低氧性肺動脈高壓發(fā)生機制與診治新策略

徐康喬 夏世金

低氧性肺動脈高壓(hypoxia pulmonary hypertension, HPH)是由于各種原因造成長期慢性缺氧，繼而產生低氧性肺血管收縮(hypoxic pulmonary vasoconstriction, HPV)和低氧性肺血管結構重塑(hypoxic pulmonary vascular structural remodeling, HPVSR)[1]，導致肺動脈壓力異常增高的臨床綜合征，具有難治、高致殘率與高病死率等特點[2]。低氧性肺動脈高壓的原發(fā)病因有慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)、間質性肺病(interstitial lung disease, ILD)、阻塞性睡眠呼吸暫停、長期高原生活缺氧等，世界衛(wèi)生組織將其分為第Ⅲ組肺高血壓(由肺部疾病和/或低血氧引發(fā)的肺高血壓)[3]，其發(fā)生機制尚未完全明了。

一、低氧性肺動脈高壓的發(fā)生機制

低氧性肺動脈高壓發(fā)生機制復雜，涉及長期低氧情況下缺氧誘導因子表達提高，引起肺血管內皮細胞和平滑肌細胞內的各種血管活性因子、氣體信號分子水平變化，血管平滑肌內鈣離子濃度增加，進而發(fā)生HPV和HPVSR，近年來，人們發(fā)現(xiàn)低氧性炎癥和許多非編碼RNA也參與此過程，低氧性肺動脈高壓的發(fā)生機制仍在不斷深入探索中。

1. 缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factors, HIFs)：是一類調控轉錄活性的核蛋白，可以作用于很多靶基因，包括缺氧反應、炎癥發(fā)展和腫瘤生長有關的靶基因，HIF參與在缺氧條件下肺血管重塑，在低氧性肺動脈高壓的發(fā)生中起著核心作用[4- 5]。

HIF由異二聚體組成(α、β亞基)，這兩個亞基為有堿性α螺旋-環(huán)-α螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)結構的轉錄因子[6]，細胞內氧分壓對這兩個亞基的mRNA表達并無影響，β亞基為組成性表達，在蛋白質水平上也不受氧分壓影響[7]，故起調控作用的為HIF-α亞基，在氧分壓正常時，HIF-α的402位和564位脯氨酸殘基被羥基化，然后被E3泛素連接酶復合體識別并泛素化，最終被蛋白酶體降解，其半衰期只有5 min左右。在缺氧情況下，HIF-α合成增加，與HIF-β形成的異二聚體被轉運至細胞核，與其他輔助轉錄激活因子一起，通過bHLH結構域和DNA的缺氧反應元件結合，啟動低氧相關基因[6-7]。目前為止，人們已經找到了數(shù)千個HIF-1的下游基因[8]，產物包括內皮素(endothelin, ET)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor, FGF)、轉化生長因子β(transforming growth factor β, TGFβ)、血管生成素1(angiopoietin 1, ANGPT1)、血管生成素2等，故HIF在缺氧相關生理病理過程中起著決定性的上游調控作用。

實驗證實，HIF基因存在部分缺陷的小鼠，長期處于低氧環(huán)境中，它們的肺血管重塑情況較對照組明顯要輕，而且ET和兒茶酚胺水平也較對照組低得多[9]。對應的，缺氧可使肺組織中的各型HIF-α亞基明顯升高[4]，也說明了HIF在低氧性肺動脈高壓形成的核心作用，并且是開發(fā)治療HPH新藥的重要靶點。

2. 血管活性因子： 低氧情況下內皮細胞的HIF的高表達，引起下游一系列血管活性因子表達的變化，包括VEGF、ET-1、FGF和TGFβ1等，這些血管活性因子表達異常，導致低氧性肺血管收縮和肺血管結構重建。

(1)VEGF： 通常指VEGF-A，作為一種血管內皮細胞產生的特異性有絲分裂原，通過激活對應的酪氨酸激酶受體，促進血管內皮細胞的生長，誘導血管增生[10]。貧血所造成的長期低氧血癥可以顯著提高VEGF的表達，而促進肺動脈高壓的形成[11]。

(2)ET-1： 有兩種細胞受體有兩種，分別為A型、B型內皮素受體(endothelin receptor type A, ET-A和endothelin receptor type B, ET-B)。ET-A分布于肺大動脈的平滑肌細胞核成纖維細胞，在血管收縮以及細胞增殖、肥大、遷移等起著重要作用。ET-B分布于氣道、小動脈和毛細血管平滑肌，其激活可使平滑肌收縮[12]。內皮素受體拮抗劑(endothelin receptor antagonists, ERA)波生坦、安立生坦等即作用于此。

(3)FGF： FGF可以促進包括內皮細胞在內的很多細胞增殖分化，缺氧情況下FGF含量增高，進一步使血管壁增厚、血管平滑肌增生、肺動脈壓升高[13]。

(4)TGFβ1： TGFβ1是一種多功能細胞因子，在體內調節(jié)細胞的生長、分化和增殖[14]。暴露于低氧環(huán)境中的大鼠TGFβ的表達水平顯著上升，TGFβ可通過抑制第10號染色體缺失的磷酸酶與張力蛋白同源的基因(phosphatase and Tensin homolog deleted on chromosome ten, PTEN)表達，進而促進肺血管重塑增厚[15]。

(5)前列環(huán)素(prostacyclin, PGI2)：由血管內皮細胞合成分泌。其受體是磷酸腺苷環(huán)化酶，使細胞內cAMP水平升高，激活蛋白激酶A，舒張血管平滑肌。另外，而低氧狀態(tài)下肺血管內皮細胞功能PGI2合成減少[16]。而前列環(huán)素類似物正是模擬了前列環(huán)素的功能來治療肺動脈高壓。

3. 氣體信號分子

(1)一氧化氮 (nitric oxide, NO)： 是調節(jié)肺血管舒張的主要氣體信號分子，其是由內皮細胞的內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS) 催化合成，NO激活鳥苷酸環(huán)化酶，催化三磷酸鳥苷酸(GTP)生成環(huán)磷酸鳥苷酸(cGMP)，cGMP激活依賴cGMP的蛋白激酶(cGMP-dependent protein kinase, PKG)，即sGC/cGMP/PKG途徑，降低細胞內的鈣離子濃度，產生舒張肺血管平滑肌的作用。但低氧環(huán)境可使肺組織內的NO濃度、eNOS活性明顯下降，NO參與的肺血管舒張減弱[17]。相應的，肺循環(huán)NO濃度下降會使得肺內皮細胞功能紊亂、肺動脈收縮、肺部缺氧、肺動脈高壓[18]。而吸入NO是肺動脈高壓的治療方法之一。

(2)一氧化碳(carbon monoxide, CO)： 是另一種能夠影響肺血管舒張的氣體信號分子，CO通過內皮細胞中的血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1, HO-1)生成[19]，和NO類似，CO也通過激活sGC/cGMP/PKG途徑發(fā)揮生物學效應，但CO活性較NO低。CO不但能夠舒張肺動脈平滑肌，且抑制血管平滑肌細胞增生，促進其凋亡[20]。

(3)硫化氫(hydrogen sulfide, H2S)： 是繼NO和CO后發(fā)現(xiàn)的具有生物活性的氣體信號分子，肺循環(huán)內的H2S主要由平滑肌細胞利用含硫氨基酸為原料，經胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine γ-lyase, CSE)生成，H2S可以直接舒張血管，并有抗氧化、抗炎、調節(jié)平滑肌細胞增殖與凋亡等作用[21]，低氧可以使血液和肺組織中的H2S明顯下降[22]。

4. 低氧性炎癥： 低氧可以誘發(fā)炎癥，稱為低氧性炎癥。臨床研究表面，肺動脈高壓患者的肺血管叢狀病變周圍聚集著巨噬細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞和樹突狀細胞等炎癥細胞，而且局部白細胞介素-1β(interleukin-1, IL-1β)、IL-6、IL-8、C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)以及單核細胞趨化因子1(monocyte chemotactic factor-1, MCP-1)等水平明顯升高[23]，它們能誘導下游VEGF、ET-1、FGF的產生，引起肺血管內皮細胞損傷和肺血管平滑肌細胞增殖。低氧誘發(fā)炎癥，炎癥反過來加重低氧，形成惡性循環(huán)，造成HPH發(fā)生發(fā)展[24]。

5. 環(huán)狀RNA、微小RNA與HPH

(1)環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)： circRNA是一類以形成環(huán)狀結構為特征的非編碼RNA。HPH可以使小鼠肺組織的circRNA表達發(fā)生改變[25]，提示circRNA參與HPH的發(fā)生，可以作為診治的潛在靶點。例如hsa_circ_0016070能夠經過hsa_circ_0016070/miR-942/CCND1通路促進肺動脈平滑肌細胞的增殖，參與血管重構[26]。另外利用慢病毒介導的mmu-circ-0001033在小鼠體內過表達，能夠抑制肺動脈平滑肌細胞的異常增殖[27]。CircRNA和HPH的關系是近年來研究的熱點。

(2)微小RNA(microRNA, miRNA)： miRNA是一類約有22個核苷酸的非編碼單鏈RNA，一部分miRNA與HPH有著密切的聯(lián)系，低氧會誘導部分miRNA表達水平的變化， 比如mi-128、mi-145、miR-130等上調，miR-29a-3p、miR-204等下調。Luo等[28]發(fā)現(xiàn)低氧可導致成纖維細胞miR-29a-3p表達劇烈下降，而敲除HIF-1α或SMAD3(drosophila mothers against decapentaplegic protein 3)基因可逆轉低氧造成的miR-29a-3p減少，而且預防或治療性使用miR-29a-3p可顯著改善低氧引起的肺血管重塑、降低肺動脈壓和右心室肥厚，提示了miRNA在HPH中的潛在治療作用。其他一些miRNA，如microRNA-126、miR-371b-5p也有抑制肺血管重塑的作用[29-30]。MiRNA是治療HPH的潛在靶點。

6. 離子通道： 低氧狀態(tài)下高表達的HIF-1也抑制電壓門控鉀通道(voltage-gated K+，Kv)的表達，使細胞部分去極化也使鈣通道部分開放，細胞內鈣離子濃度增高。同時低氧引起的二酰甘油和三磷酸肌醇濃度升高，可以分別激活細胞膜上的受體依賴鈣通道(receptor-operated Ca2+channels, ROCCs)和肌漿網(wǎng)鈣池操縱的鈣通道(store-operated Ca2+channels)SOCC。這些通道的開放使細胞內鈣離子濃度升高，鈣離子與鈣調蛋白(calmodulin, CaM)結合后激活肌球蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase, MLCK)，MLCK將肌球蛋白輕鏈的磷酸化，然后肌球蛋白橫橋和肌動蛋白結合，啟動橫橋周期，平滑肌收縮。所以，鈣離子濃度增加是平滑肌收縮的直接因素，而且鈣離子同時參與細胞的生長分裂，鈣離子濃度的升高使細胞凋亡減少，促進增殖[31]。L型Ca2+通道阻斷劑能抑制缺氧誘導的細胞鈣離子增加，而電壓依賴性鈣通道阻滯劑維拉帕米可抑制缺氧引起膜去極化，從而抑制小肺動脈收縮[32]。

二、HPH的診斷

HPH的臨床表現(xiàn)常被原發(fā)疾病掩蓋而不典型，對于存在高危因素的就診者應當警惕肺動脈高壓的可能，輔助檢查常常能提供肺動脈高壓的線索，雖然右心導管檢查是診斷肺動脈高壓的金標準，但在患者不能耐受的情況下，超聲心動圖等無創(chuàng)檢查也能提供診斷依據(jù)[33]。

圖1 長期缺氧導致HPH發(fā)生機制

1. 癥狀和體征： HPH癥狀包括胸悶氣促、胸痛、乏力、暈厥和水腫，一些患者有干咳、咯血等。體征與右心功能不全和肥大表現(xiàn)有關，包括胸骨左緣抬舉樣搏動，P2亢進，右心室聽診區(qū)第三心音，三尖瓣區(qū)全收縮期雜音以及肺動脈瓣區(qū)舒張期雜音，頸靜脈充盈甚至怒張，肢體浮腫，肝脾腫大等[33]，然而患者的肺動脈高壓癥狀和體征常被原發(fā)疾病掩蓋。

2. 輔助檢查：

(1)心電圖： 作為一種簡單易行的診斷方法，心電圖正常雖然不能排除肺動脈高壓的存在，但是心電圖仍能提供有價值的診斷依據(jù)。肺動脈高壓的患者可有肺型P波、電軸右偏、右室肥厚、右束支傳導阻滯以及QTc延長等[34]，QTc延長往往提示預后不佳，晚期可有心房撲動或心房顫動等[35]。

(2)超聲心動圖： 作為無創(chuàng)性檢查廣泛用于肺動脈高壓的診斷和評估，根據(jù)2015年的ESC/ERS肺動脈高壓診治指南，對于所有懷疑肺動脈高壓患者，推薦使用超聲心動圖為首選的無創(chuàng)檢查[2]，超聲心動圖還能評價右心形態(tài)和功能，不斷發(fā)展的超聲影像新技術，如二維斑點追蹤技術、三維超聲等可以提供更加全面豐富的信息，但是應注意到超聲心動圖的精度較低[36]。

(3)胸部CT： CT不但可以通測量主動脈直徑，肺動脈與升主動脈直徑比等評價血管情況、右心形態(tài)大小、心房和心室壁厚度，而且有助于原發(fā)疾病的診斷與鑒別診斷，如有無間質性病變、肺部占位、肺動脈內占位等[37]。后期發(fā)展起來的單光子發(fā)射CT(single-photon emission computed tomography, SPECT)和雙能量CT(Dual-energy CT)對肺部通氣/血流(ventilation/perfusion, V/Q)比值具有很高的敏感性，有助于鑒別各種病因尤其是肺血栓[38]。

(4)磁共振成像： 磁共振可以對右心室和肺動脈等清晰成像，還能生成動態(tài)圖像測量血流動力學指標，是評估肺動脈高壓患者右心形態(tài)和功能重要的無創(chuàng)檢查方法[2，37]。

(5)右心導管檢查： 右心導管檢查是診斷與評估肺動脈高壓的金標準，可以提供中心靜脈壓、右心房壓力、肺動脈壓、肺毛細血管楔壓、心排出量和血氧飽和度等參數(shù)，并判斷血流動力學受損程度，還能夠進行急性血管擴張試驗。對已經接受治療的患者，復查右心導管檢查有助于療效評估[39]。但考慮其為有創(chuàng)檢查，部分患者可能不能耐受。

(6)肺功能檢查： 肺功能檢查對于診斷和評估原發(fā)肺疾病是必要的，特別是對于繼發(fā)于COPD和肺纖維化的患者[33]。

(7)血液檢查： 對于HPH患者，應監(jiān)測動脈血氣情況，尤其對于原發(fā)病是COPD的患者，血氣分析檢查也有助于評估長期氧療的效果[33]?；颊哐t蛋白可因缺氧代償而升高，血漿腦鈉肽 (brain natriuretic peptide, BNP)和N端B型利鈉肽前體 (N-terminal B-type natriuretic peptide precursor, NT-proBNP)常有不同程度的升高，且升高程度和疾病嚴重程度和患者預后情況的正相關[40]，HIV、肝炎病毒抗體和自身抗體等有助于原發(fā)疾病的診斷與鑒別。新的診斷標志物，如非對稱二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine, ADMA)可以評價患者內皮細胞的功能紊亂程度，其他包括生長分化因子-15(growth differentiation factor-15, GDF-15)、半乳糖凝集素-3(galectin-3)、巨噬細胞轉移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor, MIF)等標志物的診斷價值也在研究中[41]。

8. 6分鐘步行測試(6-minute walking test, 6MWT)： 6MWT簡單易行，能夠直接評價患者的心肺功能，是評估病情嚴重程度的重要指標，患者6 min步行距離越長，提示患者運動耐量越好，反之越差，6MWT結果受身高、年齡、體重、性別和伴隨疾病等諸多因素的影響，所以需要結合臨床來評價[2]。

9. 睡眠呼吸監(jiān)測： 阻塞性睡眠呼吸暫停是HPH發(fā)生的重要原因，故應該進行睡眠呼吸監(jiān)測，特別是對于肥胖者[42]。

三、HPH的治療

HPH考慮到原發(fā)病的不同，治療有所差異，治療應圍繞著治療原發(fā)疾病和肺動脈高壓展開，以期提高患者的生活質量和生存時間?，F(xiàn)在的治療藥物和方法主要是針對原發(fā)性肺動脈高壓開發(fā)，對于治療各種原因造成的HPH臨床試驗較少而且樣本量也較小，故期待相關研究進一步開展。

1. COPD相關肺動脈高壓：長期每天低流量吸氧(15 h/天)能使平均肺動脈壓力維持穩(wěn)定，并改善預后、延長生存時間[43]。但是藥物治療對于這些患者的益處卻未得到充分證實，特別是對于中度肺動脈高壓伴嚴重COPD的患者。Valerio等[44]對32例肺動脈高壓伴COPD患者隨機分組，予以波生坦或安慰劑，18個月之后治療組相對于安慰劑組，平均肺動脈壓(mean pulmonary artery pressure, mPAP)、肺血管阻力(pulmonary vascular resistance, PVR)和6MWT都有改善，但也有研究者獲得不同的結論[45]。5型磷酸二酯酶(phosphodiesterase 5, PDE-5)抑制劑的效果，Vitulo等[46]進行了一個多中心雙盲對照的實驗，服用西地那非可以降低PVR，提高COPD的BODE指數(shù)和生活質量指數(shù)，但對血氧分壓無明顯改善。有關前列環(huán)素類似物的研究很少，小樣本的臨床實驗提示伊洛前列環(huán)素可以改善V/Q比值和運動耐力[47]。還有吸入一氧化氮(nitric oxide, NO)能夠在短時間內改善患者血流動力學情況(mPAP、PVR、心輸出量等)，但缺少長期應用吸入NO效果的臨床研究[43]。COPD相關肺動脈高壓的治療效果有了較大進展，控制COPD本身的發(fā)作和進展也是肺動脈高壓治療重要基礎。

圖2 肺動脈高壓臨床診斷流程

2. ILD相關肺動脈高壓： 大部分臨床試驗顯示ERA類藥物對此類患者無明顯效果，King等[48]對于波生坦治療ILD相關肺動脈高壓療效做了隨機對照研究，與對照組相比，波生坦組患者的生活健康質量和呼吸困難無明顯改善。另外試驗表明安貝生坦(Ambrisentan)對此類患者也無效，使用安貝生坦甚至加速了疾病的惡化，并且住院率也更高[49]。只有少數(shù)研究提示ERA類有效[50]。對于PDE-5抑制劑的療效，Zisman等[51]對西地那非治療效果進行了臨床試驗，相較于對照組，西地那非組的運動耐量提升不顯著，但是動脈血含氧量、一氧化碳彌散量(DLCO)、氣促癥狀和生活質量有改善。不過也有試驗表明，西地那非不但能改善癥狀，對運動耐力也有改善[52]。關于可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(soluble guanylate cyclase, sGC)激動劑(riociguat)，Nathan等[53]進行了有包含147例患者的隨機對照研究，治療組和對照組的6MWT和病情進展無明顯差異，但利奧西胍治療組的嚴重不良反應率和死亡率更高，試驗因此提前終止。ILD相關肺動脈高壓的治療仍不樂觀。

3. 高原性肺動脈高壓(high-altitude pulmonary hypertension, HAPH)：HAPH理想的治療方法是移居到低海拔的地區(qū)，對于無法移居的患者，氧療也是有效治療手段[54]。藥物治療方面，小規(guī)模的試驗顯示ERA類波生坦可以降低此類患者的肺動脈壓力[55]。而PDE-5抑制劑，對5項隨機對照臨床試驗的Meta分析提示使用西地那非可以降低肺動脈壓力，但是對動脈血氧含量和心率的無明顯改善作用[56]。碳酸酐酶抑制劑乙酰唑胺可以降低PVR、增加血氧飽和度，是治療此病重要藥物[57]。小樣本的隨機雙盲試驗顯示，Rho激酶抑制劑法舒地爾能降低HAPH患者的肺動脈收縮壓，而對全身血壓無影響[58]。對于HAPH治療的研究目前還較為有限。

4. 其他： 其他原因導致的HPH，例如阻塞性睡眠呼吸暫停引起的HPH，使用夜間無創(chuàng)呼吸通氣可以明顯降低肺動脈壓力，有些患者可以恢復正常[43]。HPH的藥物治療，現(xiàn)在的研究還較少，而且多為小樣本量的臨床試驗，所以今后還需更多更大規(guī)模臨床試驗。肺移植或心肺聯(lián)合移植也是各種疾患導致HPH終末期的治療選擇，尤其適用于原發(fā)的肺部疾病(如COPD、IPF等)嚴重者，肺移植可以讓患者無需繼續(xù)服用降肺動脈壓力藥物，顯著提高患者生活質量和壽命[59]，目前肺移植治療的限制仍是供體不足。

四、展望

對HPH發(fā)生機制的研究已經取得很大進展，但仍尚未完全明了。除了右心導管術之外，其他檢查方法也在不斷發(fā)展中，特別是血液學檢測和無創(chuàng)影像學方法。考慮到既往的治療藥物和方法主要是針對原發(fā)性肺動脈高壓開發(fā)，目前在驗證其在HPH治療有效性的基礎上，更需要研究專門針對HPH發(fā)生機制的藥物，現(xiàn)在有學者以HIF為靶標進行藥物研究。例如經典治療心衰藥物地高辛能抑制細胞合成HIF-1α蛋白，能夠減輕小鼠因低氧所致的肺血管重塑[60]。另外一種小分子化合物C76，其作為HIF-2的靶向抑制劑，能夠顯著降低實驗動物的肺動脈壓力、右心衰以及死亡率[61]。CircRNA和miRNA的研究也為肺動脈高壓的診治提供了新的思路，檢測在HPH發(fā)病過程時血中circRNA和miRNA含量變化可以作為潛在的診斷標志物，而針對性的治療方法有待進一步研究[62-63]。雖然隨著新的藥物與療法的開發(fā)和應用，HPH患者的生存率、生活質量有了很大提高，但是其遠期預后仍不樂觀，故仍需對其發(fā)生機制、治療方法進行不斷研究。