阻塞性睡眠呼吸暫停合并肺動脈高壓肺血管重塑的機制

李曉寧 魏麗 繆雅芳 王在巖 張澤明

上海健康醫學院附屬周浦醫院呼吸科 201318

阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea,OSA)是一種多數由上呼吸道的解剖學狹窄導致的,在睡眠狀態下反復出現呼吸暫停和/或低通氣、睡眠中斷,從而使機體發生一系列病理生理改變的臨床綜合征。OSA合并肺動脈高壓(pulmonary hypertension,PAH)患者預后差[1]。OSA與PAH密切相關,OSA既可以是PAH的病因也可以是并發癥,因此其發病機制復雜。研究證實,肺動脈重塑在OSA合并PAH的發生、發展過程中起著重要的作用[2-3]。本綜述旨在對近年來肺動脈重塑在OSA合并PAH形成過程中主要機制的進展進行總結,為臨床進一步研究提供參考。

目前,OSA形成PAH的發病機制在臨床試驗和動物實驗研究涉及的方面比較多且機制復雜,本文主要將肺動脈重塑在OSA導致PAH發生、發展的機制進行綜述。

1 細胞外基質(extracellular matrix,ECM)沉積在PAH發病機制中的作用

1.1 PAH與肺動脈ECM的重塑 PAH中的肺動脈ECM沉積,膠原蛋白的交聯和彈性薄片的破裂導致肺動脈重塑,肺血管重塑的內膜、中層和外膜的所有肺動脈厚度增加以及毛細血管前小動脈的肌肉化,肺血管壁的3層都有ECM增加,導致血管纖維化[2],肺動脈變僵硬和順應性降低,內皮和平滑肌增生性病變還會減少血管腔面積并增加肺血管的阻力。

正常人肺動脈的ECM由彈性蛋白、膠原蛋白、纖連蛋白、層黏連蛋白、蛋白聚糖和腱糖蛋白C組成。在PAH中ECM發生重塑,首先管內腔室中和血管周圍膠原蛋白沉積和交聯增加(將可溶性膠原蛋白轉化為不溶性膠原蛋白),近端和遠端的肺動脈中都發生膠原蛋白沉積增加,膠原蛋白的沉積在內膜發生最高,其次是中膜和外膜[4]。通過特定方式的基因表達分析已證實,PAH患者肺動脈內膜和中膜中編碼fiilil115相關膠原COL14A1,形成網絡的膠原COL4A5和內皮抑素產生膠原COL18A1的基因表達增加[4]。再有就是PAH動物實驗模型和PAH患者的肺動脈病變增加了骨橋蛋白的表達和鈣化[5]。

1.2 PAH中肺血管ECM重塑的機制 ECM的組成受蛋白水解酶[例如解整合素金屬蛋白酶(Recmbinant A Disintegrin And Metalloproteinase,ADAM)、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)、賴氨酰氧化酶(LYSYL oxidase,LOX)和絲氨酸彈性蛋白酶]及其內源性抑制劑(MMP抑制劑)之間平衡的調節。PAH是蛋白水解酶及其內源性組織抑制劑的失衡導致膠原沉積,并在肺動脈的血管周腔室和血管內分解,一氧化氮和缺氧引起的PAH動物的肺動脈顯示MMP、ADAM、絲氨酸彈性蛋白酶、LOX和金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)表達增加[6]。在PAH患者患病的肺動脈內膜和中層顯示MMP、ADAM、彈性蛋白酶、LOX和TIMP的表達發生了改變[4,6],導致PAH肺動脈中蛋白水解酶分泌失衡的確切機制尚不清楚。已提出肺動脈內皮細胞結構和功能的改變是引發事件。動脈內血流量增加,切應力增大,動脈搏動和炎癥引起肺動脈內皮細胞損傷,屏障功能喪失和通透性增加,這使一個或多個循環血清因子進入血管壁并刺激肺動脈平滑肌細胞分泌絲氨酸彈性蛋白酶[7]。在特發性PAH中平滑肌細胞絲氨酸彈性蛋白酶的表達增加支持這一假設[7]。絲氨酸彈性蛋白酶降解ECM并激活正常情況下以非活性形式存儲在ECM中的生長因子,例如轉化生長因子β(transforming growth factorβ,TGF-β)和成纖維細胞生長因子。這些生長因子通過刺激平滑肌細胞和成纖維細胞,導致彈性蛋白、膠原蛋白、肌腱蛋白和纖連蛋白的沉積增加。ECM的降解產物和生長因子也誘導MMP分泌增加。

另外一假說是炎癥引發蛋白水解酶及其抑制劑的失衡,并引起肺血管ECM的重塑[8]。炎癥導致活性氧增加平滑肌細胞、內皮細胞和成纖維細胞的MMP分泌并減少了TIMP的分泌[9]。同樣,炎性細胞因子激活并募集巨噬細胞和中性粒細胞,它們分別分泌MMP和絲氨酸彈性蛋白酶。由增加的蛋白水解酶引起的膠原蛋白和彈性蛋白的分解產物是促炎性的,其進一步激活了炎癥,導致正反饋回路。有研究表明炎癥是PAH中肺血管重塑的重要驅動力,在PAH的人和動物模型中,肺動脈中炎性細胞在血管周圍蓄積[10]。總體而言,這些數據表明炎癥在啟動肺血管ECM重塑和肺血管僵硬中起重要作用。骨橋蛋白是一種ECM蛋白,可能在PAH中的肺血管ECM重塑中發揮作用。Saker等[11]的研究表明,骨橋蛋白是肺動脈平滑肌增生的關鍵介質,在特發性PAH肺血管中增高。PAH中骨橋蛋白表達的增加可能是由搏動性血流觸發的,因為間充質干細胞響應搏動性血流會增加骨橋蛋白的產生。此外,已證明MMP活性增強可裂解骨橋蛋白,從而在心肌梗死后左心室重塑中產生許多具有多種生物學活性的肽[12]。

1.3 ECM導致肺血管僵硬促進肺血管重塑 在PAH中,ECM重塑造成肺動脈硬度增加,通過機械轉導等機制觸發了遠端肺動脈中內皮細胞和平滑肌的增殖,機械轉導是細胞外機械信號改變細胞內信號轉導的過程,已知對多種組織類型(包括血管系統)的細胞行為(形狀、大小和分化狀態)具有重要的調節作用。TGF-β超家族成員可能介導了一個這樣的相關過程。因此,當從硬化基質中釋放時,這些因子在通過基質牽引拉伸時會特別嵌入細胞整聯蛋白和其他基質蛋白之間。在周圍血管系統和心臟瓣膜組織中,來自硬化基質的力的傳遞可以通過成肌纖維細胞的成骨細胞分化促進增殖和鈣化,盡管對肺血管中機械轉導的了解還很少,但整聯蛋白介導的信號轉導在功能上將ECM蛋白與細胞內細胞骨架的改變聯系起來起著重要作用[13]。在PAH中,整合素在肺血管中的直接表達也發生了改變,這與整合素在肺血管源性機械轉導中的重要性相一致。

1.4 抑制ECM重塑可預防和逆轉實驗性PAH 在一些實驗模型中,抑制胞外基質重塑可預防和逆轉肺血管重塑和PAH。在動物實驗中,與非轉基因小鼠比較,暴露于缺氧條件下天然表達的絲氨酸彈性蛋白酶抑制劑轉基因小鼠的絲氨酸彈性蛋白酶和MMP均無升高,肺動脈壓力和肺血管重塑的升高也沒有減弱[14]。相反,與野生型小鼠比較,單芥子堿處理后MMP-9過表達的轉基因小鼠存在肺血管重塑過度和PAH[15]。在慢性低氧小鼠中,LOX的抑制作用減弱了膠原蛋白的沉積和交聯,降低了肺小動脈的肌肉化和肺動脈壓力[16]。在患有單芥子堿和慢性低氧引起的PAH的大鼠中,口服和靜脈應用絲氨酸彈性蛋白酶抑制劑會降低彈性,降低非肌肉遠端肺動脈的肌肉化,并降低肺動脈壓力[17],在肺血管變化發生之前或之后抑制絲氨酸彈性蛋白酶時,同樣觀察到類似現象[17]。最后,在暴露于慢性低氧的大鼠中,脯氨酸類似物cis-4-hydroxy-L-脯氨酸(膠原蛋白合成的特異性抑制劑)可減少膠原蛋白和彈性蛋白的沉積以及肺動脈重塑[18]。這些實驗數據表明因蛋白水解酶及其組織抑制劑之間的不平衡,ECM重塑在啟動PAH中的肺血管重塑中起著關鍵作用。

2 microRNA(miRNA)在PAH肺血管重塑中的作用

2.1 miRNA的異常改變與PAH的發生 miRNA是微小的非編碼RNA,miRNA主要通過與m RNA轉錄本的3'非翻譯區結合以抑制翻譯或降解mRNA,從而負調控基因的表達。在人類已有2 588個miRNA被發現,目前這些miRNA的作用尚不清楚[19]。但有研究證實,這些miRNA即使發生微小變化也會導致人體發生較大表型變化[20]。miRNA表達受損參與PAH中血管細胞重塑的過程,例如肺動脈內皮細胞(endothelial cell of pulmonary artery,PAEC)功能障礙、肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)增殖外膜成纖維細胞遷移;miRNA已在各種疾病導致的缺氧性PAH中起重要作用。在特發性肺間質纖維化患者中miRNA-2、miRNA-125b、miRNA-154和miRNA-155被上調,而miRNA-29和miRNA-17被下調[21]。與健康個體相比,COPD患者血清中某些miRNA被下調(miRNA-28-3p、miRNA-20、miRNA-100和miRNA-34c-5p),而miRNA-7被上調[22]。miRNA水平的這些變化與這些疾病的PAH密切相關。

目前發現與PAH有著因果關系的miRNA家族,包括miRNA-21、miRNA-17、miRNA-130、miRNA-204、miRNA-145、miRNA-424、miRNA-223和miRNA-503等。(1)miRNA-204、miRNA-138:有研究[23]發現,miR-204在人和嚙齒類動物PAH中的表達均下調,miR-204的下調與PAH的嚴重程度相關,并參與了PASMCs的增殖和抗凋亡表型。信號轉導和轉錄激活因子3激活抑制miR-204的表達,miR-204直接靶向Src同源2結構域含磷酸酶2(src homology 2 domain-containing phosphatase 2,SHP2)的表達,從而上調SHP2,通過miR-204的下調,激活活化T細胞的核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT),信號轉導和轉錄激活因子3也直接誘導NFAT基因的表達。NFAT和SHP2是維持PAH-PASMs增殖和抵抗凋亡所必需的,將人工合成的miR-204遞送到患有PAH的動物肺中,可明顯降低疾病的嚴重程度。故得出miR-204水平降低與肺動脈壓力和阻力之間呈負相關,而PAH患者中miR-204水平的升高會逆轉PASMCs的增殖和抗凋亡表型[23-25]。同樣地,缺氧大鼠誘導的miR-138抑制HIF-1α[26],HIF-1α進一步誘導miR-9促進了大鼠原發性PASMCs的增殖表型轉換[27]。這可能是miR-138和miR-204引起PAH的可能機制。 (2)miR-130/301:miR-130/301在PAH的發病機制是通過調節下級miRNA來調節細胞增殖。在缺氧的環境中,人PAEC和PASMCs中上調了miR-130/301家族的表達,導致miR-204和miR-424/503的抑制,并且PAH患者的肺動脈血漿中miR-130/301的水平與PAH的嚴重程度密切相關[28]。PAH動物模型中miR-130/301在整個肺組織中均上調[29]。(3)miR-17/92集群:miR-17/92是人類13號染色體上的多順反子簇,包括6個miRNA(miR-17、miR-18a、miR-19a、miR-19b-1、miR-92-1和miR-20a)[30]。低氧性PAH小鼠模型中,抑制miR-17導致肺血管重塑、右心室收縮期壓力降低[31]。在平滑肌細胞特異性敲除miR-17/92小鼠中減弱了低氧誘導的PAH,miR-17/92的重建后恢復了缺氧誘導的PAH[32]。這些研究結果共同支持miR-17/92簇在促進PAH發生中的作用。(4)miR-145:miR-145和miR-143是PASMCs表型調節中關鍵的miRNA,在小鼠低氧性PAH模型中,miR-145在右心室和肺表達均顯著增加。此外,與缺氧對照動物相比,使用miR-145-/-小鼠顯著降低了重塑血管的數量和收縮期右心室壓力[33]。嚙齒動物PAH模型進行的體內研究顯示,特異性敲低miR-145的表達似乎可以保護PAH的形成[33]。 (5)miR-21:miR-21導致PAH的確切發病機制尚不完全清楚,其表達在低氧暴露的小鼠肺組織、低氧的人PAEC、PASMCs中[34]上調,使低氧中PASMCs遷移和增殖,這些病理生理機制可能是由于miR-21靶基因PDCD4、PPARα和SPRY2的下調導致的[35],而PDCD4降低的作用被認為具有抗細胞凋亡[36]。如此,在miR-21降低低氧小鼠可降低遠端肺小動脈的肌化,在Santos-Ferreira等[34]發現炎癥、缺氧和骨塑形蛋白依賴性信號轉導會上調miR-21。為了確定miR-21在PAH發病機制中的調節作用,研究人員將遺傳上缺乏miR-21(miR-21-/-)或過多miR-21(miR-21+/+)的小鼠暴露于低氧環境。與前者相比,慢性缺氧導致過多miR-21(miR-21+/+)小鼠的右心室收縮壓顯著且持續降低,并且右心室與左心室的質量比降低。此外免疫組織化學染色顯示,小鼠miR-21-/-的直徑≤100μm肺小血管重塑明顯,與先前報道[31]的作用相反,這些結果提示,miR-21可以作為體內穩態的制動器,保護機體免受PAH的侵害[34]。從這些研究結果觀察,PAEC中誘導的miR-21表達可以解釋為對抗PAH進展的一種適應機制。綜合這些結果表明,miR-21可以在特定的條件下分別發揮著阻抑或適應性的作用。這些矛盾的結果,可能與缺氧持續時間、嚴重程度,檢測miR-21的敏感度,細胞特定環境等因素有關。miR-21在PAH發生的復雜機制需要進一步的研究。

總之,在低氧相關性呼吸系統疾病的患者和OSA患者中,miRNA在PAH的發病機制中可能起重要的調節作用。在PAH形成過程中可能起作用的3個主要信號轉導域是炎癥、缺氧和TGF-β途徑。以上證據指向可能參與這3個結構域的幾個miRNA組,可能參與了OSA患者PAH發展中的肺血管重塑。然而,需要進一步的研究以更完整的分子機制闡明miRNA的作用機制。

2.2 miRNA在肺血管重塑中的作用 最近,有研究者開始投入研究遠端內皮細胞感知到的機械信號轉導為幾種細胞內信號的方法,這些信號最終促進了肺動脈內皮細胞和平滑肌細胞的增殖。例如,Bertero等[37]表明ECM重塑和肺血管僵硬度激活了轉錄co349激活因子YES相關蛋白1(YAP)和具有PDZ結合基序的轉錄共激活因子(TAZ),進而誘導了肺動脈內皮細胞,肺動脈平滑肌細胞和肺動脈外膜成纖維細胞中的130/301家族,miR-130/301成員通過各自區域中的PPARγ-APOE-LRP8軸以依賴LOX的方式促進膠原蛋白沉積的增加和膠原蛋白的交聯。

肺血管細胞中miR-130/301家族通過反饋機械傳導回路激活YAP和TAZ,從而導致ECM進一步重塑[37]。此外,miRNA-130/301家族通過增加miRNA-21/27的表達通過肺血管細胞串擾促進肺動脈平滑肌的增殖和內皮細胞的增殖。為此,在多種PAH動物模型中對miRNA-130/301、APOE或LOX活性的抑制,改善了ECM重塑和PAH[37],除PAH以外,miR-130/301家族成員可促進其他多種器官的纖維化機制,包括肝纖維化和肺纖維化,YAP/TAZ激活也通過代謝調節增加肺動脈內皮和平滑肌細胞的增殖[6]。在PAH中,肺動脈內皮細胞,平滑肌細胞和外膜成纖維細胞會進行代謝性重編程,除了驅動肺動脈內皮細胞和平滑肌細胞增殖外,YAP/TAZ激活還可能通過響應增加的搏動性和剪切應力而激活肺外膜成纖維細胞增殖,從而在肺血管ECM重塑中發揮作用。

綜上所述,由ECM重塑和肺血管僵硬導致的肺動脈內皮細胞、平滑肌細胞和外膜成纖維細胞miRNA激活引起的遠端肺動脈中肺動脈平滑肌和內皮細胞的增殖是PAH發生的主要機制。

3 肺動脈內皮-間充質轉化(endothelial-mesenchymal transformation,EndoMT)在肺動脈重塑的發生、發展的作用機制

研究表明,Endo MT在PAH發病中起重要作用,Endo MT特征是內皮細胞獲得了一種間充質表型,其基因表達類似于平滑肌細胞,在此過程中,內皮細胞從血管內膜分離,這是由于血管內皮細胞鈣黏附素,血小板內皮黏附分子,細胞角蛋白等內皮基因標志物下調的原因,導致內皮細胞間相互作用的喪失[38]。隨后,內皮細胞發生遷移,增加了平滑肌樣標準物(肌動蛋白、膠原蛋白、波形蛋白、MMP-2和MMP-9)的表達,并分化為成肌纖維細胞樣間充質細胞[38]。這些成肌纖維細胞樣間充質細胞通過增加膠原蛋白的沉積和交聯作用而導致肺血管重塑。Endo MT已在PAH患者和PAH的實驗模型中得到證實[39-40]。

在PAH發病機制中,以下機制引發Endo MT:(1)BMPR2功能的喪失會引發動物實驗和人PAH中的Endo MT[39-40]。Ranchoux等[40]通過增加twist-1轉錄因子的表達,在基因改造的PAH大鼠模型(具有BMPR2功能喪失)中顯示了Endo MT。同時,Hopper等[39]的研究亦證明,肺動脈內皮細胞中BMPR2功能的喪失會導致染色質重塑和支架蛋白高流動性AT鉤1升高。支架蛋白高流動性AT鉤1升高會誘導Slug的轉錄因子表達增加,從而上調平滑肌基因(如平滑肌肌動蛋白)的表達,并下調內皮細胞基因(包括細胞連接蛋白、血小板內皮細胞黏附分子和VE-鈣黏著蛋白)的表達,從而導致Endo MT[39]。(2)炎性細胞因子IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子α和活性氧也通過激活TGF-β信號轉導引起Endo MT[38]。(3)來自動脈搏動和切應力增加的機械牽拉通過TGF-β信號轉導導致內皮功能障礙和Endo MT。(4)慢性缺氧通過與缺氧誘導因子和TGF-β信號轉導相互作用,通過增加信號轉導與轉錄激活因子3、核轉錄因子β、干擾素調節因子1和β-連環蛋白的表達來啟動Endo MT[38]。

4 總結

總之,OSA中肺血管重塑導致PAH的機制是復雜的,在PAH的發生、發展過程相中互作用,在OSA導致的PAH中起著重要作用。除肺血管重塑外,OSA導致的PAH還與許多因素有關。如胸內負壓增大,靜脈回流增加,導致肺動脈血流增加,壓力升高,引起毛細血管前性PAH。在部分患者中,由于OSA可能損傷左心功能,增加的靜脈回流至左心,引起左室充盈壓力增加,也可能引起毛細血管后性PAH。OSA還可能引起炎癥、氧化應激反應、內皮細胞功能受損、NADPH氧化酶、5-羥色胺、內皮選擇性酪氨酸激酶(受體Tie2)激動劑、內皮素1、NO等改變,這些都可能對PAH的發生起到推動作用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突