慢性阻塞性肺疾病合并肺動脈高壓發病機制研究進展

段雅靜 成孟瑜

作者單位：030032 山西 太原，山西醫科大學附屬白求恩醫院呼吸科

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)是可以預防和治療的常見呼吸系統疾病，其主要特征是持續呼吸道癥狀和氣流受限。肺動脈高壓(pulmonary hypertension，PH)指各種原因引起的肺動脈壓力升高，是COPD的最常見的并發癥之一。近年來，隨著研究的進展，專家學者們對慢阻肺合并肺動脈高壓(COPD-PH)發病機制研究進展有了新的認識，COPD-PH發病機制較為復雜，本文將從內皮細胞功能障礙及交感神經過度興奮兩個方面進行闡述。

內皮細胞功能障礙

肺血管內皮細胞不僅有屏障作用，還能分泌大量的血管活性物質，這些物質作用于肺血管平滑肌細胞(PASMCs)，參與調控細胞增殖、血管新生、能量代謝、血管運動等反應過程。而煙塵等空氣污染物、低氧及炎癥反應等均可引起COPD患者內皮細胞功能障礙，誘導成纖維細胞增殖和新生血管形成，因此內皮細胞功能障礙貫穿于COPD-PH發展全過程，以下對可能促使內皮細胞功能障礙的物質進行闡述。

一、一氧化氮(NO)

NO是由內皮型一氧化氮合酶(eNOS)催化L-精氨酸產生的信號分子，其活性受Ca2+和鈣調蛋白的調節。NO能通過激活可溶性鳥苷酸環化酶(SGC)-蛋白激酶G(PKG)信號軸，刺激平滑肌細胞產生第二信使環磷酸鳥苷(cGMP)，使肌鈣蛋白與Ca2+親和性下降，引起血管平滑肌舒張。而COPD-PH患者氧分壓下降，導致體內eNOS抑制劑二甲基精氨酸(ADMA)無法降解，ADMA隨著COPD-PH患者疾病嚴重程度的增加而增加，競爭性結合L-精氨酸，使NO合成減少；缺氧還會激活內皮Rho激酶、刺激核轉錄因子-κB(NF-κB)途徑以及過度氧化應激，不僅導致eNOS解偶聯，加速NO的失活，而且會使其生物利用度降低[1]，引起肺血管收縮及重塑，最終產生PH。有研究通過轉基因技術將eNOS基因在小鼠體內進行轉染，發現eNOS基因轉染可以提高小鼠體內NO含量，從而改善低氧性PH的肺血管及右心重塑[2]，為轉基因治療低氧性PH奠定理論基礎，很可能是預防和治療COPD-PH的有效治療方法。

二、前列環素(PGI2)

PGI2主要是由內皮細胞合成與分泌的血管擴張劑，與G蛋白偶聯受體結合使環磷酸腺苷(cAMP)水平升高并激活PKA，抑制肌球蛋白輕鏈激酶(MLCK)，導致平滑肌舒張。此外，細胞表面PGI2受體還可以抑制細胞增殖，從而激活G蛋白偶聯受體并增加cAMP的產生，而cAMP的抗增殖作用已經得到證實。COPD常常合并低氧和炎癥反應，導致內皮細胞功能障礙，PGI2合成減少，PASMCs收縮和增殖，肺血管重塑，促進了COPD-PH的發生發展。前列環素類似物如伊洛前列素已經在特發性肺動脈高壓中得到了廣泛的研究，但對COPD-PH的治療效果評價仍需要進行大規模的臨床試驗。

三、內皮素-1(ET-1)

ET-1是內皮細胞產生的最強血管收縮因子，與肺血管中ET-A或ET-B受體結合發揮作用。當ET-1與肺動脈平滑肌上的ET-A受體結合時，細胞內鈣水平迅速增加，并持續激活PKC，引起PASMCs收縮和增殖[3]。ET-1也可通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路誘發c-fos和c-jun基因的激活，從而促進細胞生長、肥大和增殖，并調控細胞存活和分化，引起PASMCs增殖和肺血管重構。ET-B受體分為ET-B1和ET-B2兩種,前者激動時會刺激血管內皮細胞合成和釋放NO和PGI2，同時促進體內ET-1的消除，引起肺血管舒張；而后者激動時在PASMCs表達上調，與ET-A受體協同引起PASMCs收縮和增殖[4]。證據表明，COPD-PH患者的體內ET-1水平升高。實驗發現[5]，PH大鼠內皮依賴性ET-B1受體介導的血管舒張功能受損，而ET-A協同ET-B2受體介導的血管收縮反應增強。ET-1在PH的血管舒張-收縮功能失衡中起主要作用，也參與了PASMCs的異常增殖以及肺血管重構。選擇性阻斷ET-A和ET-B2受體可能是治療COPD-PH的有效方法。

四、磷酸二酯酶(PDEs)

PDEs在體內分布廣泛，其中PDE-5是在肺中的主要亞型，主要通過水解cAMP和cGMP，阻斷NO/cGMP通路來收縮血管[6]。目前有少量研究表明，新型可溶性鳥苷酸環化酶激動劑利奧西呱，可以增加體內cGMP含量，使肺血管擴張，可以顯著降低COPD-PH患者的平均肺動脈壓力[7]，但對COPD患者肺功能改善和氣體交換的影響，仍需大量前瞻性研究進行驗證。選擇性PDE-5抑制劑西地那非[8]可導致cGMP在細胞內積聚，增強了NO介導的血管舒張功能。西地那非還被證明具有抗PASMCs增殖作用和逆轉右心室重構作用。證據表明，西地那非雖然可以降低COPD-PH患者的肺血管阻力，但對氧合、運動耐力影響較小，甚至會引起惡化[9]。盡管也有研究表明口服西地那非對COPD-PH病人有益，但其有效性仍需大量的臨床試驗進行證實。

五、5-羥色胺(5-HT)

5-HT的主要作用是收縮血管，除此之外還可以促平滑肌有絲分裂和共生作用，從而促進PH的進展[10]。研究表明在煙霧暴露的環境下，COPD小鼠模型體內5-HT水平升高，與其受體結合后使PDEs活性增強，導致平滑肌細胞內cAMP和cGMP水平下降，肺血管收縮[11]；還可以誘導細胞信號轉導機制中相應受體，使Ca2+增加，激活磷脂酰肌醇、PKC和MAPK等，上調c-myc基因的表達，促使PASMCs的增殖[12]，參與COPD-PH血管重塑。 Li Cheng等[13]在低氧性肺動脈高壓大鼠模型中發現，5-HT可以通過Rho-ROCK信號通路誘導th17/treg穩態失調，參與肺動脈高壓的形成。5-HT受體拮抗劑在抗血管重塑方面有很大潛力，可能是治療COPD-PH血管重塑的新靶點。

六、低氧誘導因子1(HIF-1)

HIF-1是由α和β兩種亞基構成的對低氧較為敏感的轉錄調控因子，其中 “缺氧基因表達開關”的HIF-1α對缺氧較為敏感[14]。COPD患者常常合并低氧，低氧暴露促使線粒體產生ROS增加,ROS作為信號分子激活HIF-1α,抑制電壓門控鉀通道并激活電壓門控鈣通道的表達,使細胞內鈣離子濃度增加,從而導致平滑肌細胞收縮。持續的低氧會激活Rho激酶,除增加HIF-1α的表達外，還增強肺血管的收縮反應[15]。在COPD的低氧條件下，HIF-1α可以增加EPO的表達，EPO促進骨髓紅細胞成熟并釋放入血，使血液粘滯度增加，血管阻力增加，從而產生肺動脈高壓。

研究發現[16]HIF-1α可以抑制低氧性PH的肺血管外膜成纖維細胞miRNA-29a-3p的表達,而敲除HIF-1α使miRNA-29a-3p表達不受抑制，促使肺血管外膜成纖維細胞的增殖、遷移及分泌，抑制低氧誘導的肺血管外膜成纖維細胞、平滑肌肌動蛋白和細胞外間質膠原的表達，預防性或治療性給予miRNA-29a-3p可顯著降低肺動脈壓力和右心室肥厚指數，并改善肺血管重構。通過抑制蛋白酪氨酸激酶激活，可抑制Akt/mTOR/HIF-1信號通路的表達，減少小鼠體內HIF-1α生成，可逆轉低氧性肺動脈高壓肺血管重構[17]。目前關于HIF-1的研究表明硼替佐米、埃他卡林等藥物可調節HIF-1α表達從而緩解PH,進一步研究發現這些藥物可以抑制COPD患者低氧環境下PASMCs的增殖并促進其凋亡，從而降低肺動脈壓力[18]。

長期低氧環境還可導致血管外膜成纖維細胞增生，HIF-1α與ET-1特異性基因位點結合，使ET-1的表達增加，促進血管外膜成纖維細胞肌化并向內膜遷移，影響血管重構[19]。有研究通過促使PH大鼠HIF-1α的降解,下調其下游靶基因ET-1、iNOS的表達，從而降低大鼠肺動脈壓力,緩解肺血管重塑。另外也有實驗首次發現HIF-1α的降低，竟然也會導致ET-1的升高，最終導致肺動脈高壓[20]。HIF-1α的作用機制目前尚不明確，但HIF-1α活性的調節，很可能是治療COPD-PH的切入點。

七、血管內皮生長因子(VEGF)

VEGF由內皮細胞分泌的一種可誘導成纖維細胞增殖并促進新生血管形成的細胞因子，貫穿于COPD發展全過程，最終導致繼發性PH[21]。因為COPD患者通常有吸煙史和低氧血癥，誘導 HIF-1α可刺激VEGF產生，通過轉化生長因子-β/NADPH氧化酶途徑增加ROS的產生，促進肺血管重構[22]。國內外研究者證實COPD并發輕癥PH患者血清VEGF水平有升高趨勢，但這可能是其代償性表現，隨著疾病進展，VEGF可能作為一類保護因子而表達減少，學者推測其下降可能與肺組織廣泛破壞、肺血管內皮細胞凋亡及肺血管重塑有關。有趣的是，最新研究表明VEGF特異性受體缺失可能導致PH加重[23]，至于VEGF及其受體在COPD-PH發病機制中起到的作用仍存在爭議。

八、骨形態發生蛋白-4(BMP4)

BMP4具有調節多種細胞增殖、分化、凋亡的重要作用，是轉化生長因子β(TGF-β)超家族的成員之一。越來越多的證據表明，BMP4信號通路參與了血管功能障礙及PH的發病過程。COPD-PH患者因吸煙、低氧或血流動力學紊亂使BMP4在內皮細胞中升高并作為上游激活劑被激活，通過ROS依賴性p38MAPK上調環氧合酶-2(COX-2)細胞通路表達，對內皮細胞發揮促炎作用，導致內皮細胞功能障礙，說明BMP4/ROS/COX-2級聯反應，在維持肺高血壓內皮功能障礙中起重要作用，在內皮細胞中的過表達增強了肺血管重塑及肺動脈高壓[24]。外源性輸注BMP4是通過刺激血管 NADPH氧化酶4(NOX4)的過表達上調ROS，ROS可通過NOX4-ROS-NF-κB、血管過氧化物酶1(VPO1)及轉化生長因子β1(TGF-β1)多種途徑誘導PASMCs增殖，在COPD-PH疾病中起重要作用，且血清ROS水平與COPD-PH的肺動脈壓力成正相關提示NOX4/ROS信號通路可能成為治療COPD-PH的潛在靶點[25]。

在COPD患者慢性缺氧狀態下，HIF-1α過表達可調節下游靶基因BMP4，通過上調細胞瞬時受體電位通道1(TRPC1)和TRPC6來增加細胞內Ca2+濃度，導致PASMCs收縮和重塑，肺動脈壓力升高[26]，從而促進COPD-PH的發生發展。Wu Jian[27]等證實BMP4通過PI3K/AKT/Smad1/5/8信號轉導，調節細胞核內轉錄并抑制大鼠肺動脈平滑肌細胞凋亡，參與了COPD-PH的相關反應。

最新研究發現BMP4在無癥狀吸煙者和COPD吸煙者分化的氣道上皮細胞中表達上調，確定了一種新的調節氣道上皮重構的機制。上調的BMP4與人類氣道中的干/祖細胞相互作用，抑制正常的粘液纖毛分化并誘導鱗狀化生，這一過程與COPD的發病機制直接相關[28]，故BMP4或其下游受體信號轉導通路在人體氣道祖細胞中的調節，有望成為治療或預防COPD-PH的一種潛在治療途徑。有趣的是，Cai Pengcheng等通過試驗發現BMP4抑制血管內皮細胞生長因子(PDGF)誘導的PASMCs增殖和膠原合成，即BMP4在PH患者中起抑制肺血管及右心室重構的作用[29]。而既往也有動物實驗表明[30]，BMP4信號通路缺陷的小鼠會發生更嚴重的肺動脈高壓，但不會加重氣道重塑，這似乎與BMP4可誘導氣道重塑的觀點或抑制肺動脈重塑相違背，但學者推測可能與內皮細胞功能障礙有關，因此，BMP4在PH中所起作用仍需大量實驗研究證實。

交感神經系統(SNS)

COPD患者O2分壓降低，刺激中樞化學感受器，CO2分壓及H+濃度升高，刺激外周化學感受器，使交感神經反射性興奮。SNS興奮的特征是去甲腎上腺素(NE)水平升高和 γ-氨基丁酸轉氨酶(GABA-T)活性升高，前者結合肺動脈平滑肌α1受體，使PASMCs增殖失調和肺血管異常收縮，最終導致肺動脈壓力升高；后者可降解γ- GABA(中樞和外周組織中對SNS有抑制作用的抑制性神經遞質)。因此，我們推測GABA-T可能通過調節GABA和NE水平參與PH的病理生理過程。GABA-T抑制劑維加巴特林(GVG)可以逆轉NE水平的升高和GABA水平的降低。GABA-T通過調節SNS活性在PH中起重要作用，有可能作為 COPD-PH的治療靶點[31]。惰性氣體氬氣通過激活γ-GABA受體，降低大鼠和人的肺血管張力，因此氬氣可能適用于PH和右心衰竭的患者[32]。但此類治療并未開展大型臨床試驗，其在COPD-PH發病機制中的確切作用，仍不清楚，還需要廣大學者進一步研究。

有研究者通過藥物腎上腺素能阻滯、降低神經激素活性、腎去神經、肺動脈去神經術等方法，阻斷交感神經通路[33-34]，可以通過調節血漿GABA和NE水平，降低肺動脈壓力，同時可以抑制腎素-血管緊張素-醛固酮(RASS)系統，使血管緊張素(Ang)分泌減少，血管平滑肌舒張，可以降低平均肺動脈壓力并改善血管壁重構以及右心室肥厚。血管緊張素轉換酶(ACE)的激活會增加炎癥、氧化應激，并有促血栓形成、促增殖和促纖維化的作用。在COPD慢性缺氧環境下，肺血管和右心室的ACE活性增高，加劇了大鼠肺血管和右心重塑。抑制上游Ang Ⅰ/Ang Ⅱ/血管緊張素受體1型(AT1R)通路和激活下游ACE2/Ang (1-7)/Mas受體通路是兩種可行的PH保護策略，在COPD-PH及其余各種類型PH模型中均有效[35]。

總結與展望

綜上所述，COPD-PH的發病機制非常復雜，多種因素可能同時存在并相互影響。除本文提到的機制外，離子通道異常、原位血栓形成、血液粘稠度增加、肺毛細血管床破壞，均已經得到較深入的研究，但本文重點提及的HIF-1α、BMP4及交感神經系統相關神經遞質方面研究較為淺薄，可能成為日后的重點研究方向，可對此類研究加以挖掘，以期對COPD-PH提供新的治療思路。