低氧性肺動脈高壓病理機制與治療藥物研究進展

王建美，袁天翊，高 麗，秦雪梅，杜冠華

(1.中國醫學科學院北京協和醫學院藥物研究所，北京市藥物靶點研究與新藥篩選重點實驗室，北京 100050；2.山西大學中醫藥現代研究中心，山西 太原 030006)

肺動脈高壓(pulmonary hypertension， PH)是由多種發病機制引起肺血管結構和功能改變，從而導致肺動脈壓力超過一定界值的一種疾病狀態。其診斷標準為：在海平面(不同海拔高度可換算成海平面)，靜息狀態下，右心導管法測肺動脈平均壓(mean pulmonary artery pressure， mPAP)≥25 mmHg[1]。2018年召開的第六屆世界肺動脈高壓大會上將PH分為五類，其中第三類就是肺部疾病和(或)低氧相關性肺動脈高壓。

低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension， HPH)多發于慢性阻塞性肺疾病、間質性肺疾病和睡眠呼吸障礙患者，是一種由長期缺氧引起的肺動脈高壓。HPH臨床主要表現為勞動性呼吸困難、乏力暈厥等，有時還會引發心絞痛。臨床病理特征為右心超負荷、右心室肥大等，嚴重的患者可出現右心衰竭，甚至死亡。

PH病理機制復雜，主要病理變化表現為肺血管持續性收縮引起的肺動脈張力增加，肺動脈內膜增生與中膜肥厚，導致的管腔狹窄。目前，已上市的治療藥物缺乏對HPH的針對性，因此，結合HPH的病理特點，尋找具有針對性的藥物靶點和治療藥物，是治療HPH的重要需求。本文綜述HPH的病理機制、治療藥物及新藥研發進展，以期為新藥開發和拓展藥物新用途提供思路。

1 HPH病理機制

目前，普遍被認可的HPH的病理機制包括低氧刺激肺血管持續性收縮和不可逆重塑，所涉及的細胞結構包括血管內膜中的肺動脈內皮細胞(pulmonary artery endothelial cells， PAECs)和血管中膜中的肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells， PASMCs)。當低氧發生時，肺血管收縮成為HPH發生的病理生理基礎，占據HPH前期主要地位；而持續的收縮將導致肺血管發生不可逆重塑，成為HPH發展且難以治愈的主要原因。

1.1 低氧性肺血管持續收縮在機體缺氧初期，發生代償適應性肺血管收縮，其生理意義在于減少缺氧肺泡周圍的血流，使這部分血流轉向通氣充分的肺泡。但長期缺氧會使機體產生一種病理狀態，導致肺動脈壓力升高，最終發展成為肺動脈高壓。其機制可能是缺氧刺激PAECs，引發內皮功能障礙，內皮素-1(endothelin-1， ET-1)和血栓素(thromboxanA2， TXA2)分泌增加，一氧化氮(nitric oxide， NO) 和前列環素(prostacyclin， PGI2)分泌減少，導致血管持續性收縮。同時，ET-1又可通過旁分泌的方式刺激PASMCs，使得細胞內Ca2+濃度升高引起血管收縮。

1.1.1缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α， HIF-1α)與肺血管持續收縮 HIF是一種調節氧穩態的轉錄因子，研究發現HIF可通過激活多種信號分子引起肺血管持續性收縮，從而誘發HPH[2]。 HIF家族中的HIF-1α和HIF-2α均對HPH有影響，其中HIF-1α作用更加廣泛，不僅誘導肺血管持續性收縮還影響肺血管重塑。

在PAECs中，短暫的缺氧會促使HIF-1α刺激ET-1分泌，ET-1與ET-B受體相結合促進NO釋放。但PAECs長期缺氧時，ET-1會抑制誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase， iNOS)表達，NO釋放減少，引起血管收縮。在PASMCs中，HIF-1α通過抑制電壓門控鉀通道(voltage-gated K+， Kv)開放，促進PASMCs去極化和鈣通道開放，使得Ca2+內流，細胞內Ca2+濃度升高，從而引起肺血管收縮。此外，HIF-1α還可通過刺激瞬時受體電位陽離子通道(transient receptor potential channel， TRPC)高表達，誘導肺血管收縮[3]。

Fig 1 Mechanism of HIF-1α in pathological processof hypoxic pulmonary hypertension

1.1.2內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase， eNOS)與肺血管持續收縮 eNOS可以特異性催化L-精氨酸生成L-瓜氨酸，同時釋放NO，于1991年首次被Forstermann和Pollock在內皮細胞中發現。在肺臟中，NO由PAECs釋放，經擴散到達PASMCs，激活可溶性鳥苷酸環化酶(soluble guanylate cyclase， sGC)，促使三磷酸鳥苷酸(GMP)轉化成環磷酸鳥苷酸(cGMP)，從而舒張血管。缺氧發生時，eNOS活性降低，使得NO釋放減少，血管舒張作用減弱。

1.1.315-脂氧合酶(15-lipoxygenase， 15-LO)與肺血管持續收縮 15-LO是一種催化脂質過氧化物生成的關鍵酶，可以催化花生四烯酸產生15-羥基二十碳四烯酸(15-hydroxyeicosatetraenoic acid， 15-HETE)。研究發現，15-LO和15-HETE在HPH的病理進程中發揮著重要的作用。在缺氧時，15-LO的活性增強，底物15-HETE水平升高。

在PAECs中，15-HETE通過抑制eNOS的活性，或激活Rho 相關絲氨酸/蘇氨酸激酶(Rho-associated serine/threonine kinase， ROCK)通路，以及細胞外信號調節激酶1/2 (extracellular signal-regulated kinase 1/2， ERK1/2)，引起肺血管收縮。在PASMCs中，15-HETE則是通過抑制Kv開放，或激活L型Ca2+通道，從而引起肺血管收縮[4]。此外，在PASMCs中，15-HETE還可促進細胞增殖，誘導肺血管重塑。

1.2 肺血管重塑在HPH的病程中，肺血管重塑發揮著重要作用，易造成不可逆性肺動脈高壓。肺血管重塑主要表現為肺動脈內皮增厚、肺小動脈肌化、管腔狹窄和PASMCs異常增殖等。影響肺血管重塑的因素包括HIF-1α、炎癥因子、細胞表型轉換、骨形態發生蛋白信號、微小RNA和糖酵解等。

1.2.1HIF-1α與肺血管重塑 HIF-1α通過激活下游信號通路，促進細胞增殖和表型轉換。在PAECs中，白介素-33(interleukin-33， IL-33)與其受體ST2結合激活HIF-1α，進而促進血管內皮生長因子-A(vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A)釋放，加快肺血管生成與重塑[5]。在PASMCs中，免疫球蛋白超家族成員黏附分子CD-146通過激活NF-κB，促進HIF-1α轉錄，同時，HIF-1α正反饋于CD-146，誘導細胞增殖，引起肺血管重塑。

研究表明CD-146-HIF-1α存在交叉調節，在調控PASMCs向合成表型轉化和誘導細胞遷移中發揮著關鍵作用[6]。另有研究表明，在缺氧時，HIF-1α可通過激活P-選擇素來促進PASMCs由收縮型向增殖表型轉化。此外，HIF-1α還可通過破壞腦-腸-肺軸平衡、血管緊張素轉化酶(angiotensin-converting enzyme， ACE)和血管緊張素轉化酶2(angiotensin-converting enzyme-2， ACE-2)之間的平衡，誘導肺血管重塑。

1.2.2炎癥因子與肺血管重塑 炎癥因子與PH的發生密切相關，在PH中，炎癥因子首先損傷的是PAECs，隨后促進PASMCs增殖導致肺血管重塑。在低氧情況下，PAECs中白介素-17(interleukin-17， IL-17)表達增加，激活Wnt3a/β-catenin/細胞周期蛋白D1(cyclin D1， CCND1)信號通路，加快血管新生、細胞增殖與粘附[7]。在PASMCs中，缺氧通過激活caspase-1/IL-18/IL-6/信號轉導和轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription3， STAT3)通路，促進細胞增殖[8]。此外，白介素-1β(interleukin-1β， IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α， TNF-α)等炎癥因子表達水平的升高，也可能會影響肺血管重塑。

1.2.3細胞表型轉換與肺血管重塑 細胞表型轉化是肺血管重塑的重要特征之一，主要表現為細胞增殖能力增強和特異性收縮蛋白表達水平降低。半乳糖凝集素家族-3(galectin-3， Gal-3)是凝集素家族的重要成員，廣泛參與HPH的發生發展。在缺氧時，Gal-3表達增加，促進PAECs內皮間質轉化(endothelial-mesenchymal transition， EndMT)，同時還可引起PASMCs增殖和表型轉換[9]。

此外，在PAECs中，低氧抑制骨形態發生蛋白受體2(bone morphogenetic protein receptor type 2， BMPR2)和Smad1/5的表達，誘導EndMT。在PASMCs，低氧通過抑制lncRNA CASC2的表達，促進PASMCs增殖和遷移，同時也誘導PASMCs由收縮型向合成型轉化。

1.2.4微小RNA(microRNA， miRNA)與肺血管重塑 miRNA是一種非編碼RNA，從表觀遺傳學上參與HPH，參與多種細胞信號通路的調節。在PAECs中，miR-27a通過抑制骨形態發生蛋白信號(bone morphogenetic protein， BMP)轉導，減弱了DNA結合抑制因子2(inhibitior of DNA binding， Id2)對Snail 和Twist的抑制作用，誘導EndMT[10]。在PASMCs中，低氧通過抑制miR150的表達，激活蛋白質絲氨酸蘇氨酸激酶(protein-serine-threonine kinase， Akt)/雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin， mTOR)通路，促進細胞增殖[11]。此外，miR-26b的表達降低，可激活血清響應因子(SRP)和結締組織生長因子(connective tissue growth factor， CTGF)，誘導細胞周期由G0/G1期向S期轉換，促進PASMCs增殖[12]。

1.2.5其他信號通路參與肺血管重塑 PASMCs異常增殖是引起肺血管重塑的重要原因之一，在PASMCs中，多種信號通路通過影響細胞增殖參與肺血管重塑。如：BMP2/轉化生長因子-β(transforming growth factor-β， TGF-β)-Smad通路[13]，磷酸肌醇3-激酶 (phosphatidylinositol-3-kinases， PI3K)-叉頭框蛋白M1(forkhead box protein M1， FoxM1)通路，PI3K/Akt和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase， MAPK) / ERK1/2通路，氨基末端激酶(Jun N-terminal kinase， JNK) -STAT3-TGFβ-IL6通路和腺苷酸活化蛋白激酶α2(adenosine monophosphate-activated protein kinase α2， AMPKα2) -mTOR通路等。此外，低氧可促進PASMCs中己糖激酶2(hexokinase-2，HK2)的表達[14]，激活糖酵解誘導肺血管重塑。

另有研究表明，PH還伴隨著肺組織纖維化[15]。細胞焦亡(pyroptosis)是近年來發現并證實的一種壞死性和炎癥性的新的細胞程序性死亡方式。在PASMCs中，低氧誘導膠質瘤相關癌基因蛋白-1 (glioma-associated oncogene family zinc finger 1， GLI1 )高表達，激活細胞凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like， ASC)，促進核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3 (nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3， NLRP3)、Caspase-1和IL-18的表達，引起細胞焦亡。當細胞焦亡發生時，肺部組織發生纖維化，相關研究表明，細胞焦亡可能與HPH的發生密切相關[16]。同時，細胞凋亡也與肺組織纖維化密切相關，據報道，HPH發生時伴隨著PAECs凋亡。

2 治療藥物及藥物作用靶點

目前，HPH的臨床治療藥物主要以舒血管藥物為主，但因缺乏具有肺動脈特異性的藥物，治療效果不佳。根據《中國肺動脈高壓診斷與治療指南(2021版)》提示，目前PH的治療手段有多種，包括一般措施、基礎治療、特異性治療、靶向藥物聯合治療和藥物間相互作用、球囊房間造口術及肺移植和心肺聯合移植等。但臨床上，PH的治療主要以藥物治療為主。

目前，臨床應用的治療藥物主要分為三大類：前列腺素I2受體激動劑，內皮素受體拮抗劑和磷酸二酯酶5抑制劑[17]。這些藥物的主要作用都在于抑制肺血管收縮，對肺血管重塑影響較小。近年來的研究表明，肺血管重塑在HPH中占據著重要地位，抑制或延緩肺血管重塑成為HPH治療藥物研發的重要策略。

2.1 肺動脈高壓的臨床治療藥物現狀見Tab 1。

Tab 1 Approved anti-pulmonary hypertension drugs

續表1

2.1.1前列腺素I2受體激動劑 目前，已上市的前列腺素I2受體激動劑有依前列醇鈉(Epoprostenol sodium)、貝前列素鈉(Beraprost sodium)、伊洛前列素(Iloprost)、曲前列尼爾鈉(Treprostinil sodium)和司來帕格(Selexipag)等，它們與前列腺素受體相結合，舒張血管，降低肺動脈壓力。以上藥物是臨床常用藥物，但其療效具有一定局限性。

2.1.2內皮素受體拮抗劑 內皮素受體拮抗劑通過與ET競爭性結合內皮素受體，阻斷了ET的縮血管功能，臨床用藥包括：波生坦(Bosentan hydrate)、安貝生坦(Ambrisentan)、馬西騰坦(Macitentan)和西他生坦鈉(Sitaxentan sodium)等。這類藥物臨床應用較為廣泛，治療效果也需要進一步評價。

2.1.3磷酸二酯酶5抑制劑 PDE5是目前已確定PH的作用靶點，西地那非(Sildenafil)是國內首個上市用于治療PH的PDE5抑制劑，此外，還有他達拉非(Tadalafil)，它們都通過抑制PDE5的活性，降低PDE5對cGMP的抑制作用，促進血管舒張。這類藥物是近年來研究的熱點，也是目前認為降低肺動脈壓比較有效的藥物。

2.1.4其他 sGC激動劑利奧西呱(Riociguat)和α受體阻滯劑鹽酸妥拉唑林(Tolazoline hydrochloride)在臨床上也用于PH的治療。

2.1.5聯合用藥 臨床上使用單一抗肺動脈高壓藥物往往效果不佳，目前臨床上，鼓勵使用聯合治療的方式治療肺動脈高壓。聯合用藥的用藥特點是作用于不同靶點，發揮共同作用。聯合用藥的優點是安全、可靠、易耐受，不僅能夠降低疾病的臨床惡化率，而且還能改善患者的生活質量，缺點是仍不能降低該疾病的病死率。

3 治療HPH的藥物研發現狀

3.1 作用于已知靶點藥物

3.1.1eNOS激動劑 研究表明，蘋果多酚[18](Apple polyphenol)是從蘋果中提取的一種酚類混合物，在PAECs中通過激活eNOS，促進NO的釋放，刺激血管舒張。

3.1.2抑制PI3K/AKT信號通路 PI3K/AKT信號通路作用寬泛，與多種疾病的發病機制相關，包括參與肺血管重塑、PASMCs增殖與遷移等。據報道多種化合物都可通過抑制PI3K/AKT信號通路對HPH發揮預防及治療作用，如白藜蘆醇[19](Resveratrol)、丹參酮IIA磺酸鈉[20](Sodium Tanshinone II Sulfonate A)、鹽藻多糖[21](Fucoidan)和黃芩苷[22](Baicalin)等。

3.1.3BMP2/TGF-β-Smad信號通路 小檗堿[15](Berberine)是從黃連中提取出的一種生物堿，在PASMCs中通過調節BMP2/TGF-β-Smad信號通路，抑制細胞增殖。此外，芍藥苷(Paeoniflorin)有上調BMPR2表達的作用。

3.2 作用于新靶點藥物

3.2.115-LO抑制劑 去甲二氫愈創木酸[23](Nordihydroguaiaretic acid)是一種15-LO抑制劑，通過抑制15-LO的活性，使15-HETE的水平降低。15-HETE下調加快了PASMCs凋亡，從而逆轉缺氧引起的肺血管內皮增厚。

3.2.2硒蛋白(SeP)抑制劑 SeP抑制劑血根堿[24](Sanguinarine)通過抑制SeP的表達，抑制PASMCs增殖，改善肺血管重塑。

3.3 老藥新用

3.3.1HIF-1α抑制劑 HIF-1α作用范圍廣，參與肺血管收縮和肺血管重塑。有研究表明，在PASMCs中，拓撲替康[3](Topotecan)可通過降低 HIF-1α和TRPC1/4/6的表達，阻止Ca2+流入細胞，防止PASMCs表型轉化，從而減慢肺血管重塑的發展。

3.3.2RhoA/ROCK信號通路 法舒地爾[25](Fasudil)和阿托伐他汀(Atorvastatin)都可通過抑制RhoA/ROCK通路，降低細胞內Ca2+濃度，促進血管舒張。

3.3.3其它信號通路 伊馬替尼(Imatinib)通過抑制酪氨酸激酶的活性，抑制細胞增殖。17-β雌二醇(17β-Estradiol)可通過雌激素受體減弱肺血管的收縮作用。替吡法尼[26](Tipifarnib)通過抑制法尼基轉移酶的活性，改善HPH。另有研究發現，埃他卡林[27](Iptakalim)可通過激活eNOS，防止PAECs功能損傷。3-溴丙酮酸[16](3-Bromopyruvate)和葛根素[28](Puerarin)分別通過抑制糖酵解，減少自噬阻止肺血管重塑。此外，有文獻報道，氯喹(Chloroquine)和硫酸脫氫表雄酮(Dehydroepiandrosterone sulphate)具有治療HPH的作用，松果菊苷(Echinacoside)有預防HPH的作用。

經網站查詢和文獻調研發現，治療HPH的藥物只有較少數進入臨床研究階段，如羧基麥芽糖鐵等。其他藥物的研究尚未在臨床上開展，目前還處于臨床前研究階段，研究藥物如Tab 2。

Tab 2 Anti- hypoxic pulmonary hypertension drugs in development

續表2

4 結語與展望

近年來，隨著對肺動脈高壓病理機制研究的不斷深入，研究者發現了多個疾病預防和治療的潛在靶點及候選藥物。作為肺動脈高壓的其中一類，HPH疾病有其獨特的特點，臨床上需要在解決原發病的基礎上，對HPH進行針對性治療。

然而目前臨床使用藥物局限于血管舒張藥物，未考慮HPH疾病本身特點。疾病新靶點的發現，將彌補臨床上缺乏改善低氧誘導的肺血管重塑的藥物的不足，為HPH治療藥物的開發提供方向。此外，研究發現多種已上市藥物在臨床前HPH研究中取得比較好的藥效，為老藥新用提供思路。盡管許多候選藥物尚未開展臨床試驗，但是我們相信隨著研究的不斷深入，HPH針對性治療藥物計日可待。