ADAMTS家族蛋白与主动脉瘤相关性的研究及进展

蔡宇宸 姚弈伟 陈鑫

(南京医科大学附属南京医院心胸血管外科 南京市第一医院，江苏 南京 210002)

主动脉瘤是一种发病隐匿和死亡率较高的大血管疾病，给患者及国家带来了巨大的医疗经济负担，虽然伴随科学技术的进步，在腹主动脉瘤的诊断及外科治疗上取得了一定进展，但由于缺乏对腹主动脉瘤病因及发病机制的充分认识，目前在腹主动脉瘤的预防及早期干预治疗方面仍为空白。因此，运用生物学技术开展针对腹主动脉瘤发病机制的研究，发现调控腹主动脉瘤形成的关键分子机制，在腹主动脉瘤的预防和治疗工作中具有极其重要的意义。ADAMTS家族蛋白作为一类新型的胞外金属蛋白酶，其多个家族成员被推测与主动脉瘤的发生和发展过程有密切关联。现综述国内外文献有关ADAMTS家族成员与主动脉瘤的相关性。

1 主动脉瘤的概述

主动脉瘤是发生在主动脉的一种病理性扩张，通常指扩张程度超过正常血管内直径的50%。主动脉瘤可分为两种类型：(1)腹主动脉瘤，指动脉瘤发生在腹部的降主动脉；(2)胸主动脉瘤，指动脉瘤发生在胸腔的主动脉段(升主动脉、主动脉弓部和早期降主动脉)。伴随血流的不断冲击，病变扩张的主动脉壁进一步受损，主动脉瘤可进一步进展为主动脉夹层，最终破裂导致死亡[1-2]。主动脉瘤的病因及发病机制较为复杂，吸烟是其公认的重要危险因素之一[3]。主动脉瘤的病理学改变主要为主动脉中膜弹力层的退行性变，其发病机制包括细胞外基质的降解与破坏、血管平滑肌细胞的表型转化与凋亡、炎性细胞的浸润以及氧化应激等多种因素[1-2，4]。

细胞外基质在维持主动脉血管内稳态和主动脉瘤的生理病理机制中起着至关重要的作用。细胞外基质蛋白是主动脉壁的重要组成部分，也是其主要成分，包括纤维蛋白(如胶原、纤维蛋白和弹性蛋白)、蛋白多糖(如硫酸乙酰肝素糖蛋白和基底膜聚糖蛋白)以及金属蛋白酶等，其中弹性纤维和纤维胶原在主动脉血管壁干重中所占比例为50%[5]。而金属蛋白酶，特别是基质金属蛋白酶对细胞外基质蛋白的代谢调控尤为关键。在主动脉瘤的病理发展过程中，由转化生长因子β信号通路介导的金属蛋白酶过度激活，从而引起主动脉中膜进行性降解，弹性纤维完整性降低，弹性蛋白溶解活性增加，导致主动脉壁的病理性扩张[6-7]。

2 ADAMTS家族蛋白的概述

ADAMTS家族，全称含Ⅰ型血小板结合蛋白序列的解聚素样金属蛋白酶家族，由19种胞外酶和7种ADAMTS样蛋白组成，具有多个相似的结构域(如图1)。组织结构由包含N末端信号肽的前体域、金属蛋白酶催化域和去整合素样域组成，连接到附加的C末端的Ⅰ型血小板结合蛋白重复序列端区，称为辅助结构域。辅助结构域可由去整合素样域、第一凝血酶反应素-Ⅰ型基序、富含半胱氨酸的结构域、间隔区和其他凝血酶反应素基序组成，是调节ADAMTS活性及其底物结合偏好的关键，同时辅助域也有其独立的生物学作用[8-9]。它们的催化活性涉及Zn2+和三个保守的组氨酸残基[9]。

注：各结构域在不同亚型中有所差异，其中辅助结构域中C末端附近的Ⅰ型血小板结合蛋白重复序列端区在不同亚型中重复数各不相同，各亚型中的特有结构域已略。

ADAMTS家族蛋白在人体组织中广泛表达，参与包括抗血管生成、动脉粥样硬化、细胞的增殖与迁移、动脉瘤的形成、肿瘤的发生和发展以及胚胎发育等多种生物学过程[8，10-12]。近年来ADAMTS家族蛋白在心血管系统中的作用受到越来越多的关注。多个研究表明ADAMTS家族蛋白参与了主动脉瘤的病理生理过程。现重点介绍ADAMTS家族蛋白在主动脉瘤的发生和发展中已知的作用及其机制的研究。

3 ADAMTS家族蛋白与主动脉瘤

3.1 ADAMTS1是血管壁稳态的重要调节因子

ADAMTS1蛋白是在1997年被发现的第一个ADAMTS家族成员。该蛋白酶在许多不同类型的细胞中表达，其中包括血管内皮细胞和血管平滑肌细胞[13]。ADAMTS1在心血管疾病的发生和发展中扮演了关键角色。在心脏发育过程中，ADAMTS1通过切割多功能蛋白聚糖参与阻止心室肌细胞的增殖[14]。在不同的细胞环境中，ADAMTS1通过酶促反应显现出促血管生成或抗血管生成的特性。有研究[15]表明，ADAMTS1的C末端及其相关的三个凝血酶反应蛋白基序通过隔离血管内皮生长因子，从而发挥抗血管生成作用。ADAMTS1与动脉粥样硬化也存在相关性，其机制涉及细胞外基质蛋白的裂解及血管平滑肌细胞的迁移[16-17]。

ADAMTS1可能在主动脉重塑的病理生理过程中起作用。在一项涉及ADAMTS1基因缺陷小鼠的实验中，该小鼠模型显示对β-氨基丙腈诱导的胸主动脉夹层形成和破裂的敏感性降低，此外，ADAMTS1基因缺陷小鼠没有因抑制炎症细胞因子水平和巨噬细胞迁移而出现炎症细胞浸润，这为ADAMTS1成为胸主动脉瘤的潜在治疗靶点提供了依据[18]。不同的血管重塑分子(血管内皮生长因子、血管紧张素Ⅱ、白介素-1β和肿瘤坏死因子-α)可促进血管内皮细胞和血管平滑肌细胞ADAMTS1的表达，其机制可能是通过激活T细胞核因子或CCAAT增强子结合蛋白这两种转录因子介导的特定信号转导通路，诱导病理性血管重塑与ADAMTS1表达增强相关联[19]。一项动物实验研究结果表明，对小鼠使用渗透泵输送血管紧张素Ⅱ在28 d后，未处理组以及血管紧张素Ⅱ处理的杂合ADAMTS1小鼠组显示出主动脉扩张。在使用慢病毒敲除成年小鼠主动脉血管平滑肌细胞ADAMTS1基因的模型中也观察到类似的表型。该研究[20-21]也发现在马方综合征患者及马方综合征小鼠模型中，ADAMTS1的表达均有降低，这些结果表明ADAMTS1是血管壁稳态的重要调节因子。

3.2 ADAMTS4通过诱导细胞凋亡参与主动脉瘤的发生和发展

ADAMTS4是一种多聚糖蛋白酶，在骨关节炎及类风湿关节炎中有其重要作用[22]。该蛋白酶的C末端辅助结构域具有促血管生成和抗血管生成的特性[23]。在一项研究中，接受高脂饮食及血管紧张素Ⅱ输注的小鼠，其主动脉壁血管平滑肌细胞及巨噬细胞的ADAMTS4表达明显升高，而接受同样处理的ADAMTS4基因缺陷小鼠动脉直径扩张程度较对照组小，且未发生主动脉夹层或破裂。在ADAMTS4-/-小鼠中，主动脉直径扩张程度及主动脉壁弹性纤维破坏程度明显减小。这些结果表明敲除ADAMTS4基因也许对主动脉的退行性变及主动脉瘤发生具有保护作用[24]。

此外，作为一种蛋白酶，ADAMTS4不仅参与了细胞外基质的代谢调控，而且还在细胞内和细胞核内发挥作用，诱导细胞凋亡。有研究[23]表明，无活性的ADAMTS4酶或其C末端结构域可抑制黑色素瘤的生长以及肿瘤细胞凋亡相关的血管生成。在血管平滑肌细胞中，ADAMTS4可通过直接与多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(一种核蛋白酶，在DNA的修复和细胞存活中起积极作用)相互作用和裂解，从而参与平滑肌细胞凋亡的调控[25]。因此，ADAMTS4在主动脉瘤中的作用可能并非通过酶促反应，而是更多地与它诱导细胞凋亡的能力有关。

3.3 ADAMTS7降解软骨寡聚基质蛋白促进主动脉瘤形成

ADAMTS7最早发现于骨关节炎和类风湿关节炎的病理过程中，其机制主要为与软骨细胞外基质蛋白，尤其是软骨寡聚基质蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP)直接结合，并促使其降解[26]。而COMP不仅在骨骼组织中表达，在主动脉中也有表达，并参与了血管平滑肌细胞的附着和趋化，在动脉粥样硬化的病变过程中发挥作用[27]。有研究[28]表明，ADAMTS7在体外可能参与抑制内皮细胞的增殖和迁移。敲除ADAMTS7基因可促进受损的动脉再血管化及内皮化[29]，并且敲除该基因的小鼠可表现出动脉粥样硬化的风险降低，可能是由于失去了其对血管平滑肌细胞迁移的影响[30]。

ADAMTS7在血管粥样硬化发病机制中的潜在作用为ADAMTS7参与血管壁重塑提供了依据。从主动脉瘤的人体组织中可看出，主动脉瘤组ADAMTS7的表达明显高于对照组(P<0.01)。同时，主动脉瘤样本中的COMP蛋白水平降低。该研究[31]提示ADAMTS7可能通过降解COMP，促进主动脉瘤的形成与发展。ADAMTS7/COMP通路也可能成为主动脉瘤新的潜在治疗靶点。

3.4 其他ADAMTS家族成员与主动脉瘤的相关性

除前文所述的ADAMTS1、ADAMTS4和ADAMTS7外，还有多个ADAMTS家族蛋白在研究中被发现与主动脉瘤的形成机制产生直接或间接的关联。

ADAMTS5是参与蛋白多糖切割的主要酶之一。在血管紧张素Ⅱ诱导的胸主动脉瘤小鼠模型中，敲除ADAMTS5的小鼠显示出较高的升主动脉扩张率[32]，并且观察到敲除ADAMTS5的小鼠更容易出现主动脉畸形[33]。

ADAMTS8是一种低效能的蛋白多糖切割酶，其主要表达于心脏和肺组织[34]。在敲除ADAMTS8基因的肺动脉高压小鼠模型中，肺血管平滑肌细胞的增殖受到抑制[35]。ADAMTS8在腹主动脉瘤患者的平滑肌组织中表达下调[36]。一项使用英国生物库数据的全基因组关联研究[37]表明，ADAMTS8是一个已确认的与腹主动脉瘤发病风险增加相关的基因座。

ADAMTS9在心血管系统的发育中起重要作用。杂合ADAMTS9小鼠的主动脉壁、瓣膜和瓣叶均有缺陷，这些小鼠还表现出异常的心肌收缩和“海绵状”心肌[38]。有研究[39]对主动脉瘤破裂选择急诊手术修补患者的主动脉壁组织进行分析，其中ADAMTS9在破裂主动脉壁血管平滑肌细胞中的表达明显上调。

ADAMTS18与大血管的发育存在相关性。ADAMTS18基因敲除的小鼠可表现出胚胎主动脉弓和颈动脉系统的畸形，包括弹性纤维紊乱和颈动脉血压降低。它们还表现出胸腺发育不良和颈动脉小体缺失。这些异常可用ADAMTS18的缺乏导致纤维连接蛋白堆积和细胞外基质重塑来解释[40]。

4 总结与展望

主动脉瘤是一种常见和凶险，且缺乏有效早期筛查及干预手段的大血管疾病。如不能早期诊断及干预，主动脉瘤可演进为具有高致死率的主动脉夹层，甚至导致主动脉破裂猝死，对人类生命健康造成重大威胁。主动脉瘤的发病机制十分复杂，涉及细胞外基质破坏、血管平滑肌细胞的表型转化与凋亡、炎性细胞的浸润以及氧化应激等多种病理生理过程。ADAMTS家族蛋白已被广泛证实在心血管系统疾病的多个环节中发挥重要作用。本文系统介绍了ADAMTS家族蛋白与主动脉瘤疾病间的关联性，这种关联性被多个细胞实验、动物实验以及人体组织学研究所证实。如ADAMTS1、ADAMTS4和ADAMTS7可通过影响血管细胞外基质以及诱导血管平滑肌细胞凋亡，从而参与主动脉瘤的病理生理过程(如图2)。这些作用的具体机制仍需进一步实验来明确，而其他ADAMTS家族成员与主动脉瘤是否具有相关性也有待研究，这为主动脉瘤的早期筛查及新型治疗方法的探索提供了可能性。

注：ADAMTS1通过调控血管壁稳态和重塑血管壁结构，影响主动脉瘤形成；ADAMTS4通过诱导血管平滑肌细胞凋亡参与主动脉瘤形成；ADAMTS7通过降解COMP促进主动脉瘤形成；其他家族成员与主动脉瘤关联的详细示意图已略。