钙化性主动脉瓣膜病发病机制研究进展

李欣欣，张 宁，张银康，李叔宝，陈 云，刘新灿

钙化性主动脉瓣膜病(calcific aortic valve disease，CAVD)是继冠心病和高血压之后最常见的心血管病，在正常瓣膜基础上随着增龄进行性纤维化、钙化、重塑、增厚、阻塞造成主动脉瓣膜关闭不全和狭窄，引起晕厥、心肌梗死、心力衰竭等心血管事件。在普通人群中CAVD的患病率为0.4%，在65岁以上人群中CAVD的患病率为1.7%，若不进行手术，严重主动脉狭窄病人仅不到1/3存活超过5年[1-3]。以往认为CAVD是随年龄增长发生的被动性钙沉积过程，而现在认为它是受到炎症、代谢等多因素主动调节的结果。目前，CAVD仅以手术治疗为主，尚无阻止其进展或逆转钙化的药物干预方法。因此，本研究对CAVD的发病机制进行综述。

1 高循环阻力及瓣膜张力异常

在心动周期中，主动脉瓣确保血液从左心室向主动脉的单向流动。已有研究证明，CAVD病人中有20%～50%伴随高血压，且动态血压越高，主动脉瓣峰值血流速度增加越多，CAVD患病率越高[4-6]。处于高循环阻力状态的主动脉瓣及二尖瓣钙化的可能性最高，表明高血压可能促进瓣膜钙化。血流剪切力能诱导炎症标志物的表达，如血管细胞黏附因子-1(VCAM-1)、转化生长因子-β1(TGF-β1)、骨形成蛋白-4(BMP-4)等，而高血压的机械应激对瓣膜内皮细胞(VECs)造成损伤并丧失抵抗代谢、机械和炎症损伤的屏障功能，增加瓣膜内脂质、矿物质堆积及炎性细胞的浸润，激活瓣膜间质细胞(VICs)向成骨细胞分化，从而导致瓣膜钙化、狭窄[7-8]。瓣膜组织钙化导致瓣口形成湍流进一步加剧狭窄，使主动脉瓣峰值血流速度和血流动力学障碍明显增加[9]。可见高循环阻力可致瓣膜钙化及促进瓣膜炎症标志物的表达，钙化瓣膜又进一步改变血流动力学，是一种恶性循环的过程。

2 慢性炎症反应

高速血流剪切力及机械应力造成VECs的损伤引发了主动脉瓣膜的慢性炎症反应[10]。在CAVD异位骨化的部位发现了大量淋巴细胞，巨噬细胞、CD4+和CD8+T细胞的浸润(正常瓣膜中仅少量)，释放大量炎性介质及细胞趋化因子等促使主动脉瓣膜纤维化及钙化[11-12]。研究表明，白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-18(IL-18)、白细胞介素-21(IL-21)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎因子在CAVD中表达上调[13-16]。激活的单核细胞旁分泌TNF-α使Toll样受体(TLR)2上调从而增强VICs的炎症反应，TNF-α同时促进肌成纤维细胞转化为成骨样细胞表型从而加重瓣膜的钙化[17-18]。中性粒细胞/淋巴细胞比值与严重CAVD病人的主要不良事件明显相关，但全身炎症标志物C反应蛋白(CRP)与CAVD进展没有关联，不能作为亚临床CAVD的预测因子[19-20]。

瓣膜在摄取氧化脂质后，局部巨噬细胞、CD4+和CD8+T淋巴细胞和肥大细胞被激活引起炎症反应[10，12]，这是模式识别受体激活的结果，如TLR和核转录因子-κB(NF-κB)途径，在CAVD进展中起关键作用[21]。TLR能够识别入侵细菌和病毒释放的特殊物质来调控炎症反应。研究发现，CAVD瓣叶中高水平TLR(尤其TLR2和TLR4)可以调节VICs中促炎介质的表达，用脂多糖(LPS)处理细胞后分离的VICs中可见成骨因子的表达和瓣膜成骨活性提高[22-23]。巨噬细胞分泌的TNF-α刺激VICs的成骨分化和钙化，继而激活NF-κB、IL-1β和IL-6[24-27]。而抗炎细胞因子白细胞介素-37(IL-37)通过IL-18受体κ链抑制TLR诱导的NF-κB活化，减少TLR刺激后炎症介质的产生从而减轻炎症反应[28]。可见炎症反应贯穿了CAVD的始终，对CAVD的发生发展起着关键作用。

3 细胞外基质(ECM)重构

主动脉瓣的ECM分为3层：与血流相对的胶原纤维层、富含蛋白多糖的中间海绵层和面向血流富含弹性蛋白纤维的心室层。当ECM的合成及降解失衡，导致弹性蛋白纤维碎裂降解和胶原纤维的含量增加最后造成瓣膜钙化，这个过程称为瓣膜ECM重构。VICs负责瓣膜组织基质的分泌和重塑，从而调节内稳态和疾病之间的平衡[29]。ECM重构后的瓣膜对血流剪切力耐受力下降，影响内皮功能。基质金属蛋白酶(MMP)是降解ECM蛋白的关键酶，由炎症细胞、VICs产生，在生理和病理状态下ECM重塑中起着核心作用。研究发现，钙化瓣膜中MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-12、MMP-10的表达都明显高于正常瓣膜，其中以MMP-1、MMP-9和MMP-12表达最高[30-32]。重度主动脉瓣狭窄病人中MMP-28水平明显高于中度或轻度主动脉瓣狭窄病人[33]。正常瓣膜的MMP活性可以被相应金属蛋白酶组织抑制剂所抑制，两者处于动态平衡以保持ECM的完整性及正常功能，而瓣膜狭窄的炎症反应出现大量白细胞和肿瘤坏死因子激活了MMP，影响ECM重构，造成成纤维细胞的大量增殖使瓣膜胶原纤维层增厚，最终导致瓣膜钙化[34-35]。

4 代谢紊乱

大量研究表明，CAVD在高脂血症病人中有较高的发生率，瓣膜上有大量的脂质和吞噬脂质的泡沫细胞聚集。在早期主动脉瓣疾病的高胆固醇血症小鼠中，通过微粒体三酰甘油转运蛋白(MTTP)基因遗传失活降低血脂水平使氧化应激正常化减少促成骨因子，阻止CAVD进展[36-37]。脂蛋白(a)[Lp(a)]是富含胆固醇的颗粒，其水平的升高、相应的基因型与普通人群主动脉瓣狭窄的风险增加相关[38]。另外，有研究指出，循环中氧化型低密度脂蛋白(oxidised low density lipoprotein，ox-LDL)水平升高与CAVD的瓣膜组织钙化重塑加重相关，其瓣膜炎性细胞密度、TNF-α表达及组织重塑评分明显增加[39-40]。脂质代谢异常可通过多种途径诱发炎症反应，最终造成CAVD。

临床研究表明，与非糖尿病病人相比，2型糖尿病病人的主动脉瓣显示出更强水平的钙化，高糖是VECs的促炎剂，诱导VECs功能障碍，通过细胞间黏附分子-1、E-选择素和CD18促进单核细胞与VECs的黏附，此环境下VECs与单核细胞的黏附作用要强于VICs[41-42]。高糖可能还诱导了VECs和VICs中MMP的表达，表明高糖引起的炎症与这两种细胞重塑相关[43]。另外，铁通过瓣叶内出血在主动脉瓣内积聚，被VICs在促炎环境中摄取，促进VICs增殖、ECM重塑和钙化[44]。研究表明，血清磷浓度的升高与主动脉瓣硬化的风险增加相关，但对于血清钙、甲状旁腺激素和25-羟基维生素D浓度与CAVD的关系尚无统一定论，需进一步探究。

5 新生血管形成

正常主动脉瓣中不存在血管，但在CAVD瓣膜的炎症细胞浸润区和钙化区可观察到有多支新生微小血管。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是能增强血管通透性、促进血管内皮细胞增殖、转移和血管生成的细胞因子。在CAVD病人中分离出的VICs有血管生成潜能、血管周围分化能力和VEGF-A的旁分泌作用，新生毛细血管样突起表达CD31、CD34和血管内皮生长因子受体-2(VEGFR-2)等内皮细胞标志物，提示血管生成在CAVD的发病机制中起作用[45-47]。VEGF通过激活三磷酸肌醇受体(IP3R)/钙离子-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)/环腺苷酸反应元件结合蛋白(CREB)信号通路上调VICs中Run相关转录因子2的表达，导致成骨特异性基因激活[48]。另外，主动脉瓣膜中的肥大细胞和肌成纤维细胞还可以通过改变瓣膜中血管生成和抗血管生成因子之间的平衡来加速CAVD的发展[49]。而新生血管的生成为之后骨组织的形成提供了条件。

6 骨化学说

主动脉瓣膜钙化与骨骼钙化有很大的相似之处，有许多共同的调控途径和成骨细胞亚群。CAVD瓣膜中存在促进成骨因子增加和钙化抑制剂丢失活性的过程，导致ECM和骨组织蛋白的沉积。骨形态发生蛋白(BMP)可刺激成骨细胞形成骨组织，在瓣膜中BMP表达增加，尤其是BMP-2和BMP-4增加了VICs中碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素的活性[50]，而基质GLA蛋白(MGP)是防止钙化的主要保护因素，阻碍BMP-2合成，降低VICs的钙化[51]。由肝细胞分泌的胎球蛋白-A也被认为是钙化抑制剂，低水平胎球蛋白-A与CAVD有着明显的关联性，它拮抗BMP-2和TGF-β1，在血浆中与钙、磷形成钙蛋白颗粒复合物抑制血液中磷酸钙晶体的生长，防止瓣膜的钙化[52-53]。Wnt/β-catenin、NF-κB受体激活剂(RANK)/NF-κB受体激活剂B配体(RANKL)/骨保护素(OPG)通路在瓣膜钙化过程后期阶段起着至关重要的作用[1]。与健康瓣膜相比，CAVD中VICs的RANKL含量高，而OPG含量极低，RANKL对RANK的刺激导致了VICs的成骨细胞分化[54]。TGF-β1和BMP-2能够诱导β-catenin的核转位，增加Wnt信号的表达，刺激VICs向成骨细胞分化[1]。Wnt/β-catenin通路是骨形成过程中最重要的调节因子之一，导致RUNX2的表达，通过成骨细胞促进骨组织的形成。因此，成骨因子的激活和Wnt等相关通路的功能障碍都会导致VICs中促成骨信号的增加。

7 肾素-血管紧张素系统(RAS)

RAS与心脏许多疾病相关联，已被证明对许多具有病理生理意义的刺激有反应，RAS产生生物活性的血管紧张素肽片段，如血管紧张素(Ang)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和1-7，通过不同细胞受体发挥作用，在激素分泌、细胞生长、抗增殖、活性氧生成、凋亡、促炎和促纤维化过程中发挥作用[55]。RAS通过AngⅡ1型受体局部表达的增强和AngⅡ活性的增加在CAVD的发病机制中发挥作用[56]。CAVD瓣膜上血管紧张素转换酶与糜蛋白酶的表达水平升高，说明瓣膜中促纤维化系统被激活[56]。AngⅡ是NF-κB途径的有效激活剂，在分离的细胞中有强烈的促纤维化作用，给予小鼠AngⅡ可以促进主动脉瓣纤维化及明显增厚[57]。临床对1 000多例经导管主动脉瓣置换术(TAVR)后严重的CAVD病人进行试验发现，接受血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)/血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(ARB)治疗的病人2年全因死亡率比未接受组更低[58]。由此，猜测RAS对CAVD的进展也起到了一定的作用。

8 基因学说

近年研究表明，CAVD与家族性因素有关，其钙化机制中信号通路及分子也受到基因水平的调控。在瑞典1万多例主动脉瓣狭窄病人中发现，有主动脉瓣狭窄兄弟姐妹史的个体患病风险增加了3倍以上[59]。在内皮细胞中NOTCH1通过改变增强子区域的表观遗传特征来调节1 000多个参与炎症和成骨基因的表达，导致主动脉瓣早期发育缺陷而加快人类CAVD进展[60-61]。miRNAs在基因表达的转录后修饰中具重要意义，研究发现miRNAs在动脉粥样硬化和正常瓣膜中表达差异，说明miRNA与CAVD有密切关系。研究表明，miR-26a、miRNA-30b、miR-34c、miR-29b、miR-138、miRNA-214等miRNA在CAVD瓣叶中表达明显下调伴有成骨标志物的上调，这些miRNA可能通过调节细胞凋亡、VICs成骨分化等途径抑制主动脉瓣膜钙化[62-64]。相反，miR-29b、miR-21、miR-24、miR-143的上调，可能为CAVD的致病因子[65-66]。而高水平miR-486诱导VICs表现为肌成纤维细胞表型，上调Runx2和骨折愈合特异性转录因子(OSX)的表达，并与低水平的miR-204协同作用，提高瓣膜的成骨活性[67]。这些新的发现表明，调节瓣膜促成骨活性的表观遗传机制对防止CAVD进展具治疗潜力。

9 结 语

CAVD是高度复杂的疾病，而非单纯退行性病变，与高循环阻力、慢性炎症、代谢紊乱、骨化及新血管生成等多样因素相关。在第七次全国人口普查中，60岁及以上人口占总人数18.70%，随着人口老龄化程度加深，CAVD成为日益加重的医疗负担。然而目前为止，仅经导管主动脉瓣置换术和球囊扩张瓣膜形成术是改善CAVD临床结果、提高生存率的唯一有效选择，因此，通过总结CAVD近几年最新发病机制以期为临床提供治疗策略，但其发病机制及各机制间关联尚未完全清楚，需进一步探索。