血管外膜成纖維細胞在肺動脈高壓中的作用及研究進展

李 青 李宏義

肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension, PAH)指孤立性肺動脈壓力升高，主要由肺小動脈本身病變導致肺血管阻力增加,從病理生理學的角度來看PAH的發生、發展過程與肺血管結構和(或)功能異常密切相關，血管壁細胞增殖/凋亡失衡引起的肺動脈重構是PAH的特征性病理改變[1]。目前對PAH的治療依賴于肺血管擴張劑，其有益作用是短暫的，雖能改善癥狀，但不能抑制血管增殖性重構，因此迫切需要更好地確定驅動血管重構的病理生物學機制，扭轉這些特征并恢復正常的肺血管結構和功能[2]。

血管外膜作為調節血管功能的關鍵生物處理中心，由成纖維細胞、免疫調節細胞和常駐祖細胞等多種細胞組成，在血管應激或損傷的反應中外膜細胞通常首先被激活并重新編程，然后影響血管壁的張力和結構，成纖維細胞作為血管外膜最主要的細胞類型，被認為是最適合“感知”血壓狀態的細胞，在PAH患者和動物模型體外培養的肺血管細胞中均可觀察到外膜成纖維細胞早期顯著增殖并維持其異常或持續激活的細胞表型，包括促炎、過度增殖和抗凋亡[3]。成纖維細胞活化、分化、分泌和代謝變化貫穿著PAH肺血管重構的整個病理生理過程。本文就近年來,成纖維細胞在PAH中的變化及其對肺血管重構發生、發展的影響加以綜述。

一、 血管外膜成纖維細胞活化

在PAH肺血管重構過程中，成纖維細胞能被多種途徑激活，包括p38- MAPKs通路和NADPH氧化酶4(NADPH oxidases 4, Nox4)通路，從而促進增殖、遷移和炎癥活性。在PAH患者和嚙齒動物模型中觀察到成纖維細胞p38-MAPK的活性和表達增加并轉換為增殖表型，同時以p38-MAPK依賴性機制釋放多種促細胞分裂因子，與肺血管重構相關最重要的細胞因子是IL-6，其可通過STAT3途徑刺激成纖維細胞增殖，在體內使用p38-MAPK抑制劑不僅可逆轉成纖維細胞的增殖表型，而且可通過降低成纖維細胞和循環IL-6等關鍵炎性介質的產生來改善肺血管重構[4]。因此，p38-MAPK是貫穿肺血管重構的重要通路，該通路的激活與驅動成纖維細胞的增殖和釋放促分裂因子有關，該通路的選擇性抑制可提供同時針對PAH中的血管細胞增殖和炎癥途徑的新型治療方法。

近年來研究發現，野百合堿誘導的PAH動物模型肺血管外膜中TRPV4蛋白表達上調參與成纖維細胞活化[5]。CD40L-CD40信號通路可增加成纖維細胞的增殖、遷移和促炎活性[6]。同時，特發性肺動脈高壓(idiopathic pulmonary arterial hypertension, IPAH)患者的肺3′-脫氧-3′[18F]氟胸苷攝取增加，其分離的過度增殖性肺動脈外膜成纖維細胞顯示胸苷激酶1和胸苷轉運蛋白的表達上調，這表明利用非侵入性成像生物學標志物可無創檢測異常增殖的成纖維細胞[7]。此外，在IPAH患者和PAH大鼠模型中KCNK3基因編碼的鉀離子通道的表達和功能降低，通過上調磷酸化的ERK1、PDGF、vimentin導致成纖維細胞過度增殖，并繼發早期血流動力學特征[8]。KCNK3通道調節肺動脈張力的作用與成纖維細胞的過度增殖有關,因此，遺傳學可部分解釋成纖維細胞的異常活化表型，離子通道及其對PAH的病理生理作用具有治療潛力。現階段通過靶向內皮功能障礙等成功穩定了肺血管張力，但PAH患者預后仍很差，這些研究表明靶向成纖維細胞激活的多種途徑可能是治療PAH的新方法，值得進一步探索。

二、活化的成纖維細胞分化為肌成纖維細胞表型

成纖維細胞受到損傷刺激時，在生長因子和細胞因子等作用下被激活可分化為具有成纖維樣細胞兼平滑肌細胞特性的肌成纖維細胞(myofibroblast, MF)表型，重構外膜中表達α-SMA的具有顯著收縮能力的MF早期顯著增加，其能從外膜遷移到中膜甚至內膜，從而促進血管壁增厚[9～14]。MF可分泌收縮分子、細胞外基質(extracellular matrix, ECM)蛋白、生長因子和活性氧(reactive oxygen species, ROS)等，它們對中膜平滑肌細胞產生自分泌和旁分泌作用[10～14]。其中，TGF-β能夠通過刺激α-SMA的表達和膠原蛋白的生成來誘導成纖維細胞分化為MF并刺激其遷移[11，12]。近年來研究發現，PAH患者肺血管過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)表達降低，PPARγ激動劑在PAH模型以劑量依賴性方式抑制由TGF-β誘導的成纖維細胞向MF的分化從而降低肺動脈壓力和改善血管重構[12]。在PAH患者和動物模型的血清中，轉谷氨酰胺酶2(transglutaminase 2, TG2)的表達和活性顯著升高與成纖維細胞向MF分化密切相關，抑制TG2活性可減少成纖維細胞中纖連蛋白和膠原蛋白及α-SMA的合成并且阻止其分化[13]。二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4, DPP-4)/CD26在肺血管外膜成纖維細胞上組成性表達并促進成纖維細胞增殖，其是遷移的成纖維細胞及其功能激活的標志，包括膠原合成和炎性因子的分泌，抑制DPP-4通過減少成纖維細胞的增殖和遷移,從而延長甚至抑制PAH進入潛在的不可逆階段[14]。

因此，成纖維細胞向MF的分化有助于血管張力的改變、慢性血管炎癥的發生和維持，誘導MF去分化或消失以及阻止遷移是有望抑制血管重構的新靶點，包括激活PPARs或者抑制TG2，PAH可能是DPP-4抑制劑治療的適應證。

三、活化的成纖維細胞參與炎性反應和ECM重塑

血管外膜通過保持成纖維細胞與炎性細胞之間的前饋相互作用而充當信號樞紐,血管損傷后，活化的成纖維細胞迅速上調細胞因子、生長因子和趨化因子的產生，如血管緊張素Ⅱ、IL-6和TGF-β1等，不僅直接影響自身和平滑肌細胞增殖以及ECM產生，還刺激循環炎性細胞向血管壁募集和滯留從而導致持續的炎癥和血管重構，研究表明，在肺動脈重構外膜中聚集大量巨噬細胞(macrophages，M)、單核細胞和肥大細胞等炎性細胞[15～18]。PAH與異常的炎性反應之間存在明確的聯系，PAH患者肺血管外膜成纖維細胞表現CSF2/GM-CSF表型，CSF2/GM-CSF的表達依賴于補體，免疫球蛋白特別是IgG對補體驅動的肺部炎癥起關鍵作用[17，18]。這表明免疫球蛋白驅動的補體級聯反應是調節成纖維細胞促炎和促增殖過程的關鍵病理生物學機制。此外，肥大細胞增殖并分泌各種細胞因子可刺激成纖維細胞的增殖、分化和遷移，繼而導致肺動脈順應性降低，早期使用肥大細胞穩定劑可抑制包括蛋白酶和促炎性細胞因子在內的炎性介質的釋放，并減少嚙齒動物模型肺血管重構，這表明肥大細胞可能是阻止和逆轉肺血管重構的潛在靶點[18]。

同時，在血管應激或損傷時，活化的成纖維細胞顯著改變ECM的產生和降解，ECM重塑會影響血管結構和功能。在PAH血管重構中，外膜ECM中膠原蛋白、纖連蛋白和肌腱蛋白C等顯著增加，ECM重塑通過各種信號通路的機械激活，包括轉錄輔因子YAP/TAZ、轉化生長因子和瞬時受體電位通道[19]。富馬酸二甲酯(dimethyl fumarate, DMF)可促進肺成纖維細胞中Wnt和Hippo途徑的轉錄效應因子β-catenin和TAZ的降解,在動物模型中阻斷Wnt信號、下調β-catenin或YAP/TAZ可阻止成纖維細胞活化和ECM重塑[20]。因此，DMF通過靶向成纖維細胞Wnt和Hippo途徑可有效減少ECM重塑從而改善血管重構。

成纖維細胞/炎性細胞-ECM相互作用對于維持慢性炎癥和持續的肺血管重構是必需的，細胞-基質相互作用可能為預防PAH增殖性重構提供新治療靶點，異常的炎癥在肺血管重構中起積極的作用，更好地理解炎癥機制有利于鑒定預防或改善PAH炎性反應及其隨后血管重構的治療靶標，其可與當前血管舒張藥物同時使用。

四、活化的成纖維細胞參與氧化應激

ROS產生是PAH肺血管重構的病理生理機制,細胞內ROS主要來源包括線粒體電子傳遞鏈、異常的氧合酶活性和Nox，與其他來源比較Nox能夠在空間和時間上產生高水平的ROS[21]。在PAH患者與動物模型的肺血管外膜檢測到Nox4顯著表達，產生的ROS促進成纖維細胞增殖并抑制凋亡，Nox4的外膜位置適合協調PAH中發生的血管炎癥、基質沉積和隨后的血管重構[22]。PAH患者的半乳糖凝集素3(galectin-3, Gal-3)血漿濃度明顯升高，其通過上調Nox介導ROS升高，包括與Nox4和Nox4來源的氧化應激相互作用從而導致血管重構[23]。因此，Gal-3表達增加通過影響ROS生成、Nox表達和氧化還原信號的能力從而進一步調節成纖維細胞的增殖，抑制Gal-3可通過有效抑制成纖維細胞中Nox4的活性，減輕氧化應激從而逆轉肺血管重構。

因此，活化的成纖維細胞主要通過Nox產生ROS，ROS可調節成纖維細胞的增殖、遷移、分化和ECM的產生，成纖維細胞在PAH中的氧化-抗氧化失衡中的特定作用對于理解血管重構的發病機制和潛在地開發新的治療方法很重要。

五、活化的成纖維細胞代謝異常

代謝理論表明成纖維細胞和線粒體代謝功能障礙是PAH的病理基礎，代謝譜分析證明在PAH早期階段糖酵解、炎性和氧化應激等生物學標志物顯著變化，因此，肺血管細胞代謝重編程是比病理生理變化發生得更快的早期事件[24，25]。成纖維細胞的異常增殖需要代謝適應以滿足細胞分裂的需要，代謝適應和功能細胞表型之間密切相關，成纖維細胞具有與癌細胞相似的線粒體代謝表型，研究表明來自PAH患者和動物模型的成纖維細胞通過線粒體呼吸抑制、葡萄糖氧化抑制和糖酵解激活等代謝改變形成促炎、過度增殖和抗凋亡表型[26，27]。因此，代謝重編程是成纖維細胞癌性表型的重要調節因素。

1.Warburg效應：糖酵解與葡萄糖氧化的解偶聯稱為有氧糖酵解,即“Warburg效應”通常反映線粒體酶的活性抑制,成纖維細胞代謝向有氧糖酵解方向變化時，細胞增殖和炎癥激活增加[24]。Li等[28]研究發現成纖維細胞表現出有氧糖酵解，通過涉及NADH敏感的轉錄輔阻遏物C末端結合蛋白(C-terminal binding protein，CtBP)活性增加的機制來驅動細胞的增殖和促炎表型，CtBP1是PAH治療靶點中將細胞代謝變化與表型聯系起來的關鍵因素。由于p53信號通路的激活可抑制血管細胞增殖和糖酵解，研究認為成纖維細胞p53信號的表達降低可能參與PAH的進展，激活p53可能改善PAH增殖性重構[29]。PAH中過度增殖、抗凋亡和促炎的成纖維細胞表現出糖酵解和線粒體代謝的結構性重組，葡萄糖攝取和利用的改變伴隨著糖酵解的葡萄糖分解代謝比三羧酸循環的增加。這表明有氧糖酵解的代謝重編程是PAH成纖維細胞的關鍵適應。因此，恢復成纖維細胞正常糖酵解可能是PAH新的治療方法。

2.成纖維細胞與M相互作用：在PAH患者和嚙齒動物實驗中，成纖維細胞通過分泌趨化因子、細胞因子和糖酵解代謝物來募集、保留和激活M，使其集中在外膜并表現有氧糖酵解從而向促炎/促重構表型發展，二者之間以IL6-STAT3-HIF1依賴途徑同步發生代謝重編程，此外，成纖維細胞與M相互作用可激活炎癥途徑，導致分泌細胞因子和趨化因子促進血管重構[24]。成纖維細胞與M相互作用涉及代謝和炎癥信號的串擾是血管重構的一個關鍵致病因素，研究發現線粒體生物能的致病性抑制伴隨著線粒體片段化，導致ATP合成效率降低，超氧化物產生增加,這些變化導致肺血管微環境中的促氧化和促炎狀態，從而驅動此過程[24,27,28]。因此，成纖維細胞與M相互作用介導的細胞增殖/炎癥聯系對于PAH的發病機制至關重要，未來的研究可致力于提高對成纖維細胞和M如何在代謝共生關系中誘導和維持細胞激活以及如何確定信號通路和分子將環境變化傳遞到代謝程序和轉錄反應的認識。此外，要成功地通過藥物來預防或逆轉血管重構，將依賴于在M和成纖維細胞的交互作用中靶向代謝協同和共生的能力。

3.miR-124/PTBP1/PKM2軸：從PAH患者和實驗模型分離的成纖維細胞中發現miR-124的表達水平降低，導致其直接靶標多聚嘧啶區結合蛋白1(polypyrimidine tract-binding protein 1, PTBP1)表達上調，后者是丙酮酸激酶(pyruvate kinase muscle，PKM)的主要調節因子，其表達的增加導致PKM2的過表達[24,26,30]。PKM2/PKM1比率增加能促進有氧糖酵解，從而調節細胞的整體代謝、增殖和炎癥狀態，抑制PKM2可逆轉成纖維細胞的糖酵解狀態，降低其細胞增殖，通過miR-124過表達或PTBP1敲低使成纖維細胞的PKM2/PKM1比值正常化可逆轉糖酵解表型，挽救線粒體重編程并減少細胞增殖[30]。因此，成纖維細胞miR-124/PTBP1/PKM2軸的失調驅動代謝重編程，從而促進PAH肺血管重構。

PAH代謝理論的發展對于針對成纖維細胞代謝異常和線粒體功能障礙的新型治療策略的提出至關重要，促進葡萄糖氧化來恢復正常糖酵解、靶向M和成纖維細胞的交互作用中代謝協同和共生與成纖維細胞中miR-124/PTBP1/PKM2軸的治療可能成為PAH新的臨床靶點。

六、展 望

綜上所述，外膜成纖維細胞在早期響應血管壓力時被激活，表現為增殖、分化、分泌和代謝異常，從而在PAH肺血管重構中起重要作用。關于成纖維細胞與外膜其他成分、與內膜和中膜的關系值得進一步研究。肺血管重構的一個根本問題是成纖維細胞持續激活的細胞表型，目前的治療方法并沒有直接針對此問題，如何抑制成纖維細胞的異常活化是控制PAH肺血管重構的關鍵問題，在今后的臨床治療研究中，涉及成纖維細胞的異常活化的信號通路和轉錄因子可作為治療PAH的潛在靶向治療標志物。