基于TGFβ1/BMP探讨血管平滑肌细胞增殖对肺动脉高压的影响

赵丹瑞 任周新 李建生

[摘要]肺动脉高压（PAH）是肺血管破坏性疾病，具有致命性且预后较差的特点，目前尚不能完全治愈。该疾病的主要致病因素是肺动脉血管平滑肌介质的增厚和平滑肌细胞进入血管内膜的侵入性增殖。这种异常增殖导致脉管肥大，肺血管阻力和肺动脉压持续升高。且TGFβ1/BMP信号通路是调节肺动脉高压的肺动脉血管重构的重要信号传导路径，通路中涉及的多个关键靶点成为药物研究、临床治疗或病理机制研究的常用靶点。因此，本文基于TGFβ1/BMP信号通路，从血管平滑肌细胞增殖调控的角度对PAH的病理生理的影响及机制作一综述。

[关键词]肺动脉高压；肺动脉平滑肌细胞；肺血管重构；TGFβ1/BMP信号通路

[中图分类号] R575.2 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2018）4（c）-0025-05

Effect of TGFβ1/BMP on pulmonary arterial hypertension induced by vascular smooth muscle cell proliferation

ZHAO Dan-rui1 REN Zhou-xin2▲ LI Jian-sheng2

1.School of Basic Medical Sciences，He′nan University of Traditional Chinese Medicine，He′nan Province，Zhengzhou 450046，China；2.Collaborative Innovation Center for Respiratory Disease Diagnosis and Treatment & Chinese Medicine Development of He′nan Province in He′nan University of Traditional Chinese Medicine，He′nan Province，Zhengzhou 450046，China

[Abstract]Pulmonary arterial hypertension （PAH） is a pulmonary vascular devastating disease.It has the characteristics of fatality and poor prognosis，and it is currently not completely curable.The main pathogenic factors of this disease are the thickening of the pulmonary vascular smooth muscle medium and the invasive proliferation of smooth muscle cells into the intima.This abnormal proliferation leads to vascular hypertrophy，pulmonary vascular resistance and pulmonary arterial pressure continue to rise.And TGFβ1/BMP signaling is an important signal transduction pathways regulating pulmonary arterial remodeling of pulmonary hypertension，which involved a number of key targets in drug research，clinical treatment and pathological mechanisms study.This review summarizes the effects of TGFβ1/BMP signaling pathway on PAH and its mechanism of the vascular smooth muscle cell proliferation.

[Key words]Pulmonary arterial hypertension；Pulmonary vascular smooth muscle cells；Pulmonary vascular remodeling；TGFβ1/BMP signaling

肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）是一种肺部综合性疾病的总称，其发病机制复杂、预后较差、致命性高，以肺血管阻力和肺动脉压持续性升高，伴随肺血管增厚甚至重构为主要特点，引起肺动脉阻塞，最终诱发心力衰竭而死亡[1]。PAH诊断标准被广泛定义为：以海平面静息状态为基准，右心导管测定肺平均动脉压（mean pulmonary artery pressure，mPAP）≥25 mmHg，肺毛细血管楔压（Pulmonary capillary wedge pressure，PCWP）≤15 mmHg，肺血管阻力（pulmonary vascular resistance，PVR）>3Wood单位[2]。虽然PAH的发病机制至今尚未完全阐明，但是近年研究证实，血管平滑肌细胞的异常增殖及转化生长因子β1（transforming growth factor β1，TGFβ1）/骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信号通路的调控作用是肺血管重塑过程中重要的生理病理机制，是肺动脉高压形成及发展中关键性致病因素，本文将以此为切入点进行综合阐述。

1肺动脉高压与肺血管重塑化

引发PAH共同的病理要素分别是肺血管收缩、原位血栓与肺血管壁重塑，其中管壁病理性增生肥厚致使血管重构引起肺动脉闭塞，是PAH发病的最重要病理標志[3]。一些学者认为，肺血管重构在PAH的病理生理过程中具有重要的作用[4]。PAH的血管重构相关病理特点集中表现在肺动脉管壁的增厚及管腔狭窄[5]。

肺血管壁重构主要包括：①非肌型微动脉远端肌化，即平滑肌细胞出现在微动脉中导致肺血管远端肌化。②肌型动脉肌化，即内皮受损引起平滑肌细胞与成纤维细胞肥大增生。③严重PAH疾病的肺血管内膜与内弹性膜之间形成一层新内膜，该内膜分别由肌纤维母细胞、细胞外间质组成，其来源尚未查明，大致有两种途径，第一种由内皮细胞转化而来，第二种由平滑肌细胞或外层成纤维细胞迁移而来。④丛状动脉样变[6]。

肺动脉平滑肌细胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）增殖是导致肺高压（pulmonary hypertension，PH）血管重构最主要的病理因素。PASMC通过迁移、增殖导致肺动脉、微动脉血管肌化，PASMC增殖促进细胞外基质的合成，进而导致血管重构改变[7]。

2肺血管平滑肌细胞增殖与肺血管重构

血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VS MC）属于多功能性间叶细胞，正常情况下呈低增殖、低迁移、低蛋白分泌型，在血管重塑时去分化为高增殖、高迁移以及高蛋白分泌型未分化细胞[8]。

一般成人的血管壁VSMC呈分化程度相对较高的收缩型，形状大体呈纺锤条带状，在其胞质内可见到丰富的肌纤维、致密体以及致密斑，细胞外基质（ECM）含量少、粗面内质网和高尔基体等细胞器占用细胞质基质的体积相对较少，主要作用表现在特异性蛋白如收缩与骨架蛋白共同收缩维持血管张力和稳定血管结构[9]。合成型VSMC在分化程度低和未分化的情况下，胞质内肌纤维极少，有大量粗面内质网、核糖体以及高尔基体等具有强大合成和分泌功能的细胞器，呈纤维母细胞形态。VSMC的表型转化是肺血管再狭窄形成过程中的重要环节[10]。在肺动脉高压的发生、发展过程中，合成型的VSMC大量增殖并移行至肺动脉血管内膜，同时在血管中膜异常大量增殖，成为肺动脉高压的发病基础之一[11]。

PASMC在肺血管重構过程中具有核心作用，它不仅是肺血管再狭窄的效应细胞，同时也是引起血管重塑化的细胞基础[12]。

PASMC增生扩展到非肌化的中动脉及小动脉引起小血管肌化反应[13]，研究如何抑制平滑肌的收缩反应已经成为学者们普遍重视的问题。收缩表型的平滑肌细胞内充满肌纤维，在慢性肺动脉高压发生发展过程中，收缩表型逐渐转变为分泌表型，分泌功能增强，胞内肌纤维减少，弹性蛋白与胶原蛋白分泌增多，血管管壁阻力加大。慢性肺动脉高压的另一个重要病理特征就是平滑肌细胞的表型转换引起胶原蛋白的分泌增多。早期实验已证明，抑制胶原蛋白生成的药物可降低慢性肺动脉压升高的程度[14]。

3 TGFβ1/BMP信号通路

随着细胞内信号转导分子蛋白Smads的发现，认识到TGFβ超家族多个成员的信号转导系统能广泛影响细胞增殖，调控细胞的生长与分化。其中TGFβ和BMP是该家族中最主要的两个成员[15]。

3.1肺动脉高压中TGFβ1的表达异常增加

TGF家族成员包括TGFβ（1～5），在调节细胞的生长、增殖、分化、迁移和凋亡方面广泛发挥作用[16]。虽然TGFβ细胞因子在正常的组织损伤后诱导重要的修复过程，但是异常表达的TGFβ1促使血管平滑肌细胞异常增殖最终导致血管重塑化、纤维化，这也是肺动脉高压发生发展的重要机制之一。临床研究发现[17]，PAH患者血浆中的TGFβ1表达量高于正常组，肺动脉高压患者mPAP增高与TGFβ1的血浆浓度水平成正向相关性，提示肺组织TGFβ1的表达量可能与肺血管重构及管壁阻力增大密切相关[18]。体外大鼠实验证实，使用IN-1233抑制TGFβ1表达，能够有效阻止肺动脉平滑肌细胞的迁移作用，表明TGFβ1信号通路诱导平滑肌细胞迁移，从而参与了PAH的发展进程[19]。

3.2 TGFβ1介导多条信号通路，促进肺动脉平滑肌细胞的增殖、增加细胞外基质的沉积

肺动脉肌化反应是肺动脉高压的特征性病理现象，通过平滑肌细胞的迁移增殖与细胞外基质过度沉积促使肺动脉血管壁增厚[20]。肺动脉平滑肌细胞的异常增殖是通过TGFβ1诱导p38/MAPK信号通路提高α-平滑肌肌动蛋白（a-smooth muscle actin，α-SMA）表达量的正向促进途径实现的，同时TGFβ1能够调控PI3K/Akt信号通路，刺激B淋巴细胞瘤-2（B cell lymphoma-2，Bcl-2）的表达，反向抑制VSMC的损伤凋亡[21]，提高Smads蛋白不仅可以直接将TGFβ及BMPs胞外信号由细胞膜传递入细胞核[22]，而且作为TGFβ超家族细胞内重要的信号转导和调节分子，可以充当BMPs和TGFβ两通路之间串话的媒介[23]。血管平滑肌细胞表型状态与TGF/SMADS表达联系密切。TGFβ/SMADS根据血管平滑肌细胞的不同表型状态，选择不同种类的信号传递分子调控细胞的增殖，进而在诱导细胞由合成表型逆转为分化表型中发挥重要的调控作用[24]。

血管中基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）与组织金属蛋白酶抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）的动态平衡保持细胞外基质结构的稳定，研究证实TGFβ1诱导p38/MAPK信号通路增加MMP-9的表达量能够促使细胞外基质的过度沉积[25]，而细胞外基质蛋白的降解可通过激活TGFβ1促进平滑肌细胞中TIMP-1的表达来实现[26]。TGFβ1作为最重要的细胞外基质调节因子，通过作用于COL1A2基因的近端启动因子而上调Ⅰ型胶原的表达，从而促进损伤血管的重塑过程[27]。细胞外基质在介导细胞信号通路、细胞间的相互联系及维持细胞与血管的完整性方面发挥重要作用[28]。细胞外基质中胶原蛋白的异常增多引起结构蛋白（包括弹性蛋白和纤维连接蛋白）相对减少，从而引起细胞外基质结构改变，导致肺血管的异常重塑化。

4骨形成蛋白BMP与PAH

BMP作为一种多功能的分泌型信号分子，是TGFβ超家族成员之一，其在自发性肺动脉高压的基因位点为2q31-32，同时也是是骨形态生成蛋白受体2（BMP-Ⅱ）的突变位置，多见于自发性肺动脉高压患者与散发性肺动脉高压患者[29]，BMP作为多作用蛋白，不仅能调节多种细胞的分泌、生长、分化及凋亡，而且在早期胚胎发育中以及成熟组织修护中发挥重要的媒介作用[30]。

BMPs通过结合细胞膜上的受体丝氨酸/苏氨酸激酶发挥作用[31]，持续活动的丝氨酸/苏氨酸复合物由骨形成蛋白受体-Ⅰ（bone morphogenetic protein receptor-Ⅰ，BMPR-Ⅰ）与骨形成蛋白受体-Ⅱ（bone morphogenetic protein receptor-Ⅱ，BMPR-Ⅱ）组成。丝氨酸/苏氨酸激酶作为TGF-β超家族Ⅰ型受体，其特异配体与BMPR-Ⅰ結合后，激活细胞内BMPR-Ⅰ[通常BMPR-IA（ALK-3）或BMPR-IB（ALK-6）]的甘氨酸-丝氨酸的密集域[32]，其中Smads蛋白是磷酸化的BMPR-Ⅰ胞质信号蛋白主司TGFβ超家族的信号转导。BMP配体通过结合Ⅰ型BMP受体和募集Ⅱ型BMP受体磷酸化受体调节型Smads-1，-5，-8，与普通介导型Smads-4形成异四聚体结合物后移位到细胞核[33]。活化Smad1/5/8蛋白与Smad4形成的共同体在细胞核中积累，直接和间接调节下游靶基因的转录[34]。

近年来研究证实，BMPR2基因突变是导致PAH发生的关键病理因素，发现于55%～70%的遗传性PAH和25%的特发性PAH患者[35]。BMPR2基因突变引起BMPR2受体表达下调，破坏BMP信号通路正常调控肺血管平滑肌细胞增殖、分化、迁移与凋亡活动。近年来研究发现，相当数量的遗传性PAH患者与一部分特发性PAH患者的肺动脉高压疾病的发生发展与其自身BMPR2的基因突变密切相关[36]。在系统性硬化病引起的PAH患者与低氧诱导和野百合碱注射诱导的肺动脉高压动物模型中均发现，BMPR2的蛋白表达水平明显降低。因此，BMP信号通路抑制被认为是引发肺动脉高压的重要形成机制。此外，溶酶体酶降解增多和蛋白泛素化水平的上调也能导致BMPR2表达下调[37-38]。BMP9具有恢复上调BMPR2蛋白水平表达的作用，可显著减缓与改善肺动脉高压疾病的进程[39]。

BMP信号通路下游效应蛋白Id（inhibitor of differentiation，Id）是一种具有茎-环-茎螺旋结构的转录因子，在PAH的发病进程中起关键作用，甚至引发炎症反应作为“第二重打击”（the second hit）触发PAH的发生发展。Id蛋白广泛存在于人体微观生命活动中，如调控胚胎组织发育、血管新生重构、细胞增殖分化、细胞周期变化等诸多方面，Id蛋白包括四种表达、功能各不相同的亚型（Id1～Id4）[40]，Id2参与免疫调节且与Id1、Id3的表达量都远高于Id4，Id1、Id3主要参与血管重塑与细胞增殖，先与基本转录因子（主要是E蛋白家族成员）形成二聚体，肺动脉平滑肌细胞中关键效应蛋白Id1与Id3阻断BMP通路下游基因转录过程[41]，发挥负性调控作用，Id蛋白的异常表达引起PASMC分化增殖和血管重塑化[42]。

综上所述，通过调节信号TGFβ1/BMP通路中关键蛋白的表达，改善这种失衡状态，抑制肺血管平滑肌细胞的增殖，阻碍肺血管重构的形成和发展。寻找能有效干预肺血管重构，特别是抑制肺动脉平滑肌细胞增殖的药物，是未来治疗肺动脉高压的一个方向。

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