Warburg效應(yīng)與動(dòng)脈型肺動(dòng)脈高壓的研究進(jìn)展*

楊逸成， 肖志強(qiáng)， 陳羅雅凱， 劉旭玲， 趙 衛(wèi)， 何小艷

（1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院阜外醫(yī)院肺血管病中心，北京100037；2鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)系，河南鄭州450001；南方醫(yī)科大學(xué) 3第一臨床醫(yī)學(xué)院，4公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東廣州510515）

肺動(dòng)脈高壓（pulmonary hypertension）是一種進(jìn)展性疾病，病理生理學(xué)機(jī)制復(fù)雜多樣［1］，其血管特征在于內(nèi)皮功能障礙、內(nèi)膜增生、原位血栓形成、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)以及廣泛肺血管重塑［2-5］。有氧糖酵解又稱Warburg 效應(yīng)，是導(dǎo)致動(dòng)脈型肺動(dòng)脈高壓（pulmonary arterial hypertension，PAH）發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一［6-8］。目前研究指出肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（pulmonary ar?tery endothelial cell，PAEC）、肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（pul?monary artery smooth muscle cell，PASMC）、肺血管成纖維細(xì)胞及右心室心肌細(xì)胞等發(fā)生的Warburg 效應(yīng)均在PAH 的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，但其相關(guān)分子機(jī)制并不完全一致。本文就幾種細(xì)胞通過上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）、引起線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體（mitochondrial calcium uniporter，MCU）功能異常、高表達(dá)內(nèi)皮素1（endothe?lin-1，ET-1）和改變糖代謝關(guān)鍵酶活性等，誘導(dǎo)War?burg效應(yīng)的不同分子途徑總結(jié)如下。

1 Warburg效應(yīng)與PAH

Warburg效應(yīng)是指細(xì)胞線粒體中有氧呼吸作用受到抑制，導(dǎo)致葡萄糖的有氧氧化向有氧糖酵解轉(zhuǎn)變的過程［9-10］，該現(xiàn)象與線粒體感受氧的能力下降有關(guān)。在PAH 患者及PAH 動(dòng)物模型中，PASMC、PAEC、成纖維細(xì)胞和右心室心肌細(xì)胞等均存在Warburg 效應(yīng)［11-14］，從而導(dǎo)致細(xì)胞的過度增殖以及出現(xiàn)抗凋亡特性，促使肺內(nèi)血管重塑，造成或者加重肺動(dòng)脈高壓。

1.1 PASMC 與Warburg 效 應(yīng) PASMC 的 代 謝 障 礙和過度增殖在PAH的形成過程中至關(guān)重要。在正常的PASMC 中，葡萄糖糖酵解形成丙酮酸，經(jīng)過線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入線粒體進(jìn)行氧化磷酸化。然而，在PAH患者或動(dòng)物模型中線粒體存在代謝障礙，其糖代謝向未偶聯(lián)氧化磷酸化的糖酵解轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致PASMC的過度增殖。

1.1.1 HIF的上調(diào) HIF-1是PASMC發(fā)生有氧糖酵解的主要調(diào)節(jié)者，它是由氧調(diào)節(jié)的α 亞基和組成性表達(dá)的β 亞基構(gòu)成的異二聚體，在誘導(dǎo)PAH 的發(fā)生中發(fā)揮重要作用［15］。HIF-1α在有氧條件下會(huì)被脯氨酰羥化酶羥化以及VHL 蛋白泛素化而降解；在低氧條件下脯氨酰羥化酶受到抑制，HIF-1α 降解受阻從而與細(xì)胞核中的HIF-1β 結(jié)合成為HIF 異二聚體，再與缺氧反應(yīng)元件相結(jié)合后上調(diào)丙酮酸脫氫酶激酶1/2（pyruvate dehydrogenase kinase-1/2，PDK-1/2），從而通過糖酵解途徑產(chǎn)能［16-17］。然而即便在常氧狀態(tài)下，DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)的上調(diào)導(dǎo)致啟動(dòng)子中的CpG 島高度甲基化后能抑制超氧化物歧化酶2 的轉(zhuǎn)錄，造成過氧化氫的生成減少，營(yíng)造出一種偽低氧環(huán)境，從而激活HIF和PDK［18］，誘導(dǎo)Warburg效應(yīng)。

血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet-derived growth factor，PDGF）與PDGF 受體的相互作用是上調(diào)HIF-1α 的另一分子機(jī)制，其通過磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素哺乳動(dòng)物靶標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路（PI3K/AKT/mTOR）增加HIF-1α 的表達(dá)［19］。PI3K 激活后將磷脂酰肌醇4，5-二磷酸磷酸化為磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸，進(jìn)而與AKT 結(jié)合，此外PI3K 還通過激活mTOR 進(jìn)一步磷酸化AKT，磷酸化后的AKT 通過上調(diào)HIF-1α 后促進(jìn)有氧糖酵解的發(fā)生［19］。PDGF、PI3K 及mTOR 抑制劑的使用可降低HIF-1α 的水平，從而抑制PASMC 的代謝轉(zhuǎn)變和過度增殖。糖原合酶激酶3β 作為PI3K/AKT 通路的重要信號(hào)分子，抑制其表達(dá)也是下調(diào)HIF-1α的關(guān)鍵因素［20］。

HIF-1α 上調(diào)促進(jìn)糖酵解，同時(shí)誘導(dǎo)線粒體片段化后破壞氧化磷酸化途徑，共同導(dǎo)致PASMC 的過度增殖和抗凋亡特性。HIF 能夠增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)促使葡萄糖向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，但由于線粒體片段化和氧化磷酸化功能受損，胞內(nèi)葡萄糖的增加實(shí)際上為糖酵解途徑提供了更多的底物，使細(xì)胞糖酵解通量進(jìn)一步增加［11］。己糖激酶（hexokinase，HK）作為糖酵解過程中的第一個(gè)限速酶，在HIF-1α 的調(diào)控下也參與了PASMC 的糖代謝轉(zhuǎn)化過程。由于HK2 基因的近端啟動(dòng)子中存在HIF-1α 的結(jié)合位點(diǎn)，推測(cè)HIF 與該位點(diǎn)結(jié)合后通過上調(diào)HK2 的表達(dá)促進(jìn)有氧糖酵解［21］，從而引起PASMC 的增殖。另一方面，由于線粒體功能障礙，過氧化氫產(chǎn)生減少，使細(xì)胞膜表面的氧敏感性電壓門控鉀離子通道的Kv1-5亞基受到抑制，從而造成細(xì)胞內(nèi)鉀離子與鈣離子濃度上升，促進(jìn)血管收縮、細(xì)胞增殖與抗凋亡［15］。

二氯乙酸鹽（dichloroacetate，DCA）可以通過下調(diào)PDK-1 和HIF-1α，恢復(fù)丙酮酸脫氫酶的功能以及促使HK2失活來逆轉(zhuǎn)Warburg效應(yīng)，可能是治療PAH的候選藥物［22］。在小鼠PAH模型中使用DCA可改善疾病進(jìn)展，并顯著提高存活率［23］。此外DCA還可通過糾正PASMCs的線粒體功能改善心輸出量，與法舒地爾合用后可表現(xiàn)出疊加效應(yīng)［24］。但截止至目前，仍未有DCA治療PAH患者的臨床試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道。

1.1.2 線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體功能異常 MCU 復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜中內(nèi)向鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道，可維持細(xì)胞質(zhì)中低鈣水平和線粒體內(nèi)的高鈣水平，其功能異常也將促使PASMC 發(fā)生Warburg 效應(yīng)。MCU 作為MCU 復(fù)合體的重要亞基，缺乏后會(huì)引起復(fù)合體的功能障礙，造成線粒體內(nèi)鈣離子濃度降低從而導(dǎo)致鈣離子濃度依賴的PDK 活性下降，氧化磷酸化途徑受阻；另一方面MCU 復(fù)合物的功能障礙使細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平升高，促進(jìn)PASMC 的過度增殖。Hong等［25］觀察到增加MCU 的表達(dá)后能抑制PAH 患者PASMC 的Warburg 效應(yīng)，由于MCU 的表達(dá)可以受到上游的mi?croRNA（miRNA-25 和miRNA-138）的 直 接 調(diào) 節(jié)，miRNA-25 和miRNA-138 有望成為治療PAH 的重要靶點(diǎn)。

1.2 PAEC 與Warburg 效應(yīng) 在PAH 患者和動(dòng)物模型中，PAEC 也存在Warburg 效應(yīng)。一些學(xué)者認(rèn)為，PAEC 中的Warburg現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)制與PASMC 相同，都是由HIF-1α 激活所介導(dǎo)［18］。然而，也有學(xué)者認(rèn)為PAH患者肺組織中ET-1的高表達(dá)除了具有收縮肺血管的作用外，還能促進(jìn)PAEC發(fā)生糖代謝轉(zhuǎn)變。研究指出ET-1能促進(jìn)蛋白激酶Cδ與內(nèi)皮型一氧化氮合成酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）結(jié)合，然后使eNOS 在T495 處發(fā)生磷酸化后導(dǎo)致線粒體中一氧化氮誘導(dǎo)的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）增加。ROS 的積累可以再激活HIF，同時(shí)抑制HIF 的泛素化降解，促使了PAEC發(fā)生向糖酵解方向的代謝轉(zhuǎn)變［26］。此外，CD137信號(hào)也是調(diào)控有氧糖酵解途徑從而促進(jìn)小鼠PAEC的增殖的重要機(jī)制［27］。

6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2，6-biphosphatase 3，PFKFB3）作為糖酵解中關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶可以顯著增加細(xì)胞糖酵解水平，其水平的上調(diào)引起PAEC的代謝轉(zhuǎn)變。在PAH 大鼠的PAEC 中觀察到PFKFB3 在mRNA 和蛋白表達(dá)水平以及蛋白活性水平都較正常PAEC 明顯上調(diào)，其可能通過上調(diào)HIF 以及促進(jìn)PAEC 釋放生長(zhǎng)因子和炎性細(xì)胞因子等途徑引起Warburg 效應(yīng)［28］，而PFKFB3 抑制劑的使用可以劑量依賴性地降低糖酵解通量，緩解PAH的進(jìn)展，該抑制劑的安全性和可靠性仍需要深入研究予以明確［29］。

聚嘧啶束結(jié)合蛋白1（polypyrimidine-tractbinding protein 1，PTBP1）作為一種RNA結(jié)合蛋白，是丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）的主要調(diào)節(jié)劑之一，通過催化磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）脫磷酸生成丙酮酸而在糖酵解中發(fā)揮重要作用。在癌細(xì)胞中，PTBP1 調(diào)控基因表達(dá)來促進(jìn)PKM1向PKM2 的表達(dá)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致有氧糖酵解增加，促進(jìn)細(xì)胞增殖［30］。研究表明miRNA124 調(diào)控的PTBP1 的上調(diào)［31］也通過類似的分子機(jī)制誘導(dǎo)PAEC產(chǎn)生Warburg效應(yīng)和過度增殖，上調(diào)miRNA124或者抑制PTBP1均可使內(nèi)皮細(xì)胞糖代謝恢復(fù)正常，并且糾正內(nèi)皮細(xì)胞過度增殖表型，有希望成為PAH治療的新靶點(diǎn)［31］。

1.3 成纖維細(xì)胞與Warburg 效應(yīng) 與PASMC 和PAEC相同，肺組織中的成纖維細(xì)胞也可以通過HIF-1α 途 徑 和miR-124-PTBP1-PKM1/2 途 徑 誘 導(dǎo)War?burg效應(yīng)。Zhang等［32］通過對(duì)比正常人和PAH患者、PAH 動(dòng)物模型的成纖維細(xì)胞后揭示PAH 中成纖維細(xì)胞PKM2/PKM1比值升高，且通過miRNA-124過表達(dá)或PTBP1基因敲除后可使該比值正?；⒛孓D(zhuǎn)糖酵解的表型，減少糖酵解中間產(chǎn)物和乳酸的產(chǎn)生，從而避免細(xì)胞過度增殖。此外使用Tepp-46 和紫草素對(duì)PKM2 活性的藥理調(diào)控或組蛋白去乙酰化酶抑制劑也可產(chǎn)生類似效果。

1.4 右心室心肌細(xì)胞與Warburg效應(yīng) 正常成人中右心室心肌細(xì)胞主要利用葡萄糖和脂肪酸的有氧氧化作為能量來源維持細(xì)胞連續(xù)收縮所需的能量供應(yīng)，在PAH 患者中，右心室心肌細(xì)胞出現(xiàn)Warburg 效應(yīng)的分子機(jī)制仍尚未明確，其可能通過激活FOXO1，c-Myc 和HIF-1α 等轉(zhuǎn)錄因子后上調(diào)包括PDK 在內(nèi)的糖酵解基因的表達(dá)，促使線粒體從有氧氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒猓?1，18］，從而降低右心室心肌收縮功能。心肌細(xì)胞中Warburg 效應(yīng)造成的右心室功能障礙被認(rèn)為是引起PAH 患者死亡的原因之一，通過使用PDK抑制劑降低有氧糖酵解水平有助于改善右心室功能，其在改善PAH 患者預(yù)后的優(yōu)勢(shì)仍需要進(jìn)一步的研究探討［33］。

2 結(jié)語

肺動(dòng)脈高壓是一種進(jìn)展性疾病，患者預(yù)后較差。內(nèi)皮素受體拮抗劑、5-型磷酸二酯酶抑制劑、前列環(huán)素類似物等經(jīng)典靶向藥物的出現(xiàn)在一定程度上改善患者癥狀，但其預(yù)后仍不容樂觀。目前臨床上面臨靶向藥物種類不多、藥物副作用明顯和藥物價(jià)格昂貴等現(xiàn)狀，需要依賴于對(duì)肺動(dòng)脈高壓機(jī)制的深入研究以探索新藥物解決此困境。近些年肺動(dòng)脈高壓是一種代謝性疾病得到了專家學(xué)者的認(rèn)可，Warburg效應(yīng)誘導(dǎo)肺動(dòng)脈高壓發(fā)生的機(jī)制也得到廣泛探討。肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和右心室心肌細(xì)胞可以通過調(diào)控HIF-1水平、MCU功能和糖代謝關(guān)鍵酶的活性等途徑發(fā)生Warburg效應(yīng)。如何有效逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的Warburg效應(yīng)，以恢復(fù)正常的糖代謝和抑制細(xì)胞的過度增殖是今后PAH靶向藥物的研發(fā)方向之一，以期新的靶向藥物能為改善PAH患者的預(yù)后提供幫助。