肺高血壓與細(xì)胞代謝

虎梅 李德紅 蘇紅玲 高錦霞 曹云山

肺高血壓(pulmonary hypertension,PH)是一種以血管僵硬和細(xì)胞代謝改變?yōu)樘卣鞯倪M(jìn)行性疾病。PH患者的肺動(dòng)脈進(jìn)行性重塑,引起肺血管阻力進(jìn)行性升高,最終導(dǎo)致右心衰竭甚至死亡［1-2］。PH進(jìn)展緩慢,診斷難度大,死亡率高。盡管近年來(lái)PH患者可服用新型靶向藥物進(jìn)行治療,但對(duì)于心功能Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)的患者來(lái)說(shuō),5年生存率仍然很低(分別為65.4%和61.2%)［3］。目前PH的治療方法主要集中在擴(kuò)張血管方面,而不是針對(duì)其他致病的根本原因［1］。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)肺血管細(xì)胞代謝改變與PH發(fā)病機(jī)制有關(guān)［4］。PH患者和動(dòng)物模型中均存在肺血管細(xì)胞代謝紊亂,導(dǎo)致出現(xiàn)細(xì)胞(肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞)異常增殖和抗凋亡現(xiàn)象［4］。因此,如今人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)注肺血管細(xì)胞代謝改變?cè)诜窝苤厮苤兴鸬淖饔?從這些細(xì)胞代謝途徑中尋找PH生物標(biāo)志物將有助于早期診斷PH和預(yù)測(cè)疾病的嚴(yán)重程度,并為深入了解該疾病的發(fā)病機(jī)制提供新思路。

1 葡萄糖代謝與肺高血壓

細(xì)胞代謝是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程,它能迅速改變以適應(yīng)機(jī)體生理環(huán)境的變化［5］。在正常情況下,細(xì)胞代謝維持機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育以及內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài);疾病狀態(tài)下,細(xì)胞代謝會(huì)發(fā)生顯著變化,這些異常的代謝變化又會(huì)促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展,如癌細(xì)胞代謝改變會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移［6-7］。在有氧環(huán)境中,人體內(nèi)的葡萄糖經(jīng)過(guò)代謝產(chǎn)生丙酮酸,丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TAC),經(jīng)過(guò)一系列代謝過(guò)程后產(chǎn)生代謝產(chǎn)物;而在低氧或缺氧的環(huán)境中,機(jī)體中葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為乳酸(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)在PH患者中,肥厚的右心室與重塑的肺血管中均存在糖代謝穩(wěn)態(tài)失衡,氧化減少的同時(shí)糖酵解增強(qiáng),被稱為“Warburg效應(yīng)”［6-7］。在缺氧的情況下,糖酵解增強(qiáng)還會(huì)引起肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞(PASMCs)的損傷,是因?yàn)镻ASMCs氧化酶NOX4表達(dá)上調(diào),產(chǎn)生大量的超氧化物,導(dǎo)致PASMCs異常增殖,造成肺血管重構(gòu),引起肺動(dòng)脈高壓［8］。

圖1 葡萄糖酵解及葡萄糖氧化代謝途徑Fig.1 Metabolic pathways of glucose-glycolysis and glucose oxidativation

近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxiainducible factor,HIF-1)在缺氧條件下對(duì)PH的發(fā)生發(fā)展起重要作用。HIF-1是由組成型表達(dá)的HIF-1b和氧調(diào)節(jié)的HIF-1a組成的異二聚體,其中HIF-1a在PH發(fā)展中起關(guān)鍵作用。在缺氧的環(huán)境中,HIF-1a被激活并誘導(dǎo)丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK)上調(diào),激活的PDK導(dǎo)致丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)受到抑制,使PDH減少,進(jìn)一步抑制氧化磷酸化途徑,使線粒體中活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)減少。ROS通過(guò)調(diào)控多個(gè)離子通道的活性,誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放、細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流,抑制細(xì)胞內(nèi)K+累積而引起PH。ROS和K+、Ca2+信號(hào)可能協(xié)同觸發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),參與PH的發(fā)生［9-10］。此外,當(dāng)機(jī)體處于低氧環(huán)境時(shí),PDH被抑制,HIF-1a蛋白降解減少,并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中啟動(dòng)基因表達(dá)程序,使HIF-1a靶基因被激活,葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和PDK增加,進(jìn)而使PDH減少且丙酮酸從線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)移到線粒體外,抑制葡萄糖氧化磷酸化,進(jìn)而水和氧氣生成不足,使細(xì)胞處于低氧狀態(tài),進(jìn)一步造成低氧惡性循環(huán)。同時(shí),HIF-1a活化對(duì)其他代謝相關(guān)關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子［包括PDK3和丙酮酸激酶同工型M2(PKM2)、PDH激酶、己糖激酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUTs)］也有重要的調(diào)節(jié)作用,從而導(dǎo)致糖酵解增加和代謝重編［11］。因此,HIF-1是PH發(fā)展過(guò)程中的重要影響因子,也是PH治療的重要靶點(diǎn)(圖2)。

圖2 缺氧誘導(dǎo)因子-1對(duì)肺血管的影響Fig.1 Effects of hypoxia-inducible factor-1 on pulmonary vessels

2 脂肪酸代謝與肺高血壓

脂肪酸代謝紊亂對(duì)肺血管系統(tǒng)也有重要影響［12］。在缺氧的環(huán)境中,線粒體脂肪酸β-氧化(fatty acidβ-oxidation,FAO)成為機(jī)體主要的代謝途徑。該過(guò)程非常復(fù)雜,脂肪酸經(jīng)過(guò)細(xì)胞攝取、活化、轉(zhuǎn)脂化作用,通過(guò)線粒體膜、再脂化,經(jīng)線粒體內(nèi)氧化、電子產(chǎn)生和轉(zhuǎn)運(yùn)以及被分解成乙酰輔酶A,乙酰輔酶A進(jìn)入TCA,經(jīng)過(guò)電子傳遞鏈產(chǎn)生NADH和FADH2,從而參與一系列代謝過(guò)程。見(jiàn)圖3。

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),PH患者的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞存在脂肪酸代謝紊亂,進(jìn)而造成肺血管細(xì)胞異常增殖和血管重塑。研究發(fā)現(xiàn),PH患者的游離脂肪酸(FFAs)和長(zhǎng)鏈酰基肉堿明顯增加,且心肌細(xì)胞中出現(xiàn)脂肪酸堆積［13-17］。Randle等［18］研 究發(fā)現(xiàn),FAO途徑產(chǎn)生的乙酰輔酶A可以抑制PDH,進(jìn)而抑制丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán),使氧化磷酸化途徑被抑制,造成低氧,引起肺血管收縮,導(dǎo)致PH。此外,Zhuang等［19］研究發(fā)現(xiàn)線粒體中FAO的關(guān)鍵——限速酶肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(carnitine palmitoyltransferase,CPT)1在PASMCs異常增殖中起重要作用。在野百合堿誘導(dǎo)下,CPT1在PH大鼠PASMCs中高度表達(dá),并伴隨著三磷酸腺苷(ATP)的減少和AMPK-p53-p21通路的下調(diào),促進(jìn)PASMCs異常增殖,使肺血管重塑,進(jìn)而造成PH。因此,在PH中CPT1是促進(jìn)PASMCs異常增殖的一個(gè)新的發(fā)病機(jī)制,可能是PH治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)。與此同時(shí),在PH大鼠模型中,Shi等［17］發(fā)現(xiàn)脂肪酸合成酶的活性和表達(dá)增加可促進(jìn)脂肪酸合成增多,使肺血管細(xì)胞能量代謝改變,造成肺血管細(xì)胞內(nèi)大量脂肪酸堆積,由此造成的酸性環(huán)境有助于PH的進(jìn)展。因此,人們?cè)诖笫竽Ｐ椭型ㄟ^(guò)使用藥物抑制劑對(duì)脂肪酸合成酶進(jìn)行抑制,削弱肺血管細(xì)胞的增殖、抗凋亡等作用,進(jìn)而抑制了肺血管重塑,并使肺血管細(xì)胞代謝從FAO途徑轉(zhuǎn)化為葡萄糖代謝途徑［17,19］。

最近,Münzberg等［20］發(fā)現(xiàn)脂肪因子(瘦素和脂聯(lián)素)也與PH的形成有關(guān)。瘦素是一種主要由脂肪組織分泌的激素,在抑制食欲和調(diào)節(jié)能量消耗方面起重要作用。研究發(fā)現(xiàn),瘦素與肺血管平滑肌細(xì)胞增殖、內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙以及血小板聚集等有關(guān)［21-24］,瘦素可通過(guò)激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(transcriptional activator 3,STAT3)以及蛋白激酶B(Akt)等調(diào)節(jié)通路來(lái)刺激PASMCs增殖,進(jìn)而引起肺血管重塑［25-26］。但瘦素通過(guò)激活信號(hào)調(diào)節(jié)通路對(duì)PH發(fā)展的影響仍需進(jìn)一步深入研究。

脂聯(lián)素也是一種由脂肪組織分泌的激素。脂聯(lián)素可通過(guò)降低腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)的水平,下調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中黏附分子的表達(dá),減少炎癥因子的聚集,并調(diào)節(jié)促炎因子及抗炎因子的水平,激活一氧化氮的合成,介導(dǎo)腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)、mTOR和核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NFκB)信號(hào)傳導(dǎo),從而抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和平滑肌細(xì)胞異常增殖,使肺血管重塑有所改善［27-29］。此外,脂聯(lián)素作為PPARγ作用靶點(diǎn),可通過(guò)PPARγ激動(dòng)劑上調(diào)脂聯(lián)素水平,使黏附分子表達(dá)下調(diào),減少炎癥細(xì)胞聚集和抑制單核-巨噬細(xì)胞向泡沫細(xì)胞的轉(zhuǎn)化,具有抗炎、抗肺血管重塑等作用。此外,PPARγ的活化還可以抑制PH中的脂質(zhì)代謝紊亂。因此,脂聯(lián)素和PPARγ相互作用有望成為PH的治療靶點(diǎn)［30-32］。

3 氨基酸代謝與肺高血壓

在線粒體中,谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS)催化谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸和氨,再通過(guò)谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase,GDH)將谷氨酸轉(zhuǎn)化為TCA循環(huán)中間產(chǎn)物α-酮戊二酸(α-KG),從而產(chǎn)生ATP和生物合成原料(圖4)。在正常的心肌細(xì)胞中幾乎沒(méi)有谷氨酰胺分解代謝,而在右心衰竭的患者中,可觀察到異常增殖的肺血管細(xì)胞中大量谷氨酰胺分解。這可能是由于肺血管細(xì)胞過(guò)度增殖,細(xì)胞代謝旺盛,使谷氨酰胺需求量增加［33-36］。此外,研究發(fā)現(xiàn),在骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenesis protein 2,BMPR2)突變的PH患者中也存在谷氨酰胺代謝的改變,這可能與PH患者存在肺血管細(xì)胞的異常增殖,谷氨酰胺的攝取量大于正常人有關(guān)［37］。Bertero等［38］和Dieffenbach等［39］研究發(fā)現(xiàn),Hippo通路下游效應(yīng)因子YAP/TAZ激活可上調(diào)GLS1水平,導(dǎo)致谷氨酰胺代謝增強(qiáng),使肺血管內(nèi)皮細(xì)胞過(guò)度增殖,引起肺血管重塑,導(dǎo)致肺動(dòng)脈壓力升高。因此,研究者在野百合堿誘導(dǎo)的PH大鼠模型中發(fā)現(xiàn),通過(guò)抑制YAP/TAZ激活可下調(diào)GLS1水平,進(jìn)而抑制谷氨酰胺分解和肺血管內(nèi)皮細(xì)胞過(guò)度增殖,從而抑制肺血管重塑。

圖4 葡萄糖與氨基酸分解代謝途徑Fig.4 Metabolic pathways of glucose and amino acid decomposition

4 代謝抑制劑與肺高血壓

代謝抑制劑在代謝通路中發(fā)揮著重要作用,因而代謝途徑中的關(guān)鍵酶和(或)限速酶可作為干預(yù)PH的 靶 點(diǎn)［40］。例 如,二 氯 乙 酸(dichloroacetate,DCA)是線粒體內(nèi)PDK抑制劑,可促進(jìn)PDH的活化和葡萄糖氧化,增加線粒體內(nèi)電子傳遞鏈能量,使ROS增加;可抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞的凋亡和血管的舒張,逆轉(zhuǎn)肺血管重塑［41-42］。此外,DCA也可以改善線粒體功能,維護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)完整性,減少肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞異常增殖,使PH降低［43］。因此,DCA有望成為PH新的治療藥物。

曲美他嗪和雷諾拉嗪是脂肪酸抑制劑,可通過(guò)抑制脂肪酸氧化過(guò)程中的3-酮?；o酶A硫解酶(3-ketoyl COA thiolyase,3-KAT)來(lái)抑制FAO,增加葡萄糖氧化,改善糖酵解與糖氧化耦聯(lián),優(yōu)化細(xì)胞能量代謝。在肺動(dòng)脈結(jié)扎模型研究中發(fā)現(xiàn),曲美他嗪和雷諾拉嗪可增加右心室的葡萄糖氧化和提高ATP水平,改善心輸出量和運(yùn)動(dòng)耐力［44］。此外,它們還能抑制FAO,進(jìn)一步激活PDH,增加葡萄糖氧化,使細(xì)胞代謝方式發(fā)生改變,從而提高細(xì)胞氧的利用率［45-46］。

谷氨酰胺酶抑制劑6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸(diazo-5-oxo-l-norleucine,DON)可拮抗谷氨酰胺,增加心輸出量,改善右心室肥厚,恢復(fù)PDH活性,增加葡萄糖氧化并提高細(xì)胞氧的利用率［39］。此外,在PH中,Bertero等［38］發(fā)現(xiàn)谷氨酸可刺激谷氨酸受體N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR),促進(jìn)A型選擇性內(nèi)皮素受體和血小板衍生生長(zhǎng)因子受體誘導(dǎo)PASMCs過(guò)度增殖。在PH動(dòng)物模型研究中發(fā)現(xiàn),NMDARs的先天缺失和藥物抑制均能減緩PH的進(jìn)展。因此,干預(yù)谷氨酰胺代謝途徑可作為PH治療新的靶點(diǎn),但目前關(guān)于氨基酸代謝途徑在PH或右心肥大患者中作用的臨床研究十分有限,具體機(jī)制也尚未完全闡明。上述代謝抑制劑通過(guò)抑制代謝途徑中的關(guān)鍵酶和(或)限速酶發(fā)揮抑制作用,延緩PH的進(jìn)展。

總之,PH的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,與肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙、PASMCs及成纖維細(xì)胞異常增殖、遺傳和炎癥等因素密切相關(guān)。這些因素在肺血管重塑的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起著重要作用。見(jiàn)圖5。

圖5 肺高血壓發(fā)病機(jī)制Fig.5 Pathogenesis of pulmonary hypertension

肺血管細(xì)胞代謝改變?cè)赑H發(fā)生發(fā)展中起重要作用,因此,深入了解肺血管細(xì)胞代謝改變將有助于進(jìn)一步闡明PH的發(fā)病機(jī)制,以便尋找PH生物標(biāo)志物,并為開(kāi)發(fā)PH治療藥物提供新思路。