Warburg效应与动脉型肺动脉高压的研究进展*

杨逸成， 肖志强， 陈罗雅凯， 刘旭玲， 赵 卫， 何小艳

（1中国医学科学院北京协和医学院阜外医院肺血管病中心，北京100037；2郑州大学医学院临床医学系，河南郑州450001；南方医科大学 3第一临床医学院，4公共卫生学院，广东广州510515）

肺动脉高压（pulmonary hypertension）是一种进展性疾病，病理生理学机制复杂多样［1］，其血管特征在于内皮功能障碍、内膜增生、原位血栓形成、炎性细胞浸润以及广泛肺血管重塑［2-5］。有氧糖酵解又称Warburg 效应，是导致动脉型肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）发生发展的重要机制之一［6-8］。目前研究指出肺动脉内皮细胞（pulmonary ar⁃tery endothelial cell，PAEC）、肺动脉平滑肌细胞（pul⁃monary artery smooth muscle cell，PASMC）、肺血管成纤维细胞及右心室心肌细胞等发生的Warburg 效应均在PAH 的发生发展中发挥重要的调控作用，但其相关分子机制并不完全一致。本文就几种细胞通过上调缺氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）、引起线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter，MCU）功能异常、高表达内皮素1（endothe⁃lin-1，ET-1）和改变糖代谢关键酶活性等，诱导War⁃burg效应的不同分子途径总结如下。

1 Warburg效应与PAH

Warburg效应是指细胞线粒体中有氧呼吸作用受到抑制，导致葡萄糖的有氧氧化向有氧糖酵解转变的过程［9-10］，该现象与线粒体感受氧的能力下降有关。在PAH 患者及PAH 动物模型中，PASMC、PAEC、成纤维细胞和右心室心肌细胞等均存在Warburg 效应［11-14］，从而导致细胞的过度增殖以及出现抗凋亡特性，促使肺内血管重塑，造成或者加重肺动脉高压。

1.1 PASMC 与Warburg 效 应 PASMC 的 代 谢 障 碍和过度增殖在PAH的形成过程中至关重要。在正常的PASMC 中，葡萄糖糖酵解形成丙酮酸，经过线粒体丙酮酸转运蛋白进入线粒体进行氧化磷酸化。然而，在PAH患者或动物模型中线粒体存在代谢障碍，其糖代谢向未偶联氧化磷酸化的糖酵解转变，导致PASMC的过度增殖。

1.1.1 HIF的上调 HIF-1是PASMC发生有氧糖酵解的主要调节者，它是由氧调节的α 亚基和组成性表达的β 亚基构成的异二聚体，在诱导PAH 的发生中发挥重要作用［15］。HIF-1α在有氧条件下会被脯氨酰羟化酶羟化以及VHL 蛋白泛素化而降解；在低氧条件下脯氨酰羟化酶受到抑制，HIF-1α 降解受阻从而与细胞核中的HIF-1β 结合成为HIF 异二聚体，再与缺氧反应元件相结合后上调丙酮酸脱氢酶激酶1/2（pyruvate dehydrogenase kinase-1/2，PDK-1/2），从而通过糖酵解途径产能［16-17］。然而即便在常氧状态下，DNA 甲基转移酶表达的上调导致启动子中的CpG 岛高度甲基化后能抑制超氧化物歧化酶2 的转录，造成过氧化氢的生成减少，营造出一种伪低氧环境，从而激活HIF和PDK［18］，诱导Warburg效应。

血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）与PDGF 受体的相互作用是上调HIF-1α 的另一分子机制，其通过磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素哺乳动物靶标信号转导通路（PI3K/AKT/mTOR）增加HIF-1α 的表达［19］。PI3K 激活后将磷脂酰肌醇4，5-二磷酸磷酸化为磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸，进而与AKT 结合，此外PI3K 还通过激活mTOR 进一步磷酸化AKT，磷酸化后的AKT 通过上调HIF-1α 后促进有氧糖酵解的发生［19］。PDGF、PI3K 及mTOR 抑制剂的使用可降低HIF-1α 的水平，从而抑制PASMC 的代谢转变和过度增殖。糖原合酶激酶3β 作为PI3K/AKT 通路的重要信号分子，抑制其表达也是下调HIF-1α的关键因素［20］。

HIF-1α 上调促进糖酵解，同时诱导线粒体片段化后破坏氧化磷酸化途径，共同导致PASMC 的过度增殖和抗凋亡特性。HIF 能够增加葡萄糖转运蛋白的表达促使葡萄糖向细胞内转运，但由于线粒体片段化和氧化磷酸化功能受损，胞内葡萄糖的增加实际上为糖酵解途径提供了更多的底物，使细胞糖酵解通量进一步增加［11］。己糖激酶（hexokinase，HK）作为糖酵解过程中的第一个限速酶，在HIF-1α 的调控下也参与了PASMC 的糖代谢转化过程。由于HK2 基因的近端启动子中存在HIF-1α 的结合位点，推测HIF 与该位点结合后通过上调HK2 的表达促进有氧糖酵解［21］，从而引起PASMC 的增殖。另一方面，由于线粒体功能障碍，过氧化氢产生减少，使细胞膜表面的氧敏感性电压门控钾离子通道的Kv1-5亚基受到抑制，从而造成细胞内钾离子与钙离子浓度上升，促进血管收缩、细胞增殖与抗凋亡［15］。

二氯乙酸盐（dichloroacetate，DCA）可以通过下调PDK-1 和HIF-1α，恢复丙酮酸脱氢酶的功能以及促使HK2失活来逆转Warburg效应，可能是治疗PAH的候选药物［22］。在小鼠PAH模型中使用DCA可改善疾病进展，并显著提高存活率［23］。此外DCA还可通过纠正PASMCs的线粒体功能改善心输出量，与法舒地尔合用后可表现出叠加效应［24］。但截止至目前，仍未有DCA治疗PAH患者的临床试验结果报道。

1.1.2 线粒体钙单向转运体功能异常 MCU 复合体是线粒体内膜中内向钙离子转运通道，可维持细胞质中低钙水平和线粒体内的高钙水平，其功能异常也将促使PASMC 发生Warburg 效应。MCU 作为MCU 复合体的重要亚基，缺乏后会引起复合体的功能障碍，造成线粒体内钙离子浓度降低从而导致钙离子浓度依赖的PDK 活性下降，氧化磷酸化途径受阻；另一方面MCU 复合物的功能障碍使细胞内钙离子水平升高，促进PASMC 的过度增殖。Hong等［25］观察到增加MCU 的表达后能抑制PAH 患者PASMC 的Warburg 效应，由于MCU 的表达可以受到上游的mi⁃croRNA（miRNA-25 和miRNA-138）的 直 接 调 节，miRNA-25 和miRNA-138 有望成为治疗PAH 的重要靶点。

1.2 PAEC 与Warburg 效应 在PAH 患者和动物模型中，PAEC 也存在Warburg 效应。一些学者认为，PAEC 中的Warburg现象出现的机制与PASMC 相同，都是由HIF-1α 激活所介导［18］。然而，也有学者认为PAH患者肺组织中ET-1的高表达除了具有收缩肺血管的作用外，还能促进PAEC发生糖代谢转变。研究指出ET-1能促进蛋白激酶Cδ与内皮型一氧化氮合成酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）结合，然后使eNOS 在T495 处发生磷酸化后导致线粒体中一氧化氮诱导的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）增加。ROS 的积累可以再激活HIF，同时抑制HIF 的泛素化降解，促使了PAEC发生向糖酵解方向的代谢转变［26］。此外，CD137信号也是调控有氧糖酵解途径从而促进小鼠PAEC的增殖的重要机制［27］。

6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2，6-biphosphatase 3，PFKFB3）作为糖酵解中关键的调节酶可以显著增加细胞糖酵解水平，其水平的上调引起PAEC的代谢转变。在PAH 大鼠的PAEC 中观察到PFKFB3 在mRNA 和蛋白表达水平以及蛋白活性水平都较正常PAEC 明显上调，其可能通过上调HIF 以及促进PAEC 释放生长因子和炎性细胞因子等途径引起Warburg 效应［28］，而PFKFB3 抑制剂的使用可以剂量依赖性地降低糖酵解通量，缓解PAH的进展，该抑制剂的安全性和可靠性仍需要深入研究予以明确［29］。

聚嘧啶束结合蛋白1（polypyrimidine-tractbinding protein 1，PTBP1）作为一种RNA结合蛋白，是丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）的主要调节剂之一，通过催化磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）脱磷酸生成丙酮酸而在糖酵解中发挥重要作用。在癌细胞中，PTBP1 调控基因表达来促进PKM1向PKM2 的表达转换，导致有氧糖酵解增加，促进细胞增殖［30］。研究表明miRNA124 调控的PTBP1 的上调［31］也通过类似的分子机制诱导PAEC产生Warburg效应和过度增殖，上调miRNA124或者抑制PTBP1均可使内皮细胞糖代谢恢复正常，并且纠正内皮细胞过度增殖表型，有希望成为PAH治疗的新靶点［31］。

1.3 成纤维细胞与Warburg 效应 与PASMC 和PAEC相同，肺组织中的成纤维细胞也可以通过HIF-1α 途 径 和miR-124-PTBP1-PKM1/2 途 径 诱 导War⁃burg效应。Zhang等［32］通过对比正常人和PAH患者、PAH 动物模型的成纤维细胞后揭示PAH 中成纤维细胞PKM2/PKM1比值升高，且通过miRNA-124过表达或PTBP1基因敲除后可使该比值正常化并逆转糖酵解的表型，减少糖酵解中间产物和乳酸的产生，从而避免细胞过度增殖。此外使用Tepp-46 和紫草素对PKM2 活性的药理调控或组蛋白去乙酰化酶抑制剂也可产生类似效果。

1.4 右心室心肌细胞与Warburg效应 正常成人中右心室心肌细胞主要利用葡萄糖和脂肪酸的有氧氧化作为能量来源维持细胞连续收缩所需的能量供应，在PAH 患者中，右心室心肌细胞出现Warburg 效应的分子机制仍尚未明确，其可能通过激活FOXO1，c-Myc 和HIF-1α 等转录因子后上调包括PDK 在内的糖酵解基因的表达，促使线粒体从有氧氧化磷酸化转变为有氧糖酵解［11，18］，从而降低右心室心肌收缩功能。心肌细胞中Warburg 效应造成的右心室功能障碍被认为是引起PAH 患者死亡的原因之一，通过使用PDK抑制剂降低有氧糖酵解水平有助于改善右心室功能，其在改善PAH 患者预后的优势仍需要进一步的研究探讨［33］。

2 结语

肺动脉高压是一种进展性疾病，患者预后较差。内皮素受体拮抗剂、5-型磷酸二酯酶抑制剂、前列环素类似物等经典靶向药物的出现在一定程度上改善患者症状，但其预后仍不容乐观。目前临床上面临靶向药物种类不多、药物副作用明显和药物价格昂贵等现状，需要依赖于对肺动脉高压机制的深入研究以探索新药物解决此困境。近些年肺动脉高压是一种代谢性疾病得到了专家学者的认可，Warburg效应诱导肺动脉高压发生的机制也得到广泛探讨。肺动脉平滑肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和右心室心肌细胞可以通过调控HIF-1水平、MCU功能和糖代谢关键酶的活性等途径发生Warburg效应。如何有效逆转细胞的Warburg效应，以恢复正常的糖代谢和抑制细胞的过度增殖是今后PAH靶向药物的研发方向之一，以期新的靶向药物能为改善PAH患者的预后提供帮助。