)力學(xué)在VSMCs表型轉(zhuǎn)化中具有重要的調(diào)控作用。

2.2 線粒體能量學(xué)

線粒體是產(chǎn)生能量的重要細(xì)胞器,其內(nèi)膜包含電子傳遞鏈和線粒體ATP酶,參與三羧酸循環(huán)的氧化磷酸化和β氧化,為機(jī)體供能[11]。線粒體損傷時(shí),氧化磷酸化受到抑制,ATP產(chǎn)生減少,線粒體功能障礙,大量生成ROS,線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)損傷,鈣穩(wěn)態(tài)紊亂,導(dǎo)致一系列的心血管疾病[21]。

近期研究發(fā)現(xiàn),VSMCs表型轉(zhuǎn)化時(shí)伴有明顯的能量代謝障礙。在小鼠主動(dòng)脈合成型(去分化型)VSMCs的組織模型中,觀察到參與氧化磷酸化的復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的表達(dá)明顯降低,復(fù)合物Ⅱ、Ⅳ也表現(xiàn)為下降趨勢(shì),有氧糖酵解與氧化磷酸化耦合減弱,能量代謝障礙[22]。Yu等[23]也發(fā)現(xiàn)在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的VSMCs中復(fù)合物Ⅰ表達(dá)減少,線粒體呼吸功能受損,ATP產(chǎn)生減少,這可能與mtDNA損傷有關(guān)。mtDNA是控制呼吸鏈蛋白合成的重要分子,其損傷使編碼的線粒體ATP酶的表達(dá)降低,氧化磷酸化功能受損,ATP合成顯著減少,直接影響能量代謝[24-25]。

線粒體能量代謝障礙也可誘導(dǎo)VSMCs表型轉(zhuǎn)化。軟骨寡聚基質(zhì)蛋白與抑制素蛋白2相互作用維持VSMCs的收縮表型。當(dāng)線粒體內(nèi)的軟骨寡聚基質(zhì)蛋白缺乏時(shí),線粒體膜電位降低,mtDNA損傷,出現(xiàn)明顯的氧化磷酸化障礙,VSMCs向合成型轉(zhuǎn)化[26];抑制素蛋白2缺乏時(shí),抑制復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的活性,損害呼吸超復(fù)合物形成,導(dǎo)致相同的結(jié)果[27]。寡霉素抑制ATP合酶(又稱復(fù)合體Ⅴ)時(shí),也觀察到VSMCs去分化的現(xiàn)象。在PDGF-BB導(dǎo)致的合成表型VSMCs中,Jia等[26]觀察到去分化程度與線粒體呼吸減少呈正相關(guān);相應(yīng)的在轉(zhuǎn)化生長因子-β誘導(dǎo)的收縮表型中,線粒體呼吸明顯增加。

正常收縮型細(xì)胞線粒體主要利用葡萄糖代謝供能,VSMCs去分化時(shí),線粒體氧化磷酸化減弱,能量代謝障礙。為保證細(xì)胞能量代謝,脂肪酸逐漸成為主要供能物質(zhì)。Salabei等[10]研究認(rèn)為脂肪酸氧化是細(xì)胞分裂、遷移及合成和分泌細(xì)胞外基質(zhì)的必需環(huán)節(jié),VSMCs去分化獲得增殖能力是由轉(zhuǎn)錄和生物能量過程耦合驅(qū)動(dòng)的。因此,改善線粒體呼吸功能、恢復(fù)供能,可成為恢復(fù)細(xì)胞表型的治療手段。線粒體能量代謝與其形態(tài)相關(guān),高能量需求的組織(如骨骼肌、心肌細(xì)胞等)通常具有融合的相互連接的線粒體,而能量需求較低的組織有更小、碎片化的線粒體[28]。胰高血糖素樣肽-1通過上調(diào)Mfn2的表達(dá)快速誘導(dǎo)線粒體融合,線粒體膜電位、氧消耗率和ATP增加,線粒體活性增強(qiáng),抑制細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移。因此認(rèn)為線粒體的融合是對(duì)能量代謝失調(diào)的一種保護(hù)性反應(yīng)[17]。

3 鈣離子與線粒體功能

線粒體是細(xì)胞內(nèi)重要的鈣離子緩沖和儲(chǔ)存器,細(xì)胞內(nèi)鈣平衡是維持VSMCs正常生理功能的保障。在PH患者的VSMCs中觀察到線粒體斷裂、線粒體內(nèi)鈣離子濃度病理性降低,能量代謝受抑制;細(xì)胞質(zhì)中鈣離子濃度升高,驅(qū)動(dòng)細(xì)胞增殖、血管收縮[29]。人們通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn),在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣離子通道附近通常有線粒體聚集,參與介導(dǎo)鈣離子重新分布,維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子穩(wěn)態(tài),保證正常的細(xì)胞功能[30],如圖1。

注：[Ca2+]cyto,細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度;[Ca2+]mito,線粒體鈣離子濃度。

線粒體對(duì)鈣離子的攝取有賴于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的偶聯(lián)區(qū)域,即線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes,MAMs)[31]。MAMs主要功能包括產(chǎn)生高度定位和集中的鈣離子微區(qū),促進(jìn)鈣離子通過電壓依賴性陰離子通道穿過線粒體外膜到達(dá)線粒體膜間腔隙,激活線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)進(jìn)入線粒體基質(zhì)內(nèi)[32]。線粒體能量代謝對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度具有依賴性。鈣離子濃度適度升高激活MCU,鈣離子進(jìn)入線粒體,促進(jìn)能量合成。線粒體內(nèi)的鈣離子濃度決定ATP的合成速率[33]。Bravo等[31]實(shí)驗(yàn)觀察到在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激早期,MAMs數(shù)量增加,確保內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間的鈣聯(lián)系。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子激活MCU,提高線粒體鈣離子攝取率,降低細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度,同時(shí)確保ATP的產(chǎn)生。在VSMCs中這種作用有利于維持VSMCs的收縮表型[34]。

研究[32]發(fā)現(xiàn),Mfn2在MAMs中高度表達(dá),是重要的調(diào)節(jié)蛋白,其表達(dá)參與調(diào)節(jié)線粒體的鈣攝取。Mfn2表達(dá)增加,線粒體融合,提高對(duì)鈣離子攝取能力及速率[35]。Mfn2表達(dá)減少,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的距離增加,線粒體鈣離子攝取率降低[36],ATP生成障礙,細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高,誘導(dǎo)VSMCs表型轉(zhuǎn)化。Hong等[29]在正常的PASMC中,通過基因調(diào)控抑制MCU活性,細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高,Mfn2表達(dá)降低,線粒體碎片化,細(xì)胞增殖、遷移能力增強(qiáng)。同時(shí),線粒體內(nèi)鈣離子濃度降低,抑制丙酮酸脫氫酶活性,氧化代謝減弱,細(xì)胞功能依賴有氧糖酵解,出現(xiàn)類似于癌細(xì)胞的Warburg現(xiàn)象,能量代謝障礙,表現(xiàn)出合成型VSMCs的特征。抑制Drp1及其磷酸化,分裂過程減弱,也可使線粒體獲得更高的鈣攝取和保留能力[35]。

除此之外,ROS和炎癥因子等致病因子導(dǎo)致線粒體鈣超載,每毫克線粒體中鈣離子含量>500 nmol時(shí),線粒體氧化磷酸化受到不可逆抑制,ATP產(chǎn)生明顯減少,可能與線粒體內(nèi)膜嵴功能障礙[37]和復(fù)合物Ⅰ功能抑制有關(guān)[38]。同時(shí),鈣超載導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換口打開,膜電位降低,線粒體腫脹,內(nèi)膜斷裂嵴重塑,mtDNA損傷,線粒體碎片化,自噬增強(qiáng),能量代謝障礙[39]。線粒體通透性轉(zhuǎn)換口的持續(xù)開放導(dǎo)致線粒體鈣離子和ROS流入細(xì)胞質(zhì)內(nèi),細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子和ROS濃度升高誘導(dǎo)VSMCs表型發(fā)生轉(zhuǎn)化。線粒體膜電位降低和呼吸鏈功能缺陷有關(guān)的鈣攝取能力下降,也是誘導(dǎo)VSMCs表型轉(zhuǎn)化的機(jī)制之一[32]。

鈣離子是維持線粒體動(dòng)力學(xué)及能量學(xué)的重要橋梁,VSMCs表型轉(zhuǎn)化過程中線粒體功能障礙表現(xiàn)為：動(dòng)力學(xué)失衡,形態(tài)呈碎片化,鈣離子攝取能力降低,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高,線粒體內(nèi)鈣離子濃度降低,能量代謝障礙。病理因素刺激下,線粒體鈣超載抑制氧化磷酸化,并導(dǎo)致線粒體腫脹、膜斷裂等,誘導(dǎo)VSMCs向合成型轉(zhuǎn)化。因此,保證鈣穩(wěn)態(tài)是維持線粒體功能的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,VSMCs表型轉(zhuǎn)化是多數(shù)心血管疾病發(fā)病的基礎(chǔ)改變,線粒體功能狀態(tài)是決定VSMCs表型的重要因素,線粒體融合強(qiáng)于分裂,利于氧化磷酸化及ATP的產(chǎn)生,VSMCs表達(dá)為收縮型。鈣離子是影響線粒體功能的核心因素之一,鈣離子濃度與線粒體的融合分裂過程及能量代謝相互作用,共同影響VSMCs的表型。因此如何維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài),改善線粒體功能,使VSMCs從病理狀態(tài)下的合成型恢復(fù)為收縮型,可能成為阻斷心血管病變發(fā)展的治療策略。