先天性心脏病与高原地区低氧环境相关性的研究进展

王 旭, 卢晓峰, 张朋宾, 李勇男, 高秉仁

(兰州大学第二医院 心脏外科, 甘肃 兰州, 730030)

先天性心脏病(简称“先心病”)指胎儿心脏或大血管的结构或功能存在异常，是最常见的出生缺陷类型，也是婴儿死亡的主要非感染性原因。高原地区有其特有的环境特点，低压低氧、强辐射、寒冷、干燥等因素均可引起机体一系列的病理生理变化，其中低氧对机体的影响最大。全世界有超过1.4亿人生活在海拔2 500 m以上的地方[1]。研究[2-3]证实高海拔与先心病密切相关，随着海拔的升高，先心病的发病率显著增高，因此探讨高原低压低氧环境下先心病的发病机制尤为重要。本文对高原低氧与先天性心脏病关系的研究进展进行综述。

1 高原低氧影响先心病的发病率

高原地区先心病发病率远高于平原地区。研究[4]发现，居住在高海拔地区的12～18个月龄婴儿的先心病发病率比平原地区高约10倍。CHUN H等[5]调查了中国西藏自治区那曲市的84 302名儿童，发现当地先心病的患病率较平原地区显著增高。MA L G等[6]报道了中国青海省玉树藏族自治州和河南蒙古族自治县先心病的患病率均较平原地区明显增高。中国云南省先心病儿童的调查结果[4]显示，云南省先心病患病率高于中国其他地区，高海拔地区先心病的患病率更高。李东韬等[7]对中国西藏自治区不同海拔地区儿童先心病患病率的横断面研究结果显示，随着海拔的升高，先心病的患病率从每1 000例中4.37例升高至每1 000例中13.35例。哥伦比亚11个省数据库的横断面研究[8]发现，高海拔地区先心病发病率较平原地区显著增高。厄瓜多尔研究人员[2]分析了18年的数据发现，海拔2 500～2 750 m的新生儿先心病患病率约为每万例活产儿中有71例；海拔2 750～3 000 m的新生儿先心病患病率为每万例活产儿中有72～89例；海拔3 000～3 264 m的新生儿先心病患病率为每万例活产儿中有超过89例。上述研究证实，高海拔与先心病密切相关，高海拔能显著影响先心病的患病率。

海平面高度的大气压为760 mmHg(101.0 kPa), 氧分压为160 mmHg(21.3 kPa)。青藏高原平均海拔4 000 m, 大气压约475 mmHg(63.0 kPa), 氧分压约100 mmHg(13.3 kPa), 氧气利用率仅为海平面的60%左右。与成人动脉血氧含量(约15 mL/dL)相比，胎儿动脉血氧分压(约12 mL/dL)相对较低。胎儿血红蛋白对氧的亲和力较成人更强。因此，由于相对较低的动脉氧分压和相对陡峭的氧合血红蛋白饱和度曲线，胎儿特别容易缺氧。高原低氧可能通过影响基因、信号通路、表观遗传机制、机体代谢等途径导致心脏发育异常。

2 高原低氧环境下基因突变

基因突变与先心病密切相关[9]。EPAS1基因负责编码EPAS1蛋白(HIF2α)。EPAS1在细胞增殖分化、胚胎发育和诱导癌变中具有重要的作用。此外, EPAS1在心脏发育中也发挥重要的作用。研究[10]表明，高海拔低氧所致EPAS1的突变可能是先心病的潜在病因。CITED2基因在胚胎心血管的形成和发育中起着关键作用。LIU S M等[11]研究发现，缺氧诱导下CITED2基因的突变可能与中国西部高原先心病相关。研究[12]发现gdf1基因是TGF基因家族的成员，TGF基因控制胚胎发育和许多细胞增殖分化，并在心脏发育中发挥着重要作用，低氧可能导致gdf1突变，引发心脏发育缺陷。SIRT家族成员也在心脏发育中发挥重要作用。刘世明等[13]研究证实，在高原低氧下SIRT7的突变参与中国高原先心病的发生。上述研究提示，高原低氧可使基因突变而导致心脏发育异常。

3 高原低氧环境下信号通路异常

信号通路在调控细胞和器官增殖、分化过程中起着重要的作用，同时在调节心肌细胞分化、发育，心脏再生以及心血管系统修复等方面也具有关键作用[14]。Wnt信号通路在心脏发育和干细胞向心肌细胞分化中具有重要作用，在所有Wnt基因中，只有Wnt11在心前中胚层呈现时空调控表达，并且在心肌细胞增殖、分化中具有极其重要的作用。研究[15]发现，缺氧干扰Wnt11的表达，围产期缺氧可使Wnt11表达丧失，导致心脏畸形。

Notch信号通路在细胞发育、分化、增殖、凋亡等过程中也发挥着重要的作用，在心脏胚胎发育期中，Notch信号通路还参与心脏房室管、瓣膜、流出道及肌小梁的形成过程。Notch信号还与心肌再生修复密切相关。缺氧会破坏Notch信号通路[16], 引起一系列的心脏畸形表现。VHL-HIF信号通路控制胚胎心脏发育的开关，参与心室肌特化的过程。研究[17]发现VHL-HIF信号通路的异常可能与胚胎缺氧有关，低氧导致心脏在胚胎早期出现心脏收缩力受损，表现出心脏传导的离子通道异常，造成心脏发育不全。上述研究证实了低氧可影响信号通道的正常表达，干扰心脏正常发育，导致心脏畸形。

4 高原低氧环境下表观遗传异常

表观遗传对于生长发育和细胞分化是必不可缺的，在胎儿发育中起着至关重要的作用[18]。表观遗传修饰涉及相对稳定和可遗传的基因表达模式的改变，不涉及DNA序列的改变，主要由DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA介导。DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA与低氧关系密切[19-20]。

4.1 高原低氧与DNA甲基化

DNA甲基化在胚胎发育、细胞分化、基因组印记、染色体结构、蛋白质相互作用等方面发挥着重要的调控功能。DNA甲基化是在DNA甲基转移酶的作用下使1个甲基添加到胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤(CpG)二核苷酸中胞嘧啶的5位碳上，通过调节基因的表达来影响基因组活动。DNA甲基化调节着与心脏发育的重要基因[21]。研究[22]发现，缺氧会影响约50%CpG位点的甲基化。DNA甲基转移酶同样在心脏正常发育中发挥着重要的作用[23], 缺氧干扰此酶的表达[24]。研究[25-26]证实缺氧降低了发育中心脏的整体DNA甲基化水平，增高了先心病的发生风险。在发育的心脏中，缺氧会诱导糖皮质激素受体(GR)基因启动子的过度甲基化和GR的表观遗传抑制，GR对心脏和血管形成具有直接作用，并且在控制心血管系统发育、代谢等方面具有不可或缺的作用[27]。因此，低氧可通过干扰GR等甲基化过程影响心脏的发育而导致先心病。

4.2 高原低氧与组蛋白修饰

组蛋白修饰是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化及ADP核糖基化等修饰过程。组蛋白修饰在心脏发育分化中也具有举足轻重的作用[28]。组蛋白去甲基化受氧浓度调节，研究[29]表明低氧可显著影响组蛋白甲基化作用。Jarid2是去甲基化酶，低氧可阻碍Jarid2 的表达而导致心脏室间隔缺损[30]。去甲基化酶KDM3对早期心脏的发育具有关键作用[31], 而缺氧会影响KDM3的表达[32], 导致心脏发育异常。组蛋白乙酰化是另一个重要的组蛋白修饰，在心血管系统发育中起主要作用[33]。研究[34]证明低氧下组蛋白乙酰化表达受限，影响心血管系统正常分化发育，导致心脏畸形。组蛋白被组蛋白乙酰转移酶(HATS)乙酰化，HATS有不同的家族，可与其他蛋白形成多亚基复合物，其中已知的p300/CBP、PCAF、SRC在胚胎心脏发育中起着关键作用[35-36]。研究[37-38]发现，低氧环境下其表达受限，可能影响心脏发育，导致心脏畸形。

4.3 高原低氧与非编码RNA

非编码RNA(ncRNA)是指不翻译成蛋白质，但可以在转录水平及转录后水平对基因表达过程进行调控的RNA, 包括miRNA、长链非编码RNA(lncRNA)、tRNA、rRNA、PIWI相互作用 RNA(piRNA)、小干扰RNA(siRNA)等。通过调控某些关键基因的表达, ncRNA参与心脏胚胎干细胞分化调控、血管内皮细胞和心肌细胞发育等过程[39]。人类基因组中已经鉴定出1 000多种miRNA, 许多miRNA与缺氧密切相关，被称为“低氧miRNA”[40-41]，其中miRNA-210对调节发育中的心血管修复再生具有至关重要的作用，缺氧可对miRNA-210启动子进行强有力的干扰。低氧可通过阻碍miRNA-210的表达，影响心血管系统的正常发育，导致先心病[42]。lncRNA在胚胎发育期间参与了心血管发育[43]。研究[44]证明，缺氧抑制lncRNA正常表达，阻碍心血管发育导致心脏异常。上述研究揭示了缺氧影响表观遗传的正常表达，干扰心脏正常生长分化，导致先心病的发生。

5 高原低氧环境下基质金属蛋白酶异常

细胞外基质主要成分包括胶原蛋白、非胶原蛋白、蛋白聚糖、弹性蛋白与氨基聚糖。I型和III型胶原是心脏主要的间质胶原，分别占85%、11%。细胞外基质的主要功能是形成物理支架来支撑周围的细胞。此外，细胞外基质还参与细胞分化。细胞外基质的降解是通过基质金属蛋白酶(MMPs)的作用实现的。细胞外基质的生成与降解的平衡对心脏发育和功能维持至关重要[45], 平衡被破坏将导致心脏发育障碍[46]。低氧可显著改变心脏基质金属蛋白酶的活性, LINASK K K等[47]证明缺氧干扰MMPs可导致心脏管缺陷。缺氧时，胎鼠心脏基质金属蛋白酶-1明显降低，而基质金属蛋白酶-13和膜型基质金属蛋白酶-1则升高。缺氧通过影响胎豚鼠心脏基质金属蛋白酶-9[48]和羊胎心脏基质金属蛋白酶-2和膜型基质金属蛋白酶的表达[49], 抑制心脏正常分化发育。出生前缺氧[50]可抑制大鼠子代基质金属蛋白酶-2的活性，导致心脏功能异常。

通常情况下, Ⅰ型胶原韧性较大，而III型胶原弹性较大，心脏胶原含量随着胎儿向新生儿的转变而呈现出定量的表达[51]。心脏中胶原蛋白异常的表达不利于心脏重塑与心脏发育[52]。在豚鼠和绵羊的胎心中，妊娠期缺氧增加了胶原沉积[49], 可导致心脏发育异常。产前缺氧[50]增加了4月龄和7月龄胎鼠心脏的I型和III型胶原表达，导致一系列的心脏发育缺陷。上述研究证实了低氧可影响基质金属蛋白酶的活性，改变胶原蛋白含量并导致先心病的发生。

6 高原低氧环境下炎症因子改变

研究[53]表明，低氧刺激人胎盘绒毛外植体促炎症因子产生并抑制抗炎细胞因子的释放。高海拔地区的孕妇表现出更高的肿瘤坏死因子和白细胞介素-6(IL-6)水平[54]。研究[55-56]证实, IL-6及肿瘤坏死因子的升高与先心病关系密切，在先心病的发生和进展中起着重要作用。

7 展 望

综上所述，越来越多的证据支持高原低氧与先心病有着密切的关系。随着社会的快速发展及诊断技术的不断进步，高原低氧与先心病有关的致病因素会逐渐被发现，其发病机制也会被研究证实，如能采取有关的措施加以预防，对于世界高原人群优生优育、提高新生儿质量、减少家庭和社会负担具有重要的意义。