胸主动脉瘤发病机制
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胸主动脉瘤发病机制
主动脉瘤是指因主动脉壁薄弱而致主动脉管腔局限性扩张至正常值1.5倍或直径大于5 cm以上的一类疾病。当主动脉瘤的直径大于6 cm时，病死率高达11.8% ［ 1 ］ 。根据组织结构及中层平滑肌细胞胚胎来源的不同，主动脉可大体分为胸主动脉和腹主动脉。胸主动脉管壁的中层较厚，弹力纤维和胶原纤维的含量更为丰富，主要来源于胚胎时期的侧板中胚层和神经嵴，而腹主动脉则来源于近轴中胚层 ［ 2 ］ 。在发病机制上，胸主动脉瘤更多地被认为是以基因突变为主要机制，常累及主动脉根部及升主动脉 ［ 3 ］ 。胸主动脉瘤的主要病因是主动脉壁中层的囊性退行性变，组织学表现为弹性纤维的断裂和缺失，平滑肌细胞局部性减少和蛋白多糖的沉积，任何影响上述组织结构的基因突变都可能导致胸主动脉瘤的发生。近年来已发现至少37个基因与胸主动脉瘤的发病有关，带有某些致病性突变的胸主动脉瘤患者发生急性进展的年龄明显提前，严重威胁了患者生命。为了更方便地探讨胸主动脉瘤的遗传背景，习惯将其划分为综合征和非综合征两个类型，但实际上这两大类及各综合征之间的分子机制可能存在高度重叠。
一、综合征型胸主动脉瘤
1.马方综合征：
是一种常染色体显性遗传的结缔组织病，发病率为2~3/10 000 ［ 4 ］ 。马方综合征患者常伴有主动脉根部的瘤样扩张，且增长速度随着动脉瘤直径的增大而加快。当动脉瘤直径大于5.0 cm时，其继发夹层的概率为13% ［ 5 ］ 。
1991年，Dietz等 ［ 6 ］ 发现原纤维蛋白1（fibrillin-1，FBN1）基因为马方综合征的致病基因，超过90%的马方综合征患者中存在FBN1基因的突变，突变位点位于15号染色体（15q21.1）。FBN1基因编码的FBN1是细胞外基质中10~12 nm微纤丝组装的原材料。微纤丝参与弹性纤维和平滑肌细胞的交联，从而构成弹性收缩单元，并通过结合潜在转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）结合蛋白来限制TGF-β的活性 ［ 7 ］ 。FBN1基因的突变可导致弹性收缩单元的结构紊乱，主动脉壁薄弱；同时，TGF-β失去了TGF-β结合蛋白的调控，活化的TGF-β释放增多，进而激活平滑肌细胞内TGF-β信号通路。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）是TGF-β的效应分子之一。MMP-2和MMP-9的增多可导致马方综合征小鼠主动脉壁中层的弹性纤维降解、炎症细胞浸润以及平滑肌细胞表型改变；使用MMP非选择性抑制剂——多西环素进行治疗可以明显降低小鼠主动脉中MMP-2和MMP-9的水平，从而减少弹性纤维的变形和断裂 ［ 8 ］ 。
除TGF-β信号通路外，Fuente-Alonso等 ［ 9 ］ 提出了一氧化碳（NO）-可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）-环鸟苷酸依赖性蛋白激酶（PRKG）信号通路的致病作用。他们发现马方综合征患者及小鼠主动脉组织中蛋白硝化的水平和一氧化碳合酶2的水平增高，导致NO过载，NO进一步激活sGC诱导产生的PRKG，使平滑肌细胞的收缩功能下降，引发胸主动脉瘤。近年，Oller等 ［ 10 ］ 还发现，马方综合征患者的异常细胞外基质可导致主动脉平滑肌细胞的线粒体功能障碍，并伴有线粒体转录因子A和线粒体DNA的减少。平滑肌细胞线粒体功能障碍的小鼠会出现主动脉瘤，并于成年前死亡。烟酰胺核糖可以恢复线粒体的代谢功能，用药后，马方综合征小鼠的主动脉扩张程度显著降低。由此可见，线粒体功能障碍在胸主动脉瘤的形成中发挥了重要作用。
2. Loeys Dietz综合征（Loeys Dietz syndrome，LDS）：
Loeys等 ［ 11 ］ 在2005年首次报道了LDS。这是一种累及TGF-β信号通路的常染色体显性遗传病。LDS患者的临床表现主要为各动脉系统的动脉瘤或夹层，主动脉根部最常受累。根据突变基因的不同，LDS可分为6种不同亚型：LDS1［转化生长因子β受体（TGFBR）1基因］、LDS2（TGFBR2基因）、LDS3（SMAD3基因）、LDS4（TGFB2基因）、LDS5（TGFB3基因）、LDS6（SMAD2基因）。其中LDS2和LDS1最常见，分别占所有LDS患者的55%~60%和20%~25%，且LDS1、LDS2和LDS3型患者的早发夹层风险和死亡率明显高于其他类型 ［ 12 ］ 。
TGF-β信号通过SMAD经典通路和丝裂原活化蛋白激酶1/2（ERK1/2）、c-Jun氨基端激酶（JNK）/p38、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）等非经典通路调控细胞增殖、分化、迁移和代谢等多项生命活动。虽然LDS患者的基因突变为功能缺失型突变，但其体内的TGF-β信号通路却处于过度活化的状态，这反而成为了胸主动脉瘤的诱因。其具体机制并不明确，血管紧张素Ⅱ（Angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ）信号通路可能参与了TGF-β的活化过程。早期研究发现，血管紧张素1型受体拮抗剂——氯沙坦可使马方综合征小鼠的主动脉结构正常化，并伴有TGF-β信号的减弱和SMAD2磷酸化水平的降低，这提示马方综合征小鼠体内的Ang Ⅱ信号增强，并通过与血管紧张素1型受体结合，成为TGF-β信号通路的上游刺激因子 ［ 13 ］ 。Ang Ⅱ还可直接激活ERK1/2和JNK/p38等非经典通路或促进血小板反应蛋白-1生成，该蛋白可直接活化TGF-β，从而推动胸主动脉瘤的发生发展 ［ 14 ］ 。敲除小鼠血管紧张素1型受体或用血管紧张素原的反义寡核苷酸链减少Ang Ⅱ的产生也可扭转胸主动脉瘤中层的病理性重塑 ［ 15 ］ 。
然而，最近有研究对上述结论提出了质疑 ［ 16 , 17 ］ 。他们分别建立干细胞TGFBR1和SMAD3基因突变模型，并定向诱导分化为血管祖细胞系和神经嵴细胞系来源的平滑肌细胞，分别代表主动脉根部和升主动脉的细胞类型。结果发现，血管祖细胞系来源的平滑肌细胞的收缩表型改变，细胞外基质结构紊乱，并伴有TGF-β信号及其下游SMAD3-AKT通路的减弱而并非升高；但神经嵴细胞系来源的平滑肌细胞并未受TGFBR1突变的影响；而在SMAD3基因突变模型中表现为SMAD2磷酸化增加，TGF-β信号通路的活性增强。以上现象说明，LDS患者体内的TGF-β信号通路不是简单的普遍性增强，不同细胞依赖的下游信号也存在差异，故LDS中TGF-β信号通路的异常还需要更具有针对性的研究来进一步确证。
3.血管型Ehlers-Danlos综合征（vascular Ehlers-Danlos syndrome，vEDS）：
Ehlers-Danlos综合征由Ehlers和Danlos分别在1898和1908年提出，是一种以血管脆性增加、皮肤弹性过强以及关节活动度过大为主要特征的常染色体显性遗传结缔组织病。其可分为13个亚型，其中与胸主动脉瘤发病最相关的是vEDS，占所有Ehlers-Danlos综合征的4%~5%。vEDS患者在青少年时期即可发生恶性血管事件，其中大部分患者携带Ⅲ型胶原A1（COL3A1）基因的突变 ［ 18 ］ 。
COL3A1基因是编码Ⅲ型胶原纤维前α1链的基因，Ⅲ型胶原纤维是主动脉壁中层细胞外基质的重要组分，对主动脉壁整体的抗张力强度起关键作用。Chiarelli等 ［ 19 ］ 通过研究vEDS患者的皮肤成纤维细胞发现，COL3A1基因的突变具有负显性效应，前α1链的合成障碍可影响多达969个基因的表达，主要涉及细胞外基质结构蛋白、内质网相关蛋白和细胞周期调控蛋白等调节细胞内外环境的关键蛋白。继发的典型表现有胞外弹性纤维网络系统功能障碍；胞内蛋白质加工受阻，异常蛋白质的堆积诱导内质网应激性细胞凋亡；DNA复制错误及损伤修复机制失调致细胞周期紊乱和分裂障碍等。由此可见，COL3A1基因突变的负显性效应影响重大，极可能造成主动脉壁中层结构的破坏。
塞利洛尔是一种肾上腺素β1受体阻滞剂兼β2受体激动剂，目前主要用于高血压的治疗。有研究发现，塞利洛尔可以促进胸主动脉壁生物力学完整性的恢复，对vEDS患者不良血管事件的发生有明显预防作用，但氯沙坦却没有明显效果 ［ 20 ］ 。而Bowen等 ［ 21 ］ 提出了不同的见解，他们通过vEDS小鼠模型的研究发现，内质网应激只出现在小鼠主动脉外膜的平滑肌细胞中，塞利洛尔和氯沙坦均没有相应的保护效果，塞利洛尔甚至加速了小鼠主动脉夹层的发生。另外，拮抗催产素和雄激素能分别提高产后小鼠和性成熟小鼠的生存率，甚至达到90%~100%。免疫印迹实验证实了两者共同的磷脂酶C（PLC）/三磷酸肌醇（IP 3）/蛋白激酶C（PKC）/ERK通路与小鼠主动脉破裂和死亡直接相关。这项研究的结果提出了全新的研究方向，也进一步提示vEDS内在分子机制的复杂，相关药物的有效性还有待更深入的研究。
还有许多基因也可导致综合征型的胸主动脉瘤，但它们发生主动脉夹层及破裂的风险较上述综合征小，往往不会低于临床普遍建议的5.0 cm干预阈值，故此处不再详细阐述。
二、非综合征型胸主动脉瘤
（一）主动脉瓣二瓣化畸形（bicuspid aortic valve，BAV）
BAV是最常见的先天性心血管畸形，40%~60%的患者伴有升主动脉扩张，主要表现为主动脉根部瘤及升主动脉瘤。主动脉瓣、升主动脉和主动脉弓都来源于侧板中胚层和神经嵴，因此，BAV与胸主动脉瘤在发病机制上极可能存在内在联系。目前在GeneCards网站上与BAV主动脉畸变相关的基因有21个，且Notch信号通路的异常及NOTCH1基因的突变被认为是BAV伴发胸主动脉瘤的最主要分子机制。
Notch是一个高度保守的信号通路，其在细胞、器官乃至个体生长发育过程中起到重要的指向作用，并通过调节上皮间质转化等细胞活动来参与主动脉瓣及血管的形成、重塑和修复。Balistreri等 ［ 22 ］ 发现，正常三叶瓣的胸主动脉瘤患者中的Notch信号通路高度激活，参与主动脉壁的修复；而在二叶瓣的胸主动脉瘤患者中，所有Notch受体及配体的基因表达均下调，外周血中游离型Notch受体蛋白1显著减少，提示Notch信号通路及其介导的上皮间质转化均发生了衰减。NOTCH1则是编码Notch受体蛋白1的基因，相关突变可导致BAV的形成，同时诱发胸主动脉瘤。近年，Abudupataer等 ［ 23 ］ 设计了体外器官芯片实验模型，发现NOTCH1基因表达的下调可伴随线粒体融合蛋白的同步下降，BAV-胸主动脉瘤患者的平滑肌细胞存在线粒体功能失衡，线粒体融合/分裂平衡偏向分裂一侧。使用来氟米特等促线粒体融合药物可有效改善患者的线粒体功能，并部分恢复平滑肌细胞的收缩表型。这又一次证明了线粒体在主动脉疾病中的重要地位。
除此之外，Gould等 ［ 24 ］ 发现，与BAV形成有关的迂回轴突引导受体4（ROBO4）基因突变可破坏血管内皮细胞的屏障功能，并导致主动脉中层的病理性重塑，从而诱发BAV患者的胸主动脉瘤。Corbitt等 ［ 25 ］ 在特纳综合征患者中发现，X连锁的MMP组织抑制因子1基因表现为单倍剂量不足，并伴有位于22号染色体的MMP组织抑制因子3的突变，两者表达的减少会促进BAV的形成，并打破主动脉壁中MMP与MMP组织抑制因子间的平衡，使BAV相关主动脉病变的发生率增加近13倍。
（二）家族性非综合征型胸主动脉瘤
约20%的胸主动脉瘤患者有阳性家族病史，这部分患者除具有主动脉病变外，未出现其他明显的临床症状或未达到相关综合征的诊断标准，所以被称为家族性非综合征型胸主动脉瘤。相较于阴性家族史的胸主动脉瘤患者，这部分患者有更高的主动脉夹层发生风险，且发生年龄明显早于前者。除FBN1、COL3A1及TGF-β信号通路等相关基因突变外，家族性非综合征型胸主动脉瘤中与平滑肌细胞相关的4个基因突变，即平滑肌细胞肌动蛋白α2（actin alpha 2，ACTA2）、肌球蛋白重链11（myosin heavy chain 11，MYH11）、肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MYLK）、环鸟苷酸依赖性蛋白激酶1（cGMP-dependent protein kinase 1，PRKG1）也常导致患者在主动脉直径小于5.0 cm时发生恶性事件 ［ 26 ］ 。因此，对这类患者进行遗传机制的研究有利于临床干预策略的制定。
1.ACTA2：
ACTA2突变是影响平滑肌细胞收缩功能最常见的基因突变，患者的临床表现以升主动脉瘤为主，部分患者表现为心肌梗死、脑动脉瘤以及类似烟雾病的神经血管畸形。已发现超过40种的错义突变与α-肌动蛋白结构功能的紊乱相关，其中R258C错义突变在人群中较为常见。Lu等 ［ 27 ］ 和Liu等 ［ 28 ］ 相继发现，携带R258C突变的患者平滑肌细胞中的肌动蛋白丝不稳定，易被切丝蛋白分解，同时肌动蛋白单体与抑制蛋白的结合更加紧密，难以聚合；外膜肌成纤维细胞的细胞骨架紊乱，导致其对机械应力的反应和重塑外膜的能力下降。Massett等 ［ 29 ］ 的实验也证实，ACTA2基因缺失小鼠的平滑肌细胞收缩表型改变，并伴有γ-肌动蛋白代偿性合成增多，细胞膜整合素募集减少。这不仅增加了细胞的僵硬程度，还使平滑肌细胞与细胞外基质的交联减少，失去了对细胞外基质的调控。Chen等 ［ 30 ］ 发现，ACTA2基因缺失小鼠的主动脉组织中Ang Ⅱ的水平未增加，但用氯沙坦治疗后，主动脉根部扩张程度依然可以减小。随后的研究显示，α-肌动蛋白的缺失可导致活性氧水平的增高，并增加核转录因子κB信号，上调血管紧张素1型受体的表达，从而导致在Ang Ⅱ不增加的前提下，血管紧张素1型受体信号依然增强，推动胸主动脉瘤的进展。
2. MYH11：
MYH11基因编码的肌球蛋白11，是平滑肌β肌球蛋白重链的重要组成部分。MYH11是第1个被发现与平滑肌细胞收缩功能异常相关的基因，约1%的家族性非综合征型胸主动脉瘤与MYH11的突变有关，临床表现为升主动脉瘤，动脉粥样硬化以及较高比例的动脉导管未闭。国内外研究显示，肌球蛋白头部R247C的罕见突变，可同时影响三磷酸腺苷（ATP）结合位点和肌动蛋白结合位点，从而影响平滑肌细胞的收缩功能；在血流动力学正常的纯和突变（MYH11 R247C/R247C）及杂合突变（MYH11 R247C/+）小鼠模型中均未表现出比野生型更高的胸主动脉瘤发生率。但在高血压背景下，携带突变的小鼠出现了主动脉壁内分层与蛋白多糖的局灶性聚集，升主动脉扩张度明显增加，顺应性降低，说明该突变可能是高血压背景下胸主动脉瘤发病的危险因素 ［ 31 , 32 ］ 。除此之外，MYH11突变还可表现为肌球蛋白过表达，使患者平滑肌细胞中蛋白折叠错误诱导的内质网应激增强，促进了细胞的自噬反应，从而导致细胞的收缩功能紊乱 ［ 33 ］ 。
3. MYLK：
MYLK基因编码的肌球蛋白轻链激酶，是肌球蛋白和肌动蛋白相互作用的正调控因子，累及肌球蛋白轻链激酶结构域和钙调蛋白结合结构域的基因突变将导致其功能丧失，从而引发胸主动脉瘤。Wallace等 ［ 34 ］ 对来自7个家族的60例携带有MYLK突变的个体进行研究，其中20例出现主动脉夹层，A型夹层占85%。这些发生夹层患者很少伴有明显的主动脉扩张，且中位年龄仅为48岁。Kaplan-Meier生存曲线显示，错义突变者初发夹层的年龄比无义突变提早了约10年。让人疑惑的是，体外实验中并未发现肌球蛋白轻链激酶活性的明显降低。因此，MYLK突变的具体机制还需要进一步的研究，不同突变的临床危险分级和干预阈值也待更细致的考量。
4. PRKG1：
PRKG1基因编码的蛋白激酶G（protein kinase G，PKG-1）在血管平滑肌中广泛表达，PKG-1与环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）结合可促进肌球蛋白轻链磷酸酶的活化，拮抗肌球蛋白轻链激酶的作用，诱导平滑肌细胞的舒张。目前，关于PRKG1相关突变所致的主动脉疾病的研究较少。Guo等 ［ 35 ］ 报道了位于cGMP结合结构域的R177Q错义突变可导致胸主动脉瘤，平均发病年龄仅31岁，且多小于50岁；该突变并未导致PKG-1活性的下降，反而使其在没有cGMP结合的条件下高度激活。在小鼠模型（PRKG1 R177Q/+）中也证实，杂合突变小鼠PKG-1的基线活性水平是野生型的3倍，PKG-1介导的JNK信号通路活化，上调了还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4的水平，其作为上游信号进一步诱导TGF-β1、过氧化氢和MMP-2等活性产物的增加，从而导致平滑肌细胞凋亡，弹性纤维断裂 ［ 36 ］ 。PKG-1的活性增强机制一直备受争议，近年，Chan等 ［ 37 ］ 对PKG-1自磷酸化的活化理论提出了质疑，因为在细胞内，他们并未发现PKG-1的自磷酸化现象。氢/氘交换质谱分析显示，RQ错义突变使PKG-1的空间构象直接转化为活性状态，由此才导致了PKG-1不依赖cGMP的活性增高现象。
胸主动脉瘤的患者中，有80%左右未发现明确的家族遗传史，但近年来对这些散发病例的基因背景也进行了不少的探索。Guo等 ［ 38 ］ 在355例散发病例中发现9.3%的病例含有上述综合征或非综合征型相关的基因突变（FBN1、TGFBR1、COL3A1、SMAD3、ACTA2、TGFB2、TGFBR2）。另一项研究发现了其他4个可能与散发胸主动脉瘤相关的基因（CLU、DES、MYH10、FBLN5） ［ 39 ］ 。综上所述，基因突变在胸主动脉瘤发病机制中的权重可能远超过目前认为的比例，对胸主动脉瘤患者进行基因检测有利于我们进一步探索胸主动脉瘤更多的遗传背景，提供更多潜在的诊断和治疗靶点。专家共识认为，当主动脉直径大于或等于4.5 cm且没有高血压病史的50~60岁患者以及无综合征表型的主动脉瘤患者均应进行基因检测或者全外显子测序 ［ 40 ］ 。
虽然越来越多的与胸主动脉瘤的发生相关的基因及突变位点被发现，但由于基因的序列长度和突变位点千差万别，基因编辑技术用于临床治疗依然面临着众多挑战。基于二代测序技术和全基因组关联分析，从基因水平出发，向下游探索胸主动脉瘤完整的发病机制，有利于对胸主动脉瘤进行人群筛查、早期诊断、产前咨询以及及时干预。依据胸主动脉瘤不同的发病机制，构建细致具体的疾病分型，并匹配适宜的治疗手段将是未来的研究方向。目前，基于致病基因进行早期诊断并指导治疗是可以实现的。Faggion Vinhdo等 ［ 41 ］ 总结了不同致病基因突变的干预指征：对于TGFBR1（LDS1）、TGFBR2（LDS2）和SMAD3（LDS3），升主动脉直径为4.0~4.5 cm时可进行干预；对于ACTA2、MYH11、MYLK、PRKG1和TGFB2（LDS4），升主动脉直径为4.5~5.0 cm时可进行干预；对于FBN1（马方综合征）和COL3A1（vEDS），直径小于5.0 cm时应进行干预；以下基因若发生突变可在升主动脉直径为5.0~5.5 cm时进行干预，ariadne RBR E3泛素蛋白连接酶1（ARIH1）、双糖链蛋白多糖（BGN）、Ⅰ型胶原A2（COL1A2）、Ⅴ型胶原A1（COL5A1）、Ⅴ型胶原A2（COL5A2）、纤连蛋白4（EFEMP2）、弹性蛋白（ELN）、弹性蛋白微原纤维界面因子1（EMILIN1）、原纤维蛋白2（FBN2）、赖氨酸氧化酶（LOX）、TGF-β结合蛋白1（LTBP1）、TGF-β结合蛋白3（LTBP3）、微纤丝关联蛋白5（MFAP5）、ROBO4、金属蛋白酶组织抑制剂3（TIMP3）、金属蛋白酶组织抑制剂1（TIMP1）、细丝蛋白A（FLNA）、叉头蛋白E3（FOXE3）、Sloan Kettering原癌蛋白（SKI）、葡萄糖转运蛋白10（SLC2A10）、SMAD2、SMAD4、SMAD6、TGFB3、环化核苷酸调控阳离子通道蛋白亚型4（HCN4）、甲硫氨酸腺苷转移酶2A（MAT2A）和NOTCH1。但是，手术只能替换部分主动脉，不能阻止患者残余主动脉及分支的疾病进展。因此，要想彻底地攻克胸主动脉瘤，机制研究是必经之路。然而，机制的基础研究仍有许多值得思考的地方。目前，寻找胸主动脉瘤发病的“开关”分子，主要依靠基因组、转录组、蛋白组甚至多组学测序。对照组的选择以及样本量的大小直接决定了研究的可靠性和代表性。多数样本为患者扩张病变的主动脉壁，于疾病发展末期的组织中获得的差异分子是否包含导致动脉瘤发病的“开关”分子？验证实验中所用的细胞模型和动物模型能否真实地模拟患者体内的情况？热门的细胞表型是否是胸主动脉瘤发病的关键表型？发病通路的研究是否全面？多数研究认为TGF-β和Ang Ⅱ信号通路在众多不同的遗传环境下均参与了胸主动脉瘤发病的过程，并且也有研究证明了相关的靶向拮抗药物有利于延缓甚至逆转主动脉壁的扩张。然而，TGF-β通路的致病机理仍然存在较大争议，过度激活通路会诱发主动脉瘤，过度抑制又会促进非经典通路的激活，进而加速主动脉瘤的进展。因此，充分了解胸主动脉瘤病理机制，构建相对完整的细胞分子网络图鉴尤为重要。
引用：周晨昱,谢恩泽华,于存涛. 胸主动脉瘤发病机制研究进展[J]. 中华心血管病杂志,2024,52(09)：1120-1125.