高原低氧环境下血小板变化的研究现状※

王卓亚综述,崔森审校

(青海省高原医学应用基础重点实验室;青海大学高原医学研究中心;青海大学附属医院)

我国生活在高原的人口约为6000～8000万[1],每年因各种原因进入高原的人数逐年增多,高原深静脉血栓和中风的发生率较平原明显为高[2-4],可能与低氧所致血液高凝状态有关。血小板作为血栓形成过程中的重要有形成分,其在高原低氧环境下的数目和功能均发生了一定的变化：多数研究显示短期高原低氧会导致血小板数量升高,长期下降更为常见[5-7];而血小板的活化水平均以升高为主,也有观点认为低氧可以降低血小板的活化水平。本文就高原低氧环境下血小板变化的研究现状综述如下。

1 低氧对血小板生成的影响

血小板生成和破坏之间的失衡是血小板减少或增多的一个重要原因。在成人中,血小板生成包括两步,一是造血干细胞(hematopoietic stem cells,HSCs)分化为成熟巨核细胞(megakaryocytes,MKs)的过程,二是MKs释放血小板的过程,即血小板生成。在这两个过程中影响任意一个因素都可能使血小板的生成受到影响。

1.1 低氧对HSCs的影响

在成人骨髓中,因HSCs具有分化多向性和自我更新能力而得以维持,MKs从HSCs所在的骨髓窦迁移到血窦,最终产生血小板并释放入血,而骨髓窦和血窦内环境失调,可能会破坏血细胞的产生和维持。研究显示骨髓窦在低氧微环境下有利于HSCs保持静息状态[8,9],而其增殖和分化是在相对高氧浓度的血窦中进行的[10,11]。因此骨髓内的氧浓度从低于1%到6%的变化,能够满足HSCs的自我更新和向各系增殖、分化过程中对氧浓度的不同要求[12]。高原低氧环境可能有益于HSCs保持静止状态。一项针对15名健康志愿者的研究显示,海拔的升高可以使机体进入应激状态[13],而应激会导致HSCs从静止状态进入增殖状态[14,15],导致静息状态下的HSCs减少[16],从而影响其向MKs分化的能力。

1.2 低氧对MKs分化和成熟的影响

MKs由 HSCs和髓系祖细胞(commonmyeloid progenitor,CMP)、巨核系-红系祖细胞(megakaryocyte-erythroid progenitor,MEP)、巨核系祖细胞(megakaryocyte progenitor,MKP)及巨核细胞爆式形成单位(megakaryocyte burst formationunit,BFUMK)、巨核细胞集落形成单位(megakaryocyte colony forming unit,CFU-MK)逐步分化而来。这些巨核系细胞最终失去其增殖能力,并进入有丝分裂循环,变为成熟的多倍体MKs,体积也增大数倍,成熟的MKs的DNA含量可达128 N,平均含量为16N。在上述过程中MKs产生了大量的利于血小板生成的蛋白质,并扩展形成碎片即血小板。

骨髓作为血液细胞发育、成熟的重要场所,其内氧浓度的变化对MKs的分化、成熟产生了一定的影响作用。Spencer等[17]使用双光子磷光寿命显微镜(two-photon phosphorescence lifetime microscopy)技术测出骨髓当中的氧含量最高的地方位于骨髓中的血窦,氧分压接近32 mmHg,最低的地方位于骨髓窦周围深部,氧分压低于9.9 mmHg。 HSCs从所处的氧含量最低的骨髓窦逐步靠近氧含量最高的血窦,并在这个过程中分化为成熟的MKs,继而将前体血小板伸进血窦,释放入血,上述过程提示氧浓度越高,越利于MKs的成熟和血小板的释放。体外实验显示,MKs在20%氧气浓度下,会有更多多倍体的MKs产生,用血小板生成素(thrombopoietin,TPO)诱导的MKs体积会更大,更有利于产板,但是在5%的氧气浓度下更有利于CFU-MK数量的生成[18]。说明骨髓中低氧环境有利于MKP数目的维持,富氧环境有利于MKs的成熟和血小板的产生。

在临床工作中发现高原性红细胞增多症患者血小板较高原健康人群数目为少。有学者认为低氧条件下增加了由低氧诱导因子介导的红细胞生成素(erythropoietin,EPO)的转录[19],而红系和巨核系细胞均由MEP分化而来[20],EPO增多,可能导致由MEP分化的红系增多,相应巨核系分化减少,这可能也是高原慢性缺氧血小板减少的一个原因。然而也有一些研究显示,EPO既可以作用于MEP,也可以作用于MKP,它可以促进体外MKs的生成,并在IL-6的协同下促进前体血小板的形成[21]。

1.3 低氧对MKs产板的影响

一项关于低氧条件下MKs产板的研究发现,急性低氧增加了较幼稚血小板的生成,而慢性低氧增加了成熟血小板的生成[22]。近期研究表明,应激状态下交感神经兴奋会释放肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺等神经递质,并通过这些神经递质使MKs向骨髓血窦内皮细胞迁移,并通过骨髓-血窦内皮黏附分子黏附于内皮细胞,促进前体血小板形成,最终加速血小板的产生和释放,升高循环中的血小板水平[23,24]。急进高原时,机体急性缺氧导致的应激反应可能促进了血小板的产生和释放。

Nishimura等[25]用双光子成像系统直接观察到小鼠体内的单个血小板,他们发现由于血小板数量减少或炎症引起的IL-1α水平升高可以导致MKs破裂,在这个过程中会释放大量的血小板。关于血小板生成是否与caspase激活有关,或血小板生成是否由 MKs凋亡介导,仍存在争议[26],Nishimura等[27]发现IL-1α/IL-Ⅱ型受体信号途径可以导致caspase激活,而这个过程可以降低膜的稳定性,并最终导致膜破裂。体外实验表明骨髓来源的单个核细胞(bonemarrow-derivedmononuclear cells,MNCs)在低氧环境下培养24小时后其表达IL-1α的水平明显上升[28]。推测急性缺氧下IL-1α的水平的升高可能促进了MKs的凋亡,导致MKs破裂释放大量血小板,致急进高原者血小板短暂上升。

虽然骨髓被认为是血小板生成的主要部位,现在多项研究发现肺部对血小板的产生也有一定的贡献。Lefrancais等[29]发现,大量的MKs从骨髓间隙迁移至肺,并动态地释放血小板,肺内产生的血小板约占血小板总产量的50%(每小时1000万个血小板)。此外,他们还发现造血祖细胞存在于肺血管外空间,在血小板减少和骨髓中相对缺乏干细胞的情况下,这些祖细胞可以移出肺,重新填充骨髓,使血小板升至正常水平,并有助于多种造血谱系的分化,这些结果确定肺是终末血小板产生的主要部位和具有相当大造血潜能的器官[29]。有研究发现,肺动脉高压患者中84%的人合并血小板减少[30],慢性高原低氧会引起肺小动脉痉挛,长时间会导致肺动脉高压,引起肺微血管功能和结构改变,而正常的肺微循环是成熟MKs向血管迁移、前体血小板形成及血小板释放的基础[31],推测高原低氧原因引起的肺动脉高压可能也是血小板减少的原因之一。

2 低氧对血小板功能的影响

一项来自印度的研究[32]显示,来自海拔3 000米以上地区的人群中风发病率为13.7/1000,远高于更广泛人群的中风发病率(1.05/1000),特别是几乎所有这些事件都发生在45岁以下缺乏其他心血管危险因素的患者。血小板的功能与血栓的形成密切相关,长期低氧条件下的血小板活化水平升高[7],对诱导剂二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)和胶原-肾上腺素的反应性增强[33],血小板合成纤溶酶原激活物抑制物1型(plasminogen activator inhibitortype,PAI-1)增多,同时血小板微泡释放增多,这些都促进了血栓形成[4]。急性低氧下的血小板的蛋白质组学研究显示,与活化相关的细胞内钙离子水平以及由小亚基钙蛋白酶1(calpainsmall subunit1,CAPNS1)调节的钙蛋白酶活性明显升高,这在血小板高反应性和血栓形成中起主要作用[34]。人从平原进入高原两个月后,对血小板的转录组学和蛋白组学结果分析显示血小板膜糖蛋白GPIV、GPVI和 GPIX、整合素 αIIbβ3的亚基、P-选择素和血小板活化因子4表达均显著升高,提示低氧条件下血小板活化水平升高。GPIV、GPVI和GPIX与胶原的相互作用促进血小板与血管内皮的黏附,并诱导信号级联反应致血小板活化使血栓形成。整合素αIIbβ3介导静息状态的血小板活化,并触发外界信号传导,导致血小板扩散、黏附、分泌颗粒和促进凝块退缩[7]。通过上述研究我们认为高原低氧环境引起了血小板活化,并进一步促进了血栓的形成。

血管性血友病因子(von willebrand factor,vWF)是一种重要的血浆成分,在循环中以多聚体形式存在,一方面可以与血小板膜GPⅠb-Ⅸ复合物及内皮下胶原结合,介导血小板在血管损伤部位的黏附;另一方面也能结合GPⅡb-Ⅲa,参与血小板的聚集过程,vWF多聚体分子量越大,这种黏附作用越强。vWF的多聚体化受基质金属蛋白酶13(matrix metalloproteinase,ADAMTS-13)的调节,它可以通过裂解vWF因子单体中的肽键抑制vWF形成多聚体。旦增诺扬等[35]的研究显示,在高原低氧状态下健康人群血浆ADAMTS13水平明显下降。在慢性高原低氧时根据转录组学研究发现vWF基因表达增多,同时血小板α颗粒分泌增多[7],高原低氧可能通过降低ADAMTS-13活性及提高血浆vWF水平升高促进血小板的黏附和聚集。

与此同时,有研究认为急性缺氧可降低血小板活化水平。例如,在体外暴露于1%～8%O2的人血小板中,整合素αIIbβ3的活化水平下降,由凝集素引起的血小板聚集减少[36]。暴露于海拔3 883米(6天内),人血浆凝血因子Ⅷ介导的凝血酶生成增加,但血小板聚集和整合素αIIbβ3的激活数量减少[37]。因此,对于低压缺氧是否触发血小板高反应性仍有相当大的不确定性。

3 低氧对血小板破坏的影响

目前没有相关文献直接证明低氧可以导致血小板破坏增多,从而引起血小板减少。相关研究显示,血小板凋亡水平决定了其寿命,血小板中促存活蛋白Bcl-xl降低,或促凋亡蛋白Bak升高都会明显缩短血小板寿命,用BH3的类似物ABT-737可致体内血小板数目明显减少[38,39]。低压低氧可以导致血小板凝血酶的生成增多[37],用凝血酶激活血小板后会导致血小板活化和凋亡水平升高,凋亡和活化这两个过程都会导致磷脂酰丝氨酸(phosphatidyl serine,PS)外翻和促凝活性增高[40]。PS外翻是体内凋亡细胞告诉单核巨噬细胞的一个“吃我”信号[41],在血小板的凋亡和活化过程中,PS外翻都是最后一个事件,并最终引起单核巨噬细胞细胞识别并进行吞噬,致循环中的血小板数目减少[42]。根据上述研究我们推测,在高原低氧环境下可能由于血小板的活化水平升高进而导致血小板减少,这一推测还需进一步的实验证明。

4 总结与展望

综上所述,机体急性暴露于高原低氧环境发生的应激反应引起了HSCs向MKs的分化增多,同时促进了MKs的凋亡,释放了大量的血小板,因此导致了血小板功能的短暂增强。结合低氧下血小板功能增强,我们认为这可能是急进高原患者发生血栓的一个重要原因。对于慢性高原低氧它可以抑制HSCs向MKs的分化,减少成熟MKs的数目,无论在骨髓还是肺,低氧均抑制了血小板的产生,这可能是慢性高原低氧导致血小板减少的一个原因;同时活化的血小板由于PS外翻,易被巨噬细胞识别及吞噬,推断这是血小板减少的另一个原因。然而由HSCs分化至MKs和MKs产生血小板过程中的影响因素繁多而复杂导致机制不明。在血小板减少的同时,血小板活化水平升高,其二者是否合力使血栓发生的几率升高,目前仍未确定,这将是未来的研究方向。相信随着高原血液医学的发展,高原低氧对血小板数目和功能的影响将得到进一步阐明。