动脉导管的开闭及其细胞分子机制*

楚 冲， 董念国

1华中科技大学同济医学院附属协和医院心血管外科，武汉 430022 2Institute for Cardiovascular Prevention Ludwig-Maximilians University Munich，Munich 80336，Germany

动脉导管的开闭及其细胞分子机制*

楚 冲1，2， 董念国1△

1华中科技大学同济医学院附属协和医院心血管外科，武汉 4300222Institute for Cardiovascular Prevention Ludwig-Maximilians University Munich，Munich 80336，Germany

前列腺素E2； 动脉导管未闭； 先天性心脏病； 离子通道

动脉导管是一种连接于降主动脉近端和左肺动脉起始部的血管结构[1-2]。对于胎儿循环，动脉导管开放是必须的，血液经此通路从高压肺动脉流入低压主动脉。出生后10～15 h，伴随自主呼吸和肺循环阻力下降，流经动脉导管血液逐渐减少，管壁平滑肌收缩而自行闭合。80%儿童约在生后3个月完成动脉导管解剖闭合，成为动脉韧带[3]，若超过1岁仍未闭合，并出现病理生理改变，即为动脉导管未闭(patent ductus arteriosus，PDA)。这种现象虽临床认识较早，且对先天性心脏病的研究和诊治意义很大，但至今机制不明，本文就相关问题作一简单探讨。

1 PDA病理状态

1.1 单纯PDA

单纯PDA是一种较常见的简单先天性心脏病，发病率可达先天性心脏病总数的12%～15%。由于主动脉压高于肺动脉压，导致主动脉血经未闭合的动脉导管持续流入肺动脉，形成体循环到肺循环分流[3-4]。

该病变早期且分流量小时，症状通常较轻，胸骨第2肋间连续性杂音等临床表现不明显，经常是在超声心动图检查时被偶然发现。然而左向右分流使体循环血流减少，左室代偿性作功增加，同时流入肺循环血流增多，左室负荷加重，可引起左室肥厚、扩大甚至心衰。若肺循环血量持续增加，肺小动脉可出现反应性痉挛，形成动力性肺高压。随着肺高压发展，右心负荷明显加重，可引起右心室肥厚、扩大甚至心衰。一旦形成阻力性肺高压，肺动脉压超过主动脉压，动脉导管呈现双向或逆向分流，即形成Eisenmenger综合征，此时单纯阻断动脉导管已无法改善病理后果。

1.2 PDA依赖型复杂先天性心脏病

对于某些特殊类型的先天性心脏病，肺循环或体循环血液几乎完全依赖未闭合的动脉导管分流，如果动脉导管关闭，患者可能无法存活。此类复杂先天性心脏病可被分为以下3种[5-7]。

①右心梗阻型：例如严重法洛四联症、肺动脉重度狭窄、室间隔完整型肺动脉闭锁等。由于右室流出道梗阻，右心室与肺动脉不能直接相通，来自动脉导管的氧合血对肺循环至关重要。动脉导管开放可使体循环血氧饱和度维持在70%以上，从而保证组织供氧和维持动脉血正常pH值；若动脉导管闭合，则发生严重的低氧血症和代谢性酸中毒，危及生命[8-9]。

②左心梗阻型：例如严重主动脉瓣缩窄、二尖瓣闭锁、主动脉弓离断、左室发育不良综合征等。由于左心室基本处于无功能状态，完全由右心室承担体循环和肺循环泵血功能，因此依赖动脉导管供应主动脉血流以维持心输出量和全身灌注[10-11]。

③血液混合型：例如室间隔完整型完全性大血管错位。由于主动脉和肺动脉位置互换，主动脉起始于右心室，肺动脉从左心室发出，形成体循环和肺循环生理完全隔离，两种循环依赖动脉导管交通，依赖其血液混合使体循环获得基本氧供[3，12-13]。

1.3 PDA闭合的特殊性

一方面，动脉导管延迟闭合发展成为一种左向右分流型先天性心脏病，继而诱发肺血管病变；另一方面，某些情况下动脉导管是维持生命的必须通道，且动脉导管较其他血管结构更容易被诱发收缩或关闭，温度、血压、饮食、发育等细微刺激常诱发其不恰当的闭合，继而导致复杂先天性心脏病，自然预后不良。因此外科治疗时应根据不同需要，促进或阻断动脉导管开放。目前动脉导管闭合过程可分为两个阶段，即功能性闭合和解剖学闭合[2]。

2 动脉导管功能性闭合机制

2.1 前列腺素E2诱导的动脉导管功能性闭合

胎儿动脉导管的开闭受多种因素影响，其中研究最多的是环氧合酶介导的花生四烯酸的代谢产物——前列腺素E2(PGE2)[14]。PGE2由动脉导管组织分泌，与前列腺素E受体(prostaglandin E receptor，EP)相结合，激活细胞膜上G蛋白偶联的腺苷酸环化酶(AC)，诱导三磷酸腺苷(ATP)去磷酸化生成环腺苷酸(cAMP)，细胞内高浓度cAMP抑制肌球蛋白轻链激酶的活化，最终抑制导管平滑肌细胞对钙离子的收缩反应，使动脉导管无法正常闭合[15-17]。正常胎儿出生后，通过胎盘和肺对PGE2的代谢，循环中高浓度PGE2急速减少，加上导管壁PGE2受体表达量下降，综合作用促使动脉导管闭合[15，17-18]。环氧化酶(COX)类中COX-1和COX-2受刺激后合成分泌前列腺素，其中COX-1作用较快，数分钟内可迅速合成前列腺素，而COX-2在受刺激后数小时才能完成[19]，所合成的前列腺素进入PGE2-EP-cAMP信号通路，继而影响动脉导管闭合。随着妊娠期延长，COX-2表达明显增高[19-20]，但未成熟个体COX-2表达程度没有成熟个体高，在大鼠动物实验中进一步发现COX-2阻断剂对怀孕19 d者诱导动脉导管收缩效果明显弱于对怀孕21 d者[21]。目前COX-1/COX-2非选择性阻断剂(如消炎痛)广泛用于PDA患儿治疗，但该方案不适合未成熟儿。有报道称对未成熟儿PDA，联合使用一氧化氮合酶抑制剂和COX抑制剂比单用COX抑制剂可以获得更好的治疗效果[22]。

2.2 离子通道诱导的动脉导管功能性闭合

胎儿期动脉导管血氧分压在18～28 mmHg范围，出生后血氧分压快速上升至40～60 mmHg左右[16]。通常生理状态下，大部分血管平滑肌(除肺动脉外)在低氧状态下处于松弛状态，氧分压升高导致血管收缩，在这一点上动脉导管表现得更为明显[22-23]。近年许多氧分压升高过程中动脉导管收缩机制研究被报道，其中氧诱导离子通道电位变化被普遍认同。当胎儿出生后氧分压升高，来源于线粒体O2感应器-电子传递链复合体Ⅰ和Ⅲ激活，使活性氧生成增加。活性氧不仅是一种细胞毒性代谢产物，而且是细胞内的氧化还原信号分子，可调控靶分子结构和功能，包括影响动脉导管平滑肌膜上的电压依赖钾通道(如Kv1.5和Kv2.1)[24-26]。电压依赖钾通道可被活性氧抑制，使平滑肌细胞膜去极化，继发性引起膜上L型电压依赖钙通道开放，钙离子内流，导致动脉导管平滑肌收缩。在所有L型电压依赖钙离子通道中，Cav1.2含量占优势，表达量高于其他钙离子通道，因此Cav1.2电位变化作用最突出[27]。在正常氧分压条件下，阻断细胞膜钾通道，肌质网储存的钙离子释放也可引起继发性钙内流[28]。

有研究通过转基因的方法，将钾离子通道蛋白基因导入到早产兔动脉导管细胞之中，在氧诱导条件下观察，发现动脉导管收缩增强，进一步说明氧诱导的钾离子通道在胎儿出生后动脉导管闭合过程中发挥重要作用[17，29]。

研究显示，随着胎肺功能增强，血氧分压急剧升高，细胞色素a3和细胞色素P450活化可引起动脉导管内皮细胞和平滑肌细胞中内皮素-1释放，刺激内皮素A受体，进而抑制电压依赖钾离子通道，使平滑肌细胞膜去极化，引起膜上L型电压依赖钙通道开放，钙离子内流，随之动脉导管收缩闭合[17，30]。

3 动脉导管解剖学闭合机制

胎儿出生后，动脉导管壁发生大量重构，最终导致永久性闭合。内膜增厚及内膜垫形成(intimal cushion formation，ICF)是动脉导管重建过程的一个重要特点。在高氧环境刺激下，内皮细胞增多，透明质酸累积于内皮细胞下区域，血管中层平滑肌增殖和迁移，随后内膜垫形成。如果动脉导管内膜增厚较差，则导致出生后动脉导管永久性不闭合[26]。

3.1 前列腺素E2诱导的动脉导管解剖学闭合

研究显示，在动脉导管形成和发育过程中，PGE2-EP4具有扩张血管和促ICF形成两大作用[31-33]。慢性刺激产生PGE2，可通过EP4诱导动脉导管重构，促进血管腔ICF和结构性闭合。研究发现，激活的PGE2-EP4-cAMP-PKA途径增强透明质酸酶2基因转录和透明质酸产生，而透明质酸的积累促进动脉导管平滑肌细胞迁移到内皮下层，从而引起动脉导管内膜增厚[31，33]。有趣的是，如果基因干扰透明质酸2表达，在小鼠模型中未能观察到形成类似的内膜垫[34]。前面所说到PGE2的这两个作用看似相互矛盾，实际上因为出生时循环中PGE2减少，EP4刺激水平迅速下降，减少了对动脉导管的血管舒张作用，导致动脉导管快速功能性闭合；而积累的透明质酸仍然作用活跃，促进平滑肌细胞迁移，从而促成动脉导管的最终解剖学闭合[33]。

Epac是一种近年被发现由cAMP激活的交换蛋白。Epac与PKA同属于PGE2-EP-cAMP信号通路下游分子，均能诱导ICF。研究发现，Epac在胎儿围产期时就被上调，刺激Rap1蛋白进而引起纤维连接蛋白表达增加，促进细胞介导的粘附作用，对平滑肌细胞迁移有急性增强作用，可在4 h内完成平滑肌细胞迁移，且不伴透明质酸沉积[32]。因此有研究者提出：选择性激活Epac可以作为治疗PDA的一项新治疗方法。

3.2 离子通道诱导的动脉导管解剖学闭合

高氧分压诱导下，T型电压依赖钙离子通道，尤其是Cav3.1可以提高动脉导管收缩和平滑肌细胞迁移。研究发现，细胞膜上Cav3.1过度表达明显增强了对大鼠动脉导管组织的促氧化作用，免疫组化可观察到动脉导管内膜局限性增厚[34]。如果进一步对该模型给予维生素A喂养，还可发现大鼠动脉导管中Cav1.2和Cav3.1表达提高，动脉导管内膜增厚更加明显[35]。因此可以认为T型电压依赖钙离子通道(尤其是Cav3.1)在一定程度上加速了大鼠动脉导管内膜垫形成和内膜增厚，从而有利于动脉导管解剖学闭合。

4 小结

动脉导管延迟闭合是一种重要的病理状态，可由多种因素引起，功能性闭合和解剖学闭合两个过程相互独立却同时进行。近年研究发现，PGE2和离子通道在此过程中发挥重要作用，其中PGE2有扩张导管和增厚内膜双重作用[31-33]，而高氧分压对电压依赖钙离子通道直接或间接的影响，也可引起动脉导管平滑肌细胞功能性收缩和内膜增厚[22-28，34]。在此基础上，进一步研究有关动脉导管闭合的分子机制，开发新策略来适时调节动脉导管开闭，将有助于改善临床治疗效果。

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*国家自然科学基金重点项目资助(No.31330029)

楚 冲，男，1988年生，医学博士，主治医师，E-mail：875003638@qq.com

△通讯作者，Corresponding author，E-mail：dongnianguo@hotmail.com

R541.13

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.06.023

(2017-01-12 收稿)