Warburg效应在肺动脉高压中的研究进展

肺动脉高压(PAH)是肺小动脉病变导致的肺动脉压力和阻力异常增高，在血流动力学分类中属于毛细血管前性肺高血压[1]。研究发现，PAH患者存在代谢方式的改变，即在有氧条件下，糖酵解显著增强，而这种代谢方式在PAH的发生发展中起着重要作用[1-2]。有氧糖酵解，又称Warburg效应，是1956年Warburg在恶性肿瘤细胞中发现的，即在有氧条件下糖酵解途径明显增强，表现为葡萄糖摄取增加，乳酸产生增加[3]。本文拟对Warburg效应参与PAH发生发展过程的分子机制做简要阐述。

1 Warburg效应与PAH

细胞的能量主要来自葡萄糖的糖酵解和氧化磷酸化，葡萄糖通过糖酵解途径产生丙酮酸，有氧条件下，丙酮酸通过线粒体氧化磷酸化代谢生成水和二氧化碳[4-5]。缺氧条件下，丙酮酸通过乳酸脱氢酶(LDH)催化转化成乳酸，即糖酵解。乳酸通过细胞膜的单羧酸转运蛋白4分泌至细胞外，形成局部酸性微环境[6]。与葡萄糖氧化磷酸化途径相比，糖酵解产能效率低，且该途径产生的中间产物，如氨基酸、蛋白质、核酸为恶性肿瘤细胞的增殖提供了养分，乳酸造成的酸性微环境对恶性肿瘤细胞产生保护作用，从而促进恶性肿瘤细胞过度增殖、转移[3]。

与恶性肿瘤相似，PAH患者也存在代谢方式的改变及细胞增殖异常和功能障碍，而肺动脉血管平滑肌细胞(PASMC)异常增殖、肺动脉血管内皮细胞(PAEC)功能障碍是PAH发生发展的核心机制[2]。研究表明，Warburg效应参与PAH的发生与发展过程[7]，通过干预Warburg效应可改善PASMC增殖和PAEC功能障碍，抑制肺血管重构，改善肺循环阻力。因此，Warburg效应有望成为治疗PAH的新靶点[8-9]。

2 Warburg效应与PASMC异常增殖和凋亡抵抗

PAH患者常存在缺氧诱导因子-1(HIF-1)表达明显上调。HIF-1是一种由HIF-1α和HIF-1β构成的异二聚体转录因子，其中HIF-1α亚基在缺氧条件下被激活[10]。HIF-1α的表达增加会引起丙酮酸脱氢酶激酶1(PDK1)表达上调以及蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)表达下调[10-12]。丙酮酸脱氢酶(PDH)可催化丙酮酸转化为乙酰辅酶A，是氧化磷酸化的关键酶，PDK1可抑制PDH的活性。当PDK1表达上调时，PDH活性减低，丙酮酸不能转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环，导致氧化磷酸化途径受抑制，胞浆中堆积的丙酮酸在LDH的催化下转化为乳酸，导致有氧糖酵解途径即Warburg效应明显增强，从而促进PASMC增殖[13-14]。其机制为，当PDK1表达上调时，细胞氧化代谢率降低，活性氧生成减少，氧敏感型钾离子通道蛋白表达下调，特别是电压门控钾离子通道Kv1.5表达下调最为明显，导致外向钾离子电流下降，细胞膜去极化。这会使L型钙离子通道开放，胞浆中钙离子浓度上升，引起PASMC凋亡受抑和异常增殖，从而促进PAH的发生发展[15]。PTP是抗血小板衍生生长因子受体(PDGFR)的拮抗剂。PDGFR是一种跨膜糖蛋白，具有酪氨酸蛋白激酶活性，由α和β两种蛋白酪氨酸激酶亚基构成，通过与血小板衍生生长因子(PDGF)结合，启动PDGF/PDGFR信号通路，诱导细胞增殖。当PTP活性下降时，PDGFR的磷酸化水平提高，导致PASMC增殖[12]。

沉默信息调节因子(SIRT)蛋白家族是一类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶，其通过去乙酰化组蛋白和非组蛋白调节细胞的多种功能，如细胞增殖、代谢以及氧化应激等[16-17]。SIRT家族共有7个成员，包括SIRT1～SIRT7。研究表明，SIRT家族中SIRT3～SIRT5 定位于线粒体，其中SIRT3是线粒体中主要的去乙酰化酶[17]。SIRT3通过去乙酰化作用激活多种三羧酸循环关键酶和电子传递链复合物，在有氧条件下促进葡萄糖的氧化磷酸化。当SIRT3活性下降时，葡萄糖氧化磷酸化途径受到抑制[18-19]，葡萄糖代谢可能转向有氧糖酵解途径，即Warburg效应，从而导致PASMC增殖。此外，SIRT3是PASMC中代谢稳态的重要调节因子，SIRT3功能缺失可以抑制线粒体依赖性细胞凋亡，从而促进PAH的发生发展。

3 Warburg效应与PAEC功能障碍

微囊蛋白1属于窖蛋白家族，高表达于脂肪细胞、上皮细胞、成纤维细胞和肌细胞[20]，其可以通过与蛋白质的相互作用，抑制内皮细胞型一氧化氮合酶(eNOS)的激活。研究发现，PAH时内皮细胞中微囊蛋白1缺失，致使eNOS持续激活和细胞内的活性氧含量增加，线粒体功能紊乱，氧化磷酸化途径受抑制，糖代谢转向有氧糖酵解途径，即出现Warburg效应[21-23]，继而影响前列环素、一氧化氮、内皮素等的功能，促进PAH发生发展[20]。

骨成形蛋白Ⅱ型受体(BMPR2)基因的杂合突变存在于70%的家族性PAH中。研究发现，BMPR2表达下降可导致线粒体合成下降，三磷酸腺苷生成减少，线粒体脱氧核糖核酸受损[24]，进而导致PAEC功能障碍；同时，BMPR2突变可以使血清中异柠檬酸脱氢酶活性增加，该酶可以介导α-酮戊二酸转变为柠檬酸[25]。α-酮戊二酸水平减少以及柠檬酸水平增加均可引起HIF表达升高[26]，细胞代谢由氧化磷酸化转变为有氧糖酵解，继而出现PAEC功能障碍[27]。

4 通过抑制Warburg效应治疗PAH

如前所述，PDK1通过抑制PDH的磷酸化，阻止丙酮酸转化为乙酰辅酶A，从而抑制葡萄糖氧化磷酸化。二氯乙酸(DCA)是一种类似醋酸的物质，其通过抑制PDK促进葡萄糖在线粒体中的氧化磷酸化，从而发挥作用[28-29]。在不同PAH动物模型中均发现DCA可通过抑制Warburg效应逆转PAH[30-34]，其机制为促进钾离子通道开放，抑制细胞增殖，从而抑制肺血管重构、降低肺血管阻力。此外，DCA还可通过直接影响右心室心肌的能量代谢，改善心脏输出。研究表明，DCA可通过逆转右心室重构、恢复线粒体功能、减轻右心室心肌细胞肥大和调节线粒体依赖性凋亡，改善实验性右心功能衰竭[31]。因此，DCA有望应用于PAH的治疗。

除了DCA之外，还有一些药物可被用于抑制Warburg效应，如2-脱氧葡萄糖。它与葡萄糖结构相似，能够与葡萄糖竞争性结合己糖激酶，但结合产物不能被6磷酸葡萄糖异构酶进一步转化为6磷酸果糖而使得糖酵解停止。在正常细胞中，由于氧化磷酸化是细胞主要的能量来源，抑制部分糖酵解过程，不会对细胞产生严重影响[35]。噻唑烷二酮是治疗糖尿病的一种常用药物，近年来有研究表明，其也可以增强线粒体丙酮酸载体(MPC)的转录表达。MPC在丙酮酸进入线粒体氧化磷酸化过程中发挥重要作用，当其功能降低时，线粒体氧化磷酸化减少，代谢向Warburg效应方向转变[36]。

5 总结

综上所述，Warburg效应在PAH的发生发展中起着重要作用，其通过不同的信号通路参与PASMC异常增殖和凋亡抵抗，促进PAEC出现功能障碍，干预Warburg效应途径中的关键调节酶以及相关的信号转导通路可能成为PAH治疗的新方向。