Caveolin?1低氧肺血管重塑中參與肺動脈平滑肌細胞表型調節的研究進展

艾祥發 王海英

遵義醫學院附屬醫院麻醉科（貴州遵義563000）

慢性缺氧性肺血管疾病包括慢性阻塞性肺疾病、肺源性心臟病、慢性肺動脈高壓以及肝肺綜合征等疾病，患者以呼吸系統癥狀體征顯著，主要表現為缺氧發紺、呼吸困難、杵狀指（趾）、直立性缺氧以及仰臥呼吸等。這一類疾病通常病情發展緩慢，初期癥狀不典型，因此早期診治較困難，并且病理改變不可逆，給患者及社會造成極大的醫療負擔，現已成為我國乃至世界性的難題。隨著缺氧肺血管疾病研究的深入，研究認為該疾病的發生與組織缺血缺氧、內皮-間質轉化、缺氧誘導表觀遺傳修飾以及肺血管重建有密切關系［1］。低氧肺血管重塑導致肺血管管腔狹窄甚至閉塞，肺泡氣體交換不足、氧合不充分導致機體遠端組織的缺氧，是缺氧性肺血管疾病的重要發生基礎，也是近幾年研究熱點。已有研究表明肺血管重塑的病理發生過程主要與增強肺動脈平滑肌細胞（PASMC）的增生、遷移和削弱程序性細胞死亡過程有密切關聯［2］。Caveolin?1已經被認為是血管平滑肌細胞（VSMC）增殖的有效抑制劑，也是VSMC遷移的重要調節劑［3］；但Caveolin?1在缺氧肺血管重塑中的具體機制仍不清楚。本文根據最新的研究進展并結合低氧肺血管重塑的發生機制，就Caveolin?1在缺氧條件下對PASMC收縮調節、組織代謝、細胞增殖肥大以及血管再生等病理發展過程中發揮的作用進行綜述。

1 小窩（Caveolae）及小窩蛋白（Caveolin）

Caveolae是一種特殊化形式的膜結構域，直徑為60～80 nm，形態特征類似Ω形狀的質膜內陷［4］，在許多細胞功能（包括膜運輸，信號轉導，細胞外基質重塑和組織再生）中起著關鍵作用［5］。小窩蛋白（Caveolins）和小窩調節蛋白（Cavins）是控制小窩發生和功能的兩個家族，作為小窩的主要位點參與重要的細胞過程如內吞作用，膽固醇脂質體內平衡和信號轉導［6］。小窩蛋白家族是一個21～24 kDa整合的膜蛋白超家族，主要包括Caveolin?1（Cav?1）、Caveolin?2（Cav?2）和 Caveolin?3（Cav?3）3種，這些蛋白高度整合到小窩結構中，并且有獨立于小窩的自主活動。有研究表明Caveolin?1的磷酸化導致相鄰帶負電荷的N末端磷酸酪氨酸殘基的分離，促進細胞膜穴樣內膜的腫脹，然后從質膜釋放；以及Caveolin?1在組織細胞衰老和老化疾病中起著重要作用［7-8］。Caveolin?1的N?末端膜附著結構域（N?MAD，殘基82?101）和C末端（C?MAD，殘基135-150）可以將 Caveolins錨定到細胞膜 Caveolae。Caveolin?1（Cav?1）N?MAD形成的Caveolins腳手架結構域肽與質膜Cav?1競爭，抑制蛋白質與Cav?1的相互作用，并重新儲存Cav?1結合蛋白的功能［9］。

2 Caveolins在血管平滑肌中的功能

Caveolins對調節血管平滑肌收縮，生長/增殖和組織代謝等方面有不可或缺的作用。Caveolin?1異常表達可引起PASMCs的異常增殖，無序遷移，極性消失，最終將引起PASMCs的不可逆地結構性重塑。

2.1 Caveolin?1參與血管平滑肌收縮調節 血管平滑肌收縮和舒張的調節與Caveolin?1有密切關系，已有研究表明在血管內皮細胞中Caveolin?1與血管平滑肌中內皮型NO合酶（eNOS）相互作用的減弱是造成Cav?1敲除小鼠表型調節異常的常見原因［10］。這說明小窩蛋白對eNOS基礎活性的良好的抑制作用及其在調節血管張力中的后續作用。此外Cav?1還參與到Ca2+通道活性調節對血管平滑肌細胞的收縮起著始動作用。Caveolin?1在鈣離子信號傳導過程中起重要調節功能，Caveolae和Caveolin?1增加大鼠肺動脈平滑肌細胞（PASMCs）中儲存操作的Ca2+通道（SOCC）的活性，并且這種增強效應在肺動脈高壓的大鼠中更顯著［11］。因此，Caveolae及其主要蛋白質Caveolins在感知外部機械應激以及細胞信號轉導中扮演著重要作用。有研究［12］表明Caveolae重塑及其相關的信號級聯有助于大鼠腸系膜動脈平滑肌細胞中拉伸誘導的L型電壓依賴性Ca2+通道（VDCCL）的激活。滲透腫脹引起的Caveolae的機械變形通過破壞Caveolae/Gαq相互作用可以影響Ca2+信號傳導，這一特性將Caveolae的機械特征和信號傳導性聯系在一起［13］。這些結果定義了Caveolae及Caveolin?1參與將膜拉伸機械力轉導為動脈平滑肌中VDCCL的激活，激活的VDCCL將肌質網內的Ca2+泵入到胞漿內，當胞漿內Ca2+濃度達到閾值后引起相應平滑肌收縮。盡管Caveolin?1參與血管平滑肌收縮的機制已有相應研究，但Caveolin?1在血管平滑肌病理性收縮中仍然研究甚少；還需要深入研究Caveolin?1在肺血管重塑的病理條件下參與血管平滑肌收縮功能的調節作用。

2.2 Caveolin?1在血管平滑肌代謝中的調控作用 血管平滑肌細胞（VSMC）能量代謝系統及其調節是相當復雜的，涉及糖酵解，氧化磷酸化，三羧酸循環等多種能量代謝途徑。Caveolae作為感受細胞生化物理改變的重要亞結構域參與到細胞的能量代謝。已有研究提出Caveolin?1調節細胞新陳代謝包括糖酵解，線粒體生物能量，谷氨酸分解，脂肪酸代謝和自噬［14］。Caveolin?1的敲除降低了細胞葡萄糖攝取和乳酸輸出，減少細胞內ATP，并通過激活AMPK?p53信號引發自噬［15］。線粒體除了參與能量代謝外，還負責蛋白質表達，折疊和降解的完整的內源性機制。蛋白質質量控制機制失敗將導致線粒體功能和結構完整性的喪失［16］。線粒體蛋白酶（比如蛋白質AFG3L2）可以保障線粒體蛋白質質量控制以及線粒體受氧化應激刺激后結構和功能的完整。研究發現AFG3L2是一種m?AAA型線粒體蛋白酶，與Caveolin?1彼此密切關聯。研究顯示氧化應激促進Caveolin?1和AFG3L2轉移到線粒體，增強 Caveolin?1與線粒體中AFG3L2的相互作用，并刺激野生型成纖維細胞中的線粒體蛋白酶活性［17］。這些研究結果表明Caveolae及Caveolin?1參與到葡萄糖的攝取即糖酵解，并且在維持線粒體完整性及氧化磷酸化中發揮重要作用。但是在慢性缺氧引起肺血管重塑的條件下，Caveolae及Caveolin?1參與糖酵解及氧化磷酸化的機制仍不清楚，需要進一步研究。

2.3 Caveolin?1參與血管平滑肌細胞的肥大 血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）的釋放在血管平滑肌細胞（VSMC）肥大和遷移中發揮重要的作用。并且已有研究表明Cav?1通過調節表皮生長因子受體（EGFR）和血管內皮細胞黏附分子?1在AngⅡ的血管重塑中發揮重要作用［18］。另有文獻報道活性氧（ROS）參與調控血管收縮、增殖和肥大，遷移和黏附，以及血管生成等信號通路從而調節表型［19］。同樣AngⅡ介導的VSMC中的表皮生長因子受體反式激活需要活性氧（ROS）的存在。這些發現表明血管重塑可能涉及AngⅡ及其活性氧的產生，導致EGFR的反式激活。EGFRs以及許多其他信號分子，如c?Src可通過與Cav?1形成復合體，并通過血管緊張素1受體（AT 1 R）介導進入Caveolae［20］。最新研究通過對Cav1-/-和對照組Cav+/+小鼠輸注AngⅡ2周誘導血管重塑和高血壓，發現Cav1-/-小鼠血管重塑明顯減輕，進一步證實Cav?1敲除能夠有效預防由AngⅡ誘導的血管重塑［18］。Cav?1在AngⅡ誘導的AT 1 R介導的EGFRs進入Cav?1富集的脂筏微結構中扮演重要作用，并且Cav?1也是ROS依賴性EGF?R反式激活，以及VSMC肥大相關的下游信號傳導所必需的。因此，Cav?1是VSMC中ROS依賴的生長肥大相關的AT 1 R信號傳導的核心。研究Cav?1在血管平滑肌肥大相關信號傳導中的作用對進一步研究Cav?1在缺氧肺血管重塑中的機制是有幫助的。

3 Caveolin?1在缺氧肺血管重建中對PASMCs表型調節中的作用

VSMC是高度特化的細胞，主要參與保持靜止狀態下的血管壁發生形成和血管的張力，生理狀況下的血管平滑肌細胞通常保持靜止和收縮。但是當響應于機械損傷、氧化應激、細胞內外微環境改變等各種病理刺激時，VSMC可從分化和收縮表型轉變為增殖遷移和合成表型的可塑特性被稱為表型調節。

3.1 Caveolin?1參與PASMC增殖的調節 活化的TGF?β對PASMC具有強大的促進增生的作用，從而促進肺血管的重塑［21］。有研究表明，血管內損傷后升高的TGF?β/Smad3促進SMC增殖和內膜增生，升高的TGF?β/Smad3刺激Wnts的分泌，從而通過β?連環素促進SMC增殖［22］。此外，發現磷脂酰肌醇3?激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）途徑在PASMCs中被TGF?β1激活，進一步抑制細胞凋亡。這些觀察結果表明TGF?β1保護PASMCs免于細胞凋亡，并通過PI3K/Akt通路促進肺血管內膜增厚［23］。已有研究［24］表明TGF?β反應性是通過脂筏/Caveolae介導的內吞作用之間的TGF?β受體分配來確定的。脂筏/Caveolae介導的內吞作用促進TGF?β降解，從而抑制TGF?β反應性。Caveolin?1由于參與TGF?β受體內在化，在調節轉化生長因子β（TGF?β）信號轉導中起重要作用。另有研究發現Caveolin?1還是PDGF信號傳導事件的靶點。血小板衍生生長因子（PDGF）可產生許多有助于VSMC增生和遷移的生物學功效［25］。攜帶Caveolin?1的腺病毒過表達與PDGF誘導的信號事件從增殖反應到凋亡反應的轉換有關。因此Caveolin?1可以通過抑制PDGF表達參與對VSMCs增殖的信號調節。近幾年許多證據強調多巴胺對VSMC增生和遷移的關鍵性，并且已有研究報道了Cav?1對VSMC多胺攝取及其對細胞增殖和遷移的影響的重要性，并指出Cav?1負調節VSMC多胺攝取，從而參與調節VSMC的增殖反應［26］。由此可見，Caveolin?1通過TGF?β通路、PDGF通路以及調節多巴胺的攝取抑制肺動脈平滑肌細胞的增殖；因此上調Caveolin?1的表達可抑制平滑肌增殖從而改善肺血管重塑，但僅僅基于基礎研究結果還不夠，需進一步開展臨床研究。Caveolin?1抑制平滑肌增殖相關機制的研究可為臨床治療提供可靠的參照。

3.2 Caveolin?1對PASMC遷移的影響 肺動脈平滑肌細胞由于具有過度增殖，細胞凋亡被抑制，遷移潛力增加等特征，有助于閉塞性血管重塑［27］。血小板衍生生長因子?BB（PDGF?BB）可激活包括Rho相關激酶（ROCK）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號參與細胞的遷移、分化等。最新實驗研究發現PDGF?BB引起大鼠VSMC中基質金屬蛋白酶?2（MMP?2）表達的劑量依賴性增加并且通過ROCK和ERK/p38?MAPK通路促進VSMC的遷移［28］。已有研究發現PDGF受體與Caveolae亞型相互作用，并導致激酶活性的抑制；Caveolin?1和Caveolin?3的肽以劑量依賴的方式抑制PDGF受體的磷酸化［29］。因此 Caveolae及 Caveolin?1可通過其結構域與PDGF受體結合，抑制PDGF受體及下游通路的信號傳導，從而參與調節VSMC的遷移。此外，細胞外Ca2+內流對于細胞極性很關鍵，Caveolin?1是鈣庫操縱的鈣內流（SOCE）的重要調節劑，Caveolae結構的破壞及小窩蛋白?1的過度表達與細胞極性有密切關系［30］。因此，Caveolae及Caveolin?1可通過鈣離子庫操縱的Ca2+內流（SOCE）參與調控細胞極性，還可通過抑制PDGF受體及下游通路抑制平滑肌細胞的遷移。Caveolin?1在血管平滑肌細胞中定向遷移的研究為肺血管重塑奠定了理論基礎。

3.3 Caveolin?1在血管新生中的調控作用 肺動脈高壓的典型特征是功能調節紊亂的新生血管生成導致肺血管的閉塞［31］。微血管的新生和側支循環的建立是血管缺氧性疾病非常常見的特征。已有研究報道健康成人血管中的血管內皮生長因子受體2（VEGFR?2）表達通常相對低，但其病理血管生成中的表達顯著增加［32］。LABRECQUE等［33］報道了 VEGFR?2 位于的內皮 Caveolae/脂筏內，Cav?1過表達抑制VEGFR?2活性，表明Cav?1與VEGFR?2結合并負調節受體活性。另有研究報道Cav?1參與內皮細胞功能，在siRNA沉默Cav?1后誘導了內皮細胞形態的改變；并且Cav?1靶向影響內皮細胞遷移和基質金屬蛋白酶（MMPs）活性，并且在體外減弱VEGF誘導的血管生成［34］。綜上，Cav?1可通過抑制VEGFR?2及MMP活性負性調節肺血管新生，肺血管新生減少可改善通氣/血流比例失調，改善患者氧合，在低氧肺血管疾病中有著重大的治療意義。

4 展望

慢性缺氧性肺血管疾病因其發病晚，早期診斷較困難；并且病理改變不可逆，根治困難。因此，針對缺氧性肺血管疾病病理發生機制的研究以及早期診斷干預極為重要。缺氧肺血管重塑是缺氧性肺血管疾病的重要形成機制，其中PASMCs的表型調節在其發生機制中占據主要地位；并且近幾年針對PASMCs的表型調節的研究已經成為熱點。然而，基于這些功能的信號和組織代謝過程并沒有被完全認知。以Caveolae及Cav?1作為切入點，研究其參與膜結構并作為信號轉導至關重要的系統性組織結構是一個較好的選擇。首先Caveolins已有良好的研究基礎，前期國內外研究已清楚了Cav?1作為Caveolae主要結構功能蛋白參與PASMCs信號傳導和代謝調節；但Cav?1及Caveo?lae基于疾病的臨床研究很缺乏。其次，基于Caveolins的轉基因、基因敲除技術已經成熟。另外，在缺氧性肺血管疾病患者體內是否存在Cav?1表達變化？是否可以將Cav?1作為這類患者的診斷指標之一？盡管已有關于Caveolae及Cav?1的基礎研究報道，但其臨床上的價值還需要更多的探索。

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