5-羥色胺調(diào)控人胚胎心臟發(fā)育的機(jī)制及研究進(jìn)展

楊崢 張峻 王茜 李騫 黃樺 王晶晶

新生兒出生缺陷是全世界長(zhǎng)久以來(lái)共同關(guān)注的話(huà)題，先天性心臟病(congenital heart disease，CHD)則是最常見(jiàn)的胎兒畸形，其發(fā)生率位居新生兒缺陷第一位[1]。CHD的發(fā)生不僅嚴(yán)重威脅了新生兒的生存質(zhì)量，也是新生兒死亡的主要原因，中國(guó)每年有將近20%以上的CHD新生兒深受復(fù)雜、難治、易致死等因素所困擾[1]，因此，該疾病的臨床預(yù)防顯得尤為重要。CHD的發(fā)病原因復(fù)雜，常受多種因素影響，越來(lái)越多的研究表明，神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)在胚胎心臟發(fā)育過(guò)程中扮演了重要角色。5-HT，又名血清素，是吲哚類(lèi)衍生物[2]，其主要由色氨酸經(jīng)色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase，TPH1)催化生成5-羥色氨酸，再經(jīng)5-羥色氨酸脫羧酶催化生成，通常與ATP等物質(zhì)一起儲(chǔ)存于腸嗜鉻細(xì)胞的細(xì)胞顆粒內(nèi)。5-HT作為體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)，參與認(rèn)知、注意、情緒、疼痛、睡眠和覺(jué)醒[3]，近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)5-HT通過(guò)參與胚胎發(fā)育過(guò)程中多種細(xì)胞間通訊，與胚胎心臟生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[4]，但機(jī)制尚不清楚。本文將對(duì)5-HT調(diào)控人胚胎心臟生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)制進(jìn)行綜述，闡述了5-HT對(duì)胚胎心臟產(chǎn)生影響的不同分子機(jī)制，從新的角度剖析胚胎心臟發(fā)育異常的原因，也為臨床預(yù)防胚胎心臟發(fā)育異常、做好圍產(chǎn)期疾病管理等提供新思路，促進(jìn)孕婦及胎兒的生育健康。

一、胚胎心臟的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程

心臟是胚胎發(fā)育過(guò)程中最先形成的器官。人胚胎大約在胎齡第2周末生心區(qū)開(kāi)始分化出圍心腔并逐漸生成心管，到第3周末時(shí)心管形成，同時(shí)循環(huán)系統(tǒng)逐步建立。隨后，通過(guò)扭曲旋轉(zhuǎn)逐漸形成各房室腔及隔膜等結(jié)構(gòu)，第4周末心臟基本外形形成并具有循環(huán)作用，至第8周基本完成內(nèi)部分隔，成為四腔心臟[5]。先天性心血管發(fā)育異常主要發(fā)生在4～8周這一時(shí)期[5]。研究發(fā)現(xiàn)，5-HT對(duì)胚胎心臟生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控主要發(fā)生在胚胎形成的前8周，并且與其在胎盤(pán)和胚胎心臟中的濃度及其信號(hào)水平密切相關(guān)[6]。

二、胚胎5-HT的來(lái)源

基于現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，胚胎生長(zhǎng)發(fā)育所需的5-HT主要來(lái)源于母體血液循環(huán)及胚胎自身合成。當(dāng)細(xì)胞開(kāi)始表達(dá)TPH1時(shí)才具備合成5-HT的能力，人胚胎在胎齡55 d時(shí)才開(kāi)始表達(dá)TPH1[7]，因此，在此之前，早期胚胎生長(zhǎng)發(fā)育所需的5-HT主要來(lái)源于母體血液循環(huán)[8]。胎盤(pán)是母體與子體物質(zhì)交換的重要場(chǎng)所，妊娠早期細(xì)胞滋養(yǎng)層細(xì)胞與合胞體滋養(yǎng)層細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)，隨著妊娠的發(fā)展細(xì)胞滋養(yǎng)層逐漸融合為合胞體滋養(yǎng)層(synctiotrophoblast,STB)[9]，其母體側(cè)可表達(dá)與5-HT轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的5-HT轉(zhuǎn)運(yùn)體(serotonin transporter,SERT)，當(dāng)母體血液循環(huán)中血小板在胎盤(pán)絨毛間隙脫顆粒時(shí)，釋放的5-HT通過(guò)SERT轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入STB內(nèi)，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的5-HT可能由STB細(xì)胞子體側(cè)有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體OCT3轉(zhuǎn)運(yùn)至子體血液循環(huán)中供胚胎發(fā)育所需[7]。隨著妊娠的發(fā)展，胚胎逐步開(kāi)始表達(dá)TPH1合成5-HT，而STB開(kāi)始表達(dá)與5-HT降解有關(guān)的單胺氧化酶(monoamine oxidase-A,MAOA)，自此大約從妊娠中期開(kāi)始胚胎發(fā)育所需5-HT來(lái)源逐漸由母體轉(zhuǎn)換為胚胎自身合成(圖1)。因此，在妊娠早期當(dāng)胚胎所需的5-HT主要來(lái)源于母體時(shí)，若胎盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)能力發(fā)生改變時(shí)可能導(dǎo)致子體5-HT水平出現(xiàn)異常而引起發(fā)育異常[8]。

圖1 胚胎發(fā)育所需5-HT的來(lái)源

三、 5-HT在胚胎心臟形成過(guò)程中的作用及機(jī)制

1. 5-HT對(duì)心臟形成的直接影響及其相關(guān)機(jī)制：5-HT主要與細(xì)胞表面的5-HT受體結(jié)合，5-HT受體包括7個(gè)不同的家族，除了5-HT3受體是配體門(mén)控離子通道以外，其余6類(lèi)均為G蛋白偶聯(lián)受體(5-HT1,2,4,5,6,7)[3]。

2.5-HT受體介導(dǎo)的分子機(jī)制：Ori等[10]應(yīng)用5-HT受體拮抗劑利坦色林對(duì)非洲爪蟾進(jìn)行發(fā)育干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利坦色林會(huì)引起非洲爪蟾心臟缺陷伴心跳減少和心包水腫等功能缺陷。此外，在多項(xiàng)小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，5-HT受體基因突變會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎心臟缺乏小梁、酪氨酸激酶受體ErbB-2的表達(dá)水平特異性降低，最終導(dǎo)致胚胎發(fā)育停滯，甚至死亡。因此，5-HT可能通過(guò)與5-HT受體結(jié)合調(diào)控胚胎心臟的發(fā)育[11]。

一項(xiàng)以豬為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK1/2)可決定主動(dòng)脈瓣膜間質(zhì)細(xì)胞(valve interstitial cells,VIC)的增殖與活性，當(dāng)5-HT與5-HT 受體結(jié)合后激活Gaq-IP3-PKC信號(hào)通路，刺激三磷酸肌醇(IP3)水解，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的鈣離子和ERK1/2磷酸化增加[12]，從而促進(jìn)纖維母細(xì)胞有絲分裂，起到促纖維化作用，并且促進(jìn)纖維細(xì)胞有絲分裂的程度與5-HT濃度相關(guān)(圖2)[13]。

圖2 5-HT通過(guò)介導(dǎo)Gap-IP3-PKC通路促纖維母細(xì)胞纖維化

此外，5-HT亦可通過(guò)激活Gaq-PLC-PKC信號(hào)通路影響心臟瓣膜細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)重構(gòu)及瓣膜細(xì)胞增殖。在綿羊主動(dòng)脈VIC培養(yǎng)物中，5-HT通過(guò)調(diào)節(jié)Gaq-PLC-PKC信號(hào)通路使TGF-β1通路上調(diào)[14]，導(dǎo)致ECM成分的沉積增加[15]，并刺激非經(jīng)典TGF-β1通路激活多種MAPK(ERK、p38、MAPK和c-jun N末端激酶)，使ERK1/2磷酸化，從而調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞向間質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，促進(jìn)心臟成纖維細(xì)胞增殖[16]。

因此，基于以上現(xiàn)有研究，5-HT可能通過(guò)與5-HT受體結(jié)合，調(diào)控Gaq-IP3-PKC、Gaq-PLC-PKC信號(hào)通路，從而促進(jìn)纖維細(xì)胞有絲分裂及增殖，最終影響胚胎心臟發(fā)育[11]。

3. 5-HT與膠原蛋白A的相互作用：ECM是影響胚胎心臟發(fā)育的重要因素，當(dāng)它在重塑時(shí)受損時(shí)，會(huì)使胎兒在出生后繼發(fā)黏液性瓣膜疾病[17]。妊娠期間胚胎心臟瓣膜ECM的形成需要5-HT、膠原蛋白A及交聯(lián)酶轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2(transglutaminase 2，TG 2)共同參與。Sauls等[17]的研究證實(shí)，5-HT與膠原蛋白A之間的相互作用會(huì)使間質(zhì)細(xì)胞的收縮力增強(qiáng)，導(dǎo)致ECM重塑受損，引起胎兒在出生后繼發(fā)黏液性瓣膜疾病。此外，體內(nèi)TG2的活性決定5-HT與膠原蛋白A之間的相互作用，故抑制5-HT-TG2-膠原蛋白A相互作用會(huì)影響瓣膜組織大小，最終使胚胎心臟發(fā)育異常。

總之，5-HT是胚胎心臟形態(tài)發(fā)生的重要信號(hào)傳導(dǎo)分子[18]，若拮抗5-HT受體或改變其濃度可能會(huì)使VIC中的TGF-β1表達(dá)、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK1/2)的磷酸化以及膠原蛋白A與5-HT相互作用等發(fā)生改變，從而使心臟成纖維細(xì)胞增殖、ECM重塑受損，最終導(dǎo)致瓣膜纖維化、心臟缺陷及胚胎死亡等不良結(jié)局。

4. 5-HT通過(guò)胎盤(pán)-心臟軸對(duì)心臟形成的影響及其相關(guān)機(jī)制：胎盤(pán)是一種用以轉(zhuǎn)運(yùn)胎兒生長(zhǎng)發(fā)育所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、保護(hù)胎兒并協(xié)調(diào)孕婦適應(yīng)妊娠的體外器官。一直以來(lái)，人們對(duì)于胎盤(pán)發(fā)育影響胚胎心臟發(fā)育的影響關(guān)注較小。近年來(lái)，多項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，胎盤(pán)的生長(zhǎng)發(fā)育與胚胎心臟發(fā)育密切相關(guān)。利用無(wú)創(chuàng)胎盤(pán)血流灌注顯像比較正常孕婦與CHD胎兒孕婦的胎盤(pán)血流灌注，發(fā)現(xiàn)CHD胎兒的全胎盤(pán)血流灌注明顯降低[19]，由此推測(cè)胎兒心臟發(fā)育與胎盤(pán)血液灌流有關(guān)。應(yīng)用小鼠模型敲除與5-HT合成相關(guān)的TPH1基因或敲除與5-HT胎盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的SERT基因，小鼠的胎盤(pán)重量均有所減少，且胎盤(pán)有大量滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)生凋亡，并在小鼠胎盤(pán)交界區(qū)(海綿滋養(yǎng)層)出現(xiàn)大量壞死、出血及纖維化[20]。此外，胎盤(pán)發(fā)育異常時(shí)胎盤(pán)中會(huì)缺乏p38-MAPK或PPAR、使胎盤(pán)滋養(yǎng)層細(xì)胞發(fā)生凋亡，進(jìn)而母體運(yùn)輸至胚胎的氧氣及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，最終導(dǎo)致心臟缺陷、胚胎心臟發(fā)育異常等結(jié)局[19,21]。由此，學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注胎盤(pán)發(fā)育對(duì)于胚胎心臟發(fā)育的影響，并提出了“胎盤(pán)-心臟軸”的概念，即胎盤(pán)發(fā)育異常及滋養(yǎng)細(xì)胞侵襲會(huì)使母體運(yùn)輸?shù)脚咛サ难鯕饧盃I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，導(dǎo)致胚胎心臟發(fā)育異常[21-22]。

胎盤(pán)發(fā)育和心臟發(fā)育受到許多共同的分子和基因調(diào)節(jié)，并共有關(guān)鍵的發(fā)育途徑，這表明其中任何一個(gè)發(fā)育途徑發(fā)生改變都可能導(dǎo)致胎盤(pán)和胚胎心臟發(fā)育異常[19,23]。經(jīng)典的Wnt/b-catenin途徑是心臟和胎盤(pán)發(fā)育中共享的關(guān)鍵途徑之一，胚胎心臟發(fā)育中，Wnt信號(hào)傳導(dǎo)決定了心肌、心臟形態(tài)發(fā)生、瓣膜形成以及內(nèi)皮和血管平滑肌細(xì)胞增殖[24]。一項(xiàng)關(guān)于非洲爪蟾的實(shí)驗(yàn)證明，5-HT 參與Wnt的信號(hào)傳導(dǎo)[25]，而另一項(xiàng)針對(duì)Wnt調(diào)節(jié)因子的全基因組siRNA篩查實(shí)驗(yàn)[26]則根據(jù)三類(lèi)5-HT受體設(shè)想了三種5-HT信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)Wnt途徑的激活作用：(1)5-HT受體介導(dǎo)了配體或受體跨膜運(yùn)輸；(2)5-HT也可以作為共受體；(3)5-HT會(huì)對(duì)Wnt信號(hào)核糖體產(chǎn)生影響。由于胎盤(pán)是5-HT合成與轉(zhuǎn)運(yùn)的的重要場(chǎng)所，當(dāng)胎盤(pán)發(fā)育異常時(shí)，5-HT的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)也會(huì)隨之降低。故胎盤(pán)發(fā)育異常會(huì)使胚胎側(cè)的5-HT水平下降，進(jìn)而影響Wnt途徑的激活，最終導(dǎo)致胚胎心臟發(fā)育異常[19,27]。

四、結(jié)論

綜上所述，在胚胎心臟發(fā)育的過(guò)程中，5-HT雖有母體轉(zhuǎn)運(yùn)、胎盤(pán)及自身合成等來(lái)源，但對(duì)于人類(lèi)而言，妊娠早期發(fā)育所需的5-HT主要來(lái)源于母體，且對(duì)胚胎心臟的發(fā)育尤為重要。通過(guò)5-HT發(fā)揮作用的途徑不同，其對(duì)胚胎心臟發(fā)育的影響可分為直接作用與間接作用。直接作用主要是胚胎側(cè)的5-HT通過(guò)5-HT受體上調(diào)/下調(diào)G蛋白受體信號(hào)通路或改變5-HT與纖維蛋白A之間的相互作用等分子機(jī)制對(duì)胚胎生心區(qū)的發(fā)生、心臟雙軸的建立、心肌增殖、瓣膜發(fā)育等心臟形態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。間接作用則是5-HT通過(guò)“胎盤(pán)-心臟軸”對(duì)胚胎心臟發(fā)育產(chǎn)生影響，包括調(diào)控Wnt信號(hào)傳導(dǎo)、改變胎盤(pán)滋養(yǎng)層細(xì)胞功能及胎盤(pán)血流灌注程度等影響胚胎心臟發(fā)育(圖3)。針對(duì)5-HT改變引起胚胎心臟發(fā)育異常的機(jī)制，雖有研究數(shù)據(jù)佐以論證，但仍需進(jìn)一步研究。

圖3 5-HT在胚胎心臟發(fā)育的過(guò)程中的作用及其相關(guān)機(jī)制