冠状血管平滑肌细胞发生机制的研究进展

伍 玲(综述),佘 强(审校)

(重庆医科大学附属第二医院心内科，重庆 400010)

脊椎动物的心脏是产生有效血液循环、为机体的组织及器官提供氧和营养的泵器官。在心脏的发育及工作过程中，结构及功能正常的冠状动脉系统的形成是保证心脏自身营养和氧供的基础，对心脏的正常工作至关重要。闭合的、有效的胚胎冠状动脉系统的发生及形成是胚胎继续发育及存活的前提，先天冠状动脉异常可导致重大心血管畸形。

近年来，心血管系统疾病的发生率呈逐年上升的趋势，其中冠状动脉系统相关疾病严重威胁着人类健康。冠状动脉硬化性心脏病患者发生心肌梗死的原因是冠状血管的阻塞导致心肌缺血，若能有效地诱导冠状血管的修复及再生，心肌梗死等心血管疾病的晚期治疗水平将有很大提高。因此，了解冠状血管各成分的发生机制，将有利于利用现代生物学技术诱导血管修复及再生工程的进展，有利于提高冠状血管疾病的治疗水平。

冠状动脉系统结构及功能的形成依赖于内皮细胞及平滑肌细胞的正常发育，任何一类细胞的发育缺陷都可导致冠状动脉系统异常。现将从冠状血管的发生、血管平滑肌细胞的来源、血管发生相关基因及信号通路等方面进行综述,并展望其研究前景。

1 冠状血管发生的概述

早期心脏的发育始于小鼠E8.0日(人胚卡耐基胚胎发育10阶段)，由中胚叶背侧板分化成的线形心管，原始心管仅由心肌及多层内皮细胞构成，无冠状血管，其接受的氧和营养靠内皮细胞的简易扩散。在E8.5～E9.5日(人胚卡耐基胚胎发育10～11阶段)，由于心脏四腔室结构的形成及心肌壁增厚，氧及营养的简易扩散将受到限制，此时冠状动脉系统的形成成为必需。

冠状血管的发育由多种分子机制及信号转导通路参与。细胞谱系的决定、定向细胞迁移、上皮-间充质转化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)现象的调控及细胞分化是冠状血管发育的标志。大部分冠状血管的细胞成分都由心外膜分化形成，还可能与静脉窦、心房肌起源过程有关。

2 血管平滑肌细胞来源概述

血管平滑肌谱系的发育错综复杂。基因谱计划确定了至少八种独立的血管平滑肌细胞的前体细胞[2-3]，每种前体细胞均有不同的谱系背景。这些前体细胞均可分化为平滑肌细胞，且均能表达平滑肌细胞的标志基因如： SMαActin(Acta2)，SM22α(Tagln)，SM-calponin(Cnn1)，SM-MHC(Myh11)。不同分化通路来源的前体细胞如何向平滑肌细胞分化，及其在细胞迁移、增殖过程中的作用均不甚清楚。

与血管内皮细胞不同，不同部位的血管平滑肌细胞起源可不同，如大动脉管壁平滑肌细胞多来源于背侧神经管上皮前体细胞[4]，而降主动脉平滑肌主要来源于表达Pax3及FoxC2的体节上皮细胞[5-6]。

关于冠状血管平滑肌细胞的来源，既往研究认为，近端冠状动脉平滑肌细胞来源于神经嵴，其余部分来源于前体心外膜及心外膜[7]，而冠状静脉平滑肌细胞来源于心房肌细胞[8]。现在大多研究者认为冠状血管平滑肌细胞主要来源于心外膜前体，即小鼠胚胎E8.5日出现在窦房连接处的短暂的间皮细胞的聚集[9-10]。

3 心外膜基因与冠状血管平滑肌细胞

心外膜是由前体心外膜衍生形成，包被于心脏表面，具有多向分化潜能的多能间充质细胞。心外膜基因谱系示踪提示，前体心外膜细胞可分化为管周成纤维细胞、血管平滑肌细胞及冠状血管内皮细胞[11]。对于冠状血管平滑肌细胞，心外膜是最重要的来源，其参与调节冠状血管平滑肌细胞的发生。

Wt1 是心外膜发育过程中具有重要调节作用的转录因子，其对心外膜及泌尿生殖道的发育具有重要作用[12-14]。Wt1在心外膜前体、心外膜及心外膜衍生细胞中均有表达，现被看作是心外膜的标志基因之一。现代研究可示踪心外膜前体的分化命运，其经EMT参与大部分心肌细胞及部分冠状血管平滑肌细胞的形成[15]。研究表明，Wt1缺失可导致窦房结头部、心室、心房及主动脉部分结构消失，心外膜下间充质减少及其向冠状血管分化的功能丧失[15]。Wt1与心脏损伤后血管及心肌的修复有关[16-17]。

Tbx18是近年来发现的一个参与心脏发育调节的重要基因，其在哺乳动物胚胎期心外膜、四肢、输尿管及体节等部位均有表达[18-19]。有研究表明，Tbx18来源的心外膜祖细胞(Tbx18+ cardiacprogenitorcells，Tbx18+CPCS)可向窦房结起搏细胞、心室心房壁细胞、平滑肌细胞及成纤维细胞迁移分化[20]，可能还参与心脏损伤后心肌及血管的修复及再生[17]。Tbx18在冠状血管平滑肌细胞的形成过程中也至关重要，利用小鼠示踪模型示踪Tbx18基因及其衍生细胞，体内及体外试验结果均提示Tbx18+CPCS参与冠状血管平滑肌细胞的形成[20]。

Tcf21(Pod1)是一种在鸡胚及小鼠胚胎前体心外膜、心外膜及心外膜衍生细胞中表达的转录因子[21]。Tcf21基因缺失可导致子代新生期的死亡，其死亡原因与肺、肾、脾等器官的缺陷有关，间质Tcf21的表达与肺及肾的上皮形态发生密切相关。在心脏冠状血管发育方面，cf21阳性细胞可诱导分化为心脏成纤维细胞及冠状血管平滑肌细胞[22]。若Tcf21基因缺失，心脏成纤维细胞前体细胞会停留在心外膜而不发生EMT，而心脏平滑肌细胞则会出现异常的增多及过早表达，这种作用可能与维甲酸信号转导通路的调节相关[23]。

4 冠状血管平滑肌细胞发生相关信号通路

4.1心外膜EMT 心外膜祖细胞是心脏内部心肌细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞等细胞的重要来源，细胞的定向分化决定了心外膜细胞发生EMT的能力。多种信号可激活心外膜EMT，这些信号作用于特定效应器使细胞间黏附力减弱、细胞结构和极性改变，并减少了细胞外基质。心外膜EMT包括细胞角蛋白向波形蛋白的转化，但波形蛋白在EMT过程中使细胞形态发生改变的确切机制尚不明确[24]。

心外膜EMT过程与多种信号的调控有关。转录生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)最初被认为是EMT过程的抑制因子之一，但近来的研究表明其可促进EMT的发生[25]。成纤维细胞生长因子被认为与心外膜祖细胞经EMT分化为心肌细胞有关[26]。血小板源生长因子BB、血管内皮细胞生长因子等虽不直接影响心外膜EMT过程，但可影响心外膜EMT后细胞的命运[27]。

心脏冠状血管平滑肌细胞发生起源可分为心外膜及其衍生细胞来源以及心肌细胞来源。心外膜EMT是心脏冠状血管平滑肌细胞的主要来源。多种与EMT相关的生长因子通过影响心外膜EMT而影响冠状血管平滑肌细胞的形成，某些基因及信号通路也可直接影响心脏冠状血管平滑肌细胞的形成，如Notch信号通路、Wnt1/β联蛋白通路、TGF-β及维甲酸等。

4.2Notch信号通路 Notch信号通路在决定细胞命运、分化、增殖、凋亡以及再生等过程中具有重要作用。有研究表明，Notch受体是重要的心血管疾病调节因子，对心脏损伤可能有保护作用，其介导心肌保护作用的机制是复杂的，包括防止心肌细胞凋亡、再次激活心脏祖细胞及促进新生血管形成等[28]。

有研究认为，Notch通路是心外膜向冠状血管迁移分化的中间通路，其在心脏损伤后的修复及再生过程中具有重要作用[28-29]。Pérez-Pomares等[30]的研究表明，大量Notch通路相关受体及配体在心外膜及冠状血管发育过程中表达。前体心外膜及心外膜中Notch信号通路唯一胞内介质Rbpj转录因子的缺失可导致冠状血管严重的形态异常，且Rbpj缺陷的胚胎其心外膜祖细胞可向冠状动脉分化，但不能形成有效的冠状动脉平滑肌细胞。Notch信号通路的活化可导致心外膜细胞过早分化为平滑肌细胞[29]。Notch信号通路对心脏冠状血管平滑肌细胞的形成起重要作用。

4.3TGF-β通路 TGF-β分子信号家族同样是参与调节心外膜分化及心脏冠状血管发生的重要信号通路。在冠状血管发生过程中，TGF-β受体在心外膜及心肌膜周围区域均有表达[31]，TGF-β1主要在E12.5日小鼠心外膜呈不连续表达，后主要在流出道区域表达，TGF-β2主要在E9.5～E10.5日小鼠前体心外膜及心外膜表达，TGF-β3仅在小鼠E11.5日心外膜形成后开始有表达，持续至E15.5日之后。

体外试验表明，TGF-β配体可促进前体心外膜及心外膜EMT的发生，TGF-β2基因剔除可导致冠状血管严重畸形[31-32]。TGF-βⅠ型及Ⅲ型受体在冠状血管发育过程中起着重要作用，TGF-βⅠ型受体ALK5缺失的小鼠胚胎，心外膜EMT未完全阻断，但心外膜向心肌细胞分化的通路被扰乱，其冠状血管能够形成，但较正常细且有淤血，在发育过程中冠状动脉的重构出现障碍，冠状血管中平滑肌细胞标志物表达明显减少[32]。以上结果表明，在冠状血管平滑肌细胞的形成及分化过程中，TGF-β信号通路起重要作用。

4.4Wnt/β联蛋白通路 Wnt通路是多种生物如果蝇和小鼠心脏发育过程中至关重要的信号转导通路，心脏发育过程中有多种Wnt相关受体的表达[33]。标准的Wnt通路的发生依赖于β联蛋白的作用。心外膜缺失β联蛋白基因可导致孕晚期胚胎或新生小鼠死亡。β联蛋白缺失的小鼠因心肌细胞增殖障碍所以心肌较薄，且心外膜间质层减少，故心外膜EMT减少。虽然这种基因剔除小鼠的冠状动脉发生障碍，但冠状静脉发育完整。研究表明，β联蛋白基因缺失小鼠的冠状血管平滑肌细胞发育障碍，且心外膜体外培养试验表明，该小鼠心外膜细胞中加入TGF-β后仍不能表达平滑肌细胞的标志物[34]。以上结果表明，Wnt/β联蛋白通路在冠状血管平滑肌细胞发育过程中也具有重要作用。

4.5其他信号通路 与冠状血管平滑肌细胞发生机制相关的信号通路除上所述外，还有一些通路及细胞因子如维甲酸、血小板生长因子BB、成纤维细胞生长因子等可通过影响心外膜EMT或直接影响平滑肌细胞的分化而调节冠状血管平滑肌细胞的发生[30]，且不同信号通路之间并不是各自作用而是相互影响，共同调节冠状血管平滑肌细胞的发生。

5 展 望

冠状血管平滑肌细胞的发生是由多种细胞因子、多条信号通路相互作用的复杂的过程。这些发生机制可能在成人心脏损伤后也被激活，并可能在心脏疾病的治疗及心肌和血管的修复中起重要作用。故了解冠状血管平滑肌细胞的发生机制可能对心脏损伤后血管的修复及再生有重要意义。通过大量的研究，了解了部分与冠状血管平滑肌细胞发生相关的胚胎基因及其信号通路，但如何利用这些基因或怎样使信号通路激活或失活以达到调节血管平滑肌细胞的增殖仍需进一步探索。

[1] Riley PR,Smart N.Vascularizing the heart[J].Cardiovasc Res,2011,91(2):260-268.

[2] Majesky M.Developmental basis of vascular smooth muscle diversity[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2007,27(6):1248-1258.

[3] Wasteson P,Johansson B,Jukkola T,etal.Developmental origin of smooth muscle cells in the descending aorta in mice[J].Development,2008,135(10):1823-1832.

[4] Jiang X,Rowitch D,Soriano P,etal.Fate of the mammalian cardiac neural crest[J].Development,2000,127(8):1607-1616.

[5] Esner M,Meihac SM,Relaix F,etal.Smooth muscle of the dorsal aorta shares a common clonal origin with skeletal muscle of the myotome[J].Development,2006,133(4):737-749.

[6] Lagha M,Brunelli S,Messina G,etal.Pax3:FoxC2 reciprocal repression in the somite modulates muscular versus vascular cell fate choice in multipotent progenitors[J].Dev Cell,2009,17(6):892-899.

[7] Gittenberger-de Groot AC,DeRuiter MC,Bergwerff M,etal.Smooth muscle cell origin and its relation to heterogeneity in development and disease[J].Arter-ioscler Thromb Vasc Biol,1999,19(7):1589-1594.

[8] Vrancken Peeters MP,Gittenberger-de Groot AC,Mentink MM,etal.Smooth muscle cells and fibroblasts of the coronary arteries derive from epithelial-mesenchymal transformation of the epicardium[J].Anat Embryol(Berl),1999,199(4):367-378.

[9] Männer J,Pérez-Pomares JM,Macías D,etal.The origin,formation and developmental significance of the epicardium:a review[J].Cells Tissues Organs,2001,169(2):89-103.

[10] Majesky MW.Development of coronary vessels[J].Curr Top Dev Biol,2004,62:225-259.

[11] Guadix JA,Carmona R,Muoz-Chápuli R,etal.In vivo and in vitro analysis of the vasculogenic potential of avian proepicardial and epicardial cells[J].Dev Dyn,2006,235(4):1014-1026.

[12] Moore AW,McInnes L,Kreidberg J,etal.YAC comple-mentation shows a requirement for Wt1 in the development of epicardium,adrenal gland and throughout nephrogenesis[J].Development,1999,126(9):1845-1857.

[13] Schedl A,Hastie N.Multiple roles for the Wilms′tumour suppressor gene,WT1 in genitourinary development[J].Mol Cell Endocrinol,1998,140(1/2):65-69.

[14] Rudat C,Kispert A.Wt1 and epicardial fate mapping[J].Circ Res,2012,111(2):165-169.

[15] Zhou B,Ma Q,Rajagopal S,etal.Epicardial progenitors contribute to the cardiomyocyte lineage in the developing heart[J].Nature,2008,454(7200):109-113.

[16] Wills AA,Holdway JE,Major RJ,etal.Regulated addition of new myocardial and epicardial cells fosters homeostatic cardiac growth and maintenance in adult zebrafish[J].Development,2008,135(1):183-192.

[17] Smart N,Bollini S,Dubé KN,etal.De novo cardiomyocytes from within the activated adult heart after injury[J].Nature,2011,474(7353):640-644.

[18] Kraus F,Haenig B,Kispert A.Cloning and expression analysis of the mouse T-box gene Tbx18[J].Mech Dev,2001,100(1):83-86.

[19] 蒲荻,杜建霖,李晓群,等.转录因子Tbx18在小鼠胚胎发育过程中的时空表达[J].第三军医大学学报,2012,34(12):1171-1175.

[20] Christoffels VM,Grieskamp T,Norden J,etal.Tbx18 and the fate of epicardial progenitors[J].Nature,2009,458(7240):E8-E9.

[21] Combs MD,Braitsch CM,Lange AW,etal.NFATC1 promotes epicardium-derived cell invasion into myocardium[J].Development,2011,138(9):1747-1757.

[22] Acharya A,Baek ST,Huang G,etal.The bHLH transcription factor Tcf21 is required for lineage-specific EMT of cardiac fibroblast progenitors[J].Development,2012,139(12):2139-2149.

[23] Braitsch CM,Combs MD,Quaggin SE,etal.QuagginPod1/Tcf21 is regulated by retinoic acid signaling and inhibits differentiation of epicardium-derived cells into smooth muscle in the developing heart[J].Dev Biol,2012,368(2):345-357.

[24] Ivaska J,Pallari HM,Nevo J,etal.Novel functions of vimentin in cell adhesion,migration,and signaling[J].Exp Cell Res,2007,313(10):2050-2062.

[25] Compton LA,Potash DA,Brown CB,etal.Coronary vessel development is dependent on the type Ⅲtransforming growth factor beta receptor[J].Circ Res,2007,101(8):784-791.

[26] Pennisi DJ,Mikawa T.FGFR-1 is required by epicardium-derived cells for myocardial invasion and correct coronary vascular lineage differentiation[J].Dev Biol,2009,328(1):148-159.

[27] Smith CL,Baek ST,Sung CY,etal.Epicardial-derived cell epithelial-to-mesenchymal transition and fate specification require PDGF receptor signaling[J].Circ Res,2011,108(12):e15-e26.

[28] del Monte G,Casanova JC,Guadix JA,etal.Differential Notch signaling in the epicardium is required for cardiac inflow development and coronary vessel morphogenesis[J].Circ Res,2011,108(7):824-836.

[29] Grieskamp T,Rudat C,Lüdtke TH,etal.Notch signaling regulates smooth muscle differentiation of epicardium-derived cells[J].Circ Res,2011,108(7):813-823.

[30] Pérez-Pomares JM,de la Pompa JL.Signaling During Epicardium and Coronary Vessel Development[J].Circ Res,2011,109(12):1429-1442.

[31] Olivey HE,Mundell NA,Austin AF,etal.Transforming growth factor-beta stimulates epithelial-mesenchymal transformation in the pro-epicardium[J].Dev Dyn,2006,235(1):50-59.

[32] Compton LA,Potash DA,Mundell NA,etal.Transforming growth factor-beta induces loss of epithelial character and smooth muscle cell differentiation in epicardial cells[J].Dev Dyn,2006,235(1):82-93.

[33] Brade T,Männer J,Kühl M.The role of Wnt signalling in cardiac development and tissue remodelling in the mature heart[J].Cardiovasc Res，2006，72:198-209.

[34] Zamora M,Männer J,Ruiz-Lozano P.Epicardium-derived progenitor cells require beta-catenin for coronary artery formation[J].Proc Natl Acad Sci USA,2007,104(46):18109-18114.