低氧性肺動脈高壓肺血管重塑機制的研究

李宜桐 李勇

摘要：肺動脈高壓是臨床常見的一種肺血管疾病，缺氧是肺動脈高壓的主要因素，會導致不可逆的肺血管重塑，其發病機制復雜，目前主要研究細胞因子、離子通道、信號通路、線粒體結構功能改變、代謝重編程五個方向。各個因素間并不單一存在，而是呈網絡狀相互影響促進，共同作用于肺血管，進而導致不可逆的血管重塑。本研究主要從以上五個方向進行綜述，以期為臨床治療提供參考。

關鍵詞：低氧;肺動脈高壓;血管重塑

中圖分類號：R544.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：B? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.15.010

文章編號：1006-1959（2020）15-0026-04

Abstract：Pulmonary hypertension is a common pulmonary vascular disease in clinic. Hypoxia is the main factor of pulmonary hypertension， which leads to irreversible pulmonary vascular remodeling. Its pathogenesis is complicated. The main research directions include cytokines， ion channels， signal paths and metabolic reprogramming. All the factors do not exist alone， but are promoted by network interactions， which act together on the pulmonary blood vessels and lead to irreversible blood vessel remodeling.

Key words：Hypoxia;Pulmonary Hypertension; Vascular Remodeling; Mechanism

肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是一組以肺血管阻力進行性增高為特征的臨床綜合癥[1]。肺部疾病和（或）低氧所致肺動脈高壓即低氧性肺動脈高壓（hypoxic pulmonary hypertension，HPH），是肺動脈高壓中的一大類，也是導致肺動脈壓力升高的第二大常見病因[2]，可由慢性肺阻塞疾病、間質性肺疾病、睡眠呼吸障礙、肺泡低通氣綜合征、長期居住高原環境、肺發育不良等多種原因并發產生[3]。肺血管收縮和肺血管重塑是此類患者導致肺動脈壓力進行性升高的兩大病理生理學改變。由于肺血管的代償作用，缺氧性肺動脈高壓不易被早期發現，死亡率較高。目前，臨床應用的藥物大多針對治療肺血管收縮，且療效較不滿意。研究表明[4，5]，我國慢性阻塞性肺疾病患者人數達9990萬人，且肺動脈壓力大于40 mmHg的慢性阻塞性肺疾病患者3年平均生存率低至33%。因此，開發相關靶向藥物有效治療肺動脈高壓，首先需要深入研究低氧肺血管重構的發病機制。

早期缺氧可引起肺血管收縮，研究表明[6]，長期缺氧可導致內皮損傷，分泌細胞因子和生長因子失衡，進而導致細胞外基質、平滑肌等增殖速度大于凋亡，異常沉積;離子通道異常關閉或開啟，使平滑肌異常收縮;基因的異常表達，使激酶含量增高，進一步促進細胞因子異常增高;為應答細胞缺氧，優化全身氧輸送，線粒體通過傳感器改變肺動脈平滑肌細胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）中的活性氧/氧化還原對，激活一系列離子通道和激酶。同時，缺氧還可促使間質細胞和免疫細胞的代謝發生適應性改變，最終可導致不可逆的肺血管重塑[7]。因此，本文從細胞因子、離子通道、信號通路、線粒體功能動態改變、代謝重編程五個方向對低氧性肺動脈高壓肺血管重塑機制作一綜述。

1細胞因子

內皮由于解剖位置所在，與血管張力變化密切相關，因此，內皮細胞的病理改變對血管功能有重要的影響。缺氧可直接造成內皮細胞的損傷，引起內皮細胞過度分泌和表達多種細胞活性因子，如缺氧誘導因子-1α（hypoxia iducible factor-1α，HIF-1α），HIF-2α，內皮素-1（endothelin-1，ET-1），血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），血小板源性生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF），轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）等。以上因子能誘導內皮細胞和平滑肌細胞增殖，進一步促進血管內皮和平滑肌過度增殖，管壁增厚，管腔狹窄，進而導致血管重塑等病理改變的發生[8]。

1.1 HIF-1α低氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）是一種由HIF-1α或HIF-2α與HIF1β構成的氧敏感異二聚體轉錄因子，在維持細胞氧穩態和代謝活動調控中起核心作用。不缺氧時，HIF-α與具激活泛素連接酶系統活性的VHL（von hippel–lindau）蛋白結合，從而被蛋白酶降解。此過程取決于a-酮戊二酸依賴性雙加氧酶、脯氨酰羥化酶、天冬酰胺基羥化酶和HIF抑制因子的活性。相反，在缺氧條件下，蛋白酶體降解HIFα/HIFβ二聚體過程受抑制，從而使轉錄因子發生核轉位，與低氧反應元件（hypoxia response elements，HREs）結合，導致了下游100多個基因的活化，從而參與細胞缺氧自適應反應。HIF激活一系列包括氧代謝、紅細胞生成、血管生成和線粒體代謝在內的控制氧穩態的相關基因，可以通過增加丙酮酸脫氫酶激酶的含量抑制葡萄糖氧化，促進糖酵解[9]。在急性反應時，這種自適應機制具有短期保護效應，然而在長期低氧應激作用下，保護機制發生紊亂，通過轉錄激活其下游的靶基因，如ET-1、VEGF、誘導型NOS（inducible NOS，iNOS）等影響肺動脈高壓的發病和病程的進展[10]。Kojima H等[11]研究表明，敲除HIF-1α的大鼠在低氧環境下血管重塑減輕且肺動脈高壓的發病幾率降低，提示HIF-1α參與了低氧誘導的平滑肌血管重塑和肺動脈高壓的形成，VEGF[12]、ADM、HO等下位靶基因是通過HIF-1轉錄激活，而VEGF、HO、ADM的表達升高，反過來又對HIF-1的表達有調節作用。在癌癥相關的研究中，也有HIF-1α作用機制的探討。有研究證實[13]，腫瘤相關巨噬細胞通過HIF-1α，髓樣特異性IncRNA穩定長非編碼的細胞外囊泡，從而增強癌細胞的需氧糖酵解和抗凋亡。因此，在肺動脈高壓的血管重塑過程中或許有相似的機制，需要更多研究證實。

1.2 HIF-2α? 西藏地區的全基因組關聯研究已經鑒定出了單核苷酸多態性EPAS1（編碼HIF-2α）[14]。該突變目前僅發生在如西藏這樣在高海拔地區生活超過25000年的特殊選擇壓力地區。HIF-1α和HIF-2α雜合子的小鼠模型進一步證實[15]，在長期接觸10%氧氣后，雜合子相對于野生型的肺動脈高壓與血管重塑顯著減少。在HIF-2α基因缺失的小鼠實驗中也進一步證實HIF-2α對于氣道微血管完整性的重要[16]，提示HIF-2α可能可以作為肺動脈高壓治療的新位點。

2離子通道

近年來，有關離子通道方面的研究不斷深入。已有研究證實，低氧可以對肺血管平滑肌細胞的離子通道產生影響，進而引起血管重塑，導致肺動脈高壓的發生。

2.1鈣通道? 觸發細胞增殖信號轉導細胞內游離鈣離子濃度的升高，是導致肺血管平滑肌收縮的重要因素之一。血管內皮細胞在低氧條件下，釋放多種生物活性物質，激活肺血管平滑肌上電壓門控通道，進而導致鈣離子內流增加。肺血管平滑肌中鈣離子濃度增加是由于缺氧誘導的Notch信號傳導通過急性的功能性激活和慢性的TRPC6通道的上調，增強了鈣內流，導致鈣離子濃度增大，進而介導HPV和HPH的發展[17，18]，這個機制也為經典與非經典Notch通路阻斷聯合治療提供了思路。

2.2鐵轉運蛋白（ferroportin，FPN）? 缺鐵會增加肺動脈壓[19]。已有研究證實[20]，在同種型平滑肌特異性敲除鐵調素抗性小鼠中，ET-1表達增加，且發生肺動脈高壓和右心衰竭;在暴露于缺氧狀態的健康成人平滑肌中，也證實了鐵調節ET-1的理論[21]。其可能的機制尚不明確，可能涉及HAMP/FPN軸的調節。在心臟泵血功能障礙和血管重塑患者中也可見ET-1水平增高[22]，其機制是否在肺動脈高壓中有相似之處，還需進一步研究。

3信號通路

缺氧可直接調節或通過分泌調節因子間接調節多種激酶活性和信號通路的阻斷和激活，進而加重肺血管的重塑過程。

3.1 Rho/Rho 激酶信號通路? 缺氧可活化Rho/Rho激酶信號，其通過增加平滑肌的鈣離子敏感性收縮途徑，在急性缺氧性肺血管收縮中起重要作用。此外，Rho/Rho-激酶信號通路可通過調節胞質內Ca2+濃度，進而促進肺部血管收縮;通過調節肺動脈平滑肌細胞增殖與調亡，進而促進肺血管重塑，且參與右心結構、功能改變[23，24]，并在HPH發病過程中發揮重要作用。另有研究表明[25，26]，Rho/Rho激酶還參與細胞生長、增殖，并可能通過調節肺血管對ET-1和5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）等的反應引起肺血管重構。

3.2 NF-κB信號通路? NF-κB信號通路是細胞凋亡的關鍵通路之一，NF-κB的遺傳改變可導致信號通路下游的抗凋亡途徑激活，進而導致血管細胞增殖與凋亡的失調，最終導致血管重塑的發展[27]，其信號傳導可分為經典途徑和非經典途徑。

經典途徑由于B細胞受體、Toll樣受體、TNF家族受體和核苷酸寡聚化結構域樣受體的參與，引起配體對異源三聚體IκB激酶（IKK）復合物激活，活化的IKK磷酸化IκBa通過bTrCP泛素連接酶降解蛋白酶體，并將NF-κB釋放至細胞核[28]。非經典途徑依賴于TNF家族受體和CD40的B細胞激活因子等刺激受體對p50和p52相關的RelB復合物激活，進而導致由兩個IKKα亞基組成的IKK復合物的抑制劑磷酸化。同時，NF-κB2前體蛋白p100與RelB相互作用，產生p52并引起RelB的核轉位[29]。

3.3骨形態發生? 蛋白受體2型（BMPR2）信號轉導有證據表明[30]，BMPR2信號轉導的功能失調是肺動脈高壓的關鍵特征之一，約有75%患者存在BMPR2基因突變。脆性組氨酸三聯體（FHIT）是一種潛在的BMPR2修飾基因，在PH細胞中可觀察到BMPR2和修飾基因FHIT的下調。FHIT介導的BMPR2調節存在miR17-5依賴[31]，因此可針對于此靶點進行藥物治療。總之，FHIT的減少可能與內皮細胞和平滑肌細胞功能障礙有關。

4線粒體動態變化

線粒體除了基礎的產生能量職能外，還具有包括氧傳感在內的非常規功能[32]。細胞氧傳感器具有兩大特點：一是氧敏感性即能夠靈敏地感知細胞氧化狀態的變化;二是傳遞信息的能力。線粒體電子傳遞鏈中復合體Ⅲ是活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成的主要場所。低氧條件下，線粒體釋放大量ROS至細胞漿，激活一系列轉錄和翻譯后適應反應。同時，線粒體傳感器還可改變肺動脈平滑肌細胞中的活性氧和氧化還原對數目，進而抑制鉀通道，使平滑肌細胞去極化、激活電壓門控鈣通道、激活Rho激酶，最終導致血管收縮和HIF-1α釋放等一系列效應。

有研究證實[33]，BolA家族成員3（BOLA3）的突變可導致多種線粒體功能障礙綜合征，并與PH致病密切相關[34]。生理情況下，BOLA3主要負責調節鐵硫簇（Fe-S）的完整性，與Fe-S依賴性氧化呼吸有關。Fe-S是一種與線粒體代謝有關的金屬絡合物，可調節含硫辛酸的2-氧代酸脫氫酶（lipoate-containing 2-oxoacid dehydrogenases），關聯過度糖酵解和線粒體呼吸[35]，因此，在缺氧條件下，BOLA3表達下調，而鐵補充劑則有利于減輕缺氧性肺動脈高壓。

5代謝重編程

缺氧可能促使間質細胞和免疫細胞的代謝發生適應性改變。低氧性肺動脈高壓模型中，病變組織的細胞代謝重建為有氧糖代謝。目前認為肺動脈高壓具有Warburg效應，表現為糖代謝重建，可支持蛋白質合成和新細胞產生，從而滿足生物在低氧條件下迅速合成的需求，進而導致內皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞的過度增殖和凋亡抵抗[7]。同時，活化的外膜成纖維細胞還分泌一系列細胞因子、趨化因子和乳酸，激活、趨化不同表型的巨噬細胞并增強其有氧糖酵解產物與細胞因子的產生，進而啟動其相應的炎癥反應通路[36]。同時，糖酵解產物和細胞因子可反作用于細胞，引起細胞的病變和代謝重編程。代謝重編程主要表現為炎癥的活化和細胞增殖與凋亡的失調，最終可導致肺血管重塑等不可逆性的病理變化[37]。

6總結

低氧性肺動脈高壓機制的研究取得很大進展，但預防和改變肺血管重塑一直是低氧性肺動脈高壓的研究重點。由于低氧性肺動脈高壓的發病機制尚不明確，普遍認為與細胞因子、離子通道、信號通路、線粒體結構功能改變、代謝重編程有關。目前相關靶向治療方法較少，血管重塑期后尚無有效的藥物和治療手段，因此，對低氧性肺動脈高壓肺血管重塑的發病機制進行深入探討，為尋找新的治療靶點，提高臨床治愈率、降低死亡率有重要意義。

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