靶向肺血管內皮功能障礙治療肺動脈高壓的研究進展

李 娜,李占強,蘆殿香,4

[1.青海大學高原醫學研究中心;2. 高原醫學教育部重點實驗室、青海省高原醫學應用基礎重點實驗室(青海-猶他高原醫學聯合重點實驗室);3. 青海大學附屬醫院,青海 西寧 810000;4.成都大學附屬醫院,四川 成都 610086]

肺動脈高壓(pulmonary hypertension,PH)是一種多病因導致的進行性和致命性肺部疾病,第六屆世界肺動脈高壓大會(World Symposium On Pulmonary Hypertension,WSPH)工作組修定了肺動脈高壓指南,指南中將肺動脈高壓定義為靜息時的平均肺動脈壓(mean pulmonary artery pressure,mPAP)≥20 mmHg(通過右心導管測定)[1]。世界衛生組織根據病理和血流動力學特征將PH分為5組:(1)動脈性PH;(2)左心疾病所致PH;(3)肺部疾病和(或)低氧所致PH;(4)慢性血栓栓塞性PH(chronic thromboembolic pulmonary hypertension,CTEPH)和(或)其他肺動脈阻塞性病變所致PH;(5)未明和(或)多因素所致PH。左心疾病所致PH、肺部疾病和/或低氧所致PH是臨床工作中最常見的PH類型[2]。

目前臨床治療PH的主要目的是恢復血管舒張和血管收縮之間的平衡,針對內皮素、一氧化氮和前列環素途徑,這些治療手段并沒有解決該疾病發病機制的問題。這些治療對短期預后有顯著改善,但死亡率仍較高,長期預后尚不確定[3]。因此本文旨在討論PH發病機制中肺動脈內皮細胞功能障礙的特點及其潛在分子機制,并且概述針對肺血管內皮功能障礙新的治療靶點,以提高PH的臨床治療效果。

1 肺動脈內皮細胞的功能

肺動脈內皮細胞(pulmonary arterial endothelial cells,PAECs)是單層扁平上皮細胞,襯于血管腔內壁,免疫組織化學染色顯示,內皮細胞表面特異性標志物CD31相關抗原呈陽性。內皮細胞在維持血管穩態的生理過程中發揮著重要作用,它對血液中大分子物質具有屏障作用,而且內皮細胞合成和分泌多種細胞因子共同調節血管緊張度[4]。正常的內皮細胞通過6種主要功能來調節血管穩態:(1)調節血管通透性:肺動脈內皮細胞合成和分泌一氧化氮(nitric oxide,NO)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、胰島素生長因子1(insulin-like growth factors 1,IGF-1)、前列環素I2(prostacyclin I2,PGI2)、內皮細胞型纖溶酶原激活物抑制因子(plasminogen activator Inhibitor-1,PAI-1)等;(2)調節血管舒縮張力:肺動脈內皮細胞合成和分泌舒張血管物質NO、硫化氫(hydrogen sulfide,H2S)、前列環素E2(prostaglandin E2,PGE2)、組胺(histamine)等;肺動脈內皮細胞合成和分泌收縮血管物質血栓素A2(thromboxane A2,TX-A2)、白三烯C4(leukotriene C4,LT-C4)、ROS、血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)、細胞間黏附分子(intercellular cell adhesion molecule,ICAM)等;(3)調節細胞生長和血管新生:肺動脈內皮細胞合成和分泌表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)、血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF)、VEGF等;(4)調節炎癥和免疫:肺動脈內皮細胞合成和釋放白介素、干擾素、趨化因子(CCL2、CCL3、CCL5)等;(5)調節凝血穩態:肺動脈內皮細胞合成促凝因子TX-A2、血小板凝集因子(platelet aggregating factor,PAF)、PAI-1、組織因子(tissue factor,TF)等,肺動脈內皮細胞分泌抗凝因子Ⅲ(anti-thrombin Ⅲ)、硫酸乙酰肝素蛋白多糖(heparansulfateproteoglycan,HSPG)、PGI2、組織型纖溶酶原激活劑(tissue plasminogen activator,tPA)、尿激酶纖溶酶原激活劑(urokinase plasminogen activator,uPA)等;(6)低密度脂蛋白的氧化:肺動脈內皮細胞合成和分泌氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,oxLDL)、NO。

Fig 1 Six major functions of vascular endothelium

2 肺動脈高壓內皮細胞功能障礙的表型

2.1 內皮細胞凋亡與增殖在PH發展的早期階段,內皮細胞損傷后發生凋亡,而隨著PH疾病的進展,在晚期出現抗凋亡的內皮細胞[5]。最初PAECs凋亡增加的一種可能解釋是骨形成蛋白受體2(bone morphogenic type 2,BMPR2)的突變誘發了PAECs凋亡,因此BMPR2被認為在PAH的EC功能障礙中發揮了重要作用[6]。有趣的是,Florentin等[7]對從PH患者和對照組患者中分離的人肺動脈內皮細胞(PAECs)的全轉錄組測序進行分析,發現雙向調節蛋白(AREG)是一個關鍵的內皮生存因子。來自PH患者和小鼠的PAECs表現出AREG及其受體表皮生長因子受體(EGFR)的下調,促進肺血管內皮細胞的凋亡。

除了最初的細胞凋亡增加外,PH患者的PAECs還具有高增殖和抗凋亡的特征。在PH的晚期,高增殖和耐凋亡的內皮細胞占主導地位,導致血管壁叢狀病變的形成。這些結果也可以在體外觀察到,在缺氧環境中人肺動脈內皮細胞表現出高增殖,對凋亡的敏感性降低的現象[8]。在PH的終末期,內皮細胞發生衰老,從增殖血管表型到衰老血管表型的轉變導致了PH疾病的不可逆性[9]。

2.2 內皮細胞間充質轉化缺氧、促炎細胞因子和機械力等刺激引起的內皮損傷可誘導內皮細胞向間充質細胞轉化(endothelial-to-mesenchymal transition,EndMT),導致內皮功能障礙和穩態的破壞。EndMT是內皮細胞失去原有細胞特征,獲得間充質細胞特征的過程。內皮細胞標記物包括內皮細胞黏附分子(cluster of differentiation 31,CD31)和血管內皮粘附因子(vascular endothelial cadherin,VE-cadherin)等,EndMT來源的細胞表達間充質細胞特征的標記物,如纖維連接蛋白(fibronectin)、平滑肌肌動蛋白(alpha-smooth muscle actin,SMAα)、平滑肌蛋白22α(smooth muscle protein 22 alpha,SM22α)、波形蛋白(vimentin)和神經鈣粘蛋白(neural cadherin,N-cadherin)[10]。EndMT內皮細胞的形態從鵝卵石單層轉變為細長的表型。在人類PH患者、野百合堿(monocrotaline,MCT)和SuHx PH大鼠模型中,觀察到EndMT的現象,細胞表達高水平的SMAα、vimentin和VE-cadherin,表明它們來源于內皮[11]。

Fig 2 A schematic representation of endothelial-to-mesenchymal transition(EndMT)in endothelial cells

3 針對肺動脈高壓肺血管內皮細胞功能障礙的治療現狀

PH的臨床表現、診斷及認知在過去的20年中發生了很大變化。PH最初被描述為一種不可治療的疾病,然而,隨著診斷工具和早期治療手段的不斷改進,已經顯著提高了患者的生活質量和總體預期壽命。目前,臨床治療PH的主要目的是恢復血管舒張和血管收縮之間的平衡。內皮素途徑產生的內皮素-1是強效血管收縮劑,前列環素途徑和一氧化氮環磷酸鳥苷(NO-cGMP)信號通路增強血管舒張,抑制細胞的增殖[12]。傳統藥物作用于這3個途徑,藥物總結見Tab 1。目前利用傳統藥物治療PH的主要困難在于:除了其有限的血流動力學效應外,還在于它們主要針對血管的過度收縮,這是不到10%的PH患者的主要病理生理特征[13]。因此,需要更好地了解PH疾病的發病機制,以確定新的治療靶點。

PH肺血管內皮細胞的癌樣代謝、表觀遺傳、炎癥變化等為發病機制研究提供了新的理解,隨著研究工作的不斷深入,PH領域出現恢復肺血管內皮功能的創新治療方法,新興的臨床治療方法包括基因療法、表觀遺傳療法等。

Tab 1 Traditional medicines in treating PH

4 PH中內皮細胞功能障礙的發病機制及靶向治療

4.1 PH內皮癌樣代謝和線粒體細胞功能障礙1891年,Romberg描述了PH患者肺血管內膜增厚和閉塞性血管病變。這種病理重塑的細胞和分子起源仍存在爭議。PH中的ECs具有與癌癥相似的代謝表型,即向糖酵解代謝增加,使ECs具有生存優勢和更高的增殖表型。這種代謝轉變被認為是通過糖酵解酶PFKFB3、己糖激酶、乳酸脫氫酶和線粒體丙酮酸脫氫酶激酶PDK的上調來驅動的。PGC1α是細胞代謝和線粒體功能的主要調控因子,缺氧導致PAECs中PGC1α表達減少,導致氧化代謝減少、線粒體功能障礙,而上調PGC1α可恢復線粒體功能[14]。

目前,靶向PH內皮細胞線粒體代謝治療的概念正在興起,并引起了極大的科學興趣。二氯乙酸(dichloroacetate,DCA)是一種線粒體酶PDK的抑制劑,已被發現可以改善基因易感的PH患者的血流動力學[15]。

4.2 炎癥在PH內皮細胞功能障礙中的作用20多年來,炎癥和PH之間的關系已經被認識到,但特別難以評估免疫反應的改變是代表該疾病的原因還是結果。炎癥和免疫障礙在所有類別的肺動脈高壓中出現,現在人們普遍認為炎癥促進PH疾病的易感性和加重血管重構的進展[16]。大量研究表明,在PAH中PAEC表現出明顯的促炎表型,在特發性PAH患者遠端肺動脈內皮上ICAM-1、血管細胞黏附分子(VCAM-1)和e-選擇素的表達增加。類似地,從特發性PAH患者中分離的PAEC顯示出顯著的促炎轉錄特征,包括IL-1α、IL-6、IL-8、IL-12、MCP-1、E-選擇素、ICAM-1、P-選擇素和VCAM-1的表達升高[17]。

內皮細胞在不同條件下也可作為免疫細胞,合成和分泌炎癥介質,同時也是炎癥的局部靶點。缺氧是Ⅲ型PH的主要觸發因素,缺氧可降低PGC1α的水平,并通過增加ROS形成、介導線粒體功能障礙、介導NF-κB激活以及隨后分泌IL-6和TNF-α導致內皮功能障礙。因此,上調PGC1a可能會改善內皮細胞的功能,減弱炎癥反應[14]。FDA批準的大多數PH臨床治療藥物仍然是血管擴張劑,認識到炎癥在驅動肺血管重塑中的重要性,具有抗炎或免疫調節特性的藥物有望成為有效的治療候選藥物。盡管有大量的臨床前和臨床數據支持炎癥在PH發展中的作用,但多項研究顯示PH免疫調節治療的臨床試驗結果是陰性,比如在臨床中許多患者對糖皮質激素等免疫抑制治療沒有反應。因此,確定正確的患者群體和治療時間,是這一理論轉化為臨床現實的一個關鍵挑戰[18]。

4.3 表觀遺傳在PH內皮細胞功能障礙中的作用PH的發生過程中基因的表達也受到表觀遺傳過程的影響。對iPAH和遺傳性肺動脈高壓(heritable pulmonary artery hypertension,hPAH)患者PAECs的DNA甲基化分析顯示,與對照組相比,參與炎癥過程、重塑和脂質代謝的幾個基因表達存在差異。研究發現,在PH和對照組之間,ABCA1的甲基化下調差異最大,ABCA1屬于ATP結合盒(ABC)轉運體家族,對肺穩態很重要。在PH的MCT動物模型中,ABCA1與PH病理生理進程相關,ABCA1的激活改善了RV肥厚和肺血流動力學[19]。研究發現,通過組蛋白去乙酰化酶(histone-deacetylases,HDAC)增加的組蛋白乙酰化與PH的血管重構有關。在人類,HDAC酶被分為4類:1類HDACs(HDAC-1、-2、-3和-8)、2a類HDACs(HDAC-4、-5、-7 和-9)、2b類HDACs(HDAC-6和-10)、3類HDACs(Sir2-like蛋白)和4類HDACs(HDAC-11)。HDAC-6在PAH患者和PH實驗模型的PAECs和PASMCs中過表達,在SuHx和MCT大鼠模型中,使用HDAC-6抑制劑能夠改善PH[20]。表觀遺傳調控因子含溴域蛋白-4(BRD4)與PH的發病機制有關,RVX-208可以選擇性抑制BRD4,恢復內皮細胞功能,逆轉MCT和SuHx大鼠模型中的PH,改善PH中RV功能[21]。

4.4 基因突變在PH內皮細胞功能障礙中的作用遺傳性PH占全部PH的6%～10%,編碼BMPR2基因的雜合性生殖系突變占遺傳性PH病例的70%～80%及iPAH病例的15%～25%。因此,BMPR2突變增加了個體發生PH的機會,從大約10萬分之一增加到4分之一。一項對PH患者的meta分析顯示,與沒有BMPR2突變的患者相比,突變基因攜帶者在診斷PH時更年輕,血流動力學更嚴重,對血管擴張劑的反應更小,患者死亡風險增加[22]。

新興的PH相關BMPR2療法包括增強BMPR2信號轉導的策略。研究發現,在MCT誘導的大鼠PAH模型中,靜脈注射BMPR2表達增強的內皮祖細胞,此細胞主要積聚在肺部,并且釋放BMPR2外泌體,可以改善PAH造成的右心損傷[23]。Gu等[24]使用來自家族性PAH(FPAH)患者和性別匹配的對照組患者的多能干細胞來源的內皮細胞(iPSC-ECs)來研究BMPR2變異,利用CRISPR-Cas9系統糾正PAHiPSC-ECs中的BMPR2突變,結果發現,糾正BMPR2突變成功恢復了BMPR2信號傳導、EC功能、正常化的血管生成和細胞遷移。

4.5 EndMT在PH內皮細胞功能障礙中的作用慢性缺氧導致肺小動脈血管重構,研究證明3周缺氧誘導大鼠和小鼠肺動脈EndMT[25]。許多研究已經報道了通過靶向EndMT來緩解PH的治療策略。一項研究表明,硫化氫可抑制NF-κB-Snail通路和EndMT,從而對PH發揮治療作用[26]。此外,前列腺素E2受體4(EP4)激動劑治療可減少體外EndMT和右心室纖維化[27]。慢病毒過表達miR-181b通過負調控TGFβR1減少了MCT模型大鼠肺動脈壁厚度,抑制了大鼠PAECs中的EndMT[28]。CD26/dipeptidyl peptidase 4 (DPP-4)廣泛分布于肺的各種類型的細胞中,促進TGFβ信號轉導和EndMT。DPP-4抑制劑西格列汀治療可減少PH大鼠的肺動脈重構并減輕EndMT[29]。

5 結語與展望

到目前為止,我們仍然不完全了解哪些因素觸發了PH的發生和進展,最新研究顯示,內皮癌樣代謝和線粒體細胞功能障礙、BMPR2突變、表觀遺傳學和炎癥等是重要的觸發因素。并且,越來越多的證據表明,PAECs功能障礙在這些過程中都起著核心作用,也是PH起始和進展的關鍵病理學基礎,新的治療方法靶向PAECs功能,而不僅僅是關注對PH中平滑肌細胞和成纖維細胞的影響。因此,我們需要更好地了解PH中PAECs功能障礙的分子機制,這有利于藥物開發,并可能在未來治療PH中起到至關重要的作用。