肺动脉高压发病机制中的肺血管重塑
作者：张嘉莹，樊勇，张卓莉
【摘要】肺动脉高压是一类临床危重的心肺血管疾病，以肺血管阻力增加、进行性肺动脉压力升高、最终导致右心衰竭，甚至死亡为临床特点。肺血管重塑在肺动脉高压的发生发展过程中扮演着关键角色，尽管近年来靶向药物治疗已经显著改善了肺动脉高压患者的预后，目前的药物主要靶向血管舒缩功能，同时有部分改善血管重塑的作用，但无法根本上逆转肺血管重塑，故患者预后依然较差。本文从遗传机制、低氧及气体分子机制、炎症和免疫异常机制以及当前的一些新机制(内皮间质转化、异常能量代谢、表观遗传调节)等方面综述肺动脉高压发病机制中肺血管重塑的研究进展，以期为肺动脉高压的治疗提供新的思路。
【关键词】肺动脉高压；血管重塑；免疫异常；遗传机制
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肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)属于肺高血压的第一大类，主要由肺小动脉本身病变引起的肺血管阻力增加，根据2022年European Society of Cardiology(ESC)and the European Respiratory Society(ESC)最新指南，其血流动力学诊断标准为右心导管测量的静息下平均肺动脉压>20 mmHg，肺小动脉楔压≤15 mmHg，肺血管阻力>2 Wood单位[1]。PAH的发病机制极为复杂，基因突变、免疫炎症、血管活性物质失衡、能量代谢异常等多种因素参与，肺血管重塑是PAH的特征性病理改变，主要表现为肺动脉内膜增生、中膜肥厚、外膜纤维化及“丛样”病变形成，这些病变导致肺动脉管腔进行性缩窄，肺血管阻力升高[2]。现阶段临床上治疗药物靶向一氧化氮、前列环素、内皮素这三大经典途径以改善血管舒缩功能为主，对血管重塑有一定的改善作用，但无法真正逆转血管重塑，因此PAH预后仍然较差。来自目前全球最大PAH队列的REVEAL研究发现，在靶向治疗下PAH患者1、3、5年的生存率仅为85%、68%和57%[3]。因此，更加深入的机制研究及新药开发将有助于进一步改善PAH整体预后。本文就PAH血管重塑机制领域最新研究进展综述。
1、遗传机制
高通量测序技术的发展使得更多新的致病基因被识别，大大提高了人们对PAH分子遗传学方面的认识。与PAH发病相关且有较高证据水平支持的基因共12个，分别为BMPR2、EIF2AK4、TBX4、ATP13A3、GDF2、SOX17、AQP1、ACVRL1、SMAD9、ENG、KCNK3和CAV1，较低证据水平支持的基因5个，分别为SMAD4、SMAD1、KLF2、BMPR1B和KCNA5[4]。
骨形成蛋白Ⅱ型受体(bone morphogenetic protein receptor typeⅡ，BMPR2)基因无功能性突变是PAH最常见的遗传因素，西方人群中遗传性PAH和特发性PAH患者中出现BMPR2基因突变的比例为70%～80%和20%～40%，相应地在我国人群中的比例分别53%和15%[5]。BMPR2主要在肺动脉内皮细胞(pulmonary arterial endothelial cell，PAEC)、肺动脉平滑肌细胞(pulmonary arterial smooth muscle cell，PASMC)以及外膜成纤维细胞上表达，可特异性识别转化生长因子(TGF-β)超家族。BMPR2突变一方面可使PAEC凋亡增加，促炎因子和生长因子释放增多，导致内皮功能障碍，另一方面促使PASMC过度增殖迁移，促进血管重塑的形成。一项Ⅱa期临床实验发现他克莫司(FK506)可显著上调PAH患者BMPR2表达，进而改善TGF-β诱导的血管重塑[6]，期待后续更大样本的临床试验结果。
我国学者荆志成教授团队采用全外显子组遗传负荷分析策略发现骨形态发生蛋白9(bone morphogenetic protein 9，BMP9)基因突变使PAH发病风险上升22倍，并可解释6.7%的特发性PAH患者病因，使其成为排名第二的特发性PAH致病基因。BMP9基因突变显著影响BMP9蛋白合成和分泌，严重损伤BMP9对肺血管的保护功能[7]。此后，该团队还进一步发现罕见基因PTGIS变异在特发性PAH患者中发生频率为6.1%，使其发病风险上升了7.8倍，并且对前列环素类似物的肺血管反应更敏感，可为临床精准用药提供指导[8]。这些研究拓展了PAH患者的基因突变图谱，未来或可针对这些突变基因研发靶向治疗方法，逆转肺血管重构，改善患者预后。
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2、炎症和免疫异常机制
异常的免疫炎症是PAH血管重塑发生机制中至关重要环节，大量研究证实PAH患者和动物模型肺血管周围大量免疫细胞浸润，补体、免疫球蛋白、炎症因子沉积[9]。此外，这些患者外周血中出现大量明显升高的细胞因子和特异性自身抗体，这些都提示免疫细胞功能改变及细胞因子释放失调在PAH肺血管重塑中发挥着重要作用。
T、B淋巴细胞是机体适应性免疫的核心细胞。辅助性T细胞(helper T cell，Th细胞)可分为Th1、Th2、Th17等，Th1/Th17细胞可通过分泌促炎因子干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素(IL)-1、IL-6等激活或加重炎症反应进而导致肺血管重塑；而Th2细胞作用机制不同，研究发现激活Th2细胞膜受体CRTH2会促进Th2细胞分泌IL-4、IL-13进而促进PASMC的增殖[10]。调节性T细胞(regulatory cells，Treg细胞)正常情况下通过释放IL-10抑制血管周围炎症反应，减少血管损伤，维持免疫稳态，但PAH患者和动物模型存在Treg细胞功能缺陷，非抑制性Treg细胞亚群数量增加[11]，进而促进肺部炎症影响PAH血管重塑过程。B淋巴细胞则通过释放多种自身抗体，诱导PAEC凋亡，激活炎症反应，促进成纤维细胞活化诱导胶原蛋白合成，加重肺血管重塑[12]。通过CD20单抗清除B细胞治疗硬皮病相关PAH的Ⅱ期临床研究(NCT01086540)正在进行中，期待得到理想的结果。
表1 免疫细胞在肺血管重塑病理中的作用机制
Th1、Th17、Th2：辅助性T细胞1、辅助性T细胞17、辅助性T细胞2；Treg：调节性T细胞；IFN-γ：干扰素-γ；TNF-α：肿瘤坏死因子α；IL-1、IL-6、IL-4、IL-13：白细胞介素1、白细胞介素6、白细胞介素4、白细胞介素13；PASMC：肺动脉平滑肌细胞；PAEC：肺动脉内皮细胞；VEGF：血管内皮生长因子；PDGF：血小板衍生生长因子；MMP-9：基质金属蛋白酶-9；NETs：中性粒细胞胞外诱捕网
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固有免疫中，巨噬细胞、NK细胞、肥大细胞、中性粒细胞等在PAH发生过程中扮演重要角色。巨噬细胞在病变局部肺组织中大量浸润，通过分泌大量IL-6、TNF-α、IL-1β等促炎因子，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、成纤维细胞生长因子等生长因子，一方面作用于其他免疫细胞加重炎症反应，另一方面可直接促进血管壁各层细胞的异常增殖、迁移，诱导肺血管重塑。巨噬细胞根据微环境变化可活化为M1型和M2型两种亚群，M1型高表达促炎因子发挥强大促炎作用，而M2型通过分泌IL-4、IL-10及多种生长因子参与损伤组织修复以及促进恶性肿瘤增殖等过程。本课题组前期的一项研究发现在动物模型中M1型巨噬细胞仅在PAH形成早期表达，中晚期下降至接近正常水平，而M2型巨噬细胞随着时间延长逐渐增多[13]，Tang等[14]研究也得到了相似的结果。体外实验发现M2型巨噬细胞具备明显促PASMC和PAEC增殖作用，在肺血管重塑过程中担当重要角色[13]。此外，Ormiston等[15]发现PAH肺组织中NK细胞数量减少且伴功能缺陷，表达过量的基质金属蛋白酶-9(matrix metalloprotein-9，MMP-9)，影响肺血管重塑；Kosanovic等[16]发现肥大细胞数量增多且功能增强，分泌过量的蛋白酶，使用c-kit抑制剂和/或肥大细胞稳定剂后可减轻PAH肺血管重塑。中性粒细胞则通过分泌中性粒细胞弹性蛋白酶水解细胞外基质刺激肺血管重塑[17]，同时在PAH患者肺组织丛状病变处发现中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophil extracellular traps，NETs)现象，体外实验发现NETs可刺激PAEC释放内皮素(endothelin-1，ET-1)促进PASMC增殖[18](表1)。
细胞因子是由细胞经刺激合成、分泌的一类具有广泛生物学活性的小分子蛋白。与健康人相比，PAH患者血清中多种细胞因子水平明显升高，其中IL-2、IL-6、IL-8、IL-10浓度与患者预后直接相关[19]。这些异常表达的细胞因子通过募集免疫细胞，调节免疫细胞功能，发挥调控PAEC、PASMC和成纤维细胞增殖、迁移作用，参与PAH血管重塑。最新一项纳入2，017例PAH患者的研究发现血清IL-6在各种类型PAH患者循环血液中均显著升高，并且与远期不良预后相关[20]。IL-6是一种多效能促炎因子，在PAH发病机制中的重要作用被广泛探索。IL-6可通过STAT3-miRNA17/92信号通路抑制BMPR2表达，从而促进PAEC增殖，参与肺血管重塑过程[21]。动物实验发现皮下注射重组IL-6或通过基因修饰过表达IL-6可使肺小动脉壁增厚，远端小动脉肌化以及丛状病变产生，诱导自发性PAH[22]。既往文献报道IL-6受体单克隆抗体托珠单抗可有效治疗多种危重型PAH，目前托珠单抗治疗PAH的临床试验(TRANSFORM-UK研究，NCT02676947)也正在进行中。此外，一些趋化因子及其配体也积极参与PAH血管重塑过程，例如巨噬细胞通过CCL5-CCR5轴诱导肺动脉平滑肌细胞增殖，该作用可被CCR5拮抗剂马拉韦罗(maraviroc)阻断[23]。
可以说，异常免疫炎症反应是PAH血管重塑的核心发病机制。目前，靶向特异性免疫细胞、细胞因子等是PAH领域非常有前景的治疗策略，非常期待相关靶向药物为PAH治疗打开新的大门。
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3、异常能量代谢
近年来的研究发现PAH肺血管壁细胞存在异常的能量代谢，尤其是糖代谢异常。正常情况下细胞主要通过氧化磷酸化产生能量，而沃伯格效应指肿瘤细胞糖代谢从有氧磷酸化转变为有氧糖酵解的过程。研究发现PAH肺血管壁细胞也会出现类似肿瘤细胞的糖代谢异常，使用18FDG-PET成像观察到PAH患者和动物模型肺组织中葡萄糖摄取和利用增加[24]，这种异常代谢转换可促进PASMC增殖和细胞外基质的产生导致肺血管重塑[25]。在糖代谢途径的选择过程中，丙酮酸脱氢酶复合物作为守门员起到调节氧化磷酸化和糖酵解途径平衡的作用，丙酮酸脱氢酶复合物受到丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinases，PDKs)的抑制调控作用，使得氧化磷酸化途径受阻，继而糖酵解途径激活。PAH患者肺动脉组织中PDKs表达上调，一项关于PDKs抑制剂二氯乙酸为期4个月的临床实验显示：抑制PDKs可降低平均肺动脉压及肺血管阻力[26]。
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4、其他新机制
4.1 内皮间质转化
内皮间质转化(endothelial mesenchymal transition，EndMT)指在某些特定的病生理条件下，内皮细胞间连接丢失，获得间质细胞特异性标志物，其增殖/迁移能力显著增强的过程。Qian等[27]首次报道PAH患者肺组织样本中的新生内皮细胞表面出现内皮细胞标记物CD31和平滑肌细胞标记物α-SMA共表达，随后，Ranchoux等[28]利用透射电镜在PAH患者病变血管处发现了EndMT的直接微观证据，并将EndMT与异常BMPR2信号联系起来，体外实验发现BMPR2缺失的小鼠通过上调转录因子twist和vimentin磷酸化促进EndMT发生，从而出现肺血管重塑现象。多项动物实验证实抑制EndMT可显著减轻肺血管重塑进而改善PAH[29-30]。可以说，EndMT发生使得内皮细胞转化为间充质细胞，从而获得极强的增殖能力，直接引起血管壁增厚，这可能为未来逆转PAH肺血管重塑带来全新的策略与曙光。
4.2 低氧及气体信号分子机制
长期低氧导致的往往是毛细血管后肺高血压(第三类)，但低氧及其相关信号通路同样也是PAH发病机制中重要环节。缺氧环境会使缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)表达升高，引起其下游的一系列血管活性物质表达异常，如ET-1、VEGF、FGF等表达上调，促进PAEC和PASMC异常增殖，导致肺血管管壁增厚。研究表明，PAH患者中HIF-1α和HIF-2α表达明显升高，在多种PAH动物模型中使用选择性HIF-2α抑制剂可以抑制血管重塑，逆转PAH[31]。最新研究发现缺氧条件下HIF-1α诱导肺血管平滑肌CD146表达，而CD146通过NF-κB促进HIF-1α转录，在动物模型中使用抗CD146抗体靶向此正反馈通路可有效缓解缺氧导致的肺血管重塑，这或许将成为临床治疗的一个潜在靶点[32]。
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与PAH相关的气体信号分子包括一氧化氮(NO)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。近年来，越来越多的研究发现内源性H2S和SO2作为含硫气体信号分子在PAH的形成中发挥重要作用。H2S是一种肺动脉扩张剂，由平滑肌细胞产生，具有抗氧化、抗炎、调节PASMC增殖和凋亡等作用[33]。SO2具有舒张血管、抑制细胞增殖的生理活性，最新研究显示SO2可能通过DKK1/Wnt信号通路抑制PASMC的增殖和迁移，改善肺血管重塑[34]。CO主要通过血红素加氧酶催化血红素生成，研究发现CO可抑制PASMC增殖并促进其凋亡，改善PAH动物肺血管重塑，该过程依赖于功能性eNOS和NO的产生[35]。气体信号分子与PAH血管重塑关系日益受到重视，但由于相关机制复杂，尚需更为深入的研究。
4.3 表观遗传机制
表观遗传学是指在DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达与功能发生改变，并产生可遗传的表型，主要包括非编码RNA(non-codingRNA，ncRNA)、DNA甲基化、组蛋白修饰等。ncRNA是一类不编码蛋白质的RNA，越来越多研究显示ncRNA与PAH发病密切相关。Han等[36]和Santos-Ferreira等[37]分别总结了与PAH发病相关的lncRNA和microRNA，其中一部分如miR-124、miR-140、miR-204、TYKRIL、H19等参与促进PASMC异常增殖及凋亡抵抗，进而导致血管重塑。组蛋白乙酰化修饰过程积极参与调节PAH关键致病基因的表达与功能，研究证实PAH肺组织中I类和Ⅱ类组蛋白去乙酰化酶(HDACs)表达增多、活性增强，促进肺动脉血管壁细胞增殖以及细胞外基质异常沉积，体外实验使用HDACs抑制剂可逆转成纤维细胞增殖[38]。目前关于HDACs的研究较少，HDACs及其抑制剂在PAH中的具体作用机制仍不清晰，期待未来在PAH表观遗传领域出现更多高质量的研究。
5、总结
肺血管重塑是PAH的特征性病理改变，大量研究证实了多种复杂且相互联系的机制，包括遗传机制、异常免疫炎症、异常能量代谢、内皮间质转化、低氧及气体分子、表观遗传调节等参与其中。根据上述研究结果，通过上调PAH患者BMPR2的表达、下调细胞因子IL-6水平或者靶向清除B细胞，抑制或逆转肺血管重塑，是PAH非常有前景的治疗靶点，目前与之相关的临床试验也在如火如荼地进行中。除此之外，靶向PDKs纠正PAH异常能量代谢、抑制EndMT、靶向相关microRNA从表观遗传层面改善血管重塑等也是PAH可能的潜在治疗靶点。深入PAH肺血管重塑机制的研究不仅有助于增加对PAH病理生理过程的认识，同时也为PAH靶向治疗提供新思路。目前，肺血管重塑机制仍存在许多未知，更多更深入的研究等待着科研工作者去开展。
DOI：10.3969/j.issn.1673-8705.2023.01.010
来源于中华临床免疫和变态反应杂志
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