阻塞性睡眠呼吸暂停合并肺动脉高压肺血管重塑的机制

李晓宁 魏丽 缪雅芳 王在岩 张泽明

上海健康医学院附属周浦医院呼吸科 201318

阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA)是一种多数由上呼吸道的解剖学狭窄导致的,在睡眠状态下反复出现呼吸暂停和/或低通气、睡眠中断,从而使机体发生一系列病理生理改变的临床综合征。OSA合并肺动脉高压(pulmonary hypertension,PAH)患者预后差[1]。OSA与PAH密切相关,OSA既可以是PAH的病因也可以是并发症,因此其发病机制复杂。研究证实,肺动脉重塑在OSA合并PAH的发生、发展过程中起着重要的作用[2-3]。本综述旨在对近年来肺动脉重塑在OSA合并PAH形成过程中主要机制的进展进行总结,为临床进一步研究提供参考。

目前,OSA形成PAH的发病机制在临床试验和动物实验研究涉及的方面比较多且机制复杂,本文主要将肺动脉重塑在OSA导致PAH发生、发展的机制进行综述。

1 细胞外基质(extracellular matrix,ECM)沉积在PAH发病机制中的作用

1.1 PAH与肺动脉ECM的重塑 PAH中的肺动脉ECM沉积,胶原蛋白的交联和弹性薄片的破裂导致肺动脉重塑,肺血管重塑的内膜、中层和外膜的所有肺动脉厚度增加以及毛细血管前小动脉的肌肉化,肺血管壁的3层都有ECM增加,导致血管纤维化[2],肺动脉变僵硬和顺应性降低,内皮和平滑肌增生性病变还会减少血管腔面积并增加肺血管的阻力。

正常人肺动脉的ECM由弹性蛋白、胶原蛋白、纤连蛋白、层黏连蛋白、蛋白聚糖和腱糖蛋白C组成。在PAH中ECM发生重塑,首先管内腔室中和血管周围胶原蛋白沉积和交联增加(将可溶性胶原蛋白转化为不溶性胶原蛋白),近端和远端的肺动脉中都发生胶原蛋白沉积增加,胶原蛋白的沉积在内膜发生最高,其次是中膜和外膜[4]。通过特定方式的基因表达分析已证实,PAH患者肺动脉内膜和中膜中编码fiilil115相关胶原COL14A1,形成网络的胶原COL4A5和内皮抑素产生胶原COL18A1的基因表达增加[4]。再有就是PAH动物实验模型和PAH患者的肺动脉病变增加了骨桥蛋白的表达和钙化[5]。

1.2 PAH中肺血管ECM重塑的机制 ECM的组成受蛋白水解酶[例如解整合素金属蛋白酶(Recmbinant A Disintegrin And Metalloproteinase,ADAM)、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)、赖氨酰氧化酶(LYSYL oxidase,LOX)和丝氨酸弹性蛋白酶]及其内源性抑制剂(MMP抑制剂)之间平衡的调节。PAH是蛋白水解酶及其内源性组织抑制剂的失衡导致胶原沉积,并在肺动脉的血管周腔室和血管内分解,一氧化氮和缺氧引起的PAH动物的肺动脉显示MMP、ADAM、丝氨酸弹性蛋白酶、LOX和金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)表达增加[6]。在PAH患者患病的肺动脉内膜和中层显示MMP、ADAM、弹性蛋白酶、LOX和TIMP的表达发生了改变[4,6],导致PAH肺动脉中蛋白水解酶分泌失衡的确切机制尚不清楚。已提出肺动脉内皮细胞结构和功能的改变是引发事件。动脉内血流量增加,切应力增大,动脉搏动和炎症引起肺动脉内皮细胞损伤,屏障功能丧失和通透性增加,这使一个或多个循环血清因子进入血管壁并刺激肺动脉平滑肌细胞分泌丝氨酸弹性蛋白酶[7]。在特发性PAH中平滑肌细胞丝氨酸弹性蛋白酶的表达增加支持这一假设[7]。丝氨酸弹性蛋白酶降解ECM并激活正常情况下以非活性形式存储在ECM中的生长因子,例如转化生长因子β(transforming growth factorβ,TGF-β)和成纤维细胞生长因子。这些生长因子通过刺激平滑肌细胞和成纤维细胞,导致弹性蛋白、胶原蛋白、肌腱蛋白和纤连蛋白的沉积增加。ECM的降解产物和生长因子也诱导MMP分泌增加。

另外一假说是炎症引发蛋白水解酶及其抑制剂的失衡,并引起肺血管ECM的重塑[8]。炎症导致活性氧增加平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞的MMP分泌并减少了TIMP的分泌[9]。同样,炎性细胞因子激活并募集巨噬细胞和中性粒细胞,它们分别分泌MMP和丝氨酸弹性蛋白酶。由增加的蛋白水解酶引起的胶原蛋白和弹性蛋白的分解产物是促炎性的,其进一步激活了炎症,导致正反馈回路。有研究表明炎症是PAH中肺血管重塑的重要驱动力,在PAH的人和动物模型中,肺动脉中炎性细胞在血管周围蓄积[10]。总体而言,这些数据表明炎症在启动肺血管ECM重塑和肺血管僵硬中起重要作用。骨桥蛋白是一种ECM蛋白,可能在PAH中的肺血管ECM重塑中发挥作用。Saker等[11]的研究表明,骨桥蛋白是肺动脉平滑肌增生的关键介质,在特发性PAH肺血管中增高。PAH中骨桥蛋白表达的增加可能是由搏动性血流触发的,因为间充质干细胞响应搏动性血流会增加骨桥蛋白的产生。此外,已证明MMP活性增强可裂解骨桥蛋白,从而在心肌梗死后左心室重塑中产生许多具有多种生物学活性的肽[12]。

1.3 ECM导致肺血管僵硬促进肺血管重塑 在PAH中,ECM重塑造成肺动脉硬度增加,通过机械转导等机制触发了远端肺动脉中内皮细胞和平滑肌的增殖,机械转导是细胞外机械信号改变细胞内信号转导的过程,已知对多种组织类型(包括血管系统)的细胞行为(形状、大小和分化状态)具有重要的调节作用。TGF-β超家族成员可能介导了一个这样的相关过程。因此,当从硬化基质中释放时,这些因子在通过基质牵引拉伸时会特别嵌入细胞整联蛋白和其他基质蛋白之间。在周围血管系统和心脏瓣膜组织中,来自硬化基质的力的传递可以通过成肌纤维细胞的成骨细胞分化促进增殖和钙化,尽管对肺血管中机械转导的了解还很少,但整联蛋白介导的信号转导在功能上将ECM蛋白与细胞内细胞骨架的改变联系起来起着重要作用[13]。在PAH中,整合素在肺血管中的直接表达也发生了改变,这与整合素在肺血管源性机械转导中的重要性相一致。

1.4 抑制ECM重塑可预防和逆转实验性PAH 在一些实验模型中,抑制胞外基质重塑可预防和逆转肺血管重塑和PAH。在动物实验中,与非转基因小鼠比较,暴露于缺氧条件下天然表达的丝氨酸弹性蛋白酶抑制剂转基因小鼠的丝氨酸弹性蛋白酶和MMP均无升高,肺动脉压力和肺血管重塑的升高也没有减弱[14]。相反,与野生型小鼠比较,单芥子碱处理后MMP-9过表达的转基因小鼠存在肺血管重塑过度和PAH[15]。在慢性低氧小鼠中,LOX的抑制作用减弱了胶原蛋白的沉积和交联,降低了肺小动脉的肌肉化和肺动脉压力[16]。在患有单芥子碱和慢性低氧引起的PAH的大鼠中,口服和静脉应用丝氨酸弹性蛋白酶抑制剂会降低弹性,降低非肌肉远端肺动脉的肌肉化,并降低肺动脉压力[17],在肺血管变化发生之前或之后抑制丝氨酸弹性蛋白酶时,同样观察到类似现象[17]。最后,在暴露于慢性低氧的大鼠中,脯氨酸类似物cis-4-hydroxy-L-脯氨酸(胶原蛋白合成的特异性抑制剂)可减少胶原蛋白和弹性蛋白的沉积以及肺动脉重塑[18]。这些实验数据表明因蛋白水解酶及其组织抑制剂之间的不平衡,ECM重塑在启动PAH中的肺血管重塑中起着关键作用。

2 microRNA(miRNA)在PAH肺血管重塑中的作用

2.1 miRNA的异常改变与PAH的发生 miRNA是微小的非编码RNA,miRNA主要通过与m RNA转录本的3'非翻译区结合以抑制翻译或降解mRNA,从而负调控基因的表达。在人类已有2 588个miRNA被发现,目前这些miRNA的作用尚不清楚[19]。但有研究证实,这些miRNA即使发生微小变化也会导致人体发生较大表型变化[20]。miRNA表达受损参与PAH中血管细胞重塑的过程,例如肺动脉内皮细胞(endothelial cell of pulmonary artery,PAEC)功能障碍、肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)增殖外膜成纤维细胞迁移;miRNA已在各种疾病导致的缺氧性PAH中起重要作用。在特发性肺间质纤维化患者中miRNA-2、miRNA-125b、miRNA-154和miRNA-155被上调,而miRNA-29和miRNA-17被下调[21]。与健康个体相比,COPD患者血清中某些miRNA被下调(miRNA-28-3p、miRNA-20、miRNA-100和miRNA-34c-5p),而miRNA-7被上调[22]。miRNA水平的这些变化与这些疾病的PAH密切相关。

目前发现与PAH有着因果关系的miRNA家族,包括miRNA-21、miRNA-17、miRNA-130、miRNA-204、miRNA-145、miRNA-424、miRNA-223和miRNA-503等。(1)miRNA-204、miRNA-138:有研究[23]发现,miR-204在人和啮齿类动物PAH中的表达均下调,miR-204的下调与PAH的严重程度相关,并参与了PASMCs的增殖和抗凋亡表型。信号转导和转录激活因子3激活抑制miR-204的表达,miR-204直接靶向Src同源2结构域含磷酸酶2(src homology 2 domain-containing phosphatase 2,SHP2)的表达,从而上调SHP2,通过miR-204的下调,激活活化T细胞的核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT),信号转导和转录激活因子3也直接诱导NFAT基因的表达。NFAT和SHP2是维持PAH-PASMs增殖和抵抗凋亡所必需的,将人工合成的miR-204递送到患有PAH的动物肺中,可明显降低疾病的严重程度。故得出miR-204水平降低与肺动脉压力和阻力之间呈负相关,而PAH患者中miR-204水平的升高会逆转PASMCs的增殖和抗凋亡表型[23-25]。同样地,缺氧大鼠诱导的miR-138抑制HIF-1α[26],HIF-1α进一步诱导miR-9促进了大鼠原发性PASMCs的增殖表型转换[27]。这可能是miR-138和miR-204引起PAH的可能机制。 (2)miR-130/301:miR-130/301在PAH的发病机制是通过调节下级miRNA来调节细胞增殖。在缺氧的环境中,人PAEC和PASMCs中上调了miR-130/301家族的表达,导致miR-204和miR-424/503的抑制,并且PAH患者的肺动脉血浆中miR-130/301的水平与PAH的严重程度密切相关[28]。PAH动物模型中miR-130/301在整个肺组织中均上调[29]。(3)miR-17/92集群:miR-17/92是人类13号染色体上的多顺反子簇,包括6个miRNA(miR-17、miR-18a、miR-19a、miR-19b-1、miR-92-1和miR-20a)[30]。低氧性PAH小鼠模型中,抑制miR-17导致肺血管重塑、右心室收缩期压力降低[31]。在平滑肌细胞特异性敲除miR-17/92小鼠中减弱了低氧诱导的PAH,miR-17/92的重建后恢复了缺氧诱导的PAH[32]。这些研究结果共同支持miR-17/92簇在促进PAH发生中的作用。(4)miR-145:miR-145和miR-143是PASMCs表型调节中关键的miRNA,在小鼠低氧性PAH模型中,miR-145在右心室和肺表达均显著增加。此外,与缺氧对照动物相比,使用miR-145-/-小鼠显著降低了重塑血管的数量和收缩期右心室压力[33]。啮齿动物PAH模型进行的体内研究显示,特异性敲低miR-145的表达似乎可以保护PAH的形成[33]。 (5)miR-21:miR-21导致PAH的确切发病机制尚不完全清楚,其表达在低氧暴露的小鼠肺组织、低氧的人PAEC、PASMCs中[34]上调,使低氧中PASMCs迁移和增殖,这些病理生理机制可能是由于miR-21靶基因PDCD4、PPARα和SPRY2的下调导致的[35],而PDCD4降低的作用被认为具有抗细胞凋亡[36]。如此,在miR-21降低低氧小鼠可降低远端肺小动脉的肌化,在Santos-Ferreira等[34]发现炎症、缺氧和骨塑形蛋白依赖性信号转导会上调miR-21。为了确定miR-21在PAH发病机制中的调节作用,研究人员将遗传上缺乏miR-21(miR-21-/-)或过多miR-21(miR-21+/+)的小鼠暴露于低氧环境。与前者相比,慢性缺氧导致过多miR-21(miR-21+/+)小鼠的右心室收缩压显著且持续降低,并且右心室与左心室的质量比降低。此外免疫组织化学染色显示,小鼠miR-21-/-的直径≤100μm肺小血管重塑明显,与先前报道[31]的作用相反,这些结果提示,miR-21可以作为体内稳态的制动器,保护机体免受PAH的侵害[34]。从这些研究结果观察,PAEC中诱导的miR-21表达可以解释为对抗PAH进展的一种适应机制。综合这些结果表明,miR-21可以在特定的条件下分别发挥着阻抑或适应性的作用。这些矛盾的结果,可能与缺氧持续时间、严重程度,检测miR-21的敏感度,细胞特定环境等因素有关。miR-21在PAH发生的复杂机制需要进一步的研究。

总之,在低氧相关性呼吸系统疾病的患者和OSA患者中,miRNA在PAH的发病机制中可能起重要的调节作用。在PAH形成过程中可能起作用的3个主要信号转导域是炎症、缺氧和TGF-β途径。以上证据指向可能参与这3个结构域的几个miRNA组,可能参与了OSA患者PAH发展中的肺血管重塑。然而,需要进一步的研究以更完整的分子机制阐明miRNA的作用机制。

2.2 miRNA在肺血管重塑中的作用 最近,有研究者开始投入研究远端内皮细胞感知到的机械信号转导为几种细胞内信号的方法,这些信号最终促进了肺动脉内皮细胞和平滑肌细胞的增殖。例如,Bertero等[37]表明ECM重塑和肺血管僵硬度激活了转录co349激活因子YES相关蛋白1(YAP)和具有PDZ结合基序的转录共激活因子(TAZ),进而诱导了肺动脉内皮细胞,肺动脉平滑肌细胞和肺动脉外膜成纤维细胞中的130/301家族,miR-130/301成员通过各自区域中的PPARγ-APOE-LRP8轴以依赖LOX的方式促进胶原蛋白沉积的增加和胶原蛋白的交联。

肺血管细胞中miR-130/301家族通过反馈机械传导回路激活YAP和TAZ,从而导致ECM进一步重塑[37]。此外,miRNA-130/301家族通过增加miRNA-21/27的表达通过肺血管细胞串扰促进肺动脉平滑肌的增殖和内皮细胞的增殖。为此,在多种PAH动物模型中对miRNA-130/301、APOE或LOX活性的抑制,改善了ECM重塑和PAH[37],除PAH以外,miR-130/301家族成员可促进其他多种器官的纤维化机制,包括肝纤维化和肺纤维化,YAP/TAZ激活也通过代谢调节增加肺动脉内皮和平滑肌细胞的增殖[6]。在PAH中,肺动脉内皮细胞,平滑肌细胞和外膜成纤维细胞会进行代谢性重编程,除了驱动肺动脉内皮细胞和平滑肌细胞增殖外,YAP/TAZ激活还可能通过响应增加的搏动性和剪切应力而激活肺外膜成纤维细胞增殖,从而在肺血管ECM重塑中发挥作用。

综上所述,由ECM重塑和肺血管僵硬导致的肺动脉内皮细胞、平滑肌细胞和外膜成纤维细胞miRNA激活引起的远端肺动脉中肺动脉平滑肌和内皮细胞的增殖是PAH发生的主要机制。

3 肺动脉内皮-间充质转化(endothelial-mesenchymal transformation,EndoMT)在肺动脉重塑的发生、发展的作用机制

研究表明,Endo MT在PAH发病中起重要作用,Endo MT特征是内皮细胞获得了一种间充质表型,其基因表达类似于平滑肌细胞,在此过程中,内皮细胞从血管内膜分离,这是由于血管内皮细胞钙黏附素,血小板内皮黏附分子,细胞角蛋白等内皮基因标志物下调的原因,导致内皮细胞间相互作用的丧失[38]。随后,内皮细胞发生迁移,增加了平滑肌样标准物(肌动蛋白、胶原蛋白、波形蛋白、MMP-2和MMP-9)的表达,并分化为成肌纤维细胞样间充质细胞[38]。这些成肌纤维细胞样间充质细胞通过增加胶原蛋白的沉积和交联作用而导致肺血管重塑。Endo MT已在PAH患者和PAH的实验模型中得到证实[39-40]。

在PAH发病机制中,以下机制引发Endo MT:(1)BMPR2功能的丧失会引发动物实验和人PAH中的Endo MT[39-40]。Ranchoux等[40]通过增加twist-1转录因子的表达,在基因改造的PAH大鼠模型(具有BMPR2功能丧失)中显示了Endo MT。同时,Hopper等[39]的研究亦证明,肺动脉内皮细胞中BMPR2功能的丧失会导致染色质重塑和支架蛋白高流动性AT钩1升高。支架蛋白高流动性AT钩1升高会诱导Slug的转录因子表达增加,从而上调平滑肌基因(如平滑肌肌动蛋白)的表达,并下调内皮细胞基因(包括细胞连接蛋白、血小板内皮细胞黏附分子和VE-钙黏着蛋白)的表达,从而导致Endo MT[39]。(2)炎性细胞因子IL-1β、IL-6、肿瘤坏死因子α和活性氧也通过激活TGF-β信号转导引起Endo MT[38]。(3)来自动脉搏动和切应力增加的机械牵拉通过TGF-β信号转导导致内皮功能障碍和Endo MT。(4)慢性缺氧通过与缺氧诱导因子和TGF-β信号转导相互作用,通过增加信号转导与转录激活因子3、核转录因子β、干扰素调节因子1和β-连环蛋白的表达来启动Endo MT[38]。

4 总结

总之,OSA中肺血管重塑导致PAH的机制是复杂的,在PAH的发生、发展过程相中互作用,在OSA导致的PAH中起着重要作用。除肺血管重塑外,OSA导致的PAH还与许多因素有关。如胸内负压增大,静脉回流增加,导致肺动脉血流增加,压力升高,引起毛细血管前性PAH。在部分患者中,由于OSA可能损伤左心功能,增加的静脉回流至左心,引起左室充盈压力增加,也可能引起毛细血管后性PAH。OSA还可能引起炎症、氧化应激反应、内皮细胞功能受损、NADPH氧化酶、5-羟色胺、内皮选择性酪氨酸激酶(受体Tie2)激动剂、内皮素1、NO等改变,这些都可能对PAH的发生起到推动作用。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突