肺动脉高压中的肺血管重塑

蔡雨春综述，姚 冬审校

0 引 言

肺高血压(pulmonary hypertension, PH)是由多种已知或未知原因引起的肺动脉压异常升高的一种病理生理状态，血液流动学诊断标准为：在海平面、静息状态下，右心导管测量平均肺动脉压(mean pulmonary artery pressure, mPAP)大于或等于25 mmHg。2018年在法国尼斯举行的第六届世界肺动脉高压研讨会上，一项新的提案建议将诊断PH的平均肺动脉压降低到20 mmHg，以促进早期患者护理。根据第六届世界肺高血压研讨会的共识，将PH按照病理和血流动力学特征进行分类，将PH分为5类: ①动脉型肺高血压(pulmonary arterial hypertension, PAH)，包括特发性、遗传性和药物/毒素诱导的肺动脉高压；②左心疾病引起的肺高血压；③呼吸系统疾病和(或)低氧导致的肺高血压，包括肺间质性疾病、慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)、睡眠呼吸暂停等；④肺动脉阻塞性疾病所致肺高血压，包括慢性血栓栓塞性肺高血压(chronic thromboembolic pulmonary hypertension, CTEPH)、其他肺动脉阻塞性病变所致肺高血压；⑤不明原因和(或)多因素所致的肺高血压，包括血液、代谢性疾病和全身性疾病等。肺血管重塑(pulmonary vascular remodeling, PVR)指因低氧、高血流剪应力、炎症等损伤因子引起的血管结构的改变，是PAH的主要病理特征。这些结构改变包括内膜、中膜和外膜的改变，常伴有炎性细胞浸润、基质沉积、原位血栓形成。

1 肺血管系统及细胞组成

呼吸系统由双重血液供应包括肺循环和支气管循环。肺循环在人体血管床中具有独特性，其特点是高流量、低阻力、低压系统。与所有动脉一样，肺动脉壁由外层结缔组织、细胞外基质、神经细胞和成纤维细胞构成，中间层由血管平滑肌细胞或平滑肌样周细胞构成[1]。肺血管内层排列着内皮细胞，形成连续的单细胞层，这些内皮细胞产生一层薄的细胞外膜，主要由胶原蛋白、蛋白多糖和层蛋白组成，称为基底膜，基底膜内有一非连续的周细胞层。从内皮祖细胞到支持血管的壁细胞，以及气道结构细胞，这一系列细胞类型维持血管生长和扩张。其中血管祖细胞，如内皮祖细胞和间充质祖细胞，在生理条件下从成年骨髓中释放出来，分别在血管生成和创伤愈合中发挥作用，并受到严格的调控。在慢性炎症的情况下，这些祖细胞向组织损伤区域的迁移和活性增加，这些祖细胞平衡的改变可能对疾病病理产生不利影响[2]。

2 肺血管重塑的病理改变

PH的肺血管重塑不仅表现为不同的血管细胞(肺动脉平滑肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞、肌成纤维细胞和周细胞)在肺动脉壁的聚集，也包括毛细血管前动脉的消失和血管周围炎性细胞(B和T淋巴细胞、肥大细胞、树突状细胞、巨噬细胞等)的过度浸润[3]。重塑过程涉及由细胞肥大、增生、炎症、凋亡、迁移和细胞外基质积累造成的血管壁3层(内膜、中膜和外膜)结构的改变[4]。在人体中除了大的弹性主动脉、大叶动脉和节段肺动脉硬化外，PH病变主要发生在远端肌型动脉，其直径从70～500 μm不等[3]。

2.1内膜重塑内膜的变化包括内皮细胞损伤、内皮细胞增殖、成纤维细胞样细胞对内膜的侵袭、内膜纤维化引起的基质沉积增强，有时还伴有独特的丛状病变阻塞血管腔。

2.1.1内皮细胞肺内皮细胞被认为是血管功能的主要调节因子，如调节血管收缩剂和血管舒张剂的产生，作为平滑肌细胞生长和迁移的激活剂或抑制剂，作为血栓形成前和抗血栓形成的介质，以及促炎信号[5]。内皮功能障碍的特征是内皮细胞血管舒张减弱、促炎状态、内皮细胞脱离和凋亡的改变，以及动脉粥样硬化的发展[6]。此外，内皮细胞有屏障功能，虽然血流动力学(如剪切力)、活性氧、毒素、炎症介质和/或遗传易感性被认为是内皮功能障碍的重要调节因子，但内皮损伤的初始触发因素尚不清楚。目前已明确证实骨形态发生蛋白受体II型信号异常会对内皮细胞屏障功能产生不利影响，与持久性DNA损伤和受损DNA修复相关[7]。

近年来研究表明，内皮功能障碍是血管重构的重要标志，内皮细胞和平滑肌细胞之间的相互作用是PH发展的关键机制[8]。内皮间质转化细胞能够直接通过转化为具有较高增殖和迁移能力的平滑肌样细胞和间接通过旁分泌间接影响血管内膜、中膜增殖，从而参与PAH中的血管重构[9-10]。

2.1.2复杂病变复杂的肺动脉病变主要包括丛状病变、动脉瘤样病变、扩张病变和洋葱皮病变。内皮样细胞以无组织方式增殖时会形成丛状病变，这种病变类似于肾小球样病变，并导致早期血管形态多样化[11]。丛状形态是复杂病变的主要标志和核心，病变涉及到不同的血管腔室：通常是分支点之上的小肺动脉内膜增厚，接着血管的动脉瘤样增宽。管腔被过度增殖的内皮细胞阻塞，导致在富含纤维母细胞的基础上形成毛细血管样的窦状通道，这种动脉内毛细血管的旋卷，有时类似于肾的肾小球，流入扩张的、血管样充血性血管。这种异常被称为扩张病变，可以在低倍镜下观察，并在追踪丛状病变时可作为前哨病变[12]。在PH中可观察到明显的纤维化表型，病变血管内膜内胶原层呈层状排列，这种病变也被称为“洋葱皮”或“洋葱球”病变，这些病变位于丛状病变近端，似乎完全局限于肺血管腔[4,11]。多生动脉是一种没有伴随气道结构的少见肺动脉，它们的特征是有约90°分支角度，和普通动脉分支相比直径更小。Oshima等[13]最新发表的文章认为，在Sugen5416、缺氧和常氧暴露的PAH大鼠中，多生动脉是动脉瘤型丛状病变的主要部位，部分原因是其独特的解剖特性和内皮细胞的超增殖潜力，多生动脉延迟和广泛闭塞性病变的形成可以作为肺动脉高压患者的预防治疗靶点。

2.1.3周细胞周细胞是与内皮细胞发生物理接触的壁细胞，位于内皮管和周围组织的交接处，为肺血管提供结构支持和细胞因子，有助于维持内皮细胞的正常功能和存活[14]。缺乏周细胞覆盖会引起血管破裂，最终导致血管渗漏和血管丢失。此外，在特定条件下，这些细胞也能分化为其它间质来源的细胞类型，并可能成为PH病变中多种细胞类型的来源[15-16]。周细胞不仅对血管成熟和稳态至关重要，而且对抑制内皮芽形成和内皮细胞增殖也很重要，而这些对产生新的功能性血管系统十分必要。

2.2中膜重塑重塑过程几乎普遍涉及中膜增厚，其主要由平滑肌细胞增生和肥大所导致[17]。平滑肌细胞在重构过程中不断扩张，这种扩张约占重塑血管的95%[18]。局部平滑肌细胞转型是重塑中膜细胞的主要来源，平滑肌细胞具有收缩型和合成型两种表型，正常情况下，成熟的平滑肌细胞最终分化成收缩表型，病理情况下平滑肌细胞发生去分化，即平滑肌由收缩型向合成型转化。合成型平滑肌具有更强的增殖和迁移能力[19]。远端肺微小动脉重塑血管平滑肌细胞部分来源于收缩型平滑肌，这些细胞发生了去分化，迁移到远端血管，进行增殖和再分化，参与 PAH中丛状病变的形成[18]。

平滑肌细胞是由异质性的细胞群组成，细胞群在重构过程中在增殖、炎症和细胞外基质产生变化方面表现出明显差异性。研究表明不同表型的平滑肌细胞的这些功能变化及其在PH中的作用是动态的，可能会随着时间发生显著变化(称为细胞可塑性)；没有单一的性质可以解释平滑肌细胞在肺血管重建作用的复杂性，通常被称为“平滑肌细胞”的细胞可能有多种来源，包括内皮细胞、成纤维细胞和常驻或循环祖细胞，因此可能通过不同的信号通路参与重塑过程[17]。

PH中平滑肌细胞过度增殖的机制尚不清楚。Guignabert等[4]通过对肺血管结构变化研究提出平滑肌细胞增生是由两种互补机制引起的观点：①平滑肌细胞的固有特征；②调控平滑肌细胞生长的分子物质失调，包括来自肺内皮细胞的信号。他们发现来自特发性肺动脉高压患者的肺内皮细胞产生5-羟色胺、内皮素-1、血管紧张素Ⅱ的旁分泌过剩的证据，这些细胞通过旁分泌作用促进平滑肌细胞增生。除了这种旁分泌调节外，这两种细胞之间还存在着其他的相互作用机制，包括通过肌内皮细胞的连接进行交流，以及通过细胞外囊泡进行信息传递[20]。报道显示内皮细胞通过内皮间充质转化和平滑肌细胞通过单克隆扩增特化为血管平滑肌，是潜在的平滑肌样细胞来源[21]。另外，转录因子也控制细胞凋亡、增殖和合成等细胞过程，最近有研究表明特发性肺动脉高压(idiopathic pulmonary arterial hypertension, IPAH)患者肺血管中FoxO1的表达降低，导致肺动脉平滑肌细胞增殖失控[22]。平滑肌细胞钾通道异常在其收缩和增殖中也发挥重要作用[23]。有研究表明，长链非编码RNA中牛磺酸上调基因1(taurine upregulated gene1,TUG1)参与了PAH的发生并促进了平滑肌细胞的增殖， miR-328可能介导这一过程[24]。

2.3外膜重塑外膜是一个高度复杂的组织，与内膜和中模不同, 血管外膜是由多种类型的细胞组成，包括成纤维细胞、白细胞(包括巨噬细胞、树突状细胞和肥大细胞)、祖细胞、神经(交感和副交感神经)和淋巴管，以及血液供应[25-26]。这些细胞在受到损伤时被共同激活，并通过旁分泌机制释放多种因子，这些因子可以调节血管壁其他细胞(包括平滑肌细胞和内皮细胞)的分化、增殖、凋亡、迁移和胶原合成。

外膜最主要的细胞组成是外膜成纤维细胞，在调节血管壁功能中发挥关键性作用。外膜成纤维细胞的作用包括：响应损伤或应激，表现出比平滑肌细胞更强的增殖倾向；分化成肌成纤维细胞，积聚于外膜和/或向中膜和内膜层迁移；增加细胞外基质的沉积，合成和释放对相邻平滑肌细胞和内皮细胞具有强力旁分泌作用的细胞因子；促进循环血中白细胞和祖细胞向血管壁的募集；合成和释放血管生成趋化因子，支持外膜新生血管生长并延长炎症反应[27]。Cussac等[28]发现肺动脉外膜成纤维细胞中瞬时受体电位香草酸4通道激活，促进细胞外基质的沉积和外膜成纤维细胞的增殖、迁移。外膜成纤维细胞可以转化为肌成纤维细胞，这些转分化细胞可以通过内层迁移到内膜。肌成纤维细胞是组织重塑的关键参与者，能够通过多种生理功能来应对局部环境的变化[29]。现在研究人员认识到上皮细胞、内皮细胞、常驻细胞和循环细胞在内的多种其他细胞也可以分化为肌成纤维细胞[30]。

有观点认为血管外膜作为一个生物处理中心，对血管壁功能的关键调节因子进行检索、整合、存储和释放。事实上，现在许多研究者认为外膜腔室是血管壁的主要“损伤感觉组织”，而外膜成纤维细胞是一个“哨兵细胞”[30]。外膜也可能是骨髓源性祖细胞的蓄积池，可能直接或间接刺激肺血管重构[31]。

2.4炎症浸润在PH实验中，炎症浸润通常先于肺血管的结构性重构，这支持了炎症和免疫系统异常促进重构的观点。同时，在肺动脉高压患者的肺中可以观察到小淋巴细胞聚集成大量淋巴细胞，类似于高度组织化的淋巴滤泡。肺动脉高压患者的肺血管病变以不同程度的血管周围炎性浸润为特征，包括T淋巴细胞和B淋巴细胞、巨噬细胞、树突状细胞和肥大细胞，除了增加血管周围免疫细胞积累和血管内浸润外，某些细胞因子和趋化因子的循环水平也异常升高。这些因子包括白细胞介素-1、白细胞介素-6、白细胞介素-8、单核细胞趋化蛋白-1、CCL5/RANTES和肿瘤坏死因子- a。其中一些细胞因子和趋化因子与肺动脉高压患者较差的临床表现相关，并可能作为疾病进展的生物标志物[32]。由于肺动脉细胞与血管周围单核细胞和巨噬细胞位置相近，且有多种证据表明它们之间存在复杂的相互关系[33-34]，因此需要对这些复杂的相互关系进行更全面的了解。有研究表明在PH中，功能失调的BMPR2信号通路、免疫失调和炎症细胞复杂相互作用是导致疾病进展的关键因素，炎症过程与血管和炎症细胞代谢的改变密切相关[35]。

2.5基质重塑肺血管壁三层的细胞外基质均有扩张，导致血管纤维化。正常人肺动脉的细胞外基质由胶原、弹性蛋白、纤连蛋白、肌腱蛋白C和蛋白多糖组成。在PH中，细胞外基质发生了几个变化：首先，胶原的沉积和交联增加(将可溶性胶原转化为不溶性胶原)，在肺动脉近端和远端都有胶原堆积，胶原沉积最多的是内膜，其次是中膜和外膜；其次，肺动脉高压的实验模型和患有肺动脉高压并伴有先天性心脏病的儿童的肺动脉内弹性层破裂证明了肺动脉内弹性蛋白的增加；第三，肺动脉高压时肺动脉内的肌腱蛋白和纤维连接蛋白的积累增加；最后，PH患者的病变肺动脉和肺动脉高压的实验模型中骨桥蛋白表达增加和钙化[36]。

细胞外基质重塑和肺血管僵硬发生在疾病过程的早期，在内膜和内侧厚度增加、肺动脉压力增加之前，提示细胞外基质是远端肺血管重塑的原因而非结果。实验模型研究中发现，抑制细胞外基质重塑可以预防和逆转肺血管重塑和肺动脉高压[36]。

2.6原位血栓形成原位血栓形成是PH的一个常见特征，肺血管最里层的内皮细胞在调节凝血中起着中心作用。这一作用主要是由静止的肺内皮细胞维持抗凝血表面的能力来解释的，这种抗凝血表面有助于血浆和细胞成分在整个肺血管的运输。在PH下，破坏内皮特性有助于高凝血和抗纤溶微环境形成，这一特点可能部分归因于局部血流动力的持续增加，前列环素和一氧化氮的丧失、内皮素的增加，以及某些生长因子和炎症介质的过量，这些因素在血栓形成中起重要作用[12]。内皮细胞损伤可导致局部血小板活化，血小板活化不仅会引起血小板聚集和血栓形成，而且释放出各种生长因子，诱导内皮细胞、平滑肌细胞和细胞外基质增殖[37]。最近，Satoh等[38]证明凝血酶活化纤溶抑制剂(thrombin-activatable fibrinolysis inhibitor, TAFI)是CTEPH患者一种新型生物标志物。TAFI的血浆水平与CTEPH患者血凝块溶解时间呈正相关[39]。TAFI在肺血管床中被血栓调节蛋白局部激活，抑制纤维蛋白溶解，促进小鼠血栓形成和肺动脉高压[40]。

2.7静脉病变越来越多的研究证实，肺静脉同肺动脉一样也存在重塑。静脉重塑与动脉重塑程度呈正相关，且静脉重塑可能与血流动力学的严重程度有关，在慢性阻塞性肺疾病和特发性肺动脉高压中经常发现静脉重构，其包括内膜纤维化和不同程度的动脉化特征[41]。CTEPH患者肺常显示肺静脉和小静脉异常[42]。 在肺静脉闭塞性疾病(pulmonary veno-occlusive disease, PVOD)中，肺血管病变主要发生在肺静脉(主要指隔膜静脉和隔膜前小静脉)，可能导致管腔完全闭塞[43]。

3 治疗前景

目前的治疗PAH药物主要是作为全身血管疾病中的血管扩张剂，包括前列环素类似物、内皮素受体阻滞剂和磷酸二酯酶5抑制剂。然而，它们在改善肺动脉高压患者生存和生活质量方面效率低下。血管重构是PH的主要病理特征，但针对这一过程的治疗方法还很缺乏。目前的治疗主要目标是肺血管收缩，而不是增生的血管重塑，因此迫切需要新的策略来直接解决疾病的病理重构。深入探索肺动脉内皮细胞与血管平滑肌细胞、肌成纤维细胞、周细胞和免疫细胞之间通讯改变能够更好地理解PH的发病机制。

现在认为肺血管重构是遗传因素、表观遗传因素以及环境因素共同作用的结果。多种血管活性分子、多种离子通道、多条信号通路在肺血管重构中发挥重要调节作用。内皮间质转化和平滑肌细胞表型转换在血管细胞异常增殖中起重要作用。因此，对其信号通路进行药物干预可能是一种有前景的治疗方向。DNA损伤、miRNA异常表达等表观遗传因素也参与了血管细胞异常增殖的调控。代谢紊乱研究也为内皮功能和平滑肌细胞增殖的紊乱提供了重要的机制，这些进展为靶向血管重塑的新治疗方案带来巨大的潜力，为控制疾病进展和改善患者预后带来了新的希望。