高原肺动脉高压发病机制研究进展

谭秀娟 综述 何庆 审校

(西南交通大学附属成都市第三人民医院/西南交通大学医学院，四川 成都 610031)

目前，很多肺动脉高压的定义是指在静息状态下肺动脉平均压≥25 mm Hg(1 mm Hg=0.133 3 kPa)[1-3]。根据最新的肺动脉高压分类指南，高原肺动脉高压(high altitude pulmonary hypertension，HAPH)属于其第三类[2]。HAPH患者在行动时具有呼吸困难、头痛，并易感到疲劳等症状。随着病程的发展，会出现心脏代谢性失常，甚至危及生命[3]。HAPH是由于高原低氧(缺氧)环境下，代偿性地使肺换气增加、血管收缩引起的[4]，常见于高原习服不适应，或者不良适应而发生的一种高原疾病。其病理生理机制还不完全清楚。氧化应激[5-6]、内皮细胞功能紊乱、肺血管平滑肌细胞增殖、肺血管重构[7]、肺血管纤维化以及心脏早期适应性增厚[8]等是促进HAPH发展的主要病理生理变化。据统计大约有1.4亿人是永远生活在高海拔地区上的，海拔高度一般在2 500 m以上，这些长期居住在高原的人及其后代，其基因表型发生了适应性变化[9]，这些变化使得生存在高原环境中的人与健康平原居民相比，也具有相似的肺动脉血压、心率和血氧饱和度[10-11]，以适应极端环境而生存下来。现就近几年对高原性/低氧肺动脉高压发病机制方面的相关研究进行综述，了解这些机体生理病理变化将有助于阐明缺氧肺的病理生理机制。

1 氧化应激反应与HAPH

血管内皮细胞及平滑肌细胞的功能紊乱会影响血管平滑肌细胞收缩与舒张的调节。在高原低氧环境暴露下，机体产生氧化应激反应，其血氧饱和度降低，氧化损伤标志物蛋氨酸亚砜、堡白质羰基、蛋白质氧化产物、丙二醛含量增多，内源性抗氧化物超氧化物歧化酶、谷胱甘肽等含量减少[12]。线粒体是超氧化物产生的主要来源[13]，而产生的过氧化物会引起细胞内线粒体功能紊乱及损伤。氧化应激还可能是主要导致内皮损伤和血管壁重构的原因。氧化应激反应会损害其一些功能；它会破坏血管内稳态，增加细胞内Ca2+，破坏蛋白质、脂质和DNA。在低氧环境中，机体生成的超氧阴离子通过产生过氧亚硝酸盐(ONOO-)来减少NO介导的血管舒张。过氧亚硝酸盐是一种高度活性的氮物质，很容易透过生物膜来修饰含有血红素辅基的蛋白质。更重要的是过氧亚硝酸盐也会引起膜的脂质过氧化，导致体内8-异前列腺素F2α含量升高，影响细胞行为。在高原上，机体为了保证血液中的血氧饱和度，血液中的红细胞、血红蛋白表达含量会增多[14]。血红蛋白增加会导致肺血管氧化应激损伤、炎症及血管重构，而藏族男性血液中的血红蛋白含量较低，这也与他们的运动有关[15]。血红蛋白是NO的清除剂，降低NO的生物利用度，且能与超氧化物和过氧化氢反应产生多种活性氧形式损伤细胞。内皮细胞及平滑肌细胞易受到超氧化物的损伤，损伤后导致细胞调节紊乱，从而使平滑肌收缩引起血管收缩和血压升高。由此看来，减少机体内超氧化物质的产生可能会有效地降低高原反应的发生。

2 低氧肺血管收缩与HAPH

2.1 血管舒张调节

在血管舒张调节中，NO是重要的舒血管物质。曾有研究显示藏族人体内有比低海拔居民高出1倍的前臂血流量以及10倍多的NO浓度。这就表明其高原居民适应高原环境可能在于氧运输和舒张血管能力的提升。NO的合成也受不对称二甲基精氨酸(ADMA)的调节。L-精氨酸是NO合成的前提物质，ADMA与L-精氨酸竞争性结合一氧化氮合酶(eNOS)，使L-精氨酸不能转化为NO。二甲基精氨酸二甲基氨基水解酶(Dimethylarginine dime thylaminoh ydrolase,DDAH)是ADMA内源性的水解酶。低氧环境中，DDAH表达减少，不能将ADMA水解也会导致NO的合成减少。Mizuno等[16]发现高原适应的牦牛可通过ADMA-DDAH通路和增加eNOS酶表达增加NO的产生，而使其有较低的肺动脉血压。尽管低氧环境中eNOS酶表达增加，其辅助因子四氢生物蝶呤活性增强，但可能由于高原习服不适应者体内NO利用度低，长期的缺氧还是会造成肺动脉高压。内皮细胞产生的NO能使血管平滑肌细胞内环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)含量及活性增加，从而使血管舒张。在高原低氧环境中，由于机体内的自由基介导NO生物利用度降低，而不能使血管舒张。激活的cAMP、cGMP分别进一步活化蛋白激酶A(PKA)、蛋白激酶G(PKG)，活化后的PKA、PKG一方面可调节细胞增殖相关基因的表达，另一方面可调节血管舒张、糖原分解。PKG是依赖cGMP的蛋白激酶，其亮氨酸拉链(LZ)结构域是肌球蛋白轻链磷酸酶(MLCP)激活和磷酸化必须的结合位点。MLCP的激活可以使肌球蛋白轻链去磷酸化，从而使血管平滑肌松弛；但目前PKG在低氧诱导的肺动脉高压中，其作用机制仍不清楚。Ramchandran等[17]通过PKG-1α 的NH2-末端LZ相互作用结构域突变小鼠研究了其在低氧环境中有显著的右心室肥大；而通过抑制磷酸二酯酶-5，减少其对cGMP的降解，发现可明显减轻低氧诱导的野生型小鼠的心肺重构现象，而对突变小鼠无效。此说明了PKG-1α的NH2-末端LZ结构域是减少低氧诱导右心室肥大的关键结构。这也有可能是cGMP生成减少及活性降低后血管收缩增强的原因之一。因此NO是高原环境中机体调节血管舒张至关重要的一个分子，如何预防和治疗HAPH，提高或补充机体NO的含量可能是有效途径之一。

2.2 血管收缩调节

在血管收缩调节中，血清素(5-HT)、内皮素-1(ET-1)及血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)等是调节血管收缩的重要收缩剂。在高原环境中机体内的5-HT、ET-1及肾素-血管紧张素-醛固酮系统等水平会升高，造成低氧肺血管收缩，长期暴露在高原中就会导致HAPH。ET-1、5-HT均能引起细胞内内质网钙离子外流和蛋白激酶C(PKC)激活。钙离子外流能激活依赖钙/钙调蛋白调节的酶的活性，例如磷酸二酯酶等，激活的磷酸二酯酶水解cAMP、cGMP，使血管舒张降低，收缩增强。PKC的激活能使肌球蛋白轻链(MLC)磷酸化而增强血管收缩[18]。除了Ca2+依赖性MLC磷酸化之外，PKC是血管平滑肌功能的主要调节剂。PKC还磷酸化蛋白激酶C磷酸酶抑制蛋白17，导致抑制MLCP，增加MLC磷酸化和增强血管平滑肌收缩。PKC也可以启动一系列蛋白激酶，导致肌动蛋白结合蛋白calponin和caldesmon磷酸化，增加肌动蛋白-肌球蛋白相互作用和血管平滑肌收缩。低氧还能够引起血管紧张素转化酶表达增加，引起血管内AngⅡ的含量增加，从而使血管收缩[19]。不仅细胞内内质网钙泵受到刺激使Ca2+流入胞内，而且也可通过细胞膜上的跨膜通道控制钙的流入，使胞内Ca2+升高直接激活PKC，从而促进肺血管收缩。肺动脉内皮细胞主要是钙通道受体和阳离子门控通道所控制的钙流入，而平滑肌细胞也具有电压门控钙通道。Xia等[20]通过基因敲除瞬时受体阳离子通道蛋白TRPC1-/-和TRPC6-/-的小鼠研究发现，在慢性低氧环境中TRPC1-/-小鼠中血管紧张度明显小于TRPC6-/-和WT野生型小鼠。所以TRPC1在肺动脉高压的血管收缩及血压升高形成机制中有重要作用。因此，可推测机体血管收缩剂含量的增加和离子通道病变会导致缺氧肺的病理生理学发展。

3 慢性低氧肺血管壁增厚与HAPH

长期处于高原低氧环境中，会导致血管管壁增厚及右心室肥厚。会产生HAPH、高原肺水肿、高原脑水肿及右心衰竭等各种并发症并危及生命。缺氧诱导因子(HIF)是低氧细胞中主要的转录调节因子，其基因表达上调参与细胞能量代谢、细胞增殖和细胞外基质重组。很多动物模型及人类基因研究都表明HIF与高原/低氧诱导肺动脉高压有直接关系[21-22]。HIF信号通路可调节ET-1、促红细胞生成素、血管紧张素转化酶及各种生长因子，也能调控NO。HIF通过将细胞外的生长因子信号传递至细胞内，促进细胞增殖、分裂及迁移。HIF-1α在机体缺氧初期使丙酮酸脱氢酶-1表达增加[23]，增加细胞能量代谢，减少活性氧的聚集而损伤细胞，增强机体对低氧环境的适应；但长期在低氧环境中，HIF调节的各种生长因子使肺动脉管壁增厚，导致肺血管重构及严重的肺动脉高压。Cowburn等[24]的研究表明，在低氧环境下HIF-2α基因缺失相比HIF-1α基因缺失的小鼠，其肺动脉血管管壁增厚的程度低，但在HIF-2α基因缺失的小鼠中精氨酸酶表达减少。这也提示肺内皮HIF-2α是缺氧诱导的肺动脉高压的关键调节器。

在HIF调节的靶基因中有很多生长因子也参与HAPH的病理生理过程。例如胰岛素样生长因子(IGF)。IGF-1是血管平滑肌细胞的有效促分裂原，Yang等[25]在平滑肌IGF-1缺失的新生小鼠中研究发现其在11%氧含量环境中生存2周后，IGF-1的下游靶点AKT磷酸化水平较低，血管重构的特异性标志物α平滑肌肌动蛋白也较少，这表明IGF-1在低氧诱导的肺血管重构中有重要作用；但此实验只是研究新生小鼠肺发育阶段低氧诱导的肺动脉高压，并未在成年小鼠中体现，这也提示IGF-1可能在成年小鼠中也会参与低氧诱导的肺血管增厚的病理生理过程。大量的文献也证明转化生长因子-β、血管内皮细胞生长因子、血小板源性生长因子等在低氧诱导的肺动脉高压中表达也会增加，而导致肺血管重构。此外，有研究还发现在缺氧诱导的肺动脉平滑肌细胞中，Rho激酶的激活、Na+/H+交换及细胞内pH值的改变均会导致肺血管平滑肌细胞的增殖和迁移[26]。

4 总结

综上所述，高原/低氧诱导肺动脉高压的生理病理过程呈现出多方面的发展。高原低氧环境下机体NO等舒血管物质含量的减少，血管舒张能力减弱。而ET-1、5-HT及AngⅡ等缩血管物质的表达增加，这均会引起血管平滑肌收缩。慢性低氧环境中，HIF还通过调节各种生长因子，促进肺血管平滑肌细胞的增殖、迁移及细胞存活，最终导致血管增厚，形成HAPH；但目前，关于HAPH形成的机制还未完全阐明。因此，了解肺对低压缺氧的反应机制有希望阐明缺氧导致多种高原病产生及发展的复杂机制以及产生的后果。