高原低氧環(huán)境下血小板變化的研究現(xiàn)狀※

王卓亞綜述,崔森審校

(青海省高原醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)重點(diǎn)實驗室;青海大學(xué)高原醫(yī)學(xué)研究中心;青海大學(xué)附屬醫(yī)院)

我國生活在高原的人口約為6000～8000萬[1],每年因各種原因進(jìn)入高原的人數(shù)逐年增多,高原深靜脈血栓和中風(fēng)的發(fā)生率較平原明顯為高[2-4],可能與低氧所致血液高凝狀態(tài)有關(guān)。血小板作為血栓形成過程中的重要有形成分,其在高原低氧環(huán)境下的數(shù)目和功能均發(fā)生了一定的變化：多數(shù)研究顯示短期高原低氧會導(dǎo)致血小板數(shù)量升高,長期下降更為常見[5-7];而血小板的活化水平均以升高為主,也有觀點(diǎn)認(rèn)為低氧可以降低血小板的活化水平。本文就高原低氧環(huán)境下血小板變化的研究現(xiàn)狀綜述如下。

1 低氧對血小板生成的影響

血小板生成和破壞之間的失衡是血小板減少或增多的一個重要原因。在成人中,血小板生成包括兩步,一是造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells,HSCs)分化為成熟巨核細(xì)胞(megakaryocytes,MKs)的過程,二是MKs釋放血小板的過程,即血小板生成。在這兩個過程中影響任意一個因素都可能使血小板的生成受到影響。

1.1 低氧對HSCs的影響

在成人骨髓中,因HSCs具有分化多向性和自我更新能力而得以維持,MKs從HSCs所在的骨髓竇遷移到血竇,最終產(chǎn)生血小板并釋放入血,而骨髓竇和血竇內(nèi)環(huán)境失調(diào),可能會破壞血細(xì)胞的產(chǎn)生和維持。研究顯示骨髓竇在低氧微環(huán)境下有利于HSCs保持靜息狀態(tài)[8,9],而其增殖和分化是在相對高氧濃度的血竇中進(jìn)行的[10,11]。因此骨髓內(nèi)的氧濃度從低于1%到6%的變化,能夠滿足HSCs的自我更新和向各系增殖、分化過程中對氧濃度的不同要求[12]。高原低氧環(huán)境可能有益于HSCs保持靜止?fàn)顟B(tài)。一項針對15名健康志愿者的研究顯示,海拔的升高可以使機(jī)體進(jìn)入應(yīng)激狀態(tài)[13],而應(yīng)激會導(dǎo)致HSCs從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入增殖狀態(tài)[14,15],導(dǎo)致靜息狀態(tài)下的HSCs減少[16],從而影響其向MKs分化的能力。

1.2 低氧對MKs分化和成熟的影響

MKs由 HSCs和髓系祖細(xì)胞(commonmyeloid progenitor,CMP)、巨核系-紅系祖細(xì)胞(megakaryocyte-erythroid progenitor,MEP)、巨核系祖細(xì)胞(megakaryocyte progenitor,MKP)及巨核細(xì)胞爆式形成單位(megakaryocyte burst formationunit,BFUMK)、巨核細(xì)胞集落形成單位(megakaryocyte colony forming unit,CFU-MK)逐步分化而來。這些巨核系細(xì)胞最終失去其增殖能力,并進(jìn)入有絲分裂循環(huán),變?yōu)槌墒斓亩啾扼wMKs,體積也增大數(shù)倍,成熟的MKs的DNA含量可達(dá)128 N,平均含量為16N。在上述過程中MKs產(chǎn)生了大量的利于血小板生成的蛋白質(zhì),并擴(kuò)展形成碎片即血小板。

骨髓作為血液細(xì)胞發(fā)育、成熟的重要場所,其內(nèi)氧濃度的變化對MKs的分化、成熟產(chǎn)生了一定的影響作用。Spencer等[17]使用雙光子磷光壽命顯微鏡(two-photon phosphorescence lifetime microscopy)技術(shù)測出骨髓當(dāng)中的氧含量最高的地方位于骨髓中的血竇,氧分壓接近32 mmHg,最低的地方位于骨髓竇周圍深部,氧分壓低于9.9 mmHg。 HSCs從所處的氧含量最低的骨髓竇逐步靠近氧含量最高的血竇,并在這個過程中分化為成熟的MKs,繼而將前體血小板伸進(jìn)血竇,釋放入血,上述過程提示氧濃度越高,越利于MKs的成熟和血小板的釋放。體外實驗顯示,MKs在20%氧氣濃度下,會有更多多倍體的MKs產(chǎn)生,用血小板生成素(thrombopoietin,TPO)誘導(dǎo)的MKs體積會更大,更有利于產(chǎn)板,但是在5%的氧氣濃度下更有利于CFU-MK數(shù)量的生成[18]。說明骨髓中低氧環(huán)境有利于MKP數(shù)目的維持,富氧環(huán)境有利于MKs的成熟和血小板的產(chǎn)生。

在臨床工作中發(fā)現(xiàn)高原性紅細(xì)胞增多癥患者血小板較高原健康人群數(shù)目為少。有學(xué)者認(rèn)為低氧條件下增加了由低氧誘導(dǎo)因子介導(dǎo)的紅細(xì)胞生成素(erythropoietin,EPO)的轉(zhuǎn)錄[19],而紅系和巨核系細(xì)胞均由MEP分化而來[20],EPO增多,可能導(dǎo)致由MEP分化的紅系增多,相應(yīng)巨核系分化減少,這可能也是高原慢性缺氧血小板減少的一個原因。然而也有一些研究顯示,EPO既可以作用于MEP,也可以作用于MKP,它可以促進(jìn)體外MKs的生成,并在IL-6的協(xié)同下促進(jìn)前體血小板的形成[21]。

1.3 低氧對MKs產(chǎn)板的影響

一項關(guān)于低氧條件下MKs產(chǎn)板的研究發(fā)現(xiàn),急性低氧增加了較幼稚血小板的生成,而慢性低氧增加了成熟血小板的生成[22]。近期研究表明,應(yīng)激狀態(tài)下交感神經(jīng)興奮會釋放腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺等神經(jīng)遞質(zhì),并通過這些神經(jīng)遞質(zhì)使MKs向骨髓血竇內(nèi)皮細(xì)胞遷移,并通過骨髓-血竇內(nèi)皮黏附分子黏附于內(nèi)皮細(xì)胞,促進(jìn)前體血小板形成,最終加速血小板的產(chǎn)生和釋放,升高循環(huán)中的血小板水平[23,24]。急進(jìn)高原時,機(jī)體急性缺氧導(dǎo)致的應(yīng)激反應(yīng)可能促進(jìn)了血小板的產(chǎn)生和釋放。

Nishimura等[25]用雙光子成像系統(tǒng)直接觀察到小鼠體內(nèi)的單個血小板,他們發(fā)現(xiàn)由于血小板數(shù)量減少或炎癥引起的IL-1α水平升高可以導(dǎo)致MKs破裂,在這個過程中會釋放大量的血小板。關(guān)于血小板生成是否與caspase激活有關(guān),或血小板生成是否由 MKs凋亡介導(dǎo),仍存在爭議[26],Nishimura等[27]發(fā)現(xiàn)IL-1α/IL-Ⅱ型受體信號途徑可以導(dǎo)致caspase激活,而這個過程可以降低膜的穩(wěn)定性,并最終導(dǎo)致膜破裂。體外實驗表明骨髓來源的單個核細(xì)胞(bonemarrow-derivedmononuclear cells,MNCs)在低氧環(huán)境下培養(yǎng)24小時后其表達(dá)IL-1α的水平明顯上升[28]。推測急性缺氧下IL-1α的水平的升高可能促進(jìn)了MKs的凋亡,導(dǎo)致MKs破裂釋放大量血小板,致急進(jìn)高原者血小板短暫上升。

雖然骨髓被認(rèn)為是血小板生成的主要部位,現(xiàn)在多項研究發(fā)現(xiàn)肺部對血小板的產(chǎn)生也有一定的貢獻(xiàn)。Lefrancais等[29]發(fā)現(xiàn),大量的MKs從骨髓間隙遷移至肺,并動態(tài)地釋放血小板,肺內(nèi)產(chǎn)生的血小板約占血小板總產(chǎn)量的50%(每小時1000萬個血小板)。此外,他們還發(fā)現(xiàn)造血祖細(xì)胞存在于肺血管外空間,在血小板減少和骨髓中相對缺乏干細(xì)胞的情況下,這些祖細(xì)胞可以移出肺,重新填充骨髓,使血小板升至正常水平,并有助于多種造血譜系的分化,這些結(jié)果確定肺是終末血小板產(chǎn)生的主要部位和具有相當(dāng)大造血潛能的器官[29]。有研究發(fā)現(xiàn),肺動脈高壓患者中84%的人合并血小板減少[30],慢性高原低氧會引起肺小動脈痙攣,長時間會導(dǎo)致肺動脈高壓,引起肺微血管功能和結(jié)構(gòu)改變,而正常的肺微循環(huán)是成熟MKs向血管遷移、前體血小板形成及血小板釋放的基礎(chǔ)[31],推測高原低氧原因引起的肺動脈高壓可能也是血小板減少的原因之一。

2 低氧對血小板功能的影響

一項來自印度的研究[32]顯示,來自海拔3 000米以上地區(qū)的人群中風(fēng)發(fā)病率為13.7/1000,遠(yuǎn)高于更廣泛人群的中風(fēng)發(fā)病率(1.05/1000),特別是幾乎所有這些事件都發(fā)生在45歲以下缺乏其他心血管危險因素的患者。血小板的功能與血栓的形成密切相關(guān),長期低氧條件下的血小板活化水平升高[7],對誘導(dǎo)劑二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)和膠原-腎上腺素的反應(yīng)性增強(qiáng)[33],血小板合成纖溶酶原激活物抑制物1型(plasminogen activator inhibitortype,PAI-1)增多,同時血小板微泡釋放增多,這些都促進(jìn)了血栓形成[4]。急性低氧下的血小板的蛋白質(zhì)組學(xué)研究顯示,與活化相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平以及由小亞基鈣蛋白酶1(calpainsmall subunit1,CAPNS1)調(diào)節(jié)的鈣蛋白酶活性明顯升高,這在血小板高反應(yīng)性和血栓形成中起主要作用[34]。人從平原進(jìn)入高原兩個月后,對血小板的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)結(jié)果分析顯示血小板膜糖蛋白GPIV、GPVI和 GPIX、整合素 αIIbβ3的亞基、P-選擇素和血小板活化因子4表達(dá)均顯著升高,提示低氧條件下血小板活化水平升高。GPIV、GPVI和GPIX與膠原的相互作用促進(jìn)血小板與血管內(nèi)皮的黏附,并誘導(dǎo)信號級聯(lián)反應(yīng)致血小板活化使血栓形成。整合素αIIbβ3介導(dǎo)靜息狀態(tài)的血小板活化,并觸發(fā)外界信號傳導(dǎo),導(dǎo)致血小板擴(kuò)散、黏附、分泌顆粒和促進(jìn)凝塊退縮[7]。通過上述研究我們認(rèn)為高原低氧環(huán)境引起了血小板活化,并進(jìn)一步促進(jìn)了血栓的形成。

血管性血友病因子(von willebrand factor,vWF)是一種重要的血漿成分,在循環(huán)中以多聚體形式存在,一方面可以與血小板膜GPⅠb-Ⅸ復(fù)合物及內(nèi)皮下膠原結(jié)合,介導(dǎo)血小板在血管損傷部位的黏附;另一方面也能結(jié)合GPⅡb-Ⅲa,參與血小板的聚集過程,vWF多聚體分子量越大,這種黏附作用越強(qiáng)。vWF的多聚體化受基質(zhì)金屬蛋白酶13(matrix metalloproteinase,ADAMTS-13)的調(diào)節(jié),它可以通過裂解vWF因子單體中的肽鍵抑制vWF形成多聚體。旦增諾揚(yáng)等[35]的研究顯示,在高原低氧狀態(tài)下健康人群血漿ADAMTS13水平明顯下降。在慢性高原低氧時根據(jù)轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)vWF基因表達(dá)增多,同時血小板α顆粒分泌增多[7],高原低氧可能通過降低ADAMTS-13活性及提高血漿vWF水平升高促進(jìn)血小板的黏附和聚集。

與此同時,有研究認(rèn)為急性缺氧可降低血小板活化水平。例如,在體外暴露于1%～8%O2的人血小板中,整合素αIIbβ3的活化水平下降,由凝集素引起的血小板聚集減少[36]。暴露于海拔3 883米(6天內(nèi)),人血漿凝血因子Ⅷ介導(dǎo)的凝血酶生成增加,但血小板聚集和整合素αIIbβ3的激活數(shù)量減少[37]。因此,對于低壓缺氧是否觸發(fā)血小板高反應(yīng)性仍有相當(dāng)大的不確定性。

3 低氧對血小板破壞的影響

目前沒有相關(guān)文獻(xiàn)直接證明低氧可以導(dǎo)致血小板破壞增多,從而引起血小板減少。相關(guān)研究顯示,血小板凋亡水平?jīng)Q定了其壽命,血小板中促存活蛋白Bcl-xl降低,或促凋亡蛋白Bak升高都會明顯縮短血小板壽命,用BH3的類似物ABT-737可致體內(nèi)血小板數(shù)目明顯減少[38,39]。低壓低氧可以導(dǎo)致血小板凝血酶的生成增多[37],用凝血酶激活血小板后會導(dǎo)致血小板活化和凋亡水平升高,凋亡和活化這兩個過程都會導(dǎo)致磷脂酰絲氨酸(phosphatidyl serine,PS)外翻和促凝活性增高[40]。PS外翻是體內(nèi)凋亡細(xì)胞告訴單核巨噬細(xì)胞的一個“吃我”信號[41],在血小板的凋亡和活化過程中,PS外翻都是最后一個事件,并最終引起單核巨噬細(xì)胞細(xì)胞識別并進(jìn)行吞噬,致循環(huán)中的血小板數(shù)目減少[42]。根據(jù)上述研究我們推測,在高原低氧環(huán)境下可能由于血小板的活化水平升高進(jìn)而導(dǎo)致血小板減少,這一推測還需進(jìn)一步的實驗證明。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,機(jī)體急性暴露于高原低氧環(huán)境發(fā)生的應(yīng)激反應(yīng)引起了HSCs向MKs的分化增多,同時促進(jìn)了MKs的凋亡,釋放了大量的血小板,因此導(dǎo)致了血小板功能的短暫增強(qiáng)。結(jié)合低氧下血小板功能增強(qiáng),我們認(rèn)為這可能是急進(jìn)高原患者發(fā)生血栓的一個重要原因。對于慢性高原低氧它可以抑制HSCs向MKs的分化,減少成熟MKs的數(shù)目,無論在骨髓還是肺,低氧均抑制了血小板的產(chǎn)生,這可能是慢性高原低氧導(dǎo)致血小板減少的一個原因;同時活化的血小板由于PS外翻,易被巨噬細(xì)胞識別及吞噬,推斷這是血小板減少的另一個原因。然而由HSCs分化至MKs和MKs產(chǎn)生血小板過程中的影響因素繁多而復(fù)雜導(dǎo)致機(jī)制不明。在血小板減少的同時,血小板活化水平升高,其二者是否合力使血栓發(fā)生的幾率升高,目前仍未確定,這將是未來的研究方向。相信隨著高原血液醫(yī)學(xué)的發(fā)展,高原低氧對血小板數(shù)目和功能的影響將得到進(jìn)一步闡明。